株洲金瑞中高頻設備有限公司專業生產氫燃料電池爐。歡迎咨詢

氫能是構建以清潔能源為主的綜合能源供給系統的重要載體。目前，氫能汽車、卡車和公交車已逐步進入商用化階段，氫能列車也逐步投入運營，填補了列車機載、零排放、電氣化的空白。

中國工程院院刊《Engineering》2022年第4期刊發《氫能列車投入運營》一文，報道了氫能列車的發展情況，介紹了主要國家在氫能列車方向上的研究進展及今后的應用前景。文章還介紹了將現有列車改造為氫能列車的方法及運行策略。

2022年3月，由世界上最大的列車制造商——法國阿爾斯通公司（圣康坦市）——打造的14輛氫能列車Coradia iLint在德國開始長期運營（圖1）。在漢堡附近的布克斯特胡德（Buxtehude）和沿海城鎮庫克斯港（Cuxhaven）之間的區級線路上運行的這項為期18個月的新服務是一項商業示范試驗。在這項試驗中，兩輛Coradia iLint運載乘客行駛了20多萬公里，而向空氣中排放的卻只有水蒸氣。

圖1. 在德國成功試運營18個月后，14輛氫能列車Coradia iLint于2022年3月正式在德國投入運營，未來幾年將在歐洲各地推出更多氫能列車。來源：Alstom (public domain)。

加拿大溫哥華不列顛哥倫比亞大學土木工程系副教授Gordon Lovegrove說道：“德國的鄉村地區人口密度小、客流量少且電力供應不足，阿爾斯通公司生產的列車能在這種地方運營，可謂是驚人之舉。Coradia iLint完美地填補了機載、零排放、電氣化的空白。”

Coradia iLints的成功吸引了德國、法國、意大利、奧地利、英國以及匈牙利等國家的注意。它們紛紛向阿爾斯通公司訂購此類列車，并計劃投入本國使用。其他幾個大型制造商也著手建造自己的氫能列車。

氫能汽車、卡車和公交車在幾十年前就已經投入使用，雖然取得的商業成就有限，但在氫燃料使用方面，無疑將列車落在了后面。列車依靠柴油（目前歐洲約五分之一的列車、美國大部分鐵路列車依賴柴油）以及電力（美國主要是化石燃料產生的電力，歐洲主要是可再生能源產生的電力）提供動力。出現這種情況的主要原因是氫能技術所面臨的供需矛盾：在需求明確前，供應商不愿意為降低成本建造所需的大型生產設備，而消費者又希望在低排放燃料的價格降下來后再選用低排放燃料。

然而，最近各國政府開始發布關于凈零排放的強制性政策，以緩解氣候變化。例如，2021年歐盟提出到2030年溫室氣體排放量比1990年減少55%，到2050年實現凈零排放。法國、蘇格蘭以及荷蘭部分地區的國家列車網絡系統承諾在2035年以前以清潔能源系統取代客運和（或）貨運柴油發動機。德國承諾在2038年以前取締柴油列車，英國承諾在2040年以前實現這一目標。通過擴大對綠色電力（包括氫能發電）的需求，氫能列車將在強制措施下實現飛躍式發展。

如今，大多數氫燃料是通過甲烷水蒸氣重整（steam methane reformation, SMR）和電解水產生的：在SMR過程中，甲烷在催化劑的作用下與加壓水蒸氣反應，產生“灰氫”（grey hydrogen）；在電解水過程中，通過電解水，分解出氫氣和氧氣。對于世界上所有的制氫工藝，SMR的使用占比為95%。雖然SMR的成本不高，但其產生的能量卻很高。Lovegrove說道：“在生產‘綠氫’（green hydrogen）時，你肯定想使用可再生能源，包括非高峰期的水力發電、太陽能或風能。”

然而，“綠氫”的生產成本是利用SMR生產“灰氫”的2~5倍。Lovegrove說道，要使人們用得起“綠氫”，需要將它的生產成本降低一半。至少有幾位專家希望這一目標可以在2030年以前實現。盡管其總成本較高，但如今氫能列車在由柴油列車占據主導地位的鐵路線上行使的商業案例越來越引人注目；因為建造高架電氣化線路的技術難度大、成本高，而且這種鐵路線路過長或地勢過于陡峭，所以由電池供電的發動機不能滿足要求。

2016年，阿爾斯通公司對一個柴油發動機的設計進行了調整，制造了第一輛Coradia iLints列車。這輛列車的電力發動機由氫燃料電池（通過列車頂部儲存的氫氣與空氣中的氧氣結合）供電。車載電池還可通過捕捉剎車過程中產生的電力來供電。這輛列車的續航里程為1000 km，最高時速可達140 km，同時運載150名坐著的乘客和150名站著的乘客。電力發動機幾乎沒有噪聲。Lovegrove說道：“我坐過一次，它安靜到甚至可以讓你聽到自己思考的聲音。”

