专利名称：稳态氢气消耗量检测系统及检测方法
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l/202+2H++2e—H20。
用氢气压縮机把氢气压縮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 J2572C2006)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土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。
SAEJ2572(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 甲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士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。利用管路屮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士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。
对于第二种检测方法方案，音速喷嘴的流量控制要依靠上游和下游减压阀稳 定压力，还要用上游减压阀调节压力，这对减压阀的要求很苛刻，并且也没有提 出相应的减压阀技术数据要求，容易造成测量的二次误差。温度压力法中，温度 应变片仅仅是贴在高压气瓶外部，然后通过系列试验及流体数值仿真确定最能代 表瓶内温度的那一表面区域。对于不同材料和结构的气瓶，并没有试验能证明这 个区域的确定是不是都是一样的，证明过程也相当繁琐。压力传感器设置在管路 上，由于管路及瓶阀等部件的压损，也会给压力传感器的测量带来误差。重量法 测量时，与气瓶相连的那一段管路会产生应力，对于高精度电子大平，这样的力 很容易造成附加读数，导致测量不准。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，特别提出一种稳态氢气消耗量检测 系统及检测方法。
本发明的技术方案如下
8一种稳态氢气消耗量检测系统，该系统中在高压气瓶l的瓶阀9连接的主管 路上依次安装有瓶口电磁阀10、卡套式接头11、可拆卸管路旋拧阀12、干路电
磁阀13、干路手动阀14、第一级减压阀15、安全阀16、第二级减压阀17、流量 控制器18和阻火器19。
其中，可拆卸管路旋拧阀12和干路电磁阀B之间的主管路两侧安装有吹扫 用氢气瓶21和吹扫用氮气瓶20的两个支路管路；干路电磁阀13和干路手动阀 14之间的主管路一侧安装有依次连接的单向阀22、加注管路手动阀23和加注接 口 24的一个支路管路。
高压气瓶1的瓶阀9上集成有瓶阀压力传感器6、瓶阀温度传感器8、瓶阀 泄压阀7。
高压气瓶1的尾堵4集成有尾堵压力传感器3、尾堵温度传感器2、尾堵泄 压阀5，其中压力传感器3和温度传感器2的传感器探头伸入瓶内，直接接触气 体进行测量。
所述卡套式接头11从主管路上拆开，可将由高压气瓶l、瓶口电磁阀10和 卡套式接头11组成的称量区100从主管道上独立出来，电磁阀10和可拆卸管路 旋拧阀12分别密封被拆卸开的卡套式接头11左右两段管路。
所述高压气瓶1的瓶阀9和尾堵4的温度传感器精度为0. 5%FS，压力传感器 精度为0. 01%FS，高压气瓶1及第一级减压阀15前的管路承受的最大压力为35 兆帕，管路的最大设计流量为2500NLpmin。
一种稳态氢气消耗量检测方法，该方法包括如下步骤-
步骤一、将装有氢气的高压气瓶1和瓶口电磁阀10组成的称量区100放置 在电子天平上称重，记录此时称量区100的重量；
步骤二、通过卡套式接头9将称量区100的管路与主管路连接，管路中各电
