某型燃料电池无人机结构设计

复合材料结构在小型无人驾驶飞机中的应用越来越广泛,随着无人机的发展,以复合材料为主体的无人机结构型式已有多种.本文根据某型燃料电池无人机总体要求,对该无人机进行结构设计,主要内容包括材料选择、机翼机身结构选择、结构设计以及重要部件强度分析,设计了满足总体设计要求的无人机结构.     

燃料电池电动轿车样车的改进设计和仿真分析

主要介绍针对LN2000燃料电池电动轿车的改进设计方案及基于有关试验数据的仿真分析结果,原有开发的燃料电池电动轿车,在电机电控系统、燃料电池发动机系统和整车控制策略以及安全考虑方面还都有一定的欠缺。本文介绍的燃料电池电动轿车样车方案在上述提及的有关方面都进行了较大的完善,其中包括电池及能量管理系统的匹配设计、电池及控制器的选择、动力总成系统的设计(设计了一种电动轿车用两档行星变速装置,并选用交流电机电控系统,大大改善了燃料电池电动轿车的动力性能和使用经济性)、燃料电池发动机及辅助系统的设计(采用空气压缩机和高集成FCE系统)和整车控制策略分析,这使得完善后的燃料电池电动轿车在系统性能、控制优化和安全控制等方面都有了一定程度的改进。本文详细介绍了上述方案及基于试验数据的详细的设计计算和仿真分析结果。     

固体氧化物燃料电池阳极材料Ni-SDC的稳定性实验及热力学分析

以Ni-SDC作为固体氧化物燃料电池（SOFC）的阳极,研究了该阳极粉末在制备过程中以及5% H2S-N2硫化后的产物,并用热力学软件绘制相图对其在各种温度下的产物变化进行分析。结果表明：NiO-SDC在800 ℃煅烧和在850 ℃还原的产物与热力学分析结果是一致的。对比在5%的H2S-N2中硫化12 h前后的XRD表明Ni已经转化为NiS2,热力学分析验证了该结论。比较Ni-SDC和SDC硫化前后的Raman光谱和XRD结果得到：SDC硫化后主峰型没有发生明显变化,但强度变弱,说明粒径变大,可能因为有Ce-O-S键生成。     

固体氧化物燃料电池的热力学及电化学应用基础

固体氧化物燃料电池是一种典型的电化学装置，可以把燃料气和空气（或氧气）的化学能直接转化为电能。电池的整个反应过程可以根据还原剂和氧化剂反应自由焓来进行热力学计算。对于最简单的氢气和氧气的反应来说，可以根据可逆反应平衡方程式计算电池的可逆功，而且SOFC系统和外部环境的热交换也是可逆的。SOFC作为一种伴生热能的发电装置，对热力学的理解必不可少。所以本文将首先介绍一下SOFC的热力学基础，而作为一种电化学发电装置，需要系统了解SOFC的电化学基础，其中重点介绍SOFC的电化学分析曲线——i-V曲线。     

1.5 kW质子交换膜燃料电池堆动态工况响应特性

考察了自制1.5 kW质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆在动态工况下的性能。研究了PEMFC电堆电压、功率、反应参数随车载工况运行出现的响应情况。发现在大电流密度下,由于各单电池的差异,电堆电压和功率出现比较明显的波动现象。在选定两个工况周期中,电堆各单电池电压的差异系数C_V最大达到4.23%,最高单电池电压和最低单电池电压相差0.106 V。数据分析表明在该动态工况下,PEMFC电堆的动态响应特性受到反应物和电堆温度变化、空气局部流量过大或不足以及电堆内部阳极和阴极出现明显压降等因素的影响。该研究不仅为后续耐久性测试提供分析依据,还对PEMFC电堆实际车载运行参数与控制策略的优化具有指导意义。     

质子交换膜燃料电池动态过程的数值模拟

为描述质子交换膜燃料电池的动态过程,发展了一个基于计算流体动力学的非稳态、非等温的三维两相流数学模型.应用模型对一蛇形流道结构的质子交换膜燃料电池单体进行了数值计算,得到了电池启动过程中电池阴极侧膜表面温度和电流密度等特征参数的动态过程变化曲线.最后,分析了阴极入口速度、湿度和电池电压阶跃变化后电池特性的动态响应特性.结果表明：电池的启动时间和阶跃响应时间均为秒的数量级,与大多数模型模拟的结果相一致.     

