氢燃料电池列车研究进展

冯 聪，罗 聪，明平文，张存满

(1.同济大学 材料科学与工程学院，上海 201804; 2.同济大学 新能源汽车工程中心 汽车学院，上海 201804)

0 引言

氢能源作为可再生的绿色能源，是国家“十四五”规划纲要中明确提出的未来六大产业之一。发展氢能源的动力运输装备是实现交通领域“零排放、碳中和”的重要途径。氢燃料电池以氢氧作为燃料，是将化学能转为电能的装置，具有能量密度高，启动快和工作温度低等优点，是交通运输领域减排的主要动力系统。车载上比较成功的氢燃料电池为质子交换膜燃料电池(PEMFC)，在轻载动力乘用车方面已实现小规模的商业化，在重型车辆、轨道列车、船舶和飞机等重载运输领域上正在实施探索和示范。

随着大功率氢燃料电池技术得到突破性进展，氢燃料电池列车在轨道交通具有极大的应用前景，可满足有轨列车对于功率的需求，并且氢能产业链与电池关键技术在不断完善，各国对燃料电池研究投入大量的人力、物力，并出台了许多相关的政策，多种因素共同推动氢燃料电池列车的发展[1-2]。目前全球已有大量的燃料电池概念列车进入实验测试，可满足动力与续航等运输要求，要实现商业化生产只需逐渐降低成本[3-4]。

1 氢燃料电池列车概述

氢燃料电池列车通常采用氢燃料电池、动力电池、超级电容组合的混合动力系统，由氢燃料电池直接连接母线，在行驶过程中提供持续稳定的动力，多余的能量储存在动力电池或超级电容等储能系统中，在列车急停等情况时，需有较快响应速度的动力电池与超级电容提供辅助动力[5]。

1.1 燃料电池系统

燃料电池系统是一个复杂的系统，由燃料电池电堆、燃料供应系统、氧化剂供应系统和水热管理系统等多个部件构成，如图1所示。

图1 燃料电池系统燃料电池电堆是整个电池的核心，由于单个电池产生的电能较小，为满足实际的需求通常将多个单电池串联成一个燃料电池堆，调节单电池的个数、尺寸以及工作温度等因素来控制燃料电池的功率。

燃料供应系统是将储氢系统中的氢气进行增湿等相关处理，通过喷射器达到电堆中阳极侧进行反应，保证阳极侧的温度、湿度等工作环境稳定，未反应的剩余氢气通过回收处理再利用。

氧化剂供应系统主要负责向电堆中的阴极提供空气中的氧气，对进入的空气进行过滤净化等处理除去其中多余的杂质，避免杂质与电池中的催化剂反应，从而中毒失效；过滤后的空气被加压的装置进行压缩，加快传输的速率。

水热管理系统用来维持系统的湿热平衡，燃料电池运行过程中会产生大量的热量，环境中也存在辐射热量，需要冷却系统来调节系统的温度；电池中的膜电极在干燥时不能正常工作，因此需要增湿器等设备保持工作环境的相对湿度，使电池正常运行。

1.2 储能系统

目前氢能轨道列车对于功率需求达750kW，仅通过增加单电池的数量很难达到，因此需要相应的储能系统，在列车运行时作为辅助动力为牵引电机提供足够的能量[6]；由于燃料电池动态响应较慢，不能做到急停和快速启动，就需响应更快的锂电池或者超级电容作为辅助的动力来源。

1.3 储氢系统

储氢系统主要负责氢气的储存与供给，目前的储存形式主要有三种，分别为高压气体储氢、低温液态储氢以及金属氢化物储氢[7]。高压气体储氢是利用35MPa或者70MPa的压力将氢气储存在高强度的储氢瓶中[8]；低温液态储氢主要是在-253℃使氢气液化，增大自身密度而储存更多的氢气，此方法对于储氢容器的要求极高，必须是完全绝热；金属氢化物储氢可以存储单位体积更高的氢气，得到的氢气纯度可以保障，但此技术还未完全成熟。

2 各国研究现状

2.1 美国

2002年，由美国能源部、美国Vehicle Projects LLC公司和Fuel Cell Propulsion协会联合研发出世界上第一辆以氢能为燃料的矿用机车。2009年，在美国国防部的资助与支持下，美国与伯克灵顿北圣菲铁路公司(BNSF)合作对Railpower型号GG20B的机车进行了改造，将原有的柴油电池混合动力推进系统替换为基于PEMFC与铅酸电池混合动力系统。2019年11月14日，在美国政府的支持下，施泰德公司与美国加州的圣贝纳迪诺县运输管理局 (SBCTA)签署协议，共同打造美国首列商用氢燃料电池列车——Flirt H2，计划最早于2023年交付，2024年投入商业使用(如表1)。

表1 美国氢能列车参数

2.2 日本

2003年，东日本铁路公司生产出第一辆混合动力内燃车组NE，该车采用锂离子蓄电池组和柴油机混合动力系统，最高速度达100km/h。2007年，东日本公司延续先前的研制经验，将NE系列车的柴油机替换为2个最新研发的高分子电解质燃料电池，再将锂离子电池升级成容量为19kW·h的全新动力系统，最高速度可达100km/h，为世界首台燃料电池混合动力列车。2018年，东日本公司联合本田，计划在各处建立氢气站，不断引入氢能汽车与列车，逐渐形成完整的氢能供应链，为达成2027年“能源多样化”目标，准备开发氢燃料电池及锂离子电池混合列车FV-E991，预计在2024年之前实现商业化(如表2)。

