一种车载燃料电池的板式进气净化器、进气系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于车载燃料电池的板式进气净化器、进气系统及方法。空气中的污染物会对质子交换膜燃料电池造成不同程度的不可逆损害。本发明专利技术一种车载燃料电池的板式进气净化器，包括净化器壳体、进气通道、出气通道、气流均布板、除尘层、第一吸附催化层和第二吸附催化层。进气通道沿着净化器壳体的切向设置。除尘层、第一吸附催化层、第二吸附催化层均设置在净化器壳体内，且沿着进气通道到出气通道的方向依次间隔排列。本发明专利技术中的除尘层、第一吸附催化层和第二吸附催化层呈三层“板式结构”，各层“塔板”位置与填料厚度经过优化设计，提高了传质和吸附催化效率；此外，各层“塔板”采用抽拉式设计，填料更换更为方便。

【技术实现步骤摘要】
一种车载燃料电池的板式进气净化器、进气系统及方法
本专利技术属于新能源汽车
具体涉及一套集粉尘滤除、污染物吸附催化、空气供给智能控制于一体的用于质子交换膜燃料电池的空气净化系统，以及匹配该空气净化器的控制系统和方法。
技术介绍
随着能源和环境问题日益突出，燃料电池汽车(FuelCellVehicle，FCV)的发展得到了越来越广泛的关注。燃料电池，又称电化学发电器，可通过供给阳极的燃料气体与供给阴极的含氧气体发生反应而发电，是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为燃料电池汽车领域最有应用前景的电力能源之一，具备能量转化效率高、工作温度低、无污染、零排放、低噪声等优点，但在使用寿命、成本、基础设施等方面仍未达到商业化应用的标准。FCV的商业化要求燃料电池寿命大于5000小时，但目前车载PEMFC的使用寿命达不到上述要求，究其原因，一方面是质子交换膜和催化材料自身存在耐久性不高的缺陷；另一方面，内燃机汽车排放的尾气中含有固体悬浮颗粒、CO、SO2、NOx、VOCs、O3、碳氢化合物等多种大气污染物，这些污染物广泛存在于城市机动车道及其周边区域的空气中，对以空气为氧化气的PEMFC造成不同程度的不可逆损害。例如，SO2对阴极催化剂的强吸附作用可使电池阴极电势降低从而影响燃料电池性能，实际道路条件下NH3可导致约3％的PEMFC自发性功率损耗，由NOx造成PEMFC自发性功率损耗可达5％-10％。因此，在空气进入燃料电池阴极前，利用空气净化装置去除进气中大部分的悬浮颗粒物和复合污染物，可显著降低此类物质对PEMFC的负面影响，延长PEMFC使用寿命。近10年国内外公开发表文献资料检索显示，现有的PEMFC进气净化器缺乏对装置内部气流流场分布的研究，在进气方式和内部结构尺寸的设计上没有足够的理论和实验数据支撑，导致装置内部气流分布不均和局部性的填料堵塞，压力损失过大。现有技术大都采用贵金属催化剂作为吸附催化材料，尽管这类催化剂对氮氧化物、碳氢化合物、CO等具有较高的催化活性，但也存在成本高、易中毒、吸附容量无法满足车载燃料电池的要求等弊端。在空气供给方面，PEMFC的功率视车速和路况而定，现有技术中缺少与进气净化器配套的进气控制系统，难以对进气流量进行实时调控，造成不必要的能耗，同时降低了吸附催化材料的使用寿命。专利申请号200410034327.7、专利名称燃料电池及燃料电池用空气净化装置提供了包含用于污染物氧化的第1污染物去除机构和用于污染物吸附去除的第2污染物去除机构的空气净化装置，该装置采用钯、铂、铑、钌等贵金属构成的催化剂在加热至200℃以上的条件下氧化有机物、氮氧化物、硫氧化物、氨、硫化铵、一氧化碳等污染物，采用改性活性炭等多孔体吸附去除以氮氧化物为主的各类污染物。然而贵金属催化剂的使用提高了运行和维护成本，与之配套的加热和冷却机构增加了能耗，且由于其缺少对装置的导流系统和供气控制进行设计和优化，未考察不同的进气方式和装置内部流场特性，可能存在填料堵塞和压力损失较大等问题。专利申请号201010149024.5、专利名称一种用于燃料电池的空气净化器提供了具有减噪、低阻力、高效去除空气中有害气体和颗粒特点的燃料电池用空气净化器，该装置通过设置开槽中心位置错开的多孔导流板改变气体的流动特性，以保证气流在滤芯内分布均匀，但所涉及的空气净化器未提供空气供给的控制系统，其导流板孔径、开槽中心位置错开的角度、条形槽的宽度和长度等设计参数以恒定的进气速率为前提，然而在车载燃料电池的实际运行过程中，空气压缩机需根据车辆的具体功率需求调整实时供气流量，使得空气净化器的进气速率处于连续变化的状态，需要通过有效的供气控制系统或其他手段减少进气速率的波动，保障进气中粉尘和有害物质的稳定吸附去除。