摘 要：氫燃料電池軌道車輛是一種以氫氣作為燃料的新型供電制式軌道車輛，其零排放、低噪音、高效率等特點(diǎn)具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，也是軌道交通節(jié)能減排的重要途徑之一。該文闡述了氫燃料電池的工作原理和系統(tǒng)組成以及氫燃料電池系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)展和趨勢(shì)；系統(tǒng)梳理了國(guó)內(nèi)外氫燃料電池軌道車輛的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，主要從車輛類型、燃料電池功率、續(xù)航能力、最高運(yùn)行速度、動(dòng)力模式和儲(chǔ)氫容量及壓力等方面概括了差異點(diǎn)，分析了氫燃料電池混合動(dòng)力模式的輸出特性和在各環(huán)境下的動(dòng)力匹配，證實(shí)了氫燃料電池和動(dòng)力電池/超級(jí)電容形成的混合動(dòng)力系統(tǒng)能更好地適應(yīng)軌道車輛啟停、怠速、持續(xù)高速以及爬坡等多種工況；最后，探討了氫燃料電池的研究難點(diǎn)、氫氣的儲(chǔ)存及運(yùn)輸挑戰(zhàn)以及氫燃料電池混合動(dòng)力在軌道車輛上的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)鍵詞：氫燃料電池；軌道車輛；混合動(dòng)力；研究現(xiàn)狀；應(yīng)用探討

中圖分類號(hào)：U260" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

截至2022年上半年，中國(guó)開(kāi)通軌道交通的城市數(shù)量為51個(gè)，開(kāi)通軌道交通運(yùn)營(yíng)線路283條，中國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程高達(dá)9573.65 km［1］。軌道交通除服務(wù)人們出行外，還肩負(fù)著帶動(dòng)站點(diǎn)周邊經(jīng)濟(jì)發(fā)展、促進(jìn)沿線資源發(fā)展的責(zé)任，因此，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快、人員流動(dòng)較大的城市中，軌道交通發(fā)揮著重要作用。目前，軌道交通車輛的牽引動(dòng)力來(lái)源主要是柴油和電力兩種。柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)會(huì)對(duì)空氣造成嚴(yán)重污染問(wèn)題，特別是在隧道等相對(duì)封閉的環(huán)境中作業(yè)。電力機(jī)車使用電能作為牽引動(dòng)力，不直接排放污染物，但電力作為二次能源，中國(guó)目前60%以上的電力來(lái)自燃煤的火電，從全產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，仍會(huì)產(chǎn)生一定的碳排放。因此，基于新能源的電力牽引是軌道交通實(shí)現(xiàn)清潔化、低碳化和無(wú)碳化的重要途徑之一。

氫燃料電池技術(shù)則是內(nèi)燃牽引的另一種更有效的替代方式，其既符合國(guó)家“十四五”規(guī)劃中對(duì)可再生綠色能源的發(fā)展要求，又是實(shí)現(xiàn)軌道交通“零排放、碳中和”的重要途徑。目前，世界各國(guó)高度重視氫能和燃料電池發(fā)展，美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已將其上升為國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略，中國(guó)也將氫能納入國(guó)家能源范疇。一方面，燃料電池是氫能利用的最有效手段，已成為世界各國(guó)能源綠色發(fā)展的關(guān)鍵。特別是質(zhì)子交換膜燃料電池具有工作溫度低、啟停迅速等突出優(yōu)點(diǎn)，在軌道交通、移動(dòng)電源和固定式發(fā)電領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景［2］。另一方面，大力發(fā)展地鐵、輕軌、有軌電車以及市域動(dòng)車組等城市軌道交通成為推動(dòng)城市化進(jìn)程、改善城市交通現(xiàn)狀關(guān)鍵所在。同時(shí)，鐵路還有大量檢修車、調(diào)車機(jī)車、工程作業(yè)車等軌道車輛仍采用柴油內(nèi)燃牽引機(jī)車，存在噪音大、廢氣排放污染等問(wèn)題，也急需能源清潔化［3］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)展氫燃料電池及其混合動(dòng)力機(jī)車的積極性日益高漲。日本鐵道技術(shù)研究所攜手東日本鐵路公司成功研制出世界首臺(tái)混合型燃料電池機(jī)車之后，丹麥、法國(guó)、西班牙、韓國(guó)以及加拿大等國(guó)也相繼制定了氫燃料電池及其混合動(dòng)力機(jī)車的研發(fā)計(jì)劃，并都在實(shí)車測(cè)試中驗(yàn)證了技術(shù)可行性［4-5］。西南交通大學(xué)于2008年率先進(jìn)行燃料電池電動(dòng)機(jī)車的研究，并于2013年成功研制出中國(guó)首輛氫燃料電池電動(dòng)機(jī)車“藍(lán)天號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)氫能機(jī)車零突破［6］。近幾年，中國(guó)氫能軌道車輛發(fā)展迅速，既能實(shí)現(xiàn)軌道交通的綠色動(dòng)力，又能很好解決軌道交通對(duì)大功率和長(zhǎng)續(xù)航能力的需求。

