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本實(shí)用新型公開了一種液體燃料噴霧擴(kuò)散燃燒特性研究系統(tǒng)。包括定容燃燒彈彈體、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、點(diǎn)火模塊、加熱模塊、高壓共軌系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊、紋影成像系統(tǒng)、激光診斷系統(tǒng)、電控單元。本實(shí)用新型可以研究不同初始?jí)毫蜏囟认拢煌后w燃料的噴霧擴(kuò)散燃燒特性。實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用點(diǎn)火模塊將預(yù)先充入在定容燃燒彈內(nèi)的預(yù)混可燃?xì)怏w點(diǎn)燃，在定容彈內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的環(huán)境以模擬柴油機(jī)壓縮上止點(diǎn)附近缸內(nèi)高溫、高壓的環(huán)境，在定容彈壓力下降到設(shè)定值時(shí)，控制單元控制噴油器將高壓燃油噴入定容彈內(nèi)，燃油在定容燃燒彈內(nèi)迅速霧化并被壓燃，利用紋影成像系統(tǒng)同步記錄燃油壓燃燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^程，結(jié)合激光診斷技術(shù)研究不同液體燃料的噴霧擴(kuò)散燃燒特性。

01. 成果簡(jiǎn)介 近年來，隨著氫能利用技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，應(yīng)對(duì)氣候變化壓力持續(xù)增大，以及氫能市場(chǎng)前景巨大，氫能在世界范圍內(nèi)備受關(guān)注，世界發(fā)達(dá)國(guó)家均將氫能及綜合應(yīng)用作為未來能源發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。燃料電池汽車融合了內(nèi)燃機(jī)汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，不僅具有零排放、高效與高功率密度的優(yōu)勢(shì)，而且續(xù)駛里程足夠長(zhǎng)，被業(yè)界公認(rèn)為是新能源汽車的發(fā)展趨勢(shì)。經(jīng)過北京奧運(yùn)會(huì)23輛、上海世博會(huì)的196輛燃料電池汽車的批量示范驗(yàn)證和多輪技術(shù)迭代優(yōu)化，燃料電池汽車開始進(jìn)入交通運(yùn)輸領(lǐng)域的主戰(zhàn)場(chǎng)，從2013年開始，歐、美、日、韓的燃料電池汽車相繼上市銷售。與國(guó)外發(fā)展路徑不同，我國(guó)從燃料電池商用車切入推進(jìn)氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，氫燃料電池商用車已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)并在上海、北京、河北、廣東等地示范運(yùn)營(yíng)。氫能行業(yè)迎來了產(chǎn)品孕育的發(fā)展機(jī)遇。 膜電極作為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，代表企業(yè)如美國(guó)GORE公司、英國(guó)Johnson Matthey公司。本項(xiàng)成果提供了一種制備膜電極的技術(shù)，創(chuàng)新點(diǎn)為：1）采用“熱定型法”工藝制備催化層，優(yōu)化電化學(xué)三相界面和促進(jìn)多相傳質(zhì)，解決了傳統(tǒng)膜電極性能低、壽命短瓶頸問題；2）發(fā)明了將質(zhì)子交換膜和催化層封裝在氣體擴(kuò)散層內(nèi)的一體化膜電極產(chǎn)品，提升了燃料電池的一致性和可靠性,并提高了電堆生產(chǎn)效率。該項(xiàng)成果已應(yīng)用于示范項(xiàng)目，應(yīng)用情況良好。性能指標(biāo)：1）面電導(dǎo): >40S/cm22）拉伸強(qiáng)度: >35MPa3）H2滲透率:<2mA/cm24）0.6V@2.5A/cm2 (測(cè)試條件：1.5atm,70℃,空氣計(jì)量數(shù)2.3,濕度80%)5）壽命:20000小時(shí)（加速老化法,10%性能衰減）02. 應(yīng)用前景 燃料電池03. 知識(shí)產(chǎn)權(quán) 本項(xiàng)成果已申請(qǐng)專利22項(xiàng)。04. 團(tuán)隊(duì)介紹 團(tuán)隊(duì)在燃料電池應(yīng)用研究方面已有超過20年的技術(shù)積累，在技術(shù)開發(fā)和成果轉(zhuǎn)化過程中，先后獲得“第十九屆全國(guó)發(fā)明展覽會(huì)發(fā)明獎(jiǎng)”金獎(jiǎng)、北京市第三屆發(fā)明專利獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、“清華大學(xué)科研成果推廣應(yīng)用效益獎(jiǎng)”二等獎(jiǎng)、“第十屆國(guó)際發(fā)明展覽會(huì)發(fā)明獎(jiǎng)”金獎(jiǎng)、湖北省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。負(fù)責(zé)人為副教授、博士生導(dǎo)師，累計(jì)在多個(gè)國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表SCI論文96多篇，申請(qǐng)發(fā)明專利60余項(xiàng)。05. 合作方式 技術(shù)許可。06.聯(lián)系方式 lijiaoli2016@tsinghua.edu.cn wangcheng@tsinghua.edu.cn

