燃料电池电堆停机吹扫及低温冷启动性能的试验研究

搭建了燃料电池电堆吹扫及低温冷启动测试系统,研究燃料电池停机吹扫电堆初始温度、吹扫时间、吹扫气体等因素对电堆欧姆阻值的影响,研究不同初始含水量对低温冷启动性能的影响.试验结果表明,初始温度越高,电堆欧姆阻值升高越快;相比于单侧气体吹扫,氢气和空气同时吹扫是燃料电池最优的气体吹扫方式;适当降低质子交换膜燃料电池初始含水量有利于减少启动时间,改善启动性能.     

初始压力对氢气燃烧影响的试验分析

构建了氢气燃烧试验回路,获得了氢气在不同初始压力下燃烧的温度、压力以及燃尽率等试验数据.通过计算不同位置热电偶温度曲线变化率极值与时间的关系,获取了氢气火焰传播速度,研究了不同初始压力对氢气燃烧火焰传播速度、最高燃烧温度、峰值压力以及氢气燃尽率的影响.结果表明:在氢气体积分数较低时,随着初始压力的升高,火焰传播速度随之升高,燃烧过程中的最高温度随初始压力的增加而逐渐减小;在氢气体积分数较高时,随着初始压力的升高,火焰传播速度略有降低,燃烧过程中的最高温度随初始压力的增加而增加,但是初始压力对燃烧过程中的最高温度的影响并不明显,峰值压力随初始压力的升高而升高,初始压力对氢气燃尽率没有影响.     

HT-PEM燃料电池性能实验分析

目的研究电池温度、氢气流量和空气流量对高温质子交换膜燃料电池的性能影响.方法通过电化学工作站测试了HT-PEM燃料电池的伏安特性和交流阻抗,利用等效电路法分解得到HT-PEM燃料电池中的欧姆阻抗和法拉第阻抗,分析电池温度、氢气流量和空气流量对燃料电池的伏安特性、欧姆阻抗和法拉第阻抗的影响.结果电池温度、氢气流量和空气流量对高温质子交换膜燃料电池性能有一定影响,温度升高和增大气体流量能够一定程度地提高高温质子交换膜燃料电池的性能.HT-PEM燃料电池的性能不会随着气体流量的增加而一直增加.结论升高温度降低了燃料电池的欧姆阻抗和法拉第阻抗;氢气流量变化和空气流量变化对欧姆阻抗和法拉第阻抗没有明显影响.     

纯氧氛围下正庚烷均质压燃燃烧特性

基于一台双缸柴油机，结合自行设计开发的纯氧进气系统进行试验，研究了不同进气氧体积分数对正庚烷均质压燃燃烧过程及稳定性的影响。试验结果表明，随着混合气中氧体积分数降低，二氧化碳体积分数增加，缸内平均比热容不断增大，使得缸内最高燃烧温度降低，其对应的峰值相位推迟，燃烧始点推迟，放热率峰值下降，热效率降低；同时发现随着二氧化碳体积分数的增加，缸内温度会随之降低，使得燃烧循环不稳定性增强。以上现象均表明较高的二氧化碳体积分数能够有效抑制纯氧氛围下正庚烷均质压燃。此外，试验发现了纯氧氛围下正庚烷均质压燃负温度系数区间持续时间大幅缩短现象。     

一种质子交换膜燃料电池冷启动分层数值模型

针对质子交换膜燃料电池在低温环境启动时伴随的复杂物理和化学现象,搭建了一种新的燃料电池单电池冷启动数值模型,该模型全面包含了燃料电池低温启动的电化学反应机理、水热传递机理、水相变机理等.研究了催化层聚合物体积分数、孔隙率、质子交换膜厚度三个因素对低温冷启动的影响.最终提出了储水量(WSC)这一预测燃料电池低温冷启动能力的指标.     

天然气掺混二甲醚扩散式燃烧性能与排放

调节二甲醚(DME)与天然气的体积比,在火焰筒试验台上测试了燃烧器的组分响应,在小型工业炉窑上测试了传热与燃烧性能.结果表明:与纯天然气相比,天然气掺混二甲醚时热效率变化不大,混合气相对于天然气具有较好的互换性;混合气燃烧时污染物的排放,与纯天然气相比也相差不大,NOx等污染物一直维持在较低水平.从经济性角度出发,为提高燃烧效率,建议掺混10%~30%体积分数的二甲醚为宜.     

