氢燃料电池动力船舶关键技术综述

梳理了当今世界上现有氢燃料动力船舶类型，总结了氢燃料动力船舶的特点，分析了氢燃料电池动力船舶关键技术的研究现状，包括:标准规范、动力源、氢制取、氢储存与氢安全；结合船舶的航行环境、结构与运行工况等，提出了氢燃料电池动力船舶各关键技术所面临的挑战，以及应对挑战的措施建议。研究结果表明:目前，全球氢燃料动力船舶数量有限，多为内河湖泊小型客船，以氢燃料电池为主要动力来源，主要采用35 MPa高压气瓶存储氢燃料；氢燃料电池动力船舶的相关标准规范仍处于制定阶段，可参照氢燃料电池汽车建造、测试和使用方面的标准规范要求；氢燃料电池主要以质子交换膜燃料电池(PEMFC)应用最为广泛，催化剂、双极板、膜电极以及密封材料等均对PEMFC性能具有重要影响；为提高燃料电池对船舶的适用性，建议发展大功率燃料电池模块，并开展燃料电池在湿热、盐雾、倾斜、摇摆状态下的环境适应性研究；中国的制氢产业目前仍以煤炭制氢为主，应大力发展可再生能源制氢。短期内，高压气态储氢是最可行的船上储氢方式，应研究轻质、耐压、高储氢密度的新型储罐，提高储氢密度和安全性；为保证氢燃料电池动力船舶安全性，应综合运用定性和定量风险分析方法，明确风险场景，对氢泄漏、扩散、燃烧与爆炸的发展规律与后果进行仿真分析与风险评估，并提出风险缓解措施。      

船舶舱室封舱灭火实验研究

通过对船舶舱室封舱灭火的研究,指出影响船舶舱室封舱灭火效果的决定性因素是舱内的温度和氧气浓度,并针对船舶舱室封舱灭火可能出现的危险情况,提出采取相应的措施．     

非流形造型的主船体快速分舱方法

为解决自底向上逐一生成舱室的分舱方法需要花费大量时间,提出了一种自顶向下的船舶参数化分舱方法,利用舱壁位置参数与内壳折点位置参数驱动生成分舱理论面,再用分舱理论面切割主船体,利用非流形造型技术及其布尔运算生成舱室.分析结果表明:该方法只需舱壁位置与内壳折点信息,即可进行参数化分舱,避免了大量舱室型值信息的输入,降低了舱室定义的复杂性;通过非流形造型记录了分舱时的过程信息,修改模型时只需对这些信息重组即可,实现了分舱模型的快速重塑.可见,该方法能够快速实现船舶分舱与舱容计算,为船舶三维参数化设计奠定了基础.     

可控被动式减摇水舱的建模与气阀控制规律研究

基于查德惠克被动式减摇水舱理论,分别建立了单侧气阀和两侧气阀控制的可控被动式减摇水舱系统数学模型.推导了最佳相位关系和气阀控制规律的理论依据,对不规则波作用下的可控被动式减摇水舱系统进行了仿真研究.仿真结果表明,水舱内水的流动与船舶横摇运动基本符合最佳相位关系,气阀控制规律是可行的.通过对单侧或者两侧气阀进行控制,都能够使水舱内水流的振荡周期及时地适应变化的横摇周期.两侧气阀控制的减摇效果要优于单侧气阀控制.     

扩散层孔隙率随机分布对燃料电池性能的影响

质子交换膜燃料电池气体扩散层孔隙率分布对燃料电池性能有着重要的影响.本文建立了一个单电池的三维模型,分别考虑了扩散层孔隙率均匀统计分布、正态统计分布、单一统计分布三种情况,并用有限控制体法对模型进行了求解.结果表明,孔隙率单一统计分布扩散层的传质性能最好,且MEA的温度分布最均匀,因此电池性能最好.     

发展中的燃料电池汽车

燃料电池与普通电池区别是：普通电池里装的是活性物质，一发电就消耗活性物质；当活性物质用完，电池就不放电了，不能再用。燃料电池的活性物质则在电池的外面，其工作时间长短取决于携带氢气的多少，只要有足够的氢气和空气供给，就会不断地发电。燃料电池是一个化学“发电厂”，燃料电池从外部上看有正负极，内部有电解质等，但它不是一个能储存电能的“蓄电池”，     

考虑性能衰退的燃料电池汽车自适应优化能量管理策略

为了提高系统效率与降低因不利运行条件导致的燃料电池使用寿命缩短风险,提出了考虑燃料电池性能衰退的自适应庞特里亚金极小值原理(P MP)能量管理策略,用于城市公交车燃料电池/超级电容混合动力系统;分析了离线式P MP燃料电池/超级电容混合动力系统在5种不同循环工况下的能量分配结果,获取了在3种典型城市公交循环工况下初始协...     

