氫能燃料電池技術在現代有軌電車中的應用與展望

摘 要 本文針對氫能燃料電池技術在現代有軌電車中的應用問題進行研究，首先闡述氫能燃料電池技術的概念與優勢，其次介紹氫能燃料電池技術在現代有軌電車中的應用情況，再次指出氫能燃料電車應用中存在的問題，最后根據問題制定相應的優化措施，希望對相關研究人員提供一定的參考與借鑒。

關鍵詞 氫能燃料電池;有軌電車;應用;優化措施

近年來，氫能燃料電池技術的相關研究成果趨于成熟，在多領域中都取得良好的應用效果。氫能燃料電池是一種將燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的裝置，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，由于氫能燃料電池具備無污染、轉換率高、噪音低等優勢，可以在低溫環境下快速啟動，因此氫能燃料電池技術也在有軌電車領域取得良好的應用成果。

1 氫能燃料電池技術的概念與優勢

氫能燃料電池技術可高效清潔的把化學能直接轉化為電能，比常規熱機的應用效率更加良好。燃料電池技術的快速發展，可以為能源動力的變革帶來重大契機，而且在國家可持續發展戰略的持續推動下，未來的氫能燃料電池技術在我國終端能源體系占比還會逐漸提升，并且成為我國能源戰略的重要組成部分，與電力協同互補，共同成為我國能源體系的消費主體。

2 氫能燃料電池技術在現代有軌電車中的應用現狀

近年來，隨著我國城市軌道交通發展迅猛，具備工程造價低、審批程序相對簡單等優勢的現代有軌電車得到井噴式發展。據統計，目前全國已有現代有軌電車線路，運營里程已經增至377.99公里，占據線路總長度的6.86%。這不僅為現代有軌電車提供了良好的發展環境，同時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。由于傳統鐵路電氣化系統運行成本較高，這也進一步促進了燃料電池技術的發展空間。

由于傳統有軌電車技術采用架空接觸網供電技術，不僅在供電環節存在諸多缺陷，而且影響其他車輛的正常通行，對城市整體文化面貌也會造成一定的影響。因此，氫能燃料電池技術的有軌電車可以大幅度減少牽引變電所、輸電網以及牽引網的建設數量與規模。

氫能燃料有軌電車在我國的應用情況具體如下：

我國首輛燃料電池機車于2013在西南交通大學研制成功，整車重量為45噸，設計時速為65km/h，由兩臺120kW永磁同步牽引電機組成，儲氫壓力為35MPa，燃料電池系統功率為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營;2019年12月1日，氫能燃料有軌電車在高明正是開始商業運營。

3 氫能燃料電池技術在現代有軌電車中應用存在的問題

氫能燃料有軌電車雖然具備眾多優勢，而且在一定程度上對區域產業結構具有調整與示范作用，但是在實際應用中也存在部分問題，具體如下：

首先是關于氫能源有軌電車的政策不明朗，相應法規與技術標準尚不完備。當前國內氫能源有軌電車尚處初期推廣階段，工程案例較少，涉及氫安全的環節比較多，這便需政府牽頭組織設計、施工、監理和驗收等工作，而目前的實際情況為行政審批約束較大，導致工程建設周期加長[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，火災危險性等級較高，小概率事件發生后的社會影響較大，氫能源有軌電車是否歸類為危化品車輛目前尚無標準可依。考慮到長大隧道、地下區間和高架區間為主有軌電車路段，線路情況復雜，工程氫氣易集聚處以及涉氫安全風險點較多，導致防火危險性較高，因此也導致審批難度加大，消防驗收困難[2]。

最后是配套基建方面，由于氫能源有軌電車的庫房通常被界定為甲類庫房，無法進行上蓋物業開發，造成土地集約利用率降低，資源浪費。而且氫能源有軌電車需要配套加氫站設計，加氫線不能與車輛段內其他股道共用，導致占地規模加大。

4 提升氫能燃料電池技術應用質量的優化措施

鑒于氫能燃料電池技術的應用優勢與問題，在今后的技術研發與應用環節應該主要從以下方面展開工作：

首先，完善相關法規，并且優化技術深度，這樣才能打破當前規章制度對氫能燃料電池技術的應用限制，使其能夠得到更加廣泛的應用。

其次，根據有軌電車工程的實際特點與需求，采取分階段有軌電車運行制式，其中第一階段暫時不采用氫能燃料有軌電車制式車輛，優先選擇當前技術比較成熟且應用率較高的儲能制式有軌電車;第二階段為等待氫能源政策相關法規完備后，這時候再將綜合技術趨于完善的氫能燃料有軌電車投入使用，可以科學提升氫能燃料電車的應用效率。

最后，在執行分階段投入氫能有軌電車的過程中還可以根據實際運行情況調整組合模式，也就是實現不同區段中氫能電車與儲能電能的混合模式，這樣也可以最大限度發揮運營組織靈活性，實現資源綜合利用與效益最大化。最后，針對氫氣站的運行模式進行調整優化，通過減少加氣流程時間來提升氫能電車的運行效率，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的日漸成熟，氫能電車取代傳統儲能式有軌電車必然是今后的發展趨勢。

5 結束語

綜上所述，現代科學技術的蓬勃發展，使氫能燃料電池技術的應用效率大幅度提升，通過將氫能燃料電池與有軌電車相結合，不僅具備高效與清潔的技術優勢，而且能夠合理降低初期投入成本。但是，現階段氫能燃料電車在應用中也存在一些問題，因此只有針對問題制定科學合理的應對策略，才能進一步完促進氫能燃料電車的發展前景，使軌道交通行業可以為國家可持續發展戰略方針提供穩定助力。

參考文獻

[1] 張春文，曾旻輝，楊波，等.氫能技術在電力行業的應用前景研究[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運營[J].軍民兩用技術與產品，2017，（21）：22.

作者簡介

吉燕華（1984-），男，山西省臨汾市翼城縣人;學歷：碩士，工程師，現就職單位：中鐵第五勘察設計院集團有限公司，研究方向：車輛工程。