成果簡(jiǎn)介：該技術(shù)是指以柴油機(jī)為平臺(tái)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)多點(diǎn)電噴電子控制系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在燃用柴油時(shí)，可將天然氣切斷；燃用天然氣時(shí)，需少量柴油起點(diǎn)火作用。對(duì)柴油機(jī)需要進(jìn)行壓縮比的改造，并加裝各種電控傳感器和執(zhí)行器。電控單元以16位單片機(jī)為核心控制天然氣的多點(diǎn)噴射，外接端口具備串口通訊和CAN總線。 項(xiàng)目來源：自行開發(fā) 技術(shù)領(lǐng)域：先進(jìn)制造 應(yīng)用范圍：柴油機(jī)廠 現(xiàn)狀特點(diǎn)：天然氣對(duì)柴油的替代率平均不少于80%，達(dá)到國(guó)內(nèi)外同類機(jī)型的水平。 成

節(jié)能和環(huán)保是綠色社會(huì)的主要議題，發(fā)展取代化石燃料的新能源技術(shù)迫在眉睫。鋅-空氣電池是一種化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，由于其理論能量密度高、安全性高、價(jià)格低廉以及環(huán)保等優(yōu)勢(shì)有望彌補(bǔ)鋰離子電池的缺陷而成為下一代新能源電池。柔性可穿戴電子器件是5G時(shí)代先進(jìn)制造業(yè)的重點(diǎn)研究方向，尤其是便攜式電子產(chǎn)品正朝著超薄、集成、靈活的可穿戴設(shè)備方向發(fā)展。作為一個(gè)新興領(lǐng)域，柔性鋅-空氣電池符合可穿戴電子設(shè)備的要求，發(fā)展?jié)摿薮蟆?柔性電池是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，柔性鋅空氣電池的容量和能量密度等關(guān)鍵參數(shù)很大程度上取決于催化劑和正極材料。團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)電池正極材料這一難題，積極自主研發(fā)，致力于發(fā)展具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的下一代新型高容量柔性鋅空氣電池。目前，團(tuán)隊(duì)制備的高容量/耐低溫柔性鋅空氣電池可用于穿戴的智能電子產(chǎn)品，病人植入式監(jiān)測(cè)、追蹤和定位的醫(yī)療器械、物聯(lián)網(wǎng)智能標(biāo)簽、環(huán)境傳感器、助聽器等等。

1 成果簡(jiǎn)介作為一種清潔、高效的能量轉(zhuǎn)換裝置， 燃料電池是各種電化學(xué)電池體系中的理論比能量“ 絕對(duì)冠軍”， 而且功率密度高、電流密度大， 是最先進(jìn)的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)之一。燃料電池在發(fā)電過程中，除了提供電能以外，還會(huì)產(chǎn)生廢熱。所以傳統(tǒng)燃料電池電堆中，單片燃料電池之間通常設(shè)有冷卻板，需要采用大流量的空氣或者冷卻水來為燃料電池散熱。而燃料電池工作時(shí)需要?dú)錃庾鳛槿剂?，如果以?chǔ)氫合金作為氫源，則儲(chǔ)氫合金在釋放氫氣時(shí)會(huì)吸收熱量。 本成果將燃料電池與儲(chǔ)氫單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)的耦合，可利用儲(chǔ)氫合金來部分吸收燃料電池發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的廢熱，既解決了燃料電池水管理和熱管理的難題，又能解決儲(chǔ)氫單元放氫穩(wěn)定性的問題，還能降低燃料電池系統(tǒng)寄生功率，提高系統(tǒng)的功率密度和能量密度。表 1 中列出了耦合型燃料電池的性能參數(shù)。本成果耦合型質(zhì)子交換膜燃料電池解決了質(zhì)子交換膜燃料電池的水熱管理問題，能夠使燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，能量密度和功率密度更高。 上圖 耦合燃料電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部結(jié)構(gòu)圖2 應(yīng)用說明經(jīng)過近十年來的電動(dòng)汽車、分布式電站、電源等領(lǐng)域的廣泛示范應(yīng)用（燃料電池已經(jīng)在航天、軍事上得到應(yīng)用，燃料電池家用電源已經(jīng)在日本產(chǎn)業(yè)化），質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的成熟度已經(jīng)逐漸被用戶所接受。目前，其商業(yè)化主要問題是價(jià)格較高（采用進(jìn)口材料成本昂貴），而本項(xiàng)目利用國(guó)產(chǎn)原材料制備燃料電池電源，燃料電池材料供應(yīng)不僅有安全保障，而且還有低成本優(yōu)勢(shì)，可望克服燃料電池高成本的商業(yè)化障礙。3 效益分析由于目前國(guó)內(nèi)外尚無同類產(chǎn)品，而且各行各業(yè)對(duì)新型電源的需求比較迫切，因此本成果具有較大的推廣空間。 如批量生產(chǎn)， 本電源價(jià)格每臺(tái)約 1500 元/千瓦。 來自政府的資金補(bǔ)助以及軍事、工業(yè)、新能源等應(yīng)用領(lǐng)域的直接采購(gòu)是使燃料電池電源商業(yè)化逐漸興盛的主因。據(jù)美國(guó)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu) Pike Research 估計(jì)， 2016 年市場(chǎng)上的主力燃料電池產(chǎn)品功率將在 100W~2kW 之間，用于替代部分鉛酸電池和柴汽油發(fā)電機(jī)，主要應(yīng)用于船舶、 專用車、無人載具、 戰(zhàn)場(chǎng)支持系統(tǒng)、 備用電源、 應(yīng)急電源等。

