氫燃料電池列車研究進(jìn)展

馮 聰，羅 聰，明平文，張存滿

(1.同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804; 2.同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心 汽車學(xué)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(guī)劃綱要中明確提出的未來六大產(chǎn)業(yè)之一。發(fā)展氫能源的動力運輸裝備是實現(xiàn)交通領(lǐng)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(xué)能轉(zhuǎn)為電能的裝置，具有能量密度高，啟動快和工作溫度低等優(yōu)點，是交通運輸領(lǐng)域減排的主要動力系統(tǒng)。車載上比較成功的氫燃料電池為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，在輕載動力乘用車方面已實現(xiàn)小規(guī)模的商業(yè)化，在重型車輛、軌道列車、船舶和飛機等重載運輸領(lǐng)域上正在實施探索和示范。

隨著大功率氫燃料電池技術(shù)得到突破性進(jìn)展，氫燃料電池列車在軌道交通具有極大的應(yīng)用前景，可滿足有軌列車對于功率的需求，并且氫能產(chǎn)業(yè)鏈與電池關(guān)鍵技術(shù)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(guān)的政策，多種因素共同推動氫燃料電池列車的發(fā)展[1-2]。目前全球已有大量的燃料電池概念列車進(jìn)入實驗測試，可滿足動力與續(xù)航等運輸要求，要實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)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(tǒng)，由氫燃料電池直接連接母線，在行駛過程中提供持續(xù)穩(wěn)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(tǒng)中，在列車急停等情況時，需有較快響應(yīng)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(tǒng)

燃料電池系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，由燃料電池電堆、燃料供應(yīng)系統(tǒng)、氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)和水熱管理系統(tǒng)等多個部件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 燃料電池系統(tǒng)燃料電池電堆是整個電池的核心，由于單個電池產(chǎn)生的電能較小，為滿足實際的需求通常將多個單電池串聯(lián)成一個燃料電池堆，調(diào)節(jié)單電池的個數(shù)、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(yīng)系統(tǒng)是將儲氫系統(tǒng)中的氫氣進(jìn)行增濕等相關(guān)處理，通過噴射器達(dá)到電堆中陽極側(cè)進(jìn)行反應(yīng)，保證陽極側(cè)的溫度、濕度等工作環(huán)境穩(wěn)定，未反應(yīng)的剩余氫氣通過回收處理再利用。

氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)向電堆中的陰極提供空氣中的氧氣，對進(jìn)入的空氣進(jìn)行過濾凈化等處理除去其中多余的雜質(zhì)，避免雜質(zhì)與電池中的催化劑反應(yīng)，從而中毒失效；過濾后的空氣被加壓的裝置進(jìn)行壓縮，加快傳輸?shù)乃俾省?/p>

水熱管理系統(tǒng)用來維持系統(tǒng)的濕熱平衡，燃料電池運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，環(huán)境中也存在輻射熱量，需要冷卻系統(tǒng)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(shè)備保持工作環(huán)境的相對濕度，使電池正常運行。

1.2 儲能系統(tǒng)

目前氫能軌道列車對于功率需求達(dá)750kW，僅通過增加單電池的數(shù)量很難達(dá)到，因此需要相應(yīng)的儲能系統(tǒng)，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(tài)響應(yīng)較慢，不能做到急停和快速啟動，就需響應(yīng)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(tǒng)

儲氫系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)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(tài)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(tài)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(shù)還未完全成熟。

2 各國研究現(xiàn)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(xié)會聯(lián)合研發(fā)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(jìn)行了改造，將原有的柴油電池混合動力推進(jìn)系統(tǒng)替換為基于PEMFC與鉛酸電池混合動力系統(tǒng)。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(xié)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(yè)使用(如表1)。

表1 美國氫能列車參數(shù)

2.2 日本

2003年，東日本鐵路公司生產(chǎn)出第一輛混合動力內(nèi)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(tǒng)，最高速度達(dá)100km/h。2007年，東日本公司延續(xù)先前的研制經(jīng)驗，將NE系列車的柴油機替換為2個最新研發(fā)的高分子電解質(zhì)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(tǒng)，最高速度可達(dá)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(lián)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(yīng)鏈，為達(dá)成2027年“能源多樣化”目標(biāo)，準(zhǔn)備開發(fā)氫燃料電池及鋰離子電池混合列車FV-E991，預(yù)計在2024年之前實現(xiàn)商業(yè)化(如表2)。

表2 日本氫能列車參數(shù)

