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燃料电池发动机空气过滤器的实验与仿真

        随着汽车工业的发展,能源危机和环境污染日益加剧。为解决这些问题,必须开发替代型新能源汽车。在各类新能源汽车中,燃料电池汽车(FCV)以工作温度低、能量转化效率高和环境友好等突出的优越性,成为各国政府和各大公司的研究热点[1]。
        以质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为发动机的FCV都采用空气作为氧化剂,因此城市空气质量对燃料电池发动机(FCE)的效率和寿命产生重要的影响。解决空气污染物对燃料电池的影响变得更加紧迫。空气中的有害气体(SO2)对PEMFC阴极催化层具有毒化作用,影响其性能和寿命。研究表明,当电池以500mA/cm2的电流密度放电,而空气中SO2浓度达0.05×10-6(3.2mg/m3)时,电池性能会受到不可忽略的影响[2]。
        目前通常使用两种方法来消除空气中有害气体对燃料电池性能的影响。一种是开发新的催化剂,增强催化剂的抗毒性能;另一种是在空气进入燃料电池之前,将空气中的有害气体过滤去除。然而空气中有害气体的种类繁多,开发一种可以抵抗多种有害气体的新型阴极催化剂仍有较多问题需要攻克。而使用空气过滤器,在空气进入电池阴极之前将有害气体从空气中过滤去除是一种简单而行之有效的办法。
        目前,国内外对车用燃料电池发动机空气过滤器的研究较少。文献[3]中详细阐述了设计燃料电池空气过滤器结构的方法,认为设计燃料电池空气过滤器主要应该考虑进气属性、滤芯体积、滤芯材料的吸附量和过滤器的压降等因素。
        对于酸性化学污染物,活性炭是一种比较好的吸附材料。文献[4]中通过将活性炭浸渍于不同浓度的KOH,对活性炭进行化学改性,结果表明:改性剂增加了吸附剂的碱性,显著提高了活性炭对SO2等气体的吸附性能。
        燃料电池空气过滤器滤芯要求具有较小的压降。文献[5]中根据压降和速度的试验数据计算得出黏性阻力系数1/α和惯性阻力系数C2,并将其代入FLUENT软件多孔介质模型中,得出空气通过过滤器的压降特性,且实验结果和FLUENT仿真结果基本一致,为燃料电池空气过滤器结构设计提供了重要的方法和依据。
        文献[6]中利用FLUENT和MATLAB软件对多孔介质下丙烷催化燃烧反应进行了模拟,研究了形状分别为球状和柱状的丙烷催化剂的不同粒径和气体温度等因素对热量交换、组分质量输运的影响。结果表明,FLUENT与MATLAB软件计算结果比较吻合,对固定床反应器的设计具有重要的指导意义。
        本文中应用FLUENT软件对FCE空气过滤器滤芯的化学吸附特性进行仿真研究,并通过实验进行验证,指导设计开发FCE空气过滤器,提高其使用寿命。
        1·计算模型
        1.1模型描述
        主要针对FCE空气过滤器的流体力学特性、压力损失和滤芯化学吸附特性进行仿真。采用Auto-CAD建立的计算几何模型如图1所示。过滤器结构包括上下两个滤芯:上滤芯为纸质或无纺布,用于去除空气中的颗粒污染物;下滤芯为KOH改性的活性炭颗粒,用于去除空气中的化学污染物。当过滤器的SO2吸附曲线穿透时,即过滤器出口SO2浓度大于0时,定义为过滤器失效。

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发布时间:2022-09-27 13:46:12