因此，為更好地推動(dòng)中國(guó)氫燃料電池在軌道交通的發(fā)展，有必要更全面地梳理國(guó)內(nèi)外氫燃料電池軌道車輛的最新研究成果和應(yīng)用情況，并分析國(guó)內(nèi)外應(yīng)用差異及其原因。同時(shí)，還需再深入發(fā)掘混合動(dòng)力系統(tǒng)在氫燃料電池軌道車輛上的研究難點(diǎn)和發(fā)展?jié)摿?，從而為氫燃料電池在軌道交通的?yīng)用可行性帶來(lái)一定程度的指導(dǎo)意義。

1 氫燃料電池系統(tǒng)

氫能是實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)的未來(lái)燃料之一，而氫燃料電池系統(tǒng)便是目前氫能利用的主要且關(guān)鍵技術(shù)。氫燃料電池不受卡諾循環(huán)效率的限制，發(fā)電效率高達(dá)40%～60%，且產(chǎn)物只有水，無(wú)氮、硫、碳等氧化物，極其清潔高效，是一種理想的交通發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池，以其工作溫度低、啟動(dòng)快、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快和技術(shù)成熟等突出優(yōu)點(diǎn)，已在交通運(yùn)輸領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。

1.1 燃料電池工作原理

燃料電池工作原理可看作是電解水的逆反應(yīng)。工作時(shí)向陽(yáng)極側(cè)供給燃料-氫氣，向陰極側(cè)供給氧化劑-空氣。氫在陽(yáng)極側(cè)分解成正離子H+和電子e-，氫離子穿過(guò)電解質(zhì)膜進(jìn)入電解液中，而電子則沿外部電路從負(fù)極移向正極形成穩(wěn)定的直流電，供外部用電負(fù)載使用，如式（1）所示。

[H2→2H++2e-] （1）

陰極側(cè)，來(lái)自空氣中的氧氣與從陽(yáng)極側(cè)穿過(guò)的質(zhì)子H+和正極上的電子e-相遇會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并生成水，如式（2）所示。

[2H++1/2O2+2e-→H2O] （2）

燃料電池整體化學(xué)反應(yīng)生成水，同時(shí)產(chǎn)生了電能We和熱能Qh，如式（3）所示。

[2H2+O2→2H2O+We+Qh] （3）

1.2 氫燃料電池系統(tǒng)組成

氫燃料電池系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的發(fā)電系統(tǒng)，除需氫氣系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)提供源源不斷的燃料之外，還需冷卻系統(tǒng)為整個(gè)發(fā)電過(guò)程解決降溫散熱需求，同時(shí)，電氣系統(tǒng)保障各部件的正常運(yùn)行，并將電堆產(chǎn)生的電能輸送到牽引電機(jī)供整車使用。氫燃料電池系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

氫系統(tǒng)為燃料電池運(yùn)行提供氫氣，國(guó)內(nèi)外大部分燃料電池系統(tǒng)所用氫氣通過(guò)減壓閥減壓至0.2～0.3 MPa絕壓后進(jìn)入電堆，反應(yīng)后的氫氣通過(guò)氫氣循環(huán)泵再次進(jìn)入電堆參與反應(yīng)，其中部分氫氣通過(guò)破止閥進(jìn)入尾排管排出。空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器后進(jìn)入空壓機(jī)進(jìn)行增壓，高壓空氣經(jīng)過(guò)中冷器和加濕器完成冷卻加濕后進(jìn)入電堆，反應(yīng)后的空氣部分進(jìn)入加濕器參與空氣加濕工作，其余部分通過(guò)背壓閥進(jìn)入尾排管排出。冷卻液經(jīng)水泵增壓后泵入電堆，將氫氧化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶出，再經(jīng)過(guò)外部散熱器對(duì)冷卻液進(jìn)行散熱，熱量由散熱器風(fēng)機(jī)被吹入大氣，冷卻旁路中串聯(lián)有去離子過(guò)濾器，確保冷卻液的電導(dǎo)率保持在安全值以下（不大于5 μS/cm）。

由燃料電池系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)和儲(chǔ)氫系統(tǒng)共同組成的氫動(dòng)力系統(tǒng)則為整車和輔助部件提供動(dòng)力，氫動(dòng)力系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)到兆瓦級(jí)的輸出功率范圍，能滿足任何動(dòng)力需求的列車，有良好的可適配性。氫動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行原理框圖如圖2所示。

1.3 氫燃料電池系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)展和趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著氫燃料電池系統(tǒng)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用。

針對(duì)氫燃料電池技術(shù)發(fā)展方面，趙冬冬等［7］通過(guò)研究無(wú)人機(jī)在不同飛行高度下所需的流量和壓力等變化，提出一種過(guò)氧比快速調(diào)節(jié)的方法；馬冰心等［8］針對(duì)過(guò)氧比調(diào)節(jié)探索了一種新型自適應(yīng)高階滑?？刂品椒ǎ瑯O大提升了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，文獻(xiàn)［9-10］均研究新的預(yù)測(cè)控制方法，將燃料電池系統(tǒng)近似線性化分析，同時(shí)也能提高系統(tǒng)效率。對(duì)于能量管理研究，很多學(xué)者研究多種控制策略，基于隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法來(lái)優(yōu)化能量分配和預(yù)測(cè)電池容量與降本關(guān)系［11-13］。

