燃料电池汽车空气过滤器研究

摘 要：随着经济的发展，能源短缺和环境污染是影响人类社会发展的两大重要问题，而汽车数量的不断增加是导致石油资源枯竭和大气环境污染的主要因素之一。燃料电池汽车空气过滤器不仅可以过滤空气中的固体颗粒物，还可以有效吸附有害气体，对燃料电池具有保护作用，能够延长其使用寿命。本文介绍了几种空气过滤器的研究现状，并阐述了空气过滤器结构设计的研发方向。

关键词：燃料电池发动机;空气过滤器;结构设计;吸附性能

1 空气过滤器滤芯结构设计

目前，国内外学者对燃料电池汽车发动机空气过滤器结构设计方面的研究较少，还处于起步阶段。设计和优化燃料电池空气过滤器结构的方法步骤应该考虑以下因素：进气属性（污染物类型、污染物浓度和空气进气量）、滤芯体积、滤芯材料的吸附量、过滤器的压降等，并将其应用到1.2kW燃料电池发动机空气过滤器的结构设计中。对于SO2、NOx等有害气体，活性炭比表面积较大，吸附容量大，是一种比较好的吸附材料。马晓伟等人采用活性炭作为空气过滤器的吸附剂材料，将其分别浸渍于不同浓度的KOH和K2CO3溶液中进行化学改性，并通过吸附穿透实验测得改性活性炭对NOx和SO2的吸附性能，结果表明：改性剂增加了吸附剂的碱性，有利于吸附空气中影响燃料电池的SO2和NOx等酸性气体，显著提高了活性炭的吸附性能。对于燃料电池空气过滤器滤芯结构参数的设计，在选定滤芯材料后首先需要根据滤芯材料的吸附容量计算滤芯的使用寿命。在此方面虽没有系统专门的研究，但在工业脱硫、净化水工艺等相似的学术领域已有学者对此进行了大量的研究工作，对活性炭固定床吸附气体在不同进气属性下的吸附特性及其传质方程已经建立了比较成熟完善的计算模型，其方法可以应用于燃料电池空气过滤器的设计。此外，对于燃料电池空气过滤器滤芯结构参数的设计，不仅要确保其满足一定的吸附容量以及使用寿命，还要求其具有较小的压降。对空气经过颗粒活性炭床层的压降特性以及吸附特性进行了研究，并根据压降和速度的试验数据计算得出粘性阻力系数1/α和惯性阻力系数C2，为燃料电池空气过滤器结构设计提供了重要方法依据。

2 空气过滤器发展现状

世界上第一个燃料电池空氣过滤器的设计的具有消声功能的空气过滤系统实例之一，大气中含有颗粒和污染气体的空气从进气端处进入，经过过滤组件、消声组件，到达排气端变为较为洁净的空气进入下游的燃料电池阴极。该设备还可以通过传感器接收孔采集检测气体的状态参数，如空气流量和污染物浓度，依此观测过滤器滤芯的使用状况并能判断是否需要更换滤芯。过滤组件的具体实施方案，可以是折叠状、圆柱状、平板状、箱体状;一般认为，空气过滤器的过滤组件应该至少包含一层物理过滤层以及一层化学吸附层。与传统内燃机相似，燃料电池发动机同样需要过滤空气中会磨损燃料电池部件和降低化学吸附效率的颗粒物（如：粉尘、气溶胶等），此外，物理过滤也要考虑过滤水分以便燃料电池能够适应不同的湿度运行。化学吸附则主要考虑去除空气中的SO2、H2S、NOx、NH3、CO以及挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs，）等降低燃料电池性能的有害气体，化学吸附的滤芯材料可以由活性炭、活性炭纤维、活性氧化铝、分子筛、气凝胶、离子交换树脂、离子交换纤维中的一种或多种材料，根据燃料电池对有害气体的耐受性以及大气中有害气体的浓度，通过各种熟知的改性和成型方法制成，如：适当添加HNO3等酸性物质有利于碱性气体的吸附;适当添加KOH、K2CO3等碱性物质则有利于酸性气体的吸附。该过滤器的消声组件主要采用穿孔管形式，消声原理为：当气流经过小孔时，声波与孔颈壁面相互摩接，部分声能转化为热能，使噪声得到衰减。

用于低温催化反应过程的空气过滤器，该空气过滤器既可以除去空气中的颗粒污染物，又可以除去空气中的化学污染物。空气由侧板上含有小孔的进气端进入过滤器，侧板上的小孔具有去除如树叶、碎片等体积较大的污染物的作用。然后，空气进入除水装置，其作用是吸附去除空气中的水滴。为高效颗粒过滤滤芯，此层滤芯用于去除空气中微小的颗粒污染物。部件为化学吸附滤芯，其作用是用于去除空气中的化学污染物。当PEMFC运行时，首先检测出空气中有害气体的浓度，然后依此来控制空气的输运通道：如果空气中有害气体的浓度较低，则空气不经过化学吸附层，而是直接经过物理过滤层和排气端到达燃料电池阴极侧;如果空气中有害气体的浓度较高，则需要

经过化学吸附层以及排气端到达燃料电池阴极侧。该空气过滤器可以根据空气中化学污染物的浓度决定是否需要经过化学吸附，同时考虑了用不同的滤芯除去不同类型的物质，这样可以节省滤芯材料延长其使用寿命。但是，整个过滤器结构不够紧凑，而且空气气流在过滤器内的流动均匀性没有考虑，也没有采取具体措施减小过滤器的进气阻力。

同济大学汽车学院自主研发的具有良好性能的化学吸附材料以及整体式吸附剂与空气通道交替排列结构，设计了用于燃料电池的空气过滤器。其中过滤器的锥形进气通道由前往后截面逐渐增大的结构有助于降低空气流速，从而增加空气通过过滤器的时间，提高过滤效率，而排气通道截面逐渐缩小的结构则有利于增大排气端空气流速以满足燃料电池空气流量的需要。空气进气端和排气端均设计为圆形，便于过滤器与前端空气压缩机和后端的圆形管道联接，锥形进气通道由圆形逐渐过渡至正方形。该空气过滤器在空气流动通道中利用与两侧壁面各呈45°角的楔形挡板改变空气的流动方向。设置楔形挡板的作用在于，一方面强迫空气分流经过两侧的吸附剂后才能继续向前流动，多次分流透过吸附剂可以提高空气的过滤效果，同时能保证各部分吸附剂的利用率基本相同;另一方面，45°的楔形设置，可以减少空气在改变流动方向过程中的紊流和粘滞阻力，从而减少空气传输阻力，提高空气流速，同时一定程度上还可以降低噪音。采用不锈钢滤网的作用是滤除过滤器中可能夹带出的固体颗粒物，同时通过憎水性膜有效滤除空气（如海边潮湿的空气）中的水分，并能很方便地将整体式吸附剂从吸附层壳体内取出，进行活化处理或者更换吸附剂。但过滤器的结构较复杂，空气阻力较大。

3 结语

燃料电池空气过滤器应满足以下功能要求：满足吸附穿透时间、吸附容量、过滤效率的要求;较小的空气流动阻力、压降以及能耗;具有一定消除噪音的功能;具有一定的机械强度和稳定性;结构紧凑简单，便于更换滤芯，成本低。

参考文献：

[1]刘湃，吕洪，马建新.燃料电池汽车发动机空气过滤器研究现状[J].汽车科技.

[2]马建新，吕洪，杨代军，etal.可用于燃料电池的空气过滤器.

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