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世界首列氫燃料混合動力有軌電車在中車唐山下線 核心技術源自西南交大

點擊：  作者：軌道世界    來源：軌道世界  發布時間:2016-04-30 13:53:07

 

     

【導讀】世界首列氫燃料混合動力有軌電車研制成功 | 核心技術源自西南交大。

 

4月27日，由西南交通大學作為項目主持單位承擔的國家“十二五”科技支撐計劃項目“燃料電池/超級電容混合動力100%低地板有軌電車研制”取得重要成果。

 

歷時兩年多，項目研制的世界首列氫燃料混合動力有軌電車在中國中車唐山公司正式下線！首次突破燃料電池/超級電容混合動力有軌電車牽引和控制的一系列關鍵技術，在全球首次采用氫燃料電池/超級電容混合動力系統牽引驅動，真正實現二氧化碳與污染物“零排放”。

 

氫燃料電池技術是利用氫氧電化學反應發電的新興技術，發電效率高，副產物只有水，是理想的未來交通能源技術。西南交通大學電氣工程學院陳維榮教授帶領的新能源技術與應用團隊，從2008年開始，率先在國內開展了燃料電池技術在軌道交通領域的應用研究，并于2013年1月研制成功國內第一輛燃料電池電動機車。

 

    2013年，西南交通大學聯合中車唐山公司提出的“燃料電池/超級電容混合動力100%低地板有軌電車研制項目”獲得科技部國家科技支撐計劃項目支持，西南交通大學負責燃料電池混合動力系統研制，中車唐山公司負責整車研制與生產。

 

    歷經兩年攻關，首次掌握并突破了燃料電池/超級電容混合動力有軌電車牽引和控制的一系列關鍵技術，在全球首次采用氫燃料電池/超級電容混合動力系統牽引驅動，填補了該領域的空白，真正實現了二氧化碳與污染物的“零排放”。

 

 

    這神奇的過程是怎么做到的？

 

氫燃料

 

是全球新型清潔能源開發利用的主流方向之一。氫燃料電池通過氫與氧的直接電化學反應發電，是電解水的逆過程，發電后的反應終產物只有水和余熱，環境友好。

 

 

▲氫燃料電池技術原理圖

 

以氫燃料電池為動力的城市軌道交通車輛，以其特有的零排放、無污染、低噪聲、能源可再生、轉化效率高等優勢成為新時代城市交通發展的亮點，不僅解決了常規有軌電車需架設接觸網、普通儲能式有軌電車續航里程短等“瓶頸”問題，而且車載氫燃料電池能量密度高，整個反應過程最高溫度不超過100℃，不產生氮氧化合物，惟一產物是水，做到最極致的“無污染、零排放”環保標準，體現了科技與創新的高度統一。

 

 

在燃料電池/超級電容混合動力有軌電車的聯合開發過程中，中車唐山公司與西南交通大學按照實用型接觸網有軌電車要求，對動力系統和整車進行了全新設計，動力、儲能、制動、輪軸、風擋鉸接等大部分設備和車體均為國產，完全掌握了燃料電池控制、多源燃料電池混合動力系統能量管理、牽引網絡控制等核心技術。

 

首創了動力電池箱綜合冷卻、燃料電池系統余熱利用等國際領先技術，完全滿足軸重、加速度、平穩度、最高速度、載客量等指標。燃料電池有軌電車采用防爆型儲氫裝置、泄露傳感器、溫度控制器和泄露釋放閥，設有智能檢測系統進行兩級保護。在車輛控制、節能和安全技術等方面達到世界最高水平，已申報中國發明專利50余項。

 

燃料電池混合動力有軌電車采用2動1拖３輛編組，設乘客座位66個，殘疾人輪椅區2個，最大載客量336人，可根據用戶需求靈活調整編組和載客量。車輛采用世界最先進的100%低地板技術，車廂地板距軌面高度僅0.35米，無需站臺，乘客抬腳即可輕松搭乘。車輛曲線通過能力強，最小轉彎半徑僅19米，可沿現有城市道路直接鋪設軌道，在地面行駛和停靠。車輛設置有無線wifi網絡系統，方便乘客了解出行信息或者提供互聯網接入服務。車輛配置的無線數據傳輸系統，可以實現列車網絡控制系統和地面服務器之間無線數據上傳和下載，便于進行車輛狀態監控和維護。

 

 

這列商用型有軌電車采用多套燃料電池、多套儲能系統設計，動力系統冗余度高，啟動加速快，安全可靠。一次快速加氫只需15分鐘，可持續行駛40公里以上，最高運行時速70公里。車輛利用超級電容的大功率充放電特性，配合燃料電池起動加速，由高儲能密度的燃料電池作為牽引電源，可以最高時速持續運行。車輛制動、停站時，由燃料電池和制動能量回收系統為超級電容和蓄電池充電，制動能量回收率可達30%以上。車輛入庫時，由蓄電池提供車輛控制、照明和通訊所需電能。

