燃料电池有轨电车车载氢系统设计*

石俊杰 ， 于 淼， 刘 楠

(中国中车唐山机车车辆有限公司 产品技术研究中心， 河北唐山 063035)



燃料电池有轨电车车载氢系统设计*

石俊杰 ， 于 淼， 刘 楠

(中国中车唐山机车车辆有限公司 产品技术研究中心， 河北唐山 063035)

氢燃料电池有轨电车作为一种"纯绿色"的交通工具，以其特有的零排放、无污染、低噪声、能源可再生、转化效率高等优势成为新时代城市交通发展的亮点。本文对燃料电池有轨电车的国内外发展现状和储氢系统、高压气瓶及相关安全检测等车载氢系统技术进行了总结。在此基础上，针对某燃料电池有轨电车技术需求，提出了车载储氢系统设计方案及氢气加注方案。

燃料电池； 有轨电车； 储氢系统； 加注系统

因其零排放、节能环保优势，氢能源有轨电车为城市公共交通提供了一种新型解决方案，对缓解城市交通压力，减少环境污染，有重要作用。国内外学者和研究机构针对氢燃料电池车辆进行了大量研究。欧、美、日等发达地区和国家均在燃料电池有轨电车领域进行了卓有成效地研究[1-2]。相对于传统动力车辆而言，燃料电池动力车辆既携带了大量的高压氢气，又具有传统动力车辆所不具备的高电压，因此整车的氢、电安全性非常重要，这在很大程度上也成为制约燃料电池车辆批量生产与推广的技术瓶颈之一[3]。因此，对车载供氢系统进行技术研究显得尤为重要。

1 国内外燃料电池有轨电车发展现状

1.1 国外燃料电池有轨电车发展

2007年日本JR公司研制了世界首列基于燃料电池的轻轨列车。

2011年西班牙FEVE公司展示了基于燃料电池的有轨电车的研制工作，该车是一款由2套氢燃料电池供电的有轨电车样车，载客人数为20～30人，最高速度达到20 km/h，并于2012年在阿斯图里亚斯投入运营。该车有两个12 kW的氢燃料电池作为动力源，氢气储存在12个高压气罐内，总储氢体积105.6 Nm3(是指一个标准大气压下，温度为0℃，相对湿度为0%时的体积)。系统工作时，电流被输送到4个额定功率为30 kW的异步交流牵引电机中，同时制动回收能量存储在3个Maxwell 的HTM125(额定电压125 V，额定容量3 000 F)超级电容模块或额定功率为95 kW锂离子电池中。

2013年美国TIG/m公司提出了燃料电池有轨电车概念车设计。 继而，英国、德国、韩国、加拿大等国家均对燃料电池有轨电车展开了研究工作。

1.2 国内燃料电池有轨电车发展

我国也在积极推进氢能及燃料电池有轨电池车的发展，初期研发基本以科研所和高校为主。

2013年1月24日西南交通大学牵头研制的燃料电池电动机车“蓝天号”成功下线，标志着我国第一辆氢燃料电池电动机车研制成功[4]。机车用150 kW燃料电池作为牵引动力，2台120 kW永磁同步电机作为牵引电机[5]，设计速度65 km/h，持续牵引力20 kN。装满氢气可轻载连续运行24 h，可作为轨道交通的工程作业车、检修车和站场调车广泛应用。

2015年青岛四方机车车辆股份有限公司研制了氢能源有轨电车概念车。中车唐山机车车辆有限公司结合实际运营需求研制的燃料电池超级电容混合动力100%低地板有轨电车于2016年4月下线，该车采用2套150 kW燃料电池系统组成，续驶里程可达50 km，运行最高速度为70 km/h。

在国内示范线运用方面，佛山市高明区有轨电车示范线是国内首条采用氢能源燃料电池的线路。根据规划，示范线先行建设的首期项目长约8 km，共设9个站点。该项目2015年内已经动工，预计2016年底能投入使用。

2 车载氢系统技术研究现状

氢燃料电池车以及加氢的技术难度较高，氢燃料供应社会体系建设的难度相当高，不像插电式混动车、纯电动车一样可以与现有的传统汽油车加油站或国家电网等这些基础设施兼容，而氢燃料的社会体系需要重新建设。

氢能系统是一个庞大而复杂的能源系统，其制氢技术是源头、储氢技术是关键、氢的高效利用是核心。随着燃料电池技术和电动汽车技术的迅速发展与产业化，安全、高效的储氢技术成为了氢能推广应用的关键[6]。

2.1 氢燃料电池系统

氢燃料电池主要包括电池和燃料两个部分，其上游主要是氢气供应以及电池零部件。中游则是将上述组装，形成一个完整的可投入使用的燃料电池系统，每种系统构成都依据其不同的应用领域而有所不同。下游则主要包括了固定、交通运输和便携式3个主要领域。

