氢燃料电池轨道交通车辆的研究应用

氢燃料电池轨道交通车辆的研究应用

张杨

中车株洲电力机车有限公司   412001

【文章摘要】：本文分析了氢燃料电池技术特点，总结了氢燃料电池在轨道交通车辆的研究应用现状，提出了氢燃料电池轨道交通车辆发展前景需要解决的问题。

【关键词】：氢燃料电池；轨道交通车辆；研究应用

1.概述

能源是国民经济发展的重要支撑，能源安全直接影响国家安全、可持续发展以及社会稳定。随着工业化和城市化进程的不断推进，我国能源消费总量已跃居世界第一位，能源供给相对不足、能源结构不合理、石油天然气对外依存度高及其带来的环境污染和能源安全等问题凸显。轨道交通运输是国民经济的大动脉，承担了中国主要客、货运输任务，已成为能源消耗大户和环境污染大户。

氢气作为二次能源，来源多样，不仅可以通过煤炭、石油、天然气等化石能源重整、生物质热裂解或微生物发酵等途径获取，也可以来自焦化、氯碱、钢铁、冶金等工业副产气，还可以通过电解水制取，特别是与可再生能源发电结合，不仅可实现全寿命周期绿色清洁，更拓展了可再生能源的利用方式。燃料电池是氢能高效利用的重要途径，具有发电效率高（40%～60%）、补充燃料时间短、清洁环保、安全可靠等优点，可广泛应用于汽车、交通和船舶等领域，降低对石油和天然气的依赖，实现零碳排放，有效缓解温室效应和环境污染。基于氢能源动力的轨道交通装备是目前国内外研究的重点和热点，已成为绿色、节能、低碳技术发展方向。

2.氢燃料电池动力系统研究

氢燃料电池是一种能量转化装置，它是按电化学原理，等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。氢燃料电池按电解质种类的不同，可分为AFC碱性燃料电池、PAFC磷酸燃料电池、MCFC熔融碳酸盐燃料电池、SOFC固体氧化物燃料电池和PEMFC质子交换膜燃料电池。对几种燃料电池进行对比分析，分别如下表所示。

从上述分类可以看出，由于其各自结构、原理等的不同，不同类型燃料电池的特点差异较大。而轨道车辆用燃料电池要求其比功率尽可能大，发电效率尽可能高，启动时间尽可能短，寿命尽可能长，电解质尽可能无腐蚀性等，因此，综合比较来看，质子交换膜燃料电池是目前最适合轨道车辆用的燃料电池类型。 典型的氢燃料电池主要包括氢燃料电堆、散热系统、控制系统、储氢、氢气检测及加氢系统。

3.氢燃料电池轨道交通车辆的应用场景

经过多年的持续研发，目前氢燃料电池技术已达到较高的水平，能量密度、功率密度、效率、体积和使用寿命等技术指标均已满足轨道交通运输平台的要求。配套制氢、储氢技术和加氢站技术亦逐步完善，为氢燃料电池轨道交通车辆的运用创造了条件。与内燃、弓网受流和蓄电池/超级电容储能系统等轨道交通车辆牵引供电系统相比，氢燃料电池运用于轨道交通车辆具有以下几个方面的优势：

（1）与内燃动力系统相比，更加高效、节能、绿色、环保。氢燃料电池基于电化学反应，将氢燃料的化学能转变为电能，能量转换效率可达50%以上，且通过匹配合理的储能装置，可长期工作于高效区间，比内燃动力系统更高效、节能。氢燃料电池排放仅排放水，无碳排放，比内燃动力系统更绿色、环保。

（2）与弓网受流系统相比，氢燃料电池轨道交通车辆无需外部能量输入，不受牵引供电网覆盖区域的限制，节省牵引供电网建设成本，且避免了牵引供电网对城市景观的破坏。

（3）与蓄电池/超级电容储能系统相比，氢燃料电池轨道交通车辆可显著延长车辆的续航里程，缩短能量补充时间，从而提高城市轨道交通线路的运营效率。

当然，氢燃料电池轨道交通车辆也存在一定的劣势，目前主要为受氢燃料电池堆的能量密度和功率密度的限制，整车功率不够，难以满足高速、重载牵引的需要。

综合考虑上述氢燃料电池系统的优势和劣势，目前氢燃料电池轨道交通车辆主要运用于以下几个方面：

（1）轨道交通调车机车。可发挥氢燃料电池轨道交通车辆无需外部能源输入的特性，同时规避其整车牵引功率的劣势，运用于调车、救援等场景，应用于无牵引供电网区间的列车牵引。

