燃料电池机车行业技术发展研究
来源:用户上传
作者:
摘 要：相对于传统的柴油或者电气轨道机车，燃料电池机车有着效率高、污染低、固定资产投入低、经济性高等优势。自2010年开始我国有关燃料电池机车相关的研究逐渐提升，根据国内现有的专利进行分析，其主要研究方向为燃料电池系统、控制器以及冷却系统，为了持续验证产品的可靠性，从2018年开始国内已经开始进行了示范运行。未来，随着轨道交通行业的持续发展，燃料电池机车将成为重要的发展方向之一。
关键词：燃料电池机车 可靠性 经济性
中图分类号：U267 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0078-02
传统的轨道交通一般包括传统铁路、地铁、轻轨和有轨电车，是全球公共交通运输的重要组成之一，拥有者运输量大、安全舒适、准点率高、受天气影响低等优势，同时也有着前期投资大、投资建设周期长、技术要求高且占用空间大等缺点。目前，传统的轨道交通已经逐渐从内燃机技术向新能源和电气化技术方向转型，而燃料电池作为最有潜力的新能源技术之一，也成为了机车发展的方向。
1 国际燃料电池机车发展现状
国际燃料电池机车的发展主要集中在美国、日本和欧洲。第一台燃料电池机车是在2002年由美国能源部与车辆项目部以及燃料电池驱动系统研究所联合开发的矿山用车，虽然当时燃料电池系统功率仅为17kW，但是相对比电动机车，其自重轻、单次运行时间长、加注时间短等优势，极大地提升了机车的使用效率。2007年BNSF铁路公司推出研发计划，开发了燃料电池/蓄电池混合电力的燃料电池机车，其中燃料电池采用了巴拉德的Mark902系列電动堆，系统功率达到240kW，并于2009年底在洛杉矶进行测试运行。
2003年，日本铁道综合技术研究所（RTRI）开发成功了30kW燃料电池轨道车研发并进行了演示运行，并于2010年开始正式的示范运行。日本的NE列车公司于2006年由柴油机车改造成功了一台燃料电池机车，其燃料电池系统功率为130kW，一次加氢可以行驶50～100km，与柴油机车相比，其减排可降低30%。
2011年，西班牙FEVE（Ferrocarriles de Via Estrecha）公司的研发中心开发一台燃料电池试验机车，其采用Hydrogenics公司提供的燃料电池模块，燃料电池系统为24kW，配合95kW锂电池，形成电电混合动力系统。
2017年，阿尔斯通公司正式开发出一台燃料电池货车，该燃料电池火车在满载燃料时可连续行驶600～800km，最高时速可达140km，最多可运送300人。并于2018年公布将沃尔夫斯堡交付14个氢燃料电池列车。
2 我国燃料电池机车技术发展现状
我国燃料电池机车的研究主要集中在中车集团下属的各个单位以及部分以轨道交通为主要研究方向的高校，2013年1月，西南交通大学牵头研制的燃料电池电动机车“蓝天号”研制成功。2015年3月，青岛四方机车的氢燃料电池有轨电车正式竣工下线。2016年4月，中车唐山公司的燃料电池/超级电容混合动力低地板有轨电车正式下线。
针对我国燃料电池机车相关专利进行分析，详见图 1，自2004年开始，我国已经有高校开始进行相关的研究，但整体的专利数量并不多，一直到2010年，专利数量才有上升趋势。而这些专利基本都是中车集团下属的公司所申请的，比例接近80%，而其中青岛四方机车公司的专利布局最多，其次是中车株洲电力机车公司。而非中车集团的申请人中，主要有西南交通大学和永济新时速电机电器有限责任公司。对这些专利进行方向分析，其主要涉猎的技术领域如图2。其中燃料电池系统相关的专利数量最多，其次为控制器和冷却系统相关的研究。
专利CN107180980A[1]所描述的一种安装在有轨电车的车厢顶部的燃料电池系统，其中详细描述了燃料电池系统、供气系统、冷却系统以及储氢系统的结构， 该系统是由两套完全相同的燃料电池构成，其相应的辅助系统如冷却系统、供气系统等也均为平行的两套。
专利CN201378795Y[2]所描述一种燃料电池车DC/DC变换器控制板，为便于组装、维护，提高质量功率比，减小各信号在线束上的干扰，本控制板集控制、电源、驱动于一体， 将主控制逻辑芯片、控制电源分配电路、主功率模块驱动及脉冲保护电路、各模拟信号采样处理电路，均集成在同一控制板上，控制板对系统外只有12V的控制电源接口和CAN控制接口。控制板中采用2路差分采样电路来检测燃料电池输出电压及DC/DC变换器的输出电压。
专利CN106328971A[3]所描述一种机车用燃料电池的冷却系统，由于低地板有轨电车车下空间受限，多数设备均安装到车厢顶部，且燃料电池额定功率大，散热需求高，因此该冷却系统需要在车顶有限的空间内满足氢燃料电池大功率散热需求，该系统包括燃料电池、循环装置、冷却装置和电加热管，其中燃料电池、循环装置和冷却装置通过管路依次连接，并形成冷却循环回路;而电加热管一端通过管道与循环装置连通，另一端通过管道与氢燃料电池连通，并形成加热循环回路。该冷却系统散热效率高、冷却能力强，最大散热功率可到170kW。
3 我国燃料电池机车运行经济性分析
传统机车项目由于涉及场地、轨道、架空/地面接触电网等固定资产投入，因此前期投入较大，据不完全统计，美国的每公里轨道交通设施的建设价格为均高于3000万/km，而欧洲对现有的轨道交通设施进行电气化改造的价格约为5000万元/km，而我国轨道交通设施的建设费用约为2000万/km。
以我国有轨电车的平均运行场景为例，分析燃料电池机车与有轨电车的经济性。基本假设如下：（1）按照全生命周期为8年计算，车辆年运行时间均为300d，日运行距离为50km。（2）加氢站：日加注能力为500kg（8h），单座加氢站对应50辆燃料电池公交车，单座加氢站建设成本为1000万元，氢气加注费用为40元/kg，运营费用为10元/kg。（3）燃料电池机车：百公里耗氢量为10kg，单台售价1400万。（4）架空/地面接触电网：2000万/km，电费0.8元/kWh，运营费用0.8元/kWh。（5）有轨电车：百公里耗电为80kWh，单台售价1000万。
根据上述假设，假设车辆数量为100辆，对比分析两种类型机车的单台车辆的综合成本，在整个生命周期内，燃料电池机车为1470万元/辆，而有轨电车为2150万元，燃料电池机车有着更高的经济性。这主要源自于有轨电车需要更大的基础建设投入。
4 结语
燃料电池机车在我国的发展仍属于初步阶段，无论是燃料电池系统产品的可靠性还是整车产品的可靠性都需要验证，因此需要从产品零部件到整车行业共同加大研发和示范运行的力度，推动协同创新，为我国轨道交通的新能源化发展做出贡献。
参考文献
[1] 李明，李明高，刘楠，等.燃料电池系统及有轨电车：中国，CN107180980A[P].2017-09-19.
[2] 彭再武，毛懿平.一种燃料电池车DC/DC变换器控制板：中国，CN201378795Y[P].2010-01-06.
[3] 胡玉杰，高洪镇，杨兵，等.一种氢能源有轨电车燃料电池的冷却系统：中国，CN106328971A[P].2017-01-11.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15248197.htm
