聚焦四川科學技術獎⑤｜他們把氫燃料電池裝在列車上，未來力爭走向海外

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四川線上記者 唐澤文/文 李強/影片

3月29日，西南交通大學電氣工程學院2樓辦公室內，院長陳維榮與幾位同事正在探討提升氫燃料電池列車速度的方案。

幾天前，他的團隊專案“大功率氫能動力軌道機車關鍵技術與應用”，拿到了四川省科學技術進步獎一等獎。

“很興奮，這是對我們工作極大的肯定，現在想做的就是進一步最佳化，爭取研發出時速140公里以上的氫能列車方案，填補國際空白。”陳維榮說。

以中國工程院院士羅安為組長的評價小組對這項科技成果評價結論為“整體技術達到國際領先水平”。“不是某個環節的技術，而是整體技術，這挺不容易的。”陳維榮說。

目前，這支團隊共有10餘個氫燃料電池軌道交通應用專案在全國落地。“雙碳”背景下，這支四川走出的本土團隊，有望將氫燃料電池安裝到全國乃至全球的列車。

難

電堆系統管理難，研發過程中燒壞了幾十臺裝置

“氫燃料電池最佳應用場景並不是家用轎車，而是線路相對固定的軌道交通系統。”早在2008年，陳維榮就作出了這樣的判斷。

為什麼軌道交通更合適？

軌道交通和乘用車不同，在運輸途徑看，更多是點對點的固定線路，這就讓氫氣的運輸和儲存途徑變得很簡單。“目前看，要像乘用車加油站那樣佈局加氫站，還是比較困難的。”他說。

另一個優勢是成本——以當下的技術看，氫能源軌道交通專案的一次性投入和長期運營成本，比傳統的軌道交通電氣化方案都要低10%左右。“也就是說，即便沒有國家補貼，純走市場化開拓，經濟賬也划算。”

不過，要把氫燃料電池裝進列車裡，並不是一件容易的事兒。

最大障礙是功率問題。

以往氫燃料電池的設計方案是以乘用車為原型，功率往往數十千瓦，即便是大巴或者重卡，也不會超過100千瓦。而這樣的功率，一個電堆就能夠滿足。

但放在軌道交通上，動輒數百千瓦的功率需求，使得動力系統方案必須透過多個電堆協同工作才能完成。“難點就在這裡。”陳維榮說。

與鋰電池不同，氫燃料電池氫氣和氧氣的電化學反應，使得供電過程會產生滯後效應。而這一滯後就讓多電堆的協同工作變得十分困難。如果沒有一個完善精準的協同方案，不僅電堆效能會受到制約，還會對裝置整體的穩定性造成影響。

“這期間付出了很大的代價，光是裝置就燒壞幾十臺。”陳維榮介紹，僅僅是為了攻破這一項技術，團隊就用了近3年時間。

辛苦之後，成果也很明顯：電堆不僅能夠穩定執行，其能耗效率也更高。國家認證的第三方檢測機構給出的結果顯示，他們的技術使用效率能達到64。47%，能耗比行業平均水平低三成。

廣

研發、轉化兩不誤 角逐千億市場

除了這套電堆協同管理系統外，陳維榮團隊還開發了全新的氫能軌道機車研發-設計-製造平臺。“使用氫能的軌道機車需要全新設計，而不是套用老的模具，這樣才能有最好的效果。”

陳維榮的這套技術，已經在佛山、青島、唐山等城市落地了十餘個試點專案，整體的產業化程序正在加快。

“市場空間是巨大的。”他介紹，最新統計資料顯示，全國鐵路營業里程14。63萬公里，列車擁有量為2。1萬臺。其中，內燃機車7600餘臺，佔比超1/3。再加上觀光列車、有軌電車、城市動車組等應用場景，這其中適合氫能改造的市場空間，僅國內看都超過1000億美元規模。

國際市場看，英國、德國等歐洲國家就要求，2035年將既有內燃機車全部替換為氫能機車。“歐洲市場規模就將超過5000億美元。”

不僅如此，儲氫、運氫、氫燃料電池零部件製造等產業鏈相關領域，也將因此帶來更大的市場機遇。

怎麼把握住這個機遇？

“研發和轉化需要兩不誤。”陳維榮說。

目前西南交大成立了專門的公司，負責這個團隊研發專案的成果落地轉化。公司已有100餘項專利，涉及到氫能軌道交通機車研發生產的各個環節。當下，全國落地的10餘個專案，均有公司進行專業化運營。

研發上，該團隊擁有成員140餘人，其中絕大部分是研發人員。“現在正在做的就是研發出時速達到140—160公里的軌道交通機車，這款機車將成為市域交通的重要組成部分，為全國乃至全球的軌道交通專案提供更低碳、高效、低成本的服務。”

此外，氫燃料電池大型船舶也是他們下一步重點攻克的目標。

大型郵輪的動力系統需要20個電堆進行協同工作，目前陳維榮團隊已完成這一方案的理論設計。“隨著技術的不斷成熟，協同工作的電堆數量也會不斷提升，更多領域的應用將成為可能。我們希望憑藉自身技術，在國際市場中斬獲更多成果。”陳維榮說。

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今後很多車的“尾氣”可能就是水

“今後可能大家看到的很多車都不‘冒煙’了。”說到氫燃料電池給人們生活帶來的變化，陳維榮這樣說。

與傳動燃油車最大的不同，氫燃料電池加入的是氫氣，排出的是水，不需要尾氣處理。而這些變化可能將最早出現在公交車、灑水車、掃地車等線路固定的市政職能車輛上。

氫能車輛安全嗎？“很安全。”他說，氫氣的儲存和運輸方案，跟現在的CNG不會有太大差別，當氫能普及到一定規模之後，也會像天然氣一樣，成為重要的能源產品。

【來源：四川線上】

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