老司机丨​氢能源列车技术初探

老司机

 

在吹IP的作者团队中，有这样一群小伙伴，他们爱汽车、懂高铁，时刻关注技术动态发展，热衷探究技术创新和知识产权的关系，他们是IP圈里专注交通领域的老司机。

在吹IP，他们将会与大家分享交通领域的黑科技，说说地上跑的、天上飞的，新能源汽车、高铁、智能驾驶……他们有数不尽的话题想和大家聊，还会用他们的专长来剖析时下热点问题。

目前，人们所知的燃料中能量密度最高的就是氢气，同时还具备绿色、环保、无污染和可持续的优点，因此，世界多个国家在研究将氢气这一能源应用于工业、产业等领域，以实现不依赖化石燃料的二次能源开发再利用。氢能源列车正是这一大趋势下的产物之一。

图1 唐车氢燃料电池/超级电容有轨电车图

我国是世界首列氢燃料电池混合动力有轨电车投入运营的国家。2017年10月，由西南交通大学和中车唐山机车车辆有限公司共同承担的“燃料电池/超级电容混合动力100%低地板有轨电车研制”项目取得重大成果，研制出具有自主知识产权的世界首列氢燃料电池/超级电容有轨电车，并在唐胥铁路载客运营。

图2 德国运行的氢能源列车图

2018年9月，阿尔斯通（Alstom）生产的全球首两列氢能源列车在德国首次投入服务。该列车时速可达140千米，列车通过移动加氢站加油，每次充电后续航时间达1000公里，并且在行驶过程中几乎没有噪音。该列车的氢气存于车顶，主要用于发电；驱动车辆依靠锂电池组，其燃料电池动力系统是增程式的动力系统。2019年5月，德国又向阿尔斯通（Alstom）采购了27辆氢能源列车，这些列车将于2022年至2023年全部交付完毕。

图3 英国首列氢能源列车图

2019年6月，英国首列氢能源列车（Hydroflex）在西米德兰兹郡（WestMidlands）的活动中展出，它是由伦敦的铁路车辆租赁公司波特布鲁克（Porterbrook）与伯明翰大学(UoB)合作开发的氢能源列车，最高时速达每小时120公里。目前，Hydroflex列车是试验性列车，氢气罐、燃料电池和储能电池安装在乘客乘坐的车厢内，在未来的商业运营中，这些设备将调整安装位置，安装在列车的上方和下方。Hydroflex列车采用双动力模式，可以由氢燃料电池供电，也可以通过架空接触网供电。

图4 日本氢能列车图

2019年9月，日本铁道综合技术研究所发表声明称，已完成燃料电池混合试验电车“R291”开发工作。R291列车是一辆双车列车，由具备动力马达的“KumoyaR290-1”和没有动力的“KuyaR291-1”两种组成；燃料电池（200~350V）发电，通过升压电路为电池充电（500~700V），并进一步提升电池电压至1500V后将其提供给电机。其燃料电池模块的输出功率大大增加，燃料电池的体积却减小了，燃料电池可安装在列车地板下。

图5 韩国氢能源列车示意图

2020年2月，韩国铁路研究所(KRRI)将使用地平线燃料电池技术公司(简称：Horizon)的400kW质子交换膜燃料电池动力系统，并将在2020年推出氢动力列车原型。该计划将于今年年底完成氢燃料电池混合动力系统、铁路车辆动力转换系统、加氢站建设计划和铁路技术技术标准的开发。此外，韩国铁路研究所计划到2022年完成对铁路试验线稳定性和效率的验证。

氢能源列车的基本工作原理是：将储存在高压罐中的氢存储在车载燃料箱中，然后，将车载燃料箱中的氢输送到列车上的燃料电池中，同时，从空气中吸收氧气，氢气与氧气在燃料电池中产生的化学能转换成电能以运行列车，过剩的电能存储在列车上的动力电池（主要为锂离子电池）中。在燃料电池的工作过程中，产生的唯一排放物是水。

图6 氢能源列车动力系统示意图

燃料电池系统为列车的主要动力源，提供主要的电力输出，功率大、运行时间长且相对稳定。动力电池（主要为锂电池）可作为辅助的动力源及储能装置，在必要的时候为车载设备供电。辅助动力源及储能装置中还可设置超级电容，为进一步储能提供相应的配置。其中，车载燃料箱作为储氢系统，可采用高压气体储氢、低温液压储氢或金属氢化物储氢的方式，目前，车载商用储氢方式为高压气体储氢。

