氢燃料电池在城轨车辆中应用的探究

氢燃料电池在城轨车辆中应用的探究

何佳骏 佟国加

中车大连机车车辆有限公司， 辽宁 大连 116000

摘  要：城市轨道交通系统可以受益于氢燃料电池技术的应用，这种技术具有环保高效的特点。在本研究中，将氢燃料电池用于城市轨道车辆可以带来许多优势。氢燃料电池系统具有高效能转化和能量回收的特性，能够为城市轨道车辆提供稳定可靠的动力支持，并且有助于降低运营成本。通过分析氢燃料电池在城轨运营中存在的挑战，如储氢和加氢设施的建设问题，提出了相应的解决方案。

关键词：氢燃料电池；地铁；环保；能源转化；运营成本；技术应用

前言：在当今推动环保、节能和可持续发展的背景下，氢燃料电池备受瞩目，被视为一种环保且高效的能源转化方案。城市轨道交通系统作为城市重要的公共交通工具，对能源的需求量大且会对环境产生一定的影响。因此，将氢燃料电池技术应用于城市轨道交通系统具有广阔的前景和潜力。本研究旨在探讨在城市轨道交通系统中采用氢燃料电池的可行性，分析其与城市轨道交通系统的能源需求之间的契合度，并提出相应的解决方案，以期为城市轨道交通运营商和城市社会带来环境和经济效益。

一 、氢燃料电池基础知识

1.1氢燃料电池的工作原理

氢燃料电池是一种通过将氢气和氧气反应产生电能的装置。其工作原理基于两个关键的反应：氢气的氧化反应和氧气的还原反应。在氢氧化物电解质膜（PEM）燃料电池中，这两个反应分别在阳极和阴极两侧发生。

氢气在阳极侧发生氧化反应。这个反应可以用如下的化学方程式表示：

H2→2H++2e-

这个反应中，氢气（H2）被催化剂分解成两个质子（H+）和两个电子（e-）。质子通过氢氧化物电解质膜传导到阴极侧，而电子则流经外部电路产生电能。

在阴极侧，氧气与质子和电子发生还原反应。这个反应可以用如下的化学方程式表示：

1/2O2+2H++2e-→H2O

在这个反应中，氧气（O2）与质子和电子结合生成水（H2O）。这个反应释放出的能量被捕获并转化为电能。

通过这样的氧化和还原反应，氢燃料电池能够将氢气和氧气的化学能转化为电能，并且只产生无害的水作为副产品。这使得氢燃料电池成为一种环保、高效的能源转换方式。

在城轨车辆应用中，氢燃料电池具有很高的潜力。首先，城轨系统通常需要大量的电能来满足列车的运行需求，而氢燃料电池具有高能量密度，能够提供足够的电能供应。其次，氢燃料电池产生的水作为副产品可以被回收和再利用，进一步减少对环境的影响。此外，氢燃料电池还能够减少地铁系统的噪音和尾气排放，提升乘客的乘坐体验。

1.2氢燃料电池的优点与局限性

氢燃料电池作为一种新型的清洁能源技术，具有许多优点和局限性。氢燃料电池具有高能量密度和持续供电能力的优点。相比传统的锂电池等能源储存技术，氢燃料电池能够提供更高的能量密度，从而延长电池的使用时间。

氢燃料电池还具有零排放和环保的特点。氢燃料电池只产生水蒸气作为副产品，不产生任何有害气体。这对于减少环境污染和改善空气质量具有重要意义，特别是在城市地区使用城轨等大众交通工具的情况下。

氢燃料电池还具有快速加氢和长寿命的优势。相比于传统电动汽车的充电时间，氢燃料电池车辆的加氢时间更短，可以在几分钟内完成加氢。

氢燃料电池也存在一些局限性，限制了其在城轨车辆上的应用可能性。氢燃料电池的制造成本相对较高。目前，氢燃料电池的制造仍然需要较高的成本，这使得其在大规模应用中面临一定的挑战。氢燃料电池的氢气储存和供应系统也存在一定的安全隐患。氢气具有易燃易爆的特性，其储存和供应需要严格的安全措施，这增加了氢燃料电池在城轨系统等公共场所的应用难度。

二 、城轨车辆的能源需求与解决方案

2.1能源消耗

城轨车辆的能源消耗主要来自于列车牵引、车辆空调、照明和站台设备等方面。其中，列车牵引是最主要的能源消耗部分。根据统计数据，一辆地铁列车在运行过程中，牵引能耗占总能耗的70%以上。因此，减少列车牵引能耗是提高地铁能源利用效率的关键。

