燃料电池阴极空气过滤器对ＳＯ２的化学吸附仿真

摘要：化学吸附性能是燃料电池发动机阴极空气过滤器设计的主要参数之一．通过采用实验和计算机仿真的方法，研究了ＳＯ２在过滤器内的化学吸附行为，建立了平衡吸附量－初始进气体积分数－空气流速的三维数学模型．根据吸附模型编写了用户自定义函数作为约束条件方程，运用ＦＬＵＥＮＴ软件对过滤器吸附ＳＯ２体积分数分布进行仿真研究，并成功应用于过滤器的结构设计．通过对５ｋＷ燃料电池发动机空气过滤器的仿真，可以清晰地模拟ＳＯ２在过滤器内的吸附过程，预测过滤器的失效时间为１ ２０３ｈ．

关键词：阴极空气过滤器；化学吸附；模拟仿真；

燃料电池发动机中图分类号：ＴＰ ３９１．９ 献标识码：Ａ随着燃料电池技术的进步，质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）将有可能替代传统的内燃机作为汽车的新一代发动机，从而减少化石燃料的消耗和环境污染．目前，燃料电池发动机（ＦＣＥ）的耐久性是制约新能源汽车发展的关键问题之一．燃料电池的耐久性受使用环境空气品质的影响，特别是在交通拥挤的隧道以及污染严重的化工厂区，空气中有害气体会对燃料电池造成严重的损害，其中ＳＯ２对燃料电池的损害最大［１］．燃料电池发动机阴极空气过滤器是防止空气中有害气体对燃料电池发动机损害的最有效方法之一，它不仅要具备过滤颗粒物的功能，而且要具备过滤有害气体的功能；

１ 实验与数学方法

１．１ 实验本实验采用ＫＯＨ改性的活性炭作为滤芯材料，分别分析了不同滤芯厚度、ＳＯ２初始进气体积分数和气体流速对吸附性能的影响．实验在常温下进行，将ＳＯ２标准气和空气的混合气体通入装有一定厚度改性颗粒活性炭的圆柱形反应器中，混合气经过反应器后进入质谱仪（ＭＳ），通过质谱仪记录得到活性炭吸附ＳＯ２的穿透曲线［２］．

１．２ 数学方法

式中：ｔｂ为达到穿透时规定的气体体积分数φｘ对应的穿透时间；φ０为初始气体体积分数；Ｑ为空气流量；ｑ为平衡吸附量；ρｂ为活性炭堆密度；Ｈ为活性炭堆积厚度；ｋｖ为吸附速率常数；φｘ为穿透时规定的气体体积分数．（２）Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸附等温式假设吸附剂表面对气体的吸附为单分子层吸附，相邻的被吸附分子之间没有作用力，吸附速度与固体表面空位数值成正比，且吸附平衡是动平衡，当吸附速度和解吸速度相等时，即达到吸附平衡［３］．如公式（２）所示．

式中：ε，φｋ，μ，Ｄｋ，Ｓｋ分别表示孔隙率、组分体积分数、空气粘度、组分有效扩散系数和组分源项；下标ｋ为组分代码．（２）化学反应速率方程［４］ｋｒ＝ｋ０ｅｘｐ（－Ｅａ／ＲＴ）（５）式中：ｋｒ为反应速率常数；ｋ０为指前因子；Ｅａ为实验活化能；Ｒ为气体常数；Ｔ为温度．（３）约束条件方程ｍＳＯ２≤ｑｍ（６）式中：ｍＳＯ２为每个小单元吸附ＳＯ２的质量；ｑ为滤芯的单位吸附量；ｍ为小单元的质量．

２ 结果与讨论

２．１ 化学吸附实验与数学模型

Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸附等温式可以计算滤芯材料在不同进气属性下的穿透曲线，并对其积分计算得出平衡吸附量．因此，在上述模型的基础上，通过Ｄａｔａｆｉｔ软件，采用Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸附等温式建立平衡吸附量－ＳＯ２初始进气体积分数－空气流速的三维模型，如图３所示．在不同的空气流速下，平衡吸附量ｑｍ均在１１～１２ｍｇ·ｇ－１左右，Ｌａｎｇｍｕｉｒ系数ｋ在０．１３～０．３０内，拟合精度较高，而在相同的空气流速下，平衡吸附量则随着ＳＯ２初始进气体积分数的增加而增大，最后稳定在１２ｍｇ·ｇ－１．与二维图相比，三维模型图可以计算出在一定范围内任意初始进气体积分数和空气流速所对应的平衡吸附量，模型具有连续性．通过此三维模型可以计算出在一定初始进气体积分数、空气流速范围内的平衡吸附量，作为编写ＵＤＦ约束方程的依据，用于Ｆｌｕｅｎｔ仿真计算．

２．１．２ 滤芯厚度对吸附性能的影响在ＳＯ２初始进气体积分数为１５×１０－６、空气流速为０．３５ｍ·ｓ－１条件下，分别选定９种堆积厚度的活性炭进行吸附实验，图４为不同堆积厚度下的穿透曲线．

由实验结果可知，随着活性炭堆积厚度的增加，其吸附ＳＯ２的穿透时间相应增加．这是由于在初始进气体积分数和空气流速相同的条件下，对同一种活性炭来讲，活性炭堆积厚度越大，对ＳＯ２的吸附容量越大，而且气体在活性炭表面停留时间更长，化学吸附更充分，导致穿透时间较长，而堆积厚度对活性炭的平衡吸附量没有明显影响，在本实验条件下，活性炭对ＳＯ２的平衡吸附量约为１１ｍｇ·ｇ－１．本实验所得穿透时间与堆积厚度的关系如图５所示，由图５可知，前两个较小堆积厚度的数据点在“死区”范围内［５］，应该排除，通过对其余７个点利用希洛夫公式拟合，得到穿透时间ｔ与堆积厚度ｈ的关系函数为ｔ＝４．５６５（ｈ－２９．８）（７）

通过本实验可知，堆积厚度与穿透时间近似成线性关系，其穿透时间系数为４．５６５，其含义是体积分数分布曲线在吸附层中移动单位长度所需要的时间；“死区”厚度为２９．８ｍｍ，表示床层未被充分利用的长度．本实验确定了堆积厚度与吸附穿透时间之间的数学关系，为已经建立的吸附性能－进气属性数学模型的扩展提供了依据．

图７为过滤器的ＳＯ２吸附仿真结果，显示了ＳＯ２在过滤器内的化学吸附过程．含有ＳＯ２的空气经过滤器过滤后，出口的空气不含ＳＯ２，随着过滤时间的增加，过滤器内ＳＯ２吸附逐渐达到饱和，最后过滤器失效．通过过滤器的化学吸附仿真研究，可以清晰地显示ＳＯ２在过滤器内的分布，结果表明该结构的过滤器达到吸附饱和时担载ＳＯ２的容量分布比较均匀，基本没有“死区”、“短路”现象，充分利用了吸附材料．同时，通过仿真，预测该结构的过滤器使用寿命约１ ２０３ｈ．