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Implementation and characterization of an ejector based hydrogen recirculation system for a pem fuel cell

AutorCorbella Coll, Xavier
DirectorTorres Cámara, Ricardo; Allué, Miguel
Fecha de publicación2015
EditorUniversidad Politécnica de Cataluña
Resumen[CA]: L’estudi del sistema d’alimentació d’hidrògen és un dels camps de recerca necessaris per a allargar la vida útil de les piles de combustible PEM. Estudis anteriors han demostrat que la vida útil i l’eficiència d’aquestes piles milloren amb l’ús d’un sistema de recirculació d’hidrogen. En aquest treball s’ha dissenyat i fabricat un ejector per a ser implementat a l’estació de proves 4 del laboratori de control de piles de combustible de l’IRI amb la finalitat d’analitzar l’efecte que els sistemes de recirculació d’hidrogen basats en ejectors tenen sobre aquestes piles. En el disseny de la geometria d’un ejector s’han de considerar diferents paràmetres que només es poden estudiar mitjançant CFD (Computational Fluid Dynamics). Per tant, s’ha desenvolupat un model 2D axisimètric utilitzant el model de turbulència k-ε estàndard per a resoldre les equacions de Navier-Stokes amb una mitjana de Favre. El model s’ha utilitzat per a dissenyar i fabricar un ejector experimental amb la finalitat de validar-lo. Els resultats obtinguts mostren que el model és capaç d’obtenir els fluxos màssics que apareixen en un ejector per a diferents condicions operatives. Un cop validat el model, s’ha fet servir per a fer un estudi paramètric per a trobar els paràmetres geomètrics òptims que ha de tenir l’ejector dissenyat per a l’estació de proves 4.
[EN]: One of the issues that needs to be studied in order to improve the durability of a PEM fuel cell system is the management of the hydrogen feeding procedure. It has been demonstrated that its efficiency and durability are improved when using a hydrogen recirculation system. In this work, an ejector has been designed and manufactured to be implemented in the PEM fuel cell Test Station 4 of the IRI’s Fuel Cell Control Laboratory to analyze how ejector based hydrogen recirculation systems affect PEM fuel cells. The proper design of an ejector must take into account several geometrical parameters that can only be studied using Computational Fluid Dynamics (CFD). Thus, a CFD model has been implemented with a 2D axisymmetric geometry and the standard k-ε model to solve Favre-averaged Navier-Stokes equations. An experimental ejector has been designed using the model and manufactured. Then, it has been tested experimentally to validate the CFD model. Results showed that the model is capable of capturing the mass flows obtained for different operative conditions. Then, a parametric study has been done to find the optimum geometrical parameters for the ejector to be implemented in Test Station 4.
[ES]: El estudio del sistema de alimentación de hidrógeno es uno los campos de investigación necesarios para alargar la vida de las pilas de combustible PEM. Estudios anteriores han demostrado que la vida útil y la eficiencia de estas pilas mejoran con el uso de sistemas de recirculación de hidrógeno. En este trabajo se ha diseñado y fabricado un eyector para ser implementado en la estación de pruebas 4 del laboratorio de control de pilas de combustible del IRI con la finalidad de analizar el efecto que los sistemas de recirculación de hidrógeno basados en eyectores tienen sobre dichas pilas. El correcto diseño de la geometría de un eyector debe tener en consideración diferentes parámetros que solo pueden ser estudiados utilizando CFD (Computational Fluid Dynamics). Para ello, se ha desarrollado un modelo 2D asimétrico utilizando el modelo de k-ε estándar para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes con un promediado de Favre. El modelo ha sido utilizado para diseñar y fabricar un eyector experimental con la finalidad de validar-lo. Los resultados obtenidos muestran que el modelo es capaz de obtener los flujos másicos que aparecen en un eyector para diferentes condiciones operativas. Una vez validado el modelo, se ha utilizado para hacer un estudio paramétrico para encontrar los parámetros geométricos óptimos para el eyector diseñado para la estación 4.
DescripciónTFG presentat per obtenir el títol de Grau en Enginyeria Mecànica per Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona- Consorci Escola Industrial de Barcelona (ETSEIB-UPC).
URIhttp://hdl.handle.net/10261/155391
Aparece en las colecciones: (IRII) Tesis
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