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燃料电池过滤器的主要作用是什么？
PEM 燃料电池技术在交通运输、发电和非公路应用的脱碳方面发挥着重要作用。为了实现市场渗透，必须满足客户对耐用性和成本的期望。导致燃料电池堆性能下降的因素之一是有害气体污染物的影响，例如颗粒、NOx、SO2 和 NH3。为了满足燃料电池系统长期耐用性的要求，必须使用阴极空气净化器保护它们。高效、高性能的阴极空气过滤器有助于实现这些目标。
过滤哪些类型的物质可以保护燃料电池？
燃料电池阴极空气通道的功能是提供具有正确温度、压力、湿度和清洁度的空气。为了确保有效保护，需要深入了解污染物和降解机制。现代燃料电池过滤器可处理以下物质：
- 进入燃料电池堆的阴极空气中的颗粒会导致气体扩散层 (GDL)、微孔层 (MPL) 和其他流动通道堵塞，从而导致介质传输减少，从而导致性能下降。盐颗粒还会通过降低离子电导率对膜产生作用。
- 有害气体会通过两种方式降低电池堆性能：第一种是催化剂中毒。在这种情况下，有害气体会占据铂催化剂上的活性点位，从而根据类型和浓度降低电化学活性表面积 (ECSA)。这会导致电池堆电压暂时或永久下降，从而导致燃料电池性能下降。第二种是氨 (NH3) 等有害气体会影响燃料电池堆和加湿器中膜的耐久性。与膜上的磺酸官能团的化学反应会导致欧姆电阻增加，水和质子传输性能下降。此外，加速老化和降解效应也会导致机械性能下降。
为什么燃料电池过滤器对燃料电池系统如此重要？
有害气体对燃料电池性能的影响，尤其是长时间暴露后的影响往往是不可逆的，因此有效保护组件至关重要。在未经过滤的环境空气中，对 NOx 对燃料电池性能的影响进行的测试表明，长时间暴露会导致电池电压持续降低，从而降低性能。此外，大气中 NOx 的峰值会导致性能在短时间内大幅下降。高流量会导致 NOx 浓度升高，并且由于选择性催化还原 (SCR) 技术中的操作设置错误，会导致 NH3 排放量增加——这些在农业区也会遇到。
制造商通过降低铂负载以及减少膜厚度或表面积来降低电堆成本，但这也导致了对有害气体防护的要求提高。
燃料电池过滤器有哪些类型？
通常，过滤器分类与所使用的过滤介质类型有关：
- 合成介质：为了去除阴极空气中的颗粒，使用合成过滤介质。
- 碳：采用功能化活性炭，通过吸附作用去除空气中的有害气体。
- 化学吸附：为了捕获极性目标气体，必须采用化学吸附。
- 化学吸附过程：用结合碱性气体（例如 NH3）的酸浸渍活性炭。活性炭功能化会暴露出极性相反的极性化学基团。
在大多数情况下，采用具有颗粒过滤层和气体吸附层的组合式滤芯。如果燃料电池在多尘环境中运行，则必须特别小心。
燃料电池过滤器的关键性能标准是什么？
燃料电池过滤器的主要关键性能参数包括：
- 气体吸附效率——燃料电池过滤器的气体吸附效率描述了过滤器吸附特定目标气体的能力，并且随气体的类型及其浓度而变化。
- 气体吸附能力——燃料电池过滤器的气体吸附能力决定了能够吸附多少气体，并且因气体及其浓度而异。
- 颗粒过滤效率——描述燃料电池过滤器捕获不同大小颗粒的程度。
- 压力下降。
气体吸附性能根据 ISO 11 155-2 进行测量，并且取决于远高于实际浓度的上游气体浓度以达到可接受的测试持续时间，例如甲苯为 80 ppm，NOx 和 SO2 为 30 ppm。
吸附效率很大程度上取决于吸附器的负载量，最好的过滤器的效率远超 90%。吸附能力取决于 95% 的穿透率或规定的测试持续时间，例如 3 小时的负载。实际的过滤能力取决于活性炭质量 - 80 – 130 kW 燃料电池的圆柱形过滤器在负载量为 80 ppm 且效率为 95% 时可吸附超过 100 g 的甲苯，负载量为 30 ppm 时 3 小时后可吸附超过 30 g 的 SO2，在相同负载条件下可吸附超过 25 g 的 NOx。
