温度波动对质子交换膜燃料电池的影响

为了研究温度波动对质子交换膜燃料电池性能的影响,文章提出了一种新的温度计算模型——温度波动模型。将温度波动模型通过自定义函数导入计算流体动力学软件(Fluent)上进行仿真计算,并建立燃料电池试验测试系统,对工作温度为60℃,进气温度分别为43,50,55℃的电池性能进行测试。通过对Fluent模型、温度波动模型和试验值的比较发现:随着进气温度的升高,温度波动趋于平缓,燃料电池的性能逐渐增强;温度波动模型能够较准确地预测燃料电池的性能,尤其在进气温度为43℃、电流密度为1.088 A/cm2时,其误差比Fluent模型减少30%。     

雾化加湿中的液滴蒸发与加湿过程数值分析

将雾化强化加湿技术引入加湿除湿海水淡化系统,建立雾滴与热空气之间的质能守恒及热质传递模型,并在相关假设基础,对雾化加湿器内的雾滴蒸发与空气热湿过程进行分析。分析结果显示,当空气和雾滴初始温度分别为90℃及20℃,气液体积比在45×10~3时,直径为100μm的雾滴在1.29s内实现完全蒸发,此时空气相对湿度为78%,而当气液体积比降低至40×10~3时,液滴直径降至36.7μm时达到气液平衡,此时空气相对湿度为100%。空气热湿过程分析结果显示,气液体积比为25×10~3~40×10~3时,出口空气相对湿度均能达到饱和状态,出口空气温度约为35℃,蒸发率可达70%以上。     

膜加湿器热质交换过程的理论分析

膜加湿器是保证质子交换膜燃料电池(PEMFC)正常高效运行的重要组成部分.以燃料电池的板式膜加湿器为研究对象,根据热质交换原理对膜加湿器的传热传质过程进行了理论计算,分析了空气质量流量、膜内加湿侧进口温度和膜内加湿侧进口湿度对传热传质过程的影响.在传热方面:当空气质量流量不同时,随着膜内加湿侧进口温度的变化,膜内的热流量变化趋势不一致;当膜内加湿侧进口相对湿度为95%时,随着空气质量流量的变化,膜内热流量变化不大.在传质方面:当加湿侧进口相对湿度不变时,膜中水传输速率随着空气质量流量的增大而减小;当空气质量流量不变时,膜中水传输速率随着加湿侧进口相对湿度的增大而增大.     

直接碳燃料电池性能研究

直接碳燃料电池(DCFC)勿需碳和氧气气化、重整,而直接通过电化学反应产生电能,效率可达80%,燃料的理论利用率可达100%,是一种高效、清洁的燃料电池.文章所介绍的组装DCFC单体电池,以石墨作阳极,不锈钢作阴极,加湿氧气作氧化剂,采用熔融氢氧化物作电解质,并掺入一定量的催化剂,该电池工作温度为500～700℃.对不同工作温度、不同电解质和不同氧气流量下DCFC的输出性能进行了试验研究.结果表明:随着工作温度的升高,电池输出性能有很大提高;KOH比NaOH的导电性好,电池运行更稳定,更有利于电池的输出;氧气流量为70mL/min,温度为650℃时,该电池的输出性能最佳,最大电流密度、功率密度分别为118mA/cm2和0.054 W/cm2,开路电压达到0.76 V.     

进气加湿与富氧对船用柴油机NOx-Soot排放的影响

通过一台满足TierⅡ排放标准的四冲程增压中冷船用柴油机,模拟研究了富氧燃烧结合进气加湿改善NOx-soot折衷关系的潜力,并探讨了实现TierⅢ排放标准的技术路线.本研究使用AVLFire软件建立仿真模型.结果表明:单独使用富氧燃烧时,缸内温度较高,燃烧持续期较短,soot排放减少,NOx排放恶化,而单独使用进气加湿时呈相反的趋势.当发动机运行在转速为1350 r/min、75%负荷工况下,进气氧体积分数为21%~23%、加湿率为0~100%时,可实现NOx-soot排放同时降低且低于原机.氧体积分数为21%和加湿率为100%匹配,可以实现TierⅢ排放法规.两种措施的优化组合可以获得NOx-soot排放的最佳优化区域.     

