云祉婷　張蕾蕾　黎妍　孫琪深

摘 要：隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視，各行各業(yè)加快綠色低碳技術(shù)轉(zhuǎn)型的步伐。氫燃料電池是一種新興的清潔能源利用技術(shù)，在國(guó)家積極推廣燃料電池汽車和低碳燃料氫以助力交通運(yùn)輸部門脫碳的背景下，氫燃料電池開始應(yīng)用于現(xiàn)代有軌電車中。本文在對(duì)氫燃料電池有軌電車特性和性能進(jìn)行分析的基礎(chǔ)之上，重點(diǎn)以具體案例為切入點(diǎn)闡述了氫燃料電池有軌電車主要系統(tǒng)構(gòu)成情況，并提出了切實(shí)可行的建議，為交通行業(yè)綠色發(fā)展提供有價(jià)值的參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池；現(xiàn)代有軌電車；運(yùn)用

1 引言

一直以來，我國(guó)以傳統(tǒng)化石能源作為主要的消費(fèi)能源，但是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐越來越快，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，就必須重視環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)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(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和目標(biāo)。在我國(guó)溫室氣體排放來源中，交通運(yùn)輸行業(yè)的排放占總排放的10%左右，對(duì)我國(guó)整個(gè)碳中和進(jìn)程影響深遠(yuǎn)。為此，我國(guó)在《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中明確指出，交通運(yùn)輸領(lǐng)域要積極擴(kuò)大燃料氫等新能源、清潔能源的應(yīng)用范圍，進(jìn)而取代燃油、天然氣等高碳排放化石燃料。[1]換言之，我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)要想更好的發(fā)展，需要逐漸向低碳轉(zhuǎn)型，這也是此行業(yè)未來發(fā)展必然趨勢(shì)?；诖?，本文重點(diǎn)針對(duì)氫燃料電池在現(xiàn)代有軌電車上的運(yùn)用進(jìn)行分析，旨在為氫燃料電池有軌電車未來發(fā)展提供切實(shí)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(shù)，氫氣、氧氣在電化學(xué)反應(yīng)作用下生成水（反應(yīng)式：），氫能轉(zhuǎn)化為電能，整個(gè)轉(zhuǎn)化過程不會(huì)受到卡諾循環(huán)的局限性，具備了高效率、零污染、無噪音等優(yōu)勢(shì)，被列入新型綠色能源名冊(cè)。[2]氫燃料電池工作示意圖具體見下圖所示。

當(dāng)前我國(guó)很多城市已經(jīng)開始在有軌電車運(yùn)行中采用氫燃料電池技術(shù)，例如北京市、上海市、佛山市、鄭州市、張家口市等，示范項(xiàng)目的開展是為了解決傳統(tǒng)有軌電車接觸網(wǎng)架設(shè)、儲(chǔ)能有軌電車?yán)m(xù)航里程短等難題。氫燃料電池最為顯著的特點(diǎn)便是化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化，整個(gè)過程未產(chǎn)生任何燃燒，具備了諸多優(yōu)勢(shì)：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(chǔ)備量最多的元素之一，在宇宙物質(zhì)構(gòu)成中的占比為75%左右；二是能量轉(zhuǎn)化時(shí)不會(huì)受到卡諾循環(huán)的局限性，具有較高的轉(zhuǎn)換率，一般情況下高達(dá)30%-55%左右，是普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的3倍左右；三是不會(huì)產(chǎn)生一氧化碳等有害有毒的物質(zhì)，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)以后只生成水，既環(huán)保無污染，同時(shí)又起到了清潔作用；四是不使用任何運(yùn)動(dòng)部件，沒有噪音、振動(dòng)及損耗，腐蝕性較低；五是可結(jié)合動(dòng)力需求將模塊組合，操作極其簡(jiǎn)單，維修保養(yǎng)更加方便快捷，自動(dòng)化程度高。

3 氫燃料電池在現(xiàn)代有軌電車上國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外很多國(guó)家在有軌電車運(yùn)行中對(duì)能源不斷改進(jìn)，氫燃料電池應(yīng)用時(shí)間較早，并且有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，特別是歐洲國(guó)家氫燃料電池完全取代了柴油機(jī)，不僅實(shí)現(xiàn)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(guó)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(xù)航里程也高達(dá)600～800 km；在2018年德國(guó)開始示范運(yùn)營(yíng)氫燃料電池，2020年便實(shí)現(xiàn)了18萬km試運(yùn)行目標(biāo)，故障率明顯低于柴油機(jī)。[3]除此之外還有美國(guó)、日本、西班牙、法國(guó)等，氫燃料電池在有軌電車中的應(yīng)用技術(shù)越來越成熟。

3.2 國(guó)內(nèi)運(yùn)用現(xiàn)狀

我國(guó)在與國(guó)內(nèi)外企業(yè)積極合作過程中，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，加快了氫燃料電池技術(shù)的研究，并且在很多城市進(jìn)行試運(yùn)行，以下詳細(xì)列出了最近幾年我國(guó)氫燃料電池在有軌電車中運(yùn)用的具體情況，見下表1所示。

