燃料電池電動汽車氫氣消耗量測量方法研究

蘭昊 郝冬 王曉兵

摘 ?要：本文針對燃料電池電動汽車中氫氣消耗量，分析了質(zhì)量法、壓力溫度法以及流量法的優(yōu)缺點，并給出了具體的測試方案以及測試數(shù)據(jù)，研究了三種方法的可行性與等效性，質(zhì)量法、壓力溫度法以及流量法都可以完成燃料電池電動汽車的氫氣消耗量測試。質(zhì)量法造價昂貴，但是精度較高;壓力溫度法測量成本低，但是無法測量氣瓶內(nèi)部溫度;流量法測量簡單高效，但是低流量時精度偏低。壓力溫度法和流量法在目前的條件下有2.5%左右的誤差。

關(guān)鍵詞：氫氣消耗量;質(zhì)量法;壓力溫度法;流量法

中圖分類號：U463 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2021）03-0014-06

The Equivalent Study of Mass Method， P/T Method and Flow Method In Hydrogen Consumption Measurement

LAN Hao， HAO Dong， WANG Xiao-bing

（China Automotive Technology Research Center Co.， Ltd.， Tianjin 300300， China）

Abstract： In this paper， the advantages and disadvantages of the mass method， pressure temperature method and flow method are analyzed in the measurement of hydrogen consumption in fuel cell electric vehicles， and the specific test scheme and test data are given， and the feasibility and equivalent of the three methods are studied. Quality， pressure temperature and flow methods all complete hydrogen consumption tests for fuel cell electric vehicles. The mass method is expensive， but the accuracy is high， the P/T method is cheap， but the internal temperature of the cylinder cannot be measured directly. The flow method is simple and efficient， but the accuracy is low at low flow rate. The P/T method and flow method have an error of about 2.5% under the current conditions.

蘭 ? 昊

碩士研究生，現(xiàn)就職于中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，任工程師，從事燃料電池電動汽車標準化研究工作。

前 ? ?言

近年來，燃料電池電動汽車產(chǎn)業(yè)以及技術(shù)快速發(fā)展，與此同時，對于燃料電池電動汽車的評價技術(shù)也提出了更高的要求。氫氣消耗量是評價燃料電池電動汽車能耗的重要指標，2017年，國家標準化管理委員會發(fā)布了GB/T 35178-2017《燃料電池電動汽車 氫氣消耗量 測量方法》[1]，其中規(guī)定了氫氣消耗量的三種方法，分別為質(zhì)量法、壓力溫度法以及流量法，對于規(guī)范燃料電池電動汽車的氫氣消耗量有著重要的指導作用，但是該標準中并沒有給出具體的測量方案以及三種測試方法的等效性分析;ISO 23828：2013《燃料電池電動汽車能量消耗量測量方法》[2]給出了四種測量方法，包括質(zhì)量法、壓力溫度法、流量法以及電流法，由于電流法假設了燃料電池堆的氫氣利用率為100%，應用場景有限，因此通常采用其它三種測量方法，同樣ISO標準中沒有給出這四種測量方法的具體測試方案以及等效性。

本文研究了現(xiàn)有氫氣消耗量的測量方法，分析了質(zhì)量法、壓力溫度法以及流量法的優(yōu)缺點，并給出了具體的測試方案以及測試數(shù)據(jù)，研究了三種方法的可行性與等效性。

1 ? ?現(xiàn)有測量方法分析

1.1 ? 質(zhì)量法

1.1.1 原理及測試方案

質(zhì)量法的測量原理簡單直接，如公式（1）所示，采用試驗前后測量的儲氫瓶質(zhì)量差即可計算出氫氣消耗量;

w=g1-g2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中：

w為試驗工況循環(huán)期間氫氣消耗量（g）;g1為試驗開始時測量的儲氫瓶質(zhì)量（g）;g2為試驗結(jié)束時測量的儲氫瓶質(zhì)量（g）。

質(zhì)量法的測試示意圖如圖1所示，測量過程中需要采用外接氣瓶的方式進行測量，對于允許從加氫口接入電堆，并且可以關(guān)閉儲氫氣瓶出入口的車輛，可以采用車輛的加氫口作為管路與車輛的接口，某些類型車輛，打開加氫蓋之后會切斷燃料電池系統(tǒng)動力輸出，這種情況下，可以通過刷新整車程序修正。對于無法實現(xiàn)直接從加氫口提供動力源，或者無法實現(xiàn)關(guān)閉儲氫氣瓶出入口的車輛，需要采用改裝的方式接入燃料電池電堆氫氣入口端。