表2 日本氢能列车参数

2.3 德国

2016年，iLinet首次展览了阿尔斯通Coradia，是第一款以氢燃料电池替换柴油驱动列车的低地板旅客列车，是基于阿尔斯通公司的柴油列车“Coradia Lint 54”改造而成。德国联邦铁路公司(Deutsche Bahn)将与西门子铁路系统(Siemens Mobility)合作开发氢燃料电池列车——Mireo Plus，计划在2024年开始实验，以取代柴油发动机在铁路上的应用。

2.4 韩国

2021年韩国铁路研究所(KRRI)宣布其正在研究以液氢为动力的火车头，其最高时速为150公里，最大行驶里程最少为1000公里。液态氢能够高稳定地储存和运输氢气，并且储存密度和运输效率是高压气氢的200%。此外，液氢机车充氢所需的时间预计将比气氢机车减少20% 。

2.5 中国

2013年，西南交通大学下线了我国第一辆燃料电池电动机车“蓝天号”，该车采用巴拉德公司制造的HD6-150K型PEMFC电堆(150kW)和两个120kW永磁同步电机构成混合动力系统，轻载可续航24h，最高时速高达65km/h。2015年，由中车青岛四方机车车辆股份有限公司研发的世界首列氢能源现代列车正式下线，应用永磁同步电机直驱系统和铰接转向架世界领先技术，动力系统由巴拉德 FCveloCity-HD6 V2 PEMFC模块、超级电容和钛酸锂电池组成，其中PEMFC额定功率为150kW，在车身顶部设有碳纤维高压储氢罐，可承受100MPa高压，3～5分钟能充满11.7kg氢气(35MPa)，整车使用模块化设计，最高时速80km/h。2016年，由西南交通大学和中车唐山公司研发的世界首辆商用型燃料电池-超级电容混合动力有轨电车正式下线，最高时速达到70公里，加氢一次只需15分钟，可行使超过40公里[9]。

3 氢燃料电池列车优点、现存障碍与市场可行性

3.1 优点

相比较传统的燃油列车，它环保高效，运行时只有空气压缩机与冷却系统等辅助器件的轻微噪音，可提高乘客的乘坐体验，氢气能源获取方式多样，列车本身可在零下20～30℃下运行，适用于夜晚与高原等极端环境，能量转化率高(40～60%)；相比较电力列车，它无电网束缚，运行灵活，基建成本低；安全系数较高，储氢系统一般在列车的顶部，氢气非常轻，浮力大从而扩散非常快，其泄露时浓度难以达到爆炸的需求；取代传统列车过渡方便，氢燃料列车只需要将传统的动力系统更换为氢燃料电池系统，再加以优化就能完成，可以根据动力需求来组合搭配不同的混合动力系统，操作简单，维护方便。

3.2 现存障碍

在车身结构设计方面，氢燃料电池系统集成到车身结构过程中会存在各种问题，如需要额外的储氢容器，所需空间相比柴油机系统更大，空间设计将会影响整个系统的适配性，也需考虑氢燃料电池系统与柴油机系统产生的牵引力不相等，要改装结构的稳定性等多种因素；在动力系统适配性方面，目前设计列车的燃料电池锂电池混合系统方面的经验有限，关于选择氢燃料电池和电池类型、尺寸的组合需要更多的经验，如一个特定的系统需从多个生产厂商处获得原件，不同的动力系统、部件之间将如何相互作用，以及如何进行尺寸的调整适配到不同的列车类型上等；在燃料电池技术方面，PEMFC是动力系统的核心，高昂的成本、内部元器件的稳定性、电堆的使用寿命，是现存的问题；在储氢系统方面，列车行驶途中储氢系统的安全隐患需要消除，如高压储存环境、氢气易燃易爆等，以及提高储氢量是难点，如通过储氢压力增加到700bar或采用其他液态/固体储氢方案，极大地增加了技术的复杂性和额外压缩的能量消耗。

3.3 市场可行性

首先，氢能源是传统柴油的完美替代。双碳目标实现过程中，亟需寻找柴油的替换能源。氢能源可从其他化石能源中获取，有助于煤炭等一次能源的高效利用，也可通过电解水、天然气重整等方式制取绿氢，可满足各阶段氢能列车对于氢气的需求；其次，燃料电池发动机的功率密度优于传统内燃机，且储氢技术的成熟，可在5分钟内压缩满70MPa的高压氢气，续航能力大幅提升，对于燃料电池的关键零部件，其耐久性的提升可使燃料电池寿命满足列车正常行驶需求，并且当前技术可满足燃料电池在零下30℃环境工作，对于不同环境地区都有良好的应用体验。因此，虽然氢燃料电池列车还未得到广泛应用，但是燃料电池现存的限制都不是关键的技术难点，只是研究经验的不足，通过研究者、政府等各方面共同推动，氢能列车进入市场应用是可行的。

4 结语

氢燃料电池列车不论在续航、功率、能量转化还是燃料制取等方面均有望替换传统内燃机，全球先进国家正在积极探索燃料电池列车的应用技术，相信不久将来，随着基础设施建设的完善、氢气制取、存储和运输成本的下降，以及氢燃料电池成本下降和寿命提高，氢燃料电池列车的规模化应用可以早日实现，为全球二氧化碳减排做出举足轻重的贡献。