使用氢燃料电池的动车组CoradiaiLint

在尚未电气化或者电气化没有经济意义的线路上，以氢为储能的列车能够实现生态环保的铁路运输。法国阿尔斯通公司制造的氢动力列车 Coradia iLint 是世界上第 1 列氢燃料电池驱动客运列车，于 2016 年在德国柏林国际轨道交通技术展览会上首次亮相。

1 综述

到目前为止，非电气化线路上的区域旅客运输，几乎完全由内燃动车组承担。与其他运输工具相比，内燃机排放的空气污染物——如二氧化碳（CO2）、碳氢化合物（CxHy）、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx），以及颗粒物和噪声会对环境产生不良影响。而电池动力列车尚未达到内燃动车的作业半径。

Coradia iLint 列车提供了零排放、低噪声的替代方案，其作业半径能覆盖区域交通所需的范围。在非电气化线路上，Coradia iLint 列车可以由电能驱动运行，其所用电能由燃料电池中的氢气与空气中的氧气反应而产生。因此，释放到环境中的只有水蒸气、冷凝水以及热量。

氢是具有最高能量密度的能源。氢的能量密度是33 kW · h / kg，明显高于 12 kW · h/kg 的柴油。因此，将氢气作为燃料电池驱动车辆的燃料是铁路运输的理想选择。

为了使运营商尽可能轻松地使用 Coradia iLint，阿尔斯通公司提供了完整的配套服务，包括列车的交付、燃料加注和维护。

2 安全性

根据几十年来的研究成果，氢技术的安全性已经在许多应用中得到了证明。德国氢能与燃料电池协会（DWV）认为，在类似的危险情况下，氢压力容器比汽油油箱更安全。

氢动力车辆的许可受到极其严格的控制，涵盖所有安全方面。

氢无色、无味、无毒，其危险性在于可燃性。然而，氢气罐中没有氧气可供其燃烧。在这一方面，它与柴油燃料箱不同：在柴油燃料箱中，燃油消耗后，空气会进入油箱。此外，氢气罐中也没有诸如电气开关这样的点火源。而且氢气与柴油燃料的不同还在于：氢气比空气轻，当压力容器损坏时会向上逸出。

3 德国联邦铁路局的许可

Coradia iLint 列车由阿尔斯通公司位于德国下萨克森州的萨尔茨吉特工厂负责整体设计，由位于法国塔布和奥尔南的工厂分别负责设计牵引系统和制动器。2017 年3 月，该款列车在萨尔茨吉特成功进行了首次测试，随后在捷克共和国的维林做了进一步的测试。Coradia iLint 现已完成全面调试，电气和气动系统已通过测试，且车辆电池、氢气罐和燃料电池已获得 TÜVSüd（德国认证机构）认证。

2017年11月，下萨克森州立市郊交通公司（LNVG）从阿尔斯通订购了 14 辆 Coradia iLint 列车及其 30 年的能源供应和维护。从 2021 年 12 月起，这些列车将用于库克斯港—不来梅港—布雷梅尔弗尔德—布克斯泰胡德线路上的区域交通。

2018 年 7 月11日，Coradia iLint 获得了德国联邦铁路局（EBA）的许可，用于德国的公共铁路客运。

4 使用试生产车辆进行试运行

获得许可后，2 列试生产列车目前正在易北—威悉河路网上试运行（图 1）。在这里，阿尔斯通公司对它们进行了更加深入的测试，以求在经济性、可靠性和能源需求方面进一步改进氢燃料电池技术。测试中，已经找到了产生噪声的原因，将在正式生产中加以消除。

5 Coradia iLint 概念

Coradia iLint（概念及构造见图 2）由重约 100 t 的Coradia Lint 54 内燃动车组，经过无数次测试发展而来。其含有 2 节构造基本相同的车厢，有 150 个坐席和150 个站席（共 300 个席位），最高速度为 140 km/h，轴式为 B"2" + 2"B"。列车车厢外壳因采用耐腐蚀的高强度不锈钢，所以相比其他材料制成的车厢，更耐腐蚀，使用寿命更长。此外，高强度钢的大量运用使車厢板型更薄，降低了整车重量。而强度不变、重量减轻，意味着碳排放量更低，燃料利用率更高。

这 2 列试生产列车有标准的 3AC 牵引电动机，其外壳和输出轴端部经过调试，可以匹配 B" 轴式的悬挂以及由万向轴和变速箱组成的其他传动系统。此列车比标准内燃驱动列车大约重 6 t。在相同的驱动配置下，该系列列车的驱动功率可达 2×370 kW，制动功率可达2×450 kW；在起动时，能以 0.8 m/s2 的恒定加速度加速至 30 km/h，比内燃驱动列车高出 20% ～ 60%。

