质子交换膜燃料电池氢气引射器设计及性能研究

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%。

目录

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 燃料电池分类及研究进展

1.3 氢气循环方法及引射器研究现状

1.3.1 氢气循环方法的研究现状

1.3.2 引射器的研究现状

1.4 本文研究内容

第2章 PEMFC氢气引射器结构设计

2.1 PEMFC氢气引射器工作原理

2.2 PEMFC氢气引射器参数设计

2.2.1 PEMFC电堆工作参数

2.2.2 PEMFC电堆工作所需氢气量

2.2.3 氢气引射器最大引射系数

2.3 PEMFC氢气引射器内部截面

2.3.1 工作流体喷嘴临界截面

2.3.2 工作流体喷嘴出口截面

2.3.3 等容混合室截面

2.4 PEMFC氢气引射器轴向尺寸

2.4.1 工作喷嘴轴向尺寸

2.4.2 混合室轴向尺寸

2.5 本章小结

第3章 PEMFC氢气引射器结构参数对其性能的影响研究

3.1 PEMFC氢气引射器计算模型

3.1.1 计算模型与网格划分

3.1.2 参数设置

3.1.3 网格无关性验证

3.2 混合段结构参数对PEMFC氢气引射器性能的影响

3.2.1 喷嘴距对氢气引射器性能的影响

3.2.2 等容混合室长度对氢气引射器性能的影响

3.2.3 等压混合室收敛角对氢气引射器性能的影响

3.3 扩压段结构参数对PEMFC氢气引射器性能的影响

3.3.1 出口直径对氢气引射器性能的影响

3.3.2 扩散角度对氢气引射器性能的影响

3.4 流体入口结构参数对PEMFC氢气引射器性能的影响

3.4.1 引射流体入口直径对氢气引射器性能的影响

3.4.2 引射流体入口收敛角对氢气引射器性能的影响

3.4.3 引射流体入口倾斜角对氢气引射器性能的影响

3.4.4 工作喷嘴入口直径对氢气引射器性能的影响

3.5 本章小结

第4章 PEMFC氢气引射器不同工况下性能研究

4.1 三维PEMFC氢气引射器计算模型

4.1.1 计算模型网格划分

4.1.2 参数设置及网格无关性验证

4.2 PEMFC氢气引射器特性分析

4.2.1 PEMFC氢气引射器内气体流动分析

4.2.2 PEMFC氢气引射器性能对比分析

4.3 工况参数对PEMFC氢气引射器性能的影响

4.3.1 工作流体参数对氢气引射器性能的影响

4.3.2 引射流体参数对氢气引射器性能的影响

4.3.3 混合流体参数对氢气引射器性能的影响

4.4 PEMFC氢气引射器性能测试实验

4.4.1 PEMFC氢气引射器装配

4.4.2 性能模拟测试实验

4.4.3 实验结果分析

4.5 本章小结

第 5章 PEMFC氢气引射器的应用研究

5.1 PEMFC电堆阳极流道内部流场分析

5.1.1 不同类型进气方式下流量分布计算

5.1.2 计算模型网格划分与参数设置

5.1.3 PEMFC电堆流道内部流场仿真结果分析

5.2 PEMFC氢气引射器对电堆性能影响

5.2.1 氢气引射器应用后流道内部流场分析

5.2.2 PEMFC性能测试实验

5.2.3 PEMFC性能前后对比分析

5.3 PEMFC累积液态水排出进程影响因素研究

5.3.1 PEMFC内部流道计算模型

5.3.2 重力方向对液态水排出进程的影响

5.3.3 微孔数目对液态水排出进程的影响

5.3.4 微孔间距对液态水排出进程的影响

5.4 本章小结

第 6章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

研究生期间成果及项目经历