氢燃料电池电动汽车氢气量检测装置的设计思考

氢燃料电池电动汽车氢气量检测装置的设计思考

刘超 龙安妮

武汉中极氢能产业创新中心有限公司检测分公司，武汉中极氢能产业创新中心有限公司 湖北 武汉

摘要：充足的氢气是电动汽车良好续航能力的保障，对电动汽车储氢瓶氢气量的检查能够有效保证电动汽车的长途运行。为此，本文利用安装在储氢瓶口的霍尔传感器，将氢气量转化为压力进行检测，通过压力的大小反映电动汽车储氢瓶中氢气的剩余量。设计相应的检测电路装置，对检测电路进行仿真分析。设计的检测电路装置具有结构简单、检测速度快、准确度高等优点。

关键词：氢燃料电池；电动汽车；氢气量检测装置；设计

导言：

本文根据氢燃料电池的工作原理和电动汽车的储氢结构，利用霍尔传感器设计一种氢燃料电池电动汽车氢气量检测装置。将霍尔传感器安装在储氢瓶口，储氢瓶内氢气剩余量减少而使瓶内压强变小，所以霍尔传感器产生位移，将位移转化为电压量进而反映储氢瓶内氢气的剩余量。总之，氢燃料电池的发展前景一片光明，作为与之密切相关的制氢、储氢及输氢技术的不断完善，也将大大推动燃料电池的大规模商品化使用。

1 氢燃料电池概述

1.1 氢燃料电池的概念

氢燃料电池是将氢气及氧气的化学能转变成电能的装置。氢燃料电池发电是一种等温的电化学方式、不经过热机的过程，不受卡诺循环的限制。

1.2 氢燃料电池的原理

燃料电池是一种能量转化装置，它是按电化学原理，即原电池工作原理，把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应。

氢燃料电池主要由阴极、阳极、电解质溶液、外部电路四部分组成，燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。阳极燃料气释放电子，形成阴离子，电子在外电路的作用下传导到阴极与氧气发生氧化反应生成阳离子，离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流。

氢燃料电池的基本原理是电解水的逆反应，电极如下：

负极：H₂+2OH-→2H₂O+2e-；

正极：1/2O₂+H₂O+2e-→2OH^-；

电池反应：H₂+1/2O₂→H₂O。

燃料电池系统不仅包括燃料电池本体，还应该拥有反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等辅助系统，这样，燃料电池方可正常工作。通常的燃料电池由电解质板、两侧的燃料极（阳极）和空气极（阴极）及两侧气体流路构成，气体流入的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。

1.3 氢燃料电池的来源

氢燃料电池是一种极好的生产发电方式，但氢燃料电池的来源是一个很大的难题。氢的来源具有多种方式：

1.3.1可通过电解水制取氢气。这是一种很常见的办法，但电解水需要很高的能源消耗，且制取的氢的含量极小，不适合大规模制氢。

1.3.2可通过化石燃料（如煤或者天然气）来制取氢气。在化石燃料制取氢气的情况下，保护环境成了很大的难题。在使用化石燃料制取氢的情况时，会有大量的氢气流失，利用率很低。而且氢气在运输过程中，也会有氢气的流失，这使得能量不能充分利用，也会使化石燃料的消耗增加。

1.3.3可通过其他产品的副产物制取氢气。据统计，中国有很大部分的氢是来自副产物中的，这些氢大多数都直接排放到大气中，合理利用氢是当今研究学者的重点。尽管氢燃料电池的来源十分广阔，但是在燃料罐中储存氢气也具有巨大的经济和安全挑战。

2 氢燃料电池电动汽车氢气量检测的方案

氢气量的检测为电动汽车的续航能力提供了保障，因此氢气量检测是一个热点课题，根据国内外的研究现状，对现有的几种氢气量监测方案特点和原理进行对比分析。质量改变法是通过检测储氢瓶实时质量，通过质量的改变来检测和反映储氢瓶中剩余的氢气量：

