燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)空氣過(guò)濾器的實(shí)驗(yàn)與仿真*

呂 洪，蔡書娟，許 瀟，劉 湃，陳 專，馬建新

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，新能源汽車工程中心，上海 201804)

前言

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(guó)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(dòng)機(jī)的FCV都采用空氣作為氧化劑，因此城市空氣質(zhì)量對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)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(duì)燃料電池的影響變得更加緊迫?？諝庵械挠泻怏w(SO2)對(duì)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(huì)受到不可忽略的影響［2］。

目前通常使用兩種方法來(lái)消除空氣中有害氣體對(duì)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(guò)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(guò)濾器，在空氣進(jìn)入電池陰極之前將有害氣體從空氣中過(guò)濾去除是一種簡(jiǎn)單而行之有效的辦法。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)空氣過(guò)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(guò)濾器結(jié)構(gòu)的方法，認(rèn)為設(shè)計(jì)燃料電池空氣過(guò)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(guò)濾器的壓降等因素。

對(duì)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(guò)將活性炭浸漬于不同濃度的KOH，對(duì)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(duì)SO2等氣體的吸附性能。

燃料電池空氣過(guò)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(guò)過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)FCE空氣過(guò)濾器濾芯的化學(xué)吸附特性進(jìn)行仿真研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，指導(dǎo)設(shè)計(jì)開發(fā)FCE空氣過(guò)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(duì)FCE空氣過(guò)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(guò)濾器結(jié)構(gòu)包括上下兩個(gè)濾芯:上濾芯為紙質(zhì)或無(wú)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(guò)濾器的SO2吸附曲線穿透時(shí)，即過(guò)濾器出口SO2濃度大于0時(shí)，定義為過(guò)濾器失效。

1.2 模型假設(shè)

(1)反應(yīng)氣體均為理想氣體，且在空氣過(guò)濾器中混合均勻;

(2)反應(yīng)氣體為不可壓縮的湍流流動(dòng);

(3)濾芯材料為各向同性的均相多孔介質(zhì);

(4)濾芯化學(xué)吸附反應(yīng)為有限速率體積反應(yīng);

(5)網(wǎng)格劃分后每個(gè)活性炭小單元的SO2吸附飽和量由實(shí)驗(yàn)和分析得到;

(6)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)KOH改性后的活性炭化學(xué)吸附的SO2體積濃度(30%左右)遠(yuǎn)大于物理吸附的體積濃度(1%)［7］，因此僅針對(duì)濾芯多孔介質(zhì)化學(xué)反應(yīng)區(qū)域進(jìn)行模擬，不考慮空氣過(guò)濾器對(duì)SO2隨時(shí)間改變的物理吸附。

1.3 數(shù)學(xué)模型

1.3.1 基本方程

由于將氣體視為不可壓縮流體的湍流流動(dòng)，所以整個(gè)過(guò)程可以用質(zhì)量守恒方程、雷諾平均N-S方程、湍動(dòng)能κ和湍動(dòng)能耗散率ε的輸運(yùn)方程等基本控制方程來(lái)描述。

質(zhì)量守恒方程為

式中:ui為沿i方向的速度分量;fi為沿i方向的質(zhì)量力;p為壓力;ρ為空氣密度;υ為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù);υt為渦黏系數(shù)。系數(shù)使用Launder和Spalding的推薦值。

1.3.2 組分方程

式中:左邊第1項(xiàng)為非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)，第2項(xiàng)為對(duì)流項(xiàng);右邊第1項(xiàng)為擴(kuò)散項(xiàng)，第2項(xiàng)為擴(kuò)散源項(xiàng)。其中，Ck、D、ε、Sk分別表示組分濃度、組分有效擴(kuò)散系數(shù)、孔隙率和組分源項(xiàng)，下標(biāo)k為組分代碼。

1.3.3 化學(xué)反應(yīng)速率方程

式中:K為反應(yīng)速率常數(shù);K0為指數(shù)前因子(頻率因子);Eα為實(shí)驗(yàn)活化能;Rg為氣體常數(shù);T為溫度。

1.3.4 約束條件方程

通過(guò)用戶自定義函數(shù)(UDF)編寫約束條件方程，每個(gè)小單元(cell)達(dá)到飽和后不再發(fā)生化學(xué)吸附反應(yīng)。

式中:mcSO2為每個(gè)小單元吸附SO2的質(zhì)量;qc為濾芯的單位質(zhì)量吸附量;mc為小單元質(zhì)量。

1.3.5 吸附性能-進(jìn)氣屬性數(shù)學(xué)模型

本文中采用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合的方法計(jì)算出平衡吸附量和進(jìn)氣屬性的關(guān)系。首先通過(guò)希洛夫方程擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出吸附穿透時(shí)間與床層堆積厚度的關(guān)系，然后利用Wheeler公式得出不同進(jìn)氣屬性下的穿透時(shí)間，最后采用Langmuir吸附等溫公式建立平衡吸附量-空氣流量-初始濃度的三維模型［8］。通過(guò)如圖2所示的三維模型可以計(jì)算出在一定的SO2初始濃度和空氣流量范圍內(nèi)的平衡吸附量，將其作為編寫UDF約束方程的依據(jù)，用于FLUENT仿真計(jì)算。

