氢能源有轨电车的应用实践

陈 祥

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

氢能源有轨电车采用氢燃料电池作为动力源，全线无接触网、变电所等系统，既解决了常规有轨电车需要架设接触网的问题，又破解了普通储能式有轨电车续航里程短的瓶颈。氢燃料电池不是利用燃烧燃料获取能量，而是利用氢气与氧气发生电化学反应过程中的电荷转移形成电流；水是其唯一的产物，可以实现真正的零排放、无污染。由于氢能源有轨电车的绿色环保、无污染特点与国家正在推行的大政策、大方向一致，因此国内很多地方政府开始对建设氢能源有轨电车进行规划研究。

1 氢能源有轨电车的技术特征

氢能源有轨电车是以氢能源为动力替代牵引供电系统的现代有轨电车。其具有如下技术特征。

1.1 与其他现代有轨电车相同的特征

1.1.1 中等运量

从国内外的经验来看，现代有轨电车的高峰小时单向断面合理运能为0.5～1.2万人次/h，是一种中等运能的交通系统。

1.1.2 节能环保

现代有轨电车采用电力牵引或者新能源，环境污染小，符合当前节能减排、生态城市的建设需求。现代有轨电车人均能耗约为0.07 kW · h/座席乘客，仅相当于公交车的1/4，噪声较汽车小5～10 dB，是一种节约能源的清洁交通工具。

1.1.3 人性化设计

现代有轨电车一般采用100%低地板车辆，地板高出轨道面约30 cm，婴儿车、残疾人轮椅车可以自由乘降。现代有轨电车在固定轨道上运行，当采用较长车辆增大运能时，仍能保证较好的运营稳定性和乘坐舒适性，是一种舒适、人性化的交通工具。

1.1.4 环境适应性强

现代有轨电车采用流畅美观的车辆造型，配以一体化接触网、支柱、照明与网格状草坪设计，与旅游、文化保护等景点具有很好的适应性；转弯半径小，为10.5～25 m，方便在道路上敷设；轨道制式令其交通形象更为突出，具有更强的交通引导性。

1.1.5 建设灵活度高

现代有轨电车系统投资相当于地铁的1/6～1/4，具有较为合理的运量投资比；同时建设形式相对灵活，能够与道路交通混行，建设周期较短，一般为2～3年。

1.2 自身独特的技术特征

（1）环境适应性更强。由于其无接触网、变电所等设施，与周边城市景观协调性更好，可提升城市景观效果，也减少了初期建设成本的投入。

（2）环保性能更好。由于氢燃料电池发生电化学反应，生成唯一产物——水，因此相比较电能的产生，更加绿色环保。

（3）独立性更好。系统运行不依赖外部电源，不受外部电源稳定性的影响，只需要加氢即可。

（4）制造成本低。氢气来源途径多，可以利用工业废氢或者低峰电能制氢等。

2 氢能源有轨电车的发展

人类对于氢能源的研究已有几百年的历史。1839年，剑桥大学William Cecil首次提出燃料电池。1928年，Rudolph Jrren发明第一台氢气发动机。21世纪以来，随着燃料电池的迅速发展和推广，氢能源作为清洁能源进入高速发展阶段，燃料电池发展迅速，氢燃料电池应用广泛，美国、韩国、法国、日本、中国等国家都非常重视氢能基础设施及储运技术的发展。全球范围内，美国最早开始研制氢燃料电池，2002年成功研制了1台氢燃料电池矿山车，加氢时间为1 h，可运行8 h；日本于2006年将柴油机车改造成氢燃料电池铁路车，加1次氢能够运行50～100 km；丹麦、西班牙、德国相继研发了氢能源机车，并在铁路上进行试运行，取得了成功；法国、加拿大、印度、韩国也着手氢燃料电池机车的研制工作。我国在2016年，由中国标准化研究院和氢能标准化技术委员会联合发布的《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书2016》中，明确了我国分3个阶段发展氢能源产业。2017年11月，唐山市第一条氢能源有轨电车在唐胥铁路使用。2019年12月，佛山市高明区第一条氢能源有轨电车商业运行线投入运营。

我国除唐山市和佛山市高明区实践了氢能源有轨电车，成都新都区、济南等城市拟建设氢能源有轨电车。作为移动装备生产制造单位，中车长春轨道客车股份有限公司、中车株洲电机有限公司也积极投入到燃料电池的研发中。未来几年我国将有更多的城市开始建设氢能源有轨电车。

3 氢能源有轨电车在佛山市高明区的应用

本工程为沧江路站—智湖站，线路长约6.6 km，设车站10座，平均站间距约为640 m。其中，换乘站1座，为荷城站，该线在此与佛山市轨道交通2号线换乘；地面车站包括沧江路站、跃华路站、怡乐路站、智湖站；跨河车站包括荷城站、文化中心站、明湖公园站、新江路站、体育中心站、阮涌站。该线设置人行天桥3座、加氢站1座、车辆基地1座，调度指挥中心位于车辆基地的综合楼内。项目总平面图如图1所示。

