氫能源與超級電容在現(xiàn)代有軌電車的應(yīng)用

魏調(diào)忠

（佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

隨著國家城市化進(jìn)程的加快，各地方城市人口呈逐步上升的趨勢，人口的流動(dòng)及道路車輛的增多，進(jìn)一步加劇了城市交通的擁擠和環(huán)境的污染。現(xiàn)代有軌電車是一種中低運(yùn)量的城市公共交通工具，具有建設(shè)周期短，綜合造價(jià)和運(yùn)營成本相對地鐵低、無需獨(dú)立路權(quán)等特點(diǎn)，受到各大中小城市的青睞[1]。其中，儲(chǔ)能式有軌電車有效解決了電車系統(tǒng)需沿途架設(shè)接觸網(wǎng)供電的傳統(tǒng)方式，得到了廣泛地應(yīng)用[2-3]?，F(xiàn)代有軌電車供電方式如圖1所示。

圖1 現(xiàn)代有軌電車供電方式

儲(chǔ)能式供電設(shè)備以超級電容最為常見，但隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，氫燃料電池也逐步進(jìn)入軌道交通領(lǐng)域。特別是高明氫能源有軌電車的開通運(yùn)營，為儲(chǔ)能式設(shè)備提供了新的樣本。氫能源是一種二次能源，與超級電容存在較大的差異，其技術(shù)原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及在有軌電車的運(yùn)營表現(xiàn)均有不同的特點(diǎn)，對比分析這兩類典型的儲(chǔ)能式設(shè)備在有軌電車應(yīng)用上的表現(xiàn)，為氫能源在有軌電車的應(yīng)用與改進(jìn)提供參考。

1 超級電容在有軌電車的應(yīng)用

1.1 超級電容

超級電容器，又被稱作雙電層電容器，是在20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種基于新材料和新工藝的新型儲(chǔ)能裝置，通過利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)來獲得超大的容量，通過電荷在電極表面的分離來儲(chǔ)能，其電極上不發(fā)生法拉第反應(yīng)。其既具備電容器快速充放電的特性，同時(shí)又具備電池的儲(chǔ)能特性，并且能提供比物理電容器更高的能量密度、比電池具有更高的功率密度和更長的循環(huán)壽命。

基于有軌電車啟動(dòng)頻繁、電流量大的特點(diǎn)，超級電容作為獨(dú)立的車載儲(chǔ)能設(shè)備可以較好地滿足有軌電車的運(yùn)行需求。目前，利用超級電容作為儲(chǔ)能裝置進(jìn)行獨(dú)立供電的有軌電車已經(jīng)在廣州、深圳、武漢、淮安等地的多條線路上被較為廣泛地應(yīng)用。

1.2 超級電容供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，采用超級電容作為儲(chǔ)能元件的儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車，其供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由車頂受電器系統(tǒng)、超級電容系統(tǒng)等組成。其中，車頂受電器一般采用單臂式輕型受電器，車輛在行駛過程中，受電器一直處于升起狀態(tài)，當(dāng)車輛進(jìn)入站場區(qū)域，受電器與供電軌接觸，從供電軌上集取電流，利用短暫的列車停站時(shí)間為超級電容快速補(bǔ)充電能。

圖2 超級電容供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 氫能源在有軌電車的應(yīng)用

2.1 氫能源

氫能源是指氫和氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所釋放出的化學(xué)能，是一種清潔的二次能源，具有來源廣、燃燒熱值高、能量密度大、可儲(chǔ)存、可再生、可電可燃、零污染、零碳排等優(yōu)點(diǎn)。通過利用氫燃料電池，把氫氣與氧氣結(jié)合產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，可實(shí)現(xiàn)把持續(xù)供給的氫氣連續(xù)不斷地直接轉(zhuǎn)化為電能。氫能源及燃料電池是目前能源技術(shù)革命的重點(diǎn)方向之一。

2002 年 ， Vehicle Projects LLC 公 司 和 Fuel Cell Propulsion協(xié)會(huì)共同開發(fā)了氫燃料電池在軌道交通中的應(yīng)用[4]。在有軌電車方面，于2019年底開通的高明有軌電車是商業(yè)運(yùn)營的氫能源有軌電車。目前，佛山南海區(qū)、成都新都區(qū)等地亦在規(guī)劃氫能源有軌電車線路。

