燃料電池發動機空氣過濾器的實驗與仿真*

呂 洪，蔡書娟，許 瀟，劉 湃，陳 專，馬建新

(同濟大學汽車學院，新能源汽車工程中心，上海 201804)

前言

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。

1.2 模型假設

(1)反應氣體均為理想氣體，且在空氣過濾器中混合均勻;

(2)反應氣體為不可壓縮的湍流流動;

(3)濾芯材料為各向同性的均相多孔介質;

(4)濾芯化學吸附反應為有限速率體積反應;

(5)網格劃分后每個活性炭小單元的SO2吸附飽和量由實驗和分析得到;

(6)實驗中經KOH改性后的活性炭化學吸附的SO2體積濃度(30%左右)遠大于物理吸附的體積濃度(1%)［7］，因此僅針對濾芯多孔介質化學反應區域進行模擬，不考慮空氣過濾器對SO2隨時間改變的物理吸附。

1.3 數學模型

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，所以整個過程可以用質量守恒方程、雷諾平均N-S方程、湍動能κ和湍動能耗散率ε的輸運方程等基本控制方程來描述。

質量守恒方程為

式中:ui為沿i方向的速度分量;fi為沿i方向的質量力;p為壓力;ρ為空氣密度;υ為運動黏性系數;υt為渦黏系數。系數使用Launder和Spalding的推薦值。

1.3.2 組分方程

式中:左邊第1項為非穩態項，第2項為對流項;右邊第1項為擴散項，第2項為擴散源項。其中，Ck、D、ε、Sk分別表示組分濃度、組分有效擴散系數、孔隙率和組分源項，下標k為組分代碼。

1.3.3 化學反應速率方程

式中:K為反應速率常數;K0為指數前因子(頻率因子);Eα為實驗活化能;Rg為氣體常數;T為溫度。

1.3.4 約束條件方程

通過用戶自定義函數(UDF)編寫約束條件方程，每個小單元(cell)達到飽和后不再發生化學吸附反應。

式中:mcSO2為每個小單元吸附SO2的質量;qc為濾芯的單位質量吸附量;mc為小單元質量。

1.3.5 吸附性能-進氣屬性數學模型

本文中采用實驗和計算機模擬相結合的方法計算出平衡吸附量和進氣屬性的關系。首先通過希洛夫方程擬合實驗數據得出吸附穿透時間與床層堆積厚度的關系，然后利用Wheeler公式得出不同進氣屬性下的穿透時間，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］。通過如圖2所示的三維模型可以計算出在一定的SO2初始濃度和空氣流量范圍內的平衡吸附量，將其作為編寫UDF約束方程的依據，用于FLUENT仿真計算。

1.4 模型主要尺寸和邊界條件

為減小運算量，對空氣過濾器進行適當簡化，即只針對濾芯多孔介質反應區域進行仿真。空氣過濾器的邊界條件參考吸附實驗數據，如表1所示。

表1 模型邊界條件

2 結果及討論

2.1 過濾器仿真結果

圖3和圖4分別給出在過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，過濾器的穿透時間為318h;當初始濃度為50×10-6時，過濾器的穿透時間為64h。

為驗證該模型預測過濾器壽命的準確性，采用實驗方法對該模型進行驗證。因為在低濃度時，過濾器失效時間較長，考慮到實驗的操作性，實驗分為2個階段。

第1階段空氣經過過濾器前SO2的濃度為10×10-6，空氣入口速度為0.4m/s，此過程持續70h，空氣過濾器未失效;第2階段進口空氣的SO2濃度調整為50×10-6，空氣入口速度仍為0.4m/s，直至過濾器失效。仿真也分兩個階段進行，條件與實驗完全相同。圖5為實驗和仿真所得空氣過濾器濾芯吸附SO2近似的穿透曲線。由圖可見，仿真與實驗結果的區別在第2階段:實驗經過52h后過濾器失效;而仿真經過50h后過濾器失效。

