氫能源有軌電車的應用實踐

陳 祥

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

氫能源有軌電車采用氫燃料電池作為動力源，全線無接觸網、變電所等系統(tǒng)，既解決了常規(guī)有軌電車需要架設接觸網的問題，又破解了普通儲能式有軌電車續(xù)航里程短的瓶頸。氫燃料電池不是利用燃燒燃料獲取能量，而是利用氫氣與氧氣發(fā)生電化學反應過程中的電荷轉移形成電流；水是其唯一的產物，可以實現真正的零排放、無污染。由于氫能源有軌電車的綠色環(huán)保、無污染特點與國家正在推行的大政策、大方向一致，因此國內很多地方政府開始對建設氫能源有軌電車進行規(guī)劃研究。

1 氫能源有軌電車的技術特征

氫能源有軌電車是以氫能源為動力替代牽引供電系統(tǒng)的現代有軌電車。其具有如下技術特征。

1.1 與其他現代有軌電車相同的特征

1.1.1 中等運量

從國內外的經驗來看，現代有軌電車的高峰小時單向斷面合理運能為0.5～1.2萬人次/h，是一種中等運能的交通系統(tǒng)。

1.1.2 節(jié)能環(huán)保

現代有軌電車采用電力牽引或者新能源，環(huán)境污染小，符合當前節(jié)能減排、生態(tài)城市的建設需求?，F代有軌電車人均能耗約為0.07 kW · h/座席乘客，僅相當于公交車的1/4，噪聲較汽車小5～10 dB，是一種節(jié)約能源的清潔交通工具。

1.1.3 人性化設計

現代有軌電車一般采用100%低地板車輛，地板高出軌道面約30 cm，嬰兒車、殘疾人輪椅車可以自由乘降。現代有軌電車在固定軌道上運行，當采用較長車輛增大運能時，仍能保證較好的運營穩(wěn)定性和乘坐舒適性，是一種舒適、人性化的交通工具。

1.1.4 環(huán)境適應性強

現代有軌電車采用流暢美觀的車輛造型，配以一體化接觸網、支柱、照明與網格狀草坪設計，與旅游、文化保護等景點具有很好的適應性；轉彎半徑小，為10.5～25 m，方便在道路上敷設；軌道制式令其交通形象更為突出，具有更強的交通引導性。

1.1.5 建設靈活度高

現代有軌電車系統(tǒng)投資相當于地鐵的1/6～1/4，具有較為合理的運量投資比；同時建設形式相對靈活，能夠與道路交通混行，建設周期較短，一般為2～3年。

1.2 自身獨特的技術特征

（1）環(huán)境適應性更強。由于其無接觸網、變電所等設施，與周邊城市景觀協(xié)調性更好，可提升城市景觀效果，也減少了初期建設成本的投入。

（2）環(huán)保性能更好。由于氫燃料電池發(fā)生電化學反應，生成唯一產物——水，因此相比較電能的產生，更加綠色環(huán)保。

（3）獨立性更好。系統(tǒng)運行不依賴外部電源，不受外部電源穩(wěn)定性的影響，只需要加氫即可。

（4）制造成本低。氫氣來源途徑多，可以利用工業(yè)廢氫或者低峰電能制氫等。

2 氫能源有軌電車的發(fā)展

人類對于氫能源的研究已有幾百年的歷史。1839年，劍橋大學William Cecil首次提出燃料電池。1928年，Rudolph Jrren發(fā)明第一臺氫氣發(fā)動機。21世紀以來，隨著燃料電池的迅速發(fā)展和推廣，氫能源作為清潔能源進入高速發(fā)展階段，燃料電池發(fā)展迅速，氫燃料電池應用廣泛，美國、韓國、法國、日本、中國等國家都非常重視氫能基礎設施及儲運技術的發(fā)展。全球范圍內，美國最早開始研制氫燃料電池，2002年成功研制了1臺氫燃料電池礦山車，加氫時間為1 h，可運行8 h；日本于2006年將柴油機車改造成氫燃料電池鐵路車，加1次氫能夠運行50～100 km；丹麥、西班牙、德國相繼研發(fā)了氫能源機車，并在鐵路上進行試運行，取得了成功；法國、加拿大、印度、韓國也著手氫燃料電池機車的研制工作。我國在2016年，由中國標準化研究院和氫能標準化技術委員會聯合發(fā)布的《中國氫能產業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書2016》中，明確了我國分3個階段發(fā)展氫能源產業(yè)。2017年11月，唐山市第一條氫能源有軌電車在唐胥鐵路使用。2019年12月，佛山市高明區(qū)第一條氫能源有軌電車商業(yè)運行線投入運營。

我國除唐山市和佛山市高明區(qū)實踐了氫能源有軌電車，成都新都區(qū)、濟南等城市擬建設氫能源有軌電車。作為移動裝備生產制造單位，中車長春軌道客車股份有限公司、中車株洲電機有限公司也積極投入到燃料電池的研發(fā)中。未來幾年我國將有更多的城市開始建設氫能源有軌電車。

3 氫能源有軌電車在佛山市高明區(qū)的應用

本工程為滄江路站—智湖站，線路長約6.6 km，設車站10座，平均站間距約為640 m。其中，換乘站1座，為荷城站，該線在此與佛山市軌道交通2號線換乘；地面車站包括滄江路站、躍華路站、怡樂路站、智湖站；跨河車站包括荷城站、文化中心站、明湖公園站、新江路站、體育中心站、阮涌站。該線設置人行天橋3座、加氫站1座、車輛基地1座，調度指揮中心位于車輛基地的綜合樓內。項目總平面圖如圖1所示。

