燃料電池機車行業技術發展研究

杜超

摘? ?要：相對于傳統的柴油或者電氣軌道機車，燃料電池機車有著效率高、污染低、固定資產投入低、經濟性高等優勢。自2010年開始我國有關燃料電池機車相關的研究逐漸提升，根據國內現有的專利進行分析，其主要研究方向為燃料電池系統、控制器以及冷卻系統，為了持續驗證產品的可靠性，從2018年開始國內已經開始進行了示范運行。未來，隨著軌道交通行業的持續發展，燃料電池機車將成為重要的發展方向之一。

關鍵詞：燃料電池機車? 可靠性? 經濟性

中圖分類號：U267? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（a）-0078-02

傳統的軌道交通一般包括傳統鐵路、地鐵、輕軌和有軌電車，是全球公共交通運輸的重要組成之一，擁有者運輸量大、安全舒適、準點率高、受天氣影響低等優勢，同時也有著前期投資大、投資建設周期長、技術要求高且占用空間大等缺點。目前，傳統的軌道交通已經逐漸從內燃機技術向新能源和電氣化技術方向轉型，而燃料電池作為最有潛力的新能源技術之一，也成為了機車發展的方向。

1? 國際燃料電池機車發展現狀

國際燃料電池機車的發展主要集中在美國、日本和歐洲。第一臺燃料電池機車是在2002年由美國能源部與車輛項目部以及燃料電池驅動系統研究所聯合開發的礦山用車，雖然當時燃料電池系統功率僅為17kW，但是相對比電動機車，其自重輕、單次運行時間長、加注時間短等優勢，極大地提升了機車的使用效率。2007年BNSF鐵路公司推出研發計劃，開發了燃料電池/蓄電池混合電力的燃料電池機車，其中燃料電池采用了巴拉德的Mark902系列電動堆，系統功率達到240kW，并于2009年底在洛杉磯進行測試運行。

2003年，日本鐵道綜合技術研究所（RTRI）開發成功了30kW燃料電池軌道車研發并進行了演示運行，并于2010年開始正式的示范運行。日本的NE列車公司于2006年由柴油機車改造成功了一臺燃料電池機車，其燃料電池系統功率為130kW，一次加氫可以行駛50～100km，與柴油機車相比，其減排可降低30%。

2011年，西班牙FEVE（Ferrocarriles de Via Estrecha）公司的研發中心開發一臺燃料電池試驗機車，其采用Hydrogenics公司提供的燃料電池模塊，燃料電池系統為24kW，配合95kW鋰電池，形成電電混合動力系統。

2017年，阿爾斯通公司正式開發出一臺燃料電池貨車，該燃料電池火車在滿載燃料時可連續行駛600～800km，最高時速可達140km，最多可運送300人。并于2018年公布將沃爾夫斯堡交付14個氫燃料電池列車。

2? 我國燃料電池機車技術發展現狀

我國燃料電池機車的研究主要集中在中車集團下屬的各個單位以及部分以軌道交通為主要研究方向的高校，2013年1月，西南交通大學牽頭研制的燃料電池電動機車“藍天號”研制成功。2015年3月，青島四方機車的氫燃料電池有軌電車正式竣工下線。2016年4月，中車唐山公司的燃料電池/超級電容混合動力低地板有軌電車正式下線。

針對我國燃料電池機車相關專利進行分析，詳見圖 1，自2004年開始，我國已經有高校開始進行相關的研究，但整體的專利數量并不多，一直到2010年，專利數量才有上升趨勢。而這些專利基本都是中車集團下屬的公司所申請的，比例接近80%，而其中青島四方機車公司的專利布局最多，其次是中車株洲電力機車公司。而非中車集團的申請人中，主要有西南交通大學和永濟新時速電機電器有限責任公司。對這些專利進行方向分析，其主要涉獵的技術領域如圖2。其中燃料電池系統相關的專利數量最多，其次為控制器和冷卻系統相關的研究。