△Q=Q1-Q2

式中，Q1为称取前质量，Q2为称取后质量。质量改变法具有原理简单，质量转换精度高的优点，但对初始储气量的要求较高，在称取过程中对环境要求较高，存在着较大误差。[4]温度压力法是通过检测发生变化前后的储氢瓶内氢气相对温度和相对压力，通过相应的变化量来检测氢气量的变化：

△Q=

式中，M为氢气的摩尔质量2.016 g/mol，V为存储氢气的体积，R为温度常数8.314 J/mol·K，P1和P2分别为实验前后的压力，T1和T2为实验前后的温度。温度压力法具有转换精度高的优点，在已知储氢瓶的体积前提下，仅需测量温度和压强值即可，但是压强测量的偏差可能会引起结果的较大误差。流量计法是通过测量连续的气体流量，然后对连续的流量进行积分得到储氢瓶里的氢气量，测量的误差主要由流量计的误差引起：

△Q=

式中，M为氢气的摩尔质量2.016 g/mol，Q为氢气的流速率。流量计法相对较稳定，且测量精度相对较准确，测量原理简单，但有瞬时流量不便测量导致瞬时精度较低的缺点。氢燃料电池电动汽车的氢燃料电池储氢环境相对复杂，氢气的消耗量不固定，不易对流量进行测量，因此选择温度压力法测量氢气的量。温度变化极易测得，只需要将霍尔传感器作为压力传感器安装在储气瓶与燃料电池连接的气管上，将测量的压强转换为储氢瓶里氢气的消耗量。

3氢燃料电池电动汽车氢气量检测装置的电路设计

为保证氢燃料电动汽车续航能力，需要对氢气量进行测量，利用温度压强测量的方法测量氢气量。采用了一种基于霍尔效应的压强测量装置。

霍尔元件为安装在储气瓶阀口上的霍尔元件，当储氢瓶压强发生改变，根据元件的受力分析，其内部受力装置将产生微小的位移，位移量将转化为电量，进而反映储氢瓶口的压强。利用某单片机作为检测电路的处理器，U2A和PIC单片机内部提供的2.48 V参考电压组成恒流源，为霍尔元件进行供电，霍尔元件产生的电量通过U2B组成的放大器连接到单片机的RB0端口。通过改变R30和R31电阻值的大小，可以限制连接至某单片机RB0口电压的低于3V。将连接至RB0口的电压转换为氢气量，当氢气量少于设定的阈值量，进行警告提示。

当储氢瓶剩余的氢气量少于之前设定的氢气量阈值时，进行系统的警告提示，当剩余的氢气量多于之前设置的氢气量阈值时，进行循环检测显示剩余氢气量，以保证整个检测系统能够持续对储氢瓶内剩余的氢气量进行检测。

4氢燃料电池电动汽车氢气量检测装置的实验测试

搭建压强检测电路，利用安装在储氢瓶口的霍尔元件根据储氢瓶内的压强产生位移，根据位移检测到相应的压强值，进而转化为储氢瓶内剩余的氢气量。选择某型号的霍尔传感器模块进行实验测试。

霍尔传感器位移量为0时,储氢瓶内氢气量为标定的满量程值。基于霍尔传感器设计的氢燃料电池电动汽车氢气量检测装置能够将不同压强作用下的位移转化为电量，通过检测的电量反映氢气量，进而检测储氢瓶中剩余的氢气量，为电动汽车的续航能力提供了保障。

5 结语

综上，随着人们的生产生活水平不断提升，越来越多国家认识到了环境污染问题的重要性，世界各国开始保护环境、节能减排等。氢燃料电池是节能减排的一项重大创新。因此，本文根据氢燃料电池的工作原理和车载储氢瓶的结构，设计一种基于霍尔传感器的氢气量检测装置。储氢瓶氢气量发生改变时，瓶内压强发生改变，使得霍尔传感器发生位移，位移量则产生了电量，通过电量反映储氢瓶内剩余的氢气量。设计的氢气量检测装置具有电量结构简单、准确度高、经济高效的优点。

参考文献：

[1]何奇.氢燃料电池技术应用现状及发展趋势管窥[J].2020.

[2]余本善，孙乃达，焦姣.储能技术与产业现状及发展趋势[J].20Q7.

[3]汪广溪．氢能利用的发展现状及趋势[J].2017.