柴油喷雾火焰低温燃烧大涡模拟研究

柴油喷雾燃烧是个复杂的物理化学过程,尤其是低温条件下湍流燃烧仍有许多未知的现象.本文基于大涡模拟方法开展了不同环境温度下正十二烷喷雾火焰燃烧过程的模拟研究.首先,通过与喷雾燃烧基础数据库Engine Combustion Network(ECN)网站上试验数据对比,包括喷雾发展过程、着火延迟期和火焰浮升长度试验值,发现LES-LEM模型能够捕捉喷雾发展过程和燃烧过程,并且与试验数据非常接近.其次,本文深入分析了喷雾火焰中的低温燃烧过程,研究发现,提高初始温度,第1阶段着火延迟期和总的着火延迟期均缩短,而第2阶段着火延迟期变长,同时提高初始环境温度,出现放热率峰值的混合气浓度增加.酮类过氧化物和甲醛可以表征喷雾火焰中的多阶段着火过程,在着火延迟期附近,随着初始温度升高,酮类过氧化物(OC₁₂H₂₃OOH)质量分数峰值逐渐远离当量比混合物分数(Z_st)向浓混合气方向发展.最后,本文探究了初始温度对整体燃烧放热过程和主要组分,包括碳烟标识物C₂H₂生成的影响.研究发现900 K条件下...     

La0.8K0.2MnO3催化去除NOx和碳烟反应的研究

利用程序升温反应技术(TPR)详细考察了在La0.8K0.2MnO3催化作用下,反应气体流量、反应气中碳烟质量分数和氧体积分数变化对NOx和碳烟氧化还原反应的影响.研究结果表明,反应气体流量越低、碳烟质量分数越高,越有利于反应进行.当流量由100 mL/min减小至40 mL/min时,碳烟的起燃温度和最大燃烧温度会降低大约50℃,NOx转化为N2的最大效率则从9.7%升至19.1%;碳烟质量分数的改变对碳烟的燃烧温度基本没有影响,但NOx转化为N2的效率随着碳烟质量分数的增加而显著增加,碳烟质量分数由3%增至18%时,NOx转化为N2的最大效率从8.4%升至27.3%;氧体积分数改变对催化反应有两方面影响,氧体积分数增加能促进碳烟的燃烧,但对NOx还原有一定程度的抑制作用,当氧体积分数由2%变为5%时,碳烟的起燃温度和最大燃烧温度分别从330℃和405℃降低了30℃,NOx转化为N2的最大效率从14.5%降至11.2%.     

SCR催化剂用于高温空气燃烧脱除NO_x实验

为了进一步降低高温空气燃烧(HiTAC)工业炉中氮氧化物(NOx)的排放量,将选择性催化还原(SCR)催化剂植入蓄热式换热室,进行了非稳态条件下的耦合系统实验研究.结果表明:催化剂具有优良的蓄放热能力,出口NO体积分数呈周期性变化,且包含线性下降段,耦合系统能够同时实现烟气余热回收与脱除NOx;NO转化率没有受到进口SO2与NO体积分数的影响,当氨氮摩尔比小于1时,呈线性增大,大于等于1时,基本不变;随着换向时间的延长和流量的增大,NO转化率分别增大和减小;进口混合气温度升高时,NO转化率最大值与稳态条件相比是滞后的.     

辛烷值敏感性对GCI发动机低负荷稳定性的影响

本文结合单缸机试验和多循环大涡模拟,采用辛烷值相同而敏感性不同的燃料,研究了辛烷值敏感性对汽油压燃发动机燃烧稳定性的影响．结果表明：辛烷值敏感性显著影响了燃烧稳定性,随着燃料辛烷值敏感性的增加,燃烧稳定性降低;同时,高温着火时油气混合越均匀,参与高温燃烧的混合气越多,燃烧越完全．辛烷值敏感性为5.3的燃料低温放热率更高,低温冷焰诱发小幅度温度升高改善混合气均匀性,但由于低温放热的循环变动更大,导致部分循环的混合气均匀性改善效果不明显．因此,燃料低温放热比例循环变动和高温着火时混合气均匀性循环变动是导致GCI发动机燃烧不稳定的主要原因．     

