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為探索氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)成長路徑，構(gòu)建開放共贏的發(fā)展格局，11月29日，HVFC 2023 中國（成都）氫能汽車與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會（以下簡稱“大會”）在四川成都盛大開幕。
俄羅斯工程院外籍院士、西南交通大學(xué)氫能及儲能技術(shù)研究院院長、四川榮創(chuàng)新能動力系統(tǒng)有限公司董事長陳維榮院士出席了大會，并發(fā)表題為《雙碳目標(biāo)下氫能零碳軌道交通發(fā)展趨勢》的演講，向來賓分享了有關(guān)氫能軌道交通的發(fā)展情況與燃料電池在軌道交通應(yīng)用場景下的關(guān)鍵技術(shù)。
陳維榮院士在演講中分享了各國的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，目前氫能已經(jīng)成為20多個國家的能源發(fā)展戰(zhàn)略。
國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035）》明確指出，氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，氫能是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，氫能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。
隨著“雙碳”目標(biāo)的實施，各行各業(yè)都面臨著低碳轉(zhuǎn)型、節(jié)能減排的挑戰(zhàn)。我國目前仍處于軌道交通快速發(fā)展階段，并繼續(xù)保持增長態(tài)勢，其能源消耗和碳減排壓力仍將與日俱增。氫能作為可再生的清潔能源，已成為降低碳排放的有效解決途徑之一。
當(dāng)前我國的內(nèi)燃機(jī)車應(yīng)用情況仍有占比大、作用大、污染大三個特征。
據(jù)《中國國家鐵路集團(tuán)有限公司2022年統(tǒng)計公報》顯示，全國鐵路營業(yè)里程15.5萬公里，機(jī)車擁有量2.21萬臺，電氣化率73.8%。其中，內(nèi)燃機(jī)車7800余臺，占比超1/3（35.5%）。內(nèi)燃機(jī)車仍承擔(dān)著調(diào)車作業(yè)、建設(shè)施工、非電氣化鐵路運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)。
在碳排放方面，國鐵能耗折算標(biāo)準(zhǔn)煤1512.58萬噸， 相當(dāng)于排放CO2 3932.71萬噸。
因此，軌道交通的清潔能源化迫在眉睫，氫能軌道交通是節(jié)能減排的有效途徑之一。
采用氫能為動力的氫能軌道交通，具有清潔、環(huán)保、零碳排放、運(yùn)維簡便、無需供電系統(tǒng)、建設(shè)周期短、站后工作量小、投資省、全壽命周期成本低等特點(diǎn)，陳維榮院士提出，氫能軌道交通適用于非長大干線、不聯(lián)網(wǎng)的專線、支線，以及新建或內(nèi)燃替代的場景，結(jié)合可再生能源制氫，陳維榮院士還提出了“基于光伏/風(fēng)電等可再生能源就地制氫-儲氫加氫-氫能機(jī)車/氫能列車”的零碳?xì)淠苘壍澜煌ㄏ到y(tǒng)。
氫燃料電池系統(tǒng)通過氫氣和氧氣高效的電化學(xué)反應(yīng)，只產(chǎn)生電和水，低碳環(huán)保，發(fā)電效率高。由多個燃料電池系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)組成的大功率多堆燃料電池混合動力系統(tǒng)是氫能軌道交通的核心與關(guān)鍵。
相比于燃料電池汽車使用的單堆燃料電池系統(tǒng)，多堆混動系統(tǒng)具有更高的功率和更大的儲能容量，更加適合軌道交通的應(yīng)用特點(diǎn)。
為達(dá)成更大功率、更高效率、更長續(xù)航里程、更高的體積/質(zhì)量密度、更高可靠性、更長壽命、更低成本的技術(shù)目標(biāo)，陳維榮院士在演講中提到了幾項關(guān)鍵技術(shù)以應(yīng)對挑戰(zhàn)。
燃料電池關(guān)鍵技術(shù)
1。多堆燃料電池混合動力系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法：針對機(jī)車的加速、惰行、制動等不同運(yùn)行模式，以有限狀態(tài)機(jī)為構(gòu)架，基于多模式分層自適應(yīng)控制策略，以解決多種牽引模式下混合動力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)穩(wěn)定問題。
2. 大功率單堆燃料電池系統(tǒng)效率優(yōu)化控制方法：考慮車輛運(yùn)行參數(shù)變化、外部擾動等不確定性因素，以解決“氧饑餓”、“氧飽和”導(dǎo)致的燃料電池系統(tǒng)能耗問題的大功率單堆燃料電池系統(tǒng)效率優(yōu)化控制方法，
3. 單堆暫態(tài)高電位抑制與片間電壓均衡控制方法：基于氫-空界面、暫態(tài)高電位的形成機(jī)理，結(jié)合牽引負(fù)荷-電壓-流量耦合關(guān)系，以解決頻繁啟停機(jī)導(dǎo)致的電堆壽命衰減問題。
