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国家电动客车电控与安全工程技术研究中心燃料电池客车排放试验研究报告 发布日期:2019-01-03

作者:国家电动客车电控与安全工程技术研究中心  程明岩

【摘要】为验证燃料电池客车对空气的净化效果,国家电动客车电控与安全工程技术研究中心(以下简称“工程中心”)近期对宇通燃料电池客车开展了排放试验研究,结果表明燃料电池客车排放的各种污染物均低于柴油客车以及天然气客车,气体污染物浓度与环境空气相当,颗粒数量浓度低于环境空气。相比纯电动客车“零排放”概念,称燃料电池客车此特性为“负排放”。

1. 引言

随着环境污染和能源危机的日益突出,新能源汽车成为世界各大汽车厂商及研发机构的研究热点,而燃料电池汽车以其高效率、长续航和高便利性被认为是新能源汽车的重要发展方向。

目前国内主流整车厂已完成燃料电池客车开发,并开展小规模示范运行,燃料电池客车逐步进入公众视野。燃料电池客车在行驶过程中,其搭载的空气过滤器,可去除大气中的颗粒物和气体污染物,改善空气质量。但燃料电池客车对空气的净化效果缺乏试验数据支撑。

为了验证燃料电池客车对空气的净化效果,近期工程中心以宇通燃料电池客车、传统柴油客车、天然气客车为研究对象,采用电子低压冲击器(electrical low pressure impactor, ELPI)、OBS-one等设备,对其颗粒排放物、气态污染物进行了测试,率先在国内开展了燃料电池客车排放试验。

2. 试验方法

2.1 试验车辆及测试方法

本次试验车辆分别为传统柴油客车(国Ⅵ)、天然气客车(国Ⅴ)、燃料电池客车,其具体信息如表2.1所示。

表2.1 试验车辆相关信息

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测试过程如图2.1所示,试验时将客车固定在底盘测功机上,试验车辆为热车状态。试验循环采用中国典型城市公交循环。该循环由怠速、低速、匀速、中速和中高速等工况构成,运行时间1314 s,平均车速16.16 km/h,最高车速60 km/h。该循环与公交车实际行驶时低平均车速、高比例怠速、发动机低转矩、低转速等工况特点吻合较好,工况曲线如图2.2所示。

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图2.1 排放试验测试过程

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图2.2 CCBC工况循环曲线

2.2 测试设备

本试验测试设备主要有ELPI (Dekati, Finland)、OBS-one (Horiba, Japan) ,如图2.3所示。ELPI可以实时测量颗粒物数量及尺寸分布,在国内外被广泛用于大气颗粒物测量研究及机动车和发动机的颗粒物排放测试,其测量的粒径上限是10μm,测量原理如图2.4所示。ELPI使用真空泵建立其低压环境(ELPI出口控制在100mbar)。样气进入ELPI后,首先通过电晕充电器(Corona Charger),使样气中的颗粒物被充上正电荷;然后顺序通过12级串联的低压冲击仪(电压<5V),每级对应的收集盘(collection plate)装有均匀涂过油脂的铝箔纸,颗粒物根据其空气动力学直径(Aerodynamic equivalent diameter, Dp),被粘附在对应的铝箔纸上,因而实现对颗粒物粒径范围的划分。在第12级之后,有一级过滤级(filter stage),使得ELPI最小能测到7 nm的颗粒物。对于颗粒物质量的计算,如果得到了颗粒物的密度,那么根据ELPI测量得到的尺寸分布,就可以计算出颗粒物的质量。一般来说,颗粒物的粒径越小,其分形维数越接近于3,说明其形状越接近于球体,密度也就越大;而粒径越大,分形维数越小,说明其内部的空隙越多,密度也就越小。因此,本次试验使用线性对数分布密度,颗粒物的密度随尺寸的增大而减小。所以,颗粒物的总质量可以通过如下公式确定:

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其中,M为颗粒物的总质量,Ni、Vi、ρi分别为ELPI第i级的颗粒物数量、体积和密度。

OBS-one是基于发动机/整车在实际道路状况下认证的最新一代车载排放分析系统,测量原理如图2.5所示。车载气体分析系统可以测量排气浓度、空燃比、排气流量、GPS数据、环境情况(环境温度、湿度和压力)以及排气质量,具体参数信息如表2.2所示。

表2.2 OBS-one参数信息

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图2.3 试验测试系统a) ELPI;b) OBS-one.

