可再生燃料电池系统在空间电源中的应用研究

概述了可再生燃料电池的工作原理和特性;介绍了国外可再生燃料电池的空间应用,在"太阳神"无人机和平流层飞艇上的设计验证经验,以及国内的技术发展水平;分析了可再生燃料电池系统应用于空间电源所要解决的系统优化设计、电解器和燃料电池的高性能及安全性设计、功率控制器的集成化设计、氢气/氧气的空间储存及后处理等关键技术;提出了用于空间电源的可再生燃料电池系统初步设计方案,对系统的组成和工作流程、各子系统的功能和设计方式进行了论述,可为我国未来的新型航天器电源系统设计提供参考。     

PEMFC,一种卫星适用的电源

讨论、比较了锂电池与质子交换膜燃料电池(PEMFC)的特点。通过350W的PEMFC实例,说明PEMFC有很大的优势,适于一个月以上的近地卫星应用。     

燃料电池的空间应用技术发展

燃料电池作为高效环保的发电装置,在空间应用上具有极大潜力。本文论述了近年燃料电池的空间应用技术,以求促进相关产业及研究的进一步发展。分别对微重力环境下的水、热管理技术进行了探讨,发现微重力中气流方向及燃料电池布置对电池性能具有显著影响,气流宜以相反方向通入,微重力环境对竖直放置和水平放置(阳极在上或阴极在上)的燃料电池性能影响不一,其中水平放置(阴极在上)和竖直放置的工况下促进了水的顺利排出。进而比较了3种常见散热方式在空间应用上的优缺点,并且对热管冷却的材料选择给出了建议。最后简要介绍了目前在航天应用上受到关注的可再生燃料电池。     

水基推进系统综述

水基推进系统的发展为航天器推进、供电、能量储存、系统构建提供了新的选择。这一系统的核心是一体化可再生燃料电池,它利用太阳能电池帆板提供的电能电解水．产生的氢氧气体既可以用于燃烧推进,又可以通过燃料电池反应重新复合为水进行供电。介绍了水基推进系统的基本组成与工作原理,通过质量估算与性能分析,评估了水基推进系统的工作能力、适用范围及空间应用优势。     

质子交换膜燃料电池膜电极组件性能分析

对由亲水电极与Nafion 112质子交换膜制备的质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极组件(MEA),测试了工作温度、气体压力、气体相对湿度和气体流量等对MEA性能的影响。试验和分析显示MEA的适宜工作条件为:温度70℃、压力0.2~0.3 MPa、H2/O2或空气的相对湿度为100%/60%、H2/O2或空气流量计量比分别为1.1~1.2/1.2~1.5或2.0~2.5。在此条件下对MEA进行了1000 h放电性能测试。结果表明,该MEA的结构和性能稳定,能满足燃料电池长寿命工作要求。     

应用于空间燃料电池的氢技术研究进展

对燃料电池的工作原理和分类、氢气的制备、存贮技术进行了分析。通过研究储氢相关技术国内外研究现状、趋势和应用情况，结合当前空间应用的各种条件，认为可充分结合水电解技术、固态储氢、电化学泵和氢压缩机等技术开展可再生燃料电池的研究，形成与航天器太阳能电池组联动、互补的系统，进一步延长供电寿命，为未来长寿命航天器的发展提供技术储备。     

舱外航天服冷热电一体化系统性能分析

文章提出了一种舱外航天服冷热电一体化(Combined Cooling-Heating-Power,CCHP)系统,该系统的主要组件有质子交换膜燃料电池、热驱制冷装置、金属氢化物储氢装置和辐射器等.在冷热电一体化系统的冷电匹配方法上提出了“以电定冷”方案,按照该方案计算了一组典型工况下系统的工作状态,分析了燃料电池的工作温度、工作电流密度和工作压力对系统质量和消耗性工质损失的影响.结果表明,该舱外航天服冷热电一体化系统在质量大小方面可以接受,在消耗性工质损失方面比水升华器冷源/蓄电池电源方案小得多;且降低燃料电池工作温度和压力、增大燃料电池工作电流密度,均能够减小系统质量、降低系统消耗性工质损失.     