上图显示了功能化活性炭的原理。比较了不同活性炭对不同气体的穿透曲线。虽然活性炭 A 在短时间内达到气体 1 的饱和点，但对气体 2 非常有效。另一方面，活性炭 D 不适用于气体 2，但对气体 3 效果最佳。因此，不同活性炭层的组合可以最大限度地提高特殊暴露特性的吸附效率。在所有阴极空气过滤器中，必须找到体积吸附效率和压降之间的最佳平衡，从而确定阴极空气过滤元件的设计。如果有害气体通过多层活性炭，吸附的可能性就会增加，而压降也会增加。
ISO 5011 用于评估燃料电池过滤器的颗粒过滤性能。当装载 A2 测试粉尘（ISO 12 103 – 1g/m³）时。上述过滤器的初始过滤效率达到 99% 及以上，在 50 mbar 压降下粉尘容量为 150g。
从下图可以看出，不同的过滤介质是组合使用的。
有哪些不同类型的过滤元件？
通常有 3 种不同类型的过滤元件可供选择。
a) 褶皱滤芯
b) 堆叠滤芯和
c) 圆形滤芯
可以从下面的体积流量与压力损失曲线中找到这些元件各自的性能。同样值得注意的是，如果体积流量减少，则吸附效率将增加。
为什么压力降对燃料电池过滤器如此重要？
更高的压降必须通过更高的压缩机性能来补偿，这会产生额外的噪音，也会消耗更多的能量，从而降低整个燃料电池系统的效率。一种对策是增加过滤器的尺寸，但这并非在所有应用中都可行。例如，在乘用车中，燃料电池堆需要高空气流量，但只有很小的体积可用 - 因此，通常使用面板空气过滤器设计。在商用车中，可用空间更大 - 并且结合更高的使用寿命要求，具有多个活性炭层的圆柱形元件更受青睐。如果气流较低，例如燃料电池堆较小，则圆柱形元件是首选。
燃料电池过滤器究竟位于燃料电池或氢系统的什么位置？
阴极空气过滤器位于压缩机的上游，也是为了保护这些部件免受颗粒污染。如果存在水侵入的风险，则应在滤芯上游放置水分离器，因为滤芯上的液态水可能会阻塞空气的通过并占据吸附层中的吸附位点。
下图显示了一个示例布局。
如上所述，燃料电池过滤器位于压缩机的上游。
燃料电池堆中的洁净空气有何作用？
燃料电池过滤器可净化空气，最终提高燃料电池系统的性能。下图是 ZBT 测试的结果，用于分析洁净空气对燃料电池堆的影响。
从上图可以看出，使用过滤器运行的电池组 A 的电压几乎保持不变，而电池组 B 的电压下降幅度更大，这是由 NOx 引起的，表现为 NOx 浓度达到峰值导致电压下降。这清楚地表明，清洁空气在提高燃料电池系统性能方面发挥着重要作用。
过滤器多久需要更换一次？
由于阴极空气滤芯对目标气体的吸附能力取决于吸附剂质量，因此当活性炭已满载时必须更换滤芯，否则有害气体会开始突破。因此，维护间隔很大程度上取决于活性炭混合物、吸附剂质量和滤芯尺寸。为了实现适当的滤芯寿命，应了解典型操作条件下遇到的典型目标气体浓度，从而设计出具有均衡吸附性能的滤芯。
内容由 MANN+HUMMEL 提供
MANN+HUMMEL是全球领先的过滤技术公司。该集团总部位于路德维希堡，旗下有两大业务部门：运输和生命科学与环境，致力于开发智能解决方案，让出行更清洁、空气更清洁、水更清洁。因此，公司为清洁地球和有限资源的可持续利用做出了重要贡献。2020 年，MANN+HUMMEL在 80 多个地点拥有 23,000 多名员工，营业额达 42 亿欧元。我们是您开发和全球扩展燃料电池业务的完美合作伙伴，因为我们可以利用 80 多年的过滤专业知识。
最后更新：2023.1.15