老司機
在吹IP的作者團隊中，有這樣一群小夥伴，他們愛汽車、懂高鐵，時刻關注技術動態發展，熱衷探究技術創新和知識產權的關係，他們是IP圈裡專注交通領域的老司機。
在吹IP，他們將會與大家分享交通領域的黑科技，說說地上跑的、天上飛的，新能源汽車、高鐵、智能駕駛……他們有數不盡的話題想和大家聊，還會用他們的專長來剖析時下熱點問題。
目前，人們所知的燃料中能量密度最高的就是氫氣，同時還具備綠色、環保、無汙染和可持續的優點，因此，世界多個國家在研究將氫氣這一能源應用於工業、產業等領域，以實現不依賴化石燃料的二次能源開發再利用。氫能源列車正是這一大趨勢下的產物之一。
圖1 唐車氫燃料電池/超級電容有軌電車圖
我國是世界首列氫燃料電池混合動力有軌電車投入運營的國家。2017年10月，由西南交通大學和中車唐山機車車輛有限公司共同承擔的“燃料電池/超級電容混合動力100%低地板有軌電車研製”項目取得重大成果，研製出具有自主知識產權的世界首列氫燃料電池/超級電容有軌電車，並在唐胥鐵路載客運營。
圖2 德國運行的氫能源列車圖
2018年9月，阿爾斯通（Alstom）生產的全球首兩列氫能源列車在德國首次投入服務。該列車時速可達140千米，列車通過移動加氫站加油，每次充電後續航時間達1000公里，並且在行駛過程中幾乎沒有噪音。該列車的氫氣存於車頂，主要用於發電；驅動車輛依靠鋰電池組，其燃料電池動力系統是增程式的動力系統。2019年5月，德國又向阿爾斯通（Alstom）採購了27輛氫能源列車，這些列車將於2022年至2023年全部交付完畢。
圖3 英國首列氫能源列車圖
2019年6月，英國首列氫能源列車（Hydroflex）在西米德蘭茲郡（WestMidlands）的活動中展出，它是由倫敦的鐵路車輛租賃公司波特布魯克（Porterbrook）與伯明翰大學(UoB)合作開發的氫能源列車，最高時速達每小時120公里。目前，Hydroflex列車是試驗性列車，氫氣罐、燃料電池和儲能電池安裝在乘客乘坐的車廂內，在未來的商業運營中，這些設備將調整安裝位置，安裝在列車的上方和下方。Hydroflex列車採用雙動力模式，可以由氫燃料電池供電，也可以通過架空接觸網供電。
圖4 日本氫能列車圖
2019年9月，日本鐵道綜合技術研究所發表聲明稱，已完成燃料電池混合試驗電車“R291”開發工作。R291列車是一輛雙車列車，由具備動力馬達的“KumoyaR290-1”和沒有動力的“KuyaR291-1”兩種組成；燃料電池（200~350V）發電，通過升壓電路為電池充電（500~700V），並進一步提升電池電壓至1500V後將其提供給電機。其燃料電池模塊的輸出功率大大增加，燃料電池的體積卻減小了，燃料電池可安裝在列車地板下。
圖5 韓國氫能源列車示意圖
2020年2月，韓國鐵路研究所(KRRI)將使用地平線燃料電池技術公司(簡稱：Horizon)的400kW質子交換膜燃料電池動力系統，並將在2020年推出氫動力列車原型。該計劃將於今年年底完成氫燃料電池混合動力系統、鐵路車輛動力轉換系統、加氫站建設計劃和鐵路技術技術標準的開發。此外，韓國鐵路研究所計劃到2022年完成對鐵路試驗線穩定性和效率的驗證。
氫能源列車的基本工作原理是：將儲存在高壓罐中的氫存儲在車載燃料箱中，然後，將車載燃料箱中的氫輸送到列車上的燃料電池中，同時，從空氣中吸收氧氣，氫氣與氧氣在燃料電池中產生的化學能轉換成電能以運行列車，過剩的電能存儲在列車上的動力電池（主要為鋰離子電池）中。在燃料電池的工作過程中，產生的唯一排放物是水。
圖6 氫能源列車動力系統示意圖
燃料電池系統為列車的主要動力源，提供主要的電力輸出，功率大、運行時間長且相對穩定。動力電池（主要為鋰電池）可作為輔助的動力源及儲能裝置，在必要的時候為車載設備供電。輔助動力源及儲能裝置中還可設置超級電容，為進一步儲能提供相應的配置。其中，車載燃料箱作為儲氫系統，可採用高壓氣體儲氫、低溫液壓儲氫或金屬氫化物儲氫的方式，目前，車載商用儲氫方式為高壓氣體儲氫。
從專利的角度來看下氫能源列車的技術分佈及產業現狀。檢索發現，與“氫能源列車”較為相關的IPC分類號主要包括：其釋義如下：
分類號
釋義
IPC
B60L50/70
用燃料電池供電的（與蓄電池結合的入B60L50/75）〔2019.01〕
