来源:西南交通大学
3月29日，西南交通大学电气工程学院2楼办公室内，院长陈维荣与几位同事正在探讨提升氢燃料电池列车速度的方案。
几天前，他的团队项目“大功率氢能动力轨道机车关键技术与应用”，拿到了四川省科学技术进步奖一等奖。
“很兴奋，这是对我们工作极大的肯定，现在想做的就是进一步优化，争取研发出时速140公里以上的氢能列车方案，填补国际空白。”陈维荣说。
以中国工程院院士罗安为组长的评价小组对这项科技成果评价结论为“整体技术达到国际领先水平”。“不是某个环节的技术，而是整体技术，这挺不容易的。”陈维荣说。
目前，这支团队共有10余个氢燃料电池轨道交通应用项目在全国落地。“双碳”背景下，这支四川走出的本土团队，有望将氢燃料电池安装到全国乃至全球的列车。
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电堆系统管理难，研发过程中烧坏了几十台设备
“氢燃料电池最佳应用场景并不是家用轿车，而是线路相对固定的轨道交通系统。”早在2008年，陈维荣就作出了这样的判断。
为什么轨道交通更合适？
轨道交通和乘用车不同，在运输途径看，更多是点对点的固定线路，这就让氢气的运输和储存途径变得很简单。“目前看，要像乘用车加油站那样布局加氢站，还是比较困难的。”他说。
另一个优势是成本——以当下的技术看，氢能源轨道交通项目的一次性投入和长期运营成本，比传统的轨道交通电气化方案都要低10%左右。“也就是说，即便没有国家补贴，纯走市场化开拓，经济账也划算。”
不过，要把氢燃料电池装进列车里，并不是一件容易的事儿。
最大障碍是功率问题。
以往氢燃料电池的设计方案是以乘用车为原型，功率往往数十千瓦，即便是大巴或者重卡，也不会超过100千瓦。而这样的功率，一个电堆就能够满足。
但放在轨道交通上，动辄数百千瓦的功率需求，使得动力系统方案必须通过多个电堆协同工作才能完成。“难点就在这里。”陈维荣说。
与锂电池不同，氢燃料电池氢气和氧气的电化学反应，使得供电过程会产生滞后效应。而这一滞后就让多电堆的协同工作变得十分困难。如果没有一个完善精准的协同方案，不仅电堆性能会受到制约，还会对装置整体的稳定性造成影响。
“这期间付出了很大的代价，光是设备就烧坏几十台。”陈维荣介绍，仅仅是为了攻破这一项技术，团队就用了近3年时间。
辛苦之后，成果也很明显：电堆不仅能够稳定运行，其能耗效率也更高。国家认证的第三方检测机构给出的结果显示，他们的技术使用效率能达到64.47%，能耗比行业平均水平低三成。
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研发、转化两不误角逐千亿市场
除了这套电堆协同管理系统外，陈维荣团队还开发了全新的氢能轨道机车研发-设计-制造平台。“使用氢能的轨道机车需要全新设计，而不是套用老的模具，这样才能有最好的效果。”
陈维荣的这套技术，已经在佛山、青岛、唐山等城市落地了十余个试点项目，整体的产业化进程正在加快。
“市场空间是巨大的。”他介绍，最新统计数据显示，全国铁路营业里程14.63万公里，列车拥有量为2.1万台。其中，内燃机车7600余台，占比超1/3。再加上观光列车、有轨电车、城市动车组等应用场景，这其中适合氢能改造的市场空间，仅国内看都超过1000亿美元规模。
国际市场看，英国、德国等欧洲国家就要求，2035年将既有内燃机车全部替换为氢能机车。“欧洲市场规模就将超过5000亿美元。”
不仅如此，储氢、运氢、氢燃料电池零部件制造等产业链相关领域，也将因此带来更大的市场机遇。
怎么把握住这个机遇？
“研发和转化需要两不误。”陈维荣说。
目前西南交大成立了专门的公司，负责这个团队研发项目的成果落地转化。公司已有100余项专利，涉及到氢能轨道交通机车研发生产的各个环节。当下，全国落地的10余个项目，均有公司进行专业化运营。
研发上，该团队拥有成员140余人，其中绝大部分是研发人员。“现在正在做的就是研发出时速达到140—160公里的轨道交通机车，这款机车将成为市域交通的重要组成部分，为全国乃至全球的轨道交通项目提供更低碳、高效、低成本的服务。”
此外，氢燃料电池大型船舶也是他们下一步重点攻克的目标。
大型邮轮的动力系统需要20个电堆进行协同工作，目前陈维荣团队已完成这一方案的理论设计。“随着技术的不断成熟，协同工作的电堆数量也会不断提升，更多领域的应用将成为可能。我们希望凭借自身技术，在国际市场中斩获更多成果。”陈维荣说。
作者：川观新闻记者唐泽文
视频:川观新闻记者李强
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