淺談氫燃料電池電動(dòng)汽車用空氣濾清器

吳發(fā)乾，鐘輝煌

(一汽海馬汽車有限公司，海南海口 570216)

0 引言

隨著2018年5月11日李克強(qiáng)總理出訪日本參觀豐田的氫燃料電池汽車，我國(guó)的氫能源行業(yè)熱度迅速攀升。截至2019年6月，國(guó)外豐田、本田、現(xiàn)代、奔馳等都已經(jīng)推出了氫燃料電池電動(dòng)汽車；國(guó)內(nèi)上汽、一汽、東風(fēng)、長(zhǎng)城、吉利、眾泰、觀致、廣汽、海馬等也都陸續(xù)在車展或會(huì)議等場(chǎng)合展示和宣稱了氫燃料電池電動(dòng)汽車的研發(fā)。

由于氫燃料電池汽車零排放、加氫快、續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以它被認(rèn)為是未來(lái)汽車發(fā)展的終極方向，成為當(dāng)前最熱門的新技術(shù)之一。

結(jié)合作者工作實(shí)踐，首先簡(jiǎn)單介紹氫燃料電動(dòng)汽車，然后介紹空氣供應(yīng)系統(tǒng)，以利于理解空氣濾清器所處的位置，最后重點(diǎn)剖析氫燃料電動(dòng)汽車用空氣濾清器和傳統(tǒng)車的差異，以及設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)要素。

1 氫燃料電池電動(dòng)汽車

1.1 我國(guó)氫燃料電池電動(dòng)汽車來(lái)歷

根據(jù)原GB 9417-1989,中國(guó)汽車被劃分為8大類：載貨汽車、越野汽車、自卸汽車、牽引車、專用汽車、客車、轎車、半掛車。根據(jù)GB/T 3730.1-2001《汽車和掛車類型的術(shù)語(yǔ)和定義》,中國(guó)汽車被劃分為3大類：汽車(含乘用車、商用車)、掛車、汽車列車。上述關(guān)于汽車分類的國(guó)標(biāo)中都沒有氫燃料電池電動(dòng)汽車，那么它是從哪里來(lái)的呢？

首先要從新能源汽車說(shuō)起。2001年，國(guó)家“十五”期間的“863”重大科技課題首先提出了新能源汽車研究項(xiàng)目。在“十一五”期間，我國(guó)提出“節(jié)能和新能源汽車”戰(zhàn)略。2012年，《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出：“新能源汽車是指采用新型動(dòng)力系統(tǒng)，完全或主要依靠新型能源驅(qū)動(dòng)的汽車，本規(guī)劃所指新能源汽車主要包括純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車及燃料電池汽車?！?017年《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理規(guī)定》也提到了燃料電池汽車：“第三條 本規(guī)定所稱汽車，是指《汽車和掛車類型的術(shù)語(yǔ)和定義》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 3730.1-2001)第2.1款所規(guī)定的汽車整車(完整車輛)及底盤(非完整車輛)，不包括整車整備質(zhì)量超過(guò)400 kg的三輪車輛。本規(guī)定所稱新能源汽車，是指采用新型動(dòng)力系統(tǒng)，完全或者主要依靠新型能源驅(qū)動(dòng)的汽車，包括插電式混合動(dòng)力(含增程式)汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車等?！?/p>

可見，氫燃料電池電動(dòng)汽車就是新能源汽車之一。新能源汽車就是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動(dòng)力來(lái)源(或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動(dòng)力裝置)，綜合車輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進(jìn)，具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。GB/T 24548-2009《燃料電池電動(dòng)汽車 術(shù)語(yǔ)》明確燃料電池汽車的定義為：“燃料電池電動(dòng)汽車 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)是以燃料電池系統(tǒng)作為動(dòng)力源或主動(dòng)力源的汽車?！鳖櫭剂x，以氫氣為燃料的FCEV就叫氫燃料電池電動(dòng)汽車。

