氢燃料电池在现代有轨电车上的运用

云祉婷　张蕾蕾　黎妍　孙琪深

摘 要：随着国家对环境保护日益重视，各行各业加快绿色低碳技术转型的步伐。氢燃料电池是一种新兴的清洁能源利用技术，在国家积极推广燃料电池汽车和低碳燃料氢以助力交通运输部门脱碳的背景下，氢燃料电池开始应用于现代有轨电车中。本文在对氢燃料电池有轨电车特性和性能进行分析的基础之上，重点以具体案例为切入点阐述了氢燃料电池有轨电车主要系统构成情况，并提出了切实可行的建议，为交通行业绿色发展提供有价值的参考与借鉴。

关键词：氢燃料电池；现代有轨电车；运用

1 引言

一直以来，我国以传统化石能源作为主要的消费能源，但是随着经济发展步伐越来越快，为了实现可持续发展目标，就必须重视环境与经济协调发展，大力度减少CO2的排放量，积极使用清洁燃料以及可再生能源，实现2030年碳达峰，2060年碳中和目标。在我国温室气体排放来源中，交通运输行业的排放占总排放的10%左右，对我国整个碳中和进程影响深远。为此，我国在《2030年前碳达峰行动方案》中明确指出，交通运输领域要积极扩大燃料氢等新能源、清洁能源的应用范围，进而取代燃油、天然气等高碳排放化石燃料。[1]换言之，我国交通运输行业要想更好的发展，需要逐渐向低碳转型，这也是此行业未来发展必然趋势。基于此，本文重点针对氢燃料电池在现代有轨电车上的运用进行分析，旨在为氢燃料电池有轨电车未来发展提供切实可行的建议。

2 氢燃料电池有轨电车的特性和性能

氢燃料电池属于绿色能源技术，氢气、氧气在电化学反应作用下生成水（反应式：），氢能转化为电能，整个转化过程不会受到卡诺循环的局限性，具备了高效率、零污染、无噪音等优势，被列入新型绿色能源名册。[2]氢燃料电池工作示意图具体见下图所示。

当前我国很多城市已经开始在有轨电车运行中采用氢燃料电池技术，例如北京市、上海市、佛山市、郑州市、张家口市等，示范项目的开展是为了解决传统有轨电车接触网架设、储能有轨电车续航里程短等难题。氢燃料电池最为显著的特点便是化学能向电能的转化，整个过程未产生任何燃烧，具备了诸多优势：一是氢燃料电池主要的燃料是氢气，氢元素在自然界中较为广泛，是目前地球储备量最多的元素之一，在宇宙物质构成中的占比为75%左右；二是能量转化时不会受到卡诺循环的局限性，具有较高的转换率，一般情况下高达30%-55%左右，是普通内燃机热效率的3倍左右；三是不会产生一氧化碳等有害有毒的物质，经过化学反应以后只生成水，既环保无污染，同时又起到了清洁作用；四是不使用任何运动部件，没有噪音、振动及损耗，腐蚀性较低；五是可结合动力需求将模块组合，操作极其简单，维修保养更加方便快捷，自动化程度高。

3 氢燃料电池在现代有轨电车上国内外发展现状

3.1 国外发展现状

国外很多国家在有轨电车运行中对能源不断改进，氢燃料电池应用时间较早，并且有着丰富的经验，特别是欧洲国家氢燃料电池完全取代了柴油机，不仅实现了温室气体排放量的降低，而且空气污染减少，降噪效果非常明显。在2016年法国阿尔斯通公司推广了氢燃料电池列车，速度提高至140 km/h，续航里程也高达600～800 km；在2018年德国开始示范运营氢燃料电池，2020年便实现了18万km试运行目标，故障率明显低于柴油机。[3]除此之外还有美国、日本、西班牙、法国等，氢燃料电池在有轨电车中的应用技术越来越成熟。

3.2 国内运用现状

我国在与国内外企业积极合作过程中，结合我国国情，加快了氢燃料电池技术的研究，并且在很多城市进行试运行，以下详细列出了最近几年我国氢燃料电池在有轨电车中运用的具体情况，见下表1所示。

