临近空间再生燃料电池系统水回收管理研究
发布时间：2025-05-01 07:29
与传统的铅酸蓄电池、Ni-cd电池等二次电池相比,再生燃料电池具有更高的比能量及比功率,是一种具有广阔发展前途的新型储能电池。近些年来,可在临近空间实现长航时驻空的飞行器是世界各个科研机构和高校的重点研究对象,由于受到总体对动力系统质量和体积的严格限制,目前并未得到工程化应用。NASA的研究表明,只有比能量达到400Wh/kg的再生燃料电池储能系统可满足临近空间飞行器长航时的飞行需求,结合外部太阳能的输入,系统可以实现自身能源的再生,使临近空间飞行器的设想成为现实。对于临近空间飞行器来说,系统的储能方式决定了动力装置的续航能力,水作为再生燃料电池储能系统中唯一的循环介质,且在飞行过程中无法补充,因此水回收管理方案的研究对系统的性能具有不可或缺的意义。本文针对临近空间长航时飞行器的动力需求,采用太阳能-再生燃料电池混合能源动力作为飞行器推进系统方案,对储能系统输入参数计算、能源的分配、水分离回收和热量综合利用方案等进行研究,主要包括以下内容:(1)针对太阳能-再生燃料电池混合动力飞行器设计过程中存在的质量、能量之间的耦合问题,通过建立正弦太阳辐照度模型,基于能量平衡原理,将飞行器总体和动力...
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题研究背景、目的及意义
1.1.1 临近空间特点
1.1.2 临近空间低动态飞行器能源系统的发展趋势
1.1.3 再生燃料电池系统的组成
1.2 课题研究的意义
1.2.1 再生燃料电池水循环回收必要性
1.2.2 热量综合利用的必要性
1.3 国内外研究进程
1.4 本文主要研究内容
2 再生燃料电池系统设计输入参数计算
2.1 概述
2.2 太阳辐照度模型
2.3 太阳能光伏电池输出能量特性
2.4 飞行需求功率
2.5 能量平衡关系
2.6 飞行器质量组成
2.7 再生燃料电池储能系统输入参数计算
2.7.1 飞行器初始参数
2.7.2 再生储能系统输入参数计算结果
2.7.3 能源系统工作模式和周期
2.8 小结
3 再生燃料电池系统方案及参数计算
3.1 水电解和燃料电池发电原理
3.1.1 阳极供水质子交换膜水电解器工作原理
3.1.2 阳极供水电解器系统结构
3.1.3 质子交换膜燃料电池工作原理
3.1.4 质子交换膜燃料电池组成
3.2 再生燃料电池储能系统方案
3.2.1 再生燃料电池储能系统总体方案
3.2.2 水电解分系统
3.2.3 燃料电池发电分系统
3.2.4 介质储存分系统
3.2.5 环境控制分系统
3.2.6 电源调节与测控分系统
3.3 系统介质参数平衡计算分析
3.3.1 燃料电池氢氧消耗量
3.3.2 燃料电池生成水
3.3.3 电解氢氧气的产气量
3.3.4 电解用水的消耗量
3.3.5 电解器的给水量
3.3.6 气体携带饱和水量
3.3.7 系统效率与产热
3.4 气体储罐容积计算
3.5 计算程序的开发
3.6 参数计算结果
3.7 小结
4 水电解氢氧气水回收管理方案研究
4.1 地面应用时常规工艺
4.2 临近空间应用特殊性
4.3 临近空间再生系统水电解氢氧气后处理方案研究
4.3.1 气体含湿量的影响因素
4.3.2 临近空间环境特点
4.3.3 再生储能系统全周期工作散热量需求分析
4.3.4 再生系统氢氧气后处理方案
4.3.5 进入气体储罐的水量计算方法
4.3.6 再生系统氢氧气后处理参数确定
4.4 传热计算的基本方法
4.4.1 Nusselt的蒸气层流膜状凝结分析解
4.4.2 边界层方程组的简化
4.4.3 主要求解过程与结果
4.5 冷凝器设计计算方法
4.5.1 管壳式冷凝器换热量计算
4.5.2 冷凝干燥器的换热功率
4.5.3 流动阻力计算
4.6 冷凝器仿真模拟
4.6.1 Chem CAD软件介绍
4.6.2 技术条件及要求
4.6.3 计算过程
4.6.4 冷凝器设计结果
4.7 小结
5 高效水回收管理分析
5.1 系统方案介绍