二次喷油优化直喷汽油机冷启动排放特性的研究

研究了一种通过特殊活塞顶面形状结合二次喷射策略来解决直喷汽油机冷启动工况排放问题的新方法.该方法通过适当的二次喷油分配、结合缸内气流运动来改善燃油混合气的分布.利用AVL-Fire对不同喷油策略下直喷汽油机启动时缸内油气混合分布进行了模拟,对不同喷油策略的冷启动排放进行了实验研究.结果表明,采用特殊活塞顶面形状进行合理的壁面引导,同时结合二次喷油策略,能够优化直喷汽油机冷启动工况下缸内空燃比的分布,使得混合气浓度在火花塞附近略高,宜于火花点火,在火花塞周围略低,宜于火焰传播,从而提高燃烧的稳定性,减少燃油的湿壁现象,降低HC的排放.     

燃料电池发动机冷启动控制的蚂蚁算法研究

本文将蚂蚁算法应用于燃料电池发动机冷启动控制问题，以暖机时间（升温至正常工作温度）最短和提高燃料电池发动机的系统整体燃料效率为目标．通过对某型燃料电池轿车发动机的测试，采用蚂蚁算法运行时，不仅明显提高了燃料电池发动机的系统整体燃料效率，而且其暖机时间也得到了明显缩短．     

高焓条件下燃料点火延迟调节对超燃发动机燃烧性能的影响

为了研究燃料与空气化学反应活性变化对超燃冲压发动机燃烧性能的调节机制,本文以氢燃料为基础,基于阿伦尼乌斯反应动力学体系和不确定量化分析(Uncertainty Quantification,UQ)方法,构建点火延迟可调的燃料模型,通过一系列的数值计算,对比分析燃料在不同点火延迟特性下的超声速燃烧特性。计算结果表明：基于不确定量化分析方法能够合理地构建基于点火延迟时间的氢燃料特性变化模型;当前高焓来流环境下,随着燃料点火延迟的增加,燃烧效率并不简单的单调递减,以氢气的基准点火延迟为参照,燃烧效率随点火延迟的变化存在两个清晰的拐点,并以此构成三个不同的特征区域,说明燃料的点火延迟特性对燃烧性能起不同程度的调控作用,详细的流动机理有赖于进一步针对燃烧流动结构形成和演化过程的精细化研究。     

混合动力系统用发动机冷起动排放

通过分析发动机起动点火、喷油及进气量控制策略,确定了发动机冷起动过程中影响HC和NOx排放的关键参数为:拖转转速、起始喷油转速和点火推迟.研究表明:较高的拖转转速可以减少发动机起动所需的燃油量、改善燃油雾化质量、促进完全燃烧、降低HC排放;而过高的拖转转速则会恶化NOx排放;推迟点火可以有效地加速催化器起燃、显著地降低排放,若点火太迟只能有限加速催化器起燃,而且会增加油耗、使燃烧不稳定、增加失火,HC及NOx排放同时恶化.通过研究排放规律,选定了合适的冷起动参数,为今后精确排放标定奠定了基础.     

Computational and experimental study on TR combustion system of diesel

一种应用在135柴油机上的新型燃烧系统TR(Three-Rapidity),是由收口深坑ω形燃烧室改进而成,在壁面设置导向圆弧,并与带中孔的多孔喷嘴相匹配.应用STAR-CD软件对TR燃烧系统在50%负荷下的工作过程进行三维数值模拟,并与原机燃烧系统相比较.结果表明,TR燃烧系统的着火点控制在上止点附近,增加了预混合燃烧的比重.采用导向圆弧、缩口燃烧室和中孔喷射,气流运动更加剧烈,燃油空间分布合理,空气利用充分,减少壁面散热损失,并具有良好的冷启动性能.在135单缸柴油机上进行试验研究,和原机相比TR燃烧系统具有良好的烟度排放特性,NOx排放在中小负荷低于原机排放,在高负荷则有所增加,可通过推迟喷油来解决.TR燃烧系统在降低柴油机排放方面具有较大的潜力,对原机结构改动较少,具有广阔的应用前景.     