1.4 模型主要尺寸和邊界條件

為減小運(yùn)算量，對(duì)空氣過(guò)濾器進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，即只針對(duì)濾芯多孔介質(zhì)反應(yīng)區(qū)域進(jìn)行仿真?？諝膺^(guò)濾器的邊界條件參考吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 模型邊界條件

2 結(jié)果及討論

2.1 過(guò)濾器仿真結(jié)果

圖3和圖4分別給出在過(guò)濾器入口處通入初始濃度為10×10-6和50×10-6的 SO2的仿真穿透曲線。從圖中可以看出，在SO2初始濃度為10×10-6時(shí)，過(guò)濾器的穿透時(shí)間為318h;當(dāng)初始濃度為50×10-6時(shí)，過(guò)濾器的穿透時(shí)間為64h。

為驗(yàn)證該模型預(yù)測(cè)過(guò)濾器壽命的準(zhǔn)確性，采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證。因?yàn)樵诘蜐舛葧r(shí)，過(guò)濾器失效時(shí)間較長(zhǎng)，考慮到實(shí)驗(yàn)的操作性，實(shí)驗(yàn)分為2個(gè)階段。

第1階段空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾器前SO2的濃度為10×10-6，空氣入口速度為0.4m/s，此過(guò)程持續(xù)70h，空氣過(guò)濾器未失效;第2階段進(jìn)口空氣的SO2濃度調(diào)整為50×10-6，空氣入口速度仍為0.4m/s，直至過(guò)濾器失效。仿真也分兩個(gè)階段進(jìn)行，條件與實(shí)驗(yàn)完全相同。圖5為實(shí)驗(yàn)和仿真所得空氣過(guò)濾器濾芯吸附SO2近似的穿透曲線。由圖可見，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的區(qū)別在第2階段:實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)52h后過(guò)濾器失效;而仿真經(jīng)過(guò)50h后過(guò)濾器失效。

表2給出實(shí)驗(yàn)和仿真所得的穿透時(shí)間和穿透平均吸附量。穿透時(shí)間上，仿真相對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差為-1.6%;而濾芯穿透平均吸附量的誤差為-3.1%。實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)基本相符，證明了UDF編寫的約束條件和所建模型與FLUENT仿真的可靠性。

表2 實(shí)驗(yàn)和仿真濾芯穿透時(shí)間和穿透平均吸附量的對(duì)比

2.2 過(guò)濾器結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 流速與壓力的分布

圖6和圖7分別為空氣過(guò)濾器流速和壓力分布圖?？諝膺^(guò)濾器流速最大值約為2.67m/s，楔形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于氣體流速在顆?；钚蕴慷嗫捉橘|(zhì)主體區(qū)間分布的均勻性?？諝膺^(guò)濾器的壓力損失為811Pa，滿足FCE空氣過(guò)濾器的要求。

2.2.2 SO2濃度分布

圖8為FLUENT仿真所得空氣過(guò)濾器從濾芯開始吸附SO2到吸附飽和過(guò)程中不同時(shí)刻的SO2濃度分布圖。隨著帶有SO2的氣體進(jìn)入吸附區(qū)域，濾芯中部吸附的SO2量明顯大于兩側(cè)，120h后出口處檢測(cè)出SO2，過(guò)濾器失效。顆粒活性炭濾芯在達(dá)到吸附飽和時(shí)，局部區(qū)域出現(xiàn)了“死區(qū)”、“短路”現(xiàn)象，因此活性炭吸附區(qū)域結(jié)構(gòu)需要改進(jìn)。

2.3 過(guò)濾器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

為提高濾芯的吸附效果，在整體式吸附層外側(cè)設(shè)置導(dǎo)流板，如圖9所示。設(shè)置導(dǎo)流板的作用在于強(qiáng)迫空氣分流經(jīng)過(guò)吸附劑后繼續(xù)向前流動(dòng)。

圖10為結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的空氣過(guò)濾器吸附SO2的仿真穿透曲線。仿真條件同前，在過(guò)濾器中通入10×10-6的SO270h后，再將 SO2進(jìn)氣濃度調(diào)整為50×10-6，過(guò)濾器經(jīng)過(guò)73h后失效(總的吸附時(shí)間為143h)。計(jì)算得出的濾芯穿透平均吸附量約為 44.84mg/g，比濾芯結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的吸附量提高了40.1%。

圖11為對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的空氣過(guò)濾器進(jìn)行仿真得到的濾芯接近吸附飽和時(shí)的SO2濃度分布圖。由圖可見，設(shè)置導(dǎo)流板使顆粒活性炭濾芯在達(dá)到吸附飽和時(shí)SO2的濃度分布較為均勻，同時(shí)，活性炭的利用率大大提高，“死區(qū)”明顯減小，過(guò)濾器使用壽命提高。

3 結(jié)論

通過(guò)UDF編寫約束條件方程，應(yīng)用FLUENT軟件，對(duì)燃料電池空氣過(guò)濾器流體力學(xué)和化學(xué)吸附性能進(jìn)行仿真研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;其次，通過(guò)建立的仿真模型，對(duì)空氣過(guò)濾器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)果表明:

(1)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果符合較好，表明建立的仿真模型可靠，可用于空氣過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);

(2)增設(shè)導(dǎo)流板后的空氣過(guò)濾器改善吸附效果明顯，提高了使用壽命。

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