外界供给参数对PEMFC输出性能及水热平衡的影响

为了改善质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部的水热平衡,从而进一步改善PEMFC的输出性能,文章建立了PEMFC的三维模型,通过改变PEMFC的外界供给参数(进气速度、加湿率以及冷却水流速),应用COMSOL模拟仿真得到了PEMFC的极化曲线和功率曲线、流道和气体扩散层(GDL)的水浓度分布情况,以及冷却水流速对PEMFC温度的影响。研究结果表明:随着进气速度和加湿率的逐渐增加,PEMFC的输出性能均逐渐提升,但是,过高的加湿率可能导致电极水淹;随着冷却水流速的增加,PEMFC温度加速下降,膜内温度分布变得更均匀。     

进气相对湿度诱使车用柴油机氮氧化物报警问题研究

为了明确进气相对湿度对携带Urea-SCR装置的柴油车辆氮氧化物(NOx)排放的影响,首先选取某车用柴油机的A25工况,以KIVA 3V和Chemkin为研究平台,对进气相对湿度影响NOx排放的情况进行定性分析,发现进气相对湿度降低使柴油机进气比热容减小,引起缸内最高燃烧温度上升和高温持续期延长,促进了NOx生成;然后将进气相对湿度作为试验变量组织了发动机台架试验,发现进气相对湿度与机内NOx生成量为线性关系,进一步选取发动机稳态测试循环工况(怠速除外)分别针对进气相对湿度的影响进行了量化分析,并求解了进气相对湿度与机内NOx生成量关系曲线的斜率,从而确定了表征两者关系的曲线;最后基于进气相对湿度和机内NOx生成量的关系曲线,通过插值的方式对进气相对湿度的影响进行定量分析。研究结果表明:进气相对湿度从60%(对应发动机排放型式认证要求)降至20%(对应晴朗天气),欧洲稳态测试循环(European steady cycle,ESC)循环NOx比排放升高了1.48g/(kW·h),与车载诊断报警设置的裕量(1.50g/(kW·h))非常接近,因此有必要针对SCR装置控制系统增加相应的补偿环节,抵御进气相对湿度改变对车用柴油机NOx排放的扰动作用。     

发动机台架试验进气控制系统的开发与应用

该试验台架进气控制系统利用制冷空调技术和计算机控制技术建立模似标准大气环境状况，应用于内燃机在台架试验时使进气状态保持在GB1105标准规定的范围内进气温度25±1℃，进气压力100±1kPa，进气相对湿度40%±10%。使用该系统后可以不用GB1105标准规定的修正公式对试验数据进行修正，消除了大气状况对发动机性能的影响和校准公式的局限性。     

燃料重整固体氧化物燃料电池发电系统性能分析及多变量参数优化

以燃料重整的固体氧化物燃料电池发电系统为研究对象,通过数值模拟方法对固体氧化物燃料电池发电系统的性能、(火用)损、(火用)效率以及多变量运行参数优化进行了分析。研究结果表明：重整反应中燃料利用系数、电池工作温度、水碳比、电堆电流密度等参数对系统性能影响显著;电堆工作在不同电流密度下都有其对应的最佳工作温度、最佳燃料利用系数工况点;水碳比会改变重整反应产氢量,从而影响电化学反应速率,空气加热器的(火用)损所占份额最大;优化后的系统效率及(火用)效率为0.480 9和0.462 6,效率提升约4%。     

一种新型进气方式对燃料电池水管理效果的影响北大核心CSCD

为了同时解决燃料电池水管理中的干涸(dehydration)和水淹(flooding)问题,提出了一种主副流道分流式的阴极进气加湿方式,并用数值模拟分析了主副流道合流节点位置变化对燃料电池性能的影响,同时与应用非分流式进气加湿方式的燃料电池性能进行了对比。结果表明,分流式阴极进气方式可以同时降低流道内的干涸和水淹程度,从而提高电池性能;当入口处空气摩尔流量固定时,随着阴极流道上主副流道合流节点沿气体流动方向移动,电池输出电压先上升,达到最大值后,逐渐下降。     