為給氫能列車建造加氫設施，阿爾斯通公司與包括位于德國的Linde（愛爾蘭都柏林）和波蘭的PKN Orlen在內的石油和天然氣公司合作。正常情況下，Coradia iLints每加一次氫氣可行駛18 h。同時，阿爾斯通公司還與Hynamics公司（法國巴黎）和Deutsche Bahn公司（德國柏林）合作建造移動加氫站。加氫站15 min內就可為列車加好氫，與加柴油所需的時間相近，而給電池充電卻需花費3~4 h。

雖然阿爾斯通公司是該領域的先驅，但也有其他公司宣布計劃開發具有競爭力的氫能列車。西班牙鐵道車輛制造商CAF公司（圣塞瓦斯蒂安）、德國西門子公司（慕尼黑）以及英國的HydroFLEX項目[伯明翰大學鐵路研究與教育中心和Porterbrook公司（德比）共同發起的一個合作項目]都在著力開發氫能列車新技術。針對目前在美國進行的唯一一個氫能列車項目，瑞士Stadler公司正在為加利福尼亞州圣貝納迪諾的一條線路設計一輛氫能列車。中國、日本及澳大利亞的氫能列車研發工作也不斷取得新突破。

短期內可能無法在加拿大多倫多看到客運氫能列車。由于氫燃料生產、運輸以及儲存方面存在的不確定性問題，多倫多最近暫停了可能成為迄今為止世界上最大規模的一個氫能列車項目，該項目計劃以氫燃料取代柴油來供電。

但加拿大的其他氫能列車項目還在繼續進行。Ballard Power Systems公司（加拿大哥倫比亞本拿比）與中國中車（CRRC）青島四方機車車輛股份有限公司合作開發有軌氫能列車，他們開發的列車目前在中國唐山市和佛山市運行（圖2）。Ballard Power Systems公司還為加拿大太平洋鐵路公司的氫燃料貨運機車項目提供了14個燃料電池模塊，每個模塊的輸出功率為200 kW，這些模塊將通過氫燃料電池為三輛柴油列車提供動力。這三輛列車最早于2022年開始試運行。另外，該公司與西門子公司的合作旨在開發新一代氫能列車，名為Mireo Plus H（圖3），開發的列車將于2023年在巴伐利亞開始試運行。Ballard Power Systems公司還將為德國馬德里供應商Patentes Talgo計劃在西班牙運行的列車提供燃料電池。

圖2. 加拿大Ballard Power Systems公司與中國中車（CRRC）青島四方機車車輛股份有限公司合作開發的有軌氫能列車目前正在中國唐山市和佛山市運行。來源：Wikimedia Commons（CC BY-SA 4.0）。

圖3. 西門子公司的Mireo Plus H氫能列車將于2023年年底前在巴伐利亞開始試運行。來源：Siemens (public domain)。

與Ballard Power Systems公司在中國、加拿大和歐洲的項目一樣，大多數正在開發的氫能列車項目都同時涉及對設備進行全新設計，以及將以柴油和電力提供動力的列車改造成以氫燃料提供動力。Ballard Power Systems公司的技術總監Cara Startek說道：“目前，我們的關注點在于原始設備和改造設備，定做的列車獲得認證所需的時間非常長，因此，最理想的方法是針對現有列車制定具有針對性的解決方案。”

Lovegrove也認為：“能夠改造有30~50年車齡的列車，是一件激動人心的事情。任意一個機車平臺都非常重，大約是150 t金屬的重量，改造過程中不會對平臺的位置做任何改動。你可以對現有的發動機外殼進行改造，只需花費幾個月時間和100萬美元，就可以得到一輛能再行駛50年的列車。”

盡管新項目不斷涌現，但氫能列車采用的基礎技術與幾十年前列車采用的技術大體相同。Startek說道：“燃料電池技術方面取得的成就有限，但在燃料電池工程設計方面卻取得了很多成就。我們致力于了解軌道獨特的安全系統以及沖擊和振動要求，并將其整合到燃料電池系統設計和運行策略中。”

然而，近期的一些創新有助于提升氫能列車的吸引力。例如，英國工程師設計出一種輕型燃料電池轉換器。這種轉換器的工作方式是通過半導體以可控的方式將能源從燃料電池中提取出來，然后將其輸送至列車發動機。這一過程需要將兩臺獨立的轉換器升級整合成為一臺可以提高列車行駛里程的輕型轉換器。在氫能的生產及傳輸方面也存在可為所有氫能車輛帶來更為廣闊的商業發展前景的創新空間。最近一些令人感興趣的進展包括：日本將太陽能轉化為氫能，效率可提高100倍；美國建造了可以放置在現有天然氣配送系統旁的小型、廉價加氫站，這些加氫站所用的氫氣是利用天然氣制造出來的。

制造商也在尋求通過其他方式進一步減少氫能列車對環境的影響。Startek說道：“我們正在翻新燃料電池，回收95%的鉑，重復使用電池板。我們希望通過擴大這種策略的應用范圍，提升產品的可持續性。”

注：本文內容呈現略有調整，若需可查看原文。摘抄中國工程院院刊

改編原文：

Chris Palmer.Hydrogen-Powered Trains Start to Roll[J].Engineering,2022,11(4):9-11.

氫燃料電池爐 株洲金瑞