装备有聚合物电解质燃料电池的3000T级潜艇的分析外文翻译资料

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装备有聚合物电解质燃料电池的3000T级潜艇的分析

摘要

海军潜艇通常装备有柴电驱动器。当潜艇处于地面或浮潜深度时，柴油发电机为电池充电。来自发动机排气的红外特会使潜艇被检测到，这是该系统的最大缺点。本研究旨在分析使用燃料电池作为传统柴油机系统的替代品的可行性。分析燃料电池系统以满足推进负荷和储备待用。为了达到这个目的，我们采用金属氢化物和硼氢化钠作为燃料，而使用压缩氧和液氧为氧化剂。我们已经分析了关于重量，体积的最有效的组合，还估计了在淹没条件下各种储备待用负荷的潜水耐力和距离。我们发现金属氢化物和液氧组合可以通过替换常规系统容易地改装。然而，MH / O₂，SBH / O₂和SBH / LO_X需要一些额外的空间。并且所有系统在潜水耐力方面有了显著的提高。

1.介绍

因为潜艇与生俱来的水下潜航和发动突然袭击的能力，它们是任何海军的宝贵资产。这使得其很难被检测到，并且在冲突时在敌对的水中巡逻比船舶更安全。目前大多数潜艇是柴油发动机/电池推进。然而，常规的柴油 - 电动潜艇具有其自身的局限性，它的潜航时间受电池容量的限制，并且当在岸上或在称为浮潜深度的表面下方几米处时为电池充电时，它们易于被检测到。除了因为在浮潜期间由柴油发电机的排气所发出的强烈红外信号被检测到到外，船只还容易被视觉检测到。为了增强现有潜艇的潜航时间，有各种选项，适当地称为“空气独立推进”选项，因为它们通过避免需要进行空气进入而使潜艇浸没长时间。这些包括闭式循环柴油（CCD），斯特林发动机，模块化系统（MESMA），闭式循环燃气轮机（CCGT）和低温燃料电池并且在冲突时在敌对的水中巡逻比船舶更安全。目前大多数潜艇是柴油发动机/电池推进。然而，常规的柴油 - 电动潜艇具有其自身的局限性。浸没时间受电池容量的限制，并且当表面用于充电电池或在称为浮潜深度的表面下方几米处时，它们易于检测。除了在浮潜期间由柴油发电机的排气所发出的强烈红外信号之外，船只还容易进行视觉检测。

为了增强现有潜艇的潜水时间，我们可以采用各种方法。其中有一种称之为“空气独立推进”的方法，因为它们通过避免空气进入而使潜艇长时间潜航。这些包括闭式循环柴油（CCD），斯特林发动机，模块化系统（MESMA），闭式循环燃气轮机（CCGT）和低温燃料电池

对于在低温下的运行，聚合物电解质燃料电池（PEFC）是潜艇最有利的选择。用于反应的氢气主要以压缩气体的形式储存在船上，在低温温度下以液体形式储存或在一些氢化物中以固体形式储存。比较所有的存储选项，研究倾向于以气态存储氢和氧或空气。然而，对于海底应用，由于安全和可靠性限制，压缩气体可能不是答案。硼氢化钠（SBH）可以被认为是氢载体，其可以提供比压缩氢更高重量百分比的氢储存。液氧（LOX）被认为是氧化剂。在本系统中为了其它目的而携带的压缩空气也被认为是另一种从事的氧化剂。

通过用PEFC替换基于柴油的常规系统来装备通用3000吨潜艇，考虑了它的重量和体积，从而实现对空气独立推进（AIP）的最佳组合的可行性研究。最后调查了不同的组合和与常规系统的潜航时间。

2.系统描述

常规的基于柴油的电动潜艇主要包括柴油发动机，电池组，用于高速冲刺和低速航行的电动机。柴油发电机主要用于只有当潜艇通向大气燃烧时才对电池充电。 电池满足潜水艇在潜水期间的总能量要求。 常规潜艇的示意图如图1所示。

DC/DC

转换器

电机

柴油油箱

柴油发动机

电池

DC/AC

逆变器

储备待用负荷

驱动负荷

图一 传统系统的简略示意图

潜艇的总符合需求主要被分为储备待用负荷和驱动符合。推进负荷是关于速度u和淹没排水量D的函数，如下所示

(1)

最高功率需求主要被潜艇的最大可到达速度控制。除了驱动速度，潜艇还有一系列装备，如泵和鼓风机，通讯装置，生命保障系统，家用电器控制系统和武器。为了满足一些具体的需求，储备待用负荷一般都保持不变，但她会根据需求在100 kW到475 kW之间变化。

但是不同设备之间的运行时间和总能量消耗变化很大。为了估算潜艇的负荷，我们假设潜艇在正常航行状态下用低速电机以5海里每22h的速度行驶并且在冲刺状态下用高速电机以16海里每天的速度行驶。冲刺状态下的每两小时，潜艇需要大约5805kw h的功率。但是两小时的冲刺时间会受到决定于实际速度和情况需求变量的影响。假设的典型日常负荷示意图如图2所示。

负荷示意图显示了三种不同的运行等级。高速电机和低速电机承载了泵承载了所有机载在用泵负荷是的驱动负荷。混杂负荷包括在离开和进入港湾，空气压缩器和家用负荷的能量消耗。其他负荷包括空调和冷却系统的负荷此外还有交流发电机的负荷。

发电系统和能量储存系统的总质量和容积是非常重要的。在当下的研究中，我们计划用燃料电池系统代替传统的能源系统。在传统系统中可被代替的组件的总容积和质量在表1中。作为传统柴－电系统的替代，一种燃料电池系统被提出并且其各种组合形式也在被评估。在当下的研究中，我们提出了如下方解释的三种不同形式的系统组合：仅燃料电池系统，仅电池系统，燃料电池和电池混合系统。