針對(duì)于氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)研究方面，文獻(xiàn)［14］根據(jù)氫技術(shù)和鐵路車輛設(shè)計(jì)和操作的工程解決方案，提出未來(lái)氫燃料電池混合動(dòng)力軌道車輛可能會(huì)基于SOFC或PEMFC類型。汪培楨等［15］和黃文強(qiáng)［16］提出一種適宜于有軌電車動(dòng)力模式的混合動(dòng)力系統(tǒng)，主要以氫燃料電池為主要?jiǎng)恿υ?，輔之以蓄電池。曹楠［17］根據(jù)燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車的自身指標(biāo)和運(yùn)行需求，設(shè)計(jì)驗(yàn)證了燃料電池和蓄電池組成混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)，仿真驗(yàn)證了基于有限狀態(tài)機(jī)理論的能量管理策略的有效性。彭飛［18］研究分析了混合動(dòng)力有軌電車的特性，提出一種由質(zhì)子交換膜燃料電池、超級(jí)電容和光伏鋰電池組成的現(xiàn)代有軌電車混合動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并證實(shí)了該結(jié)構(gòu)可有效提高有軌電車動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和綜合能效。

在氫燃料電池系統(tǒng)控制及診斷研究方面，馬睿等［19］針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，綜述了基于模型方法、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法、實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法、融合方法等故障診斷方法的研究進(jìn)展，并提出故障診斷方法的發(fā)展趨勢(shì)和方向。陳維榮等［20］研究了現(xiàn)代軌道交通車輛整體性能要求，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外多堆燃料電池發(fā)電系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展方向以及系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制、檢測(cè)方法對(duì)軌道交通車輛整車性能的影響。周蘇等［21］針對(duì)車用多堆燃料電池系統(tǒng)，提出多級(jí)能量管理策略和控制策略，有效提高了燃料電池系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)壽命。李萌［22］基于質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，通過(guò)動(dòng)靜態(tài)仿真模型，研究系統(tǒng)電壓、電流等參數(shù)的預(yù)測(cè)方法，為燃料電池系統(tǒng)的控制和運(yùn)行優(yōu)化提供一定理論基礎(chǔ)。Herr等［23］根據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)特性，基于混合整數(shù)線性規(guī)劃模型提出多堆燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行管理方法，從而更好的延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。Diab等［24］提出一種基于元啟發(fā)式算法的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)優(yōu)化模型，以精確評(píng)估燃料電池系統(tǒng)的未知參數(shù)，并驗(yàn)證了該優(yōu)化模型具有更好的系統(tǒng)精度和收斂過(guò)程。

綜合各研究分析可知，針對(duì)氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究，大量學(xué)者通過(guò)建模分析或機(jī)車運(yùn)行實(shí)際需求等分析方法，探索了混合動(dòng)力系統(tǒng)的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其不同的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。江大發(fā)等［25］重點(diǎn)研究等效氫耗優(yōu)化能量管理方法，提升了燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車的綜合經(jīng)濟(jì)性。但是氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略則需更多學(xué)者進(jìn)一步研究分析，從而實(shí)現(xiàn)軌道車輛的節(jié)能減排、綠色低碳、長(zhǎng)續(xù)航運(yùn)行。其次，氫燃料電池系統(tǒng)的故障機(jī)理和故障診斷方法的研究已取得顯著進(jìn)展，但對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部故障機(jī)理過(guò)程的量化、最優(yōu)工作區(qū)間的控制、評(píng)估策略的制定以及及時(shí)消除故障等方面的研究還需更深入研究。此外，為提升大功率軌道車輛的系統(tǒng)整體效率，有必要詳細(xì)研究多堆氫燃料電池系統(tǒng)在不同環(huán)境、不同工況下的內(nèi)部功率消耗；也需進(jìn)一步優(yōu)化多堆氫燃料電池系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，從而提升系統(tǒng)的性能和耐久性。

2 氫燃料電池軌道交通研究現(xiàn)狀

目前，氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)正逐步替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域。氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)無(wú)需牽引供電系統(tǒng)，可降低線路的投資，且噪音小、污染低。

