世界首列氢燃料混合动力有轨电车在中车唐山下线 核心技术源自西南交大

点击：  作者：轨道世界    来源：轨道世界  发布时间:2016-04-30 13:53:07

 

     

【导读】世界首列氢燃料混合动力有轨电车研制成功 | 核心技术源自西南交大。

 

4月27日，由西南交通大学作为项目主持单位承担的国家“十二五”科技支撑计划项目“燃料电池/超级电容混合动力100%低地板有轨电车研制”取得重要成果。

 

历时两年多，项目研制的世界首列氢燃料混合动力有轨电车在中国中车唐山公司正式下线！首次突破燃料电池/超级电容混合动力有轨电车牵引和控制的一系列关键技术，在全球首次采用氢燃料电池/超级电容混合动力系统牵引驱动，真正实现二氧化碳与污染物“零排放”。

 

氢燃料电池技术是利用氢氧电化学反应发电的新兴技术，发电效率高，副产物只有水，是理想的未来交通能源技术。西南交通大学电气工程学院陈维荣教授带领的新能源技术与应用团队，从2008年开始，率先在国内开展了燃料电池技术在轨道交通领域的应用研究，并于2013年1月研制成功国内第一辆燃料电池电动机车。

 

    2013年，西南交通大学联合中车唐山公司提出的“燃料电池/超级电容混合动力100%低地板有轨电车研制项目”获得科技部国家科技支撑计划项目支持，西南交通大学负责燃料电池混合动力系统研制，中车唐山公司负责整车研制与生产。

 

    历经两年攻关，首次掌握并突破了燃料电池/超级电容混合动力有轨电车牵引和控制的一系列关键技术，在全球首次采用氢燃料电池/超级电容混合动力系统牵引驱动，填补了该领域的空白，真正实现了二氧化碳与污染物的“零排放”。

 

 

    这神奇的过程是怎么做到的？

 

氢燃料

 

是全球新型清洁能源开发利用的主流方向之一。氢燃料电池通过氢与氧的直接电化学反应发电，是电解水的逆过程，发电后的反应终产物只有水和余热，环境友好。

 

 

▲氢燃料电池技术原理图

 

以氢燃料电池为动力的城市轨道交通车辆，以其特有的零排放、无污染、低噪声、能源可再生、转化效率高等优势成为新时代城市交通发展的亮点，不仅解决了常规有轨电车需架设接触网、普通储能式有轨电车续航里程短等“瓶颈”问题，而且车载氢燃料电池能量密度高，整个反应过程最高温度不超过100℃，不产生氮氧化合物，惟一产物是水，做到最极致的“无污染、零排放”环保标准，体现了科技与创新的高度统一。

 

 

在燃料电池/超级电容混合动力有轨电车的联合开发过程中，中车唐山公司与西南交通大学按照实用型接触网有轨电车要求，对动力系统和整车进行了全新设计，动力、储能、制动、轮轴、风挡铰接等大部分设备和车体均为国产，完全掌握了燃料电池控制、多源燃料电池混合动力系统能量管理、牵引网络控制等核心技术。

 

首创了动力电池箱综合冷却、燃料电池系统余热利用等国际领先技术，完全满足轴重、加速度、平稳度、最高速度、载客量等指标。燃料电池有轨电车采用防爆型储氢装置、泄露传感器、温度控制器和泄露释放阀，设有智能检测系统进行两级保护。在车辆控制、节能和安全技术等方面达到世界最高水平，已申报中国发明专利50余项。

 

燃料电池混合动力有轨电车采用2动1拖３辆编组，设乘客座位66个，残疾人轮椅区2个，最大载客量336人，可根据用户需求灵活调整编组和载客量。车辆采用世界最先进的100%低地板技术，车厢地板距轨面高度仅0.35米，无需站台，乘客抬脚即可轻松搭乘。车辆曲线通过能力强，最小转弯半径仅19米，可沿现有城市道路直接铺设轨道，在地面行驶和停靠。车辆设置有无线wifi网络系统，方便乘客了解出行信息或者提供互联网接入服务。车辆配置的无线数据传输系统，可以实现列车网络控制系统和地面服务器之间无线数据上传和下载，便于进行车辆状态监控和维护。

 

 

这列商用型有轨电车采用多套燃料电池、多套储能系统设计，动力系统冗余度高，启动加速快，安全可靠。一次快速加氢只需15分钟，可持续行驶40公里以上，最高运行时速70公里。车辆利用超级电容的大功率充放电特性，配合燃料电池起动加速，由高储能密度的燃料电池作为牵引电源，可以最高时速持续运行。车辆制动、停站时，由燃料电池和制动能量回收系统为超级电容和蓄电池充电，制动能量回收率可达30%以上。车辆入库时，由蓄电池提供车辆控制、照明和通讯所需电能。

