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7问“世界级”
发表时间:2016-05-19 15:34来源:《装备制造》 字体:[][][] [打印] [关闭]

一问:

这一新产品技术达到了什么水平?

这列燃料电池/超级电容混合动力有轨电车代表了目前世界最高水平。

按照接触网有轨电车性能设计,完全满足轴重、加速度、最高速度、载客量等参数指标;采用多套燃料电池、多套储能系统设计,动力系统冗余大,可靠性好;从动力系统到整车全新设计,根据产品开发流程生产出的世界首列燃料电池混合动力产品样车。样车动力系统、储能系统、牵引系统、车体等大部分设备均为国产,掌握了燃料电池控制、混合动力能力管理、牵引控制等核心技术。

已围绕该产品申请中国发明专利50余项,主要包括:混合动力轨道车辆的供电装置、供电系统和轨道车辆;混合动力轨道车辆的供电方法;纹波补偿电路和超级电容充放电装置;城市交通车辆供电系统;用于有轨电车的热控制系统;一种余热利用方法及装置;储能装置散热系统;一种混合动力轨道车辆电源箱及混合动力轨道车辆;有轨电车动力系统及控制方法;混合动力系统的控制方法及其控制装置;一种基于相变冷却方式的混合动力系统散热系统;一种利用空调风冷却的轨道车辆混合动力电源箱冷却方案;一种带空气间隙的双层通风格栅等……

创新点之一是研制了世界首列燃料电池混合动力产品样车;

创新点之二是开发了多源燃料电池混合动力系统能量管理技术。

二问:

这一新产品符合国家的政策和发展方向吗?

对于中国制造2025和“走出去”有哪些重要意义?

李克强总理在政府工作报告中指出,我国2016年的化学需氧量、氨氮排放量要分别下降2%,二氧化硫、氮氧化物排放量要分别下降3%,重点地区细颗粒物(PM2.5)浓度继续下降。支持推广节能环保先进技术装备,能源资源开发利用效率要大幅提高,生态环境质量总体改善。

国家发改委、国家能源局近日下发了《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》,同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》,列举了包括“先进储能技术创新”、“氢能与燃料电池技术创新”、“能源互联网技术创新”等15项重点任务,为氢燃料电池等新能源技术的应用推广指明了方向。

燃料电池/超级电容混合动力有轨电车产品涉及城市轨道交通和新能源应用领域,属于《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中的交通运输业和能源两大重点方向,是国家“十二五”规划重点发展领域。

燃料电池混合动力有轨电车是中国制造2025五大工程中高端装备创新工程中智能绿色列车方向,也是十大领域中两个重要发展方向:先进轨道交通装备和节能与新能源汽车。燃料电池具有清洁、环保、高效的特点,属国家节能减排重点支持的发展领域。燃料电池有轨电车还克服了传统有轨电车接触网影响城市发展和城市景观的问题,也无需现有无接触网有轨电车所需的地面供电系统,为现代城市提供了一种清洁、高效的新型公交工具,社会效益显著。这一新产品对我国倡导的节能减排、解决城市交通问题、建设环境友好型社会、实现可持续性发展等都具有十分重要的现实意义。燃料电池/超级电容混合动力有轨电车将可能成为中国制造“走出去”的新名片。

三问:

这一新产品的发展前景怎样,与国内外类似产品有哪些区别?

尽管发达国家对于轨道交通新能源技术越来越重视,但在氢燃料电池有轨电车领域,我国在技术上与国外的差距不大。

2008年开始,西南交通大学陈维荣教授、中车唐山公司孙帮成总工程师,分别做为国家科技支撑计划项目负责人和课题负责人,率领联合研发团队,在国内率先开展了燃料电池技术在轨道交通中的应用研究,搭建了国内第一套150kW大功率燃料电池机车研发平台,攻克并掌握了有轨电车用大功率燃料电池混合动力系统关键技术,推动有轨电车技术向无外接牵引供电系统方向发展,从而使我国在一系列关键技术上达到世界先进水平,部分技术达到国际领先。

氢燃料电池技术在新能源汽车领域已经得到了应用,国内外也仅有为数不多的几家企业开发出电池和超级电容储能式有轨电车、地面供电有轨电车和燃料电池技术试验样车,但中车唐山公司与西南交通大学创新研制的燃料电池/超级电容混合动力100%低地板有轨电车与之前的几种类似产品存在着本质区别。

其他企业研制的燃料电池技术试验样车是基于原储能式有轨电车基础上进行改造的,未能实现混合动力,也未开展产品必须的型式试验,不能上线运行。中车唐山公司与西南交通大学联合研制的燃料电池混合动力样车是经过完整产品开发流程研制的商用型产品车,已开展全部型式试验,可上正线载客运行。