2.1 國(guó)外氫燃料電池軌道車輛應(yīng)用案例

氫燃料電池系統(tǒng)在軌道交通上的應(yīng)用可行性已被許多國(guó)家證實(shí)。2002年，美國(guó)能源部牽頭研發(fā)了世界上首輛氫燃料電池礦用機(jī)車，解決了傳統(tǒng)柴油機(jī)造成的排放污染和噪音等問(wèn)題［26］；2007年，JR東日本鐵路公司研發(fā)了軌道車輛用燃料電池系統(tǒng)，作為一種獨(dú)立型動(dòng)力系統(tǒng)，用于新能源列車（NE列車），該NE列車實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)到燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的成功轉(zhuǎn)變，該車是世界上首臺(tái)燃料電池混合動(dòng)力輕軌列車；2009年，美國(guó)BNSF鐵路公司成功牽頭研制了具有低噪音和低振動(dòng)優(yōu)勢(shì)的250 kW功率的燃料電池調(diào)車機(jī)車，瞬時(shí)功率可超過(guò)1 MW［27］；2011年，西班牙城軌運(yùn)營(yíng)商FEVE推出一款由兩套氫燃料電池系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的有軌電車，也正式開(kāi)啟了氫動(dòng)力列車的研發(fā)測(cè)試和運(yùn)用；2016年，法國(guó)阿爾斯通發(fā)布了首輛由氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的低地板客運(yùn)城際列車Coradia iLint，成功展示了替代傳統(tǒng)柴油列車的零排放驅(qū)動(dòng)技術(shù)，該列車最高時(shí)速140 km/h，單次加氫15 min，可運(yùn)行800 km，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能和多余的燃料電池能量均儲(chǔ)存在鋰電池中；直至2022年，阿爾斯通Coradia iLint列車成功行駛1175 km，累計(jì)故障率比柴油機(jī)低6%，它證實(shí)了100%氫動(dòng)力解決方案在長(zhǎng)途運(yùn)輸列車中是可行且成功的。

近幾年，越來(lái)越多的國(guó)外企業(yè)加入氫能研究領(lǐng)域，推動(dòng)氫燃料電池軌道車輛的快速發(fā)展。2019年，Stadler公司在美國(guó)銷售了第一輛FLIRT H2輕軌車輛，為美國(guó)客運(yùn)鐵路運(yùn)輸提供了首輛氫動(dòng)力列車；2022年，Stadler公司又發(fā)布FLIRT H2氫能動(dòng)車組，該車配備8個(gè)儲(chǔ)氫瓶，可實(shí)現(xiàn)載客116人，站立120人，同時(shí)使該車達(dá)到127 km/h的運(yùn)行速度；2019年，韓國(guó)鐵路研究院（KRRI）啟動(dòng)了氫燃料電池混合動(dòng)力火車研發(fā)項(xiàng)目，系統(tǒng)可輸出高達(dá)1.2 MW的動(dòng)力，使列車能以110 km/h的最高速度行駛，且最大續(xù)航超過(guò)600 km；同年，阿爾斯通和Eversholt Rail聯(lián)合發(fā)布“Breeze”項(xiàng)目，推出運(yùn)營(yíng)速度高達(dá)為140 km/h，續(xù)航距離為1000 km的氫能源列車，預(yù)計(jì)2022年年底投入運(yùn)營(yíng)；2020年，JR東日本鐵路公司研發(fā)了FV-E991燃料電池火車，該車的運(yùn)行時(shí)速可達(dá)100 km/h，續(xù)航里程實(shí)現(xiàn)140 km；2021年，西門子發(fā)布?xì)淠芰熊嘙ireo Plus H并在德國(guó)巴登-符騰堡州上線運(yùn)營(yíng)，該列車能以160 km/h的最高速度行駛，續(xù)航里程可滿足800～1000 km，且能搭載300名乘客；2022年，韓國(guó)現(xiàn)代Rotem再次順利拿下埃及氫能源地鐵列車項(xiàng)目，將為開(kāi)羅地鐵2號(hào)線和3號(hào)線提供40列8編組的地鐵列車，該列車配備2個(gè)95 kW氫燃料電池系統(tǒng)，并在車頂上安裝8個(gè)儲(chǔ)氫罐，同時(shí)與鋰電池配合為整車提供牽引動(dòng)力，保證列車運(yùn)行時(shí)速能達(dá)到80 km/h。

2.2 中國(guó)氫燃料電池軌道車輛應(yīng)用案例

2013年，西南交通大學(xué)成功研制了中國(guó)首輛氫燃料電池動(dòng)力機(jī)車-藍(lán)天號(hào)，該列車搭載了巴拉德電堆，燃料電池功率可達(dá)150 kW，列車最高時(shí)速可達(dá)65 km/h，可廣泛用于各類軌道交通工程作業(yè)車、檢修車、施工車和調(diào)車機(jī)車；2015年，中車青島四方公司設(shè)計(jì)研發(fā)了作為城市內(nèi)公共交通工具的燃料電池列車，是全球首列氫能源有軌電車，該車由20 kWh的鋰離子電池與450 Wh的超級(jí)電容構(gòu)成復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，燃料電池輸出功率為150 kW，最高時(shí)速為70 km/h，續(xù)航可達(dá)100 km；2016年，西南交通大學(xué)聯(lián)合中車唐山公司設(shè)計(jì)研發(fā)了世界首列商用型氫燃料電池混合動(dòng)力100%低地板有軌電車，燃料電池輸出功率高達(dá)300 kW，并配有鋰電池和超級(jí)電容，在無(wú)接觸網(wǎng)運(yùn)行下，單次加氫12 kg（15 min完成）可行駛60 km，最高時(shí)速為70 km/h，載客量可達(dá)354人［28］；2021年，中國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)的氫燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車在中車大同公司成功下線，該車設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，燃料電池輸出功率為60 kW，滿載氫氣可單機(jī)連續(xù)運(yùn)行24.5 h，平直道最大牽引載重超過(guò)5000 t［29］；2021年，上海臨港研發(fā)了全球首輛T2氫動(dòng)力數(shù)字軌道膠輪電車，整車配置兩套氫動(dòng)力系統(tǒng)，最高時(shí)速為70 km/h，共設(shè)10個(gè)35 MPa氫瓶，加氫時(shí)間只需15 min便可行駛100 km；2022年，長(zhǎng)客股份推出了氫燃料電池+超級(jí)電容混合動(dòng)力市域動(dòng)車，該車設(shè)計(jì)最高時(shí)速160 km/h，搭載燃料電池輸出功率為400 kW，該試驗(yàn)車已在2022年年底成功發(fā)布并開(kāi)始運(yùn)行測(cè)試。