1.1.2 優(yōu)缺點分析

質(zhì)量法的優(yōu)點是考慮了所有的氫氣消耗包括氫氣泄漏、滲透、吹掃、排氣，同時測量結(jié)果不需要進一步修正，在測試精度足夠高的情況下，質(zhì)量法可以作為壓力溫度法和流量法的評價基準。

質(zhì)量法的缺點是需要采用外接氣瓶的方式進行測量，每次測量都需要斷開管路，并且對測試環(huán)境要求也較為苛刻，如圖2所示，在質(zhì)量法測量的過程中，質(zhì)量秤需要配備風擋以及防振動底座，同時操作中應該注意對于氣瓶表面保護漆的保護，由于氫氣分子量較小，試驗過程中的剮蹭可能對試驗結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

1.2 ? 壓力溫度法

1.2.1 原理及測試方案

試驗前后，分別測量氣瓶氣體的壓力和溫度，代入公式（2），計算出氫氣消耗量：

其中：

w為試驗工況循環(huán)期間氫氣消耗量（g）;m為氫元素分子的摩爾質(zhì)量（2.016）;v為儲氫瓶的水容積和管路容積（L）;R為儲氫瓶中氣體的常量0.0083145 （MPaL/mol K）;P1，T1為試驗前儲氫瓶內(nèi)氣體的壓力（MPa）和罐體溫度（K）;P2，T2為試驗后儲氫瓶內(nèi)氣體的壓力（MPa）和罐體溫度（K）;Z1為在P1，T1條件下的氫氣壓縮因子;Z2為在P2，T2條件下的氫氣壓縮因子。

對于一組確定的溫度T和壓力P，利用公式（3）可以求出一個對應的壓縮因子Z。

其中：p為壓力（MPa）;T為溫度（K）;vij為常數(shù)，見表1。

其測量示意圖如圖3所示，同樣需要采用外接氣瓶的方式進行測量。

在實際測量過程中，無法測量到氣瓶內(nèi)部溫度，因此需要采用外部溫度傳感器，這對于溫度傳感器的測量點也提出了要求，氣瓶不同位置的外部溫度與內(nèi)部溫度的一致性存在較大差異，因此需要與標準流量表對比從而進行測量點選擇。

在天然氣計費等計量領(lǐng)域，通常會采用音速噴嘴氣體流量計作為標準表，其具有性能穩(wěn)定、重復性好、精度高等優(yōu)點[4]。

音速噴嘴結(jié)構(gòu)如圖 4所示，P0為音速噴嘴的上游入口壓力，P1為音速噴嘴的下游出口壓力，比值P1/P0為背壓比[5]。

背壓比大于臨界壓力比的時候，通過噴嘴喉部的氣體流速隨背壓比的減小而增加，當背壓比等于臨界壓力比的時候，會達到最大流速——音速，此時即使進一步減小P1，流速也將保持不變，這是由于這樣的定速特性，所以音速噴嘴可以用來高精度測量氣體流量，基于此，提出以下測量方案，在流量計之后安裝壓力控制器以及音速噴嘴，后接真空泵，保證音速噴嘴可以達到臨界狀態(tài)，在該試驗中，設定氫氣的流量為0.5L/s。

