中国中车张秋敏:氢燃料电池混合动力有轨电车—现代城市轨道交通清洁能源解决方案

2018年11月8日,以“新时代·破而立:前行中的产业转折之路”为主题的“锂想”2018第三届动力电池应用国际峰会(CBIS2018)在北京兴基伯尔曼饭店开幕。中国中车张秋敏在峰会开幕式上发表主题演讲。

  中国e车网讯:2018年11月8日,以“新时代·破而立:前行中的产业转折之路”为主题的“锂想”2018第三届动力电池应用国际峰会(CBIS2018)在北京兴基伯尔曼饭店开幕。中国中车张秋敏在峰会开幕式上发表主题演讲,以下为主题演讲内容。

  中国中车张秋敏:

  大家下午好!我是来自中车唐山机车车辆有限责任公司,上面李主任介绍了一下燃料电池在客车方面的应用,我下面把我们公司做的氢燃料电池混合动力有轨电车方面的应用跟大家分享一下。

  我汇报的内容是以下三个方面:第一,城市轨道交通现状;第二,氢燃料电池混合动力有轨电车;第三,对氢能的展望。

  城市交通现状,现在交通拥堵、环境污染,尤其在北方,冬季的时候咱们的雾霾天气比较严重,这就提出来城市公共交通的发展。国际上的现状就是,欧洲陆续推出燃油车禁售的计划,英国、德国、法国、荷兰,日本也在现阶段大力推出燃料电池汽车加氢站建设。国内现状,国内从今年也比较明显,大力推动氢能源汽车绿色环保产业的发展,中石化、中石油宣布加入加氢站、加油站混建的方式。

  国家的战略需求,提出科学制定城市轨道交通技术路线,规范建设标准,推进地铁、有轨列车等城市轨道交通网络建设,一个具备绿色节能、环保、大运量等特点的城市公共交通车辆就成为首选。此外,现在雄安新区的规划也提出来绿化智慧城市的千年大计。

  城市轨道交通,我们广义的轨道交通形式主要包括这些地铁、轻轨、新型轨道交通、单轨、磁悬浮、有轨电车,我们中车刚刚研制的智能自导向轨道车辆,特征主要是有自导向、大运量等等。

  现有的新能源,跟咱们今天主题比较贴切的就是储能式的,有超级电容、动力电池储能式的,在国内运行的车辆主要有沈阳、广州、南京、江苏、武汉、深圳、成都。

  技术的发展趋势,也是根据城市美观提出全城无污染、零排放、能量的综合利用、降低整车能效。

  供电制式对比,有不同的供电制式,一个是第三轨供电,以地铁来说,北京地铁新建的线路很多都是以第三轨供电,上面已经没有小电就是我们专业的接触网。后边中车也在承担“十三五”的课题就是感应式供电,采用咱们现在手机这种形式无线充电的功能。还有储能式轨道车辆。这些有一些缺点,下面推出一些氢燃料电池有轨电车,可以实现无地面系统供电这样一个特点。

  说一下我们中车唐山公司的概况。中车唐山公司历史悠久,始建于清朝,当时有“江南造船厂,北有唐山修车厂”的称号,公司有两个生产线,一个是高速动车组,还有一个是大铁路客车。公司谱系,从60公里一直到400公里的车都可以生产。

  中车唐山公司有轨电车,第一代,动力电池/超级电容混合动力形式的有轨电车。第二代,我们研制的燃料电池/超级电容,还有动力电池的有轨电车。第三代是燃料电池混合动力无轨电车,这个正在研制中。常规有轨电车是电网+轨道,第一代可以在沿途设充电站,进站充电,第二代可以实现线路两端的加氢站和轨道,第三代是线路两端只需要设加氢站。

  我们氢燃料电池混合动力有轨电车是基于国家“十二五”课题,车的载体是基于公司出口到土耳其的这个低地板做的氢燃料电池有轨电车,2016年4月27日正式下线,2016年11月完成铁路行业要求的试验,一共31项。

  这是燃料电池的工作原理。车的布局,相对于两动一拖,两头的都是动车、中间是拖车。主要的指标就是加速度,在每平米站6人的情况下,就是AW2载荷情况下的载荷,运行加速度是60千米,国家课题是大于30千米,我们做到60千米,轴重要求4.5吨,采用超级电容+燃料电池+动力电池三种的组合形成。这就是车顶的布局,低地板有轨电车主要设备是布置在车顶,从头车方向可以看到一个牵引系统,这里相当于一个动力电池+超级电容,后边是一个空调系统。中间的车就是咱们燃料电池系统,包括燃料电池两套,燃料电池+储氢系统+散热器系统。后边是车辆的参数,可以实现19米的曲线,载客量可以300多人。这是车辆内部的内装示意图。