燃料电池产业链(如图1)的核心在于中游的燃料电池系统[7]，氢存储设备及充氢系统也占据着极其重要的位置。根据调查，目前国内1台燃料电池大客车中，车身本体、燃料电池、车载氢系统各占其成本总量的三分之一，由此可见氢存储系统及充氢系统在燃料电池汽车中扮演着相当重要的角色。

图1 燃料电池系统产业链

2.2 储氢系统

目前，储氢技术主要有高压储氢、液态储氢、金属氢化物储氢、活性碳低温吸附储氢、纳米碳管储氢、液体有机氢化物储氢等。由于受体积和质量的限制，车载供氢系统的主要技术指标是能量储存密度，即单位质量储氢密度和体积储氢密度。

迄今为止，车载35 MPa储氢罐的质量储氢密度为3%，70 MPa时达到4.5%，单位储氢密度仍然不高。但是，高压储氢罐由于具有设备结构简单、充放速度快、压缩氢气能耗低等优点，仍然是现今燃料电池汽车采用的主要储氢方式。由此可见，储氢技术还需要迈上一个新的台阶。

2.3 高压储氢瓶

综合考虑压缩能耗、储罐安全、充装设备投资等因素，高压氢气的理想储存压力为35～70 MPa。车用气瓶共分4个类型：Ⅰ型(全金属气瓶)、Ⅱ型(金属内胆纤维环向缠绕气瓶)、Ⅲ型(金属内胆纤维全缠绕气瓶)及Ⅳ型(非金属内胆纤维全缠绕气瓶)。Ⅰ型和Ⅱ型气瓶的重容比较大，用于车载供氢系统并不理想。Ⅲ和Ⅳ型纤维缠绕高压氢气瓶具有承压能力高、质量轻、耐腐蚀性强等能成为国内外研究的热点。目前我国的纤维缠绕天然气瓶仅采用Ⅲ型瓶结构。

铝合金内胆全缠绕复合气瓶的技术优点有：

(1)质量轻：是同容积钢瓶的30%；

(2)充气速度快：由于铝散热快，瓶温升高不大，可快速充气；

(3)充气量大：充气时气体无显著升温，充气量比塑胆瓶多10%；

(4)安装件少：相同储气量下，气瓶数量少，安装连接件少，安装方便；

(5)经济实用：气瓶数少导致车载总瓶重下降，降低燃料消耗，减少维护费用；

(6)车辆稳定性高：由于质量轻，使得车辆的整体稳定性大大提高；

(7)规格适应性强：气瓶长度不受模具限制，可根据用户要求定制。

2.4 氢气安全检测

燃料电池电堆内部发生氢气泄漏可由内部氢气检测装置检测，并在达到可燃浓度前触发警告。燃料电池模块的机箱内，包括车辆发动机舱、试验站或类似的封闭空间内也需要集成氢检测设备。氢气检测应与燃料供应紧急切断阀相连。如果车载氢燃料的车辆安置在室内时，应配置氢气检测设备并保证足够的通风，以稀释可能发生的任何泄漏。如果存在过度的氢气泄漏，应当终止电池堆运行并进行泄漏测试。

同时，氢气传感器暴露在污染环境可能会发生性能衰减，致使灵敏度变差。所以，需要对氢气泄漏传感器进行定期检查。如果传感器失效，可能导致模块氢气泄漏时，不能紧急停机。所以有必要对氢气进行安全检测。

3 有轨电车车载储氢系统设计方案

根据国家科技支撑项目——“燃料电池/超级电容混合动力100%低地板有轨电车研制项目”要求，基于有轨电车用大功率燃料电池优化控制技术，进行了燃料电池混合动力系统与车辆系统参数匹配与接口设计；基于车体结构轻量化设计、热控制及热量利用、振动模态匹配、噪声控制、储氢设备安全控制等设计技术，完成了整车系统集成和样车研制。该车载储氢系统由4个35 MPa储氢瓶组成，储氢量约为14 kg，车辆能满足50 km的续驶里程。

车载氢系统包括氢加注口至用氢装置入口，与氢的加注、储存、供给和控制相关的所有装置和零部件。在某些场合下，也可以将氢的泄漏监控装置等归入氢系统的范畴[8]。车载储氢系统的方案设计需满足安全至上、失效安全、简化、区域布置及氢电隔离等原则。

图2 氢系统设计实物图

3.1 加注系统

加注系统包括加注接口、单向阀(或球阀)、过滤器、压力表以及必要的连接管路等零部件。其主要功用是完成与加氢站的加注对接，将洁净的高压氢气安全地注入到车载高压氢气瓶中，如图3所示。