2.2 氫動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高明氫能源有軌電車供電系統(tǒng)主要由“氫燃料電池系統(tǒng)+動(dòng)力電池系統(tǒng)”組成，其中氫燃料電池系統(tǒng)的主要作用是通過氫氣與氧氣的反應(yīng)產(chǎn)生電能為列車提供動(dòng)力。燃料電池和動(dòng)力電池作為混合動(dòng)力源持續(xù)為列車提供動(dòng)力，動(dòng)力電池可在燃料電池未啟動(dòng)、故障時(shí)單獨(dú)為列車提供動(dòng)力一段時(shí)間[5]。氫動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氫動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 燃料電池系統(tǒng)

高明氫能源有軌電車燃料電池系統(tǒng)主要由燃料電池電堆和氫氣供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧氣（空氣)供給系統(tǒng)等配套輔機(jī)系統(tǒng)組成。其中，燃料電池采用基于氫氣和氧氣發(fā)電的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置，如圖4 所示。燃料電池輸出的電壓一般為DC350～680 V的不穩(wěn)定電壓，需通過DC/DC 模塊升壓至穩(wěn)定的DC750 V 與動(dòng)力電池一起給有軌電車的牽引及輔助系統(tǒng)供電，當(dāng)整車負(fù)載功率較低時(shí)給動(dòng)力電池充電。

圖4 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理示意圖

2.2.2 動(dòng)力電池

高明氫能源有軌電車動(dòng)力電池采用鈦酸鋰電池，與DC/DC 模塊并聯(lián)設(shè)置，受整車能量控制器控制，可根據(jù)列車狀態(tài)進(jìn)行充放電，為整車提供電能或吸收部分制動(dòng)電能，如圖5所示。

圖5 動(dòng)力電池電氣原理示意圖

3 氫能源和超級電容在有軌電車的應(yīng)用分析

3.1 主要技術(shù)性能

根據(jù)有軌電車的特點(diǎn)，列車的供電介質(zhì)除確保安全、可靠之外，還應(yīng)具有能量密度高、功率密度高、壽命長、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、充電快速便捷等特征[6]。表1所示為氫能源和超級電容在現(xiàn)代有軌電車的主要技術(shù)性能。氫能源屬于化學(xué)類電源供給系統(tǒng)，屬于能量密集元件，相比超級電容在能量密度占優(yōu)勢，在續(xù)航能力方面表現(xiàn)優(yōu)異，其缺點(diǎn)在于能源利用率相對較低，加氫時(shí)間長。超級電容屬于物理電池，是功率密集的儲(chǔ)能元件，相比氫燃料電池在功率密度具有一定的優(yōu)勢，且充電時(shí)間短，其缺點(diǎn)主要在于其能量密度低，列車的續(xù)航里程短。

表1 超級電容和高明氫能源的主要技術(shù)性能

3.2 行車組織

3.2.1 列車故障對行車的影響

基于超級電容的能量密度低、充電時(shí)間短的特點(diǎn)，國內(nèi)大部分采用超級電容的有軌電車其在充滿電的情況下單次運(yùn)行里程一般在4～5 km，因此需利用列車停站的時(shí)間快速充電。有軌電車一般采用混合路權(quán)，如列車在區(qū)間運(yùn)行過程中遇交通堵塞、交通事故或充電站故障等意外因素，存在超級電容饋電，導(dǎo)致列車需要救援的風(fēng)險(xiǎn)。

高明氫能源有軌電車采用燃料電池與動(dòng)力電池的供電結(jié)構(gòu)，其儲(chǔ)氫量約為20 kg，在滿氫的情況下，列車可續(xù)航約100 km。同時(shí)，在氫氣不足或燃料電池系統(tǒng)故障的情況下，可由動(dòng)力電池繼續(xù)牽引列車回庫。在續(xù)航能力和故障應(yīng)對方面，氫能源相比超級電容有著非常明顯的優(yōu)勢。

3.2.2 行車組織安排

采用超級電容的有軌電車，一般每1～2 個(gè)站即設(shè)置一個(gè)充電站，確保列車在上一個(gè)充電站充滿電后可運(yùn)行至下一充電站，通過利用列車停站時(shí)間快速完成超級電容的充電，實(shí)現(xiàn)列車“離線運(yùn)行”與“在線充電”的無縫切換。

高明氫能源有軌電車，采用的是“離線加氫”的模式，在車輛段旁設(shè)有一個(gè)加氫站進(jìn)行加氫。據(jù)計(jì)算，在不同的載重工況下，一次加氫可運(yùn)行79～126 km。結(jié)合運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，一般在列車氫氣仍有一定余量的情況下安排下線加氫。經(jīng)測算，從退出服務(wù)到上線運(yùn)營的整個(gè)加氫時(shí)間約為40 min?；跉淠茉从熊夒娷囆桦x線加氫的特性，在列車回庫加氫的期間，一般需安排備車上線接替運(yùn)營，對行車組織方面有一定的影響。因此，在行車組織方面，超級電容有軌電車具有一定的優(yōu)勢。