磁阀均为常闭状态；
步骤三、将管路系统通电后，打开瓶口电磁闳10、可拆卸管路旋拧阀12、
9干路电磁阀]3和干路手动阀14后，开启吹扫用氢气瓶21，将第一级减压阀15 后的压力调节至20 25bar，将第二级减压阀17后的压力调节至2 5bar，流量控 制器18的流量值设定为50 100NL/min，吹扫管路30 60秒后，关闭吹扫用氢气 瓶；
步骤四、将流量控制器18的流量值设定为工况值，开启高压气瓶1，放气至 瓶内压力降低1 2MPa后关闭，静置不少于20分钟后，系统断电并旋紧可拆卸 管路旋拧阀12，将称量区IOO从卡套式接头11处拆下，放置在电子天平上称重；
待天平读书稳定后，将精度为M4的砝码从大至小逐个放置在电子天平上， 直至其读数与步骤一中的读数一致，记录下此时的砝码总重量即可得出一组氢气 的消耗量；
将在高压气瓶1的瓶阀9和尾堵4两处测量点实时采集的压力和温度值绘制 成曲线，并分别将放气前后压力和温度的稳定值代入公式
z(A r) 二 1 +1 ^ vy (p讚a)'-1 (77100 K)"" (i)
和細=~^7 — ^7 (2)
得到温度压力法计算的瓶口和瓶尾氢气消耗质量；
式(1)适用于温度范围为200-400开尔文、压力在45兆帕下的氢气。其中，
z——压縮因子
P——氢气压力，兆帕；
T——氢气温度，开尔文；
常数、和 的值如下表所示
z' / v"
2 1 0.036719 —1.232 2 -0.039839 -2.22
3 1 -0.0014722 -2.68
3 2 0. 。024083 -3. 1
4 1 0.65994e-5 -2.7
4 2 -0. 15469e-4 -4. 3
5 1 -0. 13383e-6 _3. 1
6 1 0. 15608e-8 —4. 1 式(2)中，
M——氢气的摩尔质量，0.002016千克/摩尔；
R——气体常数，8.314472焦耳/(摩尔 开尔文)；
V——高压气瓶latm， 15-C时总的水容积体积，立方米；
A——放气前氢气压力，巾白；
p2——放气后氢气压力，巾白；
t;——放气前氢气温度，开尔文；
r2——放气前氢气温度，开尔文；
Am——温度压力法计算的氢气消耗质量，kg。
步骤五、不将称量区IOO装入主管路，将其余管路系统通电，打开吹扫用氮 气瓶20，将第一级减压阀15后的压力调节至20 25bar，将第二级减压阀17后的 压力调节至2 5bar，流量控制器18的流量值设定为30 100NL/min，放气30-60 秒后，关闭吹扫用氮气瓶20，并旋紧干路手动阀13。
当高压气瓶1中氢气不足时，旋紧主管路手动阀14，打开瓶口电磁阀10、 可拆卸管路旋拧阀12和干路电磁阀13，从加注接口 24端可向高压气瓶1中加注 氢气。另外，在测量过程中，可重复所述步骤四的过程，得出多组测量值后，再进 行所述步骤五，对管路进行氮气吹扫。
所述步骤四中放气后压力和温度的稳定值为放气结束后4 7分钟内实时采集
的压力和温度^:的平均值，此平均值可以代表高压气瓶1内的气体达平衡状态时
的压力和温度值。
本发明有益效果为将瓶与管路脱离后称重，设置氢气瓶加氮气瓶吹扫管路
以及温度压力传感器设置于瓶内都可以提高测量的精度，设计加注管路，方便气
体的直接灌注入高压气瓶以及利用称重法和砝码校正作为基准，都便捷了对稳态
氢气消耗量检测方法的研究。
图1为现有氢气消耗量检测方法方案装置； 图2为本发明氢气消耗量检测系统示意其中1为高压气瓶，2为尾堵温度传感器，3为尾堵压力传感器，4为尾堵， 5为尾堵泄压阀，6为瓶阀压力传感器，7为瓶阀泄压阀，8为瓶阀温度传感器， 9为瓶阀，IO为瓶口电磁阀，U为卡套式接头，12为可拆卸管路旋拧阀，13为 干路电磁阀，14为干路手动阀，15为第一级减压阀，16为安全阔，17为第二级 减压阀，18为流量控制器，19为阻火器，20为吹扫用氮气瓶，21为吹扫用氢气 瓶，22为单向阀，23为加注管路手动阀，24为加注接口， 25为音速喷嘴，26 为燃料电池堆，27为电子天平，IOO为称量区。
