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李军，刘建华，汤丽娟
（中车戚墅堰机车有限公司，江苏常州213000）
摘要：文中阐述了氢能相关产业技术现状及发展，分析了燃料电池技术在轨道交通领域的应用前景，未来，氢燃料电池车辆将会发展成为轨道交通领域的重要分支。
氢能作为实现“双碳”目标的重要路径，正式列入国家“十四五”规划中，得益于氢能相关领域的技术进步、规模化推广和政策支持，燃料电池产业链正在日益完善，相关应用领域进入了发展的快车道。
截至2021年底，全球主要国家氢燃料电池汽车保有量为49562辆，中国占18%，保有量约为8922辆，国内40余座城市开通了氢燃料车示范应用线。2022年3月，国家发改委和国家能源局印发了《氢能产业发展中长期规划（2021－2035年）》，明确氢能是未来国家能源体系的重要组成部分和战略性新兴产业的重点方向，并提出分阶段的氢能产业发展目标，规划至2035年形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。
轨道交通作为中国走向世界的“金名片”，近年来得到了飞速发展。特别是“十一五”以来，国内轨道交通发展进入了黄金时期。截至2021年底，全国铁路运营里程已突破15万km，城轨运营里程达到8773km。但随着轨道交通建设投资趋缓，轨道交通产业的发展也进入了瓶颈期。在此背景下，有着零污染、高效率、低噪音的氢燃料电池轨道交通车辆或将迎来新的发展机遇。
1相关产业技术现状及发展
近一个世纪以来，燃料电池技术先后在航空航天、军事潜艇及公路交通领域得到了广泛的应用，但在轨道交通领域的商业运用还较为罕见。主要制约因素在于其生产成本、系统功率密度及氢气供应等几个方面。随着近年来燃料电池相关技术的突破及车辆排放要求的日益严苛，燃料电池轨道交通车辆正逐步走进大众视野。
1.1燃料电池技术
氢燃料电池是一种将燃料中的吉布斯自由能直接转换成电能的电化学转换装置。其反应过程可以近似看成电解水的逆反应，整个反应过程不涉及任何机械运动。因为脱离了卡诺循环的限制，其能量转换效率明显高于传统内燃机。燃料电池的理论最大效率可达到85%，且反应生成的唯一产物是水，整个过程零污染排放[1]。
常见的燃料电池类型主要有碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固态氧化物燃料电池（SOFC）等。无论从启动速度、功率密度、生产成本还是从技术成熟度等方面比较，质子交换膜氢燃料电池（以下简称“燃料电池”）都更适用于轨道交通领域[2]。典型的燃料电池系统结构如图1所示。
目前国内主流的燃料电池厂商推出的燃料电池系统基本可以做到单堆额定功率大于100kW，详细技术参数比较如表1所示。
虽然以目前燃料电池系统技术指标，在作为单一动力源的情况下还不能满足轨道交通车辆的动力需求，但通过多堆串并联以及与动力蓄电池的相互配合，可以满足部分应用场景下整车动力需求。
1.2氢气加注技术
2015年以来，在各地政策扶持下国内加氢站建设步伐加快。截至2021年底，我国加氢站共建成218座，同比增长达85%。
从技术水平来看，国内加氢站的设计压力多为35MPa，70MPa加氢站目前还处于示范阶段。现阶段加氢站核心设备仍主要依赖进口，但国产化趋势明显[3]。
加氢站根据不同的分类方式可以分为多种类型。按氢气的供应分类可以分为站外供氢加氢站和站内制氢加氢站；按加氢装置的特性可以分为固定式加氢站和移动式加氢站，其中移动式加氢站又可以分为撬装式加氢站和加氢车两种；按加注氢气要求的不同还可以分为低压加氢站、高压加氢站和液氢加注站。常用的加氢站分类及特点如表2所示。
轨道交通行业的特点决定了其配套的加氢站与常用公路交通车辆配套加氢站有较大的不同。轨道交通车辆单机储氢量大，车辆运营线路相对单一，车辆加氢地点基本固定。车辆单机储氢量在现阶段35MPa压力等级下，受整车空间布置因素制约，平均储氢量在20～200kg不等，未来在70MPa压力等级下平均储氢量可能会达到40～300kg。目前常见的加氢站无论是站内储氢量，还是加注速度，均无法满足轨道交通车辆需求。
根据2021年新修订的“GB50516《加氢站技术规范》6.4.3－2条款的要求，加氢机单机充装流量已由原先的“≤3.6kg/min”修订为“≤7.2kg/min”。根据新国标的要求，加氢机单机加注速率将达到432kg/h。通过合理的加氢站内中间储罐配置，现阶段加氢技术水平基本能满足氢燃料电池轨道交通车辆在半小时内完成氢气加注的需求。
1.3氢气供应体系
发展氢能产业所面临的另一个障碍是氢气的供应。常用的制氢方法主要有工业副产制氢、电解水制氢、化工原料制氢、化石燃料制氢和其他新型制氢方法等。我国是世界上最大的制氢国，工业氢气产量领跑全球。目前，我国主要依靠煤气化制氢和工业副产制氢等，2021年我国年制氢产量约为3300万吨，其中煤气化制氢占比62%，天然气制氢占比19%，工业副产氢占比为18%，相比之下电解水制氢和新型技术制氢占我国制氢总量的比重还较低[4]。短期内我国仍将会以煤气化和工业副产制氢作为制氢的主要手段，带动氢能消费市场的发展。
