【摘要】近年來，氫燃料電池以綠色環(huán)保、續(xù)駛里程長的優(yōu)勢越來越廣泛地應用在道路車輛和發(fā)電機組，也成為了各大科研院校和企業(yè)研究發(fā)展的熱點。論文以氫燃料電池測試為應用領域，以氣體流量計的發(fā)展歷史開篇，分類講述氫燃料電池測試中常用的差壓式氣體流量計、熱式氣體流量計、科式氣體流量計的工作原理、應用場景和優(yōu)劣對比，最后進行統(tǒng)一總結。本篇可為初步進入氫燃料電池測試領域的測試工程師和試驗技師提供一定的知識儲備和選型方法。
近年來，隨著2030年前“碳中和”、2060年前“碳達峰”目標的提出，氫能源日益發(fā)展壯大，氫燃料電池以綠色環(huán)保性越來越廣泛地應用在道路車輛和發(fā)電機組，也成為了各大科研院校和企業(yè)研究的熱點。本文闡述氫燃料電池測試中常用的幾種流量計，將各種流量計原理和優(yōu)劣勢做對比分析，為初步進入氫燃料電池測試領域的試驗人員提供一定的知識儲備，也為自主開發(fā)氫燃料電池測試臺提供技術支持。
1、氣體流量計發(fā)展歷史
氣體流量計的發(fā)展歷史已有400余年，最早由托里拆利提出了類差壓式流量計的理論，之后又發(fā)展出容積式流量計、膜片式流量計、熱式流量計、科式流量計、超聲波流量計等諸多根據(jù)不同應用場景的各種流量計，使氣體流量的精準測量逐步走向規(guī)范和高精度。
高精度的氣體流量計廠家主要集中在歐美發(fā)達國家，在流量監(jiān)測管結構、測量精度靈敏度、穩(wěn)定性和抗疲勞、抗干擾性能方面做了一系列設計創(chuàng)新。目前氫燃料電池氣體流量計精度最高可達到0.1%F.S，極大提升了電化學反應的精準度，為研發(fā)應用提供了較好的硬件支撐。
2、常用氣體流量計分類和原理
氫燃料電池實際測試中，氣體的流量經(jīng)常受工作壓力、溫度、粘度等影響，為精確計量，需要測量氣體質量流量。目前氫燃料電池測試常用可直接測出質量流量的流量計，按使用場景和工作原理多為差壓式流量計、熱式流量計和科式流量計。
2.1、差壓式氣體流量計
差壓式流量計是一種歷史悠久且精確度很高、至今廣泛應用的流量計，通過流經(jīng)通道內流體的壓降來確定流量。差壓式流量計本體為突然變徑的節(jié)流體，當被測流體流經(jīng)節(jié)流體時，流體會因突然變徑形成局部收縮，流速變大，依據(jù)能量守恒定律，動能增大，靜壓力會減小，通過的流體流量越大，兩側壓差也越大，該壓差與流體流量的平方成正比。差壓式流量計的工作原理如圖1所示。
圖1 差壓式流量計測量原理圖
假設d1為流量計上端管路的內直徑，A1為該段管路橫截面積，V1為該處單位面積的流體體積，ρ1為該處流體密度，d2為流量計管路內節(jié)流體間的內直徑，A2為該處的橫截面積，ρ2為該處的流體密度，V2為該處單位面積的流體體積，由伯努利方程和能量守恒定律推導得知氣體質量流量測量公式，如公式（1）所示。
式中：q m——氣體質量流量；C——氣體流出系數(shù)；ε——氣體膨脹系數(shù)；β——直徑比，即d2/d1；ΔP——兩端壓差。
