李梦斐（1984-），江苏常州，女，本科，高级经济师，主要从事内燃机设计与管理工作。

摘要：氢燃料电池轨交装备作为一种绿色、节能、高效的新型轨道交通工具，是应对目前节能环保需求的最佳方案。本文介绍了氢燃料电池轨交装备的应用与展望，分析了其在轨道交通领域应用面临的挑战，并提出相应的发展建议。

关键词：氢燃料电池;轨交领域;应用与展望;挑战与建议

0.引言

减少碳排放、应对气候变化及能源紧缺，已成为全球共识，各国政府都提出了各自的发展战略，中国也提出“碳达峰”和“碳中和”的双碳总体目标，低碳绿色是发展的必然趋势。

氢能作为一种清洁脱碳、应用场景丰富的二次能源，是公认的清洁能源，具有零排放、零污染、效率高等特点，被认为是实现碳中和的最佳载体。中国也于2022年发布了氢能产业发展中长期规划（2021-2035年），深入推进能源革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，促进氢能产业高质量发展。

近年来轨道交通领域关于排放的法规日渐严苛，零排放的氢燃料电池轨交装备以其绿色、节能、高效的优势，成为良好的轨交解决方案。

1.氢燃料电池的应用

氢燃料电池作为氢能的重要载体，拥有广阔的市场前景，目前已应用于汽车、轨道交通、航天、分布式发电、军事等领域。

国际上，燃料电池在车用领域的应用起源于乘用车，随着技术的更新迭代，燃料电池呈现大功率发展趋势，这就为长续航里程需求的商用车应用提供了可能。近年来国内燃料电池在重卡、客车、物流车等车型上发展强劲，并将在未来保持良好的发展势头，形成规模化的产业应用。

2.氢燃料电池在轨交领域的应用与展望

2.1 氢燃料电池在轨交领域的应用

2.1.1 城轨客运车

随着大功率、长寿命燃料电池的不断问世及大容量储氢技术的快速发展，燃料电池适时介入对续航能力及可靠性要求更高的轨交领域，并以城轨客运车辆作为切入点开展示范先行。国外阿尔斯通、西门子公司，国内中车四方股份有限公司、中车唐山公司均成功研制相关产品。

2.1.2 机车

传统内燃机车污染严重、效率不高，燃料电池作为一种绿色高效的能源载体，非常有希望替代既有的内燃机车。国内目前也有类似的氢燃料电池机车产品研制问世。

中车戚墅堰公司于2021年6月正式下线氢燃料电池混合动力机车，该机车功率为1400kw，是目前国内自主研发的首台最大功率氢燃料电池调车机车，燃料电池系统功率可达400kw，寿命近20000h。机车设计时速100 km/h，平直道最大牵引载重超过8000吨，燃料电池模式下满载氢气可连续运行24小时。目前该公司正进行氢燃料电池工程化样车及出口机车的研制。

中车大同公司也于2021年发布氢燃料电池混合动力调车机车，该机车功率700kw，设计时速80 km/h，目前运用考核突破万公里，并且经受住-30℃考验。

2.2 氢燃料电池在轨交领域应用的展望

随着氢燃料电池轨交装备的示范先行，为后期商业化应用打下了基础。氢燃料电池轨交产品以绿色低碳、节能高效的优势，结合其在功率、续航、性能、寿命等方面的特性，将具有巨大的市场和广阔的发展前景，尤其在如下几个领域。

2.2.1有轨电车

有轨电车是城市内部的短距离交通工具，运量不大，行驶速度低，功率需求不大，运行环境也稳定，非常适合使用氢燃料电池作为动力源牵引。

2.2.2 城际列车

城际列车是相邻城市间或城市群的轨交系统，运量大，行驶速度高，功率需求相对较大，运行环境也相对稳定，通过采用不同编组模式，来满足绝大部分城际列车的市场运营需求。

2.2.3调车机车

调车机车相较于干线机车，牵引速度与牵引吨位较小，机车总体功率需求较低;调车机车通常用于厂段调车、编组站编组、工业厂矿小运转等，日运行里程相对较短，机车耗氢量小，车载储氢瓶在有限空间内布置较易;部分工矿企业、厂段和编组站靠近城市市区，对噪音和排放有更高的要求;另外不少工矿企业都有工业副产品，可通过提纯制氢实现自给自足，所以氢燃料电池系统在调车机车领域具有良好的适应性。