质子交换膜燃料电池建模及水热传输特性分析

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)水管理开展了研究,建立了一维非等温两相流解析模型,研究了不同电流密度、微孔层接触角和不同加湿方案对电池内部水分布和温度分布的影响,提出了更好的进气加湿方案。结果表明:电流密度增大会导致阳极拖干、阴极水淹加剧,导致电池各部分温度上升。因各层材料亲水性不同,在交界面处能观察到液态水阶跃现象。增大微孔层接触角促进阴极液态水反扩散到阳极,一定程度上缓解阳极变干,但过大的接触角可能导致阴极水淹加剧。通过采取"阳极充分加湿、阴极低加湿"的进气加湿方案可以有效提高电池性能,并且能在一定程度改善电池内部受热,提高电池使用寿命。     

进气加湿结合废气再循环技术对高压直喷双燃料低速机燃烧及排放的影响

基于CONVERGE软件建立了高压直喷双燃料船用发动机三维仿真模型,研究了空气加湿技术和废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)对发动机燃烧过程及排放的影响,并通过耦合进气加湿、EGR和天然气喷射策略等技术,最终得到满足TierⅢ排放法规的可行性技术路线。结果表明,进气加湿降低NO x排放潜力较大(约55%),且对燃料经济性恶化程度较小(约1.6%);单独采用进气加湿技术难以满足TierⅢ排放标准,60%进气加湿程度结合较低程度EGR率(20%)可进一步提高降低NO x排放的潜力(78%);为降低进气加湿和EGR带来的功率损失,在20%EGR率耦合60%进气加湿氛围下,提前2°曲轴转角喷射天然气可使天然气消耗率可降低约1 g/(kW·h),同时NO x排放满足TierⅢ排放法规要求。     

进气加湿结合米勒循环降低船用中速柴油机NOx排放的研究

针对某型满足TierⅡ排放法规的船用中速柴油机,采用试验设计分析了进气含湿量、喷油正时、米勒强度对柴油机NO x排放量、燃油消耗率等参数的影响权重及各因素间交互效应的大小;并对75%负荷工况下,进气加湿和米勒循环的组合方式进行了优化。研究结果表明:进气加湿是一种NO x降排潜力大,对Soot排放量和燃油消耗率影响小的降排技术;进气加湿、米勒循环的NO x降低量可在其组合应用时进行线性叠加;目标机型在75%负荷工况下,要使NO x降低75%,48.92(g·kg-1)的进气含湿量、下止点前38°CA的米勒强度为最佳组合方式。     

进气加湿对船用柴油机燃烧和排放的影响

运用CFD数值模拟软件AVL Fire建立了船用柴油机燃烧过程模型,研究不同相对湿度的进气成分对船用柴油机燃烧和排放特性的影响,并着重研究对NO_x和碳烟排放的影响规律和作用机理.结果表明:随着进气加湿率的增加,缸内压力和燃烧温度均有降低;当加湿率达到100%,时,峰值压力相比进气为干空气时下降0.67,MPa,最高燃烧温度下降220,K;滞燃期和燃烧持续期延长,预混燃烧比例增多;燃烧重心CA50向后偏移,燃烧定容度和热效率下降.NO_x排放不断减少,燃烧火焰温度的降低和水蒸气对富氧区的稀释是NO_x排放下降的主要原因;碳烟排放随着加湿率的增加不断恶化,进气加湿虽然可以促进油气混合、抑制碳烟生成,OH基团加速碳烟前驱物的氧化,但加湿后氧气质量分数的减少和燃烧温度的降低导致碳烟后期氧化能力严重减弱.     

