【有轨电车】氢燃料电池在现代有轨电车上的应用

来源：上海有轨电车工程技术中心

内容提要：氢燃料电池现代有轨电车具有无接触网､零污染､亲环境､静音､易维护等优势,其成功研制为应对城市拥堵和节能减排提供了新的解决方案,同时填补了氢燃料电池技术在现代有轨电车上应用的空白｡

1 氢燃料电池技术特点

氢燃料电池作为一种新的绿色能源技术,通过电化学反应直接转化为电能,转化过程不受卡诺循环限制,具有能量转换效率高､零污染､无噪声､结构模块化､比功率高等优点,既可用于集中供电,又适用于分散供电,被誉为21世纪最有前途的绿色能源｡

1.1 氢燃料电池工作原理

氢燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置,其单体结构主要由阳极､阴极､质子交换膜和双极板组成,其中阳极为氢电极,阴极为氧电极,两电极间是电解质｡氢燃料电池的工作原理见图1,其中燃料是指氢气,反应物质(氢气､氧气)在电化学反应过程中不断地被消耗从而产生电能｡

图1 氢燃料电池工作原理图

1.2 氢燃料电池工作原理

氢燃料电池将化学能转化为电能,不发生燃烧过程,具有以下优势：

(1)氢燃料电池的燃料氢气中氢元素的来源广泛,占宇宙物质构成的75%,是地球上储量最多的元素之一;

(2)能量转化过程不受卡诺循环限制,转换效率高,可达到32%~54%,为普通内燃机热效率的2~3倍;

(3)唯一反应生成物是水,不产生一氧化碳等有害物质,清洁､环保､无污染;

(4)无运动电极部件,无噪声,无振动,无损耗,低腐蚀;

(5)可根据动力需求采用“搭积木”方式进行模块化组合,操作简单,维保方便,易实现自动化｡

2 氢燃料电池有轨电车主要系统构成

现代有轨电车作为一种新型绿色的公共交通方式,具有节能环保､载运量大､舒适便捷､建设周期短､成本低､适应性强等特点｡2015年3月19日,中车青岛四方机车车辆股份有限公司研制的世界首列氢燃料电池有轨电车下线｡该车采用模块化设计,有效结合氢燃料电池与现代有轨电车的优点,不仅解决了常规有轨电车需架设接触网以及普通储能式有轨电车续航里程短的“瓶颈”问题,而且不影响城市景观,无需沿途设置充电站,节约了整体投资成本｡

2.1 主要参数

氢燃料电池有轨电车采用100%低地板技术,应用同步永磁电机直驱和铰接转向架2项世界领先技术;使用模块化设计,可进行2~5辆车的灵活编组,目前设计为3辆编组;可搭载4个35mpa储氢罐,氢气加注时间为3~5min,每次加注后可持续行驶100km,最高运行速度可达70km/h｡按照目前国内有轨电车线路平均行驶15km的里程计算,氢燃料电池有轨电车加注1次氢气,至少可以往返3次｡氢燃料电池有轨电车的主要技术参数见表1｡

表1 氢燃料电池有轨电车主要技术参数

2.2 动力系统

氢燃料电池有轨电车采用“氢燃料电池+动力电池+超级电容器”的动力系统(图2)｡氢燃料电池承担稳态功率需求(直流分量),储能系统承担动态功率需求(交流分量),既可减小氢燃料电池输出功率变化速率,又可避免氢燃料电池载荷的大幅度波动,使氢燃料电池在相对稳定工况下工作,减缓由于行驶过程中频繁变载引起催化剂的加速衰减,有利于氢燃料电池的可靠､稳定运行,延长电堆单元寿命｡

图2 氢燃料电池有轨电车动力系统结构

系统中,氢燃料电池是主动力源,动力电池和超级电容器是辅助动力源｡氢燃料电池直接连接母线,能够在平稳行驶阶段为氢燃料电池有轨电车提供均衡动力,同时对储能电池充电｡

2.2.1 氢燃料电池系统

氢燃料电池采用的质子交换膜燃料电池(pemfc)由多个电堆单元组成,通过将管路传送过来的氢气与空气中的氧气通过质子膜进行化学反应来产生电能,以满足氢燃料电池有轨电车运行的需求｡氢燃料电池系统包括氢气管理､空气管理､水管理､冷却管理等子系统,还包括空气压缩机､滤清器､加湿系统､低温保护系统､低温启动系统以及相关的控制器件,系统构成见图3｡