B60K15/03
燃料箱（車架具有液體儲存腔的入B62D21/16）〔5〕
B61C3/00
電力機車或電力有軌車（以動力傳動系統為特點的入B61C9/00；電氣部件入B60L，H02）
B61C3/02
用蓄電池的
B61C7/00
其他以所用原動力設備的類型為特徵的機車或機動有軌車；具有兩個或更多不同種類或類型原動力的機車或機動有軌車
B61C7/04
用兩種或多種不同類型發動機，如蒸汽機和內燃機的機車或機動有軌車
B61C11/00
以施加牽引力的裝置的類型為特點的機車或機動有軌車；不同於標準主動輪的行走裝置的配置（車輪結構入B60B）
C01B3/06
用含正電性氫的無機化合物，如水、酸、鹼、氨與無機還原劑的反應（用電解水法入C25B1/04）〔3〕
C01B3/02
氫或含氫混合氣的生產〔3〕
H01M8/00
燃料電池；及其製造〔2〕
H01M8/04
輔助裝置，例如用於壓力控制的，用於流體循環的〔2，2016.01〕
H01M8/06
燃料電池與製造反應劑或處理殘物裝置的結合（再生燃料電池入H01M8/18）〔2，2016.01〕
H01M8/10
固體電解質的燃料電池
H01M8/22
含碳或氧或氫及其他元素的材料為基礎燃料的燃料電池；不含碳、氧、氫只含其他元素的材料為基礎燃料的燃料電池〔2〕
表1 IPC釋義表格
隨後，用相關ipc分類號、“氫”、“hydrogen”和“軌道車輛”、“鐵路車輛”等關鍵詞擴展並構造檢索式，在合享數據庫中進行初步檢索，得到近兩千件專利。瀏覽檢索得到的專利發現，氫能源列車相關專利不多且較為分散，分散在多個IPC分類號下，檢索結果中與氫能源列車不相關的專利較多。其中，檢索到的部分燃料電池的專利，其電池採用的燃料是包含氫的化合物，而不是純氫；部分氫能源車輛的專利中，氫能源是用於汽車上的，而不是用於列車上；一部分用化學原料生產氫的方法、設備專利，其生產的氫並不用於氫能源列車的使用等等。究其原因，歸根結底在於，氫能源列車仍為新技術，很多方面的技術仍處於攻堅階段，未產生突破，更未形成完備的知識產權保護體系；等等。
由於中車業務比較集中，且在中國來說，中車是具有代表性的列車生產製造企業，因此以“中車”及其旗下的子公司為專利申請人，對其氫能源列車的相關專利進行檢索分析，對分析氫能源列車的現有技術有一定的幫助。在原有檢索式基礎上進一步縮小檢索範圍，將專利申請人限定為“中車”及其旗下的子公司，檢索得到28件專利，其中3件專利失效。閱讀專利內容，發現其中有2件專利是在列車上採用高能量密度鋰電池或高能量密度鎳氫電容電池代替現有蓄電池組的技術，與氫能源列車不相關，刨除後餘26件相關專利。
圖7 中車氫能源列車專利申請趨勢圖
可以看到，2013年開始，中車方面就有了氫能源列車相關的專利產生，這也說明了中車從2013年起就開始了氫能源列車相關技術的研發，2016年、2017年申請的專利數量多，說明2016年、2017年中車較為重視氫能源列車的研發工作，同時在此方面取得了一定的技術突破。2018年產生技術停頓期；圖中顯示2019年專利數量少，這與專利公開有一定的滯後性和數據庫數據的採集和更新有一定的滯後性相關。
圖8 中車氫能源列車專利地域分佈圖
這26件相關專利中，其中，在中國（CN）申請了21件，歐專局（EP）申請了1件，美國（US）申請了1件，世界知識產權組織（WO）申請了3件。氫能源列車相關技術還處於探索和試驗階段，因此，中車將專利佈局在本土國——中國，同時中車根據自身需求和對市場的判斷，在國外也陸續佈置了部分專利戰場。
圖9 中車氫能源列車專利技術分佈圖
這26件相關專利中，13件專利是關於燃料電池系統本身的改進，包括燃料電池與供氫裝置的連接，燃料電池連接有超級電容的技術等；有6件專利是關於燃料電池的冷卻方面的技術，6件專利是關於燃料電池的供氫控制方面的技術，1件專利關於燃料電池本身的控制。從這裡看到，中車在氫能源列車相關技術這塊有研發側重點，且多圍繞燃料電池系統。
現有氫能源列車相關專利較為零散，領域技術各有側重，還未形成系統的技術模式，除個別公司外，大部分企業尚未建立成熟的專利保護體系，從檢索得到的專利中挑選三件專利，作為具有代表性的已公開的技術，供大家初步瞭解和認識氫能源列車的現有技術狀況。