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于车载燃料电池的空气净化器、进气控制系统及方法。本专利技术一种车载燃料电池的板式进气净化器，包括净化器壳体、进气通道、出气通道、气流均布板、除尘层、第一吸附催化层和第二吸附催化层。进气通道、出气通道分别设置净化器壳体的两端。进气通道沿着净化器壳体的切向设置。除尘层、第一吸附催化层、第二吸附催化层均设置在净化器壳体内，且沿着进气通道到出气通道的方向依次间隔排列。除尘层、第一吸附催化层及第二吸附催化层各自的两侧均设置有气流均布板。作为优选，所述除尘层、第一吸附催化层之间的距离以及第一吸附催化层、第二吸附催化层之间的距离均为5cm。作为优选，所述的除尘层内设置有多层片状过滤层；片状过滤层通过活性炭颗粒在碱性条件下改性并用高密度无纺布包裹制成。作为优选，所述净化器壳体的侧面在除尘层、第一吸附催化层、第二吸附催化层对应的位置均设置有抽拉开口。除尘层、第一吸附催化层、第二吸附催化层均采用抽拉式结构，均能够从净化器壳体侧面的抽拉开口处抽出；作为优选，所述的第一吸附催化层和第二吸附催化层内填充的吸附催化剂，负载在蜂窝陶瓷上，包括一层Mn基催化剂层和两层分子筛层，呈三明治夹层结构，具有表面酸性位点和氧化还原位点的双活性中心。作为优选，Mn基催化剂的负载量为10.5wt％，多级孔ZSM-5分子筛的硅铝比为40，所述制备过程中的焙烧时间为6.3h，焙烧温度为490℃。作为优选，所述的分子筛层采用多级孔ZSM-5沸石分子筛。多级孔ZSM-5分子筛的上的多级孔孔径为2～50nm。Mn基催化剂层采用α-MnO2、β-MnO2、γ-MnO2、MnO、Mn3O4、Mn2O3和Mn2O7中的一种或多种。一种车载燃料电池的进气系统，包括进气净化器、空气供给智能控制器、空气压缩机、雷达测速仪和流量计。空气压缩机的进气口与外界环境相连；进气净化器的进气通道与空气压缩机的出气口连接；出气通道经流量计连接到燃料电池的进气口。雷达测速仪安装的车辆的前端；空气供给智能控制器通过BDS/GIS接口与GPS接收机连接。雷达测速仪和流量计的信号输出线均与空气供给智能控制器连接并进行通信；空气供给智能控制器与空气压缩机内的电机通过电机驱动器连接。空气供给智能控制器通过自适应模糊PID智能控制算法实现比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd的自整定，实现空气压缩机内的调控。该车载燃料电池的进气系统的进气方法如下：步骤一、空气供给智能控制器获取空气压缩机的期望空气供给量Q。流量计检测空气压缩机的实际进气量Q0。步骤二、计算误差e(t)＝Q-Q0；计算误差变化量以误差e和误差变化量ec为输入，以PID控制算法的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd的修正ΔKp、ΔKi、ΔKd作为输出，建立模糊规则表。根据模糊规则表获得ΔKp、ΔKi、ΔKd。若误差e(t)被标记为NB，误差变化率ec(t)被标记为NB，则Kp被标记为PB，ΔKi被标记为PB，ΔKd被标记为PS。误差e(t)的标记由自身取值在预设误差极限范围内的位置决定；预设误差极限范围被等分为七个区间；在从小到大的七个区间内e(t)分别将被标记为NB,N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车载燃料电池的板式进气净化器，包括净化器壳体、进气通道和出气通道；其特征在于：还包括气流均布板、除尘层、第一吸附催化层和第二吸附催化层；所述的进气通道、出气通道分别设置净化器壳体的两端；进气通道沿着净化器壳体的切向设置；除尘层、第一吸附催化层、第二吸附催化层均设置在净化器壳体内，且沿着进气通道到出气通道的方向依次间隔排列；除尘层、第一吸附催化层及第二吸附催化层各自的两侧均设置有气流均布板。/n

