氫燃料電池列車研究進展

馮 聰，羅 聰，明平文，張存滿

(1.同濟大學 材料科學與工程學院，上海 201804; 2.同濟大學 新能源汽車工程中心 汽車學院，上海 201804)

0 引言

氫能源作為可再生的綠色能源，是國家“十四五”規劃綱要中明確提出的未來六大產業之一。發展氫能源的動力運輸裝備是實現交通領域“零排放、碳中和”的重要途徑。氫燃料電池以氫氧作為燃料，是將化學能轉為電能的裝置，具有能量密度高，啟動快和工作溫度低等優點，是交通運輸領域減排的主要動力系統。車載上比較成功的氫燃料電池為質子交換膜燃料電池(PEMFC)，在輕載動力乘用車方面已實現小規模的商業化，在重型車輛、軌道列車、船舶和飛機等重載運輸領域上正在實施探索和示范。

隨著大功率氫燃料電池技術得到突破性進展，氫燃料電池列車在軌道交通具有極大的應用前景，可滿足有軌列車對于功率的需求，并且氫能產業鏈與電池關鍵技術在不斷完善，各國對燃料電池研究投入大量的人力、物力，并出臺了許多相關的政策，多種因素共同推動氫燃料電池列車的發展[1-2]。目前全球已有大量的燃料電池概念列車進入實驗測試，可滿足動力與續航等運輸要求，要實現商業化生產只需逐漸降低成本[3-4]。

1 氫燃料電池列車概述

氫燃料電池列車通常采用氫燃料電池、動力電池、超級電容組合的混合動力系統，由氫燃料電池直接連接母線，在行駛過程中提供持續穩定的動力，多余的能量儲存在動力電池或超級電容等儲能系統中，在列車急停等情況時，需有較快響應速度的動力電池與超級電容提供輔助動力[5]。

1.1 燃料電池系統

燃料電池系統是一個復雜的系統，由燃料電池電堆、燃料供應系統、氧化劑供應系統和水熱管理系統等多個部件構成，如圖1所示。

圖1 燃料電池系統燃料電池電堆是整個電池的核心，由于單個電池產生的電能較小，為滿足實際的需求通常將多個單電池串聯成一個燃料電池堆，調節單電池的個數、尺寸以及工作溫度等因素來控制燃料電池的功率。

燃料供應系統是將儲氫系統中的氫氣進行增濕等相關處理，通過噴射器達到電堆中陽極側進行反應，保證陽極側的溫度、濕度等工作環境穩定，未反應的剩余氫氣通過回收處理再利用。

氧化劑供應系統主要負責向電堆中的陰極提供空氣中的氧氣，對進入的空氣進行過濾凈化等處理除去其中多余的雜質，避免雜質與電池中的催化劑反應，從而中毒失效；過濾后的空氣被加壓的裝置進行壓縮，加快傳輸的速率。

水熱管理系統用來維持系統的濕熱平衡，燃料電池運行過程中會產生大量的熱量，環境中也存在輻射熱量，需要冷卻系統來調節系統的溫度；電池中的膜電極在干燥時不能正常工作，因此需要增濕器等設備保持工作環境的相對濕度，使電池正常運行。

1.2 儲能系統

目前氫能軌道列車對于功率需求達750kW，僅通過增加單電池的數量很難達到，因此需要相應的儲能系統，在列車運行時作為輔助動力為牽引電機提供足夠的能量[6]；由于燃料電池動態響應較慢，不能做到急停和快速啟動，就需響應更快的鋰電池或者超級電容作為輔助的動力來源。

1.3 儲氫系統

儲氫系統主要負責氫氣的儲存與供給，目前的儲存形式主要有三種，分別為高壓氣體儲氫、低溫液態儲氫以及金屬氫化物儲氫[7]。高壓氣體儲氫是利用35MPa或者70MPa的壓力將氫氣儲存在高強度的儲氫瓶中[8]；低溫液態儲氫主要是在-253℃使氫氣液化，增大自身密度而儲存更多的氫氣，此方法對于儲氫容器的要求極高，必須是完全絕熱；金屬氫化物儲氫可以存儲單位體積更高的氫氣，得到的氫氣純度可以保障，但此技術還未完全成熟。

2 各國研究現狀

2.1 美國

2002年，由美國能源部、美國Vehicle Projects LLC公司和Fuel Cell Propulsion協會聯合研發出世界上第一輛以氫能為燃料的礦用機車。2009年，在美國國防部的資助與支持下，美國與伯克靈頓北圣菲鐵路公司(BNSF)合作對Railpower型號GG20B的機車進行了改造，將原有的柴油電池混合動力推進系統替換為基于PEMFC與鉛酸電池混合動力系統。2019年11月14日，在美國政府的支持下，施泰德公司與美國加州的圣貝納迪諾縣運輸管理局 (SBCTA)簽署協議，共同打造美國首列商用氫燃料電池列車——Flirt H2，計劃最早于2023年交付，2024年投入商業使用(如表1)。

表1 美國氫能列車參數

2.2 日本

2003年，東日本鐵路公司生產出第一輛混合動力內燃車組NE，該車采用鋰離子蓄電池組和柴油機混合動力系統，最高速度達100km/h。2007年，東日本公司延續先前的研制經驗，將NE系列車的柴油機替換為2個最新研發的高分子電解質燃料電池，再將鋰離子電池升級成容量為19kW·h的全新動力系統，最高速度可達100km/h，為世界首臺燃料電池混合動力列車。2018年，東日本公司聯合本田，計劃在各處建立氫氣站，不斷引入氫能汽車與列車，逐漸形成完整的氫能供應鏈，為達成2027年“能源多樣化”目標，準備開發氫燃料電池及鋰離子電池混合列車FV-E991，預計在2024年之前實現商業化(如表2)。