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(qū)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(lián)邦鐵路公司(Deutsche Bahn)將與西門子鐵路系統(tǒng)(Siemens Mobility)合作開發(fā)氫燃料電池列車——Mireo Plus，計劃在2024年開始實驗，以取代柴油發(fā)動機在鐵路上的應(yīng)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(tài)氫能夠高穩(wěn)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(yù)計將比氣氫機車減少20% 。

2.5 中國

2013年，西南交通大學(xué)下線了我國第一輛燃料電池電動機車“藍(lán)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(gòu)成混合動力系統(tǒng)，輕載可續(xù)航24h，最高時速高達(dá)65km/h。2015年，由中車青島四方機車車輛股份有限公司研發(fā)的世界首列氫能源現(xiàn)代列車正式下線，應(yīng)用永磁同步電機直驅(qū)系統(tǒng)和鉸接轉(zhuǎn)向架世界領(lǐng)先技術(shù)，動力系統(tǒng)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(shè)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(shè)計，最高時速80km/h。2016年，由西南交通大學(xué)和中車唐山公司研發(fā)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(dá)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(yōu)點、現(xiàn)存障礙與市場可行性

3.1 優(yōu)點

相比較傳統(tǒng)的燃油列車，它環(huán)保高效，運行時只有空氣壓縮機與冷卻系統(tǒng)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(huán)境，能量轉(zhuǎn)化率高(40～60%)；相比較電力列車，它無電網(wǎng)束縛，運行靈活，基建成本低；安全系數(shù)較高，儲氫系統(tǒng)一般在列車的頂部，氫氣非常輕，浮力大從而擴散非常快，其泄露時濃度難以達(dá)到爆炸的需求；取代傳統(tǒng)列車過渡方便，氫燃料列車只需要將傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)更換為氫燃料電池系統(tǒng)，再加以優(yōu)化就能完成，可以根據(jù)動力需求來組合搭配不同的混合動力系統(tǒng)，操作簡單，維護(hù)方便。

3.2 現(xiàn)存障礙

在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，氫燃料電池系統(tǒng)集成到車身結(jié)構(gòu)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(tǒng)更大，空間設(shè)計將會影響整個系統(tǒng)的適配性，也需考慮氫燃料電池系統(tǒng)與柴油機系統(tǒng)產(chǎn)生的牽引力不相等，要改裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等多種因素；在動力系統(tǒng)適配性方面，目前設(shè)計列車的燃料電池鋰電池混合系統(tǒng)方面的經(jīng)驗有限，關(guān)于選擇氫燃料電池和電池類型、尺寸的組合需要更多的經(jīng)驗，如一個特定的系統(tǒng)需從多個生產(chǎn)廠商處獲得原件，不同的動力系統(tǒng)、部件之間將如何相互作用，以及如何進(jìn)行尺寸的調(diào)整適配到不同的列車類型上等；在燃料電池技術(shù)方面，PEMFC是動力系統(tǒng)的核心，高昂的成本、內(nèi)部元器件的穩(wěn)定性、電堆的使用壽命，是現(xiàn)存的問題；在儲氫系統(tǒng)方面，列車行駛途中儲氫系統(tǒng)的安全隱患需要消除，如高壓儲存環(huán)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(tài)/固體儲氫方案，極大地增加了技術(shù)的復(fù)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(tǒng)柴油的完美替代。雙碳目標(biāo)實現(xiàn)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(fā)動機的功率密度優(yōu)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機，且儲氫技術(shù)的成熟，可在5分鐘內(nèi)壓縮滿70MPa的高壓氫氣，續(xù)航能力大幅提升，對于燃料電池的關(guān)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(dāng)前技術(shù)可滿足燃料電池在零下30℃環(huán)境工作，對于不同環(huán)境地區(qū)都有良好的應(yīng)用體驗。因此，雖然氫燃料電池列車還未得到廣泛應(yīng)用，但是燃料電池現(xiàn)存的限制都不是關(guān)鍵的技術(shù)難點，只是研究經(jīng)驗的不足，通過研究者、政府等各方面共同推動，氫能列車進(jìn)入市場應(yīng)用是可行的。

4 結(jié)語

氫燃料電池列車不論在續(xù)航、功率、能量轉(zhuǎn)化還是燃料制取等方面均有望替換傳統(tǒng)內(nèi)燃機，全球先進(jìn)國家正在積極探索燃料電池列車的應(yīng)用技術(shù)，相信不久將來，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(guī)模化應(yīng)用可以早日實現(xiàn)，為全球二氧化碳減排做出舉足輕重的貢獻(xiàn)。