燃料電池有軌電車車載氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

石俊杰 ， 于 淼， 劉 楠

(中國中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心， 河北唐山 063035)

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燃料電池有軌電車車載氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

石俊杰 ， 于 淼， 劉 楠

(中國中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心， 河北唐山 063035)

氫燃料電池有軌電車作為一種"純綠色"的交通工具，以其特有的零排放、無污染、低噪聲、能源可再生、轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)勢成為新時(shí)代城市交通發(fā)展的亮點(diǎn)。本文對燃料電池有軌電車的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和儲氫系統(tǒng)、高壓氣瓶及相關(guān)安全檢測等車載氫系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，針對某燃料電池有軌電車技術(shù)需求，提出了車載儲氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及氫氣加注方案。

燃料電池； 有軌電車； 儲氫系統(tǒng)； 加注系統(tǒng)

因其零排放、節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢，氫能源有軌電車為城市公共交通提供了一種新型解決方案，對緩解城市交通壓力，減少環(huán)境污染，有重要作用。國內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)針對氫燃料電池車輛進(jìn)行了大量研究。歐、美、日等發(fā)達(dá)地區(qū)和國家均在燃料電池有軌電車領(lǐng)域進(jìn)行了卓有成效地研究[1-2]。相對于傳統(tǒng)動(dòng)力車輛而言，燃料電池動(dòng)力車輛既攜帶了大量的高壓氫氣，又具有傳統(tǒng)動(dòng)力車輛所不具備的高電壓，因此整車的氫、電安全性非常重要，這在很大程度上也成為制約燃料電池車輛批量生產(chǎn)與推廣的技術(shù)瓶頸之一[3]。因此，對車載供氫系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)研究顯得尤為重要。

1 國內(nèi)外燃料電池有軌電車發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外燃料電池有軌電車發(fā)展

2007年日本JR公司研制了世界首列基于燃料電池的輕軌列車。

2011年西班牙FEVE公司展示了基于燃料電池的有軌電車的研制工作，該車是一款由2套氫燃料電池供電的有軌電車樣車，載客人數(shù)為20～30人，最高速度達(dá)到20 km/h，并于2012年在阿斯圖里亞斯投入運(yùn)營。該車有兩個(gè)12 kW的氫燃料電池作為動(dòng)力源，氫氣儲存在12個(gè)高壓氣罐內(nèi)，總儲氫體積105.6 Nm3(是指一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為0℃，相對濕度為0%時(shí)的體積)。系統(tǒng)工作時(shí)，電流被輸送到4個(gè)額定功率為30 kW的異步交流牽引電機(jī)中，同時(shí)制動(dòng)回收能量存儲在3個(gè)Maxwell 的HTM125(額定電壓125 V，額定容量3 000 F)超級電容模塊或額定功率為95 kW鋰離子電池中。

2013年美國TIG/m公司提出了燃料電池有軌電車概念車設(shè)計(jì)。 繼而，英國、德國、韓國、加拿大等國家均對燃料電池有軌電車展開了研究工作。

1.2 國內(nèi)燃料電池有軌電車發(fā)展

我國也在積極推進(jìn)氫能及燃料電池有軌電池車的發(fā)展，初期研發(fā)基本以科研所和高校為主。

2013年1月24日西南交通大學(xué)牽頭研制的燃料電池電動(dòng)機(jī)車“藍(lán)天號”成功下線，標(biāo)志著我國第一輛氫燃料電池電動(dòng)機(jī)車研制成功[4]。機(jī)車用150 kW燃料電池作為牽引動(dòng)力，2臺120 kW永磁同步電機(jī)作為牽引電機(jī)[5]，設(shè)計(jì)速度65 km/h，持續(xù)牽引力20 kN。裝滿氫氣可輕載連續(xù)運(yùn)行24 h，可作為軌道交通的工程作業(yè)車、檢修車和站場調(diào)車廣泛應(yīng)用。

2015年青島四方機(jī)車車輛股份有限公司研制了氫能源有軌電車概念車。中車唐山機(jī)車車輛有限公司結(jié)合實(shí)際運(yùn)營需求研制的燃料電池超級電容混合動(dòng)力100%低地板有軌電車于2016年4月下線，該車采用2套150 kW燃料電池系統(tǒng)組成，續(xù)駛里程可達(dá)50 km，運(yùn)行最高速度為70 km/h。

在國內(nèi)示范線運(yùn)用方面，佛山市高明區(qū)有軌電車示范線是國內(nèi)首條采用氫能源燃料電池的線路。根據(jù)規(guī)劃，示范線先行建設(shè)的首期項(xiàng)目長約8 km，共設(shè)9個(gè)站點(diǎn)。該項(xiàng)目2015年內(nèi)已經(jīng)動(dòng)工，預(yù)計(jì)2016年底能投入使用。

