氫能燃料電池技術(shù)在現(xiàn)代有軌電車中的應(yīng)用與展望

摘 要 本文針對(duì)氫能燃料電池技術(shù)在現(xiàn)代有軌電車中的應(yīng)用問題進(jìn)行研究，首先闡述氫能燃料電池技術(shù)的概念與優(yōu)勢(shì)，其次介紹氫能燃料電池技術(shù)在現(xiàn)代有軌電車中的應(yīng)用情況，再次指出氫能燃料電車應(yīng)用中存在的問題，最后根據(jù)問題制定相應(yīng)的優(yōu)化措施，希望對(duì)相關(guān)研究人員提供一定的參考與借鑒。

關(guān)鍵詞 氫能燃料電池;有軌電車;應(yīng)用;優(yōu)化措施

近年來，氫能燃料電池技術(shù)的相關(guān)研究成果趨于成熟，在多領(lǐng)域中都取得良好的應(yīng)用效果。氫能燃料電池是一種將燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，只要保證足夠的氧化劑與氫燃料，便可以為電池提供源源不斷的能量。同時(shí)，由于氫能燃料電池具備無污染、轉(zhuǎn)換率高、噪音低等優(yōu)勢(shì)，可以在低溫環(huán)境下快速啟動(dòng)，因此氫能燃料電池技術(shù)也在有軌電車領(lǐng)域取得良好的應(yīng)用成果。

1 氫能燃料電池技術(shù)的概念與優(yōu)勢(shì)

氫能燃料電池技術(shù)可高效清潔的把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，比常規(guī)熱機(jī)的應(yīng)用效率更加良好。燃料電池技術(shù)的快速發(fā)展，可以為能源動(dòng)力的變革帶來重大契機(jī)，而且在國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的持續(xù)推動(dòng)下，未來的氫能燃料電池技術(shù)在我國(guó)終端能源體系占比還會(huì)逐漸提升，并且成為我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分，與電力協(xié)同互補(bǔ)，共同成為我國(guó)能源體系的消費(fèi)主體。

2 氫能燃料電池技術(shù)在現(xiàn)代有軌電車中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，隨著我國(guó)城市軌道交通發(fā)展迅猛，具備工程造價(jià)低、審批程序相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)的現(xiàn)代有軌電車得到井噴式發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)已有現(xiàn)代有軌電車線路，運(yùn)營(yíng)里程已經(jīng)增至377.99公里，占據(jù)線路總長(zhǎng)度的6.86%。這不僅為現(xiàn)代有軌電車提供了良好的發(fā)展環(huán)境，同時(shí)意味著氫能燃料電池在今后的有軌電車與城市快軌中將大有作為。由于傳統(tǒng)鐵路電氣化系統(tǒng)運(yùn)行成本較高，這也進(jìn)一步促進(jìn)了燃料電池技術(shù)的發(fā)展空間。

由于傳統(tǒng)有軌電車技術(shù)采用架空接觸網(wǎng)供電技術(shù)，不僅在供電環(huán)節(jié)存在諸多缺陷，而且影響其他車輛的正常通行，對(duì)城市整體文化面貌也會(huì)造成一定的影響。因此，氫能燃料電池技術(shù)的有軌電車可以大幅度減少牽引變電所、輸電網(wǎng)以及牽引網(wǎng)的建設(shè)數(shù)量與規(guī)模。

氫能燃料有軌電車在我國(guó)的應(yīng)用情況具體如下：

我國(guó)首輛燃料電池機(jī)車于2013在西南交通大學(xué)研制成功，整車重量為45噸，設(shè)計(jì)時(shí)速為65km/h，由兩臺(tái)120kW永磁同步牽引電機(jī)組成，儲(chǔ)氫壓力為35MPa，燃料電池系統(tǒng)功率為150kW，具體情況如表1所示;2015年3月19日，首列氫能燃料有軌電車于青島四方公司下線;2016年4月27日，氫能燃料電池與超級(jí)電容混合模式有軌電車在唐車公司下線;2017年10月26日，氫能燃料有軌電車在唐山開展示范運(yùn)營(yíng);2019年12月1日，氫能燃料有軌電車在高明正是開始商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

3 氫能燃料電池技術(shù)在現(xiàn)代有軌電車中應(yīng)用存在的問題

氫能燃料有軌電車雖然具備眾多優(yōu)勢(shì)，而且在一定程度上對(duì)區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有調(diào)整與示范作用，但是在實(shí)際應(yīng)用中也存在部分問題，具體如下：

