燃料电池涡电复合空压机系统建模与调控研究

配备具有排气能量回收功能的涡电复合空压机是大功率燃料电池空气管理系统的发展趋势,但涡电复合空压机在非设计工况下存在压比低、能量回收率低、设计需求工况无法满足等问题。以某款大功率燃料电池系统为研究对象,根据电堆进排气参数完成了涡轮膨胀机和空压机的3维气动设计,建立了包含燃料电池电堆与涡电复合空压机的电化学—流动传热耦合模型,搭建了涡电复合空压机实验台架,测试空压机与涡轮性能曲线,通过电堆、空压机与涡轮试验数据验证了该模型的准确性。基于该模型进一步研究涡轮流量特性、阀门调节方法对全工况系统排气能量回收率、电机功耗和阀门理论功率消耗的影响规律,分析了有无涡轮配置对燃料电池系统净输出功率的影响。结果表明,在中小负载工况下,涡轮流量系数每降低0.1,排气能量回收率提高5.26个百分点,但过小的流量系数导致设计点工况下电堆压力过高,需增加旁通阀泄压,导致系统过于复杂、排气能量损失大,选择涡轮流量系数为1时可获得较优的全工况能量回收率。此外,阀门前置方案优于后置方案,在非设计工况下阀门前置可使能量回收率提高6.25%。结合涡轮流量系数为1和阀门前置的方案,在设计流量点和50%设计流量点下,涡电复合空压机排气能量回收率分别为33.07%和27.31%。