專利CN107180980A[1]所描述的一種安裝在有軌電車的車廂頂部的燃料電池系統，其中詳細描述了燃料電池系統、供氣系統、冷卻系統以及儲氫系統的結構， 該系統是由兩套完全相同的燃料電池構成，其相應的輔助系統如冷卻系統、供氣系統等也均為平行的兩套。

專利CN201378795Y[2]所描述一種燃料電池車DC/DC變換器控制板，為便于組裝、維護，提高質量功率比，減小各信號在線束上的干擾，本控制板集控制、電源、驅動于一體， 將主控制邏輯芯片、控制電源分配電路、主功率模塊驅動及脈沖保護電路、各模擬信號采樣處理電路，均集成在同一控制板上，控制板對系統外只有12V的控制電源接口和CAN控制接口。控制板中采用2路差分采樣電路來檢測燃料電池輸出電壓及DC/DC變換器的輸出電壓。

專利CN106328971A[3]所描述一種機車用燃料電池的冷卻系統，由于低地板有軌電車車下空間受限，多數設備均安裝到車廂頂部，且燃料電池額定功率大，散熱需求高，因此該冷卻系統需要在車頂有限的空間內滿足氫燃料電池大功率散熱需求，該系統包括燃料電池、循環裝置、冷卻裝置和電加熱管，其中燃料電池、循環裝置和冷卻裝置通過管路依次連接，并形成冷卻循環回路;而電加熱管一端通過管道與循環裝置連通，另一端通過管道與氫燃料電池連通，并形成加熱循環回路。該冷卻系統散熱效率高、冷卻能力強，最大散熱功率可到170kW。

3? 我國燃料電池機車運行經濟性分析

傳統機車項目由于涉及場地、軌道、架空/地面接觸電網等固定資產投入，因此前期投入較大，據不完全統計，美國的每公里軌道交通設施的建設價格為均高于3000萬/km，而歐洲對現有的軌道交通設施進行電氣化改造的價格約為5000萬元/km，而我國軌道交通設施的建設費用約為2000萬/km。

以我國有軌電車的平均運行場景為例，分析燃料電池機車與有軌電車的經濟性。基本假設如下：（1）按照全生命周期為8年計算，車輛年運行時間均為300d，日運行距離為50km。（2）加氫站：日加注能力為500kg（8h），單座加氫站對應50輛燃料電池公交車，單座加氫站建設成本為1000萬元，氫氣加注費用為40元/kg，運營費用為10元/kg。（3）燃料電池機車：百公里耗氫量為10kg，單臺售價1400萬。（4）架空/地面接觸電網：2000萬/km，電費0.8元/kWh，運營費用0.8元/kWh。（5）有軌電車：百公里耗電為80kWh，單臺售價1000萬。

根據上述假設，假設車輛數量為100輛，對比分析兩種類型機車的單臺車輛的綜合成本，在整個生命周期內，燃料電池機車為1470萬元/輛，而有軌電車為2150萬元，燃料電池機車有著更高的經濟性。這主要源自于有軌電車需要更大的基礎建設投入。

4? 結語

燃料電池機車在我國的發展仍屬于初步階段，無論是燃料電池系統產品的可靠性還是整車產品的可靠性都需要驗證，因此需要從產品零部件到整車行業共同加大研發和示范運行的力度，推動協同創新，為我國軌道交通的新能源化發展做出貢獻。

參考文獻

[1] 李明，李明高，劉楠，等.燃料電池系統及有軌電車：中國，CN107180980A[P].2017-09-19.

[2] 彭再武，毛懿平.一種燃料電池車DC/DC變換器控制板：中國，CN201378795Y[P].2010-01-06.

[3] 胡玉杰，高洪鎮，楊兵，等.一種氫能源有軌電車燃料電池的冷卻系統：中國，CN106328971A[P].2017-01-11.