20%HCNG发动机试验研究与平均值建模

进行了20%天然气掺氢(HCNG)发动机试验,根据空气和燃气的混合气流量、进气歧管压力、转速、节气门开度等参数间的拟合关系,提出了预测混合气流量和进气歧管压力的经验公式,并得出在相同发动机转速条件下,进气歧管压力与有效效率之积(p_(man)η_e)和进气歧管压力与转速之积(p_(man)n)呈近似线性关系。建立了20%HCNG发动机平均值模型,分别进行了稳态工况和瞬态工况仿真验证,仿真数据与试验数据吻合较好。     

基于DAC概念的改进型聚光电热联用系统

基于DAC技术对传统的聚光电热联用系统(CPV/T)进行优化设计,采用水为吸热工质与常规硅太阳电池相结合对太阳能辐射进行分波段利用,分别完成光热转换和光电转换。对该改进CPV/T系统建立了辐射传递模型和能量平衡模型:首先,对太阳能辐射在系统中的传递过程进行了分析;而后对系统的光热单元和光电单元工作温度进行了计算。计算结果显示该系统光热单元温度不再受光电单元工作温度限制,随着聚光比的增加该系统光热单元可产出高温热能,其吸热工质出口温度可达到108℃,而相应的光电单元工作温度低于69℃,同时通过试验对系统光电性能进行了对比分析;最后对该CPV/T系统效率进行分析,得到其光热转换效率为32%,光电转换效率保持在8.6%～10.5%之间。     

环境温度对微型燃气轮机运行特性的影响研究

为了研究环境温度对微型燃气轮机关键部件与系统全工况运行特性的影响规律,针对100 kW级微型燃气轮机,通过模块化的建模方法建立了全工况计算模型,在环境温度-30~40 ℃、转速在75%~100%工况下,对机组与关键部件的运行特性进行了计算和分析。结果表明：随环境温度下降压气机压比与流量显著升高;燃气初温降低,回热器换热性能与压损均降低,机组功率、回热度与发电效率得到提升;当环境温度降低使机组功率高于设计功率时,随功率增加发电效率下降。     

高温条件下湿石英砂干燥过程试验与分析

高温条件下物料内部的干燥普遍存在于生物质燃烧、垃圾焚烧等领域,计算时常采用面反应模型。为了明确该干燥过程特点及面反应模型计算的准确性,对3种粒径(40~60,80~100,120~140目)、3种含水率(3%,8%,13%)的石英砂床层分别进行了400℃高温条件下的干燥试验。通过分析物料内部温度变化发现,物料内部被干燥前锋分为干区和湿区两部分,湿区的温度梯度比干区小一个数量级。随物料含水率的升高,干燥前锋温度从约70℃逐渐接近100℃,这与多数面反应模型的简单假设(100℃)不同。物料水分蒸发量采用面反应模型的计算值和实验值在含水率低、粒径小的工况下较为接近。     

掺氢比例对氢混天然气燃气轮机运行特性影响的研究

采用模块化的建模方法建立燃气轮机的变工况特性预估模型,对氢气掺混比为0~100%时燃气轮机在不同负荷下的运行参数、部件运行特性及机组能耗进行了计算分析。结果表明：氢气掺混比的提升将使压气机进气量下降,喘振裕度减小;但由于压比的提升,透平有效比焓降提高,机组功率增大,且在高氢气掺混比下燃气轮机的发电效率得到提升,相比于纯天然气工况,10%,20%,40%,100%氢气掺混比下燃气轮机满负荷的发电效率可分别提高0.03%,0.06%,0.14%和0.86%。     

雾化加湿除湿海水淡化中蒸发过程实验研究

将雾化强化加湿技术引入加湿除湿海水淡化系统,搭建雾化加湿过程性能测试平台,并对不同操作下雾化加湿器内的雾滴蒸发与空气热湿过程进行实验研究。实验表明,气液体积比与进口空气温度对加湿器的加湿性能影响较大,当加湿器进口空气温度为90℃,气液体积比为(20~25)×10~3时,加湿器出口温度约为36℃,出口相对湿度在90%以上,蒸发率在50%以上。