国家高速列车青岛技术创新中心刘韶庆：轨道交通氢能源技术发展与思考

       2023世界氢能技术大会于2023年5月22-26日在佛山南海举办。本届大会由中国科学技术协会、中国机械工业联合会和国际氢能协会共同主办，以“氢能与双碳战略：从现在到未来”为主题，聚焦双碳战略下全球氢能领域的最新产品、技术及装备，以及氢能在交通、能源、化工、冶金及建筑等领域的应用。

以“ 氢启南海 · 驶向未来 ”为主题的氢能交通论坛是本次大会重要的产业论坛。论坛以交通行业应用为主线，聚焦于氢能在道路车辆、轨道交通、航空器( 无人机)、燃料电池船舶四大领域应用，前瞻未来十年蓝图，共同探讨氢能及燃料电池产业政策导向、关键技术创新新动向、产业发展路径以及在不同载运工具上的应用新进展。                                               

本次氢能交通论坛包括一个主论坛——氢未来•氢交通；两个分论坛——氢交通•新应用、氢交通•新技术，涵盖产业链的热点及痛点议题。在5月24日上午举行的2023WHTC氢交通·新应用分论坛上，国家高速列车青岛技术创新中心副主任刘韶庆应邀作了“轨道交通用氢能源技术发展与思考”的主题分享。以下为发言全文。

国家高速列车青岛技术创新中心副主任 刘韶庆：

各位专家，大家上午好！

我是来自国家高速列车青岛技术创新中心的刘韶庆。今天交流的题目是《轨道交通氢能源技术的发展和思考》，主要对轨道交通应用需求的领域交流氢能源技术发展情况进行介绍。

首先，轨道交通装备在大家印象当中，它是以电力驱动为主。从未来达成双碳目标来讲，氢能源在轨道交通的应用仍然有必要的需求。

目前在交通领域方面，像成都、佛山、张家口、青岛等地的十四五规划中，都明确提出要把有轨电车、城际交通纳入到氢能源应用范围里面。

从行业来说，目前国内铁路除了郑州局、兰州局、成都局之外，基本上所有的路局都是电气化运营，大概有7万公里非电气化铁路，采用内燃机车运营。在欧洲国家的非电气化铁路上，内燃机运营的列车大概是16000多辆，近十年内面临着更新换代的需求。如果我们以5000辆列车的改造规模进行计算，采用氢燃料电池装机量可以达到1万兆瓦总量，市场预期规模有1000亿元需求。

分析氢能在轨道交通的应用优势，特别是在城市交通的有轨电车上，现在采用的是铺设电网、专有供电的方式。轨道交通设备如果采用氢能替代，将会大幅度提升运行的经济性和环境友好性，特别对跨线路以及城市选线会提供非常多的便利。   

其次谈下轨道交通氢能源应用情况。

2015年，中车青岛四方股份在国内首先下线了三编组的氢燃料有轨电车，目前在佛山市高明区运营。紧随其后，2016年，在中山、唐山，配有阿尔斯通燃料电池的有轨电车和城际电车开始运营。这里需要说明一下，中车的燃料电池都是采用巴拉德公司的，阿尔斯通的燃料电池采用的是加拿大电堆。2021年，中车等公司在国内快速推出吊车机车以及轨道电车，所用的燃料电池是丰田和融创公司集成的。2022年，西门子也出了160公里的纯电动车，中株和长客分别推出运营时速100公里、160公里吊车机车。从这几个轨道车辆看，自2015年首列氢燃料电池车推出，到2021年、2022年出现产品谱系、型号不断丰富的燃料电池车辆的应用，车辆的运行速度由最早的70公里到现在的140、160公里；使用的燃料电堆原来主要依靠进口，目前国产比例大幅度提升。总的来说，在中低速的轨道交通设备领域，国内氢能应用的技术在不断走向成熟化。

从轨道交通示范线应用情况看，阿尔斯通推出的时速160公里的车辆，是在德国75英里的既有线路上进行试运行，到目前运行一年半，试运营里程20万公里。在国内，中车青岛四方股份第一列国内氢能源有轨电车下线以后，实现了五列车在高明线路上进行运营。这个线路规划17公里，到现在为止车辆已经运营三年40万公里，氢的总消化量超过80吨。这两个线路的运营，为氢燃料系统在轨道交通的推广应用带来很大的示范效应。目前，上海和其他地区的多个城市纷纷寻求上马氢能源轨道装备运输的项目。

