燃料电池空气滤清器

知识点：电气滤清器

前面我们介绍了燃料电池系统氢气供应系统里面的核心部件，氢气喷射器、氢气引射器、氢气循环泵及气液分离器等。

接下来将陆续用几个篇幅分别介绍空气供应系统中的核心部件，包括空气滤清器、流量计、空气压缩机、中冷器、加湿器（越来越多的系统厂家逐渐取消该部件）、背压阀、消声器等。

空气供应系统图示

下面先来说说空气滤清器

熟悉传统发动机系统的应该对空气滤清器很熟悉，与传统发动机系统上用的空气滤清器相比，燃料电池用空气滤清器有所不同，这是由燃料电池自身的特性决定的。

一般来说，燃料电池用空气滤清器主要有两个作用：

1. 过滤空气中的颗粒杂质

燃料电池系统空气路从空气中取气时，空气中的杂质颗粒会随着进入空气管路，如放任颗粒物进入燃料电池堆会堵塞流道。因此需要过滤掉这些颗粒物。燃料电池用空气滤清器的这一作用与传统发动机上的空气滤清器的作用一致。

2. 吸附杂质气体

利用吸附和化学反应去除有害气体，避免由杂质气体导致阴极催化剂活性降低，进而造成燃料电池性能下降。

空气中的杂质气体如SO₂、NO_x，H₂S等气体均对燃料电池的性能有较大影响。

• H2S的影响

有学者将电极置于2×10^-4的H₂S中持续10.5h后，电池性能的衰减趋势如下图所示。

2×10^-4的H₂S对燃料电池性能的影响

从图中可以看出，将电极置于2×10^-4的H₂S中后，燃料电池的性能变化剧烈，但是，当用纯净空气通入阴极70.5h后，燃料电池的性能部分恢复。

• NO2的影响

在有关学者的实验中，第一阶段，向实验电极通入5×10^-6的NO₂，持续12h；第二阶段，继续通入5×10^-6的NO₂（NO₂/空气），并持续12h，发生了进一步的毒化，如下图所示。

5×10^-6的NO₂存在的极化曲线

• SO2的影响

  
  

在有关学者的实验中，将电极置于5×10^-6的SO₂/空气中，持续23h，电流减少了约78%；将电池置于总量相同的2.5×10^-6的SO₂中，电流减少了大约53%。此比较前后两次过程中得到的瞬时数据，说明毒化率与SO₂的体积浓度有很大关系，前者的毒化率更高，而且毒化所产生的影响更严重。然而，当对被毒化的阴极进行循环伏安扫描后，电池性能得到恢复。

5×10^-6的SO₂存在的极化曲线

因此，去除空气中这些杂质气体对于燃料电池来说极有必要。

空气滤清器图示

在进行空气滤清器设计时，需要考虑以下几个方面：

1. 1. 空气进气流量

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空气的进气流量可以通过适配的燃料电池堆的参数计算获取，根据燃料电池工作原理及法拉第第一定律可以得到：

V_air=λ·（60V_mNI）/（4F*0.21）

其中，λ为空气过量系数，V_m为空气的摩尔体积，为22.41410L/mol，N为燃料电池堆中单电池数量；I为燃料电池堆电流，F为法拉第常数，为96485C/mol。

1. 2. 流阻

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确定空气进气流量后，对整个空气系统来说，比较重要的性能参数的就是流阻了，如果流阻过大，会加大空压机的负担，使得燃料电池系统的寄生功率提升，影响燃料电池系统的输出性能。

1. 3. 容尘量

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容尘量指的是空气滤清器的最大允许积尘量，当灰尘在空气滤清器上的量超过该值后，空气过滤器的阻力会变大，导致过滤效率下降。因此，一般规定滤清器的容尘量是指在一定风量的作用下，因积尘而阻力达到规定值（一般为初阻力的2倍）的积尘量。

空气滤清器的使用寿命一般以达到额定容尘量的时间作为其滤芯的使用寿命。

1. 4. 过滤效率

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空气滤清器的过滤效率指的是单位时间内被空气滤清器滤除的尘土量与随空气进入空气滤清器的尘土量的比值的百分数。

1. 5. 工作温度

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由于其工作场景，需要满足低温条件下能够正常工作，一般要求低温-30或者-40℃下能够正常运行。

除以上因素外，空气滤清器的外形尺寸、重量、密封性等也同样是设计开发中应该重点考虑的问题。

对于做燃料电池系统集成来讲，比较关注的是空气滤清器的流阻曲线，如下图所示。

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