适用无人机的小型燃料电池控制方法

燃料电池动力系统作为一种长航时电动无人机的动力方案,其燃料电池的控制技术是决定动力系统可靠性和高效性的关键技术。针对用于无人机的小型空冷型开放阴极的质子交换膜燃料电池,考虑面向工程应用的燃料电池整体控制过程,兼顾电堆温度控制和水管理,提出了一种前馈型模糊PID的电堆温度控制方法,同时设计了一种基于安时积分门限法的膜水含量调节策略,以实现对整个燃料电池系统的高效控制。通过搭建燃料电池温度控制与水管理试验平台,对所提出的控制技术进行了试验验证,并与现有温控和水管理方法进行了对比分析。试验结果表明：所提前馈型模糊PID方法在较长时间的燃料电池启动过程中能够较快地达到目标温度,相比于PID方法减少了7%的调节时间,与传统模糊PID方法相当;燃料电池电流持续减小时,所提前馈型模糊PID方法对超调量的抑制效果具有明显优势,其超调量仅为PID方法的34%,为传统模糊PID方法的43%;所提安时积分门限排水控制方法既能防止水淹故障,又可提高燃料经济性,在所给工况中相比现有方法节约了15%的氢气。     

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。     

月面探测器燃料电池应用的初步研究

燃料电池是一种高效的清洁能源,早在20世纪60年代就成功应用于美国载人登月工程中。我国对燃料电池的研究工作开展较早,当前已初步具备了研发航天器燃料电池的技术能力,但由于燃料电池属于一次性能源,使其应用一直受限于航天领域,近年来我国新型航天器的研发为燃料电池提供了新的应用背景。在调研分析的基础上,提出了一种使用氢氧燃料电池作为月面探测器主电源的配置方案,通过与传统供电方案的综合比较总结了燃料电池的优点,并归纳了后续应用的关键技术和解决途径,为燃料电池在我国航天领域的应用提供了一种新思路。     

基于自适应神经模糊推理算法的无人机电推进燃料电池供气系统性能优化

本文针对某无人机基于聚合物交换膜燃料电池和锂离子电池的混合动力电推进系统的应用,研究开发了一种基于自适应神经模糊推理系统的电源管理系统控制技术,以控制混合动力电力推进系统,同时优化燃料电池供气系统的性能。本文以所建立的某无人机混合电推进系统数学模型为研究对象,研究了燃料电池电流与燃料电池供气系统压缩机功率之间的关系,建立了燃料电池电流与最佳压缩机功率关系的参考模型。在参考模型的基础上,引入自适应控制器来优化燃料电池供气系统的性能。基于自适应神经模糊推理系统的控制器将压缩机的实际运行功率动态调整到参考模型中定义的最佳值。自适应控制器的在线学习和训练能力用来辨识燃料电池电流的非线性变化,并产生压缩机电机电压的控制信号,以优化燃料电池供气系统的性能。在Matlab 仿真环境中开发了质子交换膜燃料电池和锂离子混合动力电推进系统模型并对所设计的控制器进行了仿真分析,结果表明基于自适应神经模糊推理系统的控制器为燃料电池供气系统压缩机性能优化提供了一种新颖而全面的途径,使燃料电池供气系统获得最大净功率输出。将燃料电池系统的净功率输出与最佳压缩机功率和恒定压缩机功率进行了比较,结果表明优化的压缩机功率配置比恒定的压缩机功率配置节能2.62%。同时,燃料电池自适应神经模糊推理系统控制器优化了燃料电池供气系统的能量利用。     

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。     

燃料电池无人机动力系统方案设计与试验

针对燃料电池为主能源的无人机（UAV）动力系统,设计了纯燃料电池动力系统、燃料电池/蓄电池（简称燃蓄）被/主动混合动力系统3种拓扑结构方案。以空冷质子交换膜燃料电池为例,搭建了燃料电池动力系统方案一体化试验平台。考虑阶梯型和阶跃型2种加载形式,试验研究了燃料电池自身的动态特性和启动特性。以阶梯型功率剖面的加载形式,试验研究了纯燃料电池动力系统放电特性;以无人机典型任务剖面作为加载形式,开展燃蓄被/主动混合动力系统对比试验研究。试验结果表明：纯燃料电池动力方案适用于低机动小型无人机,燃蓄被动混合方案可满足小型无人机大机动飞行,燃蓄主动混合方案系统可适应中大型无人机更长航时飞行。     

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。     

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。     

面向空间废物处理的微生物燃料电池隔膜材料

为了寻求可提高微生物燃料电池（MFC,Microbial Fuel Cell）产电性能的隔膜材料,对碱性电池隔膜纸、锂离子电池隔膜纸及两种不锈钢活性炭隔膜材料进行了系统的分析和比较.结果表明,碱性电池隔膜纸虽然有良好的质子透过性,但其水分渗透性和氧扩散较高,有待进一步的改进;辊压活性炭和涂刷活性炭隔膜的功率输出均优于目前MFC常用的阳离子交换膜,这是由于前两者的隔膜阻力小;而辊压活性炭和涂刷活性炭隔膜的特点接近,且涂刷活性炭隔膜的成本更低,是较为理想的MFC隔膜材料.     

一种空间燃料电池电源系统设计与实现

面向空间应用，依据某航天器任务期间的功耗需求，采用燃料电池和蓄电池的架构，对1kW燃料电池电源系统的设计与实现进行研究。构建了1kW燃料电池电源系统仿真模型，对系统设计原理进行了仿真验证，并研制了1kW燃料电池电源系统样机，对系统典型的负载阶跃工况进行了试验测试。试验测试结果表明，1kW燃料电池电源系统在半载阶跃变化时，母线电压波动小于5V，调节时间小于25μs；整个运行过程系统工作正常稳定，能够满足航天器空间应用需求。