燃料电池汽车混合度与能量管理策略研究

针对目标车辆,以满足车辆动力性为前提,进行燃料电池动力系统静态匹配,并基于GT-Suite平台建立燃料电池动力系统模型及整车模型。以NEDC循环(新欧洲行驶工况)为研究工况开展在不同混合度下,不同能量管理策略对整车经济性的影响规律及影响机理研究,为确定燃料电池轿车最优能源配置提供依据。结果表明,燃料电池动力系统混合度及能量管理策略差异会导致燃料电池、动力电池功率分配以及运行时间不同,进而影响动力系统效率进而影响整车经济性;功率跟随模式在中混合度情况下整车经济性最优,开关控制模式在低混合度情况下整车经济性最优。     

天空中的环保新宠:燃料电池飞机

目前,航空业在全球温室气体排放中所占比率为2％,并有上升趋势.开发可再生能源,减少二氧化碳的排放,也成了航空技术开发的新热点.2009年7月7日,全球首架使用燃料电池驱动的有人驾驶飞机在德国北部城市汉堡试飞成功.这架燃料电池飞机名为"安塔里斯"DLR-H2型机动滑翔机,可连续飞行5小时,航程可达750公里,由多家航空公司和一家燃料电池公司合作.其燃料电池系统位于后翼夹层中,由膜电极燃料电池组成.这种燃料电池利用氢气为原料,通过和空气中的氧气发生电化反应产生电能.整个过程实际上不发生我们可见的燃烧,也不排放温室气体,唯一的副产品是水.为了使燃料电池输出更多的电力,需要多个燃料电池组成"安塔里斯"滑翔机的电池组.这是因为单个燃料电池只能输出0.6 ～ 0.7伏的电压,不足以为飞机提供动力.研究人员开发了一种特殊的轻型气冷电池组系统,可以将成百个燃料电池组合在一起,并附有导电石墨板.石墨板和每个燃料电池连接,传导电流,并通过专门管道输送氢和氧.在这些技术的帮助下,燃料电池可以把飞机送上蓝天.     

微生物燃料电池处理船舶舱底水

以花生壳为原料,制备一种新型生物炭阳极材料,用于微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)处理船舶乳化油。生物炭基MFC对乳化油的24 h降解率达到85.20%,化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率为79.89%,高于传统石墨毡、碳布作为MFC阳极对乳化油的降解率和COD去除率。研究结果表明:生物炭阳极比传统的石墨毡、碳布阳极具有更好的吸附性能以及生物相容性,能够有效增加阳极表面微生物的数量,显著提高MFC对船舶乳化油的降解效率,减少COD。应用微生物燃料电池技术处理船舶舱底水具有一定的发展前景。     

用区域模拟方法评估舰艇火灾危险性

将火灾区域模拟方法运用到舰船舱室火灾分析中，建立了全船各舱室的区域模拟模型，进行了模拟计算；根据火灾形成和蔓延的机制，确定了火灾蔓延判据．进行了全船火灾危险等级划分；在舱室区域模拟的基础上，应用模拟试验的方法，针对不同武器攻击情况，根据火灾蔓延判据和危险等级划分，编制了全船综合性评估程序，对全船火灾危险性进行评估．     

点火提前角对CNG发动机燃氢怠速性能的影响

为了研究点火提前角θi对CNG发动机燃氢怠速性能的影响,在一台天然气发动机上进行了燃氢怠速性能试验.固定转速800 r/min,过量空气系数λ=2,θi从上止点前20℃A到0°CA变化.结果表明:随着θi减小,火焰发展期减小而快速燃烧期增加.当θi＞16°CA,大部分燃料在上止点前燃烧,负功增加,指示热效率低;θi=1...     

250km/h动车组头车司机室及客室内流场数值分析

以某250 km/h动车组头车为研究对象,建立了其司机室和客室内流场的计算模型,利用计算流体力学数值仿真方法,采用κ-ε标准湍流计算模型和SIMPLE算法,对头车司机室和客室的空调风道和内流场进行了数值计算,获得了流场内流动参数的详细信息,并结合国际铁路联盟规程UIC 553-01-2005（客车的通风、采暖和空调型式试验）对头车司机室和客室的温度场和速度场进行评估.研究结果表明该头车空调通风系统设计合理,满足人体舒适性要求.     