用非均匀团聚体模型模拟燃料电池老化过程

在燃料电池老化过程中,催化层中催化剂的迁移和粒径增加会造成燃料电池的性能下降。本文提出了一种新型的团聚体分层分布模型,且分层界面可沿膜厚方向发生线性变化。通过宏观电极模型和团聚体亚尺度模型的耦合,用有限元法分析了团聚体不均匀分布对质子交换膜燃料电池性能的影响。研究表明,靠近团聚体外侧的催化剂的流失对电池性能影响很大,当没有催化剂的外侧区域达到0.1倍半径时,输出电压为0.2V时的电流密度下降89.8%;当没有催化剂的内侧区域达到0.1倍半径时,输出电压为0.2V时的电流密度下降25%左右。相比于向质子交换膜方向的催化剂迁移,向气体扩散层方向的催化剂迁移对电池性能影响更大,其中分层递增分布的团聚体模型的电池电流密度是均匀分布团聚体模型的60%左右,分层递减分布模型的电流密度是均匀分布团聚体模型的10%左右。此外,铂负载量增加一倍对递增分布模型的电池性能有所提高。     

固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合动力系统建模仿真研究进展

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)工作温度高,阳极可发生燃料内重整反应,具有较高的燃料灵活性,同时可与燃气轮机(Gas Turbine, GT)构成固体氧化物燃料电池/燃气轮机(SOFC/GT)混合动力系统进一步提高系统效率。SOFC/GT混合动力系统一般分为底层和顶层循环2种,考虑到SOFC/GT示范性工程有限且建造成本高,一般采用数学建模仿真方法开展SOFC/GT研究。与单独SOFC或GT模型不同,常采用热力学建模仿真对SOFC/GT系统性能进行分析优化。介绍了SOFC/GT混合动力系统常用热力学模型,并对目前SOFC/GT混合动力系统常见稳态和动态热力学建模工作展开综述,考虑到现阶段SOFC/GT混合动力系统多采用商业化软件(Aspen Plus、COMSOL、gPROMs等)建模,建模功能有限、不易拓展,后续工作可基于Matlab、Python等软件进行开源代码的编程;现阶段主要围绕系统级集总模型开展分析,无法准确描述燃料电池的局部特性,后续工作可在SOFC/GT建模中引入一维甚至更高维度的SOFC模型进一步提高建模精度。     

中小型无人机中温固化碳纤维材料压缩性能研究

研究测试了不同国产碳纤维预浸料的力学性能,包括0°、90°压缩性能。0°压缩强度最大1171MPa,压缩模量130GPa, 90°压缩强度最大可达187MPa,压缩模量最大可达9.34GPa,而T800国产碳纤维的性能更加优异。结果表明,目前国产T700碳纤维预浸料压缩性能可以满足中小型无人机设计性能,能够应用于中小型无人机结构的设计和生产。     

负载动态变化时直接甲醇燃料电池的响应特性

直接甲醇燃料电池动态特性的研究对于实际应用来说非常重要.实验研究了直接甲醇单体燃料电池电流动态变化时电压的响应. 基于计算机控制的负载变化,得到了各种电流变化波形及不同的加载电流、放电/开路时间、加载斜率下的电池电压动态响应.结果表明电池电压对电流动态变换变化时的响应很迅速,动态运行时电池的开路电压要比稳态时的高,加载斜率对电池动态响应特性有重要影响. 电池内部电化学反应和传热传质瞬态变化的相互作用是电池动态响应的关键.     

高空长航时无人机综合热能管理的构型分析

高空长航时无人机机载机电系统中,有供电、燃油、液压和环境控制系统等独立分系统,在热量的需求和使用上,它们又是相互紧密关联的。根据现有技术,提出了一种无人机的综合热能管理构型,针对该构型进行系统参数匹配计算,并对关键产品——热交换器、回热器、冷凝器、压气机、涡轮进行部件级的初步设计和仿真建模,得到可工程化的结构参数,并在Flowmaster仿真平台上完成两轮升压式制冷/液冷一体化系统仿真,仿真结果与设计目标匹配良好,用于将空气循环制冷系统与液冷系统热量交换的空-液热交换器,将不同使用工况下不同系统的富裕制冷量进行综合利用,得到综合热能管理可以减少飞机代偿损失的依据,体现出综合热能管理构型在节能方面的优越性。     

无人机在预热器巡检中的应用

烧成系统预热器检查和生产过程中的物料盘点在水泥生产过程中一直是管理的难点。文中通过无人机巡检,利用激光扫描雷达和高清摄像机完整的表达了预热器内部形态,其成果用于指导生产,成果可靠性高且具有可视化效果。     

高温车用燃料电池的发展及现状综述

燃料电池车以其能量转化效率高、绿色环保、噪音低等优点,被认为是替代传统化石能源汽车最有前景的新能源汽车。目前车用燃料电池的工作温度一般都低于80℃,低温的工作环境使其面临着诸多问题,如复杂的水管理和CO中毒等。通过提高质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作温度可以缓解这些问题,提高燃料电池的性能。然而,高温的工作环境也会对燃料电池带来诸多挑战,如膜脱水、催化剂团聚、冷启动速度缓慢等。要促进高温（90～120℃）车用燃料电池的快速发展,需要对其问题及解决方法进行分析。本文从电堆比功率、膜电极、双极板、进气方式、加湿方式等方面,介绍燃料电池的发展现状及存在的问题,包括Nafion膜和催化剂的热稳定问题、双极板的耐腐蚀问题、流道的气体分配问题、进气方式和加湿方式的优化以及冷启动问题。指出通过掺杂亲水性氧化物改善Nafion膜的高温性能;将Pt合金化及采用介孔炭提高催化剂的稳定性和电化学活性;镀层不锈钢金属双极板可以增强耐腐蚀性;3D流场等新型流场结构及提高进气温度、速度可以提高气体的均匀性;采用自增湿方式可以简化电堆结构等解决方法,以期对燃料电池车的进一步发展起到引导作用。     