加注接口和压力表通过连接管件安装到加注面板上并组成加注模块。通过加注模块上的压力表可以显示出实际的氢气加注压力，加注人员可以根据组合瓶阀上的温度、压力传感器测量的温度、压力值根据密度估算得出加氢量。在加注模块上安装有导除静电装置，在进行加注时需要把加氢站上的静电导线和车辆上的导除静电装置连接，把车辆上的静电通过加氢站消除然后进行加注。

图3 加注模块示意图

加注模块安装在独立的舱体内。舱体内部不允许有容易产生电弧及火花的电气设备或影响安全的设施。舱体要与车辆内部密封，防止氢气泄漏到其他环境中；舱体与外部环境通风，保证氢气泄漏后能够及时地扩散到外部环境中去而不聚集。

3.2 储存系统

储存系统主要包括高压氢气瓶、组合瓶阀、压力释放装置(Pressure Relief Device，简称PRD)属于安全保护装置，一旦动作不可恢复以及必要的连接管路等。其主要功用是将加氢站注入的氢气安全地储存在高压氢气瓶中。

高压氢气瓶上安装有组合瓶阀和PRD，其通过气瓶固定卡带安装在固定支架上组成储存模块。在储存模块上设有2个静电连接点，以方便将储存模块产生的静电通过导线连接到静电连接点上，然后通过整车将静电释放。

储存模块外部安装有遮阳罩，遮阳罩可以避免阳光直射到氢气瓶上，遮阳罩上设有通风孔或百叶窗，当氢气发生泄漏时，氢气可以通过通风孔或百叶窗及时扩散到大气环境中，避免氢气的聚集。为了方便系统检修，在遮阳罩上还设有检修门。

3.3 供给系统

供给系统主要包括电磁阀、减压器、安全阀、过滤器、各种阀门、放散口及必要的连接管路等。其主要功用是安全地向燃料电池系统等用氢装置提供洁净的适用压力的氢气。

供给子系统内的所有零部件均安装在固定支架上组成供给模块，模块安装在储存模块上。氢气存储系统和供给系统示意图如4所示。

图4 存储系统和供气系统示意图

3.4 泄露监控系统

预警系统主要包括氢泄漏探头以及必需的控制、报警装置，也可以将预警信号输送给整车控制器，由整车控制器发出预警命令。其主要功用是监控氢的泄漏状况，当监测点浓度达到预设的报警值时发出预警信号。

4 氢气加注方案

加注系统由低压氢气瓶组和高压(35 MPa)氢气储存、加注系统组成。低压氢气瓶组和高压(35 MPa)氢气储存、加注系统放置在危险品专用运输车上。在需要加注时，载有加注系统的危险品专用运输车辆驶进加注场地，停放在被加注车辆旁对车辆进行加注，加注完毕后驶离加注场地，减少对场地的占用并降低加注场地及周围环境的安全隐患。

低压氢气瓶组为一套独立的系统，每套低压氢气瓶组由6～10个小瓶组组成，每个较小瓶组由16～20支低压氢气瓶并联组成。高压氢气瓶组和氢气增压系统组成一套独立的高压(35 MPa)氢气储存、加注系统，高压氢气瓶组由3只35 MPa、140 dm3的氢气瓶并联组成，其中包含了压力表和控制阀门，增压设备包含了氢气增压泵和控制阀门及仪表。该套系统可以通过手动控制阀门的开关大小位置来控制氢气加注的速度，从而实现氢气的安全加注。具体加注方案示意图如图5所示。

图5 加注方案示意图

5 结 论

随着环境污染问题和能源短缺问题的日益突出，新能源车辆成为世界各国的研究热点，氢燃料电池系统以其高效率和近零排放被普遍认为具有广阔的发展前景。对燃料电池有轨电车的国内外发展现状和储氢系统、高压气瓶及相关安全检测等车载氢系统技术进行了总结。在此基础上，针对某燃料电池有轨电车技术需求，提出了车载储氢系统设计方案及氢气加注方案，该方案基本达到了有轨电车安全、可靠、经济、实用等方面的设计要求。

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Design of Vehicle Hydrogen Storage System for Fuel Cell Tram

SHIJunjie,YUMiao,LIUNan

(Product Technical Research Center, CRRC Tangshan Co.,Ltd.,Tangshan 063035 Hebei, China)

Hydrogen fuel cell tram as a "pure green" means of transport, with its peculiar advantages of zero emission, no pollution, low noise; renewable energy and conversion efficiency higher has become the highlight of new era urban transportation development. In this paper, fuel cell trams development situation in domestic and abroad, and hydrogen storage systems, high-pressure gas cylinders and safety-related testing of hydrogen system technology are summarized. Based on this technology demand of fuel cell trams, it has proposed design schemes of vehicle hydrogen storage system and hydrogen refilling system.

fuel cell; trams; hydrogen storage system; refilling system

*国家科技支撑项目(2014BG08B02)

��)女，工程师(

2016-05-02)

1008-7842 (2016) 05-0110-05

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.26