(i) 基于燃料电池的系统: 一个单独的燃料电池系统，在这之中燃料电池取代了传统系统的发动机和电池，氢气和氧气储存系统取代了柴油和润滑油。

(ii) 燃料电池－电池混合: 代表一个燃料电池－电池混合系统，在这之中电池提供冲刺能量，燃料电池提供剩余22小时的能量包括为电池充电。因此，燃料电池的尺寸可以大幅下降。

(iii)基于电池的系统：没有燃料电池，因此海军需要在航行之前为电池充满电在海上的续航时间也仅仅和取决于电池电量。

在计划的系统里，质子交换膜燃料电池和电池－燃料电池的组合被用来满足能量需求。我们正在研究金属氢化物为氢气储存的方式，硼氰化钠作为氢气的载体。氧化剂方面，我们考虑使用液态氧或在70MPa下的压缩氧气。在这个系统中，柴油和润滑油的需求已经消除，而由它们节省的空间可用来放置燃料电池系统和燃料。

3. 系统建模

日常负荷分布如图2所示。图2已被用于确定基于燃料电池系统的部件尺寸。不同的设备在一天中用于不同的持续时间，并且可以基于总瞬时负载需求分为不同的类型。 对于模型制定，对拟议的系统做出以下假设：

负载已按照每天的使用时间进行分类。

驱动载荷假定被分为处于以16海里／小时高速（冲刺）和5海里／小时低速（航行））分别在一天中行驶2小时和22小时的状态。

来自燃料电池堆的过量气体（H 2，O 2）被再循环到系统中。

在电池运行期间，在混合动力系统中，全部能量需求由电池提供，燃料电池不工作。

燃料电池为负载供电，同时为电池充电。

假设DC / DC转换器，电动机，电池的效率是恒定的。

3.1 电池组

电池组的可用容量取决于电池放电的速度。 由于我们考虑了电池与燃料电池的两种不同组合，混合系统和仅电池系统的电池放电持续时间分别为2小时和24小时。 因此，放电率变化近12倍，导致可用电池容量的大幅变化。 由于不同系统中电池的放电持续时间不同，我们通过使用放电率比例对其进行归一化，从而通过下述公式估计给定电池尺寸的可用容量：

(2)

—放电率 －名义放电时间 －实际放电时间

随着放电速率的增加，电池的存储容量降低。 对于本研究，名义放电时间被认为是20小时，这表明放电率的比例在0.8和10之间。实际可用存储容量与放电率的变化如图4所示。常规系统中使用的电池的放电比率和实际可用存储容量之间的相互关系由下式给出：

(3)

被用来由下述公式计算为满足能量需求需要的总电池组容量：

(4)

－电池组放电深度；

3.2 燃料电池

我们通过比较燃料电池系统和混合动力系统的峰值负载和平均负载来进行对燃料电池的尺寸计算。平均负载可以由下式计算为：

(5)

T－每天电池运行的时间

3.3 燃油储存系统

通常，纯氢被认为是可以以金属氢化物形式储存的在PEFC上应用的燃料;然而，这种系统具有非常低的体积和重量能量密度。因此，它需要相对较大的空间和重量。化学氢化物是氢气载体在室温下供应氢气的非常有吸引力的选择。在各种选择中，硼氢化钠水溶液（NaBH4）似乎是一种完美的氢源，因为它的稳定性，非易燃性和无毒性，其储氢能力为10.66％（重量）。从NaBH4中除去氢气后作为产品获得的硼砂是环境清洁的，并且可以再循环以产生NaBH 4。使用硼氢化钠作为氢载体可提高重量能量密度和体积能量密度。

然而，对于本方法中的潜艇来说，基于燃料电池系统的使用取决于替代传统的基于柴油电池的混合动力系统后系统的可用体积和重量。无论存储系统如何，满足总能源需求（）所需的氢氧化合物总量是由下式给出：

(6)

－ 系统总效率，由下式计算：

(7)

本计算使用高热值是因为PEFC始终在lt;100℃的范围内运行。

储存氢气的总重量（kg）由下式计算 ：

(8)

总储氢系统的体积由下式计算：

(9)

(10)

(11)

(12)

－平衡设备重量；和 是由下式计算的的重量：

(13)

(14)

(15)

－平衡设备体积；和 是由下式计算的的体积：

(16)

(17)

3.4. 氧化剂储存系统

氧气被认为是PEFC 的氧化剂。但是空气也可用来当作PEFC 的氧化剂。使用空气主要的问题是氧气在空气中的低比例存在导致系统体积庞大。当PEFC 反应了1摩尔氢气时，0.5摩尔氧气实际上只占据了0.5摩尔的氢气体积。但是，当空气作为氧化剂时，它却占据了2.5倍氢气体积。因此，在目前的调查中，空气不被当作氧的来源。 对于本研究，考虑压缩70MPa的氧气和液氧，相对于氢系统的体积计算氧气体系的总体积，并且是其一半。所需氧气的摩尔数和重量由下式给出

(18)

(19)

压缩液体氧气储存系统的重量可以用下式计算：

(20)

－重力分数；－氧气的摩尔质量

(21)

－体积分数；；；目前研究并没有考虑工作温度的影响。

液化氧气储存系统的体积可由下式计算：

(22)

－液氧密度（kg）

3.5. 总体积和体重分析

燃料和氧化剂系统的总体积是根据更换常规DG电池系统后的可用体积估算的： (23)

(24)

－取代了传统系统后的可用容积（）；

燃料电池占用的体积（）由下式给出：

(25)

－燃料电池电堆的体积能量密度（kw）;－燃料电池功率（kw）

类似地，以下

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