从专利的角度来看下氢能源列车的技术分布及产业现状。检索发现，与“氢能源列车”较为相关的IPC分类号主要包括：其释义如下：

分类号	释义
IPC	B60L50/70	用燃料电池供电的（与蓄电池结合的入B60L50/75）〔2019.01〕
B60K15/03	燃料箱（车架具有液体储存腔的入B62D21/16）〔5〕
B61C3/00	电力机车或电力有轨车（以动力传动系统为特点的入B61C9/00；电气部件入B60L，H02）
B61C3/02	用蓄电池的
B61C7/00	其他以所用原动力设备的类型为特征的机车或机动有轨车；具有两个或更多不同种类或类型原动力的机车或机动有轨车
B61C7/04	用两种或多种不同类型发动机，如蒸汽机和内燃机的机车或机动有轨车
B61C11/00	以施加牵引力的装置的类型为特点的机车或机动有轨车；不同于标准主动轮的行走装置的配置（车轮结构入B60B）
C01B3/06	用含正电性氢的无机化合物，如水、酸、碱、氨与无机还原剂的反应（用电解水法入C25B1/04）〔3〕
C01B3/02	氢或含氢混合气的生产〔3〕
H01M8/00	燃料电池；及其制造〔2〕
H01M8/04	辅助装置，例如用于压力控制的，用于流体循环的〔2，2016.01〕
H01M8/06	燃料电池与制造反应剂或处理残物装置的结合（再生燃料电池入H01M8/18）〔2，2016.01〕
H01M8/10	固体电解质的燃料电池
H01M8/22	含碳或氧或氢及其他元素的材料为基础燃料的燃料电池；不含碳、氧、氢只含其他元素的材料为基础燃料的燃料电池〔2〕

表1 IPC释义表格

随后，用相关ipc分类号、“氢”、“hydrogen”和“轨道车辆”、“铁路车辆”等关键词扩展并构造检索式，在合享数据库中进行初步检索，得到近两千件专利。浏览检索得到的专利发现，氢能源列车相关专利不多且较为分散，分散在多个IPC分类号下，检索结果中与氢能源列车不相关的专利较多。其中，检索到的部分燃料电池的专利，其电池采用的燃料是包含氢的化合物，而不是纯氢；部分氢能源车辆的专利中，氢能源是用于汽车上的，而不是用于列车上；一部分用化学原料生产氢的方法、设备专利，其生产的氢并不用于氢能源列车的使用等等。究其原因，归根结底在于，氢能源列车仍为新技术，很多方面的技术仍处于攻坚阶段，未产生突破，更未形成完备的知识产权保护体系；等等。

由于中车业务比较集中，且在中国来说，中车是具有代表性的列车生产制造企业，因此以“中车”及其旗下的子公司为专利申请人，对其氢能源列车的相关专利进行检索分析，对分析氢能源列车的现有技术有一定的帮助。在原有检索式基础上进一步缩小检索范围，将专利申请人限定为“中车”及其旗下的子公司，检索得到28件专利，其中3件专利失效。阅读专利内容，发现其中有2件专利是在列车上采用高能量密度锂电池或高能量密度镍氢电容电池代替现有蓄电池组的技术，与氢能源列车不相关，刨除后余26件相关专利。

图7 中车氢能源列车专利申请趋势图

可以看到，2013年开始，中车方面就有了氢能源列车相关的专利产生，这也说明了中车从2013年起就开始了氢能源列车相关技术的研发，2016年、2017年申请的专利数量多，说明2016年、2017年中车较为重视氢能源列车的研发工作，同时在此方面取得了一定的技术突破。2018年产生技术停顿期；图中显示2019年专利数量少，这与专利公开有一定的滞后性和数据库数据的采集和更新有一定的滞后性相关。

图8 中车氢能源列车专利地域分布图

这26件相关专利中，其中，在中国（CN）申请了21件，欧专局（EP）申请了1件，美国（US）申请了1件，世界知识产权组织（WO）申请了3件。氢能源列车相关技术还处于探索和试验阶段，因此，中车将专利布局在本土国——中国，同时中车根据自身需求和对市场的判断，在国外也陆续布置了部分专利战场。

图9 中车氢能源列车专利技术分布图

这26件相关专利中，13件专利是关于燃料电池系统本身的改进，包括燃料电池与供氢装置的连接，燃料电池连接有超级电容的技术等；有6件专利是关于燃料电池的冷却方面的技术，6件专利是关于燃料电池的供氢控制方面的技术，1件专利关于燃料电池本身的控制。从这里看到，中车在氢能源列车相关技术这块有研发侧重点，且多围绕燃料电池系统。

