摘要: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。介绍了国内外几种空气过滤器的专利及研究现状，并阐述了空气过滤器结构设计的 重点研发方向。
关键词:燃料电池发动机；空气过滤器；结构设计；吸附性能；压降
中图分类号:TM911.4文献标志码:A文章编号:1005-2550（2010）02-0004-04
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。近年来，为了缓解能源危机以及环境污染问题，质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）凭借其工作温度低，环境友好，启动速度快，无电解液的腐蚀和流失，能量密度高等优点，逐渐成为新能源汽车的理想动力源［1］。然而，燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，FCV）的商业化还面临着一些挑战，如：耐久性问题、成本问题、性能问题以及相关基础设施问题。
对于耐久性问题，FCV达到商业化所需的PEMFC寿命应大于5 000小时，但是在现有技术条件以及车载PEMFC工作于变工况、变温、变湿的状态下，其寿命还不能满足上述要求［2］。除此之外，空气中的污染物（如固态颗粒物、CO、CmHn、NOx、SO2和H2S等）也会对PEMFC的性能造成不良影响（如SO2对阴极催化剂有强吸附作用，从而产生“中毒”效应使电池阴极电势降低，性能迅速显著下降），甚至可能造成PEMFC运行中断［3］。
通常可以采用两种方法消除大气中有害气体对燃料电池性能的影响，一种方法是通过开发新型催化剂增加质子交换膜催化层的抗毒化性能；另外一种方法是在空气进入燃料电池阴极之前，采用空气过滤装置将有害气体过滤去除。但是由于空气中有害气体种类众多，很难开发出可以抵抗空气中所有有害气体的阴极催化剂，因此后一种方法更加简单实用［4］。
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。Daniel M.K等人［5］在其文章中详细阐述了设计和优化燃料电池空气过滤器结构的方法步骤，认为其结构设计应该考虑以下因素：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1.2 kW燃料电池发动机空气过滤器的结构设计中，如图1所示。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［6］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［7-10］，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。陈专等人［11］利用试验的方法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
现阶段，虽然国外有一些公司已经率先开发出专门用于燃料电池的空气过滤器并申请了相关专利，但是对于如何系统规范的研发空气过滤器尚属于商业机密，少有文献报道介绍。
美国Donaldson公司是一家生产传统过滤器的企业，也是最早开始研发燃料电池发动机空气过滤器的企业之一［12］。Donaldson公司申请到了世界上第一个燃料电池空气过滤器的专利。图2为该公司针对燃料电池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（1）处进入，经过过滤组件（3）、消声组件（4），到达排气端（2）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（5）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（3）的具体实施方案，可以是折叠状、圆柱状、平板状、箱体状［13］；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（VolatileOrganic 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（4）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。
Donaldson公司专利US 20070003800设计了一种用于低温催化反应过程的空气过滤器。如图3所示［13］。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（1）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（3），其作用是吸附去除空气中的水滴。（6）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（4）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（4），而是直接经过物理过滤层和排气端（2）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（4）以及排气端（5）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。
Freudenberg公司专利WO 2007039037 A1设计了一种可以去除颗粒污染物和化学污染物，同时具有一定消声功能的用于燃料电池的空气过滤器。含有颗粒物和有害气体的空气由进气端进入空气过滤器，经过无纺布颗粒过滤层粗过滤，主要去除颗粒物，再经过包裹在无纺布内的活性炭吸附层精过滤到达排气端进入燃料电池，可以有效除去有害气体。该过滤器的优点在于考虑了流体力学性能，密封性能可靠，结构简单轻便，便于拆装和更换滤芯。而且该过滤器采用了扩张式过滤器壳体结构，当气流通过时先突然扩张再收拢，会使一部分声能被消耗掉，从而使噪声得到衰减。
同济大学汽车学院专利CN101079489A采用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，如图4所示［15］。其中过滤器的锥形进气通道（1）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（5）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（8）和排气端（9）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（7）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（4）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（2）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（6）从吸附层壳体（3）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。
Robert S.T等人设计的专门用于过滤燃料电池空气的装置共有三层组成，如图5所示［16］。外部空气由风机经壳体的进口送入颗粒过滤层（3），该憎水性的聚丙烯纤维层用于过滤空气中粒径大于0.3μm的微小颗粒，并阻止水分进入；然后空气中的有害气体在化学吸附层（4）处被吸收，该层由压缩过的活性炭组成，经特别处理后不会产生粉尘随空气进入燃料电池中去；空气沿径向到达气体流动通道（1）后，再沿通道轴向从排气端（2）流出，最后到达燃料电池阴极。该装置可保证使SO2浓度低于0.25×10-6，NO2浓度低于0.53×10-6，H2S浓度低于0.2×10-6（体积分数）。
综上所述，燃料电池空气过滤器应满足以下功能要求：（1）满足吸附穿透时间、吸附容量、过滤效率的要求；（2）较小的空气流动阻力、压降以及能耗；（3）具有一定消除噪音的功能；（4）具有一定的机械强度和稳定性；（5）结构紧凑简单，便于更换滤芯，成本低。
3·结论与展望
燃料电池汽车空气过滤器的结构设计还处在起步阶段，很多研究机构和企业对于空气过滤器的研究主要集中在滤芯材质上，在结构的设计和优化方面的研究还比较少，尚有许多工作有待进一步深入，重点列举如下：
a）空气过滤器尺寸参数问题。空气过滤器的外形结构尺寸取决于众多因素，比如燃料电池发动机功率、进气量、有害气体浓度等，对如何合理地设计空气过滤器结构尺寸参数等问题值得进一步研究。
b）空气过滤器与燃料电池空气供给系统的匹配问题。空气过滤器应占据空气供给系统尽量小的容积，以减小进气阻力。
c）空气过滤器滤芯结构设计问题。空气过滤器滤芯的结构设计应考虑更换滤芯的时间、单位质量滤芯确保FCV行驶里程等参数，应结合压力降以及有害气体在滤芯不同位置的浓度分布等，优化过滤器的结构参数，以避免造成过滤器滤芯“死区”、“短路”等现象。
d）空气过滤器结构与噪声问题。优化空气过滤器的结构可以有效降低空压机的噪声，可以利用相关声学分析软件对空气过滤器结构进行优化。
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