2.2.4 轨道工程车辆

轨道工程工程车辆为线路提供检测、维护和救援等任务，行驶速度慢，牵引载重也较小，作业时间相对集中，也较适用氢燃料电池。

3.氢燃料电池在轨交领域应用的挑战与发展建议

氢燃料电池轨交相较于传统的内燃与电力装备，具有诸多的优势：

（1）替代传统能源，全过程无污染及零碳排放，实现双碳目标的最佳路径;

（2）缓解新能源消纳难题，减少弃风弃电，将低效能源转化为高效能源;

（3）相较传统内燃列车，噪音降低约20%;

（4）燃料电池效率最高可达50%以上，能源利用率高;

（5）可在任何既有铁路线上运行，提升线路选择灵活性，是非电气化线路的最佳选择;

（6）降低基础设施、电气化建设成本，及线路维护成本等。

但相对于氢燃料电池在车用领域的应用，其轨交装备目前仍更多的处于示范运用阶段，同时也面临着诸多的挑战。

3.1 氢燃料电池在轨交领域应用的挑战

3.1.1 更高的系统功率

目前氢燃料电池在车用领域应用相对成熟，功率普遍在100kw左右，而轨道交通装备功率需求通常在MW等级，燃料电池企业也在集体向大功率快速迭代升级，部分企业甚至试图向300kw单堆功率进军，但更多的仅是试验室产品。

提升燃料电池系统功率，除了努力提升电堆的功率密度，还可以通过增加电堆数量或不断叠加单片电池数量等方式来实现，但绝不是简单的累加堆叠或结构调整，关键技术是要保证单堆系统的电压均衡控制、多堆系统功率实现自适应分配及协调优化，及多堆系统散热的协同优化与安全防护等，同时对制造企业的制造能力及试验能力提出更高的要求。只有实现这些关键技术的突破，燃料电池大功率目标才能得以实现。

3.1.2 更强的环境适应性

轨道交通装备在正常运行时，大部分时间处于室外，且很少有专用车库，因此其低温性能很关键，尤其在中国北方地区，大部分轨交产品的运行温度要求为-30℃，部分地区甚至达到-40℃。而目前燃料电池能满足-30℃的冷启动要求，但无法满足更低温的环境条件。

高寒环境不仅挑战燃料电池电堆的设计能力（电堆热容量、膜电极低温性能及与冷却液间的热阻）和燃料电池系统设计能力（冷却小循环回路热容积、末端单片与集流板和端板间隔热能力、氢循环泵破冰能力），同时对燃料电池系统调控能力（温度调节、水含量调节、电压与电流调节、空气流量与压力调节）等提出高要求。

除了燃料电池能适应更宽的环境条件，-30℃冷启动时间各家也是相差甚远，从几十秒到几十分钟均有。只有通过不断增强关键部件的性能与可靠性，优化设计能力与控制逻辑，才能使燃料电池具备更优的低温表现。

另外一般轨道交通装备适用海拔高度为2500m，而目前燃料电池适用海拔高度仅为1400m，1400m～2500m需降功使用，为了满足更严苛海拔的运行要求，需不断地提升空压机技术，来增大高海拔下空气流量。

3.1.3更长的使用寿命

现有的燃料电池电堆的工作寿命理论值为10000～20000小时，暂无实际运用数据作为参考，但与轨道交通装备30年的寿命周期相距甚远。

提升燃料电池的寿命，除了从燃料电池本身着手，诸如提升质子交换膜、催化剂、双极板、增湿器等关键零部件性能，增强单片电池电压一致性，优化热管理系统功能，及控制多堆系统合理均衡运用等，还可以通过运用终端合理控制能量分配和高效的故障诊断与健康管理等手段来提升燃料电池的寿命。

