燃料電池發(fā)動機(jī)空氣過濾器的實(shí)驗(yàn)與仿真

        隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境污染日益加劇。為解決這些問題，必須開發(fā)替代型新能源汽車。在各類新能源汽車中，燃料電池汽車(FCV)以工作溫度低、能量轉(zhuǎn)化效率高和環(huán)境友好等突出的優(yōu)越性，成為各國政府和各大公司的研究熱點(diǎn)［1］。
        以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作為發(fā)動機(jī)的FCV都采用空氣作為氧化劑，因此城市空氣質(zhì)量對燃料電池發(fā)動機(jī)(FCE)的效率和壽命產(chǎn)生重要的影響。解決空氣污染物對燃料電池的影響變得更加緊迫?？諝庵械挠泻怏w(SO2)對PEMFC陰極催化層具有毒化作用，影響其性能和壽命。研究表明，當(dāng)電池以500mA/cm2的電流密度放電，而空氣中SO2濃度達(dá)0.05×10－6(3.2mg/m3)時(shí)，電池性能會受到不可忽略的影響［2］。
        目前通常使用兩種方法來消除空氣中有害氣體對燃料電池性能的影響。一種是開發(fā)新的催化劑，增強(qiáng)催化劑的抗毒性能;另一種是在空氣進(jìn)入燃料電池之前，將空氣中的有害氣體過濾去除。然而空氣中有害氣體的種類繁多，開發(fā)一種可以抵抗多種有害氣體的新型陰極催化劑仍有較多問題需要攻克。而使用空氣過濾器，在空氣進(jìn)入電池陰極之前將有害氣體從空氣中過濾去除是一種簡單而行之有效的辦法。
        目前，國內(nèi)外對車用燃料電池發(fā)動機(jī)空氣過濾器的研究較少。文獻(xiàn)［3］中詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)燃料電池空氣過濾器結(jié)構(gòu)的方法，認(rèn)為設(shè)計(jì)燃料電池空氣過濾器主要應(yīng)該考慮進(jìn)氣屬性、濾芯體積、濾芯材料的吸附量和過濾器的壓降等因素。
        對于酸性化學(xué)污染物，活性炭是一種比較好的吸附材料。文獻(xiàn)［4］中通過將活性炭浸漬于不同濃度的KOH，對活性炭進(jìn)行化學(xué)改性，結(jié)果表明:改性劑增加了吸附劑的堿性，顯著提高了活性炭對SO2等氣體的吸附性能。
        燃料電池空氣過濾器濾芯要求具有較小的壓降。文獻(xiàn)［5］中根據(jù)壓降和速度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出黏性阻力系數(shù)1/α和慣性阻力系數(shù)C2，并將其代入FLUENT軟件多孔介質(zhì)模型中，得出空氣通過過濾器的壓降特性，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果和FLUENT仿真結(jié)果基本一致，為燃料電池空氣過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要的方法和依據(jù)。
        文獻(xiàn)［6］中利用FLUENT和MATLAB軟件對多孔介質(zhì)下丙烷催化燃燒反應(yīng)進(jìn)行了模擬，研究了形狀分別為球狀和柱狀的丙烷催化劑的不同粒徑和氣體溫度等因素對熱量交換、組分質(zhì)量輸運(yùn)的影響。結(jié)果表明，F(xiàn)LUENT與MATLAB軟件計(jì)算結(jié)果比較吻合，對固定床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。
        本文中應(yīng)用FLUENT軟件對FCE空氣過濾器濾芯的化學(xué)吸附特性進(jìn)行仿真研究，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，指導(dǎo)設(shè)計(jì)開發(fā)FCE空氣過濾器，提高其使用壽命。
        1·計(jì)算模型
        1.1模型描述
        主要針對FCE空氣過濾器的流體力學(xué)特性、壓力損失和濾芯化學(xué)吸附特性進(jìn)行仿真。采用Auto-CAD建立的計(jì)算幾何模型如圖1所示。過濾器結(jié)構(gòu)包括上下兩個(gè)濾芯:上濾芯為紙質(zhì)或無紡布，用于去除空氣中的顆粒污染物;下濾芯為KOH改性的活性炭顆粒，用于去除空氣中的化學(xué)污染物。當(dāng)過濾器的SO2吸附曲線穿透時(shí)，即過濾器出口SO2濃度大于0時(shí)，定義為過濾器失效。