氣瓶表面需要安裝外部溫度傳感器，布置如圖6所示，試驗過程中，采用公式4采集并測量

的數(shù)值。

w1為試驗工況循環(huán)期間氫氣消耗量（g）;m為氫元素分子的摩爾質(zhì)量（2.016）;v為儲氫瓶的水容積和管路容積（L），47L;R為儲氫瓶中氣體的常量0.0083145 （MPaL/mol K）;P0，T0為試驗前儲氫瓶內(nèi)氣體的壓力（MPa）和罐體溫度（K）;Pt，Tt試驗后某一時刻下儲氫瓶內(nèi)氣體的壓力（MPa）和罐體溫度（K）;Z0為在P0，T0條件下的氫氣壓縮因子;Zt為在Pt，Tt條件下的氫氣壓縮因子。

w2為氫氣消耗量（g）;m為氫分子摩爾量（2.016）;Qb為氣體體積流量（L/s），0.5L/s。

當 ? ?為0時，此時氣瓶內(nèi)外的溫度一致，測量結(jié)果如圖6所示，針對該款氣瓶，T5和T6測量點5分鐘之后即可達到內(nèi)外溫度相同，其他測量點需要60min左右。

1.2.2 優(yōu)缺點分析

壓力溫度法的優(yōu)點是綜合考慮了所有的氫氣消耗，包括氫氣泄漏、滲透、吹掃、排氣，同時環(huán)境適應性影響強，測量設備成本較低，其缺點在于實際的測量過程中，難以測量氣瓶內(nèi)部的溫度，需要采用氣瓶表面溫度進行替代，而氣瓶表面溫度傳感器的布置點選擇的過程相對復雜。

1.3 ? 流量法

1.3.1 原理及測量方案

流量計種類眾多，常見的流量計根據(jù)工作原理不同，可以熱式流量計、容積式流量計、科式流量計、超聲流量計等，來自日本汽車研究所JARI的研究表明，以上種類的流量計在低流量的時候，都存在較大誤差。

如圖7所示，熱式流量計的低流量偏差較大，這是由于熱式流量計采用了溫差的計算原理導致的，同時其偏差為單偏差，會導致流量積分過程中誤差進一步加大。超聲流量計更適合測量液體流量，普通的超聲流量計無法完成氣體流量測量，如圖8所示。容積式流量計具有測量精度高的優(yōu)點，但是其結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大，同時使用壓力通常為0～0.5MPa，使用范圍受限。科式流量計一方面適用壓力范圍較大，可以滿足10MPa以內(nèi)的高精度測量，同時其低流量時的誤差具有對稱性，有利于積分計算時減少誤差，并且其設備體積相對較小。

試驗的過程中，采用科式流量計，如果采用了體積流量計，則代入公式（7），計算試驗中氫氣的消耗量（氫氣體積）：

其中：

w為氫氣消耗量（g）;m為氫分子摩爾量（2.016）;Qb為氣體體積流量（L/s）。

如果使用質(zhì)量流量計，則代入公式（8），計算氫氣消耗量（氫氣質(zhì)量）：

其中：

w為氫氣消耗量（g）;Qm為氣體質(zhì)量流量（g/s）。

其測量示意圖如圖 8所示，與質(zhì)量法和壓力溫度法不同，如果試驗室規(guī)劃了氫氣專用管路，流量分析法可以直接采用外接氣源的方式進行測量。

1.3.2 優(yōu)缺點分析

流量法的優(yōu)點是綜合考慮了所有的氫氣消耗，包括氫氣泄漏、滲透、吹掃、排氣，并且可以在線實時測量，其缺點在于氫氣的質(zhì)量流量在低流量的時候誤差較大，需要找到適合燃料電池電動汽車的氫氣流量計。

2 ? ?質(zhì)量法與壓力溫度法對比

2.1 ? 設備參數(shù)

如1.2所述，壓力溫度法最終采用了計算值作為結(jié)果，為了準確評估壓力溫度法的準確度，需要高精度質(zhì)量秤做標準，其參數(shù)如表2所示：

2.1 ? 測量結(jié)果

2.1.1 質(zhì)量法

為了進一步提高測量準確度，質(zhì)量法在工況循環(huán)之前和工況循環(huán)之后，分別進行五次測量，如表3、表4所示，計算結(jié)果應排除最大值和最小值，然后計算剩余三組數(shù)據(jù)的平均值，作為最終測量值。