氢燃料电池轨交装备通常以燃料电池和动力电池作为动力源，鉴于燃料电池的性能特性，在运行时根据不同的牵引工况应采用不同的能量及功率分配原则，燃料电池输出功率应覆盖整车主要的低功率区间，满足低恒速及小功率运用场景，动力电池输出功率满足整车的坡道启动、线路重载、高速加载等大功率需求工况，通过合理的控制策略来实现整车牵引需求，并确保燃料电池尽可能稳定运行，从而提升其寿命。

故障诊断与健康管理对于在早期发现燃料电池潜在故障，提高其耐久性及可靠性等意义重大。通过监控阶段的数据收集与处理，到建模分析阶段对相关数据进行分析评估，从而获得燃料电池的健康状况及甄别潜在故障原因，再采取及时有效的措施来进行整改。

3.1.4 更长的续航里程

不同于车用市场，轨道交通装备要求更长的续航里程与时间。据统计，同等应用场景下传统燃油车5～7天加油一次，而燃料电池车却需要每天加注，所以提升车载储氢能量就成为了解决长续航能力的关键。但轨交装备又受限于整车的空间尺寸与重量要求，提高车载储氢系统技术至关重要。

储氢技术主要有高压气态、液态、固态及有机储氢。目前国内外主流采用35Mpa高压气态储氢，更高体积密度的储氢技术无疑将更适用于轨交场景，但70Mpa储氢技术对储氢瓶及瓶阀等要求极高，受限于储罐材料、压缩成本、容器爆破、成型工艺等因素，70MPa储氢并未广泛应用。液态储氢虽然具有更高的体积密度，储运更简单，但液化氢气技术难度较大，同时液化时要消耗更多的能量，而且还需要使用超低温特殊容器来储存，成本昂贵，安全隐患也大，所以国内也仅处于示范应用阶段。而固态、有机储氢技术则更为复杂，国外也仅处于试验室验证等阶段。

轨道交通长续航能力的需求，对车载储氢量提出高要求，同时整车空间又不容许搭载过多的储氢容器，如何在有限的空间内提升储氢容量已成为制约燃料电池在轨道交通领域运用的关键因素。

3.1.5 更完善的基础设施支撑

完善的氢气供应基础设施是氢燃料电池产业发展的关键要素，但目前中国加氢站多数属于示范运用，仅为示范性项目提供加注服务，暂未实现商业化运营，且数量远少于国外。加氢站建设面临着不少的问题，首先是目前加氢所需的关键部件多数依赖进口，使得加氢站建设成本高昂，另外加氢站运维成本较高，这就需要一定的加氢规模来平衡收支取得盈利，但目前中国氢燃料电池装备尚处于起步阶段，商业化推广相对滞后，加氢企业盈利预期较低，使得加氢站推广较难。

只有通过不断的技术研发，打破关键加氢设备进口的局面，来大幅度降低加氢站建设及运维成本，并做好合理规划与政策支持，来保障基础设施对于整个产业的支撑。

3.1.6 更低的成本价格

从全产业链来看，随着技术的迭代、产能的提升与国产化的替代，产业链中游的燃料电池系统成本已有大幅的下降，从之前的万元/kw降至现在的5000～8000元/kw，但产业链上游的滞后发展却给燃料电池在轨道交通领域的普及应用带来了巨大的挑战。

受制于技术难度、规模效应不足、基础设施欠缺等原因，氢气在制、储、运、加等环节的成本较高，虽然国家给予了一定的补贴，但目前氢气使用成本仍高达60～70元/kg。据分析，只有当氢气成本降为30元/kg，燃料电池轨交装备才具备与传统车辆进行同台竞技的可能性。

未来只有从氢能全产业链入手，突破上游产业的技术瓶颈，实现中游产业的国产化与规模化，才能有效降低燃料电池轨交装备全寿命周期成本，推进其有序发展。

3.1.7 更高的安全措施要求

氢气易燃易爆的特性及整车的电耦合使用环境，氢安全将直接影响到整车的安全性，且比传统车辆的安全性更为复杂，这就对整车的安全措施提出更高的要求。

安全设计主要按照失效安全、区域布置、氢电隔离、最简化等原则进行，从燃料电池系统、车载储氢系统、整车等三个层面来确保整车机械、电气、涉氢安全。具体的手段可通过使用防火抗氢脆材料、电气线路保护、安全接地、火灾报警、氢气泄漏监控、碰撞防护、智能监控等方式来实现。