图3为本发明瓶内压力曲线图4为本发明温度曲线其中虚线为尾堵处的温度传感器测量的实时温度曲线，实线为瓶阀处的温度 传感器测量的实时温度曲线。
具体实施方式
下面通过附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。 实施例1
参照图2， 一种稳态氢气消耗量检测系统，与高压气瓶l的瓶阀9连接的主 管路上依次安装有瓶口电磁阀10、卡套式接头ll、可拆卸管路旋拧阀12、干路
电磁阀13、干路手动阀14、第一级减压阀15、安全阀16、第二级减压阀17、流 量控制器18和阻火器19;可拆卸管路旋拧阀12和干路电磁阀13之间的主管路 两侧安装有吹扫用氢气瓶21和吹扫用氮气瓶20的两个支路管路；干路电磁阀13 和干路手动阀14之间的主管路一侧安装有依次连接的单向阀22、加注管路手动 阀23和加注接口 24的一个支路管路。
高压气瓶1的瓶阀9上集成有瓶阀压力传感器6、瓶阀温度传感器8、瓶阀 泄压阀7;高压气瓶1的尾堵4集成有尾堵压力传感器3、尾堵温度传感器2、尾 堵泄压阀5。
本发明实例中，首先将装有氢气的高压气瓶1和瓶口电磁阀10组成的称量 区100放置在电子天平上称重，并记录此时称量区100的质量。之后将称量区100 连接入氢气消耗量检测系统，包括旋紧卡套式接头11及连接高压气瓶1上的传 感器电气连线。将管路系统通电后，人工打开干路手动阀14和可拆卸管路旋拧 阀12，并打开瓶口电磁阀10和干路电磁阀13后，开启吹扫用氢气瓶21，将第 一级减压阀15后的压力调节至21bar ，将第二级减压阀17后的压力调节至 2.5bar，流量计18的流量值设定为50NL/min，吹扫管路60秒后，关闭吹扫用 氢气瓶。将流量控制器18的流量值设定为工况值，开启高压气瓶l，放气至瓶内 压力降低约lMPa后关闭，等待20分钟，系统断电并旋紧可拆卸管路旋拧阔12， 将称量区100从卡套式接头11处拆下，并放置在电子天平上称重并得到砝码校 正后的氢气消耗质量。
参照图3、图4在高压气瓶1的尾堵4处实时采集的压力和温度值绘制成的
曲线上取放气前的一段水平部分，计算温度和压力的平均值，得到压力为P,帕，温度为^开；再在所述曲线上放气结束段4 7分钟之间的位置，取一水平段计算 温度和压力的平均值，得到压力为ft帕，温度为 ;开，代入式(1):
々,D = 1 +1 i>, (p /旨a)" (77100 K)"') (i)
w户i
计算得到放气前的Zl值和放气后的Z2值。再利用式(2):
代入数据，得到用温度压力法计算的尾堵4处氢气消耗质量。相同的方法可 以得到用温度压力法计算的瓶阀9处氢气消耗质量。
经过上述过程，可以得到一组完整的温度压力法和称重法测量的氢气消耗质 量。以下是多组温度压力法和称重法测量的氢气消耗质量
试验编 号温度压力法 计算质量 瓶口 (克)温度压力法 计算质量 瓶尾(克)砝码校正质 量 (克)以重量法为基 准的温度压力 法误差瓶口 (％)以重量法为基 准的温度压力 法误差瓶尾 (%)
177. 077. 177. 6-0. 77-0. 64
250.048.949. 31. 42-0.81
392. 392. 793.0-0. 75-O. 32
利用瓶尾处测得的温度压力值计算得到的氢气消耗质量的误差小于瓶口处的。
不将称量区100装入主管路，将其余管路系统通电，打开吹扫用氮气瓶20， 将第一级减压阀15后的压力调节至21bar，将第二级减压阔17后的压力调节至 2. 5bar，流量控制器18的流量值设定为30NL/min，放气60秒后，关闭吹扫用氮 气瓶20，并旋紧干路手动阀13。