2 車載氫系統(tǒng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

氫燃料電池車以及加氫的技術(shù)難度較高，氫燃料供應(yīng)社會(huì)體系建設(shè)的難度相當(dāng)高，不像插電式混動(dòng)車、純電動(dòng)車一樣可以與現(xiàn)有的傳統(tǒng)汽油車加油站或國家電網(wǎng)等這些基礎(chǔ)設(shè)施兼容，而氫燃料的社會(huì)體系需要重新建設(shè)。

氫能系統(tǒng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的能源系統(tǒng)，其制氫技術(shù)是源頭、儲氫技術(shù)是關(guān)鍵、氫的高效利用是核心。隨著燃料電池技術(shù)和電動(dòng)汽車技術(shù)的迅速發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化，安全、高效的儲氫技術(shù)成為了氫能推廣應(yīng)用的關(guān)鍵[6]。

2.1 氫燃料電池系統(tǒng)

氫燃料電池主要包括電池和燃料兩個(gè)部分，其上游主要是氫氣供應(yīng)以及電池零部件。中游則是將上述組裝，形成一個(gè)完整的可投入使用的燃料電池系統(tǒng)，每種系統(tǒng)構(gòu)成都依據(jù)其不同的應(yīng)用領(lǐng)域而有所不同。下游則主要包括了固定、交通運(yùn)輸和便攜式3個(gè)主要領(lǐng)域。

燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈(如圖1)的核心在于中游的燃料電池系統(tǒng)[7]，氫存儲設(shè)備及充氫系統(tǒng)也占據(jù)著極其重要的位置。根據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)1臺燃料電池大客車中，車身本體、燃料電池、車載氫系統(tǒng)各占其成本總量的三分之一，由此可見氫存儲系統(tǒng)及充氫系統(tǒng)在燃料電池汽車中扮演著相當(dāng)重要的角色。

圖1 燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈

2.2 儲氫系統(tǒng)

目前，儲氫技術(shù)主要有高壓儲氫、液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫、活性碳低溫吸附儲氫、納米碳管儲氫、液體有機(jī)氫化物儲氫等。由于受體積和質(zhì)量的限制，車載供氫系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)是能量儲存密度，即單位質(zhì)量儲氫密度和體積儲氫密度。

迄今為止，車載35 MPa儲氫罐的質(zhì)量儲氫密度為3%，70 MPa時(shí)達(dá)到4.5%，單位儲氫密度仍然不高。但是，高壓儲氫罐由于具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、充放速度快、壓縮氫氣能耗低等優(yōu)點(diǎn)，仍然是現(xiàn)今燃料電池汽車采用的主要儲氫方式。由此可見，儲氫技術(shù)還需要邁上一個(gè)新的臺階。

2.3 高壓儲氫瓶

綜合考慮壓縮能耗、儲罐安全、充裝設(shè)備投資等因素，高壓氫氣的理想儲存壓力為35～70 MPa。車用氣瓶共分4個(gè)類型：Ⅰ型(全金屬氣瓶)、Ⅱ型(金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶)、Ⅲ型(金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶)及Ⅳ型(非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶)。Ⅰ型和Ⅱ型氣瓶的重容比較大，用于車載供氫系統(tǒng)并不理想。Ⅲ和Ⅳ型纖維纏繞高壓氫氣瓶具有承壓能力高、質(zhì)量輕、耐腐蝕性強(qiáng)等能成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前我國的纖維纏繞天然氣瓶僅采用Ⅲ型瓶結(jié)構(gòu)。