（2）矿用机车和工程车

。发挥氢燃料电池轨道交通车辆无需外部能源输入、零污染、零排放的特性，应用于无牵引供电网或排放受到严格限制的工作场景，如矿道牵引、城市地下轨道交通线路维护等列车牵引。

（3）城市轨道交通车辆。发挥氢燃料电池轨道交通车辆无需外部能源输入，以及零污染、零排放的特性，牵引轻轨、有轨电车等城市轨道交通车辆。

（4）动车组的紧急牵引系统。发挥氢燃料电池在动车组断电调节下的紧急牵引功能，为动车组提供救援用动力电源。

4.氢燃料电池轨道交通车辆研究进展

氢燃料电池技术在交通领域的应用研究已经显示出了极强的技术优势和竞争力，目前主要在调车机车以及城轨车辆两个方向应用。在调车机车方向，2002年，美国VehicleProjects公司开发了世界上第一辆功率为17kW的纯燃料电池矿用拖运机车，研发了第一代燃料电池混合动力站场调车。2009年，俄罗斯列车科学研究院研制了一辆基于碱性燃料电池的维修机车。在城轨车辆方面，东日本铁路公司2005年成功研制一辆100kW燃料电池驱动轻轨车。2016年，法国阿尔斯通基于柴油列车CoradiaLint54研发成功氢能列车CoradiaiLint，时速140km/h，单次加氢续航600～800km，2018年在德国正式投入商业运营。

我国氢燃料电池在交通领域的研究已经积累了较多的优秀成果。2013年，西南交通大学研制的氢燃料电池调车机车样车下线，燃料电池功率150kW，设计时速65km/h，储氢容量23公斤；2016年，国内首辆氢燃料电池混合动力现代有轨电车在唐山下线，该车最高运行时速70km/h，可载客约354人；2019年，国内首条商业运行的氢燃料电池有轨电车在佛山高明正式投入运行，车辆持续行驶最高时速可达70km/h，单次加氢续航100km。2021年，中车株机公司研制的大功率氢能源动力调车，配备了400kW氢燃料电池及钛酸锂电池，整车总功率达到2400kW。同年，中车大同公司发布一款氢燃料电池调车机车，配备60kW氢燃料电池及蓄电池，整车总功率达到700kW。中车戚墅堰公司发布一款氢燃料电池调车机车，配备400 kW氢燃料电池及蓄电池，整车总功率达到1400 kW。

以下对各主要代表性研究成果进行对比分析：

4.发展趋势

从整车系统集成角度考虑，氢燃料电池轨道交通车辆研发须开展以下五个方面的研究。

（1）整车与氢燃料电池系统匹配设计，包括整车牵引计算和氢燃料电池系统容量计算与设计等，使所设计的氢燃料电池系统满足整车牵引、辅助系统的功率要求。

（2）氢燃料电池系统集成方案设计，包括氢燃料电池堆选型与集成、储氢/供氢/冷却等系统设计、氢燃料电池动力包体积/重量/结构强度设计与管理、以及地面设施解决方案等。

（3）整车电气系统拓扑结构与匹配。氢燃料电池本身具有启动时间长、响应速度慢、效率受工况影响等不足，仅氢燃料电池动力系统难以满足轨道交通车辆启动、制动等工况对牵引供电功率快速响应的需求，且不利于氢燃料电池工作在高效区间。因此需要匹配蓄电池或超级电容等储能电源，研究内容包括氢燃料电池/蓄电池/超级电容容量匹配设计、多电源协同供能模式设计和整车电气系统拓扑结构设计等。

（4）氢燃料电池动力系统与整车接口设计。包括机械接口、电气接口、重量管理、以及整车噪声、振动和EMC管理等。

（5）氢燃料电池系统管理与控制技术。包括氢燃料电池气/水/热管理、基于整车牵引功率预测的氢燃料电池响应控制和多电源响应控制等，以使氢燃料电池长期、稳定工作在高效区间，通过蓄电池和超级电容等平抑启动、加速和制动场景下的牵引功率波动，提高系统的能量转换效率。

5.结语

本论文在对燃料电池进行科学划分的基础上，以质子交换膜燃料电池PEMFC为重点研究对象，对燃料电池在轨道交通车辆中的应用情况及进行了研究，最后从燃料电池轨道车辆需要进一步研究的关键技术进行分析。

参考文献

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作者简介（第一作者和通讯作者）：张杨，男，1987.01，汉，陕西，硕士研究生，工程师，研究方向：轨道交通车辆