燃料電池機(jī)車行業(yè)技術(shù)發(fā)展研究

杜超

摘? ?要：相對(duì)于傳統(tǒng)的柴油或者電氣軌道機(jī)車，燃料電池機(jī)車有著效率高、污染低、固定資產(chǎn)投入低、經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)勢(shì)。自2010年開始我國(guó)有關(guān)燃料電池機(jī)車相關(guān)的研究逐漸提升，根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的專利進(jìn)行分析，其主要研究方向?yàn)槿剂想姵叵到y(tǒng)、控制器以及冷卻系統(tǒng)，為了持續(xù)驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性，從2018年開始國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始進(jìn)行了示范運(yùn)行。未來，隨著軌道交通行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，燃料電池機(jī)車將成為重要的發(fā)展方向之一。

關(guān)鍵詞：燃料電池機(jī)車? 可靠性? 經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào)：U267? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）03（a）-0078-02

傳統(tǒng)的軌道交通一般包括傳統(tǒng)鐵路、地鐵、輕軌和有軌電車，是全球公共交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成之一，擁有者運(yùn)輸量大、安全舒適、準(zhǔn)點(diǎn)率高、受天氣影響低等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也有著前期投資大、投資建設(shè)周期長(zhǎng)、技術(shù)要求高且占用空間大等缺點(diǎn)。目前，傳統(tǒng)的軌道交通已經(jīng)逐漸從內(nèi)燃機(jī)技術(shù)向新能源和電氣化技術(shù)方向轉(zhuǎn)型，而燃料電池作為最有潛力的新能源技術(shù)之一，也成為了機(jī)車發(fā)展的方向。

1? 國(guó)際燃料電池機(jī)車發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)際燃料電池機(jī)車的發(fā)展主要集中在美國(guó)、日本和歐洲。第一臺(tái)燃料電池機(jī)車是在2002年由美國(guó)能源部與車輛項(xiàng)目部以及燃料電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究所聯(lián)合開發(fā)的礦山用車，雖然當(dāng)時(shí)燃料電池系統(tǒng)功率僅為17kW，但是相對(duì)比電動(dòng)機(jī)車，其自重輕、單次運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、加注時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，極大地提升了機(jī)車的使用效率。2007年BNSF鐵路公司推出研發(fā)計(jì)劃，開發(fā)了燃料電池/蓄電池混合電力的燃料電池機(jī)車，其中燃料電池采用了巴拉德的Mark902系列電動(dòng)堆，系統(tǒng)功率達(dá)到240kW，并于2009年底在洛杉磯進(jìn)行測(cè)試運(yùn)行。

2003年，日本鐵道綜合技術(shù)研究所（RTRI）開發(fā)成功了30kW燃料電池軌道車研發(fā)并進(jìn)行了演示運(yùn)行，并于2010年開始正式的示范運(yùn)行。日本的NE列車公司于2006年由柴油機(jī)車改造成功了一臺(tái)燃料電池機(jī)車，其燃料電池系統(tǒng)功率為130kW，一次加氫可以行駛50～100km，與柴油機(jī)車相比，其減排可降低30%。

2011年，西班牙FEVE（Ferrocarriles de Via Estrecha）公司的研發(fā)中心開發(fā)一臺(tái)燃料電池試驗(yàn)機(jī)車，其采用Hydrogenics公司提供的燃料電池模塊，燃料電池系統(tǒng)為24kW，配合95kW鋰電池，形成電電混合動(dòng)力系統(tǒng)。

2017年，阿爾斯通公司正式開發(fā)出一臺(tái)燃料電池貨車，該燃料電池火車在滿載燃料時(shí)可連續(xù)行駛600～800km，最高時(shí)速可達(dá)140km，最多可運(yùn)送300人。并于2018年公布將沃爾夫斯堡交付14個(gè)氫燃料電池列車。

2? 我國(guó)燃料電池機(jī)車技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)燃料電池機(jī)車的研究主要集中在中車集團(tuán)下屬的各個(gè)單位以及部分以軌道交通為主要研究方向的高校，2013年1月，西南交通大學(xué)牽頭研制的燃料電池電動(dòng)機(jī)車“藍(lán)天號(hào)”研制成功。2015年3月，青島四方機(jī)車的氫燃料電池有軌電車正式竣工下線。2016年4月，中車唐山公司的燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力低地板有軌電車正式下線。

針對(duì)我國(guó)燃料電池機(jī)車相關(guān)專利進(jìn)行分析，詳見圖 1，自2004年開始，我國(guó)已經(jīng)有高校開始進(jìn)行相關(guān)的研究，但整體的專利數(shù)量并不多，一直到2010年，專利數(shù)量才有上升趨勢(shì)。而這些專利基本都是中車集團(tuán)下屬的公司所申請(qǐng)的，比例接近80%，而其中青島四方機(jī)車公司的專利布局最多，其次是中車株洲電力機(jī)車公司。而非中車集團(tuán)的申請(qǐng)人中，主要有西南交通大學(xué)和永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司。對(duì)這些專利進(jìn)行方向分析，其主要涉獵的技術(shù)領(lǐng)域如圖2。其中燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的專利數(shù)量最多，其次為控制器和冷卻系統(tǒng)相關(guān)的研究。