 

燃料电池混合动力有轨电车全线无接触网运营，不影响城市景观，也无需沿途设置充电站，工期短、无污染、零排放，线路整体建设成本比第三轨和储能式有轨电车节省3000万元/公里以上。这种有轨电车交通系统，具有经济可靠、维护费用低等特点，优于现有的快速公交系统，兼备城市观光功能，是未来城市轨道交通的新选择。

 

 　　1.这一新产品技术达到了什么水平？国产化及核心技术掌握情况，创新亮点和专利情况。

 

　　答：这列燃料电池/超级电容混合动力有轨电车代表了目前世界最高水平。

　　（1）按照接触网有轨电车性能设计，完全满足轴重、加速度、最高速度、载客量等参数指标；

　　（2）采用多套燃料电池、多套储能系统设计，动力系统冗余大，可靠性好；

（3）从动力系统到整车全新设计，根据产品开发流程生产出的世界首列燃料电池混合动力产品样车。样车动力系统、储能系统、牵引系统、车体等大部分设备均为国产，掌握了燃料电池控制、混合动力能力管理、牵引控制等核心技术。

　　创新点之一是研制了世界首列燃料电池混合动力产品样车；

创新点之二是开发了多源燃料电池混合动力系统能量管理技术。

 

已围绕该产品申请中国发明专利50余项，主要包括：

 

　　混合动力轨道车辆的供电装置、供电系统和轨道车辆；混合动力轨道车辆的供电方法；纹波补偿电路和超级电容充放电装置；城市交通车辆供电系统；用于有轨电车的热控制系统；一种余热利用方法及装置；储能装置散热系统；一种混合动力轨道车辆电源箱及混合动力轨道车辆；有轨电车动力系统及控制方法；混合动力系统的控制方法及其控制装置；一种基于相变冷却方式的混合动力系统散热系统；一种利用空调风冷却的轨道车辆混合动力电源箱冷却方案；一种带空气间隙的双层通风格栅等……

 

2.这一新产品符合国家的政策和发展方向吗？对于中国制造2025和“走出去”有哪些重要意义？

 

答：李克强总理在政府工作报告中指出，我国2016年的化学需氧量、氨氮排放量要分别下降2%，二氧化硫、氮氧化物排放量要分别下降3%，重点地区细颗粒物(PM2.5)浓度继续下降。支持推广节能环保先进技术装备，能源资源开发利用效率要大幅提高，生态环境质量总体改善。

 

国家发改委、国家能源局近日下发了《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》，同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》，列举了包括“先进储能技术创新”、“氢能与燃料电池技术创新”、“能源互联网技术创新”等15项重点任务，为氢燃料电池等新能源技术的应用推广指明了方向。

 

燃料电池/超级电容混合动力有轨电车产品涉及城市轨道交通和新能源应用领域，属于《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中的交通运输业和能源两大重点方向，是国家“十二五”规划重点发展领域。

 

　　燃料电池混合动力有轨电车是中国制造2025五大工程中高端装备创新工程中智能绿色列车方向，也是十大领域中两个重要发展方向：先进轨道交通装备和节能与新能源汽车。燃料电池具有清洁、环保、高效的特点，属国家节能减排重点支持的发展领域。燃料电池有轨电车还克服了传统有轨电车接触网影响城市发展和城市景观的问题，也无需现有无接触网有轨电车所需的地面供电系统，为现代城市提供了一种清洁、高效的新型公交工具，社会效益显著。这一新产品对我国倡导的节能减排、解决城市交通问题、建设环境友好型社会、实现可持续性发展等都具有十分重要的现实意义。燃料电池/超级电容混合动力有轨电车将可能成为中国制造“走出去”的新名片。

 

3.这一新产品的发展前景怎样，与国内外类似产品有哪些区别？

 

答：尽管发达国家对于轨道交通新能源技术越来越重视，但在氢燃料电池有轨电车领域，我国在技术上与国外的差距不大。

 

2008年开始，西南交通大学陈维荣教授、中车唐山公司孙帮成总工程师，分别做为国家科技支撑计划项目负责人和课题负责人，率领联合研发团队，在国内率先开展了燃料电池技术在轨道交通中的应用研究，搭建了国内第一套150kW大功率燃料电池机车研发平台，攻克并掌握了有轨电车用大功率燃料电池混合动力系统关键技术，推动有轨电车技术向无外接牵引供电系统方向发展，从而使我国在一系列关键技术上达到世界先进水平，部分技术达到国际领先。

 

