氫燃料電池在現代有軌電車上的運用

云祉婷　張蕾蕾　黎妍　孫琪深

摘 要：隨著國家對環境保護日益重視，各行各業加快綠色低碳技術轉型的步伐。氫燃料電池是一種新興的清潔能源利用技術，在國家積極推廣燃料電池汽車和低碳燃料氫以助力交通運輸部門脫碳的背景下，氫燃料電池開始應用于現代有軌電車中。本文在對氫燃料電池有軌電車特性和性能進行分析的基礎之上，重點以具體案例為切入點闡述了氫燃料電池有軌電車主要系統構成情況，并提出了切實可行的建議，為交通行業綠色發展提供有價值的參考與借鑒。

關鍵詞：氫燃料電池；現代有軌電車；運用

1 引言

一直以來，我國以傳統化石能源作為主要的消費能源，但是隨著經濟發展步伐越來越快，為了實現可持續發展目標，就必須重視環境與經濟協調發展，大力度減少CO2的排放量，積極使用清潔燃料以及可再生能源，實現2030年碳達峰，2060年碳中和目標。在我國溫室氣體排放來源中，交通運輸行業的排放占總排放的10%左右，對我國整個碳中和進程影響深遠。為此，我國在《2030年前碳達峰行動方案》中明確指出，交通運輸領域要積極擴大燃料氫等新能源、清潔能源的應用范圍，進而取代燃油、天然氣等高碳排放化石燃料。[1]換言之，我國交通運輸行業要想更好的發展，需要逐漸向低碳轉型，這也是此行業未來發展必然趨勢。基于此，本文重點針對氫燃料電池在現代有軌電車上的運用進行分析，旨在為氫燃料電池有軌電車未來發展提供切實可行的建議。

2 氫燃料電池有軌電車的特性和性能

氫燃料電池屬于綠色能源技術，氫氣、氧氣在電化學反應作用下生成水（反應式：），氫能轉化為電能，整個轉化過程不會受到卡諾循環的局限性，具備了高效率、零污染、無噪音等優勢，被列入新型綠色能源名冊。[2]氫燃料電池工作示意圖具體見下圖所示。

當前我國很多城市已經開始在有軌電車運行中采用氫燃料電池技術，例如北京市、上海市、佛山市、鄭州市、張家口市等，示范項目的開展是為了解決傳統有軌電車接觸網架設、儲能有軌電車續航里程短等難題。氫燃料電池最為顯著的特點便是化學能向電能的轉化，整個過程未產生任何燃燒，具備了諸多優勢：一是氫燃料電池主要的燃料是氫氣，氫元素在自然界中較為廣泛，是目前地球儲備量最多的元素之一，在宇宙物質構成中的占比為75%左右；二是能量轉化時不會受到卡諾循環的局限性，具有較高的轉換率，一般情況下高達30%-55%左右，是普通內燃機熱效率的3倍左右；三是不會產生一氧化碳等有害有毒的物質，經過化學反應以后只生成水，既環保無污染，同時又起到了清潔作用；四是不使用任何運動部件，沒有噪音、振動及損耗，腐蝕性較低；五是可結合動力需求將模塊組合，操作極其簡單，維修保養更加方便快捷，自動化程度高。

3 氫燃料電池在現代有軌電車上國內外發展現狀

3.1 國外發展現狀

國外很多國家在有軌電車運行中對能源不斷改進，氫燃料電池應用時間較早，并且有著豐富的經驗，特別是歐洲國家氫燃料電池完全取代了柴油機，不僅實現了溫室氣體排放量的降低，而且空氣污染減少，降噪效果非常明顯。在2016年法國阿爾斯通公司推廣了氫燃料電池列車，速度提高至140 km/h，續航里程也高達600～800 km；在2018年德國開始示范運營氫燃料電池，2020年便實現了18萬km試運行目標，故障率明顯低于柴油機。[3]除此之外還有美國、日本、西班牙、法國等，氫燃料電池在有軌電車中的應用技術越來越成熟。

3.2 國內運用現狀

我國在與國內外企業積極合作過程中，結合我國國情，加快了氫燃料電池技術的研究，并且在很多城市進行試運行，以下詳細列出了最近幾年我國氫燃料電池在有軌電車中運用的具體情況，見下表1所示。

