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1、常规潜艇燃料电池AIP的方案设计第32卷第3期2010年3月舰船科学技术SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYVo1.32,No.3Mar.,2010常规潜艇燃料电池AIP的方案设计孙齐虎,章炜,王长悦,童大鹏(海军蚌埠士官学校,安徽蚌埠233012)摘要:介绍了燃料电池AIP的发展概况,特点,分析了我国常规潜艇采用燃料电池AIP的可能性及必要性.在此基础上,对燃料电池常规潜艇AlP进行方案设计,利用海军部系数法计算并选取模块功率,确定了燃料电池耗氧率以及根据续航力计算需要的储氧量,分析了3种不同规格的燃料电池功率模块对水下性能如续航力,续航时间和巡航航速的影响.方案设计结果表明,燃
2、料电池AIP系统在我国常规潜艇中具有可行性,且在水下续航力,巡航时间等性能上比一般常规潜艇优越.关键词:常规潜艇;不依赖空气的动力装置(AIP);燃料电池;方案设计中图分类号:U674.76;TM911.4文献标识码:A文章编号:16727649(2010)03003604DOI:10.3404/j.issn.16727649.2010.03.007Preliminarydesignoffuelcell-AIPofconventionalsubmarineSUNQihu,ZHANGWei,WANGChang?yue,TONGDa-peng(NavalPettyOfficerAcademy,Be
3、ngbu233012,China)Abstract:Thedevelopmentandcharacteristicsoffuelcellairindependentpropulsion(AIP)systemarebfeflyreviewed,andthepossibilityandnecessityofapplyingfuelcell-AIPtoconventionalsubmarinearediscussedinthispaper.ApreliminaryblueprintoffuelcellAIPofconventionalsubmarineisdesigned,calculatingan
4、dselectingthepowerofmodulesbythemethodofadmiraltycoefficient,calculatingoxygenconsumptionrateofthefuelcellandthequantityofoxygendepositedbytheendurance.Then,theeffectsofthepowerplantonrangeinnauticalmiles,enduranceinhoursandeconomicalspeedofunderwaterpropertiesofsubmarineareanalyzedbasedonthreediffe
5、rentfuelcellpowermodules.Itisshownthat,fuelcellAIPsystemisfeasibletoconventionalsubmarineinChina,andtheunderwaterpropertiesofFC-AIPsubmarine,suchastherangeinnauticalmiles,theenduranceinhoursandtheeconomicalspeedaremuchbetterthantheordinaryconventionalsubmarine.Keywords:conventionalsubmarine;airindep
6、endentpropulsion;fuelcell;preliminarydesign0引言燃料电池是一种高效,无环境污染的发电装置.燃料电池直接将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转换为电能,能量转换比传统热机转换减少了2个环节(见图1).燃料电池系统能量转换效率高,其热电转换效率可达80%以上,系统实际总效率为40%60%.燃料电池系统通常包括电池组,燃料与氧化剂供给分系统,水及热管理分系统,输出电能的调整分系统和自动控制分系统5部分(见图2).在军用方面,常规潜艇采用燃料电池系统后,向海水辐射的热能及红外特征变小,系统基本不向艇外排放废物,尾流特征极小,声特征远低于常规柴电动力或热气机动力,能