1.2 氫燃料電池電動(dòng)汽車簡(jiǎn)介

燃料電池電動(dòng)汽車的核心部件是燃料電池。按照GB/T 24548-2009《燃料電池電動(dòng)汽車 術(shù)語(yǔ)》，電堆總成是將外部供應(yīng)的燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能、熱能和其他反應(yīng)產(chǎn)物的發(fā)電裝置。

燃料電池分為多種，例如質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)、堿性燃料電池(Alkaline Fuel Cell，AFC)、磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)、直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)等。從工作溫度、啟動(dòng)時(shí)間和氧化劑等角度考慮，汽車最適合用質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，如圖1所示。

圖1 PEMFC結(jié)構(gòu)

燃料電池汽車和純電動(dòng)汽車相比主要增加了燃料電池系統(tǒng)和車載供氫系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 燃料電池汽車和純電動(dòng)汽車的差別

2 空氣供應(yīng)系統(tǒng)

2.1 燃料電池輔助系統(tǒng)

空氣供給系統(tǒng)實(shí)際屬于燃料電池輔助系統(tǒng)。燃料電池輔助系統(tǒng)還包含氫氣供應(yīng)系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)等，如圖3所示。

圖3 燃料電池輔助系統(tǒng)

2.2 空氣供應(yīng)系統(tǒng)

GB/T 24548-2009《燃料電池電動(dòng)汽車 術(shù)語(yǔ)》定義：空氣供應(yīng)系統(tǒng)是對(duì)進(jìn)入燃料電池的空氣進(jìn)行過(guò)濾、加濕、壓力調(diào)節(jié)等方面處理的系統(tǒng)。包含空氣濾清器、空氣壓縮機(jī)、中冷器、加濕器和背壓閥等，如圖4所示。空氣首先進(jìn)入空氣濾清器進(jìn)行過(guò)濾，經(jīng)過(guò)空氣濾清器出口處的流量傳感器，由管路流到空氣壓縮機(jī)；增壓后端高溫氣體進(jìn)入中冷器冷卻，后進(jìn)入加濕器增濕，然后進(jìn)入電堆進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；從電堆出來(lái)的高濕度空氣重新返回加濕器，為加濕器補(bǔ)充水分，最后經(jīng)過(guò)背壓閥排出。

圖4 空氣供應(yīng)系統(tǒng)1

為了降低噪聲，一般在背壓閥后面還會(huì)接上管路和消聲器，如圖5所示。

圖5 空氣供應(yīng)系統(tǒng)2

3 空氣濾清器

3.1 特點(diǎn)

氫燃料電池電動(dòng)汽車用空氣濾清器與傳統(tǒng)燃油汽車的空濾器相比，有其獨(dú)有特點(diǎn)，主要和燃料電池的極板及其催化劑有關(guān)?？諝庵械念w粒物會(huì)堵塞燃料電池極板，所以需要過(guò)濾顆粒物，這個(gè)作用和傳統(tǒng)燃油車一樣。但空氣中的雜質(zhì)氣體(如SO2、NH3、NOx等)也會(huì)使燃料電池催化劑中毒，影響燃料電池性能，因此空氣濾清器還應(yīng)具有去除有害雜質(zhì)氣體的能力。這個(gè)作用是傳統(tǒng)燃油車沒有的，是氫燃料電池電動(dòng)汽車用空氣濾清器的獨(dú)有特點(diǎn)。

3.2 結(jié)構(gòu)

空氣濾清器在結(jié)構(gòu)上一般包含上蓋、下蓋和濾芯，如圖6所示。

圖6 一般空氣濾清器組成

濾芯至少包含兩層，一層是物理過(guò)濾，另一層是化學(xué)吸附，如圖7所示。

下級(jí)子件還有裝配用的卡扣或螺釘、安裝支架，有時(shí)候附帶流量傳感器、溫度傳感器、氣體濃度傳感器等，外部接口有進(jìn)氣口、出氣口等，如圖8所示。

圖7 濾芯結(jié)構(gòu)