中車旗下子公司——唐車於2017年6月15日申請了氫能源有軌電車的相關專利CN107180980B，該發明專利在2019年9月10日得到授權，其具有一件同族專利WO2018227904A1，尚未進入國家階段。
圖10 專利CN107180980B附圖1
圖11 專利CN107180980B附圖2
此發明提供了一種燃料電池系統和一種有軌電車，燃料電池系統安裝在有軌電車的車廂頂部，包括：燃料電池以及陰極供氣裝置，陰極供氣裝置與燃料電池的陰極連通，用於將有軌電車的車廂中的恆溫空氣抽入燃料電池的陰極，通過陰極供氣裝置將車廂內部的恆溫空氣輸送至燃料電池的陰極，使得進入到燃料電池陰極空氣的溫度適宜，燃料電池處在最佳的工作溫度範圍內。
阿爾斯通公司在2016年9月提出了專利申請EP3300943A1，隨後2017年申請了其同族US20180093586A1及CA2980817A1，均仍在審查之中，尚未得到授權，專利所含內容如下：
圖12 專利申請EP3300943A1附圖
本發明中，列車包括電力產生單元、變壓器單元和燃料存儲單元，電力產生單元包括至少兩個燃料電池堆和用於將產生的電流傳輸到變壓器單元的單個第一電連接接口，生產單元還包括單個冷卻迴路、空氣供給迴路和用於從燃料存儲單元向每個燃料電池組供給氣態氫的單個氣態氫供給迴路。生產單元與燃料存儲單元分離，並通過單個連接接口連接到燃料存儲單元，生產單元可作為獨立於燃料存儲單元的集成單元從車輛移除。因此，當電力產生單元產生故障時，可容易地從車輛上移除並由功能單元替換。
此專利所含的技術具有代表性，列車只採用了氫燃料電池，而且氫燃料的存儲部分可以從列車上快速更換，為未來氫能源列車的發展指出一條道路。
BNSF鐵路公司的授權專利US8117969B1，描述了氫能源在混合動力機車上的應用。
圖13 專利US8117969B1附圖1
圖14 專利US8117969B1附圖2
本發明描述了一種氫混合動力機車，包括：一組電池，用於驅動多個電動牽引電機，以使機車沿一組鐵路軌道移動；一種用於對電池組充電並驅動電動牽引電機的燃料電池動力裝置，所述燃料電池動力裝置包括：至少一個燃料電池功率模塊，用於通過氫燃料和來自進氣的氧反應產生電流，該電流的量與進氣的空氣質量流成比例；空氣系統，用於選擇性地向燃料電池模塊提供空氣質量流，以產生機車的相應操作條件所需的電流量；以及一種冷卻系統，用於響應於由所述至少一個燃料電池功率模塊產生的電流量來冷卻所述至少一個燃料電池功率模塊，其中所述冷卻系統包括：泵，用於泵送冷卻流體；用於從由泵提供的冷卻液中提取熱量的熱交換系統；以及閥系統，用於選擇性地將冷卻流體從熱交換系統提供給燃料電池功率模塊，以及用於選擇性地將冷卻流體從泵提供給燃料電池功率模塊，同時繞過熱交換系統。
本發明的氫混合燃料電池機車有助於減少城市軌道中的顆粒空氣汙染以及減少排入大氣中的溫室氣體的量。而且在特殊情況下，氫混合燃料電池機車可用作移動電源。
瀏覽檢索專利發現，目前氫能源列車還有諸多技術難點沒有實現突破，如：氫燃料的生產、存儲、運輸的成本高；氫燃料在列車上的存儲和使用是否會帶來安全隱患；氫燃料對列車的可持續供應如何實現；等等。隨著這些技術難點的解決，未來氫能源列車的應用，一定會對軌道交通領域產生一定的變革作用，並大大拓展氫能的應用領域。屆時期望能與大家就此技術領域進行更深入、更近一步的研究和探討。
參考文獻：
1.氫能源列車的風險評估，姜博耀，中國鐵路上海局集團有限公司上海站，《價值工程》，2019年第18期。
2.韓國開發氫燃料電池混合動力列車，能源界，http://www.nengyuanjie.net
3.“零排放”氫燃料混合動力有軌電車唐山開跑，大眾網，http://www.dzwww.com/
4.德國推出世界上第一輛零排放氫動力客運列車，李忠東，《上海節能》，2017年第5期
5.中國製造世界首列氫燃料電池有軌列車，個人圖書館，http://www.360doc.com/
圖片來源丨網絡（侵刪）
作者簡介：蒯慧，集慧智佳知識產權諮詢師，資深宅女，愛娃，愛知識產權。
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