7、安静运行,具有优异的隐形作战能力.鉴于此,燃料电池AIP常规潜艇将成为继传统的柴油机潜艇和核潜艇之后的新型常规潜艇.德国海军已装备世界上第1艘复合使用常规蓄电池及燃料电池的212A型潜艇(U31号).该艇是世界上收稿日期:20090610;修回日期:20090728作者简介:孙齐虎(1983一),男,硕士,主要从事舰艇动力装置的研究.第3期孙齐虎,等:常规潜艇燃料电池AIP的方案设计?37?传统能量转化方式图1燃料电池直接发电与传统热机发电的比较Fig.1Thecomparisonoffuelcellelectricpowergenerationandheatengineelectricpow
8、ergeneration图2燃料电池系统Fig.2Thesystemoffuelcell潜艇非核AIP设计最优一体化真正实现的第1艘潜艇,是当今世界潜艇技术上采用顶尖技术的最先进的新一代潜艇.由于同样原因,燃料电池也适用于水面舰艇的某些特殊应用.美国水面舰艇中心曾设想将燃料电池用作水面舰艇的主电源或辅助电源系统,从而提出了全电力军舰(AES)设想.可以预计,燃料电池将会在未来全电力水面舰艇中发挥重要作用.1我国采用燃料电池AIP的可能性与必要性我国已研制出燃料电池汽车样车.继上海研制成功的超越号燃料电池汽车,东风汽车公司和武汉理工大学联合研发的燃料电池电动汽车楚天一号在武汉问世,这标志着我国已
9、初步具有民用燃料电池产品的开发能力.中国科学院大连化学物理研究所已研制出5kW和30kW的燃料电池,其电池组预计的电性能见表1,且已达到了一定水平.有理由相信,燃料电池技术用于我国的常规动力潜艇已不是一件很遥远的事.国外燃料电池在常规潜艇上的成功应用也间接证明该技术在我国潜艇上应用的可能性和必要性.下面就国产燃料电池在常规潜艇上的应用进行表I大连化物所电池组和Ballard公司MK电池组性能比较Tab.1TheperformancecomparisonofBatteryfromDalianInstituteofChemicalPhysicsandMKbatteryfromBallandcomp
10、any方案设计,并定量分析FCAlP新型动力系统对潜艇战技术性能的提高.2燃料电池AIP混合动力潜艇方案及指标设想假设对1艘常规潜艇(设其排水量约2600t)尺度和总体布置作适当调整,在中间插入1段约9m,直径78m零浮力的耐压舱段,排水量增加350400t,艇的最大航速不变.在水下巡航时通过燃料电池动力系统向潜艇提供动力,巡航速度为26kn.燃料电池动力模块功率有180kW,240kW和300kW三个等级,由大连化物所研制的30kW功率模块组成.燃料总量由续航力来决定但有最大限度(受增加的排水量和容积限制).根据水下巡航航速和续航力要求,计算并选取3种不同规格的动力模块.该方案既可用于新设计
11、潜艇,也可用于改装现有常规潜艇.2.1利用海军部系数法计算并选取模块功率先以U212的首艇U31号为母型,用海军部系数法计算本常规潜艇燃料电池应提供的功率.U31的水下排水量为1830t,用于该潜艇的34kW质子交换膜燃料电池组成了总功率为306kW(共9组)的模块,单独用燃料电池工作时,最大航速可达8kn,可求得其海军部系数为:cM=5.3.up一nn-,JJ0当以4.5kn航速潜航时,续航力可达1250nmile,潜航时间达278h.假设U31的海军部系数与本设计的常规潜艇的海军部系数相似,海军部系数C与航速的关系由C=Vs)确定,其关系曲线见图3.利用此关系可求得不同航速所需推进主机功率
12、,计算结果见表2.当用燃料电池为潜艇提供巡航动力时,假设辅机消耗功率是定值,设为100kW,则可得到不同航速对应的需要燃料电池提供的总功率(见表3).?38?舰船科学技术第32卷图3海军部系数C与航速的关系Fig.3TherelationofadmiraltycoefficientCandspeed可见,要达到不大于4kn的巡航航速只需选用180kW的燃料电池动力模块;要达到不大于5kn的巡航航速只需选用240kW的燃料电池动力模块;而要达到不大于6kn的巡航航速需选用300kW的燃料电池动力模块.表2不同航速所需推进主机功率Tab.2Thepowershouldbesuppliedindif