 

燃料電池混合動力有軌電車全線無接觸網運營，不影響城市景觀，也無需沿途設置充電站，工期短、無污染、零排放，線路整體建設成本比第三軌和儲能式有軌電車節省3000萬元/公里以上。這種有軌電車交通系統，具有經濟可靠、維護費用低等特點，優于現有的快速公交系統，兼備城市觀光功能，是未來城市軌道交通的新選擇。

 

 　　1.這一新產品技術達到了什么水平？國產化及核心技術掌握情況，創新亮點和專利情況。

 

　　答：這列燃料電池/超級電容混合動力有軌電車代表了目前世界最高水平。

　　（1）按照接觸網有軌電車性能設計，完全滿足軸重、加速度、最高速度、載客量等參數指標；

　　（2）采用多套燃料電池、多套儲能系統設計，動力系統冗余大，可靠性好；

（3）從動力系統到整車全新設計，根據產品開發流程生產出的世界首列燃料電池混合動力產品樣車。樣車動力系統、儲能系統、牽引系統、車體等大部分設備均為國產，掌握了燃料電池控制、混合動力能力管理、牽引控制等核心技術。

　　創新點之一是研制了世界首列燃料電池混合動力產品樣車；

創新點之二是開發了多源燃料電池混合動力系統能量管理技術。

 

已圍繞該產品申請中國發明專利50余項，主要包括：

 

　　混合動力軌道車輛的供電裝置、供電系統和軌道車輛；混合動力軌道車輛的供電方法；紋波補償電路和超級電容充放電裝置；城市交通車輛供電系統；用于有軌電車的熱控制系統；一種余熱利用方法及裝置；儲能裝置散熱系統；一種混合動力軌道車輛電源箱及混合動力軌道車輛；有軌電車動力系統及控制方法；混合動力系統的控制方法及其控制裝置；一種基于相變冷卻方式的混合動力系統散熱系統；一種利用空調風冷卻的軌道車輛混合動力電源箱冷卻方案；一種帶空氣間隙的雙層通風格柵等……

 

2.這一新產品符合國家的政策和發展方向嗎？對于中國制造2025和“走出去”有哪些重要意義？

 

答：李克強總理在政府工作報告中指出，我國2016年的化學需氧量、氨氮排放量要分別下降2%，二氧化硫、氮氧化物排放量要分別下降3%，重點地區細顆粒物(PM2.5)濃度繼續下降。支持推廣節能環保先進技術裝備，能源資源開發利用效率要大幅提高，生態環境質量總體改善。

 

國家發改委、國家能源局近日下發了《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》，同時發布了《能源技術革命重點創新行動路線圖》，列舉了包括“先進儲能技術創新”、“氫能與燃料電池技術創新”、“能源互聯網技術創新”等15項重點任務，為氫燃料電池等新能源技術的應用推廣指明了方向。

 

燃料電池/超級電容混合動力有軌電車產品涉及城市軌道交通和新能源應用領域，屬于《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》中的交通運輸業和能源兩大重點方向，是國家“十二五”規劃重點發展領域。

 

　　燃料電池混合動力有軌電車是中國制造2025五大工程中高端裝備創新工程中智能綠色列車方向，也是十大領域中兩個重要發展方向：先進軌道交通裝備和節能與新能源汽車。燃料電池具有清潔、環保、高效的特點，屬國家節能減排重點支持的發展領域。燃料電池有軌電車還克服了傳統有軌電車接觸網影響城市發展和城市景觀的問題，也無需現有無接觸網有軌電車所需的地面供電系統，為現代城市提供了一種清潔、高效的新型公交工具，社會效益顯著。這一新產品對我國倡導的節能減排、解決城市交通問題、建設環境友好型社會、實現可持續性發展等都具有十分重要的現實意義。燃料電池/超級電容混合動力有軌電車將可能成為中國制造“走出去”的新名片。

 

3.這一新產品的發展前景怎樣，與國內外類似產品有哪些區別？

 

答：盡管發達國家對于軌道交通新能源技術越來越重視，但在氫燃料電池有軌電車領域，我國在技術上與國外的差距不大。

 

2008年開始，西南交通大學陳維榮教授、中車唐山公司孫幫成總工程師，分別做為國家科技支撐計劃項目負責人和課題負責人，率領聯合研發團隊，在國內率先開展了燃料電池技術在軌道交通中的應用研究，搭建了國內第一套150kW大功率燃料電池機車研發平臺，攻克并掌握了有軌電車用大功率燃料電池混合動力系統關鍵技術，推動有軌電車技術向無外接牽引供電系統方向發展，從而使我國在一系列關鍵技術上達到世界先進水平，部分技術達到國際領先。

 