微生物燃料电池的动态性能分析及其神经网络预测控制

微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）反应底物浓度的控制问题是整个系统优化控制的重要环节,其控制效果的优劣对系统的输出电压有很大的影响。针对MFC输出电压在常规控制策略下超调量大和响应速度慢的特点,对MFC系统模型中输入量、控制量的变化对系统输出的影响进行动态仿真;将负载电流作为扰动量,提出了针对MFC系统阳极进料流量进行控制的神经网络预测控制策略。仿真结果表明,与PID控制方法相对比,利用神经网络预测控制策略的系统输出电压响应速度快且超调量小,其动态性能得到了较大的改善。     

基于LPV模型的燃料电池空气进气系统控制

质子交换膜燃料电池是一种通过氢气和氧气的电化学反应将化学能直接转化为电能的装置。提出一种改进的四阶燃料电池进气系统模型,分析了系统的约束性。针对系统模型所具有的非线性特性,提出建立线性变参数（LPV）模型用于对系统的控制。针对状态变量不可测的问题引入卡尔曼滤波器,同时通过可观性分析得出系统所需测量的最佳变量。在符合约束条件下设计基于线性变参数模型的状态空间模型预测控制器,控制空压机的工作电压保证氢气燃料的充分反应。仿真结果表明,基于LPV模型的模型预测控制器能够对空气进气系统进行有效的控制,且满足空压机喘振和阻塞边界等约束条件,与单模型预测控制相比具有更好的控制效果。     

车用燃料电化学脱硫研究进展

随着空气污染的日益严重及环保法规的逐步完善,车用燃料清洁化生产已势在必行.作为一种新型脱硫技术,电化学脱硫近年来研究较多.车用燃料电化学脱硫技术包括氧化脱硫及还原脱硫.相对于传统加氢脱硫,电化学脱硫具有反应条件温和、选择性高、工艺流程简单及易于自动控制等特点.本文综述了国内外车用燃料电化学脱硫的研究现状,从反应机理、实验方法、脱硫效果等方面详细介绍了电化学脱硫的研究进展.提出了深入研究反应机理、寻找新型电极材料、配制复合电解液以及开发电化学组合脱硫工艺是未来车用燃料电化学脱硫的发展方向.     

低共熔溶剂在车用燃料脱硫中的研究进展

低共熔溶剂作为近十年来迅速发展的一类新型绿色溶剂,不仅具备离子液体的优点,而且原料价廉易得、合成条件简单、萃取脱硫效果好,已成为继离子液体用于车用燃料脱硫研究之后又一新的研究热点。本文根据合成低共熔溶剂的盐与氢键供体（或水合盐）的不同,对用于车用燃料脱硫的低共熔溶剂进行了分类总结,简述了低共熔溶剂的物化性质,介绍了低共熔溶剂用于车用燃料脱硫的方法及研究进展,对比了低共熔溶剂对不同含硫化合物的脱除效果,归纳了低共熔溶剂的萃取脱硫和氧化萃取脱硫机理。最后针对低共熔溶剂用于车用燃料脱硫中存在的选择性低、循环再生等关键问题,指出了其研究发展方向应是通过开发具有萃取脱硫高选择性的低共熔溶剂以及寻找新型绿色环保的低共熔溶剂脱硫方法来实现深度脱硫。     

Enhanced mechanical flexibility and performance of sodium alginate polymer electrolyte bio‐membrane for application in direct methanol fuel cell

A new membrane was synthesized containing pure alginate, crosslinking agent (CaCl₂), and plasticizer (glycerol). Characterization studies of the membrane were applied to determine the characteristics and morphology using field emission scanning electron microscope, EDX, FTIR, XRD, and atomic force microscopy analysis. The half‐cell performance test of the membrane was verified by several tests, including proton conductivity and methanol permeability. The best membrane had high proton conductivity (10.1 × 10^?3 S cm^?1) and very low methanol permeability (1.984 × 10^?7 cm² s^?1), which consequently resulted in very high selectivity (5.0907 × 10⁴ Ss cm^?3). Glycerol had a positive modification and good influence on the alginate characteristics. Furthermore, the poor mechanical properties of the alginate biopolymer were enhanced by calcium chloride and glycerol inside the polymer. © 2018 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2018 , 135, 46666.     

车用燃料油固体脱硫吸附剂的研究进展

吸附脱硫的优势是投资成本低、操作条件温和,其技术关键在于研发吸附硫容量大、选择性高和再生性能好的固体吸附剂。本文综述了车用燃料油固体脱硫吸附剂的研究进展,包括常规的分子筛、活性炭、金属氧化物吸附剂以及一种新型金属-有机骨架（MOFs）材料脱硫吸附剂。从吸附机理、制备方法、脱硫效果等方面分析了上述吸附剂的优缺点和改进方向。提出今后的固体脱硫吸附剂可从吸附机理出发在分子尺度上设计和组装新材料的观点。