4 氫燃料電池在現(xiàn)代有軌電車上運(yùn)用實(shí)例

隨著綠色出行在我國(guó)大范圍的推廣，現(xiàn)代有軌電車這一新型交通工具在各大城市廣泛應(yīng)用，主要是由于其節(jié)能效果明顯，并且具備了較大的載運(yùn)量、低成本、建設(shè)周期短、方便快捷等特點(diǎn)。此次研究為了更好的突出氫燃料電池在現(xiàn)代有軌電車中運(yùn)用的優(yōu)勢(shì)，以中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司研發(fā)的氫燃料電池有軌電車為例，詳細(xì)內(nèi)容如下所示。

4.1 主要參數(shù)

此次研究的氫燃料電池有軌電車以100%低地板技術(shù)為核心，同時(shí)融入了同步永磁電機(jī)直驅(qū)、鉸接轉(zhuǎn)向架等先進(jìn)手段；采用的是模塊式設(shè)計(jì)理念，對(duì)2至5輛車靈活編組，其中3輛編組較為常見；同時(shí)配備了4個(gè)35mpa的儲(chǔ)氫罐，加注氫氣時(shí)需要的時(shí)間為4min左右，加注一次可持續(xù)行駛100km，最佳運(yùn)行狀態(tài)為70km/h。結(jié)合當(dāng)前我國(guó)有軌電車線路平均行駛里程來計(jì)算，以15km為標(biāo)準(zhǔn)，氫燃料電池有軌電車每注入一次氫氣便可以實(shí)現(xiàn)往返三次。具體的技術(shù)參數(shù)見上表2所示。

4.2 氫氣供給系統(tǒng)

氫氣供給管理系統(tǒng)包含了高壓貯氫罐、一級(jí)減壓閥、二次減壓閥、引射器/噴射器、氫循環(huán)泵、氫氣加濕器、氣壓感應(yīng)器、溫度傳感器和氫氣濃度感應(yīng)器等，負(fù)責(zé)將氫氣運(yùn)送至氫燃料電池中。在實(shí)際的氫燃料電池系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)流程中，根據(jù)不同的狀況，氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)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(yáng)極側(cè)氫氣能夠在活性面積區(qū)域均勻地?cái)U(kuò)散，氣體必須要過量供應(yīng)，而反應(yīng)后過量的氫氣為免浪費(fèi)不能直接排放，因此必須有循環(huán)裝置將其由出口再循環(huán)至入口處。常見的循環(huán)裝置主要包括主動(dòng)形式的氫循環(huán)泵和被動(dòng)形式的氫引射器。相比氫循環(huán)泵，氫引射器無移動(dòng)元件、構(gòu)造簡(jiǎn)單、工作安全并且無寄生功率，是供燃料電池氫循環(huán)使用的最理想裝置。

4.3 水管理系統(tǒng)

氫電池工作過程中，一旦質(zhì)子交換膜含水量過低，將不能高效傳輸質(zhì)子，電堆特性降低，長(zhǎng)期工作后甚至?xí)斐少|(zhì)子交換膜的破裂，最后使動(dòng)力電池不能工作。一旦質(zhì)子交換膜含水率過高，會(huì)產(chǎn)生水淹，燃料電池也不能工作。所以進(jìn)氣加濕器控制對(duì)燃料電池有關(guān)鍵作用。利用加濕器可對(duì)流入燃料電池電堆中反應(yīng)氣體予以加濕，將質(zhì)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(huán)境中，水管理系統(tǒng)還需要防止電堆結(jié)冰。水管理系統(tǒng)中還設(shè)有壓縮空氣加濕器和氫氣加濕器?？諝饧訚衿鞯乃畯乃渲薪?jīng)過加濕水泵進(jìn)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(yīng)所產(chǎn)生的水分，而產(chǎn)生水透過汽水分離器經(jīng)由焊制三通和出口熱交換相混合后一同流入氫加濕器。當(dāng)電堆正常工作時(shí)，氫燃料電池系統(tǒng)利用濕度感應(yīng)器和水流量計(jì)所傳回的信息，調(diào)節(jié)空氣加濕器的加濕水量和加濕水泵的流速，使質(zhì)子交換膜保持良好的濕度狀況。

4.3 熱管理系統(tǒng)

氫燃料電池工作產(chǎn)生電能時(shí)，由于化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，也產(chǎn)生熱能。產(chǎn)生的熱能必須即時(shí)從電堆排出，否則造成升溫，將導(dǎo)致電堆無法工作，甚至造成過熱、起火等后果。在冷卻水循環(huán)部分，冷卻水首先從水槽中經(jīng)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(jīng)由散熱器散熱后流回到水槽內(nèi)。此循環(huán)回路中，在電堆的熱交換進(jìn)口、出口處和水槽中分別設(shè)有一個(gè)溫度傳感器，用于檢測(cè)電堆的熱交換溫度以及水槽內(nèi)的溫度;在電堆前設(shè)有一個(gè)電導(dǎo)率感應(yīng)器，以檢測(cè)進(jìn)電堆的熱交換電導(dǎo)率。而由于進(jìn)電堆的循環(huán)水需要有較小的電導(dǎo)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(gè)脫離子器。另外，因?yàn)樗弥械乃粫?huì)不斷下降，所以，另外設(shè)置一個(gè)水位感應(yīng)器。電堆正常工作時(shí)，控制系統(tǒng)通過從溫度傳感器、水流量計(jì)等傳回的信息，來調(diào)節(jié)冷卻水泵的流速和冷卻風(fēng)機(jī)的速度，控制熱交換的進(jìn)口水溫在70℃以下，出口溫度在80℃以下，以便保證電堆內(nèi)的熱平衡，使電堆有效、平穩(wěn)地工作。為保證安全性，冷卻水的電導(dǎo)率應(yīng)該限制在0～4μS/cm，如果電導(dǎo)率感應(yīng)器監(jiān)測(cè)到冷卻水的電導(dǎo)率超出規(guī)定值時(shí)，控制器就會(huì)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

