浅析氢能源在轨道交通领域的应用

熊玉姣

(郑州地铁集团有限公司，河南 郑州 450000)

1 氢能源轨道交通发展现状

随着氢燃料电池技术的发展，氢燃料电池系统也开始逐渐应用于轨道交通领域。当前，世界上多个国家已成功将氢能源应用于轨道交通。日本铁路公司在2006年完成了全球首台混合动力燃料电池列车研制，成功将内燃机列车过渡到燃料电池列车[1]。2007年，日本在研究氢燃料和锂电池混合动力系统过程中，成功研制出全球首台混合动力轨道列车，功率高达100 kW。美国BNSF铁路公司在2009年完成了1200 kW等级燃料电池调车机车的制造。法国阿尔斯通公司2016年已在柴油内燃机车上完成氢能源动力系统的改造，并于2018年投入商业运营。

我国青岛四方机车车辆股份有限公司2015年在有轨电车平台上使用氢能源动力系统，研制出了全球首列氢能源有轨电车。西南交通大学与唐山轨道客车有限责任公司在2016年合作研究了氢燃料电池系统，研发了氢燃料混合动力有轨电车。2017年青岛四方机车车辆股份有限公司研制的氢能源轨道电车竣工，并在2019年正式投用。当前，国内已开通的氢能源有轨电车线路有唐山示范线、佛山示范线，具体情况如表1。

表1 唐山示范线与佛山示范线对比表

2 氢能源列车工作原理

目前，大功率燃料电池的相关技术已经趋于成熟，城市轨道交通一定程度上已具备了在车辆上应用燃料电池的条件。相较于当前地面接触网式轨道交通，氢能源轨道交通通过搭载氢燃料电池系统，已完全具备了自主搭载车载动力源的功能，这就说明车辆可以不直接依赖地面接触网牵引供电，实现无网运行。

氢能源列车供电系统包含多个系统，主要有氢燃料电池系统、动力电池系统等(见图1)。氢燃料电池系统可以利用氢气与氧气作用后产生的电能为列车提供动力，包含燃料电池电堆和氢气供给与循环系统、氧气供给系统等配套辅机系统。燃料电池输出的电压一般为不稳定电压，在DC350～680 V范围内，因此需要通过DC/DC模块升压至稳定的DC750 V，才能实现燃料电池与动力电池共同为有轨电车供电。动力电池作为列车混合动力源之一，可在燃料电池未启动或故障时发挥作用，单独为列车提供动力。

图1 氢能源列车动力系统图

3 氢能源列车安全性

氢能源列车通过合理布局，增加防爆型组件、氢电隔离，以及设置保护装置等举措保证列车安全。

3.1 合理布局氢能源燃料系统零部件

氢能源燃料系统零部件需采取特殊布置，一般以集中安装、分区布置形式，将单向阀、加注接口、压力表等装置集中安装在控制面板上，将氢气瓶组、阀门和减压器安装在车辆的顶部，并在车辆顶部设置通风设备，将可能会泄露的氢气排出去，以保证氢气的浓度在可燃值之下。

3.2 增加防爆型组件

氢能源列车储氢系统和氢气阀需采用防爆型组件，主要包括防爆型温度传感器、电磁阀、压力传感器等。

3.3 实行氢电隔离

氢能源燃料系统为了保证安全，防止静电产生，通常要求系统内部实行氢电隔离，在可能产生氢气泄漏的关键区域防止产生静电、火花。

3.4 设置保护装置

氢能源燃料系统设置泄露传感器及氢气泄露释放阀，通过超压及超温保护装置的监测，设备超限可自动释放氢气，保证车辆安全。氢能源燃料系统还通过过流阀来限制氢气流量，以避免正常运营列车遇到突发情况导致氢气泄露造成无法挽回的安全事故。

4 氢能源列车优点

氢能源是一种清洁能源，具备来源广泛、氢气热值较高、能量密度较大、可电可燃、能储存、可再生、零污染等优点。因此，以氢能源为动力源之一的氢能源列车优势明显。

4.1 无污染、零排放

氢燃料电池以氢气和氧气为燃料，唯一产物是水，相比于内燃机发电不会释放有毒气体和粉尘等污染物。

4.2 自携带主动力源

传统轨道交通列车主要依赖地面接触网牵引供电，局限性较大。氢能源列车搭载车载氢燃料电池系统，可实现无网运行。

4.3 能量转换效率高

氢能源反应堆是通过氢气和氧气发生电化学反应，把化学能转化为电能，而反应堆中间不直接进行燃烧，因此氢能源的转换效率比传统的内燃机转换效率要高10%，最高可以达到50%。

4.4 震动和噪音低

氢燃料电池系统中的燃料电池电堆无运动部件，即使配备了空压机、水泵、散热器等转动部件，噪音和震动也明显比内燃机低得多。

5 氢能源发展制约因素

为加快氢能源在轨道交通行业的应用，应不断克服氢能源发展的制约因素，主要包括氢能源的制造、储存和安全标准。

5.1 制氢技术

当前，我国已掌握多种制氢技术，主要有水的电解、光解，以及传统能源和生物质的热化学重整技术等。其中电解水制氢是当前主流制氢技术，而光解水制氢效率较低，亟待进一步突破。

5.2 高密度储存

储氢材料储氢、低温液态储氢和高压气态储氢是当前三种主要的储氢方式。最常用的当属利用氢气和储氢材料之间发生物理、化学反应，将氢气转化为氢化物或者固溶体进行储存的储氢材料储氢，它具有储氢体积密度大等优势，但此种方式目前还存在一些技术上的障碍。低温液态储氢需要花费的金额较高，无法进行大范围应用。高压气态储氢体积比容量小，效率远不如储氢材料储氢[2]。

5.3 安全标准制定

当前，氢能源在轨道交通行业的应用还缺乏完善的安全标准，国家及相关部门应建立促进氢能源在轨道交通行业发展的政策体系，完善相关安全标准规范。

6 结论

氢能源技术在轨道交通领域的应用，不仅能帮助轨道交通摆脱外接牵引供电接触网，也能破解普通列车续航里程短的难题，但是氢能源有轨电车建设需要统筹考虑运力运能、城市景观需求、制氢加氢站规划等现实问题。因此，未来可在市域铁路、旅游观光线等新建低运量轨道交通项目中开展氢能源有轨电车的尝试，以逐步推进氢能源技术在轨道交通领域的应用。