氫燃料電池技術在新能源汽車領域已經得到了應用，國內外也有為數不多的幾家企業開發出電池和超級電容儲能式有軌電車、地面供電有軌電車和燃料電池技術試驗樣車，但中車唐山公司與西南交通大學創新研制的燃料電池/超級電容混合動力100%低地板有軌電車與之前的幾種類似產品存在著本質區別。

 

中車唐山公司與西南交通大學聯合研制的燃料電池混合動力樣車是經過完整產品開發流程研制的商用型產品車，已開展全部型式試驗，可上正線載客運行。采用多源混合動力設計，能量管理技術難度高，車輛的實際試驗速度已達到最高設計時速70km/h。多套燃料電池系統以及多套儲能系統并聯直流母線設計，多套系統協調控制，動力系統冗余度高，滿足了列車高可靠性需求。

 

　　總體而言，中車唐山公司與西南交通大學研制的燃料電池/超級電容混合動力有軌電車是世界上第一列燃料電池有軌電車產品化樣車，在國際上處于領先地位。

 

4.相比其他無網運行的有軌電車，燃料電池有軌電車經濟性方面的優勢是怎樣的？

 

　　答：燃料電池有軌電車技術采用氫燃料電池作為車載發電設備，利用氫氣發電驅動電車行駛，是一種擺脫了外接牽引供電系統的有軌電車技術。燃料電池有軌電車雖然在車上增加了混合動力系統等，使得每列電車投資增加了500萬元。但由于建設制氫加氫站點的投入遠遠低于牽引供電系統的投入，僅此就比儲能式有軌電車基礎設施建設節省投資800萬元/公里以上，比第三軌和儲能式有軌電車基礎設施建設節省投資3000萬元/公里以上。由此可見，燃料電池有軌電車整體系統的經濟性非常好，值得大力發展。

 

5.有軌電車的車載氫燃料系統是否安全？

 

　　答：儲氫系統在大巴車上均已經應用廣泛。儲氫系統和各種氫氣閥均采用的是防爆型的，而且系統安裝氫氣泄露傳感器及氫氣泄露釋放閥,并含有PRD（溫度壓力釋放裝置），即超壓保護裝置壓力設定為50MPa,超溫保護裝置溫度設定為109℃，若超過任何一個指標，均集中釋放氫氣，保證車輛的安全問題。

　　通過氫燃料電池系統零部件集中安裝，分區布置。將加注接口、單向閥（球閥）、壓力表等集中安裝在操控面板上；將氫氣瓶組和各種閥門、減壓器等集中安裝在車輛頂部。在這兩個區域設置通風機構，利用自然通風將可能泄漏出的氫氣排出車外，從而保證不出現積聚，使該區域的氫氣濃度達不到燃燒下限，避免出現危險。氫系統實行氫電隔離，防止在可能泄漏的區域出現火花。將系統進行可靠接地，防止產生靜電。采用防爆型電磁閥等電氣零部件和溫度、壓力傳感器。當車輛碰撞嚴重造成管路松動或斷裂，導致氫氣外泄時，利用系統中設置的過流閥來限至氫氣流量，保證氫氣不會大量外泄。

 

6.氫燃料電池技術的具體原理是什么？

 

燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的發電裝置。從原理上看，燃料電池有正負極和電解質，燃料在陽極被氧化，氧化劑在陰極被還原，與蓄電池非常相似，所以名為“電池”；然而，與蓄電池不同的是，蓄電池的反應物都儲存在電池內部，其本質是儲電設備，而燃料電池的反應物和氧化物是利用外部系統源源不斷的輸送到電極上反應來發電，本質上是一個發電機。與現有的發電機技術相比，其發電的原理是電池的電化學反應，而不是通過熱機做功發電，效率很高，因而，燃料電池是一種“電化學發電機”。

 

　　對于通常所指的氫燃料電池，其反應原理為：

　　陽極反應：2H2 →4H+ + 4e-

　　陰極反應：O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

　　總的化學反應為：2H2 + O2 → 2H2O

　　可見燃料電池的實質是電解水的逆過程，其發電過程的反應終產物只有水和余熱，是一種環境友好的發電技術。

 

7.燃料電池的優點有哪些？

 

答：燃料電池潔凈、節能、轉換效率高，溫度低、噪音小。

　　（1）使用內燃機發電，燃料在缸內燃燒會釋放像COx、NOx、SOx氣體和粉塵等污染物。而燃料電池用氫氣和氧氣作為燃料，唯一生成物質為水，徹底不會產生有害物質放過程，完全做到零排放。

　　（2）燃料電池通過電化學反應直接將燃料的化學能轉化為電能，中間不經過燃燒過程，電能轉換效率可以達到40～50%，比內燃機的能量轉換效率高出10個百分點。

　　（3）燃料電池系統中，配備有空壓機、水泵、散熱器等有限的轉動部件，與內燃機相似，但電堆本身無運動部件，明顯比內燃機的震動和噪音低。同時，電堆反應溫度低，系統紅外特性小。

 

素材來源：西南交通大學、中國中車（有節選）

 

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