鋁合金內(nèi)膽全纏繞復(fù)合氣瓶的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)有：

(1)質(zhì)量輕：是同容積鋼瓶的30%；

(2)充氣速度快：由于鋁散熱快，瓶溫升高不大，可快速充氣；

(3)充氣量大：充氣時(shí)氣體無顯著升溫，充氣量比塑膽瓶多10%；

(4)安裝件少：相同儲氣量下，氣瓶數(shù)量少，安裝連接件少，安裝方便；

(5)經(jīng)濟(jì)實(shí)用：氣瓶數(shù)少導(dǎo)致車載總瓶重下降，降低燃料消耗，減少維護(hù)費(fèi)用；

(6)車輛穩(wěn)定性高：由于質(zhì)量輕，使得車輛的整體穩(wěn)定性大大提高；

(7)規(guī)格適應(yīng)性強(qiáng)：氣瓶長度不受模具限制，可根據(jù)用戶要求定制。

2.4 氫氣安全檢測

燃料電池電堆內(nèi)部發(fā)生氫氣泄漏可由內(nèi)部氫氣檢測裝置檢測，并在達(dá)到可燃濃度前觸發(fā)警告。燃料電池模塊的機(jī)箱內(nèi)，包括車輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙、試驗(yàn)站或類似的封閉空間內(nèi)也需要集成氫檢測設(shè)備。氫氣檢測應(yīng)與燃料供應(yīng)緊急切斷閥相連。如果車載氫燃料的車輛安置在室內(nèi)時(shí)，應(yīng)配置氫氣檢測設(shè)備并保證足夠的通風(fēng)，以稀釋可能發(fā)生的任何泄漏。如果存在過度的氫氣泄漏，應(yīng)當(dāng)終止電池堆運(yùn)行并進(jìn)行泄漏測試。

同時(shí)，氫氣傳感器暴露在污染環(huán)境可能會(huì)發(fā)生性能衰減，致使靈敏度變差。所以，需要對氫氣泄漏傳感器進(jìn)行定期檢查。如果傳感器失效，可能導(dǎo)致模塊氫氣泄漏時(shí)，不能緊急停機(jī)。所以有必要對氫氣進(jìn)行安全檢測。

3 有軌電車車載儲氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)國家科技支撐項(xiàng)目——“燃料電池/超級電容混合動(dòng)力100%低地板有軌電車研制項(xiàng)目”要求，基于有軌電車用大功率燃料電池優(yōu)化控制技術(shù)，進(jìn)行了燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)與車輛系統(tǒng)參數(shù)匹配與接口設(shè)計(jì)；基于車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)、熱控制及熱量利用、振動(dòng)模態(tài)匹配、噪聲控制、儲氫設(shè)備安全控制等設(shè)計(jì)技術(shù)，完成了整車系統(tǒng)集成和樣車研制。該車載儲氫系統(tǒng)由4個(gè)35 MPa儲氫瓶組成，儲氫量約為14 kg，車輛能滿足50 km的續(xù)駛里程。

車載氫系統(tǒng)包括氫加注口至用氫裝置入口，與氫的加注、儲存、供給和控制相關(guān)的所有裝置和零部件。在某些場合下，也可以將氫的泄漏監(jiān)控裝置等歸入氫系統(tǒng)的范疇[8]。車載儲氫系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)需滿足安全至上、失效安全、簡化、區(qū)域布置及氫電隔離等原則。

圖2 氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物圖

3.1 加注系統(tǒng)

加注系統(tǒng)包括加注接口、單向閥(或球閥)、過濾器、壓力表以及必要的連接管路等零部件。其主要功用是完成與加氫站的加注對接，將潔凈的高壓氫氣安全地注入到車載高壓氫氣瓶中，如圖3所示。

加注接口和壓力表通過連接管件安裝到加注面板上并組成加注模塊。通過加注模塊上的壓力表可以顯示出實(shí)際的氫氣加注壓力，加注人員可以根據(jù)組合瓶閥上的溫度、壓力傳感器測量的溫度、壓力值根據(jù)密度估算得出加氫量。在加注模塊上安裝有導(dǎo)除靜電裝置，在進(jìn)行加注時(shí)需要把加氫站上的靜電導(dǎo)線和車輛上的導(dǎo)除靜電裝置連接，把車輛上的靜電通過加氫站消除然后進(jìn)行加注。

圖3 加注模塊示意圖

加注模塊安裝在獨(dú)立的艙體內(nèi)。艙體內(nèi)部不允許有容易產(chǎn)生電弧及火花的電氣設(shè)備或影響安全的設(shè)施。艙體要與車輛內(nèi)部密封，防止氫氣泄漏到其他環(huán)境中；艙體與外部環(huán)境通風(fēng)，保證氫氣泄漏后能夠及時(shí)地?cái)U(kuò)散到外部環(huán)境中去而不聚集。

3.2 儲存系統(tǒng)

儲存系統(tǒng)主要包括高壓氫氣瓶、組合瓶閥、壓力釋放裝置(Pressure Relief Device，簡稱PRD)屬于安全保護(hù)裝置，一旦動(dòng)作不可恢復(fù)以及必要的連接管路等。其主要功用是將加氫站注入的氫氣安全地儲存在高壓氫氣瓶中。

高壓氫氣瓶上安裝有組合瓶閥和PRD，其通過氣瓶固定卡帶安裝在固定支架上組成儲存模塊。在儲存模塊上設(shè)有2個(gè)靜電連接點(diǎn)，以方便將儲存模塊產(chǎn)生的靜電通過導(dǎo)線連接到靜電連接點(diǎn)上，然后通過整車將靜電釋放。

