氫能源與超級電容在現代有軌電車的應用

魏調忠

（佛山市鐵路投資建設集團有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

隨著國家城市化進程的加快，各地方城市人口呈逐步上升的趨勢，人口的流動及道路車輛的增多，進一步加劇了城市交通的擁擠和環境的污染。現代有軌電車是一種中低運量的城市公共交通工具，具有建設周期短，綜合造價和運營成本相對地鐵低、無需獨立路權等特點，受到各大中小城市的青睞[1]。其中，儲能式有軌電車有效解決了電車系統需沿途架設接觸網供電的傳統方式，得到了廣泛地應用[2-3]。現代有軌電車供電方式如圖1所示。

圖1 現代有軌電車供電方式

儲能式供電設備以超級電容最為常見，但隨著新能源技術的不斷發展，氫燃料電池也逐步進入軌道交通領域。特別是高明氫能源有軌電車的開通運營，為儲能式設備提供了新的樣本。氫能源是一種二次能源，與超級電容存在較大的差異，其技術原理、系統結構以及在有軌電車的運營表現均有不同的特點，對比分析這兩類典型的儲能式設備在有軌電車應用上的表現，為氫能源在有軌電車的應用與改進提供參考。

1 超級電容在有軌電車的應用

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60年代發展起來的一種基于新材料和新工藝的新型儲能裝置，通過利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構來獲得超大的容量，通過電荷在電極表面的分離來儲能，其電極上不發生法拉第反應。其既具備電容器快速充放電的特性，同時又具備電池的儲能特性，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壽命。

基于有軌電車啟動頻繁、電流量大的特點，超級電容作為獨立的車載儲能設備可以較好地滿足有軌電車的運行需求。目前，利用超級電容作為儲能裝置進行獨立供電的有軌電車已經在廣州、深圳、武漢、淮安等地的多條線路上被較為廣泛地應用。

1.2 超級電容供電系統結構

如圖2 所示，采用超級電容作為儲能元件的儲能式現代有軌電車，其供電系統結構主要由車頂受電器系統、超級電容系統等組成。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，當車輛進入站場區域，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間為超級電容快速補充電能。

圖2 超級電容供電系統結構示意圖

2 氫能源在有軌電車的應用

2.1 氫能源

氫能源是指氫和氧進行化學反應所釋放出的化學能，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、可儲存、可再生、可電可燃、零污染、零碳排等優點。通過利用氫燃料電池，把氫氣與氧氣結合產生的化學能轉化為電能，可實現把持續供給的氫氣連續不斷地直接轉化為電能。氫能源及燃料電池是目前能源技術革命的重點方向之一。

2002 年 ， Vehicle Projects LLC 公 司 和 Fuel Cell Propulsion協會共同開發了氫燃料電池在軌道交通中的應用[4]。在有軌電車方面，于2019年底開通的高明有軌電車是商業運營的氫能源有軌電車。目前，佛山南海區、成都新都區等地亦在規劃氫能源有軌電車線路。

2.2 氫動力系統結構

高明氫能源有軌電車供電系統主要由“氫燃料電池系統+動力電池系統”組成，其中氫燃料電池系統的主要作用是通過氫氣與氧氣的反應產生電能為列車提供動力。燃料電池和動力電池作為混合動力源持續為列車提供動力，動力電池可在燃料電池未啟動、故障時單獨為列車提供動力一段時間[5]。氫動力系統結構如圖3所示。

圖3 氫動力系統結構示意圖

2.2.1 燃料電池系統

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

圖4 質子交換膜燃料電池工作原理示意圖

2.2.2 動力電池

高明氫能源有軌電車動力電池采用鈦酸鋰電池，與DC/DC 模塊并聯設置，受整車能量控制器控制，可根據列車狀態進行充放電，為整車提供電能或吸收部分制動電能，如圖5所示。

圖5 動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用分析

3.1 主要技術性能

根據有軌電車的特點，列車的供電介質除確保安全、可靠之外，還應具有能量密度高、功率密度高、壽命長、環境適應性強、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代有軌電車的主要技術性能。氫能源屬于化學類電源供給系統，屬于能量密集元件，相比超級電容在能量密度占優勢，在續航能力方面表現優異，其缺點在于能源利用率相對較低，加氫時間長。超級電容屬于物理電池，是功率密集的儲能元件，相比氫燃料電池在功率密度具有一定的優勢，且充電時間短，其缺點主要在于其能量密度低，列車的續航里程短。

