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    燃料電池發動機空氣過濾器的實驗與仿真

    日期:2016-12-27

     隨著汽車工業的發展,能源危機和環境污染日益加劇。為解決這些問題,必須開發替代型新能源汽車。在各類新能源汽車中,燃料電池汽車(FCV)以工作溫度低、能量轉化效率高和環境友好等突出的優越性,成為各國政府和各大公司的研究熱點[1]。
        以質子交換膜燃料電池(PEMFC)作為發動機的FCV都采用空氣作為氧化劑,因此城市空氣質量對燃料電池發動機(FCE)的效率和壽命產生重要的影響。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,當電池以500mA/cm2的電流密度放電,而空氣中SO2濃度達0.05×10-6(3.2mg/m3)時,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。一種是開發新的催化劑,增強催化劑的抗毒性能;另一種是在空氣進入燃料電池之前,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,國內外對車用燃料電池發動機空氣過濾器的研究較少。文獻[3]中詳細闡述了設計燃料電池空氣過濾器結構的方法,認為設計燃料電池空氣過濾器主要應該考慮進氣屬性、濾芯體積、濾芯材料的吸附量和過濾器的壓降等因素。
        對于酸性化學污染物,活性炭是一種比較好的吸附材料。文獻[4]中通過將活性炭浸漬于不同濃度的KOH,對活性炭進行化學改性,結果表明: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[5]中根據壓降和速度的試驗數據計算得出黏性阻力系數1/α和慣性阻力系數C2,并將其代入FLUENT軟件多孔介質模型中,得出空氣通過過濾器的壓降特性,且實驗結果和FLUENT仿真結果基本一致,為燃料電池空氣過濾器結構設計提供了重要的方法和依據。
        文獻[6]中利用FLUENT和MATLAB軟件對多孔介質下丙烷催化燃燒反應進行了模擬,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、組分質量輸運的影響。結果表明,FLUENT與MATLAB軟件計算結果比較吻合,對固定床反應器的設計具有重要的指導意義。
        本文中應用FLUENT軟件對FCE空氣過濾器濾芯的化學吸附特性進行仿真研究,并通過實驗進行驗證,指導設計開發FCE空氣過濾器,提高其使用壽命。
        1·計算模型
        1.1模型描述
        主要針對FCE空氣過濾器的流體力學特性、壓力損失和濾芯化學吸附特性進行仿真。采用Auto-CAD建立的計算幾何模型如圖1所示。過濾器結構包括上下兩個濾芯:上濾芯為紙質或無紡布,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污染物。當過濾器的SO2吸附曲線穿透時,即過濾器出口SO2濃度大于0時,定義為過濾器失效。
     

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