圖8 空氣濾清器的接口

有些空氣濾清器還增加專門的消聲器結(jié)構(gòu)。如 Donaldson公司設(shè)計(jì)的一款空氣濾清器就帶有消聲器，如圖9所示。

圖9 Donaldson公司設(shè)計(jì)的空氣濾清器

甚至有些空氣濾清器設(shè)計(jì)智能控制是否通過(guò)化學(xué)吸附層。例如有害氣體濃度較低時(shí)不經(jīng)過(guò)化學(xué)吸附層。這樣的設(shè)計(jì)可以節(jié)省濾芯材料，有利于延長(zhǎng)濾芯壽命，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

3.3 功能

空氣濾清器的功能包含物理過(guò)濾、化學(xué)吸附、降音降噪、流量監(jiān)測(cè)、壓差監(jiān)測(cè)等。

物理過(guò)濾。去除空氣中的顆粒物(如沙塵、霧霾、粉塵、氣溶膠等)，防止燃料電池極板阻塞和化學(xué)吸附效率的降低，而且也能防止磨損空氣壓縮機(jī)和增加中冷器阻力等；同時(shí)也要考慮分離空氣中的水分以便氫燃料電池能夠適應(yīng)不同的濕度運(yùn)行。

化學(xué)吸附。利用吸附和化學(xué)反應(yīng)有效去除有害氣體和揮發(fā)性污染物，避免因氫燃料電池陰極催化劑失活而導(dǎo)致的燃料電池性能下降。有害氣體和揮發(fā)性污染物包含SO2、NOx、H2S、清洗劑、除油漆溶劑、油漆、染料、殺蟲劑、消毒劑、膠水、天然氣、汽油、柴油、液化氣、香水、化妝品、視頻添加劑、漂染劑、香波等。

隔音降噪。隔離進(jìn)氣風(fēng)噪輻射，降低壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲，從而改善駕乘環(huán)境。

流量監(jiān)測(cè)。通過(guò)集成空氣流量傳感器，實(shí)施監(jiān)測(cè)進(jìn)氣流量，提高空氣利用率。

壓差監(jiān)測(cè)?？梢酝ㄟ^(guò)機(jī)械式或電子式設(shè)定壓差值，及時(shí)提示濾芯更換，避免濾芯更換不及時(shí)導(dǎo)致的系統(tǒng)故障或損害燃料電池。

3.4 原理

過(guò)濾，是指利用有孔介質(zhì)從流體中去除有害物質(zhì)，如圖10所示。

圖10 過(guò)濾原理

空氣濾清器的物理過(guò)濾原理包含直接攔截、慣性撞擊和擴(kuò)散攔截3種。

直接攔截主要是由于有害物質(zhì)的直徑大于濾材纖維構(gòu)成的孔徑，過(guò)不去，所以被攔截，見圖11。

圖11 直接攔截

但有時(shí)候直接攔截也會(huì)發(fā)生以下情形：有害物質(zhì)顆粒形狀不規(guī)則，由于搭橋情形被攔截，或者多個(gè)微粒形成搭橋攔截，見圖12。

慣性撞擊是當(dāng)流體改變運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)入纖維空間時(shí)，微粒由于自身質(zhì)量和線速度而具有直線運(yùn)動(dòng)慣性，將會(huì)離開流體主流而撞上濾材纖維，并因吸附力而停留，見圖13。

圖12 直接攔截

圖13 慣性撞擊

擴(kuò)散攔截適用于那些直徑比濾孔還小的微粒。小的微粒不會(huì)被黏性流體固定在一個(gè)位置，而是在氣流中擴(kuò)散，即自由運(yùn)動(dòng)。同時(shí)氣體分子也在做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，所以氣體分子會(huì)和微粒相互碰撞。當(dāng)微粒被撞到纖維上，就被吸附截留，見圖14。

圖14 擴(kuò)散攔截

空氣濾清器的化學(xué)吸附原理是通過(guò)選用某些比表面積大、密度小的高孔隙率材料(如活性炭、活性炭纖維、氧化鋁)作為載體，輔以表面改性技術(shù)或者負(fù)載催化劑，既可以達(dá)到高效的吸附效果，又改善空氣流通孔道，減小空氣傳輸阻力，見圖15。