表2 日本氫能列車參數

2.3 德國

2016年，iLinet首次展覽了阿爾斯通Coradia，是第一款以氫燃料電池替換柴油驅動列車的低地板旅客列車，是基于阿爾斯通公司的柴油列車“Coradia Lint 54”改造而成。德國聯邦鐵路公司(Deutsche Bahn)將與西門子鐵路系統(Siemens Mobility)合作開發氫燃料電池列車——Mireo Plus，計劃在2024年開始實驗，以取代柴油發動機在鐵路上的應用。

2.4 韓國

2021年韓國鐵路研究所(KRRI)宣布其正在研究以液氫為動力的火車頭，其最高時速為150公里，最大行駛里程最少為1000公里。液態氫能夠高穩定地儲存和運輸氫氣，并且儲存密度和運輸效率是高壓氣氫的200%。此外，液氫機車充氫所需的時間預計將比氣氫機車減少20% 。

2.5 中國

2013年，西南交通大學下線了我國第一輛燃料電池電動機車“藍天號”，該車采用巴拉德公司制造的HD6-150K型PEMFC電堆(150kW)和兩個120kW永磁同步電機構成混合動力系統，輕載可續航24h，最高時速高達65km/h。2015年，由中車青島四方機車車輛股份有限公司研發的世界首列氫能源現代列車正式下線，應用永磁同步電機直驅系統和鉸接轉向架世界領先技術，動力系統由巴拉德 FCveloCity-HD6 V2 PEMFC模塊、超級電容和鈦酸鋰電池組成，其中PEMFC額定功率為150kW，在車身頂部設有碳纖維高壓儲氫罐，可承受100MPa高壓，3～5分鐘能充滿11.7kg氫氣(35MPa)，整車使用模塊化設計，最高時速80km/h。2016年，由西南交通大學和中車唐山公司研發的世界首輛商用型燃料電池-超級電容混合動力有軌電車正式下線，最高時速達到70公里，加氫一次只需15分鐘，可行使超過40公里[9]。

3 氫燃料電池列車優點、現存障礙與市場可行性

3.1 優點

相比較傳統的燃油列車，它環保高效，運行時只有空氣壓縮機與冷卻系統等輔助器件的輕微噪音，可提高乘客的乘坐體驗，氫氣能源獲取方式多樣，列車本身可在零下20～30℃下運行，適用于夜晚與高原等極端環境，能量轉化率高(40～60%)；相比較電力列車，它無電網束縛，運行靈活，基建成本低；安全系數較高，儲氫系統一般在列車的頂部，氫氣非常輕，浮力大從而擴散非?？?，其泄露時濃度難以達到爆炸的需求；取代傳統列車過渡方便，氫燃料列車只需要將傳統的動力系統更換為氫燃料電池系統，再加以優化就能完成，可以根據動力需求來組合搭配不同的混合動力系統，操作簡單，維護方便。

3.2 現存障礙

在車身結構設計方面，氫燃料電池系統集成到車身結構過程中會存在各種問題，如需要額外的儲氫容器，所需空間相比柴油機系統更大，空間設計將會影響整個系統的適配性，也需考慮氫燃料電池系統與柴油機系統產生的牽引力不相等，要改裝結構的穩定性等多種因素；在動力系統適配性方面，目前設計列車的燃料電池鋰電池混合系統方面的經驗有限，關于選擇氫燃料電池和電池類型、尺寸的組合需要更多的經驗，如一個特定的系統需從多個生產廠商處獲得原件，不同的動力系統、部件之間將如何相互作用，以及如何進行尺寸的調整適配到不同的列車類型上等；在燃料電池技術方面，PEMFC是動力系統的核心，高昂的成本、內部元器件的穩定性、電堆的使用壽命，是現存的問題；在儲氫系統方面，列車行駛途中儲氫系統的安全隱患需要消除，如高壓儲存環境、氫氣易燃易爆等，以及提高儲氫量是難點，如通過儲氫壓力增加到700bar或采用其他液態/固體儲氫方案，極大地增加了技術的復雜性和額外壓縮的能量消耗。

3.3 市場可行性

首先，氫能源是傳統柴油的完美替代。雙碳目標實現過程中，亟需尋找柴油的替換能源。氫能源可從其他化石能源中獲取，有助于煤炭等一次能源的高效利用，也可通過電解水、天然氣重整等方式制取綠氫，可滿足各階段氫能列車對于氫氣的需求；其次，燃料電池發動機的功率密度優于傳統內燃機，且儲氫技術的成熟，可在5分鐘內壓縮滿70MPa的高壓氫氣，續航能力大幅提升，對于燃料電池的關鍵零部件，其耐久性的提升可使燃料電池壽命滿足列車正常行駛需求，并且當前技術可滿足燃料電池在零下30℃環境工作，對于不同環境地區都有良好的應用體驗。因此，雖然氫燃料電池列車還未得到廣泛應用，但是燃料電池現存的限制都不是關鍵的技術難點，只是研究經驗的不足，通過研究者、政府等各方面共同推動，氫能列車進入市場應用是可行的。

4 結語

氫燃料電池列車不論在續航、功率、能量轉化還是燃料制取等方面均有望替換傳統內燃機，全球先進國家正在積極探索燃料電池列車的應用技術，相信不久將來，隨著基礎設施建設的完善、氫氣制取、存儲和運輸成本的下降，以及氫燃料電池成本下降和壽命提高，氫燃料電池列車的規?；瘧每梢栽缛諏崿F，為全球二氧化碳減排做出舉足輕重的貢獻。