其他企业研制的技术试验样车经改造而成,存在致命技术缺陷,无法构成燃料电池与动力电池混合动力,导致最高试验运行速度低于40km/h。中车唐山公司与西南交通大学研制的商用型产品车采用多源混合动力设计,能量管理技术难度高,车辆的实际试验速度已达到最高设计时速70km/h。

其他企业研制的技术试验样车和目前正在重新开发设计的产品样车都采用一套燃料电池供电,虽然降低了能量管理控制的难度,但列车动力系统可靠性随之降低,一旦出现故障就可能导致动力系统停机。中车唐山公司与西南交通大学研制的实用型产品车采用多套燃料电池系统以及多套储能系统并联直流母线设计,多套系统协调控制,动力系统冗余度高,满足了列车高可靠性需求。

总体而言,中车唐山公司与西南交通大学研制的燃料电池/超级电容混合动力有轨电车是世界上第一列燃料电池有轨电车产品化样车,在国际上处于领先地位。

四问:

相比其他无网运行的有轨电车,燃料电池有轨电车经济性方面的优势是怎样的?

燃料电池有轨电车技术采用氢燃料电池作为车载发电设备,利用氢气发电驱动电车行驶,是一种摆脱了外接牵引供电系统的有轨电车技术。燃料电池有轨电车虽然在车上增加了混合动力系统等,使得每列电车投资增加了500万元。但由于建设制氢加氢站点的投入远远低于牵引供电系统的投入,仅此就比储能式有轨电车基础设施建设节省投资800万元/公里以上,比第三轨和储能式有轨电车基础设施建设节省投资3000万元/公里以上。由此可见,燃料电池有轨电车整体系统的经济性非常好,值得大力发展。

五问:

有轨电车的车载氢燃料系统是否安全?

储氢系统在大巴车上均已经应用广泛。储氢系统和各种氢气阀均采用的是防爆型的,而且系统安装氢气泄露传感器及氢气泄露释放阀,并含有PRD(温度压力释放装置),即超压保护装置压力设定为50MPa,超温保护装置温度设定为109,若超过任何一个指标,均集中释放氢气,保证车辆的安全问题。

通过氢燃料电池系统零部件集中安装,分区布置。将加注接口、单向阀(球阀)、压力表等集中安装在操控面板上;将氢气瓶组和各种阀门、减压器等集中安装在车辆顶部。在这两个区域设置通风机构,利用自然通风将可能泄漏出的氢气排出车外,从而保证不出现积聚,使该区域的氢气浓度达不到燃烧下限,避免出现危险。氢系统实行氢电隔离,防止在可能泄漏的区域出现火花。将系统进行可靠接地,防止产生静电。采用防爆型电磁阀等电气零部件和温度、压力传感器。当车辆碰撞严重造成管路松动或断裂,导致氢气外泄时,利用系统中设置的过流阀来限至氢气流量,保证氢气不会大量外泄。

六问:

氢燃料电池技术的具体原理是什么?

燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。从原理上看,燃料电池有正负极和电解质,燃料在阳极被氧化,氧化剂在阴极被还原,与蓄电池非常相似,所以名为“电池”;然而,与蓄电池不同的是,蓄电池的反应物都储存在电池内部,其本质是储电设备,而燃料电池的反应物和氧化物是利用外部系统源源不断的输送到电极上反应来发电,本质上是一个发电机。与现有的发电机技术相比,其发电的原理是电池的电化学反应,而不是通过热机做功发电,效率很高,因而,燃料电池是一种“电化学发电机”。

对于通常所指的氢燃料电池,其反应原理为:

阳极反应:2H2 → 4H+ + 4e-;阴极反应:O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O;总的化学反应为:2H2 + O2 → 2H2O。可见燃料电池的实质是电解水的逆过程,其发电过程的反应终产物只有水和余热,是一种环境友好的发电技术。

七问:

燃料电池的优点有哪些?

燃料电池洁净、节能、转换效率高,温度低、噪音小。

使用内燃机发电,燃料在缸内燃烧会释放像COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。而燃料电池用氢气和氧气作为燃料,唯一生成物质为水,彻底不会产生有害物质放过程,完全做到零排放。

燃料电池通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能,中间不经过燃烧过程,电能转换效率可以达到40~50%,比内燃机的能量转换效率高出10个百分点。

燃料电池系统中,配备有空压机、水泵、散热器等有限的转动部件,与内燃机相似,但电堆本身无运动部件,明显比内燃机的震动和噪音低。同时,电堆反应温度低,系统红外特性小。

 

 

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责任编辑: 赵丹