给气瓶1加注时，首先要旋紧干路手动阀14，打开可拆卸管路旋拧阀12。 与气源连接后，通电，打开瓶口电磁阀10和干路电磁阀13，并打开气瓶l。准
14备就绪后打开加注管路手动阀23，即可进行气体的加注。 实施例2
如图2，在将装有氢气的高压气瓶1和瓶口电磁阀10组成的称量区100连接 入氢气消耗量检测系统前，首先利用电子天平对称量区100进行三次称重，分别 记录下电子天平的三次读数并取平均值，得到放气前称量区100的质量为 31183. 7克。放气结束并等待三十分钟后，断电，将称量区IOO从卡套处拆卸， 并拔脱称量区IOO上的传感器电气连线，再次利用电子天平对其进行称量，电子 天平的示数为31091. 6克，前后的示数之差为92. 1克。不将称量区100从电子 天平上取下，同时往天平托盘上先后放置50克砝码、20克砝码、20克砝码和3 克砝码，此时电子天平读数为31183.7克，与放气前称量区100的质量一致。记 录下此时所用的砝码总质量93.0克。此质量即为砝码校正后称重法得到的氢气 消耗质量，此质量精度好，可信度高，在本发明中作为温度压力法和流量计法精 度比较的基准。
权利要求
1、一种稳态氢气消耗量检测系统，其特征在于在高压气瓶(1)的瓶阀(9)连接的主管路上依次安装有瓶口电磁阀(10)、卡套式接头(11)、可拆卸管路旋拧阀(12)、干路电磁阀(13)、干路手动阀(14)、第一级减压阀(15)、安全阀(16)、第二级减压阀(17)、流量控制器(18)和阻火器(19)；可拆卸管路旋拧阀(12)和干路电磁阀(13)之间的主管路两侧安装有吹扫用氢气瓶(21)和吹扫用氮气瓶(20)的两个支路管路；干路电磁阀(13)和干路手动阀(14)之间的主管路一侧安装有依次连接的单向阀(22)、加注管路手动阀(23)和加注接口(24)的一个支路管路；高压气瓶(1)的瓶阀(9)上集成有瓶阀压力传感器(6)、瓶阀温度传感器(8)、瓶阀泄压阀(7)；高压气瓶(1)的尾堵(4)集成有尾堵压力传感器(3)、尾堵温度传感器(2)、尾堵泄压阀(5)。
2、 根据权利要求1所述的一种稳态氢气消耗量检测系统，其特征在于所 述尾堵(4)上的尾堵压力传感器(3)和尾堵温度传感器(2)的传感器探头伸 入瓶内，直接接触气体进行测量。
3、 根据权利要求1所述的一种稳态氢气消耗量检测系统，其特征在于卡 套式接头(11)从主管路上拆开，可将由高压气瓶(1)、瓶口电磁阀(10)和卡 套式接头(11)组成的称量区(100)从主管道上独立出来，瓶口电磁阀(10) 和可拆卸管路旋拧阀(12)分别密封被拆卸开的卡套式接头(11)左右两段管路。
4、 根据权利要求1所述的一种稳态氢气消耗量检测系统，其特征在于所 述高压气瓶(1)的瓶阀(9)和尾堵(4)的温度传感器精度为0.5%FS，压力传 感器精度为0.019&FS，高压气瓶(1)及第一级减压阀(15)前的管路承受的最大压力为35兆帕，管路的最大设计流量为2500NLpmin。
5、 一种稳态氢气消耗量检测方法，其特征在于包括如下步骤 步骤一、将装有氢气的高压气瓶(1)和瓶口电磁阀(10)组成的称量区(100) 放置在电子天平上称重，记录下此时称量区(100)的重量；步骤二、通过卡套式接头(9)将称量区(100)的管路与主管路连接，管路 中各电磁阀均为常闭状态；步骤三、将管路系统通电后，开始实时采集高压气瓶(1)的瓶阀(9)和尾 堵(4)两处压力传感器和温度传感器的压力和温度值。