高效空间应用燃料电池热能利用技术研究

首先介绍了空间应用燃料电池高效散热及温控技术。高精度控温主要是利用被动散热技术,将产生的热量快速传导至外部冷却介质,从而保证产热面的温度均匀性,实现电池稳定工作。通过嵌入式被动散热和双端散热的冷却方式,实现电堆内部最大温差小于5℃,换热系数达1000W/(m·K)。     

临近空间再生燃料电池储能系统散热风扇性能

针对平流层飞艇再生燃料电池储能系统的风冷散热组件,采用Fluent计算散热风扇在设计飞行高度不同转速条件下的风压、流量、静压效率等性能参数。进而针对海拔0~20km高度的环境温度和压力变化,计算20kW散热能力条件下散热组件风量需求及其对应风扇转速、功耗等变化趋势。在此基础上,进行散热组件不同海拔高度环境下的性能试验,风扇模型计算结果和试验数据吻合较好。结果表明风冷散热组件能够满足再生燃料电池储能系统在包括起飞、高空驻留和降落在内的整个任务周期的散热要求。     

国外超高空长航时无人机发展分析

本文讨论的超高空长航时无人机是一种能够在20km以上的临近空间长时间持续飞行的无人飞行器。这种飞行器可以深入敌方纵深,设计飞行时间可达数天甚至半年以上,在区域持续信息获取或传输方面具有独特优势。国外经过多年的探索,主要发展了以太阳能为动力、以螺旋桨为推进系统、依靠气动升力飞行的太阳能无人机和以液氢燃料电池提供动力、以螺旋桨为推进系统、依靠气动升力飞行的氢动力无人机。     

燃料电池接触电阻与温度相关性研究

研究双极板与气体扩散层接触电阻的形成机理，分析影响该接触电阻的因素，包括温度、载荷以及粗糙度等参数。通过建立数学模型以及利用仿真工具来预测接触电阻数值与变化规律，并进行金属双极板和碳纸气体扩散层的界面接触电阻测试用于模型验证，模型计算结果与实验结果吻合较好。     

粉末燃料供应装置中增设扰流锥体数值模拟研究

在粉末燃料冲压发动机的粉末燃料供应装置流化喷管处增设扰流锥体,并针对扰流锥体不同结构外形和位置对流场中离散相颗粒浓度的影响进行了计算分析,总结出了冷态下扰流锥体对外流场颗粒浓度分布的影响规律。     

镁铝贫氧推进剂的能量分析

利用冲压发动机热力计算程序，对镁铝中能贫氧推进剂的能量特性进行了系统研究，并探讨了高能级分对该类贫氧推进剂能量性能的影响，研究结果表明，在镁铝中能贫氧推进剂中增加镁粉含量（或减少铝粉含量）贫氧推进剂的比冲下降，在一定空燃比范围内，增加空燃比有助于提高冲压发动机的比冲。提高贫氧推进剂中ＣＬ－２０和硼粉含量，可以显著提高共能量，而采用叠氮类含能粘合剂取代惰性粘合剂时贫氧推进剂的比冲降低。     

固体火箭冲压发动机性能调节研究

在对固体火箭冲压发动机的高度特性进行分析的基础上，分别研究了壅塞式和非壅塞式固体火箭冲压发动机性能调节特性及方案，并着重分析了非壅塞式固体火箭冲压发动机的燃气流量自适应调节原理与规律，分析计算表明，非壅塞式固体火箭冲压发动机不仅结构简单，且能明显提高发动机在非设计状态时的性能。     

含硼贫氧推进剂固体燃料冲压发动机性能计算

固体燃料冲压发动机所用推进剂为贫氧推进剂，故其热力计算与普通固体火箭发动机不同，但也有相似的地方。简述了固体燃料冲压发动机基于布林克莱法的热力计算原理，并以含硼贫氧推进剂为便，对固体燃料冲压发动机进行了不同情况的热力、流动和性能计算。得出了发动机比冲与推进剂中硼粒子含量、飞行高度及飞行马赫数之间的定性关系。     

共面圆轨道最省燃料小推力多次变轨研究

本文研究两个共面圆轨道之间最节省燃料的多次变轨过程。通过分析，得到滑行段起点和终点之间的解析关系式，解决了变轨次数增加带来的计算问题。给出了从近地圆轨道到同面同步轨道的最优多次变轨的计算结果，并进行了分析和讨论