燃料电池空气回路拓扑的分析方法

建模和分析方法

本文将分析电动压缩机（e-Compressor）， 电动辅助的涡轮增压器（e-Toubo Coupled），电动压缩机和电动涡轮（e-Toubo Decoupled）三种空气回路拓扑。

   

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首先进行电堆模型的校核

模型如下图所示。采用GT优化器进行自动标定，优化的参数及范围如下表所示

   

   

标定结果如下，分别为功率、出口水含量、空气流量以及阴极压力。

   

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针对电堆效率（非系统效率）

进行敏感性分析

仍然使用上述简单模型，利用DOE分析阴极压力和阴极计量比对电堆效率的影响。结果如下图所示。在各种负荷下阴极压力的影响显著大于计量比的影响。

   

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分别对三种空气回路拓扑进行建模

每一种拓扑都需要相应的控制策略来控制阴极压力和流量。对于e-Compressor方案，电机控制空气流量，背压阀控制阴极压力。对于其他两种方案，仍然由压缩机的电机控制空气流量，但阴极压力通过涡轮的废气旁通阀和背压阀来控制。阴极的计量比始终保持在2.0。

   

模型分别如下所示，注意所有模型的氢气回路可以大大简化。

   

e-Compressor方案

   

e-Toubo Coupled方案

   

e-Toubo Decoupled方案

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每种拓扑下，进行阴极压力的DoE计算

每个工况选取20个目标阴极压力，最大限值以不能发生喘振为标准。从DoE结果中可以得出该拓扑的最佳效率，如右图所示。最佳系统效率点在中间压比区间。高压比虽然会增加电堆效率，但也增加了BoP的耗功。

     

     

最终即可优化出各工况下的最佳效率曲线

   

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对压缩机以及涡轮的map进行缩放（通过流量乘子），结合上述阴极压力一起进行DoE

这可以更全面地分析每个拓扑下的系统效率。在开发早期，供应商难以提供多种压缩机和涡轮map时，该方法简单有效。一个缩放的例子如下图所示，缩放因子分别为1/0.7/1.3。

     

     

     

压缩机map的缩放

  

     

     

     

涡轮map的缩放

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e-Compressor 方案和e-turbo Coupled的方案对比

下图为两种方案的最优工作点在压缩机map中的分布。e-turbo Coupled方案由于涡轮能量回收的影响，其压比均有所增加。在大负荷工况下，e-turbo Coupled方案可以增加近10%的功率，系统效率也明显改善。在低负荷下，由于涡轮回收能力有限，故两个方案基本相同。

     

     

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e-turbo Coupled方案下压缩机和涡轮的匹配

针对压缩机和涡轮的map进行缩放，下图为四个工况下压缩机和涡轮map对系统效率的影响。从图中可以看出，压缩机和涡轮的map在大负荷下对系统效率影响较大。在大负荷下，当压缩机缩放因子为1且涡轮缩放因子为1.3时，系统效率收益最大。同时也可以看出， 相对于内燃机，燃料电池的系统效率对涡轮增压的匹配不敏感。

   

   

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e-turbo Coupled和e-turbo Decoupled方案对比

Decoupled方案需要两个电机，且涡轮转速可以独立控制，这意味着涡轮可以工作在高效点，如下图所示。

     

     

但由于涡轮回收的能量必须完全经过电机转化为压缩机的动力，损耗也会增加，结果表明，该损耗超过了涡轮效率增加的收益。相对于Coupled方案，Decoupled方案系统效率降低。但两者均会高于e-Compressor方案。