目前以中车为代表的主机企业在研发设计领域，围绕着城轨、高铁等运输设备氢能应用的需求，已经构建设计平台，涵盖基本的建议计算、整个系统的参数设计，包括仿真实验、甚至是分析，形成完备的设计能力。在研究方面，也围绕着整机需求，依托国创中心，构建新能源实验中心，基本涵盖了全体系试验能力，包括单个燃料电池单体模块和系统的验证功能以及一些基本测试，以及以及氢燃料混动系统的试验能力，可以很好地支撑轨道装备氢燃料动力系统的研发和验证。

我们构建了一个包括16家子公司参与的氢能协同创新团队，主要针对城轨电车、城际车、吊车机车、干线机车、工程机械这五大平台开展谱系化的产品研制和开发，并且我们的氢能有轨电车动力系统得到TUV、德国EC、中汽研的安全评估认证。特别是佛山高明有轨电车获得国际氢能学会颁发的“威廉·格罗夫爵士”奖，这是目前国内企业唯一获得的轨道交通产品大奖。

对于轨道交通氢能源应用的思考和面临的挑战。

轨道交通由于运行里程、载重量、速度、功率需求和汽车不太相同，有着自己独特的运行工况。在氢燃料系统的应用方面，还面临着动力总成设计、能量管理、加储氢以及安全技术等几个方面的挑战。

第一是关于大功率的一个挑战，就是总成设计。轨道车辆对运营速度和功率提升的需求，呈现出一个线性增加的状态，从而带来氢燃料电池体积重量不断增加的结果。在这种情况下，轨道车辆由于安装空间、整车承载能力都是受限的，需要在总成设计上寻求一些解决方案。目前我们针对中低速和中低运量的车辆，可以通过电堆散热集成设计、碳化硅高效器技术的运用、大容量高压储蓄瓶的使用，解决这些需求问题。未来，随着像高速列车、干线车辆以及大功率机车的逐渐应用，我们还需要开发更大功率的电堆，包括更大电密度的单体电堆；同时在储氢的基础设施上还要有所突破，满足大功率和续航的需求。

针对大功率总成，还有一个燃料电池寿命匹配的问题。轨道装备的使用寿命在25-30年期间；而现有电池使用寿命，比如有轨电车是2.5万小时，实际上只能满足3-5年的设计寿命需求。如何在这种情况下更好地适配电池？目前我们是在控制策略，包括多电堆性能一致性控制方面发力，从部件和材料角度，要研发出长寿命的电堆和长寿命的POP系统。

在混合动力能量管理方面，轨道车辆不同的平台对能量的匹配要求是不一样的。未来如果实现多套电堆应用的情况，还需要进一步解决集群能量管理，包括具备容错功能的控制技术。此外，高速列车续航里程要1400公里，中间不具备加氢条件，大容量的加氢储氢能力怎么解决？满足列车长空间的强大容器的研发，以及新型储氢技术的应用可以解决目前的困扰。

在快速加氢方面，以城际车为例，一天是50公里的运行线路，消耗接近2吨的氢能，它的储氢量是300公斤。如何在30分钟折返过程当中快速实现加氢，也是面临的一个挑战。

在应用场景用氢安全方面，轨道交通面临很多隧道运行的特殊条件。短期隧道有一些控制技术；如果是长隧道，这种情况下如何实现尾氢的排放消除和安全？常温常压的安全储氢还是面临着一些应用挑战。最后在标准支撑方面，以中车系为例，已经完成设计、试验相关的安全标准，下一步如何与行业标准同步推广，还需要整个行业的协同。

围绕轨道装备产业的氢能发展，我们认为，中小功率的氢动力应用技术已经成熟；而面向未来的大功率氢动力系统的技术工程化还有待提升，需要全行业上下游共同协同。另外，涉及到氢动力系统全生命周期的经济性，除了扩大整机（车）用市场规模外，上下游要共同努力，实现低成本的氢能产品制造全过程，满足整个应用的需求。

以上是我的交流情况，谢谢大家！

（卓众商用车根据大会速记整理编发，未经本人审阅）

来源：卓众商用车