[发明专利]测量氢气消耗量的温度压力法

说明书

技术领域

本发明属于气体测量技术领域，特别涉及一种测量氢气消耗量的温度压力法。

背景技术

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，空气中的水分以及生成物水在管道中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 J2572(2006)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±1.0％RD。氢气作为一种新兴能源，和传统汽油柴油一样，其消耗量的计算直接关系着燃料电池车的经济性。

在SAE J2572(2006)中明确规定的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)以天平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。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±1.0％RD的要求。但是其中重量法只适用于实验室的底盘测功机试验，不适用于路上进行测试或行驶的车辆，所以只有稳态氢气消耗量检测方法中的温度压力法存在实际应用的意义。

温度压力法测量的主要原理是热力学状态方程中知道温度、压力、体积三个参数后可求质量(或者摩尔数)。其中体积指的是是高压气瓶的内部容积。SAEJ2572(2006)中规定高压气瓶的总容积(升)应该用在1atm，15℃时总的水容积体积表示。由于不同材料的气瓶在不同的温度、压力下表现出不同的膨胀(压缩)性质，所以还需要试验或相关资料提供的数据来得到某一温度压力下气瓶的实际容积。气体的温度压力数据则可以通过传感器，应变片等测量手段获得。当前一个状态的温度、压力、体积及后一个状态的温度、压力、体积确定后，便可以选择一个适合高压气体的气体状态方程来计算前后质量，两者做差，便可以得到氢气的消耗量。温度压力法的优点在于可以监测气瓶中氢气的泄露情况，进行实时但却较粗略的测量，还可以提供较便捷的应用。缺点是运用此种方法车辆要经过一定改造。目前普遍认为此种方法存在比流量计法高的精度。

典型的温度压力方法，在针对压力的测量时，主要在气瓶口处放置压力传感器，因为压力较容易达到平衡状态。在针对温度的测量时，选择气瓶的竖置或横放位置，在气瓶表面多处贴上温度应变片，经过试验及仿真，以确定某区域的温度在经过某个较短时间后，更接近瓶内气体达完全平衡时的温度。最后只需在此区域内某点贴上温度应变片，并等待十分钟左右，便可以不用待气瓶内气体达完全平衡，就可以得到很高精度的温度。使用适合于高压气体的状态方程计算氢气质量时，除了利用范德瓦尔斯方程计算而外，因为此方程的精度太低，还可以根据温度压力到美国国家标准与技术研究所NIST的网上标准数据库http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/中查找该状态下的密度值，通过该密度值也可以求出氢气的质量。此外，用得最广泛的要数压缩因子法，其主要基于这样一个方程：Z=PMρRT]]>

其中：Z——压缩因子，无量纲；ρ——密度，克/升；M——摩尔质量，2.016克/摩尔；P——压力，千帕；T——温度，开尔文；R——气体常数，8.314472焦耳/(摩尔·开尔文)。

压缩因子Z的计算又有很多种方法。其中一种是已知一定试验温度、压力点下氢气的压缩因子，然后插值计算所需点的压缩因子代入即可。

各状态下氢气的压缩因子表