13、ferentspeed表3燃料电池在不同航速时提供的总功率Tab.3ThepowersuppliedbyfuelcellindifferentspeedVs/knP,c=P,+100,kW2.2燃料电池耗氧率的确定耗氧率是一个非常重要的参数,它能反映做功机械的工作性能.通过本节计算可知,燃料电池的耗氧率比斯特林发动机和闭式循环柴油机低很多.也就是说,潜艇航行相同的距离,燃料电池AIP潜艇携带的氧要少很多.当燃料电池输出电能,对外做功时,电池燃料(如氢)和氧化剂(如氧)的消耗与输出电量之间的定量关系服从法拉第第一定律和第二定律.法拉第第一定律表明,燃料和氧化剂在电池内的消耗量Am与电池输出的电量
14、Q成正比,即Am=k.Q=k.t式中,Am为化学反应物质的消耗量;Q为电量;k为比例因子,表示产生单位电量所需的化学物质量,称为电化当量,对于氢kH=1.04x10g/(A?s),而对于氧ko=8.2910g/(A?s).根据法拉第第二定律可得到,氢氧燃料电池每输出1F常数的电量(26.8A?h或96.5kC),必须消耗1.008g氢(燃料)和8.000g氧(氧化剂).定义燃料电池热一电转换效率为进入电池燃料的热焓与输出电能的比,即:rIVtJFC一日.对此式进行下述变换:=AH?F?=击.JFc一Hf,nJg一HJlJgo依据电化热力学,为按化学反应焓变计算得到的虚拟电池电动势,当以氢为燃料
15、时,在标准状态下若生成液态水,其值为1.48V;It为电池输出电量,而nF为依据法拉第定律应产生的电量,所以称为电流效率或法拉第效率;为燃料利用率,一般取为100%.中国科学院大连化学物理研究所研制的30kW电池组由200节单池组成,可控制纯氢和纯氧的利用率I>98%.图4为电池组的电流强度一输出功率曲线,图5为电池组的伏一安曲线.4.O3.53?02.5奄2.0曩1.51.0O.50104/./,/05Ol0o1502002503o0电流强度/A图4电流强度一输出功率曲线Fig.4Thecurveofcurrentintensityandoutputpower根据上述推导并利用图4可计
16、算不同输出功率的耗氧量.例如,输出功率为21kW,每节单池的平均电压为0.66V,则能量转换效率为:=0.98-43.7%;n厂47OOO28951:2加勰23456第3期孙齐虎,等:常规潜艇燃料电池AIP的方案设计?39?图5电池组的伏一安曲线Fig.5ThecurveofbatterySvoltageandcurrent耗氧率为:m.:_0.4615k/kW?hgW13omo丽U斗02.3根据续航力要求计算需要的储氧量由2.2节,利用公式M.=m.?P,.?可求得不rS同航速,续航力为时,燃料电池模块需要的储氧量.航速为46kn,续航力为1000nmile所消耗氧(或燃料氢)的总量计算结果
17、见表4.若保持航速不变,即燃料电池模块功率不变,要使续航力达到1500nmile,只需要增加氧和燃料氢的携带量即可达到目的.计算结果见表5(计算过程同上).表4续航力为1000nmile时.不同航速对应的耗氧燃料氢)量Tab.4Consumedoxygen(hydrogenfue1)indifferentspeedwhenenduranceis1000seamileVs/kn需氧(燃料氢)量/kg456表5续航力为1500nmile时,不同航速对应的耗氧(燃料氢)量Tab.5Consumedoxygen(hydrogenfue1)indifferentspeedwhenenduranceis1
18、500seamile/kn需氧(燃料氢)量/kg456选用300kW的燃料电池动力模块时,需氧和燃料氢的总重量最大为32997.0+4125.0=37122.0kg37.1t,而续航力可达1500nmile,航速4kn时可航行375h.选用FC.AIP最大功率模块,储氧总量为32997.0kg,储氢总量为4125.0kg(最大的情况)时,计算潜艇水下各经航航速的续航力.计算过程和结果见表6.表6潜艇水下各经航航速的续航力Tab.6Enduranceindifferenteconomicspeedwhenthesubmarineisunderwater5耗氧率mo/kg?(kWh)0.46970
19、.46190.46430.46120.46973FCAIP对潜艇水下性能的影响通过上述模块设计,经分析可得到燃料电池AIP系统对潜艇水下性能的影响:1)水下战术经济航速,即巡航航速提高:选用300kW的燃料电池功率模块可将巡航航速提高到6kn.2)续航力有较大提高:设计续航力达到1500nmile时,所需氧和燃料氢的总重量在允许范围内.3)续航时间延长:选用FC.AIP最大功率模块,储氧总量和储氢总量为最大的情况下,航速4kn时,续航力为1787.8nmile,相应的续航时间为446.9h.4)隐蔽性增强:不论燃料电池输出多大功率,由于其工作特点本身是安静的,在相同航速下,燃料电池系统的噪声大