该线路是全球第一条氢能源商业运行线路，在设计上与其他现代有轨电车有诸多不同，具体如下。

3.1 车辆制式

本线路采用设计速度为70 km/h、100%低地板、氢能源动力的现代有轨电车，3节车辆铰接式编组，同步永磁电机驱动，座位有60个，载客量为285人，两边各设置6个车门。车辆编组示意图如图2所示。

氢气通过长管束拖车公路运输到车辆基地加氢站。加氢站配置了压缩机、固定式储氢瓶（45 MPa）、加氢机（35 MPa）；在氢气到达加氢站后，通过压缩机将其储存到固定式储氢瓶，然后通过加氢机将氢气加注到有轨电车车顶的高压储氢瓶，如图3所示。

每列列车配置6支高压储氢瓶，充满氢气后质量为20 kg，加注1次氢所需的时间为15 min。

3.2 行车组织

图1 佛山市高明区有轨电车项目总平面图

图2 车辆编组示意图

图3 氢气储运、加注流程

氢能源有轨电车加注1次氢可运行100 km，续航能力为4～5 h。受续航能力的限制，该条线路运营计划的编排与常规做法不同，还需要考虑加氢计划的匹配，即6列运用车（1～6号列车）分组进行加氢，与全日行车计划相匹配。表1和表2分别列出全日行车计划和加氢计划。

3.3 基地防爆设计

氢能源虽然绿色环保、无污染，但氢气易燃（燃点为500 ℃）、易爆（空气中含4%～75.6%遇火则爆炸）。目前国内尚无相关运营案例，也无针对氢能源有轨电车包括车辆基地等的相关规范标准。由于车辆基地环境中存在一定的氢气，因此其设计与常规的车辆基地不同，需要进行防爆设计。

3.3.1 总平面设计

在车辆基地靠近加氢站位置设置有轨电车加氢线，方便其近距离加氢；10 m范围内设置安全隔离带，以保证加氢的安全。

基地内需把带氢作业库房与非带氢库房分开，动火库房与非动火库房分开。带氢作业厂房有月检/临修库、镟轮库，不带氢作业的建筑如综合楼和蓄电池间，根据氢能源防爆要求，不带氢作业建筑应距离带氢厂房30 m安全距离。考虑到镟轮库需要动火工艺，月检/临修库和镟轮库因此也需按30 m隔开。

调整道路与厂房间的间距，满足洗车库距主要道路10 m、月检/临修库距次要道路6 m的要求。

根据检修要求，需要对车辆进行氢气放空，同时考虑安全因素，应在库外设置车辆氢气放氢线。牵出线分别距荷富大道15.11 m、蓄电池间33 m、围墙5.22 m，可兼作放氢线功能，满足《加氢站技术规范》（GB 50516-2010）的要求。车辆基地总平面图如图4所示。

表1 全日行车计划 对/h

表2 加氢计划

图4 车辆基地总平面图（单位：m）

3.3.2 专业设计

（1）建筑设计。将月检/临修库、停车列检库、洗车库定义为甲类厂房，屋顶应设置泄压设施。

（2）给排水及消防设计。将月检/临修库、停车列检库、洗车库室外消火栓的设计用水量调整为25 L/s。与氢有关的厂房、构筑物均需根据规范要求配置灭火器。手提灭火器选用扑救A、B、C类火灾和带电火灾的磷酸铵盐干粉灭火器。

（3）通风空调设计。月检/临修库采用事故通风，换气次数不小于12次/h，设置泄漏警告报警装置及联动排气装置，排气装置采用防爆风机，且按事故通风要求分别在室内及靠近外门的外墙上设置电气开关。

（4）动力照明设计。考虑到月检/临修库（带氢）可能存在足以点燃爆炸性气体混合物的火花、电弧或高温现象，电力装置应采用防爆电气设备，并按爆炸性环境考虑接地设计。

（5）弱电系统设计。需对停车列检库、月检/临修库等带有氢气的库房内设置氢浓度传感器，当发生月检/临修库氢气检测报警时需联动其内的防爆通风装置，如图5和图6所示。氢气检测及报警系统的主机设置在值班室内，报警装置应设置在库房及值班室内。月检/临修库及停车列检库内的各强、弱电系统现场设备应采用防爆型设备，如图7的防爆照明装置。

此外，具体操作过程中还有许多注意事项，例如：基地工作人员进出库房需采用防静电服装和工具，进入加氢区域严禁打电话等。

图5 氢浓度传感器

图6 防爆通风装置

图7 防爆照明装置

4 结语

氢能源有轨电车以氢燃料电池为动力，全线无接触网运营，不影响城市景观；不需要设置充电装置，节省投资；具有良好的续航能力；零排放的绿色环保特性与国家节能减排政策一致。佛山市高明区氢能源有轨电车项目开通运营1年多以来，给高明区人民的出行带来便利。其应用实践积累了一定的经验，也发现了一些不足，但这些有益的实践未来将会给更多的城市建设氢能源有轨电车线路树立信心。