4. 多堆燃料電池混合動力系統(tǒng)能量管理方法：有效降低全工況下多堆混動系統(tǒng)的氫氣消耗問題，降低使用成本。
5. 燃料電池混合動力系統(tǒng)多源容量配置優(yōu)化方法：解決全生命周期下系統(tǒng)配置的經(jīng)濟(jì)性問題，降低系統(tǒng)購置成本。
6. 大功率燃料電池系統(tǒng)智能故障診斷與壽命預(yù)測方法：利用實際運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立大功率系統(tǒng)的失效診斷模型，以實現(xiàn)復(fù)雜工況下系統(tǒng)健康狀態(tài)診斷與壽命預(yù)測。
7. 堿性電解水制氫“無鉑”催化劑技術(shù)：解決電極的長久運(yùn)行穩(wěn)定性問題，實現(xiàn)無“鉑”催化。
得益于上述技術(shù)的發(fā)展，陳維榮院士帶領(lǐng)團(tuán)隊研發(fā)出了百kW~MW級系列化氫燃料電池混合動力系統(tǒng)核心產(chǎn)品，大功率燃料電池系統(tǒng)和多堆混動系統(tǒng)的額定功率可達(dá)2MW，峰值功率可達(dá)4MW，系統(tǒng)最高效率可達(dá)64.47%（含DC/DC）。
談到氫能軌道交通的發(fā)展現(xiàn)狀，陳維榮院士還分享了國內(nèi)外燃料電池電動機(jī)車的研發(fā)和應(yīng)用情況。
當(dāng)前國外已經(jīng)開始了氫能軌道交通的工程運(yùn)行，主要應(yīng)用在客運(yùn)列車、調(diào)車機(jī)車、礦用牽引機(jī)車等場景。國內(nèi)也已經(jīng)研制出燃料電池有軌電車并投入商業(yè)運(yùn)營。其中包括國內(nèi)首輛氫燃料電池電動機(jī)車“藍(lán)天號”、世界首列氫燃料電池混合動力有軌電車和氫能源市域動車組等。
氫能軌道交通已成為國家高度重視的前沿與熱點(diǎn)研究。
在雙碳目標(biāo)下，“氫能+軌道交通”成為新制式軌道交通發(fā)展趨勢之一。
國家重點(diǎn)研發(fā)計劃——“交通載運(yùn)裝備與智能交通技術(shù)”重點(diǎn)專項——?dú)淠茯?qū)動時速250km 級高速列車關(guān)鍵技術(shù)，于2023年立項。
國家鐵路集團(tuán)的揭榜掛帥項目“氫能源混合動力機(jī)車應(yīng)用技術(shù)研究”，于2022年立項。
國家鐵路局的“新能源動力和混合動力機(jī)車車輛技術(shù)研究”課題已于2023年立項。
氫能動力系統(tǒng)作為柴油發(fā)動機(jī)替代，已成為軌道交通領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)。氫能軌道交通產(chǎn)業(yè)鏈長，市場容量大，未來將帶動萬億級市場。
通過國家啟動科研項目，發(fā)揮示范引領(lǐng)作用，建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，完善配套加氫基礎(chǔ)設(shè)施和氫能產(chǎn)業(yè)鏈，各整車企業(yè)對待氫能動力系統(tǒng)的態(tài)度也由懷疑逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹С趾透偁帯?/span>
雙碳目標(biāo)為氫能軌道交通帶來了巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
目前國內(nèi)外都在積極推進(jìn)氫能軌道交通的研究和應(yīng)用。法國阿爾斯通、德國西門子、日本豐田等公司都在研發(fā)氫能軌道機(jī)車；英國和德國等歐洲國家計劃在2035年逐步替換現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)車為氫能機(jī)車；馬來西亞已完成38列氫能智軌車的全球招標(biāo)；印度發(fā)布了35列氫能列車的招標(biāo)計劃等，這些都為氫能軌道交通發(fā)展帶來更多機(jī)遇。
北京、唐山、濟(jì)南、佛山、廣州、成都等省市，已制定政策推進(jìn)氫能軌道交通的裝備研究及示范應(yīng)用。
佛山高明建立世界首條氫能有軌電車運(yùn)營示范線，并提出建成全國領(lǐng)先的生產(chǎn)基地。
中國中車、國能集團(tuán)、中國中鐵、京車裝備等國央企也在推動氫能貨運(yùn)機(jī)車及工程作業(yè)車研發(fā)與應(yīng)用。
在機(jī)遇頻繁出現(xiàn)的同時，氫能軌道交通也面臨著極大挑戰(zhàn)。
當(dāng)前，氫能軌道交通在技術(shù)上有著輕量化、小型化、智能化、高安全、大功率、高效率、長壽命、低成本的需求。同時對制氫、加氫、儲氫，尤其是固體儲氫的工程配套設(shè)施提出了更高要求。
在政策層面，需要積極進(jìn)行氫能的制、儲、運(yùn)、加環(huán)節(jié)的政策扶持，以鼓勵企業(yè)入局。另一方面，新制式的氫能軌道交通車輛過軌審批難的問題也亟待解決。
陳院士在演講中著重指出，“燃料電池的系統(tǒng)成本在以每年20%的速度下降，而后續(xù)運(yùn)營和使用環(huán)節(jié)中的降本主要取決于是氫燃料價格的降低。”陳維榮院士同時也在演講中提到：“燃料電池成本降低的關(guān)鍵在于關(guān)鍵零部件和材料上有更多突破。”