4 氢燃料电池在现代有轨电车上运用实例

随着绿色出行在我国大范围的推广，现代有轨电车这一新型交通工具在各大城市广泛应用，主要是由于其节能效果明显，并且具备了较大的载运量、低成本、建设周期短、方便快捷等特点。此次研究为了更好的突出氢燃料电池在现代有轨电车中运用的优势，以中车青岛四方机车车辆股份有限公司研发的氢燃料电池有轨电车为例，详细内容如下所示。

4.1 主要参数

此次研究的氢燃料电池有轨电车以100%低地板技术为核心，同时融入了同步永磁电机直驱、铰接转向架等先进手段；采用的是模块式设计理念，对2至5辆车灵活编组，其中3辆编组较为常见；同时配备了4个35mpa的储氢罐，加注氢气时需要的时间为4min左右，加注一次可持续行驶100km，最佳運行状态为70km/h。结合当前我国有轨电车线路平均行驶里程来计算，以15km为标准，氢燃料电池有轨电车每注入一次氢气便可以实现往返三次。具体的技术参数见上表2所示。

4.2 氢气供给系统

氢气供给管理系统包含了高压贮氢罐、一级减压阀、二次减压阀、引射器/喷射器、氢循环泵、氢气加湿器、气压感应器、温度传感器和氢气浓度感应器等，负责将氢气运送至氢燃料电池中。在实际的氢燃料电池系统集成设计流程中，根据不同的状况，氢气供应子系统中的部分零件可以被移除。燃料电池工作过程中，为保证电极阳极侧氢气能够在活性面积区域均匀地扩散，气体必须要过量供应，而反应后过量的氢气为免浪费不能直接排放，因此必须有循环装置将其由出口再循环至入口处。常见的循环装置主要包括主动形式的氢循环泵和被动形式的氢引射器。相比氢循环泵，氢引射器无移动元件、构造简单、工作安全并且无寄生功率，是供燃料电池氢循环使用的最理想装置。

4.3 水管理系统

氢电池工作过程中，一旦质子交换膜含水量过低，将不能高效传输质子，电堆特性降低，长期工作后甚至会造成质子交换膜的破裂，最后使动力电池不能工作。一旦质子交换膜含水率过高，会产生水淹，燃料电池也不能工作。所以进气加湿器控制对燃料电池有关键作用。利用加湿器可对流入燃料电池电堆中反应气体予以加湿，将质子交换膜含水率维持在最佳状况是改善燃料电池特性的有效方法。另外低温环境中，水管理系统还需要防止电堆结冰。水管理系统中还设有压缩空气加湿器和氢气加湿器。空气加湿器的水从水箱中经过加湿水泵进行供给，氢加湿器的水则来源于电堆的出口热交换与阴极反应所产生的水分，而产生水透过汽水分离器经由焊制三通和出口热交换相混合后一同流入氢加湿器。当电堆正常工作时，氢燃料电池系统利用湿度感应器和水流量计所传回的信息，调节空气加湿器的加湿水量和加湿水泵的流速，使质子交换膜保持良好的湿度状况。

4.3 热管理系统

氢燃料电池工作产生电能时，由于化学反应发生，也产生热能。产生的热能必须即时从电堆排出，否则造成升温，将导致电堆无法工作，甚至造成过热、起火等后果。在冷却水循环部分，冷却水首先从水槽中经过冷却水泵流入電堆，流出后再流入氢气加湿器中加湿氢气，然后再经由散热器散热后流回到水槽内。此循环回路中，在电堆的热交换进口、出口处和水槽中分别设有一个温度传感器，用于检测电堆的热交换温度以及水槽内的温度;在电堆前设有一个电导率感应器，以检测进电堆的热交换电导率。而由于进电堆的循环水需要有较小的电导率，需要用到大量的脱离子水，所以，在冷却水泵出口处连接一个脱离子器。另外，因为水泵中的水位会不断下降，所以，另外设置一个水位感应器。电堆正常工作时，控制系统通过从温度传感器、水流量计等传回的信息，来调节冷却水泵的流速和冷却风机的速度，控制热交换的进口水温在70℃以下，出口温度在80℃以下，以便保证电堆内的热平衡，使电堆有效、平稳地工作。为保证安全性，冷却水的电导率应该限制在0～4μS/cm，如果电导率感应器监测到冷却水的电导率超出规定值时，控制器就会发送报警信号。

