作者:李奇 来源: 发布时间:2021-6-1 16:34:40
“中国智造”开启轨道交通“氢时代”

   氢能具有绿色、高效、可持续的优点,被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。以此为基础发展起来的氢能轨道交通具有十分广阔的发展前景,已经成为新能源轨道车辆的发展趋势。

 

潜能无限

 

   目前,世界各国高度重视氢能和燃料电池发展,美国、日本、德国等发达国家已将其上升为国家能源发展战略,我国也将氢能纳入国家能源范畴。

   一方面,燃料电池是氢能利用的最有效手段,已成为世界各国能源绿色发展的关键。燃料电池利用氢气和空气通过电化学反应发电,能量转换效率高,其产物只有水,无环境污染。尤其是质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低、响应速度快、积木性强等突出优点,已成为新能源交通应用的研究热点。

   另一方面,大力发展地铁、轻轨、有轨电车以及市域动车组等城市轨道交通成为推动城市化进程、改善城市交通现状关键所在。然而,作为能耗大户,轨道交通同样带来了能源消耗和环境污染等问题。比如,铁路还有大量检修车、调车、工程作业车等轨道车辆仍采用柴油内燃牵引机车,存在噪音大、废气排放污染等问题,尤其在隧道内进行作业时,空气污染情况更严重,影响作业人员的健康,也急需清洁能源化。

   而采用氢燃料电池动力系统具有显著优势:氢燃料电池有轨电车、城市轻轨、市际动车组等新型供电制式轨道车辆,具有清洁环保、续航里程长、建设周期短、不依赖于复杂的地面供电系统和弓网系统等优点,是促进我国轨道交通可持续发展的重要途径。

 

竞赛高地

 

   氢燃料电池技术在轨道交通领域的应用研究已经显示出了极强的技术优势和产业竞争力,国际上,美国、俄罗斯、德国、日本等均布局了氢能轨道交通相关项目,目前主要聚焦于调车机车以及城轨车辆两个应用方向。

   在调车机车方向,2002年,美国Vehicle Projects公司开发了世界上第一辆功率为17千瓦的纯燃料电池矿用拖运机车,并与伯灵顿北方圣达菲铁路公司(BNSF)合作研发了第一代燃料电池混合动力站场调车。2009年,俄罗斯列车科学研究院研制了一辆基于碱性燃料电池的维修机车,主要用于隧道施工、检修等工作。

   在城轨车辆方面,东日本铁路公司于2005年成功研制一辆100千瓦燃料电池驱动轻轨车。2016年,法国阿尔斯通基于柴油列车Coradia Lint 54研发成功氢能列车Coradia iLint,时速140公里/ 每小时,单次加氢续航600~800公里,2018年在德国正式投入商业运营。不久前,东日本铁路公司、日立公司、丰田汽车决定联合开发配备氢燃料电池和蓄电池供电的混合动力系统列车,旨在通过相互合作开发测试车辆,进一步提高铁路交通的环境友好优势,实现可持续发展。

 

“交大智造”启新篇

 

   目前,就国内来说,氢能轨道交通在佛山、湖北、成都等地均有相关项目。其中,以西南交通大学、中国中车为代表的高校、科研机构与企业已经积累了较多的优秀成果。

   自2008年起,西南交大就于国内率先开始氢燃料电池在轨道交通中的应用研究,开拓了氢能轨道交通研究方向。2013年,西南交大研究团队成功研制国内首辆燃料电池调车机车“蓝天号”,其采用150千瓦燃料电池作为牵引动力,设计时速每小时65公里、持续牵引力为20千牛、牵引重量200吨,装满氢气可轻载连续运行24小时。2016年,西南交大联合中车唐山公司,研制成功世界首列燃料电池混合动力有轨电车并实现世界首次载客示范运行。

   就在2021年初,西南交大团队与中车大同联合研制的我国首台氢燃料电池混合动力机车,在中车大同电力机车有限公司成功下线。该车采用团队研发的轨道交通大功率燃料电池发电系统,这也是燃料电池金属电堆在轨道交通领域的首次应用。团队突破了轨道交通用大功率PEMFC混合动力系统协调稳定控制、服役性能优化、能效提升、故障诊断等系列世界难题,形成了具有自主知识产权的理论成果与核心技术,打破了世界发达国家在氢能轨道交通领域的技术垄断。

   随着我国城镇化建设的推进,城市轨道交通以及市域市郊铁路呈现了快速的发展形势,氢燃料电池城市有轨电车、市域铁路、山地旅游轨道车、站场调车等轨道交通车辆具有广泛的适用性和巨大的推广应用前景,具有显著的经济效益和社会效益。我们也希望通过不断的深耕,将我国氢能轨道交通的核心技术带到更为广阔的市场,展现“交大智造”的风采!

(作者系西南交通大学教授、国家轨道交通电气化与自动化工程技术研究中心副主任)

 

《科学新闻》 (科学新闻2021年4月刊 教育)
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