儲存模塊外部安裝有遮陽罩，遮陽罩可以避免陽光直射到氫氣瓶上，遮陽罩上設(shè)有通風(fēng)孔或百葉窗，當(dāng)氫氣發(fā)生泄漏時(shí)，氫氣可以通過通風(fēng)孔或百葉窗及時(shí)擴(kuò)散到大氣環(huán)境中，避免氫氣的聚集。為了方便系統(tǒng)檢修，在遮陽罩上還設(shè)有檢修門。

3.3 供給系統(tǒng)

供給系統(tǒng)主要包括電磁閥、減壓器、安全閥、過濾器、各種閥門、放散口及必要的連接管路等。其主要功用是安全地向燃料電池系統(tǒng)等用氫裝置提供潔凈的適用壓力的氫氣。

供給子系統(tǒng)內(nèi)的所有零部件均安裝在固定支架上組成供給模塊，模塊安裝在儲存模塊上。氫氣存儲系統(tǒng)和供給系統(tǒng)示意圖如4所示。

圖4 存儲系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)示意圖

3.4 泄露監(jiān)控系統(tǒng)

預(yù)警系統(tǒng)主要包括氫泄漏探頭以及必需的控制、報(bào)警裝置，也可以將預(yù)警信號輸送給整車控制器，由整車控制器發(fā)出預(yù)警命令。其主要功用是監(jiān)控氫的泄漏狀況，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)濃度達(dá)到預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí)發(fā)出預(yù)警信號。

4 氫氣加注方案

加注系統(tǒng)由低壓氫氣瓶組和高壓(35 MPa)氫氣儲存、加注系統(tǒng)組成。低壓氫氣瓶組和高壓(35 MPa)氫氣儲存、加注系統(tǒng)放置在危險(xiǎn)品專用運(yùn)輸車上。在需要加注時(shí)，載有加注系統(tǒng)的危險(xiǎn)品專用運(yùn)輸車輛駛進(jìn)加注場地，停放在被加注車輛旁對車輛進(jìn)行加注，加注完畢后駛離加注場地，減少對場地的占用并降低加注場地及周圍環(huán)境的安全隱患。

低壓氫氣瓶組為一套獨(dú)立的系統(tǒng)，每套低壓氫氣瓶組由6～10個(gè)小瓶組組成，每個(gè)較小瓶組由16～20支低壓氫氣瓶并聯(lián)組成。高壓氫氣瓶組和氫氣增壓系統(tǒng)組成一套獨(dú)立的高壓(35 MPa)氫氣儲存、加注系統(tǒng)，高壓氫氣瓶組由3只35 MPa、140 dm3的氫氣瓶并聯(lián)組成，其中包含了壓力表和控制閥門，增壓設(shè)備包含了氫氣增壓泵和控制閥門及儀表。該套系統(tǒng)可以通過手動(dòng)控制閥門的開關(guān)大小位置來控制氫氣加注的速度，從而實(shí)現(xiàn)氫氣的安全加注。具體加注方案示意圖如圖5所示。

圖5 加注方案示意圖

5 結(jié) 論

隨著環(huán)境污染問題和能源短缺問題的日益突出，新能源車輛成為世界各國的研究熱點(diǎn)，氫燃料電池系統(tǒng)以其高效率和近零排放被普遍認(rèn)為具有廣闊的發(fā)展前景。對燃料電池有軌電車的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和儲氫系統(tǒng)、高壓氣瓶及相關(guān)安全檢測等車載氫系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，針對某燃料電池有軌電車技術(shù)需求，提出了車載儲氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及氫氣加注方案，該方案基本達(dá)到了有軌電車安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等方面的設(shè)計(jì)要求。

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Design of Vehicle Hydrogen Storage System for Fuel Cell Tram

SHIJunjie,YUMiao,LIUNan

(Product Technical Research Center, CRRC Tangshan Co.,Ltd.,Tangshan 063035 Hebei, China)

Hydrogen fuel cell tram as a "pure green" means of transport, with its peculiar advantages of zero emission, no pollution, low noise; renewable energy and conversion efficiency higher has become the highlight of new era urban transportation development. In this paper, fuel cell trams development situation in domestic and abroad, and hydrogen storage systems, high-pressure gas cylinders and safety-related testing of hydrogen system technology are summarized. Based on this technology demand of fuel cell trams, it has proposed design schemes of vehicle hydrogen storage system and hydrogen refilling system.

fuel cell; trams; hydrogen storage system; refilling system

*國家科技支撐項(xiàng)目(2014BG08B02)

??)女，工程師(

2016-05-02)

1008-7842 (2016) 05-0110-05

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.26