5 氢燃料电池在现代有轨电车上的运用建议

5.1 强化制氢技术攻关，降低氢气燃料使用成本

氢燃料电池技术的大范围推广过程中，氢燃料成本的降低成为了关键，通过将氢燃料电池技术大规模的利用可以在很大程度上实现系统成本的降低。所以可以推进氢燃料电池技术产业化发展，在氢的制作、运输、储存以及加氢站建设方面加大力度，实现氢气燃料使用成本的大幅度降低；同时将发展的核心放在碳捕获以及封存技术研发方面，借助风能、水能、太阳能以及生物质能等多种可以再生且循环利用的能源优势，推进了传统谷电能大规模、集成化绿色制氢；结合目前国际先进水平2～3mg/cm2催化剂Pt载量、3.7美元/kg产氢成本这一关键指标，合理运用PEM电解槽制氢技术路线，不断促进高温固体氧化物电解水制氢技术的进一步改进与优化。

5.2 加快关键材料和核心组件的技术攻关与转化应用

氢能生产以及利用成本的大幅度降低这一目标的实现需要综合考虑氢燃料电池、电解水制氢等诸多层面，强化碳纤维纸/布、PEM、催化剂、GDL、BPs等重要材料、核心部件制备技术的研究力度，促进转化与应用。这就需要打造以研究机构或者实验室为基础的与企业、产业园有效结合的创新模式，引导原创突破性研究成果积极引入到企业中，通过先行先试的方法验证技术的可行性；条件允许的情况下，可以构建氢能产业园，重视产业群建设，扩大规模，降低氢燃料系统、氢气成本技术性；给予自主研发企业大力支持，鼓励其产品进入氢能产业园，国家级实验平台要给予企业产品论证、工况测试大力支持。同时强化社会资本的引入，加快储运氢基础设施建设的步伐，以项目试点、示范运营为依托，促进氢燃料电池产业化发展。

5.3 科学制定产业规划，构建政策保障体系

针对氢能、氢燃料电池技术制定长远发展计划。其中关键节点在于技术创新与人才建设，在2021-2035年进一步强化氢燃料电池国家级专项课题的研究，保证经费的充足性，同时鼓励专业团队的加入。确保氢燃料电池产业化发展，给予土地、税收、技术等方面的支持，引导企业积极从事氢燃料电池的研发及应用。构建技术标准体系，引导企业安全研发，并出台关于氢站等一些基础设施建设的安全标准以及车辆、发电站等应用场景中氢燃料电池系统技术及检测标准，可以制定权威性的法律法规，最大限度缩短与氢燃料电池相关的项目审批、运营的时间。

6 结语

在现代有轨电车快速发展进程中，氢燃料电池能够使其各种工况需求得到有效满足，符合国家提倡的绿色环保理念，同时又具备了较高的性能，成本较低，安全性、可靠性更强。[5]但是时代在发展，有轨电车性能也需要进一步提升，氢燃料电池的技术水平也应该与时俱进，进而才能更好的满足快速发展的交通行业提出的高要求。

参考文献：

[1]康劲松，李鸿哲，马源，周艳萍.氢燃料电池列车能量管理策略研究综述[J].铁道车辆，2023，61（02）：1-9+18.

[2]任志勇.氢燃料电池混合动力机车运行考核试验过程中主要系统性能优化[J].铁道机车与动车，2023（04）：7-9+15.

[3]李军，刘建华，汤丽娟.氢能在轨道交通领域的应用前景研究[J].轨道交通装备与技术，2023（01）：25-27+32.

[4]田长安，阎凯，贾红洋.氢燃料电池系统及其在轨道交通领域中的应用[J].铁道机车与动车，2022（12）：1-6+10+65.

[5]韩志业，张文元，高生岚.700 kW氢燃料电池混合动力机车牵引电机设计研究[J].机械管理开发，2022，37（11）：1-2+5.