20、大小于普通常规潜艇的动力系统.另外,没有废气排出艇外,航行无迹,而且燃料电池的工作温度只有80C左右,热辐射比常规系统小得多,所以增强了潜艇的隐身性.5)提高了潜艇的机动性:虽然燃料电池主要提供经航时的功率,但它启动快,模块使用灵活,可根据航速需要使不同数量的模块投入工作,实现加速,减速或倒车,规避敌方袭击和追击敌人.(下转第53页)838649如222叭448O65334叭1l7第3期王军民,等:纵摇低磁舰船的涡流磁场计算?53?a2COS)costp+(zPvbsinoG0);一(b一a)sin20Go丽.3)地磁场中低磁船体在纵摇时的涡流磁场求解上面分别求出了在地磁场日.,日分量作用下旋
21、转椭球壳纵摇产生的涡流磁场,则低磁旋转椭球壳在纵向,垂向地磁场中纵摇至任一角度时,在空问任一点处产生的涡流磁场即可由纵向,垂向分量单独作用产生的磁场迭加而成.求出了低磁旋转椭球壳纵摇的涡流磁场,即可以此为模型来求解地磁场中低磁船体纵摇产生的涡流磁场.4结语以旋转椭球壳作为船体模型是求解舰船涡流磁场的一种合适方法.本文利用低磁旋转椭球壳研究了低磁船体在地磁场中纵摇产生的涡流磁场,推导出在地磁场水平分量,垂直分量作用下旋转椭球壳纵摇至任意角度产生的涡流磁场,为低磁钢壳体舰船纵摇的涡流磁场分析论证提供了理论基础.但文中求解的涡电流密度矢量只是涡流密度边值问题的1个特解,对于一般情况的推导还有待进一步
22、研究.参考文献:1义井胤景.磁工学M.胡超,郑保山,译.北京:国防工业出版社.1977.2李道根.船体涡流磁场估算D.上海:上海交通大学,1981.3樊明武,颜威利.电磁场积分方程法M.北京:机械工业出版社,1988.4颜威利,杨庆新,汪友华.电气工程电磁场数值分析M.北京:机械工业出版社,2005.(上接第39页)6)潜艇暴露率大大降低:由于燃料电池系统可以持续平稳工作,且工作寿命长,不需频繁上浮充电,所以大大降低了潜艇的暴露率.通过分析和计算,证明了燃料电池AIP系统在我国常规潜艇中的适用性和应用可行性,并且可使该潜艇水下续航力,续航时间和巡航航速3项性能指标有明显改善和提高.4结语燃料电
23、池在海军潜艇中的应用已独树一帜.以德国U212潜艇为代表的采用燃料电池的新一代AlP潜艇的研制成功,表明燃料电池AIP将会对常规潜艇带来一场新的革命.本研究试图探索燃料电池在我海军常规潜艇上的应用.通过计算和分析可知,常规潜艇采用燃料电池AlP系统时,水下续航力,续航时间和巡航航速等方面的性能指标有显着提高,这可大大提高我国常规潜艇的战技术性能.随着燃料电池技术的不断发展,将来极有可能用燃料电池取代常规潜艇的柴油发电机组和铅蓄电池组而作为惟一电源,建成燃料电池潜艇,成为非核AIP诸方案中的最终选择.参考文献:1HANSMS,EngFR,EngD.FuelCellTechnology:Chall
24、enges,ApplicationsandMarketsR.Stuttgart:InstituteforTechnicalThermodynamicsGermanAerospaceCenter,2003.2隋智勇.燃料电池及其应用M.北京:冶金工业出版社,2004:15.3衣宝廉.燃料电池原理?技术?应用M.北京:北京化学工业出版社,2003:7178.4GeigerS,JollieD.OpeningdoorstofuelcellcommercializationJ.FuelCellToday,2004,(4):15.5衣宝廉,韩明.燃料电池技术R.大连:中国科学院大连化学物理研究所,2003
25、.6彭澎.燃料电池技术及其在潜艇动力方面的应用前景J.船电技术,2003,28(1):2730.7杨哗,李宗,马运义.AIP技术在国外的研究及应用综述J.舰船知识,2000,(8):17.8旺子聿,王凌.俄罗斯为何钟情燃料电池AIP潜艇J.舰船知识,2001,(8):3438.9BourneC,NietschT,eta1.ApplicationoffuelcellsinsurfaceshipsR.Crown:RollsRoyceStrategicSystemsEngineering,2001.1O江雪.世界第一艘燃料电池常规潜艇一德国U212J.舰船知识,2001,(6):1824.11止戈.212与214双雄出击谁都不怵J.舰船知识,2002,(10):5357.