表1 超級電容和高明氫能源的主要技術性能

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、充電時間短的特點，國內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行里程一般在4～5 km，因此需利用列車停站的時間快速充電。有軌電車一般采用混合路權，如列車在區間運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，導致列車需要救援的風險。

高明氫能源有軌電車采用燃料電池與動力電池的供電結構，其儲氫量約為20 kg，在滿氫的情況下，列車可續航約100 km。同時，在氫氣不足或燃料電池系統故障的情況下，可由動力電池繼續牽引列車回庫。在續航能力和故障應對方面，氫能源相比超級電容有著非常明顯的優勢。

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 個站即設置一個充電站，確保列車在上一個充電站充滿電后可運行至下一充電站，通過利用列車停站時間快速完成超級電容的充電，實現列車“離線運行”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，在車輛段旁設有一個加氫站進行加氫。據計算，在不同的載重工況下，一次加氫可運行79～126 km。結合運營經驗，一般在列車氫氣仍有一定余量的情況下安排下線加氫。經測算，從退出服務到上線運營的整個加氫時間約為40 min。基于氫能源有軌電車需離線加氫的特性，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勢。

3.3 運營管理

由于氫氣是易燃、易爆氣體，如遇火種、熱源即發生燃燒甚至爆炸，在運營管理方面，氫能源有軌電車與超級電容有軌電車的主要區別在于安全管理。針對氫氣的使用和氫能車輛加氫設施等方面，國家層面制定了《氫氣使用安全技術規程》等強制性標準。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，除了遵循國家標準外，運營單位就涉氫安全管理方面專門制定了3份企業級管理制度，用于明確氫能源安全管理要求、應急處理措施等。同時，把車輛段內停車列檢線、月檢線、臨修線等設置頂棚的車庫定義為涉氫區域，并根據爆炸性氣體環境出現概率和持續時間把涉氫區域場所劃分為三類場所，實行分級管理。此外，對涉氫區域內的相關設備（如起重機、架車機等）要求必須為防爆設備，并嚴格控制非防爆設備進入涉氫區域。

3.4 對新產業發展的推進

隨著全球各國對環境保護的重視，推動了對清潔能源的研究和應用。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，佛山市正不斷推進氫能源在交通等領域的應用[7]，高明氫能源有軌電車對于城市產業結構的調整、促進上下游產業的發展有著明顯的牽引作用。同時，根據規劃，目前用于為高明有軌電車提供加氫服務的加氫站，后續將進一步為氫能源公交車等路面交通工具提供加氫服務，實現加氫站的資源共享。加快氫能源產業的發展，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，也是最突出的優勢。

3.5 氫能源與超級電容優缺點

氫能源有軌電車與超級電容有軌電車作為典型儲能式供電系統有軌電車，在技術層面和實際應用層面具有不同的特點，前文的分析中，其主要的優缺點如表2所示。

4 結束語

為減少有軌電車建設對城市的影響、提升城市形象，非接觸網供電方式的有軌電車，特別是儲能式的有軌電車將是未來各地有軌電車建設的首選方案。作為儲能式有軌電車的兩個典型，以超級電容作為儲能介質的有軌電車，具有行車組織便利、運營管理方便等優勢，但超級電容的特性制約了有軌電車的續航里程，給正線行車帶來了一定的不確定因素。以氫能源作為儲存介質的有軌電車，具有續航里程長、行車可靠性高等優點，同時對于促進氫能源產業發展，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，為運營單位在行車組織、運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性能

當前，歐美等發達國家對氫燃料電池技術的研究不斷深入，氫燃料電池的應用場景已經逐步在汽車、航空航天、軌道交通等領域均得到了廣泛的應用。中國目前已非常重視氫能源產業的發展，特別是在《中國制造2025》中把發展氫燃料電池技術提升到了戰略高度后，各地政府也出臺了一系列的政策來支持氫能源的發展，將大大推進氫能源的研究及商業化應用。高明有軌這種商業化運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用。