摘 要

燃料电池是一项高效的绿色发电技术，它是通过一种电化学反应装置，直接将化学能转化为电能。燃料电池装置具有正负极和电解质，只需要将负极注入燃料（一般为氢气），正极输送空气或氧气，便可产生稳定的电流。与传统发电方式相比，燃料电池不受卡诺循环限制，因此对于化学能-电能的转换过程具有很高的效率，而且具有零排放、无污染、噪声低、安装便捷等优点。燃料电池的主要应用领域包括交通运输、固定发电站等，其中在交通运输领域，燃料电池汽车被视为新能源汽车的终极绿色解决方案。燃料电池的发展历程是一个技术进步、寿命延长和成本降低，并逐步走向平民化、商业化的过程。由于膜电极结构的重大改进和新型高性能高耐久质子交换膜的研制成功，同时对于燃料电池电极上铂金属的用量要求不断降低，使得燃料电池的生产成本降低，使燃料电池未来在便携式电源、新能源汽车、绿色发电站等领域大规模应用提供了可能。

本文充分参阅现阶段全球范围内燃料电池循环系统的研究近况，研究了喷射器设计和CFD分析的基本理论与方法。在合理运用喷射器基本理论与构造的基础下，提出了氢循环喷射器的基本模型，并对其结构参数与压力分布进行了分析和探究，得出计算结果后对喷射器中的两个重要结构参数(喷射器喷嘴直径D_t和喷射器混合室直径D_m)改变产生的影响进行了具体分析，为优化氢气循环过程提出了一系列合理化建议。

研究成果表明：修改喷射器中的喷嘴直径D_t和混合室直径D_m会对氢气的循环过程产生很大影响，增加D_t减小D_m均可提升喷射器的效率，故对这两个参数的调整可决定氢气循环系统的效率能否提高。

本文的特色：基于现阶段的喷射器研究，结合流体力学的基本理论和研究成果完成了新能源汽车氢气循环泵的设计，对其中所使用设置的部分关键参数（D_t与D_m）进行了讨论，提出了提升D_t降低D_m的喷射器优化建议。

关键词：燃料电池；氢循环；喷射器

Abstract

Fuel cell is an efficient green power generation technology. Fuel cell is an electrochemical reaction device that converts chemical energy into electric energy. Fuel cells also have positive and negative electrodes and electrolytes, which can produce a stable current by injecting the negative electrode into the fuel (usually hydrogen) and transporting air or oxygen from the positive electrode. Compared with the traditional power generation, fuel cell is not limited by carnot cycle, so from chemical energy to electrical energy conversion process of high efficiency, and with zero emission, no pollution, low noise, convenient installation, etc. The main applications of fuel cell include transportation, fixed power station, etc. In the field of transportation, fuel cell vehicle is regarded as the ultimate green solution of new energy vehicle. The development process of fuel cell is a process of technological progress, life extension and cost reduction, and gradually moving towards democratization and commercialization. Due to the significant improvements of membrane electrode structure and the successful development of new high performance high durability of proton exchange membrane, and the fuel cell electrode of platinum demand falling, results in lower the production cost of fuel cells and make future fuel cells in portable power supply, new energy vehicles, green plants in areas such as large-scale application.

In this paper, the basic theory of injector design and CFD analysis is studied by referring to the recent research status of fuel cell circulation system worldwide. On the basis of reasonable using the basic theory and the injector structure, put forward the basic model of hydrogen circulation injector, and the structure parameters and the pressure distribution is analyzed and explored, it is concluded that the calculation results after two important structural parameters of injector has carried on the concrete analysis, the impact of change in order to optimize the hydrogen circulation process a series of reasonable Suggestions are put forward.

Research results show that the modified two important structural parameters of injector will produce a great impact on the cycle of hydrogen, therefore, how to adjust these two parameters determine the hydrogen gas circulatory system can improve the efficiency.

Of this article features: based on the present stage of the injector research, combining the basic theory of fluid mechanics and research completed the design of the new energy vehicles hydrogen circulation pump, set up to use the key parameters are discussed, and put forward the optimization advice.

Key Words: fuel cell；hydrogen circulation；ejector.

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 燃料电池简介 1

1.2 国内外发展现状与研究 1

第2章 喷射器的设计 4

2.1 喷射器简介与外形设计 4

2.2 喷射器参数设计 5

2.2.1燃料电池电堆参数 5

2.2.2几何参数的设计 5

2.3对喷射器的一维流动分析计算 8

2.3.1喷嘴中的主流流动情况 8

2.3.2主流流核情况 9

2.3.3从入口至混合室的二次流流动情况 10

2.3.4混合室中的流体流动情况 11

2.3.5通过扩散器的混合流流动情况 11

2.3.6主流与二次流间的能量平衡 11

2.4 本章小结 12

第3章 模型构建与仿真 13

3.1 CFD方法介绍与背景 13

3.2 建模软件Fluent简介 14

3.3 边界条件设置 15

3.4 模型仿真与后处理 15

3.5 本章小结 16

第4章 改变某些参数对喷射器性能的影响 17

4.1改变D_t大小产生的影响 17

4.2改变D_m大小产生的影响 18

4.3 本章小结 18

第5章 总结与展望 19

5.1 本文总结 19

5.2 研究展望 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

1.1燃料电池简介

燃料电池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，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电及核能发电之后的第四种新型发电技术。由于燃料电池不受卡诺循环效应的限制，是通过电化学反应直接将燃料化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，没有传统发电过程中的燃烧与摩擦损失，因此效率很高; 另外，燃料电池通过燃料气体和氧化气体的化学反应放电，其组件中不需要机械传动部分，故不会产生噪声污染，反应结束排放出的CO₂、SO₂等有害气体含量也极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是各个发电技术中最有发展前景的。一般燃料电池主要由四部分组成,即阴极、阳极、电解质与外部电路，电池阴阳两极除了传递电子外,也用作电池氧化还原反应的催化剂，比如铂电极。燃料气体和氧化气体分别于燃料电池的阳极和阴极通入，燃料气体在阳极上失去电子产生正离子,电子由外电路传送至阴极并与氧化气体结合产成负离子，随后离子在电场作用下经过电解质迁移至阳极上与燃料气体正离子结合，从而构成电流回路。由于本身的电化学反应放热以及电池存在内阻,燃料电池会产生一定的热量，这部分热能也可以加以利用，提高能源的利用效率。

1.2 国内外发展现状与研究