2.3 應(yīng)用現(xiàn)狀分析

本文較全面地梳理統(tǒng)計(jì)了目前成功應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外氫燃料電池軌道車輛相關(guān)性能參數(shù)，主要包括氫燃料電池搭載的軌道車輛類型、燃料電池功率、續(xù)航能力、最高運(yùn)行速度、動(dòng)力模式以及儲(chǔ)氫量和壓力。梳理結(jié)果如表1所示。

由表1分析可得，氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)以其零排放、低噪音、高靈活性和操作維護(hù)便捷等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)外已被成功用于城市輕軌和有軌電車、調(diào)車機(jī)車、城際列車，動(dòng)車以及地下采礦機(jī)車中。在各種技術(shù)支持下，中國(guó)的氫能軌道車輛也在近幾年得到快速發(fā)展，特別是在膠輪電車和市域動(dòng)車新領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。但是，為加速推廣氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)在客運(yùn)和貨運(yùn)軌道車輛上的應(yīng)用，中國(guó)應(yīng)繼續(xù)拓展應(yīng)用車型和使用場(chǎng)景，發(fā)揮氫燃料電池技術(shù)在軌道交通行業(yè)的巨大潛力。

此外，由表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得到，國(guó)內(nèi)外氫燃料電池軌道車輛的動(dòng)力模式主要分為兩種：1）純氫燃料電池；2）氫燃料電池+動(dòng)力電池/超級(jí)電容［30］。燃料電池的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)且相對(duì)穩(wěn)定，但存在瞬時(shí)功率小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等缺點(diǎn)；動(dòng)力電池輸出能量高，但充放電時(shí)間較長(zhǎng)；超級(jí)電容具有較高功率密度、較短充放電時(shí)間、較長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，但維持時(shí)間較短，不能長(zhǎng)時(shí)間提供能量。目前，氫燃料電池軌道車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)組成一般包括燃料電池系統(tǒng)、單向變流器、超級(jí)電容、動(dòng)力電池、雙向變流器、制動(dòng)電阻、能量管理控制器、燃料電池輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用單向DC/DC變換器控制燃料電池，采用雙向DC/DC變換器管理超級(jí)電容或動(dòng)力電池，雙向DC/DC跟蹤檢測(cè)整車的運(yùn)行狀態(tài)以及超級(jí)電容SOC水平，三者協(xié)調(diào)控制進(jìn)而穩(wěn)定超級(jí)電容端電壓。

以上研究表明，由氫燃料電池和動(dòng)力電池/超級(jí)電容形成的混合動(dòng)力系統(tǒng)已被成功應(yīng)用于軌道交通。但是，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)對(duì)于氫燃料電池在軌道交通的應(yīng)用研究中，還主要應(yīng)用于低功率車型，如輕軌、城際列車和機(jī)車等，未來(lái)還需深入研究如高速動(dòng)車、高速磁懸浮等兆瓦級(jí)功率需求車型的應(yīng)用。

3 氫燃料電池混合動(dòng)力軌道車輛的發(fā)展應(yīng)用探討

3.1 氫燃料電池研究難點(diǎn)

近幾年，氫燃料電池技術(shù)取得大量新進(jìn)展，特別是雙極板、氣體擴(kuò)散層、催化劑、膜電極、流場(chǎng)設(shè)計(jì)等方面有了質(zhì)的突破［31-39］。但是，氫燃料電池系統(tǒng)在高性能、低成本、高安全性、高可靠性等方面的研究仍是目前亟需攻破的主要難點(diǎn)。

3.1.1 高性能需求

目前燃料電池系統(tǒng)壽命要求為30000 h或百萬(wàn)公里以上，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命化需提高催化劑、膜和電極的耐久性，而且有賴于膜電極到電堆、到系統(tǒng)控制的協(xié)同提高。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外研究期望通過(guò)使用金屬雙極板和高性能膜電極來(lái)達(dá)到5 kW/L的功率密度，但又面臨著金屬雙極板的金屬腐蝕問(wèn)題，從而引起電堆耐久性下降。此外，提高燃料電池電流密度不僅能提升能量轉(zhuǎn)化效率，還可增加系統(tǒng)的輸出電功率。這一目標(biāo)可通過(guò)多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括改進(jìn)催化劑的活性、增加電極與電解質(zhì)的接觸表面積、改善氣體輸送通道的均勻性、采用高效的電解質(zhì)材料以及改善熱管理系統(tǒng)。與此同時(shí)，也需優(yōu)化系統(tǒng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載和工況下穩(wěn)定高電流密度運(yùn)行。