專利CN107180980A[1]所描述的一種安裝在有軌電車的車廂頂部的燃料電池系統(tǒng)，其中詳細(xì)描述了燃料電池系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及儲(chǔ)氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 該系統(tǒng)是由兩套完全相同的燃料電池構(gòu)成，其相應(yīng)的輔助系統(tǒng)如冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)等也均為平行的兩套。

專利CN201378795Y[2]所描述一種燃料電池車DC/DC變換器控制板，為便于組裝、維護(hù)，提高質(zhì)量功率比，減小各信號(hào)在線束上的干擾，本控制板集控制、電源、驅(qū)動(dòng)于一體， 將主控制邏輯芯片、控制電源分配電路、主功率模塊驅(qū)動(dòng)及脈沖保護(hù)電路、各模擬信號(hào)采樣處理電路，均集成在同一控制板上，控制板對(duì)系統(tǒng)外只有12V的控制電源接口和CAN控制接口。控制板中采用2路差分采樣電路來檢測(cè)燃料電池輸出電壓及DC/DC變換器的輸出電壓。

專利CN106328971A[3]所描述一種機(jī)車用燃料電池的冷卻系統(tǒng)，由于低地板有軌電車車下空間受限，多數(shù)設(shè)備均安裝到車廂頂部，且燃料電池額定功率大，散熱需求高，因此該冷卻系統(tǒng)需要在車頂有限的空間內(nèi)滿足氫燃料電池大功率散熱需求，該系統(tǒng)包括燃料電池、循環(huán)裝置、冷卻裝置和電加熱管，其中燃料電池、循環(huán)裝置和冷卻裝置通過管路依次連接，并形成冷卻循環(huán)回路;而電加熱管一端通過管道與循環(huán)裝置連通，另一端通過管道與氫燃料電池連通，并形成加熱循環(huán)回路。該冷卻系統(tǒng)散熱效率高、冷卻能力強(qiáng)，最大散熱功率可到170kW。

3? 我國(guó)燃料電池機(jī)車運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

傳統(tǒng)機(jī)車項(xiàng)目由于涉及場(chǎng)地、軌道、架空/地面接觸電網(wǎng)等固定資產(chǎn)投入，因此前期投入較大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美國(guó)的每公里軌道交通設(shè)施的建設(shè)價(jià)格為均高于3000萬(wàn)/km，而歐洲對(duì)現(xiàn)有的軌道交通設(shè)施進(jìn)行電氣化改造的價(jià)格約為5000萬(wàn)元/km，而我國(guó)軌道交通設(shè)施的建設(shè)費(fèi)用約為2000萬(wàn)/km。

以我國(guó)有軌電車的平均運(yùn)行場(chǎng)景為例，分析燃料電池機(jī)車與有軌電車的經(jīng)濟(jì)性?；炯僭O(shè)如下：（1）按照全生命周期為8年計(jì)算，車輛年運(yùn)行時(shí)間均為300d，日運(yùn)行距離為50km。（2）加氫站：日加注能力為500kg（8h），單座加氫站對(duì)應(yīng)50輛燃料電池公交車，單座加氫站建設(shè)成本為1000萬(wàn)元，氫氣加注費(fèi)用為40元/kg，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用為10元/kg。（3）燃料電池機(jī)車：百公里耗氫量為10kg，單臺(tái)售價(jià)1400萬(wàn)。（4）架空/地面接觸電網(wǎng)：2000萬(wàn)/km，電費(fèi)0.8元/kWh，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用0.8元/kWh。（5）有軌電車：百公里耗電為80kWh，單臺(tái)售價(jià)1000萬(wàn)。

根據(jù)上述假設(shè)，假設(shè)車輛數(shù)量為100輛，對(duì)比分析兩種類型機(jī)車的單臺(tái)車輛的綜合成本，在整個(gè)生命周期內(nèi)，燃料電池機(jī)車為1470萬(wàn)元/輛，而有軌電車為2150萬(wàn)元，燃料電池機(jī)車有著更高的經(jīng)濟(jì)性。這主要源自于有軌電車需要更大的基礎(chǔ)建設(shè)投入。

4? 結(jié)語(yǔ)

燃料電池機(jī)車在我國(guó)的發(fā)展仍屬于初步階段，無(wú)論是燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性還是整車產(chǎn)品的可靠性都需要驗(yàn)證，因此需要從產(chǎn)品零部件到整車行業(yè)共同加大研發(fā)和示范運(yùn)行的力度，推動(dòng)協(xié)同創(chuàng)新，為我國(guó)軌道交通的新能源化發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李明，李明高，劉楠，等.燃料電池系統(tǒng)及有軌電車：中國(guó)，CN107180980A[P].2017-09-19.

[2] 彭再武，毛懿平.一種燃料電池車DC/DC變換器控制板：中國(guó)，CN201378795Y[P].2010-01-06.

[3] 胡玉杰，高洪鎮(zhèn)，楊兵，等.一種氫能源有軌電車燃料電池的冷卻系統(tǒng)：中國(guó)，CN106328971A[P].2017-01-11.