氫燃料電池測試常用氣體流量計綜述

顏娟娟，崔旭升，劉枝紅，荊 琪，張治涵

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

近年來，隨著2030年前“碳中和”、2060年前“碳達峰”目標的提出，氫能源日益發展壯大，氫燃料電池以綠色環保性越來越廣泛地應用在道路車輛和發電機組，也成為了各大科研院校和企業研究的熱點。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，也為自主開發氫燃料電池測試臺提供技術支持。

1 氣體流量計發展歷史

氣體流量計的發展歷史已有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范和高精度。

高精度的氣體流量計廠家主要集中在歐美發達國家，在流量監測管結構、測量精度靈敏度、穩定性和抗疲勞、抗干擾性能方面做了一系列設計創新。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流體，當被測流體流經節流體時，流體會因突然變徑形成局部收縮，流速變大，依據能量守恒定律，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

假設為流量計上端管路的內直徑，為該段管路橫截面積，為該處單位面積的流體體積，ρ為該處流體密度，為流量計管路內節流體間的內直徑，為該處的橫截面積，ρ為該處的流體密度，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：——氣體質量流量；——氣體流出系數；ε——氣體膨脹系數；β——直徑比，即/；Δ——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流體，該節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，壓差傳感器采集節流體內部的2個導壓管的壓強差，通過公式（1）計算出流經的氣體質量流量。背靠管式差壓流量計的這種背向節流體結構，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；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，形成恒溫差Δ。但氣體流過RTD2時會帶走熱量，為保持Δ恒定，需要繼續加熱，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：、——測速探頭RTD2電流和電阻；α——對流換熱系數；——測速探頭RTD2表面積。

進一步依據Hilbert對流換熱經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：——氣體質量流量；——測量管道截面積；——測速探頭RTD2直徑；、取值由實驗數據擬合得到；μ——氣體動力粘度；λ——氣體導熱系數；——氣體定壓比熱容。

公式（3）比較復雜，需要的經驗數據一般由流量計廠家根據大量測試經驗所得，很多科研院校也會據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、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為質量流量、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

質點以勻速在旋轉角速度ω的管道內運動時，根據物體運動的慣性原理，得出公式（4）。

式中：α——向心加速度；ω——旋轉角速度；α——切向加速度，方向與α垂直。

根據牛頓第二定律，向心方向作用有科里奧利力=2ω，當密度為ρ的氣體在旋轉管道中以恒定速度運動時，長度為Δ的管路內受到切向的科里奧利力Δ，如公式（5）所示。

式中：——氣體質量流量；——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 各流量計優缺點分析

3種氫燃料電池測試常用氣體流量計優缺點分析如表1所示，為產品研發和測試臺開發做選型參考。

3 結論

氣體流量計發展歷史悠久，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，為產品開發和測試臺設計提供技術指南。