5 氫燃料電池在現(xiàn)代有軌電車上的運(yùn)用建議

5.1 強(qiáng)化制氫技術(shù)攻關(guān)，降低氫氣燃料使用成本

氫燃料電池技術(shù)的大范圍推廣過程中，氫燃料成本的降低成為了關(guān)鍵，通過將氫燃料電池技術(shù)大規(guī)模的利用可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本的降低。所以可以推進(jìn)氫燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，在氫的制作、運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及加氫站建設(shè)方面加大力度，實(shí)現(xiàn)氫氣燃料使用成本的大幅度降低；同時(shí)將發(fā)展的核心放在碳捕獲以及封存技術(shù)研發(fā)方面，借助風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能以及生物質(zhì)能等多種可以再生且循環(huán)利用的能源優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)了傳統(tǒng)谷電能大規(guī)模、集成化綠色制氫；結(jié)合目前國(guó)際先進(jìn)水平2～3mg/cm2催化劑Pt載量、3.7美元/kg產(chǎn)氫成本這一關(guān)鍵指標(biāo)，合理運(yùn)用PEM電解槽制氫技術(shù)路線，不斷促進(jìn)高溫固體氧化物電解水制氫技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)與優(yōu)化。

5.2 加快關(guān)鍵材料和核心組件的技術(shù)攻關(guān)與轉(zhuǎn)化應(yīng)用

氫能生產(chǎn)以及利用成本的大幅度降低這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要綜合考慮氫燃料電池、電解水制氫等諸多層面，強(qiáng)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(shù)的研究力度，促進(jìn)轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。這就需要打造以研究機(jī)構(gòu)或者實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)的與企業(yè)、產(chǎn)業(yè)園有效結(jié)合的創(chuàng)新模式，引導(dǎo)原創(chuàng)突破性研究成果積極引入到企業(yè)中，通過先行先試的方法驗(yàn)證技術(shù)的可行性；條件允許的情況下，可以構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)園，重視產(chǎn)業(yè)群建設(shè)，擴(kuò)大規(guī)模，降低氫燃料系統(tǒng)、氫氣成本技術(shù)性；給予自主研發(fā)企業(yè)大力支持，鼓勵(lì)其產(chǎn)品進(jìn)入氫能產(chǎn)業(yè)園，國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要給予企業(yè)產(chǎn)品論證、工況測(cè)試大力支持。同時(shí)強(qiáng)化社會(huì)資本的引入，加快儲(chǔ)運(yùn)氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的步伐，以項(xiàng)目試點(diǎn)、示范運(yùn)營(yíng)為依托，促進(jìn)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

5.3 科學(xué)制定產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，構(gòu)建政策保障體系

針對(duì)氫能、氫燃料電池技術(shù)制定長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展計(jì)劃。其中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在于技術(shù)創(chuàng)新與人才建設(shè)，在2021-2035年進(jìn)一步強(qiáng)化氫燃料電池國(guó)家級(jí)專項(xiàng)課題的研究，保證經(jīng)費(fèi)的充足性，同時(shí)鼓勵(lì)專業(yè)團(tuán)隊(duì)的加入。確保氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，給予土地、稅收、技術(shù)等方面的支持，引導(dǎo)企業(yè)積極從事氫燃料電池的研發(fā)及應(yīng)用。構(gòu)建技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，引導(dǎo)企業(yè)安全研發(fā)，并出臺(tái)關(guān)于氫站等一些基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的安全標(biāo)準(zhǔn)以及車輛、發(fā)電站等應(yīng)用場(chǎng)景中氫燃料電池系統(tǒng)技術(shù)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，可以制定權(quán)威性的法律法規(guī)，最大限度縮短與氫燃料電池相關(guān)的項(xiàng)目審批、運(yùn)營(yíng)的時(shí)間。

6 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代有軌電車快速發(fā)展進(jìn)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(guó)家提倡的綠色環(huán)保理念，同時(shí)又具備了較高的性能，成本較低，安全性、可靠性更強(qiáng)。[5]但是時(shí)代在發(fā)展，有軌電車性能也需要進(jìn)一步提升，氫燃料電池的技術(shù)水平也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，進(jìn)而才能更好的滿足快速發(fā)展的交通行業(yè)提出的高要求。

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