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國家電動客車電控與安全工程技術研究中心燃料電池客車排放試驗研究報告 發布日期:2019-01-03

作者:國家電動客車電控與安全工程技術研究中心  程明巖

【摘要】為驗證燃料電池客車對空氣的凈化效果,國家電動客車電控與安全工程技術研究中心(以下簡稱“工程中心”)近期對宇通燃料電池客車開展了排放試驗研究,結果表明燃料電池客車排放的各種污染物均低于柴油客車以及天然氣客車,氣體污染物濃度與環境空氣相當,顆粒數量濃度低于環境空氣。相比純電動客車“零排放”概念,稱燃料電池客車此特性為“負排放”。

1. 引言

隨著環境污染和能源危機的日益突出,新能源汽車成為世界各大汽車廠商及研發機構的研究熱點,而燃料電池汽車以其高效率、長續航和高便利性被認為是新能源汽車的重要發展方向。

目前國內主流整車廠已完成燃料電池客車開發,并開展小規模示范運行,燃料電池客車逐步進入公眾視野。燃料電池客車在行駛過程中,其搭載的空氣過濾器,可去除大氣中的顆粒物和氣體污染物,改善空氣質量。但燃料電池客車對空氣的凈化效果缺乏試驗數據支撐。

為了驗證燃料電池客車對空氣的凈化效果,近期工程中心以宇通燃料電池客車、傳統柴油客車、天然氣客車為研究對象,采用電子低壓沖擊器(electrical low pressure impactor, ELPI)、OBS-one等設備,對其顆粒排放物、氣態污染物進行了測試,率先在國內開展了燃料電池客車排放試驗。

2. 試驗方法

2.1 試驗車輛及測試方法

本次試驗車輛分別為傳統柴油客車(國Ⅵ)、天然氣客車(國Ⅴ)、燃料電池客車,其具體信息如表2.1所示。

表2.1 試驗車輛相關信息

國家電動客車電控與安全工程技術研究中心燃料電池客車排放試驗研究報告

測試過程如圖2.1所示,試驗時將客車固定在底盤測功機上,試驗車輛為熱車狀態。試驗循環采用中國典型城市公交循環。該循環由怠速、低速、勻速、中速和中高速等工況構成,運行時間1314 s,平均車速16.16 km/h,較高車速60 km/h。該循環與公交車實際行駛時低平均車速、高比例怠速、發動機低轉矩、低轉速等工況特點吻合較好,工況曲線如圖2.2所示。

國家電動客車電控與安全工程技術研究中心燃料電池客車排放試驗研究報告

圖2.1 排放試驗測試過程

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圖2.2 CCBC工況循環曲線

2.2 測試設備

本試驗測試設備主要有ELPI (Dekati, Finland)、OBS-one (Horiba, Japan) ,如圖2.3所示。ELPI可以實時測量顆粒物數量及尺寸分布,在國內外被廣泛用于大氣顆粒物測量研究及機動車和發動機的顆粒物排放測試,其測量的粒徑上限是10μm,測量原理如圖2.4所示。ELPI使用真空泵建立其低壓環境(ELPI出口控制在100mbar)。樣氣進入ELPI后,首先通過電暈充電器(Corona Charger),使樣氣中的顆粒物被充上正電荷;然后順序通過12級串聯的低壓沖擊儀(電壓<5V),每級對應的收集盤(collection plate)裝有均勻涂過油脂的鋁箔紙,顆粒物根據其空氣動力學直徑(Aerodynamic equivalent diameter, Dp),被粘附在對應的鋁箔紙上,因而實現對顆粒物粒徑范圍的劃分。在第12級之后,有一級過濾級(filter stage),使得ELPI最小能測到7 nm的顆粒物。對于顆粒物質量的計算,如果得到了顆粒物的密度,那么根據ELPI測量得到的尺寸分布,就可以計算出顆粒物的質量。一般來說,顆粒物的粒徑越小,其分形維數越接近于3,說明其形狀越接近于球體,密度也就越大;而粒徑越大,分形維數越小,說明其內部的空隙越多,密度也就越小。因此,本次試驗使用線性對數分布密度,顆粒物的密度隨尺寸的增大而減小。所以,顆粒物的總質量可以通過如下公式確定:

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其中,M為顆粒物的總質量,Ni、Vi、ρi分別為ELPI第i級的顆粒物數量、體積和密度。

OBS-one是基于發動機/整車在實際道路狀況下認證的較新一代車載排放分析系統,測量原理如圖2.5所示。車載氣體分析系統可以測量排氣濃度、空燃比、排氣流量、GPS數據、環境情況(環境溫度、濕度和壓力)以及排氣質量,具體參數信息如表2.2所示。

表2.2 OBS-one參數信息

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圖2.3 試驗測試系統a) ELPI;b) OBS-one.