3.1.2 降成本需求。

一是降低制造成本，包括降低材料成本和工藝成本，如降低貴金屬、鉑金載量含量，或完全采用非鉑化的催化劑；改進(jìn)催化劑的量產(chǎn)、膜電極高速涂布、雙極板高速生產(chǎn)、電堆組裝堆疊的量產(chǎn)技術(shù)工藝。二是降低使用成本，包括降低制氫成本，如采用更先進(jìn)的電解水制氫、生物法制氫、光伏制氫；降低用氫成本，如提高燃料電池效率，可在同等輸出功率下減少用氫量；降低氫氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本，如使用高壓氣體儲(chǔ)存、液態(tài)氫儲(chǔ)存以及管道運(yùn)輸；降低維護(hù)成本，如延長(zhǎng)檢修維護(hù)間隔時(shí)間，減少燃料電池更換次數(shù)。中國(guó)氫能聯(lián)盟預(yù)測(cè)，2035年中國(guó)氫燃料電池系統(tǒng)的生產(chǎn)成本將降至約800 元/kW；到2050年將實(shí)現(xiàn)至300 元/kW［40］。

3.1.3 高安全性需求

在密閉空間內(nèi)，氫氣泄漏的危險(xiǎn)程度遠(yuǎn)高于汽油和柴油。目前，氫安全技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)主要涉及到氫泄漏和擴(kuò)散、氫火災(zāi)及爆炸、氫與材料的相容性以及量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面。氫燃料電池在運(yùn)行中生成水，氫燃料電池工作時(shí)，產(chǎn)生的水會(huì)攜帶排放少量氫氣，因此需管理氫泄漏與排氫安全，保持低濃度以避免可燃。若超濃度時(shí)可通過(guò)減排時(shí)間或增加空氣排放以確保車乘安全。此外，氫燃料電池車輛在故障、碰撞或急停時(shí)，供氫系統(tǒng)需自動(dòng)進(jìn)入安全應(yīng)急狀態(tài)，停止供氫并發(fā)出警報(bào)，防止氫氣引發(fā)意外。同時(shí)，氫氣的泄露監(jiān)測(cè)和控制也是保證安全性的重要手段，在不同的運(yùn)行工況和環(huán)境下需選擇最佳的傳感器，以防止誤報(bào)、漏報(bào)以及報(bào)警不準(zhǔn)確或不及時(shí)等現(xiàn)象產(chǎn)生。

3.1.4 高可靠性需求

從幾百節(jié)單電池集成到燃料電池堆，甚至再集成到多堆系統(tǒng)，氫燃料電池系統(tǒng)的功率輸出由每一節(jié)單電池串聯(lián)而成。單電池可能由供氧/氫不足、水淹或干燥等原因引起明顯的電壓波動(dòng)和下降，甚至出現(xiàn)負(fù)電壓，損壞整個(gè)電堆，進(jìn)而降低系統(tǒng)輸出功率。因此，氫燃料電池系統(tǒng)的可靠性需由每一節(jié)單電池的高質(zhì)量輸出以及性能一致性來(lái)保證。同時(shí)，氫燃料電池系統(tǒng)由數(shù)百個(gè)零部件構(gòu)成，零部件之間的可靠連接與性能匹配也是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵影響因素。系統(tǒng)需能持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，不受外界環(huán)境變化、振蕩或干擾的影響。除此之外，系統(tǒng)應(yīng)具備檢測(cè)和識(shí)別內(nèi)部故障的能力，并能在故障發(fā)生時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行修復(fù)或切換，以保證系統(tǒng)不會(huì)因故障而停止運(yùn)行或造成安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 氫氣儲(chǔ)存及運(yùn)輸挑戰(zhàn)

使用氫燃料電池為軌道車輛提供動(dòng)力的重大挑戰(zhàn)之一是氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸。氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)主要包括氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、管道儲(chǔ)運(yùn)、液氨儲(chǔ)運(yùn)和甲醇儲(chǔ)運(yùn)［41］。