該線路是全球第一條氫能源商業(yè)運行線路，在設計上與其他現代有軌電車有諸多不同，具體如下。

3.1 車輛制式

本線路采用設計速度為70 km/h、100%低地板、氫能源動力的現代有軌電車，3節(jié)車輛鉸接式編組，同步永磁電機驅動，座位有60個，載客量為285人，兩邊各設置6個車門。車輛編組示意圖如圖2所示。

氫氣通過長管束拖車公路運輸到車輛基地加氫站。加氫站配置了壓縮機、固定式儲氫瓶（45 MPa）、加氫機（35 MPa）；在氫氣到達加氫站后，通過壓縮機將其儲存到固定式儲氫瓶，然后通過加氫機將氫氣加注到有軌電車車頂的高壓儲氫瓶，如圖3所示。

每列列車配置6支高壓儲氫瓶，充滿氫氣后質量為20 kg，加注1次氫所需的時間為15 min。

3.2 行車組織

圖1 佛山市高明區(qū)有軌電車項目總平面圖

圖2 車輛編組示意圖

圖3 氫氣儲運、加注流程

氫能源有軌電車加注1次氫可運行100 km，續(xù)航能力為4～5 h。受續(xù)航能力的限制，該條線路運營計劃的編排與常規(guī)做法不同，還需要考慮加氫計劃的匹配，即6列運用車（1～6號列車）分組進行加氫，與全日行車計劃相匹配。表1和表2分別列出全日行車計劃和加氫計劃。

3.3 基地防爆設計

氫能源雖然綠色環(huán)保、無污染，但氫氣易燃（燃點為500 ℃）、易爆（空氣中含4%～75.6%遇火則爆炸）。目前國內尚無相關運營案例，也無針對氫能源有軌電車包括車輛基地等的相關規(guī)范標準。由于車輛基地環(huán)境中存在一定的氫氣，因此其設計與常規(guī)的車輛基地不同，需要進行防爆設計。

3.3.1 總平面設計

在車輛基地靠近加氫站位置設置有軌電車加氫線，方便其近距離加氫；10 m范圍內設置安全隔離帶，以保證加氫的安全。

基地內需把帶氫作業(yè)庫房與非帶氫庫房分開，動火庫房與非動火庫房分開。帶氫作業(yè)廠房有月檢/臨修庫、鏇輪庫，不帶氫作業(yè)的建筑如綜合樓和蓄電池間，根據氫能源防爆要求，不帶氫作業(yè)建筑應距離帶氫廠房30 m安全距離?？紤]到鏇輪庫需要動火工藝，月檢/臨修庫和鏇輪庫因此也需按30 m隔開。

調整道路與廠房間的間距，滿足洗車庫距主要道路10 m、月檢/臨修庫距次要道路6 m的要求。

根據檢修要求，需要對車輛進行氫氣放空，同時考慮安全因素，應在庫外設置車輛氫氣放氫線。牽出線分別距荷富大道15.11 m、蓄電池間33 m、圍墻5.22 m，可兼作放氫線功能，滿足《加氫站技術規(guī)范》（GB 50516-2010）的要求。車輛基地總平面圖如圖4所示。

表1 全日行車計劃 對/h

表2 加氫計劃

圖4 車輛基地總平面圖（單位：m）

3.3.2 專業(yè)設計

（1）建筑設計。將月檢/臨修庫、停車列檢庫、洗車庫定義為甲類廠房，屋頂應設置泄壓設施。

（2）給排水及消防設計。將月檢/臨修庫、停車列檢庫、洗車庫室外消火栓的設計用水量調整為25 L/s。與氫有關的廠房、構筑物均需根據規(guī)范要求配置滅火器。手提滅火器選用撲救A、B、C類火災和帶電火災的磷酸銨鹽干粉滅火器。

（3）通風空調設計。月檢/臨修庫采用事故通風，換氣次數不小于12次/h，設置泄漏警告報警裝置及聯動排氣裝置，排氣裝置采用防爆風機，且按事故通風要求分別在室內及靠近外門的外墻上設置電氣開關。

（4）動力照明設計?？紤]到月檢/臨修庫（帶氫）可能存在足以點燃爆炸性氣體混合物的火花、電弧或高溫現象，電力裝置應采用防爆電氣設備，并按爆炸性環(huán)境考慮接地設計。

（5）弱電系統(tǒng)設計。需對停車列檢庫、月檢/臨修庫等帶有氫氣的庫房內設置氫濃度傳感器，當發(fā)生月檢/臨修庫氫氣檢測報警時需聯動其內的防爆通風裝置，如圖5和圖6所示。氫氣檢測及報警系統(tǒng)的主機設置在值班室內，報警裝置應設置在庫房及值班室內。月檢/臨修庫及停車列檢庫內的各強、弱電系統(tǒng)現場設備應采用防爆型設備，如圖7的防爆照明裝置。

此外，具體操作過程中還有許多注意事項，例如：基地工作人員進出庫房需采用防靜電服裝和工具，進入加氫區(qū)域嚴禁打電話等。

圖5 氫濃度傳感器

圖6 防爆通風裝置

圖7 防爆照明裝置

4 結語

氫能源有軌電車以氫燃料電池為動力，全線無接觸網運營，不影響城市景觀；不需要設置充電裝置，節(jié)省投資；具有良好的續(xù)航能力；零排放的綠色環(huán)保特性與國家節(jié)能減排政策一致。佛山市高明區(qū)氫能源有軌電車項目開通運營1年多以來，給高明區(qū)人民的出行帶來便利。其應用實踐積累了一定的經驗，也發(fā)現了一些不足，但這些有益的實踐未來將會給更多的城市建設氫能源有軌電車線路樹立信心。