10kW UUV用燃料电池动力装置设计

随着水下无人潜器(UUV)的发展,其动力装置设计也受到越来越多的关注。研究发现,传统蓄电池已经无法满足其续航和工作的要求,燃料电池以其能量密度高、工作安静、排放清洁等特点逐渐成为UUV动力装置的重要发展方向之一。本文根据UUV用燃料电池动力装置的要求,设计了10kW燃料电池和5kW镍氢电池混合动力方案,以动态排水燃料电池为主动力源,采用硼氢化钠储氢和液氧储氧的动力装置方案,并对各个部分进行设计。本文根据所选的10kW燃料电池电堆,设计了燃料循环系统和热管理系统。为了使系统的体积和重量更小、集成化更高,本方案取消了加湿器,采用尾气自加湿方案,并且利用蓄能器来平衡气路和水路的压力。通过计算各个系统的相关参数,对燃料循环管路和冷却水路的管路直径、电磁阀等主要部件进行选型。通过设计实验对比分析了两种加湿方案的性能和优劣。由实验结果来看,当温度和功率达到电堆的工作要求时,自加湿方案是完全可行的,和加湿器加湿的性能差别在1%之内。其中,进气气体和尾气先混合加湿,再排出液态水的方案较先排出尾气中液态水再与进气气体混合加湿的方案的输出性能更好,所以本文采用先混合后排水的自加湿方案。设计了监控模块的主要组成部分。基于燃料电池模块中的执行机构和反馈信号设计了扫气、开机、紧急停机等主要控制流程;根据所选的推进器要求,选择Boost变换器为主变换器且以CCM模式为工作模式,计算了电路中主要零件的参数,使用状态平均法对所设计变换器建立数学模型,根据电堆电压变化在Simulink中对其进行仿真分析,验证了其可行性。