现有氢能源列车相关专利较为零散，领域技术各有侧重，还未形成系统的技术模式，除个别公司外，大部分企业尚未建立成熟的专利保护体系，从检索得到的专利中挑选三件专利，作为具有代表性的已公开的技术，供大家初步了解和认识氢能源列车的现有技术状况。

中车旗下子公司——唐车于2017年6月15日申请了氢能源有轨电车的相关专利CN107180980B，该发明专利在2019年9月10日得到授权，其具有一件同族专利WO2018227904A1，尚未进入国家阶段。

图10 专利CN107180980B附图1

图11 专利CN107180980B附图2

此发明提供了一种燃料电池系统和一种有轨电车，燃料电池系统安装在有轨电车的车厢顶部，包括：燃料电池以及阴极供气装置，阴极供气装置与燃料电池的阴极连通，用于将有轨电车的车厢中的恒温空气抽入燃料电池的阴极，通过阴极供气装置将车厢内部的恒温空气输送至燃料电池的阴极，使得进入到燃料电池阴极空气的温度适宜，燃料电池处在最佳的工作温度范围内。

阿尔斯通公司在2016年9月提出了专利申请EP3300943A1，随后2017年申请了其同族US20180093586A1及CA2980817A1，均仍在审查之中，尚未得到授权，专利所含内容如下：

图12 专利申请EP3300943A1附图

本发明中，列车包括电力产生单元、变压器单元和燃料存储单元，电力产生单元包括至少两个燃料电池堆和用于将产生的电流传输到变压器单元的单个第一电连接接口，生产单元还包括单个冷却回路、空气供给回路和用于从燃料存储单元向每个燃料电池组供给气态氢的单个气态氢供给回路。生产单元与燃料存储单元分离，并通过单个连接接口连接到燃料存储单元，生产单元可作为独立于燃料存储单元的集成单元从车辆移除。因此，当电力产生单元产生故障时，可容易地从车辆上移除并由功能单元替换。

此专利所含的技术具有代表性，列车只采用了氢燃料电池，而且氢燃料的存储部分可以从列车上快速更换，为未来氢能源列车的发展指出一条道路。

BNSF铁路公司的授权专利US8117969B1，描述了氢能源在混合动力机车上的应用。

图13 专利US8117969B1附图1

图14 专利US8117969B1附图2

本发明描述了一种氢混合动力机车，包括：一组电池，用于驱动多个电动牵引电机，以使机车沿一组铁路轨道移动；一种用于对电池组充电并驱动电动牵引电机的燃料电池动力装置，所述燃料电池动力装置包括：至少一个燃料电池功率模块，用于通过氢燃料和来自进气的氧反应产生电流，该电流的量与进气的空气质量流成比例；空气系统，用于选择性地向燃料电池模块提供空气质量流，以产生机车的相应操作条件所需的电流量；以及一种冷却系统，用于响应于由所述至少一个燃料电池功率模块产生的电流量来冷却所述至少一个燃料电池功率模块，其中所述冷却系统包括：泵，用于泵送冷却流体；用于从由泵提供的冷却液中提取热量的热交换系统；以及阀系统，用于选择性地将冷却流体从热交换系统提供给燃料电池功率模块，以及用于选择性地将冷却流体从泵提供给燃料电池功率模块，同时绕过热交换系统。

本发明的氢混合燃料电池机车有助于减少城市轨道中的颗粒空气污染以及减少排入大气中的温室气体的量。而且在特殊情况下，氢混合燃料电池机车可用作移动电源。

浏览检索专利发现，目前氢能源列车还有诸多技术难点没有实现突破，如：氢燃料的生产、存储、运输的成本高；氢燃料在列车上的存储和使用是否会带来安全隐患；氢燃料对列车的可持续供应如何实现；等等。随着这些技术难点的解决，未来氢能源列车的应用，一定会对轨道交通领域产生一定的变革作用，并大大拓展氢能的应用领域。届时期望能与大家就此技术领域进行更深入、更近一步的研究和探讨。

参考文献：

1.氢能源列车的风险评估，姜博耀，中国铁路上海局集团有限公司上海站，《价值工程》，2019年第18期。

2.韩国开发氢燃料电池混合动力列车，能源界，http://www.nengyuanjie.net

3.“零排放”氢燃料混合动力有轨电车唐山开跑，大众网，http://www.dzwww.com/

4.德国推出世界上第一辆零排放氢动力客运列车，李忠东，《上海节能》，2017年第5期

5.中国制造世界首列氢燃料电池有轨列车，个人图书馆，http://www.360doc.com/

图片来源丨网络（侵删）作者简介：蒯慧，集慧智佳知识产权咨询师，资深宅女，爱娃，爱知识产权。

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