圖15 化學(xué)吸附

3.5 設(shè)計(jì)參數(shù)

空氣濾清器的設(shè)計(jì)參數(shù)一般有空氣流量、進(jìn)氣阻力、容灰量、過(guò)濾效率等。

燃料電池的空氣流量需求可以通過(guò)功率經(jīng)驗(yàn)公式(1)或利用電流公式(2)計(jì)算。

Va=30.2P·φ

(1)

式中：P為燃料電池輸出功率；φ為空氣過(guò)量系數(shù)。

Va=(60NIVmφ)/(4×0.21F)

(2)

式中：N為電堆片數(shù)；I為電堆電流；Vm為氣體摩爾體積，取22.4 L/mol；φ為空氣過(guò)量系數(shù)，取2～2.5；F為法拉第常數(shù)，取96 485 C/mol。

流量確定后，對(duì)燃料電池性能影響較大的參數(shù)是進(jìn)氣阻力。這是因?yàn)榭諝鉃V清器的進(jìn)氣阻力越大，空氣壓縮機(jī)就要消耗更大的功率才能滿足燃料電池的空氣流量需求。雖然燃料電池的效率可達(dá)55%，甚至60%，但除去空氣壓縮機(jī)和燃料電池其他附件系統(tǒng)消耗的功率，剩余的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)(FCE)效率一般只有35%。為了減小空氣濾清器的進(jìn)氣阻力，設(shè)計(jì)上要考慮減小濾芯厚度，增大濾芯面積。通過(guò)增大濾芯面積減小阻力原理降低氣流速度，圖16所示是面積為40 000 mm2和80 000 mm2的濾芯的進(jìn)氣阻力曲線。

圖16 不同濾芯面積的進(jìn)氣阻力曲線

實(shí)際上進(jìn)氣阻力和濾芯面積需要同時(shí)考慮。例如，假設(shè)空氣流量2 000 L/min，經(jīng)驗(yàn)要求阻力(2±1)kPa，整車布置空間適合4 000～8 000 mm2，那么建議選取阻力2 kPa，結(jié)合圖16預(yù)計(jì)濾芯面積為6 000 mm2。

另外一般選用活性炭顆粒材料作為濾芯吸附劑(可以涂覆KOH和K2CO3等進(jìn)行改性)?；钚蕴康念w粒大小也影響進(jìn)氣阻力，一般來(lái)說(shuō)，顆粒直徑越大進(jìn)氣阻力越小。

但是活性炭顆粒直徑越大，空氣濾清器對(duì)有害氣體的吸附效果越差。不同直徑Dp的活性炭的吸附效果如圖17所示。

曲線1和3對(duì)比可見，3被穿透的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，即直徑越小，對(duì)吸附效率越有利。減小濾芯厚度對(duì)吸附效率也是不利的?？梢娺M(jìn)氣阻力和吸附效率是一對(duì)矛盾，設(shè)計(jì)上要考慮其平衡點(diǎn)。

過(guò)濾效率(物理過(guò)濾)和容灰量需針對(duì)不同的微粒直徑設(shè)定，如0.2、0.3、0.5、1、10 μm等。而化學(xué)吸附效率和吸附量則應(yīng)該針對(duì)不同的有害物質(zhì)設(shè)定，如SO2、NH3、NOx等(同時(shí)還有氣體流量、濃度等條件)。

圖17 不同直徑Dp的活性炭對(duì)SO2吸附穿透曲線

其他空濾器參數(shù)還有密封性、工作溫度、材質(zhì)等，圖18所示為某車型空氣濾清器參數(shù)。

圖18 某車型的空氣濾清器參數(shù)

4 總結(jié)

綜上，氫燃料電池電動(dòng)汽車的正常運(yùn)行必須要空氣濾清器。此種空氣濾清器除了要有物理過(guò)濾層，還應(yīng)有化學(xué)吸附層。設(shè)計(jì)上要考慮降低進(jìn)氣阻力、提高過(guò)濾效率(或吸附效率)和容灰量(或吸附量)。