  采用的模式就是超级电容、动力电池,经过双向DC,燃料电池经过单向DC,形成一个750V母线的供电制式。

  车辆的特点主要是自主开发了能量控制单元,具有几种动力实施检测、共分配、自适应能量控制功能,提出多自由度的燃料电池协同控制计能效控制方法,有效降低在多工况、不确定条件下的能耗,主要包括供电策略、动力源协同策略、制动能量回收、动力源的协同保护。下面是储氢系统的安全,还有安全检测。

  燃料电池有轨电车的特点,就是实现零排放、无污染、环保、节能、转化效率高,燃料电池效率可以达到50%,续航里程为交通带来便利,这是相对于储能式有轨电车可以延长续航里程。还有一个是温度低、噪声低。我们在项目过程中也是采用了节能方面余热的利用,相当于把电堆产生的多余热量,经过咱们空调系统到冬季可以实现加热,还有在夏季的时候我们利用车内空调风给咱们电池进行散热,也保证电池和电容比较高的效率。

  这个就是实验过程的照片。

  这个就是在去年10月26日,是世界首列商用性燃料电池/超级佃农100%低地板混合动力有轨电车,在唐山市工业旅游线路开始载客示范运行,这也是唐山相当于国内标准轨的零起点,也是依托到比较好的主题上面,“中国铁路从唐山走来”。

  下边就是我做的一个展望,关于新一代燃料电池在轨道车辆开发及产业应用。面向市场的需求进行新一代燃料电池及70兆帕储氢系统的开发,实现系统功率输出大于200千瓦、工作寿命超过2万小时、降低成本30%,综合成本在50%左右。国内现在同济大学、大连化物所也在积极研究电堆的核心,是咱们的反应堆,还有我们70兆帕储氢北京的公司也正在做这方面的工作。开发新一代之后,主要是我们可以增加储气瓶,我们当时只有4个气瓶,运行里程不足,降低电堆系统的体积之后,增加储气瓶,可以增大我们的续驶里程。

  新一代燃料电池产业平台的开发,搭建燃料电池系统产业化平台,形成新一代燃料电池系统及关键部件的自主生产,提升设计能力,进行关键部件的深化研究,实现能效大幅度提升和综合成本降低。后面有太阳能,还有燃料电池一体化氢气和风电制氢的能力。

  新一代燃料电池有轨电车的开发。现在我们100%有轨电车是起步于2013年,完成于2016年,2017年我们完成了新一代燃料电池及能量控制器开发,2018年完成了地面实验,2019年就是新一代装车的运营考核以及后续2020年70兆帕储氢系统的研究。

  新一代燃料电池无轨电车开发,结合十三五国家重点科技专项,开发利用燃料电池或者燃料电池混合动力提供无轨电车,为城市轨道交通提供综合成本低、整车能效高、最为清洁的新能源无轨电车解决方案。技术方案,全程无网运行、无需铺设轨道、自动循迹驾驶、无污染、无排放、整车能效提升。

  应急牵引供电系统,不管是我们在高铁行业、我们在市域动车组、地铁出现趴窝现象,可以用燃料电池或者动力电池汽车混合,用单燃料电池或者动力电池技术,可以实现自牵引的能力。

  第二点,是氢能解决方案的探索。建立广泛的氢燃料产业链资源,建设轨道交通用加氢站,因为现在加氢站用的标准基本上是在汽车行业,轨道交通现在是属于对氢的应用来说标准缺失的,形成相关的技术标准,为燃料电池有轨电车运营提供保障,同时大幅度降低运营成本,制氢方式主要是水电解、副产氢、后续的太阳能、风电制氢。

  第三点,氢能综合利用提高及示范运用建设。建立分布式燃料电池供电能源网络,实现区域电力、热能、冷能联合供应。采用太阳能/燃料电池复合供电的清洁能源交通车辆,实现完全绿色、环保。新能源轨道车辆系统的示范运行,促进产业升级。基础设施建设包括加氢站建设,还有油气混合加注站模式的建设。氢能多元化产业,氢能燃料电池车辆还有分布式氢能系统、燃料电池热电联供氢储能系统,示范商业运行。现在比较热的,像如皋、佛山都实现氢能的产业化,走的比较超前。

  谢谢大家!

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