燃料电池混合动力列车的研究现状与发展趋势

MCFC
SO FC
碳酸根离子
氧离子
优点
低污染 、电效率高 、 低污染 、低噪声 、
维护需求低
启动快
低污染 、低噪声
能源效率高 、低噪声 、 能源效率高 、低噪声 、
具有内重整能力
具有内重整能力
缺点
燃料与氧化剂 与常规发电技术 限制严格 、寿命短 相比价格贵
价格昂贵 、发电 效率相对较低
启动时间长 、电解 液具有腐蚀性
近年来 ,全世界发展混合动力列车的积极性日益高涨 ,一些关键技术取得了令人鼓舞的进展 ,一些新 技术 (如燃料电池技术 )得到深入研究 . [ 1～11 ] 为了与传统的电力机车和内燃机车相区别 ,本文中称以电池 为动力的机车为电动机车 ,称具有两种以上动力的机车为混合动力机车 ,并主要讨论以电池和柴油为动力 的混合动力机车.
Abstract: A s a novel train, a new rail transit tool w ith tremendous potential, w ith the features of high efficiency, environmental p rotection and energy saving, fuel cell hybrid power train ( FCHP ) w ill p romote greatly the reform and development of rail transit system s. The investigation status and development trend of the FCHPT were introduced. Som e key techniques, including the fuel cell system , hybrid power system , energy management control system , power storage equipm ent and high2 p ressure hydrogen safety measure, were analyzed and discussed. Furthermore, som e important issues to need to be studied were pointed out. Key words: fuel cell; railway train; hybrid power; new energy app lication
启动时间长 、 对材料要求苛刻
燃料 用途
纯氢 宇航 、潜艇
氢气 、甲醇 家用 、汽车
氢气 发电
氢气 、天然气 、煤气 大容量发电
氢气 、天然气 、煤气 大容量发电
目前 ,已提出的燃料电池混合动力列车的种类和基本特征如表 2所示 [ 4, 7, 9, 10 ].
表 2 燃料电池混合动力列车的主要性能参数 Tab. 2 M ain characteristics of fuel cell hybrid train
E2mail: wrchen@ swjtu. cn; 钱清泉 (1936 - ) ,男 ,教授 ,中国工程院院士 , 主要研究方向为铁道电气化与自动化 、智能检测技术等 , E2mail: qqqian @ swjtu. cn 通讯作者 : 李奇 (1984 - ) ,男 ,博士研究生 ,研究方向为燃料电池系统控制 、群体智能优化等 ,电话 : 028287603332, E2mail: liqi0800 @ gmail. com
1 燃料电池概述
燃料电池是高效 、环保的新型发电装置 ,具有低运行温度 、高功率密度 、快速响应 、快速启动能力 、稳定 性好以及当使用纯氢气时不会造成环境污染的特点 ,而且不受卡诺循环限制 ,模块结构 、积木性强 ,既可以 集中供电 ,也适合分散供电. 目前在各个领域都有广泛地应用 [ 11～17 ] .
东日本铁路公司改造了以柴油机混合式车组为基础而开发的 NE列车 ,将柴油机混合系统中的柴油 机 、发电机置换为燃料电池 (发动机 ) ,并用高压储氢罐来代替轻油罐 ,同时将整流器改造成升压装置 (Boost变换器 ).
图 1为 NE列车的燃料电池混合控制系统结构 ,以及从柴油机混合系统到燃料电池混合系统的改造 情况. NE列车开发采用串联的理由如下 :铁路动车向前和向后运行相同. 并联系统会使反向器和其他一些 设备更为复杂 ;串联系统能有效地利用电动车技术 ,并且使用电动车设备将有望降低成本和减少维修量. 另外 ,能够达到与电动车相当的运行性能 ;串联系统中 ,可将发动机的转速设定在某一速度 ,而与车速无 关 ,因此发动机始终能在最大燃料效率时使用.