4 氫燃料電池在現代有軌電車上運用實例

隨著綠色出行在我國大范圍的推廣，現代有軌電車這一新型交通工具在各大城市廣泛應用，主要是由于其節能效果明顯，并且具備了較大的載運量、低成本、建設周期短、方便快捷等特點。此次研究為了更好的突出氫燃料電池在現代有軌電車中運用的優勢，以中車青島四方機車車輛股份有限公司研發的氫燃料電池有軌電車為例，詳細內容如下所示。

4.1 主要參數

此次研究的氫燃料電池有軌電車以100%低地板技術為核心，同時融入了同步永磁電機直驅、鉸接轉向架等先進手段；采用的是模塊式設計理念，對2至5輛車靈活編組，其中3輛編組較為常見；同時配備了4個35mpa的儲氫罐，加注氫氣時需要的時間為4min左右，加注一次可持續行駛100km，最佳運行狀態為70km/h。結合當前我國有軌電車線路平均行駛里程來計算，以15km為標準，氫燃料電池有軌電車每注入一次氫氣便可以實現往返三次。具體的技術參數見上表2所示。

4.2 氫氣供給系統

氫氣供給管理系統包含了高壓貯氫罐、一級減壓閥、二次減壓閥、引射器/噴射器、氫循環泵、氫氣加濕器、氣壓感應器、溫度傳感器和氫氣濃度感應器等，負責將氫氣運送至氫燃料電池中。在實際的氫燃料電池系統集成設計流程中，根據不同的狀況，氫氣供應子系統中的部分零件可以被移除。燃料電池工作過程中，為保證電極陽極側氫氣能夠在活性面積區域均勻地擴散，氣體必須要過量供應，而反應后過量的氫氣為免浪費不能直接排放，因此必須有循環裝置將其由出口再循環至入口處。常見的循環裝置主要包括主動形式的氫循環泵和被動形式的氫引射器。相比氫循環泵，氫引射器無移動元件、構造簡單、工作安全并且無寄生功率，是供燃料電池氫循環使用的最理想裝置。

4.3 水管理系統

氫電池工作過程中，一旦質子交換膜含水量過低，將不能高效傳輸質子，電堆特性降低，長期工作后甚至會造成質子交換膜的破裂，最后使動力電池不能工作。一旦質子交換膜含水率過高，會產生水淹，燃料電池也不能工作。所以進氣加濕器控制對燃料電池有關鍵作用。利用加濕器可對流入燃料電池電堆中反應氣體予以加濕，將質子交換膜含水率維持在最佳狀況是改善燃料電池特性的有效方法。另外低溫環境中，水管理系統還需要防止電堆結冰。水管理系統中還設有壓縮空氣加濕器和氫氣加濕器。空氣加濕器的水從水箱中經過加濕水泵進行供給，氫加濕器的水則來源于電堆的出口熱交換與陰極反應所產生的水分，而產生水透過汽水分離器經由焊制三通和出口熱交換相混合后一同流入氫加濕器。當電堆正常工作時，氫燃料電池系統利用濕度感應器和水流量計所傳回的信息，調節空氣加濕器的加濕水量和加濕水泵的流速，使質子交換膜保持良好的濕度狀況。

4.3 熱管理系統

氫燃料電池工作產生電能時，由于化學反應發生，也產生熱能。產生的熱能必須即時從電堆排出，否則造成升溫，將導致電堆無法工作，甚至造成過熱、起火等后果。在冷卻水循環部分，冷卻水首先從水槽中經過冷卻水泵流入電堆，流出后再流入氫氣加濕器中加濕氫氣，然后再經由散熱器散熱后流回到水槽內。此循環回路中，在電堆的熱交換進口、出口處和水槽中分別設有一個溫度傳感器，用于檢測電堆的熱交換溫度以及水槽內的溫度;在電堆前設有一個電導率感應器，以檢測進電堆的熱交換電導率。而由于進電堆的循環水需要有較小的電導率，需要用到大量的脫離子水，所以，在冷卻水泵出口處連接一個脫離子器。另外，因為水泵中的水位會不斷下降，所以，另外設置一個水位感應器。電堆正常工作時，控制系統通過從溫度傳感器、水流量計等傳回的信息，來調節冷卻水泵的流速和冷卻風機的速度，控制熱交換的進口水溫在70℃以下，出口溫度在80℃以下，以便保證電堆內的熱平衡，使電堆有效、平穩地工作。為保證安全性，冷卻水的電導率應該限制在0～4μS/cm，如果電導率感應器監測到冷卻水的電導率超出規定值時，控制器就會發送報警信號。

