1. 研究目的与意义（文献综述）

选题背景及意义

燃料电池因其具有高效、洁净、低噪声等优点, 被认为是21世纪的重要动力来源, 在解决能源、交通问题方面起着重要的作用。质子交换膜燃料电池 (pemfc)以其工作温度低 、快速启动 、无电解质腐蚀、比功率高、操作简单等优点, 成为最炙手可热的研究热点, 已在电动汽车、便携式电子设备 、分布式发电系统等领域展现出良好的商业化应用前景。其中燃料电池系统作为水下无人潜航器的推动能源系统，因其可以大大增长潜航时间，成为了近些年来引人关注的研究热点。水下无人潜航器(unmanned underwater vehicle，uuv)，是一种主要以潜艇或水面舰船为支援平台、能长时间在水下自主远程航行的智能化装置。因其具有自主性、低风险性、隐蔽性、可部署性、环境适应性等特点，具有重要的军事价值，目前正成为各军事大国海洋技术研究的前沿。水下续航力是uuv最重要的战技指标之一,也是uuv作战和水下生存的基础。用蓄电池作为能供系统的uuv经常需要回到母船或岸基进行充电,不能够实现长期水下航行。常规推进能源系统仅能给uuv提供2天的工作时间，而燃料电池和热推进系统可将其作业时间延长至数天并且有望达到数周，其续航能力的提升将更好的发挥水下无人潜航器情报收集、水下及水上侦察监视、作战打击、后勤支援等功能，进一步推动现代战争的信息化，无人化。在众多的燃料电池系统中，质子交换膜燃料电池系统（pemfc）因其具有其它燃料电池系统无法比拟的优势受到了国内外海洋技术研究的青睐。众所周知，pemfc直接将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转换为电能,能量转换不受卡诺循环限制,转换效率达70%以上,远高于其他内燃机的效率。此外pemfc本身不存在运动部件，工作过程中没有明显的噪音，并且其反应产物为水不需要考虑尾气排放的问题，这使得在水下侦查过程中，uuv的隐身性大大提高。系统体积小，输出功率平稳，过载能力强也使得pemfc在uuv 上应用前景更加广阔。通过合理设计一个pemfc系统的各个子系统，并将其与uuv各方面性能指标相匹配，可以极大的提高uuv各方面的性能和其工作的安全可靠性，而pemfc自身具有的优越性也更佳符合uuv未来超静音，大潜探，长续航力的发展趋势。

国内外研究现状

在美英等军事大国的带动下，世界无人潜航器的发展取得了重要进展。美国海军调整了其无人潜航器的发展计划。因潜航器在伊拉克作战中的良好表现，英国海军开始从美国引进这种装备，德国也研制出了新型无人潜航器，并开始了演示试验活动，澳大利亚挪威等国也在积极研发无人潜航器的相关技术。相比于美、法、俄、日等国家来说，我国的海洋深潜技术起步相对较晚。1986年863计划实施之前，我国研制的都是有缆遥控水下机器人（rov），工作深度仅为300米。在随后通过863计划的精心组织下，我国在近三十年以后不断研究这相关技术，并打破了一个个技术壁垒，将有缆变为无缆，并且下潜深度也在不断加深，最终在2012年，“蛟龙”号成功完成7000米级海试，取得了一个重大的突破。虽然如此，在uuv的发展过程中，相对于其他关键技术的研究，我国水下动力系统技术的研究起步较晚，也是制约uuv发展的瓶颈技术之一。由于传统的蓄电池动力模式具有能量密度低、体积和重量大，再充电时间长，难以满足日益增大的水下续航力以及结构紧凑的要求，因此各国都把研究重点投向能量密度更高，适用于大续航力的电池动力系统上。因为液氢液氧能够提供最高效的能量，如果液氢液氧动力系统能够应用到uuv上，那么uv在技术上就会得到较大的突破，应用上也会有较大的推广。所以，uuv 动力系统技术的发明创新就需要依赖于氢氧燃料电池应用技术的突破。国内将pemfc应用在水下无人潜航器(uuv)的研究很少,中科院自动化研究所和大连化学物理研究所合作,将pemfc用于uuv上,进行了负载实验、性能实验,并根据实验数据提出了pemfc在uuv上运行的改进措施。