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图2.4 ELPI测量原理

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图2.5 OBS-one测量原理

2.3数据处理

气态污染物瞬时质量排放速率计算公式如下:

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其中,pi为第i种污染物的浓度,Vstd为尾气标准体积流量,ρi,std为第i种污染物的标准密度。

表2.3 各污染物的标准密度

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

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其中,EF为排放因子(g/km);P为车辆排放气态污染物;

ER为某种污染物排放速率(g/s);n为工况持续时间(s);

i和j分别为该工况下的起始和结束时间(s);

D为该工况下的逐秒速度(km/s);

颗粒物的排放由ELPI直接给出。

3. 结果与讨论

3.1 气态污染物测试

气体污染物测试结果如图3.1所示,燃料电池客车排气中CO、CO2、NO、NO2含量与空气中成分含量相当,THC含量比空气中略低。试验过程中同时检测燃料电池客车排气中水分含量与空气中水分含量的变化,如图3.2所示。燃料电池客车工作中,氢气与氧气发生化学反应生成水,因此排气中水分含量较空气中要高。

国家电动客车电控与安全工程技术研究中心燃料电池客车排放试验研究报告

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图3.1 燃料电池客车排气与空气中污染物含量

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图3.2 燃料电池客车排气与空气中水分含量排放

如图3.3所示,燃料电池客车排气中CO、CO2、THC分别为0.012 g/km、4.866 g/km、0.003 g/km,NO、NO2排放值为0.000 g/km,远低于柴油客车、天然气客车的排放值。

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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

图3.3 试验车辆气态污染物排放特征

3.2 颗粒物测试

颗粒物含量测试结果如图3.4所示,在怠速工况下以及循环工况下,燃料电池客车尾排中的颗粒含量分别为1.03×104 个/cm3、3.57×104 个/cm3,远低于柴油客车、天然气客车和空气中颗粒含量。怠速工况下,燃料电池客车尾排中颗粒物含量分别为柴油客车尾排、天然气客车尾排和空气的44.2%、24.8%和47.6%;CCBC循环工况下,燃料电池客车尾排中颗粒物含量分别为柴油客车尾排、天然气客车尾排和空气的0.27%、0.21%和76.6%。此外,在怠速、CCBC循环工况下,燃料电池客车尾气中颗粒物浓度分别为11.7μg/m³,22.7μg/m³,而空气中颗粒物浓度分别为15.0μg/m³,25.0μg/m³,远低于75μg/m³,达到二级空气质量标准。

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a) 怠速

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b) 循环工况

图3.4 试验车辆颗粒物排放特征

4. 结论

目前,行业内对燃料电池汽车运行过程中可以净化空气已达成共识。工程中心选用宇通燃料电池客车在国内率先开展排放试验,对燃料电池客车改善空气质量、促进节能减排等理论提供了有力的数据支撑,有利于消费者对燃料电池汽车形成绿色环保的观念。形成相关结论如下:

(1)燃料电池客车排气中CO、CO2、NO、NO2浓度与环境空气相当,而THC和颗粒数量浓度低于环境空气,水排放含量明显高于空气;

(2)燃料电池客车排放的各种污染物排放均低于柴油客车以及天然气客车;

(3)在怠速和循环工况下,燃料电池客车尾气中颗粒物浓度小于75μg/m³,达到二级空气质量标准;

(4)燃料电池客车运行过程中,可有效去除大气中的颗粒物和气体污染物,排出清洁的空气和纯净的水,相比纯电动客车“零排放”概念,称燃料电池客车此特性为“负排放”。