质子交换膜燃料电池氢气引射器设计及性能研究

发布时间：2020-05-26 16:15

【摘要】：质子交换膜燃料电池(PEMFC)一般采用过量供氢的方式,因此阳极出口存在部分未参加反应便直接排出的氢气。将这一部分氢气进行回收利用不仅可以提高燃料电池的效率,而且可以消除安全隐患,减少大气污染。与压缩机、氢气循环泵等传统的回收方法相比,机械结构的引射器除了可以实现剩余氢气的回收、增压外,还可以减少额外功率消耗。本文采用计算流体动力学(CFD)仿真分析和实验相结合的方法,对应用于PEMFC的氢气引射器进行结构设计和优化,并对其工作性能及应用进行了研究,主要研究内容如下:首先,根据PEMFC电堆参数设计氢气引射器的结构,确定其内部的主要截面尺寸与轴向尺寸,其中部分结构参数根据经验公式求出。同时,建立氢气引射器对称面的二维数值模型,仿真分析依据经验公式计算的结构参数(喷嘴距、等容混合室长度、等压混合室收敛角、扩压段出口直径及扩散角度、引射流体入口直径、引射流体入口收敛角及倾斜角、工作喷嘴出口直径)对其性能的影响并进行结构的优化。其次,根据最优结构参数建立三维CFD模型,仿真研究其内部气体流动及结构优化前后的性能。同时,研究了在不同工况参数(工作流体的压力、温度、质量流量,引射流体的压力、温度、湿度和混合流体出口压力)下其性能的变化规律。接着,加工氢气引射器的实物并设计实验方案,搭建性能测试台模拟实际工况测试其工作性能并与仿真结果进行对比。最后,通过数值模拟研究在PEMFC电堆阳极氢气循环系统中应用氢气引射器后电池内部流量的变化,并通过实验测试电池的性能,进而验证了氢气引射器的应用效果。同时,拓展研究了重力方向、扩散层内微孔数目及微孔间距对累积液态水排出进程的影响。研究结果表明,结构参数及工况参数主要通过影响等压混合室与引射流体间的压差及引射流体流量从而影响氢气引射器的引射系数。优化后的氢气引射器在设计工况下综合性能最优,并且性能较优化前提高了8.1%。不同工况参数下氢气引射器的性能模拟实验结果与仿真分析结果具有一致性。同时,应用氢气引射器后电堆的性能提升了6%。
【图文】：

结构示意图,气体流,阴极,扩散层

图 1-1 PEMFC 结构示意图气体流道（H2）气体流道（H2）气体流道（O2）气体流道（O2）e-外部负载阳极极板阳极扩散层阳极催化层质子交换膜阴极催化层阴极扩散层阴极极板2H24H++4e-O2+4H++4e-2H2OH+H+H+H+图 1-2 PEMFC 的基本工作原理

引射器,主要参数,工作原理,引射流体

第 2 章 PEMFC 氢气引射器结构设计.1 PEMFC 氢气引射器工作原理引射器是一种机械结构的增压装置，其组成及工作原理如图 2-1 所示[49]射器工作时，根据进入引射器内流体压力的高低，流体可分为高压工作流压引射流体。工作流体从喷嘴高速流出后进入等压混合室，，喷嘴出口处出区，低压区与引射流体间巨大的压差将引射流体卷吸入引射器内。工作流射流体在等压混合室和等容混合室内完成均匀混合及能量交换，而后从排出。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.4

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