目前，高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)是中國(guó)現(xiàn)階段最成熟最主要的氫儲(chǔ)運(yùn)方式［42］。氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)可實(shí)現(xiàn)常溫快速充放氫，成本較低；但儲(chǔ)氫量也較低，且對(duì)高壓儲(chǔ)氫罐有較高的技術(shù)要求。目前中國(guó)主要采用35 MPa的儲(chǔ)氫瓶，相較于國(guó)際主流的70 MPa高壓儲(chǔ)氫瓶仍存在一定的技術(shù)差距。另一方面，為滿足氫氣的大規(guī)模和長(zhǎng)距離運(yùn)輸需求，國(guó)外已率先研制了管道運(yùn)輸技術(shù)，但管道運(yùn)輸基建成本高且難度大。目前，全球范圍內(nèi)氫氣輸送管道總里程接近5000 km，其中歐美國(guó)家占89.8%，為4490 km，而中國(guó)僅占8%，約400 km。相較于歐美國(guó)家較成熟的輸氫管網(wǎng)系統(tǒng)，中國(guó)輸氫管道建設(shè)仍處于起步階段。為進(jìn)一步提高儲(chǔ)運(yùn)效率、降低長(zhǎng)距離儲(chǔ)運(yùn)成本，中國(guó)開(kāi)始研發(fā)并使用液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。液態(tài)儲(chǔ)氫密度高，儲(chǔ)氫量大，儲(chǔ)氫過(guò)程可逆，但是，液氫存儲(chǔ)設(shè)備費(fèi)用高、脫氫反應(yīng)溫度高且催化劑活性不穩(wěn)定。多種氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性比較如圖4所示。

由表1分析可得，在50～1000 km運(yùn)輸距離范圍內(nèi)，運(yùn)輸成本變化最大的是20 MPa長(zhǎng)管拖車，其余氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的成本對(duì)運(yùn)輸距離變化不太敏感。在250 km范圍內(nèi)，長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸具備經(jīng)濟(jì)性，尤其是30 MPa長(zhǎng)管拖車成本優(yōu)勢(shì)明顯。但是，隨著用氫規(guī)模繼續(xù)增大，液氫運(yùn)輸成本整體下降明顯，當(dāng)運(yùn)輸距離大于600 km時(shí)，液氫運(yùn)輸成本降低為最經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)氫技術(shù)。

3.3 氫燃料電池混合動(dòng)力在軌道車輛上的發(fā)展?jié)摿?/p>

據(jù)中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)統(tǒng)計(jì)，截至2022年，全國(guó)鐵路機(jī)車擁有量為2.2萬(wàn)臺(tái)。其中，內(nèi)燃機(jī)車擁有量0.8萬(wàn)臺(tái)，占鐵路機(jī)車擁有量的36.7%；電力機(jī)車擁有量1.38萬(wàn)臺(tái)，占鐵路機(jī)車擁有量的63.3%。為實(shí)現(xiàn)國(guó)家2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的“雙碳”目標(biāo)，基于混合動(dòng)力系統(tǒng)的氫燃料電池能完美替代內(nèi)燃機(jī)，市場(chǎng)空間巨大。

純?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但其輸出特性較軟，輸出電壓隨輸出功率的波動(dòng)較大，為克服其問(wèn)題，提出氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)。氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)主要分為輔助動(dòng)力源直接并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)、輔助動(dòng)力源經(jīng)DC/DC變換后并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)兩種，如圖5和圖6所示。

在輔助動(dòng)力源直接并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中，燃料電池與單向DC/DC變換器串聯(lián)后，再和動(dòng)力電池并聯(lián)向負(fù)載或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，通過(guò)對(duì)DC/DC變換器的控制來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)輸出電壓、電流、功率，從而實(shí)現(xiàn)混合能量管理與分配。在輔助動(dòng)力源經(jīng)DC/DC變換后并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中，輔助動(dòng)力源與直流總線之間增加了雙向DC/DC變換器，既能穩(wěn)定直流母線電壓，又能控制燃料電池輸出電壓和功率、對(duì)輔助動(dòng)力源進(jìn)行充放電管理，還能回收再生制動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)混合能量控制及管理。

目前，中國(guó)已有較多案例成功驗(yàn)證了氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的可行性。中車青島四方公司研制的氫能源有軌電車、西南交通大學(xué)聯(lián)合中車唐山公司研發(fā)的氫燃料電池有軌電車，均以氫燃料電池+鋰電池+超級(jí)電容組成混合動(dòng)力系統(tǒng)。西南交通大學(xué)和中車大同公司研發(fā)的氫燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車應(yīng)用了氫燃料電池+鋰電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)。中車長(zhǎng)客推出的市域動(dòng)車則搭載了氫燃料電池+超級(jí)電容的混合動(dòng)力系統(tǒng)。氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)可根據(jù)整車不同的運(yùn)行工況、控制策略以及能量管理需求匹配不同的混合形式。因超級(jí)電容放電倍率相比鋰電池較高，故同等帶電量的情況下，超級(jí)電容能提供的瞬時(shí)功率比鋰電池高。因此，當(dāng)整車對(duì)瞬時(shí)功率響應(yīng)要求較高時(shí)，一般采用氫燃料電池+超級(jí)電容的混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)；當(dāng)整車對(duì)瞬時(shí)功率響應(yīng)要求不高時(shí)，即整車功率需求較平穩(wěn)，則可優(yōu)先考慮氫燃料電池+鋰電池的混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)。此外，混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還需同步考慮整車動(dòng)力系統(tǒng)所占的空間尺寸、重量要求以及成本等各種因素，才能為整車匹配出最優(yōu)的混合動(dòng)力方案。