5 氫燃料電池在現代有軌電車上的運用建議

5.1 強化制氫技術攻關，降低氫氣燃料使用成本

氫燃料電池技術的大范圍推廣過程中，氫燃料成本的降低成為了關鍵，通過將氫燃料電池技術大規模的利用可以在很大程度上實現系統成本的降低。所以可以推進氫燃料電池技術產業化發展，在氫的制作、運輸、儲存以及加氫站建設方面加大力度，實現氫氣燃料使用成本的大幅度降低；同時將發展的核心放在碳捕獲以及封存技術研發方面，借助風能、水能、太陽能以及生物質能等多種可以再生且循環利用的能源優勢，推進了傳統谷電能大規模、集成化綠色制氫；結合目前國際先進水平2～3mg/cm2催化劑Pt載量、3.7美元/kg產氫成本這一關鍵指標，合理運用PEM電解槽制氫技術路線，不斷促進高溫固體氧化物電解水制氫技術的進一步改進與優化。

5.2 加快關鍵材料和核心組件的技術攻關與轉化應用

氫能生產以及利用成本的大幅度降低這一目標的實現需要綜合考慮氫燃料電池、電解水制氫等諸多層面，強化碳纖維紙/布、PEM、催化劑、GDL、BPs等重要材料、核心部件制備技術的研究力度，促進轉化與應用。這就需要打造以研究機構或者實驗室為基礎的與企業、產業園有效結合的創新模式，引導原創突破性研究成果積極引入到企業中，通過先行先試的方法驗證技術的可行性；條件允許的情況下，可以構建氫能產業園，重視產業群建設，擴大規模，降低氫燃料系統、氫氣成本技術性；給予自主研發企業大力支持，鼓勵其產品進入氫能產業園，國家級實驗平臺要給予企業產品論證、工況測試大力支持。同時強化社會資本的引入，加快儲運氫基礎設施建設的步伐，以項目試點、示范運營為依托，促進氫燃料電池產業化發展。

5.3 科學制定產業規劃，構建政策保障體系

針對氫能、氫燃料電池技術制定長遠發展計劃。其中關鍵節點在于技術創新與人才建設，在2021-2035年進一步強化氫燃料電池國家級專項課題的研究，保證經費的充足性，同時鼓勵專業團隊的加入。確保氫燃料電池產業化發展，給予土地、稅收、技術等方面的支持，引導企業積極從事氫燃料電池的研發及應用。構建技術標準體系，引導企業安全研發，并出臺關于氫站等一些基礎設施建設的安全標準以及車輛、發電站等應用場景中氫燃料電池系統技術及檢測標準，可以制定權威性的法律法規，最大限度縮短與氫燃料電池相關的項目審批、運營的時間。

6 結語

在現代有軌電車快速發展進程中，氫燃料電池能夠使其各種工況需求得到有效滿足，符合國家提倡的綠色環保理念，同時又具備了較高的性能，成本較低，安全性、可靠性更強。[5]但是時代在發展，有軌電車性能也需要進一步提升，氫燃料電池的技術水平也應該與時俱進，進而才能更好的滿足快速發展的交通行業提出的高要求。

參考文獻：

[1]康勁松，李鴻哲，馬源，周艷萍.氫燃料電池列車能量管理策略研究綜述[J].鐵道車輛，2023，61（02）：1-9+18.

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[3]李軍，劉建華，湯麗娟.氫能在軌道交通領域的應用前景研究[J].軌道交通裝備與技術，2023（01）：25-27+32.

[4]田長安，閻凱，賈紅洋.氫燃料電池系統及其在軌道交通領域中的應用[J].鐵道機車與動車，2022（12）：1-6+10+65.

[5]韓志業，張文元，高生嵐.700 kW氫燃料電池混合動力機車牽引電機設計研究[J].機械管理開發，2022，37（11）：1-2+5.