氢燃料电池技术在新能源汽车领域已经得到了应用，国内外也有为数不多的几家企业开发出电池和超级电容储能式有轨电车、地面供电有轨电车和燃料电池技术试验样车，但中车唐山公司与西南交通大学创新研制的燃料电池/超级电容混合动力100%低地板有轨电车与之前的几种类似产品存在着本质区别。

 

中车唐山公司与西南交通大学联合研制的燃料电池混合动力样车是经过完整产品开发流程研制的商用型产品车，已开展全部型式试验，可上正线载客运行。采用多源混合动力设计，能量管理技术难度高，车辆的实际试验速度已达到最高设计时速70km/h。多套燃料电池系统以及多套储能系统并联直流母线设计，多套系统协调控制，动力系统冗余度高，满足了列车高可靠性需求。

 

　　总体而言，中车唐山公司与西南交通大学研制的燃料电池/超级电容混合动力有轨电车是世界上第一列燃料电池有轨电车产品化样车，在国际上处于领先地位。

 

4.相比其他无网运行的有轨电车，燃料电池有轨电车经济性方面的优势是怎样的？

 

　　答：燃料电池有轨电车技术采用氢燃料电池作为车载发电设备，利用氢气发电驱动电车行驶，是一种摆脱了外接牵引供电系统的有轨电车技术。燃料电池有轨电车虽然在车上增加了混合动力系统等，使得每列电车投资增加了500万元。但由于建设制氢加氢站点的投入远远低于牵引供电系统的投入，仅此就比储能式有轨电车基础设施建设节省投资800万元/公里以上，比第三轨和储能式有轨电车基础设施建设节省投资3000万元/公里以上。由此可见，燃料电池有轨电车整体系统的经济性非常好，值得大力发展。

 

5.有轨电车的车载氢燃料系统是否安全？

 

　　答：储氢系统在大巴车上均已经应用广泛。储氢系统和各种氢气阀均采用的是防爆型的，而且系统安装氢气泄露传感器及氢气泄露释放阀,并含有PRD（温度压力释放装置），即超压保护装置压力设定为50MPa,超温保护装置温度设定为109℃，若超过任何一个指标，均集中释放氢气，保证车辆的安全问题。

　　通过氢燃料电池系统零部件集中安装，分区布置。将加注接口、单向阀（球阀）、压力表等集中安装在操控面板上；将氢气瓶组和各种阀门、减压器等集中安装在车辆顶部。在这两个区域设置通风机构，利用自然通风将可能泄漏出的氢气排出车外，从而保证不出现积聚，使该区域的氢气浓度达不到燃烧下限，避免出现危险。氢系统实行氢电隔离，防止在可能泄漏的区域出现火花。将系统进行可靠接地，防止产生静电。采用防爆型电磁阀等电气零部件和温度、压力传感器。当车辆碰撞严重造成管路松动或断裂，导致氢气外泄时，利用系统中设置的过流阀来限至氢气流量，保证氢气不会大量外泄。

 

6.氢燃料电池技术的具体原理是什么？

 

燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。从原理上看，燃料电池有正负极和电解质，燃料在阳极被氧化，氧化剂在阴极被还原，与蓄电池非常相似，所以名为“电池”；然而，与蓄电池不同的是，蓄电池的反应物都储存在电池内部，其本质是储电设备，而燃料电池的反应物和氧化物是利用外部系统源源不断的输送到电极上反应来发电，本质上是一个发电机。与现有的发电机技术相比，其发电的原理是电池的电化学反应，而不是通过热机做功发电，效率很高，因而，燃料电池是一种“电化学发电机”。

 

　　对于通常所指的氢燃料电池，其反应原理为：

　　阳极反应：2H2 →4H+ + 4e-

　　阴极反应：O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

　　总的化学反应为：2H2 + O2 → 2H2O

　　可见燃料电池的实质是电解水的逆过程，其发电过程的反应终产物只有水和余热，是一种环境友好的发电技术。

 

7.燃料电池的优点有哪些？

 

答：燃料电池洁净、节能、转换效率高，温度低、噪音小。

　　（1）使用内燃机发电，燃料在缸内燃烧会释放像COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。而燃料电池用氢气和氧气作为燃料，唯一生成物质为水，彻底不会产生有害物质放过程，完全做到零排放。

　　（2）燃料电池通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，电能转换效率可以达到40～50%，比内燃机的能量转换效率高出10个百分点。

　　（3）燃料电池系统中，配备有空压机、水泵、散热器等有限的转动部件，与内燃机相似，但电堆本身无运动部件，明显比内燃机的震动和噪音低。同时，电堆反应温度低，系统红外特性小。

 

素材来源：西南交通大学、中国中车（有节选）

 

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