【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)一般采用過(guò)量供氫的方式,因此陽(yáng)極出口存在部分未參加反應(yīng)便直接排出的氫氣。將這一部分氫氣進(jìn)行回收利用不僅可以提高燃料電池的效率,而且可以消除安全隱患,減少大氣污染。與壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)泵等傳統(tǒng)的回收方法相比,機(jī)械結(jié)構(gòu)的引射器除了可以實(shí)現(xiàn)剩余氫氣的回收、增壓外,還可以減少額外功率消耗。本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)仿真分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)應(yīng)用于PEMFC的氫氣引射器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化,并對(duì)其工作性能及應(yīng)用進(jìn)行了研究,主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,根據(jù)PEMFC電堆參數(shù)設(shè)計(jì)氫氣引射器的結(jié)構(gòu),確定其內(nèi)部的主要截面尺寸與軸向尺寸,其中部分結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求出。同時(shí),建立氫氣引射器對(duì)稱面的二維數(shù)值模型,仿真分析依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)構(gòu)參數(shù)(噴嘴距、等容混合室長(zhǎng)度、等壓混合室收斂角、擴(kuò)壓段出口直徑及擴(kuò)散角度、引射流體入口直徑、引射流體入口收斂角及傾斜角、工作噴嘴出口直徑)對(duì)其性能的影響并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。其次,根據(jù)最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)建立三維CFD模型,仿真研究其內(nèi)部氣體流動(dòng)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的性能。同時(shí),研究了在不同工況參數(shù)(工作流體的壓力、溫度、質(zhì)量流量,引射流體的壓力、溫度、濕度和混合流體出口壓力)下其性能的變化規(guī)律。接著,加工氫氣引射器的實(shí)物并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,搭建性能測(cè)試臺(tái)模擬實(shí)際工況測(cè)試其工作性能并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。最后,通過(guò)數(shù)值模擬研究在PEMFC電堆陽(yáng)極氫氣循環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)用氫氣引射器后電池內(nèi)部流量的變化,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試電池的性能,進(jìn)而驗(yàn)證了氫氣引射器的應(yīng)用效果。同時(shí),拓展研究了重力方向、擴(kuò)散層內(nèi)微孔數(shù)目及微孔間距對(duì)累積液態(tài)水排出進(jìn)程的影響。研究結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)參數(shù)及工況參數(shù)主要通過(guò)影響等壓混合室與引射流體間的壓差及引射流體流量從而影響氫氣引射器的引射系數(shù)。優(yōu)化后的氫氣引射器在設(shè)計(jì)工況下綜合性能最優(yōu),并且性能較優(yōu)化前提高了8.1%。不同工況參數(shù)下氫氣引射器的性能模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果具有一致性。同時(shí),應(yīng)用氫氣引射器后電堆的性能提升了6%。
【圖文】：

圖 1-1 PEMFC 結(jié)構(gòu)示意圖氣體流道（H2） 氣體流道（H2）氣體流道（O2） 氣體流道（O2）e-外部負(fù)載陽(yáng)極極板陽(yáng)極擴(kuò)散層陽(yáng)極催化層質(zhì)子交換膜陰極催化層陰極擴(kuò)散層陰極極板2H24H++4e-O2+4H++4e-2H2OH+H+H+H+圖 1-2 PEMFC 的基本工作原理

第 2 章 PEMFC 氫氣引射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).1 PEMFC 氫氣引射器工作原理引射器是一種機(jī)械結(jié)構(gòu)的增壓裝置，其組成及工作原理如圖 2-1 所示[49]射器工作時(shí)，根據(jù)進(jìn)入引射器內(nèi)流體壓力的高低，流體可分為高壓工作流壓引射流體。工作流體從噴嘴高速流出后進(jìn)入等壓混合室，，噴嘴出口處出區(qū)，低壓區(qū)與引射流體間巨大的壓差將引射流體卷吸入引射器內(nèi)。工作流射流體在等壓混合室和等容混合室內(nèi)完成均勻混合及能量交換，而后從排出。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM911.4

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本文編號(hào)：2682098