图3 氢燃料电池系统构成

2.2.2 储能系统

氢燃料电池有轨电车整车最大需求功率为750kw,通过增加氢燃料电池电堆单元数量的方式难以满足氢燃料电池有轨电车的需求,在此条件下,配备储能系统(图4)以辅助氢燃料电池有轨电车动力系统在牵引加速阶段提供足够的能量,同时在减速､制动阶段通过DC/DC变换器实现再生能量的回收,避免能量的浪费｡

图4 氢燃料电池有轨电车储能系统

2.2.3 DC/DC变换器装置

DC/DC变换器装置的主要作用是将氢燃料电池反应输出的DC 350~680v电压进行升压,提高到符合氢燃料电池有轨电车额定DC 750v牵引电压,从而为主变流器供电和蓄电池充电｡DC/DC变换器装置(图5)内部采用4个隔离DC/DC变换器并联,能够减少DC/DC变换器装置的体积和质量,提高其工作效率｡

图5 氢燃料电池有轨电车dc/dc变换器装置

2.3 车载储氢系统

车载储氢系统主要存储氢燃料电池有轨电车在运行过程中氢燃料电池进行化学反应所需要的氢气,其容量的多少直接关系到氢燃料电池有轨电车的行驶里程｡目前氢气的存储方式主要采用高压气态储氢罐,配备的是4个35 mpa储氢罐,采用铝制内胆外面缠绕碳纤维的结构(图6),4个储氢罐总容积为0.56m3,总储存量为12.78kg,可供有轨电车运行70km,通过地面配套的加氢设施可实现3~5min快速充氢,能够满足氢燃料电池有轨电车的使用要求｡

图6 氢燃料电池有轨电车车载储氢系统

3 氢燃料电池有轨电车的试验情况

3.1 氢气消耗

常温常压条件下,在试验前后分别对氢燃料电池有轨电车的储氢罐进行了数据测试并采集,结果表明储氢罐初始压力为33.5mpa,终止压力为2.4mpa,压力下降了31.1mpa｡在空调未开启的情况下,氢燃料电池有轨电车行驶里程为70.848km,平均耗氢量为0.167kg/km;在空调处于通风状态时,氢燃料电池有轨电车行驶里程为63.88km,平均耗氢量为0.183kg/km｡

3.2 氢燃料电池工作情况

对氢燃料电池有轨电车在“加速—匀速行驶—制动”的工况下进行测试,图7为氢燃料电池功率与车速曲线对应关系｡

图7 氢燃料电池功率与车速曲线对应关系

经过分析,氢燃料电池有轨电车处于加速状态时,功率需求较大,氢燃料电池功率跟随需求功率而逐渐提高,但氢燃料电池功率提高需一定的时间周期,因而限制了氢燃料电池有轨电车的动力性能,此时需要动力电池和超级电容器按照电压控制设计要求进行功率补充,从而达到氢燃料电池有轨电车的功率需求;当氢燃料电池功率达到额定功率150kw 或最大输出电流320A,即氢燃料电池的极限工作条件时,根据保护电路的设计要求进行氢燃料电池降载,氢燃料电池功率处于调整的波动状态;在匀速行驶阶段,氢燃料电池的功率稳定,由于超级电容器加速过程中功率消耗较大,电量较低,不再提供额外功率,动力电池根据电压匹配关系提供较小功率;在减速､制动阶段,氢燃料电池功率有一段波动期,然后稳定在一个功率点,能够应对整车附件系统负载功率,此时动力电池为超级电容器进行充电,在动力电池无法满足下一运行周期时,氢燃料电池将会对动力电池进行充电,充电过程中DC/DC转换器效率为88%｡

4 结语

氢燃料电池有轨电车完全可以满足现代有轨电车的各种工况需求,既可满足绿色环保要求,又能避免接触网式有轨电车带来的安全和城市景观问题,实现了无架空接触网牵引供电方式,是现代有轨电车可持续发展的现实需求,也是现代有轨电车牵引供电的发展方向｡随着氢燃料电池技术和储能系统技术进步所带来的性能提升和成本下降,以及能量分配和管理策略等系统进一步优化,氢燃料电池有轨电车的安全性､可靠性和经济性将得到快速提升｡

来源：陈燕荣,王晓波.氢燃料电池在现代有轨电车上的应用[J].铁道车辆,2017,55(04):14-17+4

图文：赵墨林 编辑：季登极

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