Disruption of extended defects in solid oxide fuel cell anodes for methane oxidation

Point defects largely govern the electrochemical properties of oxides: at low defect concentrations, conductivity increases with concentration; however, at higher concentrations, defect-defect interactions start to dominate. Thus, in searching for electrochemically active materials for fuel cell anodes, high defect concentration is generally avoided. Here we describe an oxide anode formed from lanthanum-substituted strontium titanate (La-SrTiO3) in which we control the oxygen stoichiometry in order to break down the extended defect intergrowth regions and create phases with considerable disordered oxygen defects. We substitute Ti in these phases with Ga and Mn to induce redox activity and allow more flexible coordination. The material demonstrates impressive fuel cell performance using wet hydrogen at 950 degrees C. It is also important for fuel cell technology to achieve efficient electrode operation with different hydrocarbon fuels, although such fuels are more demanding than pure hydrogen. The best anode materials to date--Ni-YSZ (yttria-stabilized zirconia) cermets--suffer some disadvantages related to low tolerance to sulphur, carbon build-up when using hydrocarbon fuels (though device modifications and lower temperature operation can avoid this) and volume instability on redox cycling. Our anode material is very active for methane oxidation at high temperatures, with open circuit voltages in excess of 1.2 V. The materials design concept that we use here could lead to devices that enable more-efficient energy extraction from fossil fuels and carbon-neutral fuels.     

NaCl对燃煤污染物排放的影响研究

为了掌握与垃圾混合燃料时,垃圾中的氯化物对燃煤污染物排放特性的影响规律,用热分析仪及烟气分析仪实验研究了添加ＮａＣｌ前后煤的燃烧排放特性。实验结果表明,ＮａＣｌ的存在延长了ＳＯ２在煤样中的停留时间,抑制了ＳＯ２的排放,有利于在煤燃烧过程中进行了ＳＯ２的脱除。     

喷油时刻对高速缸内直喷汽油机性能的影响

汽油缸内直喷（gasoline direct injection, GDI ）技术有利于发动机的进气过程,表现出较好的NOx 排放和燃油经济性,被广泛运用于乘用车领域。喷油起始时刻（start of injection, SOI ）严重影响着缸内油气混合的均匀性,进而对发动机的燃烧和排放性能产生影响。本文通过Converge软件对某款高速GDI发动机进行仿真分析,研究不同SOI条件下发动机的性能变化。研究结果表明：发动机高速运行时,在缸内气流和燃油束气流的共同作用下,缸内左侧形成强滚流团,混合油气向进气侧方向聚集。随SOI延后,喷雾撞壁时刻推迟,燃油在缸内的破碎效果得到加强,但不利于顶面油膜蒸发,火花塞处形成不同浓度的混合油气。对比发现400° CA为最佳喷油时刻,此时缸内油气混合均匀性最好,燃烧重心提前,缸内最大爆压达到10.5 MPa,动力性能和燃油经济性得到提升;燃油的充分燃烧以及缸内燃烧温度的增加使CO和THC排放减少,但NOx排放有所增加。     

燃料电池-燃气轮机混合动力系统的燃烧与系统性能分析

对熔融碳酸盐燃料电池/燃气轮机（Molten Carbonate Fuel Cell/Micro-Gas Turbine, MCFC/MGT）混合动力系统中催化燃烧室(Catalytic Combustion Burner, CCB)的反应特性及影响因素进行了分析,并基于燃气轮机的设计方法进行了混合动力系统的设计.在对催化燃烧室的数值模拟中采用了塞子流模型及CH4在催化剂Pt上的详细反应机理,在实验中对3种不同催化剂的反应特性进行了分析.混合动力系统设计中,以燃料电池的温度为限制条件,采用基于现有燃气轮机对燃料电池进行匹配的设计方法,确定了混合动力系统的设计点参数.分析结果表明,所建立催化燃烧室模型可以反映燃烧室的特性,以钙钛矿和金属氧化物为助剂的催化剂活性要比贵金属的差,基于燃气轮机设计的混合动力系统虽然效率低但更具有实际意义.     

柴油机涡流室不同镶块材料的试验研究

柴油机涡流室中,燃烧室的面容比较大,冷起动较难;柴油机涡流室镶块在冷热交变工况的作用下易发生热疲劳、裂纹、脱落等现象－ 为了改善柴油机涡流室的冷起动性,提高镶块的可靠性,笔者提出了新型镶块材料———细结构模压石墨,并采用试验对比的方法,研究了４Ｃｒ９Ｓｉ２ 、铸铁、陶瓷和模压石墨四种镶块材料的热导率、冷起动性、排温、油耗及示功图－ 分析试验结果后得出：新型镶块材料———细结构模压石墨能减轻机械负荷,降低燃烧噪声,提高柴油机的可靠性,改善柴油机的冷起动性和经济性－