首先是關(guān)于氫能源有軌電車的政策不明朗，相應(yīng)法規(guī)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚不完備。當(dāng)前國(guó)內(nèi)氫能源有軌電車尚處初期推廣階段，工程案例較少，涉及氫安全的環(huán)節(jié)比較多，這便需政府牽頭組織設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理和驗(yàn)收等工作，而目前的實(shí)際情況為行政審批約束較大，導(dǎo)致工程建設(shè)周期加長(zhǎng)[1]。

其次是氫氣易泄漏問題，氫氣能源在空氣中的燃燒極限較寬，火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)較高，小概率事件發(fā)生后的社會(huì)影響較大，氫能源有軌電車是否歸類為?；奋囕v目前尚無標(biāo)準(zhǔn)可依?？紤]到長(zhǎng)大隧道、地下區(qū)間和高架區(qū)間為主有軌電車路段，線路情況復(fù)雜，工程氫氣易集聚處以及涉氫安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)較多，導(dǎo)致防火危險(xiǎn)性較高，因此也導(dǎo)致審批難度加大，消防驗(yàn)收困難[2]。

最后是配套基建方面，由于氫能源有軌電車的庫(kù)房通常被界定為甲類庫(kù)房，無法進(jìn)行上蓋物業(yè)開發(fā)，造成土地集約利用率降低，資源浪費(fèi)。而且氫能源有軌電車需要配套加氫站設(shè)計(jì)，加氫線不能與車輛段內(nèi)其他股道共用，導(dǎo)致占地規(guī)模加大。

4 提升氫能燃料電池技術(shù)應(yīng)用質(zhì)量的優(yōu)化措施

鑒于氫能燃料電池技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與問題，在今后的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用環(huán)節(jié)應(yīng)該主要從以下方面展開工作：

首先，完善相關(guān)法規(guī)，并且優(yōu)化技術(shù)深度，這樣才能打破當(dāng)前規(guī)章制度對(duì)氫能燃料電池技術(shù)的應(yīng)用限制，使其能夠得到更加廣泛的應(yīng)用。

其次，根據(jù)有軌電車工程的實(shí)際特點(diǎn)與需求，采取分階段有軌電車運(yùn)行制式，其中第一階段暫時(shí)不采用氫能燃料有軌電車制式車輛，優(yōu)先選擇當(dāng)前技術(shù)比較成熟且應(yīng)用率較高的儲(chǔ)能制式有軌電車;第二階段為等待氫能源政策相關(guān)法規(guī)完備后，這時(shí)候再將綜合技術(shù)趨于完善的氫能燃料有軌電車投入使用，可以科學(xué)提升氫能燃料電車的應(yīng)用效率。

最后，在執(zhí)行分階段投入氫能有軌電車的過程中還可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整組合模式，也就是實(shí)現(xiàn)不同區(qū)段中氫能電車與儲(chǔ)能電能的混合模式，這樣也可以最大限度發(fā)揮運(yùn)營(yíng)組織靈活性，實(shí)現(xiàn)資源綜合利用與效益最大化。最后，針對(duì)氫氣站的運(yùn)行模式進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，通過減少加氣流程時(shí)間來提升氫能電車的運(yùn)行效率，這樣也能夠合理降低工作人員的工作量與壓力。總而言之，隨著氫能燃料電池技術(shù)的日漸成熟，氫能電車取代傳統(tǒng)儲(chǔ)能式有軌電車必然是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使氫能燃料電池技術(shù)的應(yīng)用效率大幅度提升，通過將氫能燃料電池與有軌電車相結(jié)合，不僅具備高效與清潔的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而且能夠合理降低初期投入成本。但是，現(xiàn)階段氫能燃料電車在應(yīng)用中也存在一些問題，因此只有針對(duì)問題制定科學(xué)合理的應(yīng)對(duì)策略，才能進(jìn)一步完促進(jìn)氫能燃料電車的發(fā)展前景，使軌道交通行業(yè)可以為國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針提供穩(wěn)定助力。

參考文獻(xiàn)

[1] 張春文，曾旻輝，楊波，等.氫能技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用前景研究[J].科技視界，2015，（36）：91-92.

[2] 新華.氫燃料電池有軌電車全球首次商業(yè)運(yùn)營(yíng)[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2017，（21）：22.

作者簡(jiǎn)介

吉燕華（1984-），男，山西省臨汾市翼城縣人;學(xué)歷：碩士，工程師，現(xiàn)就職單位：中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，研究方向：車輛工程。