AIP-PEMFC系统集成与气路优化设计研究

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)作为一种高效、安静、清洁的动力装置,被认为是远程UUV动力系统的一种理想方案。本文针对UUV对动力系统集成化,能量密度,自动化等方面要求高的特点,完成了气体管路系统中的气水分离器、喷射器设计、仿真分析和实验研究;针对闭式循环PEMFC设计了控制系统;采用所设计的元件及控制系统提出了一种系统集成方案。设计分离、排水用旋风分离器结构,并使用FLUENT进行数值仿真,在此基础上,提出了相应的循环排水系统,结合PEMFC对旋风分离器进行实验验证。结果表明:循环排水系统在分离器之后的管路温度降低会引起水蒸气冷凝,从而使进堆气体中液态水含量增多。为了消除循环管路中使用循环泵对系统产生的寄生功率,通过气体动力学函数法和FLUENT仿真计算设计了在燃料电池额定工况下依靠高压气体引射循环气体的喷射器。喷射器的使用需要调节工作流体压力使混合流体处于燃料电池工作压力下,同时使喷射器工作点处于设计喷射系数随混合流体压力变化不大的位置。为了实现燃料电池的自动控制和在有限空间内合理布置,本文提出了燃料电池控制系统的三级结构:上位机操作监测面板,下位机DSP控制面板,传感器和工作元件;两级布置:下位机,传感器和工作元件和燃料电池模块封装为一个模块,上位机单独一个模块,实现上位机对一个或多个模块的操作和监测显示。结合以上设计内容,提出在直径0.533m,长3.5m舱段中的燃料电池集成方案,以满足240kW·h能量需求。