以背靠管式差壓氣體流量計為例，這是一種新型流量計，主要解決低流速下的氣體流量測量精度低的問題。結構是在管道上插入節(jié)流體，該節(jié)流體的迎風取壓孔正對氣流方向，背風取壓孔背向氣流方向。在氣體的流動作用力下，氣流會在迎風取壓孔和背風取壓孔處分別產生正向和負向的壓強，壓差傳感器采集節(jié)流體內部的2個導壓管的壓強差，通過公式（1）計算出流經(jīng)的氣體質量流量。背靠管式差壓流量計的這種背向節(jié)流體結構，使低流速氣體也能產生較大的壓差，因此適合測量低流速氣體，測量精度相對較高。
2.2、熱式流量計
熱擴散式流量計是一種高精度、高可靠性且應用廣泛的流量計。典型傳感元件為2個RTD熱電阻：RTD1為溫度傳感器，測量氣體溫度T1；RTD2為速度傳感器，在氣體原本溫度的基礎上進一步加熱至溫度T2，形成恒溫差ΔT。但氣體流過RTD2時會帶走熱量，為保持ΔT恒定，需要繼續(xù)加熱，氣體流速越大，擴散的熱量越多，因此，加熱的電功率與氣體流量成正比。熱式流量計的工作原理如圖2所示。
圖2 熱式流量計測量原理圖
根據(jù)牛頓冷卻定律得知，RTD2的加熱電功近似等于氣體帶走的熱功，如公式（2）所示。
式中：I、R2——測速探頭RTD2電流和電阻；α——對流換熱系數(shù)；A——測速探頭RTD2表面積。
進一步依據(jù)Hilbert對流換熱經(jīng)驗公式最終推導得知氣體質量流量測量公式，如公式（3）所示。
式中：q m——氣體質量流量；S——測量管道截面積；d——測速探頭RTD2直徑；C、n取值由實驗數(shù)據(jù)擬合得到；μ——氣體動力粘度；λ——氣體導熱系數(shù)；C p——氣體定壓比熱容。
公式（3）比較復雜，需要的經(jīng)驗數(shù)據(jù)一般由流量計廠家根據(jù)大量測試經(jīng)驗所得，很多科研院校也會據(jù)此建模仿真做深入研究。
2.3、科式流量計
科氏流量計是流體通過振動管時，產生科里奧利力，研究與實踐證明，該力與質量流量成正比，據(jù)此測出流體的質量流量，因此，該流量的測量原理幾乎不受氣體粘度、狀態(tài)、溫度等外界條件影響。科氏流量計一般由傳感器和變送器組成，傳感器主要包括激振器和拾振器，檢測扭矩振動力，變送器則將傳感器信號轉變?yōu)橘|量流量、密度溫度等標準信號輸出。科氏流量計原理如圖3所示。
圖3 科氏流量計測量原理圖
質點m以勻速v在旋轉角速度ω的管道內運動時，根據(jù)物體運動的慣性原理，得出公式（4）。
式中：αr——向心加速度；ω——旋轉角速度；αγ——切向加速度，方向與αr垂直。
根據(jù)牛頓第二定律，向心方向作用有科里奧利力F=2ωvm，當密度為ρ的氣體在旋轉管道中以恒定速度v運動時，長度為Δx的管路內受到切向的科里奧利力ΔF，如公式（5）所示。
式中：q m——氣體質量流量；A——管道橫截面積。
以上為科式流量計的計算原理，但在實際應用中，是以管道振動力代替旋轉慣性力。科式流量計以其高精度、寬量程、低壓損和長壽命等優(yōu)點，被廣泛應用在各領域，也是氫燃料電池測量首選的流量計。
2.4 、各流量計優(yōu)缺點分析
3種氫燃料電池測試常用氣體流量計優(yōu)缺點分析如表1所示，為產品研發(fā)和測試臺開發(fā)做選型參考。
3、 結論
氣體流量計發(fā)展歷史悠久，國外技術較為先進，氫燃料電池測試常用差壓式氣體流量計、熱式氣體流量計和科式氣體流量計，通過對3種流量計的工作原理和優(yōu)劣分析，可以較為清晰地了解各流量計不同的應用場景，為產品開發(fā)和測試臺設計提供技術指南。