5.1.1 电解运行流程
5.1.2 燃料电池运行工况
5.2 计算验证
5.2.1 储罐的热辐射分析
5.2.2 分析模型的建立
5.2.3 模型仿真
5.2.4 仿真结果分析
5.3 在临近空间环境下应用分析
5.3.1 应用的相似性
5.3.2 应用的差异性
5.3.3 方案设想
5.4 小结
6 总结与展望
6.1 总结
6.2 论文创新点
6.3 未来展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
本文编号：4041892
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题研究背景、目的及意义
1.1.1 临近空间特点
1.1.2 临近空间低动态飞行器能源系统的发展趋势
1.1.3 再生燃料电池系统的组成
1.2 课题研究的意义
1.2.1 再生燃料电池水循环回收必要性
1.2.2 热量综合利用的必要性
1.3 国内外研究进程
1.4 本文主要研究内容
2 再生燃料电池系统设计输入参数计算
2.1 概述
2.2 太阳辐照度模型
2.3 太阳能光伏电池输出能量特性
2.4 飞行需求功率
2.5 能量平衡关系
2.6 飞行器质量组成
2.7 再生燃料电池储能系统输入参数计算
2.7.1 飞行器初始参数
2.7.2 再生储能系统输入参数计算结果
2.7.3 能源系统工作模式和周期
2.8 小结
3 再生燃料电池系统方案及参数计算
3.1 水电解和燃料电池发电原理
3.1.1 阳极供水质子交换膜水电解器工作原理
3.1.2 阳极供水电解器系统结构
3.1.3 质子交换膜燃料电池工作原理
3.1.4 质子交换膜燃料电池组成
3.2 再生燃料电池储能系统方案
3.2.1 再生燃料电池储能系统总体方案
3.2.2 水电解分系统
3.2.3 燃料电池发电分系统
3.2.4 介质储存分系统
3.2.5 环境控制分系统
3.2.6 电源调节与测控分系统
3.3 系统介质参数平衡计算分析
3.3.1 燃料电池氢氧消耗量
3.3.2 燃料电池生成水
3.3.3 电解氢氧气的产气量
3.3.4 电解用水的消耗量
3.3.5 电解器的给水量
3.3.6 气体携带饱和水量
3.3.7 系统效率与产热
3.4 气体储罐容积计算
3.5 计算程序的开发
3.6 参数计算结果
3.7 小结
4 水电解氢氧气水回收管理方案研究
4.1 地面应用时常规工艺
4.2 临近空间应用特殊性
4.3 临近空间再生系统水电解氢氧气后处理方案研究
4.3.1 气体含湿量的影响因素
4.3.2 临近空间环境特点
4.3.3 再生储能系统全周期工作散热量需求分析
4.3.4 再生系统氢氧气后处理方案
4.3.5 进入气体储罐的水量计算方法
4.3.6 再生系统氢氧气后处理参数确定
4.4 传热计算的基本方法
4.4.1 Nusselt的蒸气层流膜状凝结分析解
4.4.2 边界层方程组的简化
4.4.3 主要求解过程与结果
4.5 冷凝器设计计算方法
4.5.1 管壳式冷凝器换热量计算
4.5.2 冷凝干燥器的换热功率
4.5.3 流动阻力计算
4.6 冷凝器仿真模拟
4.6.1 Chem CAD软件介绍
4.6.2 技术条件及要求
4.6.3 计算过程
4.6.4 冷凝器设计结果
4.7 小结
5 高效水回收管理分析
5.1 系统方案介绍
5.1.1 电解运行流程
5.1.2 燃料电池运行工况
5.2 计算验证
5.2.1 储罐的热辐射分析
5.2.2 分析模型的建立
5.2.3 模型仿真
5.2.4 仿真结果分析
5.3 在临近空间环境下应用分析
5.3.1 应用的相似性
5.3.2 应用的差异性
5.3.3 方案设想
5.4 小结
6 总结与展望
6.1 总结
6.2 论文创新点
6.3 未来展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
本文编号：4041892
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