氫能具有綠色、高效、可持續(xù)的優(yōu)點，被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉�。以此為基礎(chǔ)發(fā)展起來的氫能軌道交通具有十分廣闊的發(fā)展前景，已經(jīng)成為新能源軌道車輛的發(fā)展趨勢。
潛能無限
目前，世界各國高度重視氫能和燃料電池發(fā)展，美國、日本、德國等發(fā)達國家已將其上升為國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，我國也將氫能納入國家能源范疇。
一方面，燃料電池是氫能利用的最有效手段，已成為世界各國能源綠色發(fā)展的關(guān)鍵。燃料電池利用氫氣和空氣通過電化學反應發(fā)電，能量轉(zhuǎn)換效率高，其產(chǎn)物只有水，無環(huán)境污染。尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具有工作溫度低、響應速度快、積木性強等突出優(yōu)點，已成為新能源交通應用的研究熱點。
另一方面，大力發(fā)展地鐵、輕軌、有軌電車以及市域動車組等城市軌道交通成為推動城市化進程、改善城市交通現(xiàn)狀關(guān)鍵所在。然而，作為能耗大戶，軌道交通同樣帶來了能源消耗和環(huán)境污染等問題。比如，鐵路還有大量檢修車、調(diào)車、工程作業(yè)車等軌道車輛仍采用柴油內(nèi)燃牽引機車，存在噪音大、廢氣排放污染等問題，尤其在隧道內(nèi)進行作業(yè)時，空氣污染情況更嚴重，影響作業(yè)人員的健康，也急需清潔能源化。
而采用氫燃料電池動力系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢：氫燃料電池有軌電車、城市輕軌、市際動車組等新型供電制式軌道車輛，具有清潔環(huán)保、續(xù)航里程長、建設(shè)周期短、不依賴于復雜的地面供電系統(tǒng)和弓網(wǎng)系統(tǒng)等優(yōu)點，是促進我國軌道交通可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。
競賽高地
氫燃料電池技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應用研究已經(jīng)顯示出了極強的技術(shù)優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)競爭力，國際上，美國、俄羅斯、德國、日本等均布局了氫能軌道交通相關(guān)項目，目前主要聚焦于調(diào)車機車以及城軌車輛兩個應用方向。
在調(diào)車機車方向，2002年，美國Vehicle Projects公司開發(fā)了世界上第一輛功率為17千瓦的純?nèi)剂想姵氐V用拖運機車，并與伯靈頓北方圣達菲鐵路公司（BNSF）合作研發(fā)了第一代燃料電池混合動力站場調(diào)車。2009年，俄羅斯列車科學研究院研制了一輛基于堿性燃料電池的維修機車，主要用于隧道施工、檢修等工作。
在城軌車輛方面，東日本鐵路公司于2005年成功研制一輛100千瓦燃料電池驅(qū)動輕軌車。2016年，法國阿爾斯通基于柴油列車Coradia Lint 54研發(fā)成功氫能列車Coradia iLint，時速140公里/ 每小時，單次加氫續(xù)航600～800公里，2018年在德國正式投入商業(yè)運營。不久前，東日本鐵路公司、日立公司、豐田汽車決定聯(lián)合開發(fā)配備氫燃料電池和蓄電池供電的混合動力系統(tǒng)列車，旨在通過相互合作開發(fā)測試車輛，進一步提高鐵路交通的環(huán)境友好優(yōu)勢，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
“交大智造”啟新篇
目前，就國內(nèi)來說，氫能軌道交通在佛山、湖北、成都等地均有相關(guān)項目。其中，以西南交通大學、中國中車為代表的高校、科研機構(gòu)與企業(yè)已經(jīng)積累了較多的優(yōu)秀成果。
自2008年起，西南交大就于國內(nèi)率先開始氫燃料電池在軌道交通中的應用研究,開拓了氫能軌道交通研究方向。2013年，西南交大研究團隊成功研制國內(nèi)首輛燃料電池調(diào)車機車“藍天號”，其采用150千瓦燃料電池作為牽引動力，設(shè)計時速每小時65公里、持續(xù)牽引力為20千牛、牽引重量200噸，裝滿氫氣可輕載連續(xù)運行24小時。2016年，西南交大聯(lián)合中車唐山公司，研制成功世界首列燃料電池混合動力有軌電車并實現(xiàn)世界首次載客示范運行。
就在2021年初，西南交大團隊與中車大同聯(lián)合研制的我國首臺氫燃料電池混合動力機車，在中車大同電力機車有限公司成功下線。該車采用團隊研發(fā)的軌道交通大功率燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，這也是燃料電池金屬電堆在軌道交通領(lǐng)域的首次應用。團隊突破了軌道交通用大功率PEMFC混合動力系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制、服役性能優(yōu)化、能效提升、故障診斷等系列世界難題，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的理論成果與核心技術(shù)，打破了世界發(fā)達國家在氫能軌道交通領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。
隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進，城市軌道交通以及市域市郊鐵路呈現(xiàn)了快速的發(fā)展形勢，氫燃料電池城市有軌電車、市域鐵路、山地旅游軌道車、站場調(diào)車等軌道交通車輛具有廣泛的適用性和巨大的推廣應用前景，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。我們也希望通過不斷的深耕，將我國氫能軌道交通的核心技術(shù)帶到更為廣闊的市場，展現(xiàn)“交大智造”的風采�！�
（作者系西南交通大學教授、國家軌道交通電氣化與自動化工程技術(shù)研究中心副主任）
《科學新聞》 (科學新聞2021年4月刊 教育)