3.3 運(yùn)營管理

由于氫氣是易燃、易爆氣體，如遇火種、熱源即發(fā)生燃燒甚至爆炸，在運(yùn)營管理方面，氫能源有軌電車與超級電容有軌電車的主要區(qū)別在于安全管理。針對氫氣的使用和氫能車輛加氫設(shè)施等方面，國家層面制定了《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》等強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。相比超級電容，氫能源有軌電車在安全管理方面有著非常高的要求。

以高明有軌電車線路為例，除了遵循國家標(biāo)準(zhǔn)外，運(yùn)營單位就涉氫安全管理方面專門制定了3份企業(yè)級管理制度，用于明確氫能源安全管理要求、應(yīng)急處理措施等。同時(shí)，把車輛段內(nèi)停車列檢線、月檢線、臨修線等設(shè)置頂棚的車庫定義為涉氫區(qū)域，并根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境出現(xiàn)概率和持續(xù)時(shí)間把涉氫區(qū)域場所劃分為三類場所，實(shí)行分級管理。此外，對涉氫區(qū)域內(nèi)的相關(guān)設(shè)備（如起重機(jī)、架車機(jī)等）要求必須為防爆設(shè)備，并嚴(yán)格控制非防爆設(shè)備進(jìn)入涉氫區(qū)域。

3.4 對新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推進(jìn)

隨著全球各國對環(huán)境保護(hù)的重視，推動(dòng)了對清潔能源的研究和應(yīng)用。氫能源作為一種可再生的清潔能源，是未來能源的重要組成部分。目前，佛山市正不斷推進(jìn)氫能源在交通等領(lǐng)域的應(yīng)用[7]，高明氫能源有軌電車對于城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、促進(jìn)上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著明顯的牽引作用。同時(shí)，根據(jù)規(guī)劃，目前用于為高明有軌電車提供加氫服務(wù)的加氫站，后續(xù)將進(jìn)一步為氫能源公交車等路面交通工具提供加氫服務(wù)，實(shí)現(xiàn)加氫站的資源共享。加快氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為城市提供零污染的出行方式是高明氫能源有軌電車最重要的作用，也是最突出的優(yōu)勢。

3.5 氫能源與超級電容優(yōu)缺點(diǎn)

氫能源有軌電車與超級電容有軌電車作為典型儲(chǔ)能式供電系統(tǒng)有軌電車，在技術(shù)層面和實(shí)際應(yīng)用層面具有不同的特點(diǎn)，前文的分析中，其主要的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

4 結(jié)束語

為減少有軌電車建設(shè)對城市的影響、提升城市形象，非接觸網(wǎng)供電方式的有軌電車，特別是儲(chǔ)能式的有軌電車將是未來各地有軌電車建設(shè)的首選方案。作為儲(chǔ)能式有軌電車的兩個(gè)典型，以超級電容作為儲(chǔ)能介質(zhì)的有軌電車，具有行車組織便利、運(yùn)營管理方便等優(yōu)勢，但超級電容的特性制約了有軌電車的續(xù)航里程，給正線行車帶來了一定的不確定因素。以氫能源作為儲(chǔ)存介質(zhì)的有軌電車，具有續(xù)航里程長、行車可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對于促進(jìn)氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提升城市形象等方面具有突出的作用，但由于其需要離線加氫、安全要求高等特點(diǎn)，為運(yùn)營單位在行車組織、運(yùn)營管理等方面提出了更高的要求。

表2 超級電容和高明氫能源的主要技術(shù)性能

當(dāng)前，歐美等發(fā)達(dá)國家對氫燃料電池技術(shù)的研究不斷深入，氫燃料電池的應(yīng)用場景已經(jīng)逐步在汽車、航空航天、軌道交通等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。中國目前已非常重視氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是在《中國制造2025》中把發(fā)展氫燃料電池技術(shù)提升到了戰(zhàn)略高度后，各地政府也出臺了一系列的政策來支持氫能源的發(fā)展，將大大推進(jìn)氫能源的研究及商業(yè)化應(yīng)用。高明有軌這種商業(yè)化運(yùn)營的氫能源有軌電車線路，其示范性作用必將加快氫能源在軌道交通的應(yīng)用。