氫燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車整車可采用模塊化設(shè)計(jì)，這使得氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)能依據(jù)客戶的實(shí)際需求和應(yīng)用條件，將不同功率等級(jí)的氫燃料電池與鋰電池或超級(jí)電容靈活搭配，為整車提供不同的牽引動(dòng)力，從而提高整車經(jīng)濟(jì)性。而且，近年來(lái)，隨著中國(guó)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展，在關(guān)鍵部件國(guó)產(chǎn)化和降本方面取得了較大進(jìn)步。未來(lái)隨著研究應(yīng)用案例的豐富，氫燃料電池軌道交通領(lǐng)域的廣闊藍(lán)海將會(huì)逐漸展現(xiàn)出來(lái)。

4 結(jié) 論

在全球能源危機(jī)和氣候變暖的背景下，能源的清潔化、多元化和高效化已成為人類可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。本文從能源轉(zhuǎn)型角度出發(fā)，對(duì)基于混合動(dòng)力的氫燃料電池軌道車輛的研究現(xiàn)狀和發(fā)展?jié)摿M(jìn)行了綜述。研究發(fā)現(xiàn)氫燃料電池系統(tǒng)和鋰電池/超級(jí)電容形成的混合動(dòng)力系統(tǒng)作為一種新型能源形式被成功應(yīng)用于城市有軌/輕軌列車、城際列車、市域動(dòng)車以及調(diào)車機(jī)車等低功率車型，氫燃料電池輸出功率多為200 kW以內(nèi)，車輛續(xù)航能力最高可實(shí)現(xiàn)800 km，且車輛運(yùn)行速度最高可達(dá)160 km/h。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、能量管理、控制策略、故障分析、動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性等多角度進(jìn)行了大量研究，并為其實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。但是，研究也發(fā)現(xiàn)氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)在軌道車輛的實(shí)際應(yīng)用中還存在較多難題。

1）系統(tǒng)控制和能量管理待優(yōu)化。氫燃料電池系統(tǒng)控制、混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理和熱管理等關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于整車能量利用率和寄生功耗有著重要影響，但是目前氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略不夠精準(zhǔn)和完善，能量管理以及余熱利用等方案不夠成熟，不能實(shí)現(xiàn)能量的最大化輸出。

2）系統(tǒng)綜合性能待提高。目前氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)壽命、高安全性和高可靠性等需求不斷提高。但是，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命需讓其長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作在既定的溫度、濕度和壓力等條件下，這對(duì)整車控制系統(tǒng)和能量管理策略有較高要求。同時(shí)，加氫安全、儲(chǔ)氫安全、氫泄露安全也是氫燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用的難點(diǎn)。

3）成本過(guò)高。由于氫燃料電池電堆催化劑主要為鉑金屬，且制造工藝復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)成本較高。為降低氫燃料電池系統(tǒng)的使用成本，需減少催化劑中鉑金的使用量，同時(shí)也需尋找可替代鉑金的材料，才能更好推動(dòng)氫能的應(yīng)用。

4）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足。與國(guó)外氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)氫能技術(shù)及基礎(chǔ)配套落后，特別是加氫站建設(shè)缺乏規(guī)模、建站標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)不健全、加注效率低。加氫站的全面建設(shè)已成為中國(guó)氫燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的重要基礎(chǔ)設(shè)施保障。

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OVERVIEW OF RESEARCH ON HYDROGEN FUEL CELL RAIL

VEHICLES BASED ON HYBRID POWER

Wang Kewen1，2，Zhang Xiaoping3，Zhou Houqing4，Yang Chunhua4

（1. School of Electrical Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China；

2. Communication Technology Branch of Guoneng Xinshuo Railway Co.， Ltd.， Ordos 017004， China；

3. School of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 611756， China；

4. Sichuan Rongchuang New Energy Power System Co.， Ltd.， Chengdu 610500， China）

Abstract：Hydrogen fuel cell rail vehicle is a new type of rail vehicle powered by hydrogen as fuel. Its characteristics of zero emission， low noise， and high efficiency have significant social and economic benefits， and it is also one of the important ways for rail transportation to save energy and reduce emissions. This paper expounds the working principle and system composition of hydrogen fuel cells， as well as the research and development progress and trends of hydrogen fuel cell systems. Systematically combs the research and application status of hydrogen fuel cell rail vehicles at home and abroad， mainly summarizes the differences in terms of vehicle type， fuel cell power， battery life， maximum operating speed， power mode， hydrogen storage capacity and pressure， and analyzes the output characteristics of hydrogen fuel cell hybrid power mode and power matching in various environments ， confirming that the hybrid power system formed by hydrogen fuel cells and power batteries/super capacitors can better adapt to various working conditions such as start-stop， idling， continuous high speed and climbing of rail vehicles. Finally， the research difficulties of hydrogen fuel cells， the storage and transportation challenges of hydrogen， and the development potential of hydrogen fuel cell hybrid power in rail vehicles are discussed.

Keywords：hydrogen fuel cell； rail vehicle； hybrid power； research status； discussion on application