2020年以来，国内大功率电解槽密集下线，国内碱性电解槽及PEM电解槽技术已达到国际先进水平。未来清洁能源电解水制氢技术将会成为主流技术之一，从而成为有效供氢主体。叠加生物质制氢、CCS和光解水等清洁环保制氢技术，“绿氢”的大量供应将推动中国能源第三次转型。
2燃料电池在轨道交通领域适用场景分析
目前国内已正式发布的燃料电池轨道交通产品包括中车戚墅堰公司和大同公司发布的混动调车机车，以及中车四方股份公司、唐山公司推出的有轨电车。车辆的动力系统除唐山公司采用的是“燃料电池+动力蓄电池+超级电容”方案外，其他3种车型均采用的是“燃料电池+动力蓄电池”方案。
由于燃料电池自身电源特性偏“软”，电堆在带载后电压会大幅降低。所以通过将燃料电池和动力电池或超级电容组成复合电源，利用储能原件提供电压支撑。同时，复合电源能将动力蓄电池启动功率大的特点与燃料电池加载率低的不足充分耦合，实现全场景的功率适应性。
基于现阶段系统功率等级及车载储氢量的限制，燃料电池动力系统较适用于调车机车、城市有轨电车以及城际列车等应用场景。目前，国内外主要的氢燃料电池轨道交通车辆信息如表3所示。
2.1市内调车机车
调车机车是指用于场站内列车编组、解编、转线及车辆取送等调车作业的机车。调车机车的特点是：启停频繁、运转率低、运行距离短以及运行速度低，同时调车机车需要具备一定的启动牵引力和制动力。燃料电池调车根据总需求功率等级的不同来配置相应的燃料电池系统及动力蓄电池系统。其中，动力蓄电池在整车动力系统中起到蓄水池的作用，平峰填谷，以维持燃料电池系统工作在最佳工况区间。
中车戚墅堰公司于2021年发布了国内第一款大功率氢燃料电池混合动力调车机车，机车配备了400kW燃料电池及1000kW动力蓄电池，整车总功率达1400kW。机车最大牵引质量超过8000t，机车满载氢气40kg，最大续航时间可达24h。同年，中车大同公司也上线了一款燃料电池调车机车，机车混合动力系统由80kW燃料电池与620kW动力蓄电池组成，最大牵引质量超过5000t。
燃料电池运用在调车机车上有其天然优势。首先，调车机车通常运行在各编组场站及大型企业内，距离城市及人口密集区域较近，传统内燃调车机车污染物排放较为严重，但燃料电池调车可有效避免此类问题；其次，调车机车的运行工况决定了其不需要连续大功率、长时间的运行；同时，相对固定的运行场地便于加氢站的建设。因此，燃料电池调车机车有一定的市场需求背景。
2.2城市有轨电车
现代城市氢能源有轨电车因其环保、舒适、美观、低建设成本等优点，近年来得到了广泛关注。2015年中车四方股份公司下线了世界上首列氢能源现代有轨电车，该车采用100%低地板技术，同时运用了永磁同步电机直驱系统、铰接式转向架以及创新型氢能混合动力控制技术。目前，该车型已在佛山高明安全运行近3年。2016年，中车唐山公司也推出了氢燃料电池混合动力有轨电车，车辆在唐山工业旅游线路上投入试运行。
氢燃料电池有轨电车一般采用3～5辆编组结构，根据车辆有无动力转向架可以分为动力车和拖车。燃料电池及车载供氢系统一般集成安装在车辆顶部。燃料电池系统功率一般控制在200kW等级，车辆储氢量需求约20～40kg，整车续航里程可达到100km以上。
燃料电池有轨电车省去了接触网带来的高建设成本，又提升了城市的美观性和安全度。随着燃料电池和车载储氢技术的进一步发展，未来的燃料电池有轨电车必然会有更大的市场空间。
2.3城际列车
随着我国城市化进程的加速，部分大城市正在向城市集群的方向发展，将逐步形成以一个或多个城市为中心、连接周边卫星城市和中小城市的区域交通网。因此，城际列车的发展对提升区域经济发展水平，完善区域交通运输系统结构意义重大。
法国阿尔斯通于2016年推出了首款氢燃料电池客运列车Coradia iLint。Coradia iLint列车由阿尔斯通位于德国下萨克森州的萨尔茨吉特工厂负责整体设计。目前Coradia iLint列车已在欧洲多国投入运营，与传统内燃动车组相比，Coradia iLint的氢燃料电池技术可减少二氧化碳排放量700t/年。
国内轨道交通领域，中车唐山公司正在进行氢燃料电池城际列车的方案研究。列车设计时速预计将达到160km/h，续航里程超500km。
3结论
可以预见，氢燃料电池相关产业即将迎来高速发展期。而燃料电池轨道交通车辆在排放、基础设施投资及噪音等方面的优势势必在一定范围内替代部分传统轨道交通车辆。随着燃料电池技术的不断进步，未来更高效、更安全、更经济的燃料电池轨道交通车辆将会得到快速发展。
参考文献：
[1]Andrew L.Dicks，David A.J.Rand.燃料电池系统解析[M].张新丰，张智明，译.北京：机械工业出版社，2021.
[2]张亚媛，张沛龙，葛静，等.燃料电池应用现状及发展前景[J].新材料产业，2014（6）：65－68.
[3]邵志刚，衣宝廉.氢能与燃料电池发展现状及展望[J].中国科学院院刊，2019（4）：469－477.
[4]何金涛，郑传笔.浅析氢燃料电池汽车发展趋势[J].重型汽车，2019（4）：24－26 |