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圖2.4 ELPI測量原理

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圖2.5 OBS-one測量原理

2.3數據處理

氣態污染物瞬時質量排放速率計算公式如下:

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其中,pi為第i種污染物的濃度,Vstd為尾氣標準體積流量,ρi,std為第i種污染物的標準密度。

表2.3 各污染物的標準密度

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基于行駛里程的排放因子(g/km),即行駛1公里排放污染物的量,計算公式如下:

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其中,EF為排放因子(g/km);P為車輛排放氣態污染物;

ER為某種污染物排放速率(g/s);n為工況持續時間(s);

i和j分別為該工況下的起始和結束時間(s);

D為該工況下的逐秒速度(km/s);

顆粒物的排放由ELPI直接給出。

3. 結果與討論

3.1 氣態污染物測試

氣體污染物測試結果如圖3.1所示,燃料電池客車排氣中CO、CO2、NO、NO2含量與空氣中成分含量相當,THC含量比空氣中略低。試驗過程中同時檢測燃料電池客車排氣中水分含量與空氣中水分含量的變化,如圖3.2所示。燃料電池客車工作中,氫氣與氧氣發生化學反應生成水,因此排氣中水分含量較空氣中要高。

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圖3.1 燃料電池客車排氣與空氣中污染物含量

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圖3.2 燃料電池客車排氣與空氣中水分含量排放

如圖3.3所示,燃料電池客車排氣中CO、CO2、THC分別為0.012 g/km、4.866 g/km、0.003 g/km,NO、NO2排放值為0.000 g/km,遠低于柴油客車、天然氣客車的排放值。

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a) CO排放

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b) CO2排放

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c) NO排放

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d) NO2排放

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e) THC排放

圖3.3 試驗車輛氣態污染物排放特征

3.2 顆粒物測試

顆粒物含量測試結果如圖3.4所示,在怠速工況下以及循環工況下,燃料電池客車尾排中的顆粒含量分別為1.03×104 個/cm3、3.57×104 個/cm3,遠低于柴油客車、天然氣客車和空氣中顆粒含量。怠速工況下,燃料電池客車尾排中顆粒物含量分別為柴油客車尾排、天然氣客車尾排和空氣的44.2%、24.8%和47.6%;CCBC循環工況下,燃料電池客車尾排中顆粒物含量分別為柴油客車尾排、天然氣客車尾排和空氣的0.27%、0.21%和76.6%。此外,在怠速、CCBC循環工況下,燃料電池客車尾氣中顆粒物濃度分別為11.7μg/m³,22.7μg/m³,而空氣中顆粒物濃度分別為15.0μg/m³,25.0μg/m³,遠低于75μg/m³,達到二級空氣質量標準。

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a) 怠速

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b) 循環工況

圖3.4 試驗車輛顆粒物排放特征

4. 結論

目前,行業內對燃料電池汽車運行過程中可以凈化空氣已達成共識。工程中心選用宇通燃料電池客車在國內率先開展排放試驗,對燃料電池客車改善空氣質量、促進節能減排等理論提供了有力的數據支撐,有利于消費者對燃料電池汽車形成綠色環保的觀念。形成相關結論如下:

(1)燃料電池客車排氣中CO、CO2、NO、NO2濃度與環境空氣相當,而THC和顆粒數量濃度低于環境空氣,水排放含量明顯高于空氣;

(2)燃料電池客車排放的各種污染物排放均低于柴油客車以及天然氣客車;

(3)在怠速和循環工況下,燃料電池客車尾氣中顆粒物濃度小于75μg/m³,達到二級空氣質量標準;

(4)燃料電池客車運行過程中,可有效去除大氣中的顆粒物和氣體污染物,排出清潔的空氣和純凈的水,相比純電動客車“零排放”概念,稱燃料電池客車此特性為“負排放”。

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