相比而言,国外已经有很多将 pemfc应用于水下平台的成功案例。1992年,德国海军首次将燃料电池加柴油机的混合推进系统用于212型潜艇,并试验成功。2002年,日本海军首次成功地将pemfc用于uuv中,完成了220 km的长距离自主航行。2006年，通用汽车（gm）与海军研究办公室（onr）及海军研究实验室将开展合作，致力于将汽车氢燃料电池系统用于美海军下一代无人潜航器（uuv）。该合作将开发将高能量氢气转化为电能的氢燃料电池，以提高uuv的航程和持久力，作为合作内容的一部分。虽然各国发展无人潜航器普遍受到缺乏高能长效电池指挥控制技术障碍以及回收过程复杂等问题的困扰，但是无人潜航器的前景颇为看好，可以预见，随着相关技术的不断发展，续航能力更强多种技能集成于一身的水下无人潜航器，必将得到更加飞速的发展。目前，pemfc的发展也是日新月异。美国三大汽车公司（gm，ford ,chryster）、德国的dajmier-benz、日本的toytomotor等汽车公司均投入巨资开发pemfc汽车。处于领先地位的加拿大ballard公司已经开始出售商业化的各种功率系列的pemfc装置。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容

本毕业设计对10kw潜航器用燃料电池系统进行设计，重点设计燃料电池电堆，还有氧气供应系统、氢气供应系统、冷却系统、电子控制系统等的设计与零部件匹配。此部分的研究内容主要包括：

1.根据潜航器的功率及其工作特性，对10kw潜航器用燃料电池电堆进行设计,包括流场结构以及电堆结构 。

2.根据潜航器的工作环境条件，对燃料电池系统各子系统进行理论设计并与之和潜航器的零部件匹配。

3.采用三维造型软件对10kw潜航器用燃料电池系统各模块进行设计与整体装配。

研究目的

掌握水下潜航器用燃料电池系统的工作特点，设计10kw潜航器用燃料电池系统，包括电堆及其各个子系统的设计与零部件匹配。通过本设计，为潜航器燃料电池系统的制造和发展提供理论指导。

3. 研究计划与安排

周 次（时间）	工 作 内 容
2016.12.29-2017.1.6	学生在系统中填写选题志愿，指导老师和学生双选。
毕业设计预备周 2017.1.9-2017.1.13	教师确定指导人选，对未选好导师的学生进行调剂分配。确定选题志愿、校内搜集资料、消化资料。
1-2（2.22~3.4）	赴校外实习、搜集设计资料，并整理实习日记、实习报告。
3（3.6~3.10）	提交实习报告书。查阅参考文献，文献检索摘要。
4（3.13~3.20）	学生提交文献检索摘要。撰写开题报告。并完成网上提交开题报告。整理论文提纲、设计概要。
5~ 6（3.20 ~ 3.31）	进行外文翻译，并提交外文翻译译文。
7~ 8（4.3~ 4.14）	绘图，撰写毕业设计说明书（设计类）或论文（研究类）。
9 ~ 11（4.17~ 5.5）	撰写毕业设计说明书（设计类）或论文（研究类），绘图。
12（5.8 ~ 5.12）	完成绘图，并完成网上提交毕业设计说明书
13（5.15 ~ 5.19）	学生书面提交毕业设计说明书、图纸或论文，并打印成册。并书面提交答辩申请，并作答辩准备；
14（5.22~ 5.26）	教师审阅毕业设计说明书（设计类）或论文（研究类）和（图纸），审查确定学生答辩资格并予以公示。
15（5.29~ 6.2）	毕业设计答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]. barbir f. chapter six – stack design[j]. pem fuel cells, 2013:159-215.

[2]. barbir f. chapter nine–fuel cell system design[j]. pem fuel cells, 2013:305-372.

[3]. strasser k. h2/o2‐pem‐fuel cell module for an air independent propulsion system in a submarine[m]. 2010.