一种燃料电池可变截面涡轮增压最优有效截面确定方法

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种燃料电池可变截面涡轮增压最优有效截面确定方法。

背景技术：

1、燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，具有高效、清洁、可再生等优点，被认为是未来的理想能源。燃料电池系统通常由燃料电池堆、空气路、燃料路、冷却路、控制系统等部分组成，其中空气路是燃料电池系统的重要组成部分，其作用是为燃料电池堆提供足够的氧气，同时回收利用阴极废气的能量，提高系统的效率和经济性。

2、涡轮增压器是一种常用的空气路辅件，利用阴极废气推动同轴连接的压缩机旋转，辅助电机输出的动力，对进气进行压缩，回收部分废气能量，降低空压机消耗功率，提升系统效率。然而，固定截面的涡轮增压在系统低功率工况时，阴极废气量较小，不足以推动涡轮旋转，产生涡轮迟滞，废气能量无法充分利用，只有在大功率工况时，产生的废气量较大，涡轮才能启动。另外，使用小的截面的涡轮虽然能够提升低功率工况时的回收效果，但是在大功率工况下容易因为涡轮排气截面较小产生较大的排气阻力，限制进气流量达到需求。

3、cn115059519a公开了一种氢燃料电池空压机用可变截面喷嘴环组件及增压器，其通过设置一个可变截面的喷嘴，来调节涡轮气道的截面积，从而改变涡轮的流量和膨胀比，提高涡轮的回收效率。然而，该专利并没有给出如何确定最优的涡轮截面积的方法，而是根据经验或试验来确定，这样不仅费时费力，而且可能无法达到最佳的效果。

4、因此，亟待设计一种可准确确定最优涡轮截面积的方法，解决上述现有技术存在的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种燃料电池可变截面涡轮增压最优有效截面确定方法，目的在于，通过数学建模，快速准确地动态确定可变截面涡轮的涡轮气道的最优有效流通截面积，提高涡轮的回收效率。

2、为达上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种燃料电池可变截面涡轮增压最优有效截面确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、s1.燃料电池在一定的电流i*下，提供给燃料电池电堆的过氧比在一个需求范围内变动，即：

5、

6、s2.根据燃料电池电堆的过氧比的范围确定电堆阴极进口空气流量的需求范围，从而确定空压机出口空气流量的范围如下：

7、

8、s3.当空压机出口空气流量取最小值时，有效流通截面积为最优值at*，计算有效流通截面积的最优值at*。

9、进一步的，所述步骤s2具体如下：

10、在一定的电流i*和根据电堆需求设置的过氧比下，电堆阴极进口空气流量由如下公式计算：

11、

12、式中，为空气中的氧气质量分数，取值为0.233；为氧气的摩尔质量；n为燃料电池电堆中单电池的个数，根据实际燃料电池系统的设计参数得到；f为法拉第常数；

13、电堆阴极进口空气流量由空压机提供，因此电堆阴极进口空气流量等于空压机出口空气流量即：

14、

15、将公式(3)和公式(4)代入公式(1)，从而确定空压机出口空气流量的范围。

16、进一步的，所述步骤s3具体如下：

17、s3-1.当空压机出口空气流量取最小值时，计算此时空压机的出口压力p2*；

18、s3-2.当空压机的出口压力为p2*时，计算可变截面涡轮的入口压力p3*；

19、s3-3.计算可变截面涡轮入口流量

20、s3-4.计算有效流通截面积的最优值at*。

21、进一步的，所述步骤s3-1具体如下：

22、当空压机出口空气流量取最小值时，计算此时空压机的出口压力p2*，通过燃料电池空压机的流量特性map图，根据空压机的转速n*和空压机出口空气流量得出空压机的升压比，具体如下：

23、

24、式中，p1为空压机的进口压力，即为大气压，假设大气压为标准大气压patm；

25、根据空压机的升压比求出此时空压机的出口压力p2*。

26、进一步的，所述步骤s3-2具体如下：

27、可变截面涡轮的入口压力p3*由下式计算：

28、p3*＝p2*-δppi*-δpstack*    (6)；

29、式中，δppi*为空压机到电堆阴极入口之间所有管路以及中冷器、增湿器的压降；δpstack*为电堆阴极压降。

30、进一步的，空压机到电堆阴极入口之间所有管路以及中冷器、增湿器的压降δppi*和电堆阴极压降δpstack*用拟合流量的一次线性表达式计算：

31、

32、

33、式中，α1、α2和β1、β2为拟合参数，根据实际燃料电池系统而拟合确定。

34、进一步的，所述步骤s3-3具体如下：

35、根据质量守恒，可变截面涡轮入口流量等于空压机出口空气流量减去电堆消耗的氧流量再加上空气从空压机出口到电堆阴极出口增加的水蒸气流量即由下式计算：

36、

37、进一步的，所述电堆消耗的氧流量由下式计算：

38、

39、为氧气的摩尔质量；n为燃料电池电堆中单电池的个数，根据实际燃料电池系统的设计参数得到；i*为电流；f为法拉第常数。

40、进一步的，所述空气从空压机出口到电堆阴极出口增加的水蒸气流量根据电堆阴极出口湿度比ωst，out*计算，即电堆阴极出口水蒸气流量和空气流量的比值，具体如下：

41、

42、式中，mv为水蒸气的摩尔质量；ma为空气的摩尔质量；φst，out*为电堆出口空气的相对湿度，由设置在电堆出口的湿度传感器测得；tst,out*为电堆出口空气温度，由设置在电堆出口的温度传感器测得；pst,out*为电堆阴极出口总压，即水蒸气和空气总压，假设等于可变截面涡轮的入口压力p3*，即pst,out*＝p3*；psat为水蒸气饱和压，psat是温度的函数，根据温度查表得出。

43、进一步的，所述步骤s3-4计算有效流通截面积的最优值at*，具体如下：

44、

45、式中，p3*为可变截面涡轮的入口压力；p4为可变截面涡轮的出口压力，假设为标准大气压；p4/p3*为可变截面涡轮压比，即可变截面涡轮的出口压力与可变截面涡轮的入口压力比值；γ为废气比热比，取值为1.36；t1*为可变截面涡轮的入口温度，假设可变截面涡轮的入口温度t1*等于电堆出口空气温度tst,out*，即t1*＝tst,out*；pcrit为临界压比，由下式计算：

46、

47、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

48、本发明采用了数学建模，可以根据燃料电池的不同功率工况，快速准确地动态确定可变截面涡轮的涡轮气道的最优有效流通截面积，并根据该最优有效流通截面积调整可变截面涡轮的实际气道流通截面积，提高涡轮的回收效率，使得涡轮增压器的回收功率达到最大，同时满足燃料电池堆的进气需求，降低系统的功耗和成本。其计算方法能够适应不同的工况和需求，提高燃料电池系统的性能和灵活性，适用于不同型号和规格的燃料电池系统和可变截面涡轮增压器，具有较强的通用性和适应性。

49、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。