計算結(jié)果應排除最大值和最小值，然后計算剩余三組數(shù)據(jù)的平均值，作為最終測量值56760.64g。

計算結(jié)果應排除最大值和最小值，然后計算剩余三組數(shù)據(jù)的平均值，作為最終測量值56651.08g。

根據(jù)公式（1）計算氫氣消耗量為109.56g。

2.1.2 壓力溫度法

試驗前后測量的壓力和溫度數(shù)值如表5、表6所示，其中壓縮因子Z是根據(jù)公式（3）計算所得。

壓縮因子反映了同樣條件下真實的氣體摩爾體積與理想氣體摩爾體積的比值，它的大小反映出真實氣體偏離理想氣體的程度。

2.1.3 結(jié)果比較

在通常的壓力溫度法計算中不考慮氣體的壓縮因子，但是對于氫氣介質(zhì)而言，如果不考慮壓縮因子，會導致較大的偏差，如表7所示，不考慮壓縮因子的影響，誤差為19.19%;考慮壓縮因子后，誤差為2.7%。

3 ? ?質(zhì)量法與流量法對比

3.1 ? 設備參數(shù)

與壓力溫度法最終采用的是計算值不同，流量法為測量值，因此可以采用一般精度的質(zhì)量秤進行測量，也可評估流量法的準確性。

3.2 ? 測量結(jié)果

3.1.1 質(zhì)量法

為了進一步提高測量準確度，質(zhì)量法在工況循環(huán)之前和工況循環(huán)之后，分別進行五次測量，最后計算結(jié)果應排除最大值和最小值，然后計算剩余三組數(shù)據(jù)的平均值，作為最終測量值，圖5為測量現(xiàn)場圖。

計算結(jié)果應排除最大值和最小值，然后計算剩余三組數(shù)據(jù)的平均值，作為最終測量值7771.4g。

計算結(jié)果應排除最大值和最小值，然后計算剩余三組數(shù)據(jù)的平均值，作為最終測量值7733.0g。

根據(jù)公式（1）計算氫氣消耗量為38.4g。

3.1.2 流量法

質(zhì)量流量計可以實時記錄氫氣流量，根據(jù)公式（5）進行積分計算后其質(zhì)量為37.47g，如圖6所示：

3.1.3 ?結(jié)果比較

采用質(zhì)量流量計的測量值37.47g，與質(zhì)量法的測量值38.4g相比，誤差為2.42%。

4 ? ?結(jié)論

本文針對燃料電池電動汽車中氫氣消耗量常用的質(zhì)量法、壓力溫度法、流量法進行了分析對比，提出了三種測量方法的試驗方案，驗證了三種方法的可行性，總結(jié)全文，可以得出以下結(jié)論：1）質(zhì)量法、壓力溫度法以及流量法可以完成燃料電池電動汽車的氫氣消耗量測試。2）質(zhì)量法、壓力溫度法以及流量法各有優(yōu)缺點，質(zhì)量法造價昂貴，但是精度較高;壓力溫度法測量成本低，但是無法測量氣瓶內(nèi)部溫度;流量法測量簡單高效，但是低流量時精度偏低。3）壓力溫度法和流量法在目前的條件下有2.5%左右的誤差。

參考文獻：

[1]GB/T 35178-2017《燃料電池電動汽車 氫氣消耗量 測量方法》.

[2]ISO 23828：2013 Fuel Cell Road Vehicle-Energy Consumption Measurement Vehicles fueled with compressed hydrogen.

[3]日本汽車研究所. http：//www.jari.or.jp.

[4]黃敏，任佳，陳密.成都分站音速噴嘴標準裝置能力提升及驗證[J].工業(yè)計量，2020，30（05）：59-62.

[5]王煥玲，雷陽.負壓法音速噴嘴氣體流量標準裝置的設計[J].計量與測試技術(shù)，2017，第44卷（3）： 92-93.