【技术特征摘要】
1.一种车载燃料电池的板式进气净化器，包括净化器壳体、进气通道和出气通道；其特征在于：还包括气流均布板、除尘层、第一吸附催化层和第二吸附催化层；所述的进气通道、出气通道分别设置净化器壳体的两端；进气通道沿着净化器壳体的切向设置；除尘层、第一吸附催化层、第二吸附催化层均设置在净化器壳体内，且沿着进气通道到出气通道的方向依次间隔排列；除尘层、第一吸附催化层及第二吸附催化层各自的两侧均设置有气流均布板。


2.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池的板式进气净化器，其特征在于：所述除尘层、第一吸附催化层之间的距离以及第一吸附催化层、第二吸附催化层之间的距离均为5cm。


3.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池的板式进气净化器，其特征在于：所述的除尘层内设置有多层片状过滤层；片状过滤层通过活性炭颗粒在碱性条件下改性并用高密度无纺布包裹制成。


4.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池的板式进气净化器，其特征在于：所述净化器壳体的侧面在除尘层、第一吸附催化层、第二吸附催化层对应的位置均设置有抽拉开口；除尘层、第一吸附催化层、第二吸附催化层均采用抽拉式结构，均能够从净化器壳体侧面的抽拉开口处抽出。


5.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池的板式进气净化器，其特征在于：所述的第一吸附催化层和第二吸附催化层内填充的吸附催化剂，负载在蜂窝陶瓷上，包括一层Mn基催化剂层和两层分子筛层，呈三明治夹层结构，具有表面酸性位点和氧化还原位点的双活性中心。


6.根据权利要求5所述的一种车载燃料电池的板式进气净化器，其特征在于：Mn基催化剂的负载量为10.5wt％，多级孔ZSM-5分子筛的硅铝比为40，所述制备过程中的焙烧时间为6.3h，焙烧温度为490℃。


7.根据权利要求5所述的一种车载燃料电池的板式进气净化器，其特征在于：所述的分子筛层采用多级孔ZSM-5沸石分子筛；多级孔ZSM-5分子筛的上的多级孔孔径为2～50nm；Mn基催化剂层采用α-MnO2、β-MnO2、γ-MnO2、MnO、Mn3O4、Mn2O3和Mn2O7中的一种或多种。


8.一种车载燃料电池的进气系统，包括进气净化器、空气供给智能控制器、空气压缩机、雷达测速仪和流量计；其特征在于：所述的进气净化器采用如权利要求1所述的车载燃料电池的板式进气净化器；空气压缩机的进气口与外界环境相连；进气净化器的进气通道与空气压缩机的出气口连接；出气通道经流量计连接到燃料电池的进气口；雷达测速仪安装的车辆的前端；空气供给智能控制器通过BDS/GIS接口与GPS接收机连接；雷达测速仪和流量计的信号输出线均与空气供给智能控制器连接并进行通信；空气供给...

【专利技术属性】
技术研发人员：王家德，杨家钱，叶志平，周青青，刘梓锋，陈月，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33