碳中和目标下氢能源在我国运输业中的发展路径

氢能是未来能源系统清洁转型的重要二次能源。本文首先调研分析了美国、欧盟、日本既 有的氢能研发总体战略及其实施情况;结合氢能源的优势和未来全球碳减排的任务,分析了氢能 关键技术研发、产业化发展、交通运输行业推广应用情况;从技术角度比较了美国、欧盟、日本的 氢能技术推广策略,指出我国氢能研发技术的国际差距。结合实际统计数据,分析了我国铁路、 公路、水运和民航等运输方式的碳排放水平。在氢能既有特性参数基础上,测算了氢能在道路、铁 路等不同领域应用的碳减排效果。结果发现：氢能替代公路货运10%,可减碳7000万t;1000万t 氢用于替代道路货运可获得近1亿t的碳减排量。本文研究提出了氢能研发与应用策略,建立可 再生能源与氢能综合互补调节机制,如近期利用西部地区可再生发电的弃电降低电解水制氢成 本,利用灰氢替代燃油,中远期推广扩大氢燃料电池市场等。本文还研究了交通运输业适合氢能 发展的重点领域,分析表明：2060年氢能在道路交通中的应用如能达到4000万t,可望实现交通运 输业减碳约4亿t。本文结合我国国情提出了碳中和目标下将氢能技术与产品推广到大功率、长 距离以及冬季低温地区客货运输领域,与既有电动汽车发展战略一道打造绿色交通体系的对策 与建议。     

列车运动对地铁站台空气温度分布动态影响的数值分析

对典型既有岛式站台在自然通风条件和上送下回空调方式下单列车进站、停车及出站过程中温度场的分布进行了三维动态数值模拟,通过对模拟结果的对比研究,分析了这种特定空调方式与列车运动所造成的活塞风对站台乘客候车环境舒适性的综合作用.研究表明在自然通风状态下,列车通过站台的过程会引起候车区域空气温度明显上升.而采用上送下回空调系统能够有效抑制活塞风在这一区域造成的温升,并改善候车区域在垂直方向的温度分布.     

基于旅客出行意图的航线潜在价值计算模型

传统的航线价值计算通常以统计客流量为主,忽略了旅客偏好对航线潜在价值的影响,因此,本文提出了一种基于旅客出行意图的航线潜在价值计算模型.该模型利用最大似然估计法对旅客舱位偏好进行量化,然后引入出行意图的概念将旅客出行行为进行细分,并利用Gibbs Sampling方法实现出行意图的求解,最终达到航线潜在价值计算的目的.在中国民航旅客订票数据集上的实验表明,本文方法获得的2010年航线价值序列与2011年航线价值序列的相似度要明显高于统计客流量的方法,且对排名前5的高价值航线的挖掘准确率可达100%.     

基于高斯烟羽模型的铁路易燃气体泄漏扩散分析

以丙烷的运输为例,采用了高斯烟羽模型,分析了危险货物发生泄漏事故后的扩散过程,获得了丙烷在不同大气稳定类别条件下的致死区域和致伤区域半径情况;建立了多泄漏源危险货物扩散模型,分析了危险货物车辆布置方式对多泄漏源危险货物扩散的影响,结果表明应优先采用集中布置的方式,车辆数对扩散浓度有影响,扩散浓度的增加率高于车辆教的增加率.     

燃料电池混合动力的功率跟随管理策略分析

为了提高燃料电池混合动力系统的经济性，基于燃料电池氢耗量和功率波动率，对功率跟随能量管理策略中参数和荷电状态（SOC）调节方式进行了分析，并定义了燃料电池的功率波动率；基于仿真软件ADVISOR中建立的燃料电池/超级电容混合动力系统模型，计算了不同的超级电容SOC限值和充电功率参数时的燃料氢耗量和波动率；设计了两种SOC调节方法，即Z曲线法和比例积分（PI）调节法，比较了不同SOC调节方法下的氢耗量和波动率. 研究结果表明:若SOC的下限增大，致使氢耗量和波动率增加，SOC下限为0.5时的氢耗量比0.25时增加7.10%，波动率增加3.85%；若SOC的上限增大，燃料电池波动率减小，0.95时的波动率比0.75时减小3.51%；充电功率参数在一定范围改变，能够减小燃料电池氢耗量和波动率；SOC调节方式中，当SOC初始值在 [0.28，0.52] 区间，PI调节法的波动率最优；当SOC初始值在 [0.75，0.90]，Z曲线法的波动率最优.