打开瓶口电磁阀(10)、 可拆卸管路旋拧阀(12)、干路电磁阀(13)和干路手动阀(14)后，开启吹扫 用氢气瓶(21)，将第一级减压阀(15)后的压力调节至20 25bar，将第二级减 压阀(17)后的压力调节至2 5bar，流量控制器(18)的流量值设定为 50~100NL/min，吹扫管路30 60秒后，关闭吹扫用氢气瓶；步骤四、将流量控制器(18)的流量值设定为工况值，开启高压气瓶(1), 放气至瓶内压力降低1 2MPa后关闭，静置不少于20分钟后，系统断电并旋紧 可拆卸管路旋拧阀(12)，将称量区(100)从卡套式接头(11)处拆下，放置在 电子天平上称重；待天平读书稳定后，将M4等级的砝码从大至小逐个放置在电子天平上，直 至其读数与步骤一中的读数一致，记录下此时的砝码总重量，即可得出一组氢气 的消耗量；将在高压气瓶(1)的瓶阀(9)和尾堵(4)两处测量点实时采集的压力和 温度值绘制成曲线，并分别将放气前后压力和温度的稳定值代入公式z(p, r): 1 + f t, & / impw1 (r /訓k)"" (i ),.=2 _/=1, Mp7F 雄'K 和A/^-^-^ (2)得到温度压力法计算的瓶口和瓶尾氢气消耗质量；其中式(1)适用于温度范围为200-400开尔文、压力在45兆帕下的氢气;z——压縮因子；P——氢气压力，兆帕；T——氢气温度，开尔文；常数、和 的值如下表所示_/v 210. 036719-1. 2322-0. 039839-2.2231-0. 0014722-2. 68320. 0024083-3. 1410. 65994e-5-2. 742-0. 15469e-4_4. 351-0. 13383e-6_3. 1610. 15608e-8_4. 1式(2)中，M——氢气的摩尔质量，0.002016千克/摩尔；R——气体常数，8.314472焦耳/(摩尔 开尔文)；V——高压气瓶latm， 15。C时总的水容积体积，立方米;A——放气前氢气压力，巾fi; A——放气后氢气压力，巾白； K——放气前氢气温度，开尔文； r2——放气前氢气温度，开尔文；Aw——温度压力法计算的氢气消耗质量，千克；步骤五、不将称量区(100)装入主管路，将管路系统通电，打开吹扫用氮 气瓶(20)，将第一级减压阀(15)后的压力调节至20 25bar，将第二级减压阀 (17)后的压力调节至2 5bar，流量控制器(18)的流量值设定为30~100NL/min， 放气30 60秒后，关闭吹扫用氮气瓶(20)，并旋紧干路手动阀.(13)。
6、 根据权利要求5所述的一种稳态氢气消耗量检测方法，其特征在于在 测量过程中，可重复所述步骤四的过程，得出多组测量值后，再进行所述步骤五， 对管路进行氮气吹扫。
7、 根据权利要求5所述的一种稳态氢气消耗量检测方法，其特征在于所 述步骤四中放气后压力和温度的稳定值为放气结束后4 7分钟内实时采集的压力和温度值的平均值。
8、 根据权利要求5所述的一种稳态氢气消耗量检测方法，其特征在于当 高压气瓶(1)中氢气不足时，旋紧主管路手动阀(14)，打开瓶口电磁阀(10)、 可^^斥卸管路旋拧阀(12)和干路电磁阀(13)，从加注接口 (24)端可向高压气 瓶(1)中加注氢气。
全文摘要
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。所述系统在高压气瓶的瓶阀连接的主管路上依次安装有瓶口电磁阀、卡套式接头、可拆卸管路旋拧阀、干路电磁阀、干路手动阀、第一级减压阀、安全阀、第二级减压阀、流量控制器和阻火器。该方法经过测量气瓶放气前后的重量及气瓶尾堵和瓶阀处的温度、压力值可得出三组氢气消耗量值。本发明设置氢气瓶加氮气瓶吹扫管路以及温度压力传感器设置于瓶内都可以提高测量的精度，设计加注管路，方便气体的直接灌注入高压气瓶以及利用称重法和砝码校正作为基准，都便捷了对稳态氢气消耗量检测方法的研究。
文档编号G01G17/04GK101470020SQ200710304098
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月25日 优先权日2007年12月25日
发明者刘文斌, 卢青春, 彭媛媛, 白东方, 聂圣芳, 金振华 申请人:清华大学