氢气罐和燃料电池块安装在车顶，车厢下方安装有 1 台变流器和 1 个锂离子蓄电池组。

氢气在 35 MPa 的压力下储存。使用 1 罐氢气所走的里程与内燃驱动列车的 1 箱柴油相当，约为1 000 km。而由牵引电池驱动的、具有中等尺寸和重量的同等列车，行使里程只有 40 ～ 70 km。当燃料电池块的效率超过50% 时，氢燃料电池驱动列车功率可达 200 kW，这意味着相对于内燃牵引来说，整个系统的功率显著增加。

变流器由 1 台 DC 控制器（将相对较低的燃料电池电压提升到蓄电池电压）和 1 台传统的 DC/3AC 逆变器（用于运行异步牵引电动机）组成。蓄电池组具有 110 kW · h的存储容量，可存储多余的能量并在需要时供电。

6 电力及能源管理系统

阿尔斯通公司已经为 Coradia iLint 的驱动系统开发了智能电力和能源管理系统。使用该系统，再加上具有高能量密度的氢燃料，可以降低燃料的需求量，从而增加使用 1 罐氢气的行驶里程。

燃料电池能够在需要时供电并为蓄电池充电，具体表现如下。

（1）停车时，蓄电池为辅助电路变流器供电。

（2）加速时，燃料电池承担基本负荷，蓄电池在功率达到峰值时辅助供电。

（3）常速运行时，蓄电池提供牵引电动机和车载系统所需的电能。

（4）减速时，驱动系统将车辆的运动能量转换为电能，并为车载系统供电。在此阶段，列车的电能大体上可以自给自足，多余的制动能量会存入蓄电池。

由此可看出，Coradia iLint 的燃料电池在智能电力和能源管理系统的控制下，仅在列车加速时才工作，在制动时即关闭。由于对燃料电池提供的能量以及制动时回收的能量进行了智能管理，存储了能量，以及提高了能量转换效率，因此，Coradia iLint 在行驶过程中所需的能源比相应的内燃驱动列车少。在目前的试运行线路中，试生产列车的氢气需求量被确定在 0.2 ～ 0.3 kg/km 。

7 环境影响

与内燃动车组相比，Coradia iLint 的氢技术可将二氧化碳排放量减少 700 t/年。这相当于 400 辆传统汽车 1 年的排放量。

而且噪声也明显降低，这一点与电动车辆相同。无论是在停车状态，还是以 140 km/h 的速度行驶时，Coradia iLint 的声音都不及同类内燃驱动列车的一半。此外，Coradia iLint 采用低地板式车厢，不仅能方便旅客进出，而且使列车产生很小的声音，可有效减少对当地社区的噪声干扰。

8 氢能源的物流

安全可靠的能源供应是成功应用燃料电池驱动列车的先决条件。为此，必须提供和运营 1 套完整的氢能源基础设施。

目前，位于德国布雷梅尔弗尔德的移动加氢站可为上述 2 列试生产 Coradia iLint 列车加注压缩气态氢气。气态氢气被泵入位于列车顶部的氢气罐中，该氢气罐将为燃料电池提供补给。最近，德国已经制定了在车辆中压缩（在 35 MPa 的压力下）储存气态氢的技术标准。

技术巨头林德集团（Linde Group）是世界领先的气体和工程公司之一，将在德国布雷梅尔弗尔德为第 1 批正式生产的 Coradia iLint 列车建造和运营世界上第 1 个铁路车辆固定加氢站，预计在 2021 年落成。目前，列车使用的“灰色氢”（生产此类氢气时伴有一定程度的 CO2 排放）是工业化学过程的副产物，但阿尔斯通公司计划，在不久的将来，通过使用风能电解来生产“绿色氢”（用不产生 CO2 排放的自然能源以及核能制造的氢）。氢是可再生能源的理想储存介质。

9 经济性

燃料电池驱动列车比内燃驱动列车的售价贵。然而，在不到 10 年的时间内，隨着化石燃料价格的预期增长，总运营成本的差异会逆转，将在随后的 20 年中形成明显的差距。在列车预估 30 年使用寿命的前 10 年内，可以达到盈亏平衡点，并且在整个 30 年内投资都会得到回报。此外，燃料电池块的使用寿命与柴油发动机相当。

10 展望

如今，氢作为新兴能源崭露头角，在绿色清洁、提高能源利用效率等方面优势越发明显。氢燃料发动机被视为未来的发展方向。Coradia iLint 氢燃料电池驱动列车使用氢燃料电池技术，通过氢与氧的直接化学反应发电，突破了燃料电池/超级电容混合动力牵引和控制等一系列关键技术，完全取消了受电弓和接触网，填补了该领域空白，实现了污染物“零排放”和全程“无网”运行。阿尔斯通公司坚信，Coradia iLint 必将在业内掀起一场氢动力列车的新变革。

参考文献

[1] Alstom. Coradia iLint-Triebzug mit Energie aus Brennstoffzellen[J]. Elektrische Bahnen，2018（10）.

苏靖棋 编译

收稿日期 2019-02-01

推荐访问:车组 燃料电池 CoradiaiLint