3.1.8 亟需轨道交通统一标准

氢燃料电池作为前沿技术，目前在车用领域形成了一套比较全面的标准规范。但是在轨道交通方面的运用案例并不多，尤其是在国内，目前国内尚未统一的标准与规范，还是参考汽车行业的相关标准，这也极大地制约了氢燃料电池轨交装备的发展。

首先是缺乏完全满足轨道交通标准的燃料电池系统关键零部件，诸如目前市场上可获得的燃料电池电堆、冷却系统等都仅按照车用领域标准开发，产品仅按照车用标准进行了冲击振动、电磁兼容等试验，而轨道交通关于这两项试验的标准要求是不一致，这就导致相关关键部件需要重新试验，增加了成本费用及延长了开发周期。再比如DC/DC， 目前市面上成熟产品普遍为针对车用领域开发的750V非隔离产品，而轨交由于直流母线电压等级存在差异，导致燃料电池系统电气构架较为复杂，普遍要求使用1500V的隔离DC/DC，这就要求产品需要重新研发，花费高、周期长。

再者就是缺乏轨交的安全技术标准。轨道车辆对防火、绝缘等级、电磁兼容、冲击、振动等方面的要求与车用领域存在显著差别，如果一味借助汽车安全标准来定义轨交安全需求，势必会造成诸多不安全隐患。另外，尽快构建标准化的氢能生产操作及运维规范，建立相关应急机制也是保障氢安全的重要举措。

3.2 氢燃料电池在轨交领域应用的发展建议

3.2.1 多用途、不同应用场景轨交装备的研制

伴随着燃料电池轨交装备研制的不断探索与深入，为开发更多用途、更广阔应用场景的产品做了良好的铺垫。

通过合理的顶层规划、细分不同市场、研究相关需求及技术指标，在城轨领域，进一步细分有轨电车、地铁及轻轨市场，根据使用场景以燃料电池为主动力源来实现最佳的能源利用形式;在城际列车领域，按“快起快停、快速乘降，通勤客流为主”的技术特点，提供快速度、公交化、大运量交通服务，获得更大的市场份额;在机车领域，尤其是针对调车机车适用的诸多场景进行开发，亦或寻求燃料电池在干线非电气化线路上对原有的内燃机车进行替代，不断提升轨道交通体系的高效化、绿色化与适用化;在高速列车领域，燃料电池也可以作为备用电源，同时为空调、照明等辅助系统供电，甚至有望成为动力源，实现高速列车的无网化运行等。

3.2.2 轨道交通标准的研究与制定

燃料电池在轨道交通领域的标准缺失，使其只能借鉴车用领域相关标准，而轨交与车用行业在技术要求与应用场景上存在着巨大差异，这就给燃料电池系统的关键大部件无论是从技术指标的确定、开发制造的符合性、试验规范的合理性等方面带来了诸多问题。另外无论是涉及到安全防范标准、氢气加注标准、涉氢生产运维操作规范到试验验证技术条件等，都急需制定与出台。

国外燃料电池轨交产品已不断渗入，相关的标准也逐步完善与跟进，国内应及时做好国外标准的收集与研究，并结合国内轨交领域特点，制定统一的标准与规范，从而进一步规范燃料电池轨交行业。

4.结语

氢能作为21世纪的终极能源，必将在未来发挥更大的作用。随着氢燃料电池在轨道交通领域示范运用的不断深入与拓展，氢燃料电池轨交装备必将以其独特的优势崭露头角。伴随着知识的日益更新及技术的迭代升级，目前制约其发展的瓶颈必将突破，氢燃料电池轨交装备必能作为一种全新的交通工具在轨交领域占据自己的一席之地。

参考文献：

[1]陈维荣、钱清泉、李奇.燃料电池混合动力列车的研究现状与发展趋势.西南交通大学学报.2009，（1）

[2]李杨、魏敦崧.燃料电池发展现状与应用前景.能源技术.2001，（4）

[3]陆天虹、孙公权.我国燃料电池发展概况.电源技术， 1998，（4）