1 成果簡(jiǎn)介燃料電池應(yīng)用于軍事、汽車、移動(dòng)設(shè)備和家庭等領(lǐng)域。對(duì)于新生產(chǎn)的燃料電池堆，或在用的燃料電池堆，常需要了解電池堆內(nèi)各節(jié)燃料電池的一致性和膜電極情況，但是國(guó)內(nèi)外一直缺少檢測(cè)燃料電池堆膜電極的技術(shù)和測(cè)量裝置。 課題組研究出一種可方便檢測(cè)燃料電池堆膜電極狀況參數(shù)的方法和儀器。該測(cè)量?jī)x具有如下功能和特點(diǎn)：可同步測(cè)量膜電極的催化劑有效活性面積、雙電層電容、氫滲透電流和阻抗；數(shù)據(jù)自動(dòng)采樣，結(jié)果自動(dòng)處理；可用于測(cè)量燃料電池單體和燃料電池堆，解決了以往即使檢測(cè)燃料電池單體膜電極也需要多臺(tái)測(cè)試儀器的問題，填補(bǔ)了燃料電池堆膜電極檢測(cè)儀器的空白。測(cè)量?jī)x可用于科研中對(duì)燃料電池內(nèi)部不一致性的檢查和原因辨析，可用于對(duì)各種場(chǎng)合的燃料電池堆進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查和老化診斷，可用作燃料電池堆初裝過程中的成組選配檢測(cè)工具。查新表明，國(guó)內(nèi)外目前尚未發(fā)現(xiàn)有相似原理的儀器，具有較大的推廣使用空間。測(cè)量?jī)x包括硬件部分和軟件部分。研究組已開發(fā)出測(cè)量?jī)x的初級(jí)版，參見下圖。初級(jí)版的測(cè)試軟件基于 Labview 編寫，界面簡(jiǎn)單易操作，通過配合電腦完成測(cè)量。研究組現(xiàn)在正進(jìn)行開發(fā)測(cè)量?jī)x器的升級(jí)版，期望其能夠脫離電腦單獨(dú)測(cè)量，更美觀，更實(shí)用。  上圖 初級(jí)版電池堆膜電極檢測(cè)儀2 應(yīng)用說明研究組應(yīng)用該方法和測(cè)量?jī)x進(jìn)行了多次測(cè)量和研究，成果在國(guó)際國(guó)內(nèi)會(huì)議的宣傳推廣中得到了許多同行的好評(píng)，并表示有購(gòu)買意向。

項(xiàng)目成果/簡(jiǎn)介:乳化液煤層液壓鉆以乳化液為工作介質(zhì)，利用工作面現(xiàn)有的乳化液泵站作為動(dòng)力源，對(duì)煤層實(shí)施鉆孔。使用乳化液煤層液壓鉆，既消除了煤電鉆的安全隱患，又可實(shí)現(xiàn)濕式鉆孔，大大提高了煤礦井下工作面的安全性。該液壓鉆可取代煤電鉆廣泛應(yīng)用于炮采工作面。

乳化液煤層液壓鉆以乳化液為工作介質(zhì)，利用工作面現(xiàn)有的乳化液泵站作為動(dòng)力源，對(duì)煤層實(shí)施鉆孔。使用乳化液煤層液壓鉆，既消 除了煤電鉆的安全隱患，又可實(shí)現(xiàn)濕式鉆孔，大大提高了煤礦井下工 作面的安全性。該液壓鉆可取代煤電鉆廣泛應(yīng)用于炮采工作面。