2.2  能源来源

城轨车辆的能源主要来自于电力供应。传统城轨车辆系统通常采用第三轨供电方式，即通过在地铁轨道旁边设置一根带有高压电的第三轨，使列车通过接触第三轨获取电能。

为了解决上述问题，一种可能的替代方案是采用氢燃料电池供电。氢燃料电池可以将氢气与氧气反应产生电能，且排放物仅为水蒸汽，具有零排放、高能量密度等优点。通过将氢燃料电池技术应用于地铁供电系统中，不仅可以提供可靠且持续的电能，还能减少对传统电力供应系统的依赖。

2.3能源效率

城轨车辆的能源效率是评价其能源利用程度的重要指标。提高能源效率不仅有助于减少能源消耗，还可以降低运营成本，提高运行效率。目前，城轨车辆的能源效率已经得到一定程度的提升，但仍有改进空间。

为提高城轨车辆的能源效率，可以从多个方面入手。首先，优化列车设计和运行控制，减少能耗。其次，改善供电系统，提高能量回收利用效率。此外，加强能源管理与监控，通过数据分析和优化调度，进一步提高能源利用效率。

城轨车辆的能源需求分析包括能源消耗、能源来源和能源效率三个方面。通过采取措施减少能源消耗、优化能源来源以及提高能源效率，可以进一步提高地铁的能源利用效率，实现可持续发展。

三 、氢燃料电池在城轨车辆上应用的可能性

3.1氢燃料电池与城轨车辆能源需求的匹配度分析

作为一种新型的清洁能源技术，氢燃料电池备受关注。城轨车辆作为城市交通的重要组成部分，对能源的需求也非常庞大。因此，研究氢燃料电池在城轨车辆上的应用可能性，对于提高城轨车辆能源利用效率、减少环境污染具有重要意义。

我们需要分析氢燃料电池与城轨车辆能源需求的匹配度。城轨车辆对能源的需求主要体现在行驶过程中的动力供应上。氢燃料电池作为一种零排放的清洁能源技术，具有很高的环境友好性。因此，将氢燃料电池应用于城轨车辆上，可以有效降低尾气排放量，减少对环境的污染。

3.2可能存在的技术挑战与解决方案

在将氢燃料电池应用于城轨系统中，可能会面临一些技术挑战。

一方面的挑战是氢燃料电池的储氢问题。氢气的储存和输送一直是氢能技术的难点之一。由于城轨系统的运行环境相对封闭，储氢方案需要满足高安全性和高储氢密度的要求。解决这个问题的方法之一是采用高压氢气储存技术，将氢气压缩至高压状态，以提高储氢密度。另外，也可以考虑使用化合物储氢材料，如金属有机框架材料，来实现更高效的氢气储存。

另一方面，氢燃料电池的耐用性和稳定性也是一个重要的挑战。城轨系统的运行时间长，需要确保氢燃料电池的长期稳定运行。解决这个问题的方法之一是改进氢燃料电池的催化剂和电解质材料，以提高其耐久性。同时，可以采用智能监测系统来及时检测和修复潜在的故障，以确保系统的稳定运行。

与此同时，氢燃料电池的成本问题也需要考虑。目前，氢燃料电池的制造成本较高，限制了其在大规模应用中的推广。解决这个问题的方法之一是通过技术创新来降低氢燃料电池的制造成本，并与城轨系统的现有设备进行整合，以提高整体系统的效益。

【结语】：该项研究深入探讨了将氢燃料电池引入城市轨道交通领域的可行性，并提出了以下几点观点：首先，在地铁车辆上采用氢燃料电池系统可有效替代传统的燃油引擎，从而减少尾气排放和噪音污染。其次，氢燃料电池系统具备高效转化和能量回收的特性，为地铁运输提供可靠动力支持，并进一步降低了运营成本。这一研究成果有望为城市轨道交通运营商和城市社会的可持续发展提供重要参考，推动氢燃料电池技术在地铁领域的广泛应用。

参考文献

[1] 褚适庚.船用燃料电池的混合动力系统研究[J].,2019

[2] 田长安,阎凯,贾红洋.氢燃料电池系统及其在轨道交通领域中的应用[J].铁道机车与动车,2022

[3] R Suwanwarangkul,S Charojrochkul.Modeling of Methanol Steam Reformer for Hydrogen Production in Fuel Cell Application[D].,2022

[4] Yi D , Ruixiang Y , Yang J ,et al.An approach for the determination of trace amount halogenated compounds in hydrogen fuel of fuel cell application for road vehicles by ion chromatography[J].Shanghai Measurement and Testing, 2018.

[5] 陈跃楠.燃料电池用聚苯醚DABCO阴离子交换膜的制备与研究[J].,2018