氢燃料电池测试常用气体流量计综述

颜娟娟，崔旭升，刘枝红，荆 琪，张治涵

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

近年来，随着2030年前“碳中和”、2060年前“碳达峰”目标的提出，氢能源日益发展壮大，氢燃料电池以绿色环保性越来越广泛地应用在道路车辆和发电机组，也成为了各大科研院校和企业研究的热点。本文阐述氢燃料电池测试中常用的几种流量计，将各种流量计原理和优劣势做对比分析，为初步进入氢燃料电池测试领域的试验人员提供一定的知识储备，也为自主开发氢燃料电池测试台提供技术支持。

1 气体流量计发展历史

气体流量计的发展历史已有400余年，最早由托里拆利提出了类差压式流量计的理论，之后又发展出容积式流量计、膜片式流量计、热式流量计、科式流量计、超声波流量计等诸多根据不同应用场景的各种流量计，使气体流量的精准测量逐步走向规范和高精度。

高精度的气体流量计厂家主要集中在欧美发达国家，在流量监测管结构、测量精度灵敏度、稳定性和抗疲劳、抗干扰性能方面做了一系列设计创新。目前氢燃料电池气体流量计精度最高可达到0.1%F.S，极大提升了电化学反应的精准度，为研发应用提供了较好的硬件支撑。

2 常用气体流量计分类和原理

氢燃料电池实际测试中，气体的流量经常受工作压力、温度、粘度等影响，为精确计量，需要测量气体质量流量。目前氢燃料电池测试常用可直接测出质量流量的流量计，按使用场景和工作原理多为差压式流量计、热式流量计和科式流量计。

2.1 差压式气体流量计

差压式流量计是一种历史悠久且精确度很高、至今广泛应用的流量计，通过流经通道内流体的压降来确定流量。差压式流量计本体为突然变径的节流体，当被测流体流经节流体时，流体会因突然变径形成局部收缩，流速变大，依据能量守恒定律，动能增大，静压力会减小，通过的流体流量越大，两侧压差也越大，该压差与流体流量的平方成正比。差压式流量计的工作原理如图1所示。

图1 差压式流量计测量原理图

假设为流量计上端管路的内直径，为该段管路横截面积，为该处单位面积的流体体积，ρ为该处流体密度，为流量计管路内节流体间的内直径，为该处的横截面积，ρ为该处的流体密度，为该处单位面积的流体体积，由伯努利方程和能量守恒定律推导得知气体质量流量测量公式，如公式（1）所示。

式中：——气体质量流量；——气体流出系数；ε——气体膨胀系数；β——直径比，即/；Δ——两端压差。

以背靠管式差压气体流量计为例，这是一种新型流量计，主要解决低流速下的气体流量测量精度低的问题。结构是在管道上插入节流体，该节流体的迎风取压孔正对气流方向，背风取压孔背向气流方向。在气体的流动作用力下，气流会在迎风取压孔和背风取压孔处分别产生正向和负向的压强，压差传感器采集节流体内部的2个导压管的压强差，通过公式（1）计算出流经的气体质量流量。背靠管式差压流量计的这种背向节流体结构，使低流速气体也能产生较大的压差，因此适合测量低流速气体，测量精度相对较高。

2.2 热式流量计

热扩散式流量计是一种高精度、高可靠性且应用广泛的流量计。典型传感元件为2个RTD热电阻：RTD1为温度传感器，测量气体温度；RTD2为速度传感器，在气体原本温度的基础上进一步加热至温度，形成恒温差Δ。但气体流过RTD2时会带走热量，为保持Δ恒定，需要继续加热，气体流速越大，扩散的热量越多，因此，加热的电功率与气体流量成正比。热式流量计的工作原理如图2所示。

图2 热式流量计测量原理图

根据牛顿冷却定律得知，RTD2的加热电功近似等于气体带走的热功，如公式（2）所示。

式中：、——测速探头RTD2电流和电阻；α——对流换热系数；——测速探头RTD2表面积。

进一步依据Hilbert对流换热经验公式最终推导得知气体质量流量测量公式，如公式（3）所示。

式中：——气体质量流量；——测量管道截面积；——测速探头RTD2直径；、取值由实验数据拟合得到；μ——气体动力粘度；λ——气体导热系数；——气体定压比热容。

公式（3）比较复杂，需要的经验数据一般由流量计厂家根据大量测试经验所得，很多科研院校也会据此建模仿真做深入研究。

2.3 科式流量计

科氏流量计是流体通过振动管时，产生科里奥利力，研究与实践证明，该力与质量流量成正比，据此测出流体的质量流量，因此，该流量的测量原理几乎不受气体粘度、状态、温度等外界条件影响。科氏流量计一般由传感器和变送器组成，传感器主要包括激振器和拾振器，检测扭矩振动力，变送器则将传感器信号转变为质量流量、密度温度等标准信号输出。科氏流量计原理如图3所示。

图3 科氏流量计测量原理图

质点以匀速在旋转角速度ω的管道内运动时，根据物体运动的惯性原理，得出公式（4）。

式中：α——向心加速度；ω——旋转角速度；α——切向加速度，方向与α垂直。

根据牛顿第二定律，向心方向作用有科里奥利力=2ω，当密度为ρ的气体在旋转管道中以恒定速度运动时，长度为Δ的管路内受到切向的科里奥利力Δ，如公式（5）所示。

式中：——气体质量流量；——管道横截面积。

以上为科式流量计的计算原理，但在实际应用中，是以管道振动力代替旋转惯性力。科式流量计以其高精度、宽量程、低压损和长寿命等优点，被广泛应用在各领域，也是氢燃料电池测量首选的流量计。

2.4 各流量计优缺点分析

3种氢燃料电池测试常用气体流量计优缺点分析如表1所示，为产品研发和测试台开发做选型参考。

3 结论

气体流量计发展历史悠久，国外技术较为先进，氢燃料电池测试常用差压式气体流量计、热式气体流量计和科式气体流量计，通过对3种流量计的工作原理和优劣分析，可以较为清晰地了解各流量计不同的应用场景，为产品开发和测试台设计提供技术指南。