氣液反應(yīng)或化學(xué)吸收是化學(xué)和石油化學(xué)工業(yè)中廣泛涉及的單元過程。根據(jù)物系特性不同，主要是液相化學(xué)反應(yīng)的特性，例如快速、中速、慢速，以及可逆、不可逆等性質(zhì)不同，各種氣液反應(yīng)或化學(xué)吸收過程的性質(zhì)有很大的差異。已有的用于化學(xué)吸收過程的設(shè)備有很多種，例如填料塔、鼓泡塔、篩板塔、噴射塔等等，它們各適用于不同的反應(yīng)體系。已有的用于液相進(jìn)行快速反應(yīng)的化學(xué)吸收設(shè)備主要有噴霧塔、噴射吸收器等。它們分別存在效率不高、設(shè)備龐大或動(dòng)力消耗大的缺點(diǎn)。主要問題在于相間傳遞系數(shù)不夠高，使總過程受到傳遞的限制。本實(shí)用新型的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用撞擊流顯著強(qiáng)化相間傳遞的特性，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，投資小，操作維修方便，又節(jié)省動(dòng)力的氣液反應(yīng)技術(shù)裝備。本實(shí)用新型撞擊流氣液反應(yīng)器采用水平同軸兩流撞擊流。它由下述三組部件組成：吸收室，加速管和壓力霧化噴嘴。吸收室是中部為直筒形，上、下各為錐形頂蓋和底的中空筒體；上錐形頂蓋上面連接排氣管，下錐形底下面連接排液管；直筒內(nèi)部靠近上錐形頂蓋處安裝除沫擋板。吸收室中部直筒體的橫截面可以做成圓形，也可以制成方形或長(zhǎng)方形。加速管有兩根，直徑和長(zhǎng)度相同，它們同軸對(duì)稱地分別安裝在吸收室直筒體中部?jī)蓚?cè)。壓力霧化噴嘴安裝在加速管內(nèi)，噴液方向朝向吸收室中心，并帶有進(jìn)液接管。噴嘴可以對(duì)稱地安裝在兩根加速管內(nèi)，也可以只在一根加速管內(nèi)安裝；使用噴嘴個(gè)數(shù)根據(jù)加速管直徑和處理液體或懸浮體量確定。壓力霧化噴嘴可以采用普通壓力霧化噴嘴，也稱離心壓力噴嘴；最好采用本實(shí)用新型設(shè)計(jì)人的專利旋渦壓力噴嘴(專利號(hào)ZL00 2 30305.1)。后者旋流效率更高，因而霧化能耗更低。撞擊流氣液反應(yīng)器連續(xù)操作。工作時(shí)，工藝氣體分成兩股，以基本相同的流量分別高速流動(dòng)通過兩根加速管；工藝液體或液固懸浮體則由壓力霧化噴嘴噴霧成微滴狀進(jìn)入加速管。氣體加速霧化微滴并攜帶它們射出加速管進(jìn)入撞擊流吸收室空腔，在兩加速管軸線中心處相向撞擊，形成高度湍動(dòng)和強(qiáng)化傳質(zhì)的撞擊區(qū)，并在其中完成氣液反應(yīng)或化學(xué)吸收作業(yè)。反應(yīng)或吸收后，絕大部分液體或液固懸浮微滴依靠重力下落至吸收室錐形底，經(jīng)排液管放出，送至后工序處理。為使裝置內(nèi)氣體與大氣隔絕，排液管下游可設(shè)置液封機(jī)構(gòu)；分離絕大部分液體或懸浮體微滴后的氣體向上流動(dòng)，在除沫擋板處折流以進(jìn)一步脫除霧、沫，隨后通過排氣管排出。根據(jù)工藝安排，排出氣體或送去進(jìn)一步處理，或放空。與現(xiàn)有的氣液相反應(yīng)或化學(xué)吸收技術(shù)裝備相比，本實(shí)用新型撞擊流氣液反應(yīng)器具有下述顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)利用了撞擊流強(qiáng)化相間傳遞的特點(diǎn)，使得液相快速反應(yīng)不受氣膜擴(kuò)散限制，宏觀氣液反應(yīng)或化學(xué)吸收過程能高強(qiáng)度地進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)小設(shè)備大生產(chǎn)；(2)采用壓力霧化噴嘴分散工藝液體或液固懸浮體，能量效率高、節(jié)能；(3)裝置中內(nèi)部構(gòu)件少，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備投資?。?4)由于內(nèi)部構(gòu)件少，便于清洗，更能適應(yīng)反應(yīng)過程中有固體產(chǎn)物生成的場(chǎng)合。