基于燃料电池的混合动力列车之所以受到高度关注 ,是因为燃料电池混合动力列车与传统电力机车 、 内燃机车相比 ,具有一系列显著优势 :
(1) 燃料电池采用可再生能源 (氢气 )替代电力和石油 ,其反应产物为水 ,不存在电气干扰 ;
收稿日期 : 2008205212 基金项目 : 国家重点实验室自主研究课题 (重点 ) (2008TPL_Z01) 作者简介 : 陈维荣 (1965 - ) , 男 , 教授 , 博士 , 主要研究方向为铁道电气化 、智能信息处理 、智能检测技术等 , 电话 : 028287601313,
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西 南 交 通 大 学 学 报
第 44卷
(2) 其线路条件与非电气化线路完全兼容 ,可在任何既有铁路线上运行 ; (3) 受气候条件的影响小 ,尤其在军事 、灾难等紧急情况时 ,具有快速 、高效的应急作用 ; (4) 不需要传统的牵引供变电系统和接触网系统 ,避免了牵引供电系统和弓网故障引起的事故 ,提高 了列车运行的可靠性 ; (5) 减少了牵引供电系统及弓网系统的投资 ,并可减小隧道截面 ,大大降低工程造价. 目前 ,混合动力列车仍处在尝试阶段 ,还存在大量问题需要深入研究 : (1) 如何进一步降低动力系统的成本 ; (2) 高效率的能源管理控制方法 ; (3) 大功率燃料电池的设计开发 ; (4) 氢气存储设备的安全对策 ; (5) 混合动力列车的车体优化设计 ; (6) 混合动力列车的传动控制与再生制动 ; (7) 混合动力列车的运行与维护系统 ; (8) 混合动力列车相关技术规范与标准等. 世界各国都在对混合动力列车进行大力开发. 2002年 ,美国 Vehicle Projects LLC公司和 Fuel Cell Propulsion协会联合开发了世界第 1辆燃料电池动 力拖运机车 [ 4, 7 ] . 清洁 、节能 、低噪音 、高安全性是这辆燃料电池动力拖运机车的最大特点. 该车是在原型 机 (铅酸电池作为动力源 )的基础上改造完成 ,采用两个燃料电池堆串联组成动力源 ,储氢系统的容量可 以维持该车在 14 kW 的功率下连续运行 8 h,同时装备有增湿器和热交换器等设备. 为了减缓温室效应 、提高能源利用率 ,以削减列车运行能耗为目的 ,从 2000年起东日本铁路公司的研 发中心一直致力于新能源 ( new energy, NE)列车的开发 [9 ]. 该公司自 2003年起进行柴油机混合式列车的 开发 ,确立了实用化目标 ; 2006年开始实施 NE列车的第 2步计划 ,即世界首创的燃料电池混合式铁道列 车的开发. 北美 B urlington Northern Santa Fe (BNSF)铁路公司在 2007年提出一种大型混合动力站场调车机车的 开发计划 [10 ]. 该车能够减少温室气体的排放 、提高铁路运输系统的能量安全性 ,主要用于军事 、灾难等紧 急情况的发生. 该车采用燃料电池作为主动力源 ,设计指标达到 250 kW /127 t (暂态功率可达 1 MW ) ,并 计划于 2007年底运营测试. 国内对燃料电池机车的研发迄今还没有引起足够的重视 ,相关的科学研究工作也刚起步. 作为一种高 效 、环保 、节能的新型列车 ,燃料电池混合动力列车将极大促进轨道交通系统的重大改革和发展 ,是一种具 有巨大潜力的新型轨道交通工具 ,非常有必要高度重视和大力扶持燃料电池混合动力列车的研发 ,重点对 大功率燃料电池的动态特性 、混合动力系统 、基于燃料电池特性的牵引传动控制技术以及高效率的能源管 理控制技术等关键技术进行基础研究和技术研发 ,并建立包括大功率燃料电池 、牵引负荷的燃料电池混合 动力驱动控制模型以及构建燃料电池混合动力驱动研究平台. 本文拟就开展燃料电池混合动力列车的研 发进行一些探讨 ,以期引起有关政府 、科研部门 、相关企业以及铁道交通业界学者 、工程技术人员的关注和 重视.
Investiga tion Sta tus and D evelopm en t Trend of Hybr id Power Tra in Ba sed on Fuel Cell
CHEN W eirong, Q IAN Q ingquan, L I Q i
( School of Electrical Eng. , Southwest J iaotong University, Chengdu 610031, China)
燃料电池混合动力列车的研究 现状与发展趋势
陈维荣 , 钱清泉 , 李 奇
(西南交通大学电气工程学院 , 四川 成都 610031)
摘 要 : 作为一种高效 、环保 、节能的新型列车 ,燃料电池混合动力列车是一种潜力巨大的新型轨道交通工具 , 将极大地促进轨道交通系统的重大改革与发展. 介绍了混合动力列车的研究现状及发展趋势 ,分析和探讨了燃 料电池技术 、混合动力系统 、能源管理控制系统 、电能存储设备以及高压氢安全措施等燃料电池混合动力列车的 关键技术 ,指出了需要重点研究的问题. 关键词 : 燃料电池 ;列车 ;混合动力 ;新能源应用 中图分类号 : TK91; U26 文献标识码 : A
第
44卷 第 1期 2009年 2月
西 南 交 通 大 学 学
JOURNAL OF SOUTHW E源自文库T J IAOTONG
报 UN IVERS
ITY
Vol. 44 No. Feb. 2009
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文章编号 : 025822724 (2009) 0120001206
第 1期
陈维荣等 :燃料电池混合动力列车的研究现状与发展趋势
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表 1 燃料电池的基本特性 Tab. 1 M ain characteristics of fuel cell
项目 导电离子
低温 (60～200 ℃)
A FC
PEM FC
氢氧根离子
氢离子
中温 (160～220 ℃) PA FC
氢离子
高温 (600～1 000 ℃)
项目 国别
LLC 美国
NE 日本
BN SF 北美
燃料电池类型 输出功率 / kW
蓄电池
PEM FC 14 -
PEM FC 130
锂离子电池
PEM FC 250
铅酸电池
2 混合系统的选择与构成
目前 ,列车混合系统的基本结构分为两类 :串联混合系统和并联混合系统. 在串联混合系统中 ,电动机 和发电机串联布置 ,所有的电动机能量一次性转化为电能 ,然后是能量合成 ;在并联混合系统中 ,电动机和 发电机并联布置 ,能量总是通过一个机械系统 ,如齿轮传动装置和液力变矩器. 这两个系统在节能效果方 面基本相同 [ 18 ] .
通常依据电解质的不同 ,燃料电池分为碱性燃料电池 (AFC) 、磷酸型燃料电池 ( PAFC) 、熔融碳酸盐 燃料电池 (MCFC) 、固体氧化物燃料电池 ( SOFC)以及质子交换膜燃料电池 ( PEM FC) ,表 1列出了这 5种 燃料电池的基本特征 [ 14 ].
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