表2給出實驗和仿真所得的穿透時間和穿透平均吸附量。穿透時間上，仿真相對實驗結果的誤差為-1.6%;而濾芯穿透平均吸附量的誤差為-3.1%。實驗和仿真數據基本相符，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 實驗和仿真濾芯穿透時間和穿透平均吸附量的對比

2.2 過濾器結構分析

2.2.1 流速與壓力的分布

圖6和圖7分別為空氣過濾器流速和壓力分布圖。空氣過濾器流速最大值約為2.67m/s，楔形的結構設計有利于氣體流速在顆粒活性炭多孔介質主體區間分布的均勻性?？諝膺^濾器的壓力損失為811Pa，滿足FCE空氣過濾器的要求。

2.2.2 SO2濃度分布

圖8為FLUENT仿真所得空氣過濾器從濾芯開始吸附SO2到吸附飽和過程中不同時刻的SO2濃度分布圖。隨著帶有SO2的氣體進入吸附區域，濾芯中部吸附的SO2量明顯大于兩側，120h后出口處檢測出SO2，過濾器失效。顆?；钚蕴繛V芯在達到吸附飽和時，局部區域出現了“死區”、“短路”現象，因此活性炭吸附區域結構需要改進。

2.3 過濾器結構的改進

為提高濾芯的吸附效果，在整體式吸附層外側設置導流板，如圖9所示。設置導流板的作用在于強迫空氣分流經過吸附劑后繼續向前流動。

圖10為結構改進后的空氣過濾器吸附SO2的仿真穿透曲線。仿真條件同前，在過濾器中通入10×10-6的SO270h后，再將 SO2進氣濃度調整為50×10-6，過濾器經過73h后失效(總的吸附時間為143h)。計算得出的濾芯穿透平均吸附量約為 44.84mg/g，比濾芯結構改進前的吸附量提高了40.1%。

圖11為對結構改進后的空氣過濾器進行仿真得到的濾芯接近吸附飽和時的SO2濃度分布圖。由圖可見，設置導流板使顆?；钚蕴繛V芯在達到吸附飽和時SO2的濃度分布較為均勻，同時，活性炭的利用率大大提高，“死區”明顯減小，過濾器使用壽命提高。

3 結論

通過UDF編寫約束條件方程，應用FLUENT軟件，對燃料電池空氣過濾器流體力學和化學吸附性能進行仿真研究，并通過實驗驗證;其次，通過建立的仿真模型，對空氣過濾器進行結構優化，結果表明:

(1)仿真結果與實驗測試結果符合較好，表明建立的仿真模型可靠，可用于空氣過濾器的結構設計;

(2)增設導流板后的空氣過濾器改善吸附效果明顯，提高了使用壽命。

［1］毛宗強.燃料電池［M］.北京:化學工業出版社，2005.

［2］楊代軍.大氣污染物對質子交換膜燃料電池性能影響的研究［D］.上海:華東理工大學資源與環境學院，2006.

［3］Daniel M Kennedy，Donald R Cahela，Wenhua H Zhu，et al.Fuel Cell Cathode Air Filters:Methodologies for Design and Optimization［J］.Journal of Power Sources，2007，168(1):391-399.

［4］Ma X W，Yang D J，Zhou W，et al.Evaluation of Activated Carbon Adsorbent for Fuel Cell Cathode Air Filtration［J］.Journal of Power Sources，2008，175(1):383-389.

［5］陳專，呂洪，馬曉偉.FCE空氣過濾吸附材料壓降試驗與仿真研究［J］.計算機仿真，2009，26(5):296-298.

［6］Kolaczkowski S T，Chao R，Awdry S.Application of a CFD Code(Fluent)to Formulate Models of Catalytic Gas Phase Reactions in Porous Catalyst Pellets［J］.Chemical Engineering Research and Design，2007，85(11):1539-1552.

［7］馬曉偉.車用燃料電池空氣凈化器的研究［D］.上海:同濟大學，2007.

［8］劉湃.車用燃料電池空氣過濾器吸附材料化學吸附行為建模與仿真［D］.上海:同濟大學，2010.

［9］陳專.燃料電池發動機空氣過濾器的試驗和仿真研究［D］.上海:同濟大學，2009.