[发明专利]稳态氢气消耗量检测系统及检测方法

说明书

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，特别涉及一种稳态氢气消耗量检测系统及检测方法。

背景技术

城市燃料电池客车普遍使用的动力源是质子交换膜燃料电池，燃料源是氢气。质子交换膜燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。氢气经扩散层进入燃料电池的阳极，过滤后的空气经扩散层进入阴极。经阳极催化剂的作用，使得氢原子分解成两个氢质子(proton)与两个电子(electron)，阳极反应为：H2→2H++2e，其中质子被氧“吸引”到磺酸型质子交换膜的另一边，电子则经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂的作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子，因此水可说是燃料电池唯一的排放物，阴极反应为：1/2O2+2H++2e→H2O。

用氢气压缩机把氢气压缩灌入到车上携带的压力容器组中，是目前最简单和最常用的车载纯氢储存方法。世界已有的燃料电池大客车示范项目中，采用这种车载储氢方法的就占了大多数。耐高压的储氢压力容器及材料是这种方法的关键。对于最高可达35兆帕的高压氢气，多采用铝内胆，外层用碳纤维完全缠绕的气瓶储存。

反应气体输入速度、压力、湿度、温度等外部参数对电池性能均有影响，所以从气瓶到燃料电池的氢气输送过程，不仅要使高压氢气减压至燃料电池进口最佳压力范围(一般燃料电池氢气运行相对压力范围在0.1至0.5Mpa之间)，还要对氢气的湿度，温度和流量依据不同工况进行控制。对于250Kw的燃料电池的全功率输出，需要的氢气流量接近2个标准立方米/分，输出100Kw时，大约需要1个标准立方米/分的氢气流量，怠速时维持燃料电池所需的最小流量约为0.08个标准立方米/分。

国际上车辆油耗普遍采用实验室内工况法油耗来表示，它是根据工况法排放试验结果，采用碳平衡法计算而来的。其与油耗仪得到的消耗量数值误差在2％左右，而油耗试验方法中一般都规定油耗仪测量精度为±2％。这是针对传统汽油机和柴油机而言。而由于氢气在输送过程中要经过加湿，电极反应时的泄漏，生成物水的自然蒸发等因素均导致不能用元素守恒的方法来计算燃料消耗量。SAE J2572(2006)中明确规定了底盘测功机上所做的试验在一个测试循环中测量消耗的氢气质量的总精度达到±1.0％RD。目前燃料电池车上多用流量计和管路上安装的温度压力传感器进行氢气消耗量的计算。对于流量计测量，由于氢气流量变化范围大，流动过程中的温度变化范围也较大，使得不同种类流量计测量的精度也不一样。对于使用温度压力传感器测量，由于管路上的温度压力并不能代表瓶内的初末平衡状态时的温度压力，状态方程的选取计算以及没有一个统一的操作规程，使得这种方法存在误差。

SAE J2572(2006)中明确规定了三种氢气消耗量的检测方法：(1)以燃料罐的体积，内部气体的压力和温度为基础的净质量变化，简称温度压力法；(2)以天平称量气瓶前后重量为基础的净质量变化，简称称重法；(3)以质量流量计为基础累积积分质量，简称流量计法。前两种方法是根据高压储氢容器的压力和温度，或者质量在试验前后的状态变化来计算出燃料消耗量的，只能进行底盘测功机或道路试验时稳态燃料消耗量的测量。瞬态测量只能依赖最后流量计的方法。在此基础上进行的系列研究表明三种方法在满足一定条件的前提下均能够使氢气消耗量的测量精度满足±1.0％RD的要求。现有的检测方法方案有两种，一种是在标准法规中规定的工况试验下直接将三种方案之间相互对比，一种是设置能够产生读数精度在±1％的流量音速喷嘴作为评价基准，以此基准来进行三种方法的精度对比。图1为后一种方案进行的重量法、温度压力法和重量法的检测装置原理图。此方案的关键是调节音速喷嘴上游和下游压力比在2∶1以上，喉部气体流速达到音速状态。此时通过控制上游压力可以任意控制流量。利用气瓶表面贴上的温度应变片及高压气瓶出口处的压力传感器得到温度压力法的数据。气瓶与软管连接直接放置在具有防振架和防风装置的电子天平上，在试验前后称重可以得到重量法的数据。利用管路中安装的流量计可以得到流量计法的数据。最后根据音速喷嘴得到的标准流量可以计算出各方法以此标准流量为基准的精度，称重法和温度压力法的数据精度在±1.0％RD内，但是不论科氏质量流量计还是热式质量流量计，都不能准确，响应快速并且大范围的测量流量。

现有氢气消耗量检测方法方案有以下技术缺陷：

对于第一种检测方法方案，将三种方法之间相互对比，并没有一个基准，这样的相对精度是没有说服力的。