日报标题：「注氢三分钟，续航百公里」的氢能源列车是未来吗？
姚昌晟，文章千古事，得失寸心知
这篇回答包括以下四部分内容：
- 氢能列车的技术参数和燃料电池系统构型；
- 非自带动力的有轨电车的供电形式：接触网、第三轨；
- 自带动力的有轨电车对比：锂电池、超级电容、氢能燃料电池；
- 氢燃料电池的安全性讨论。
1. 氢能列车的技术参数和燃料电池系统构型
青岛四方的这一列燃料电池列车设计目的是作为城市内的公共交通工具，最高时速 70km/h，续航 100km。它的动力系统的燃料电池电堆来自加拿大的巴拉德（Ballard），电堆型号 FCvelocity（Ballard Customer Demonstrates World’s First Hydrogen Fuel Cell Tram）。该车匹配的电堆输出功率为 150kW，配备 4 个储氢罐，可存储 12kg 氢气，氢气压力 35MPa。除燃料电池电堆外，该系统设计的储能系统为复合储能系统，由 20kWh 的锂离子电池与 450Wh 的超级电容构成。
（Ballard FCvelocity 燃料电池电堆，又可以叫“燃料电池发动机”，图片来源：Ballard FCveloCity）
燃料电池列车和燃料电池大巴车的设计比较类似，其动力系统的工作原理又与油电混合动力有接近之处。燃料电池输出的电能，经 DCDC 变换器后既可以直接驱动电机进而驱动列车行驶；又可以将一部分功率用于发电储存在储能系统之中。至于其中的功率分配和储能元件参数设计，要根据不同的系统构型来决定。这一辆车的燃料电池电堆所输出的功率，同时会完成驱动和发电两个功能。
（典型的燃料电池混合动力系统中的功率流，实线表示功率流，虚线表示功率损耗；与电网断开连接时是黑色箭头，与电网连接时则包括蓝色箭头。图片与数据来源：Comparison study on life-cycle costs of different trams powered by fuel cell systems and others）
不同于四方列车， @龙云飞 回答中的 Coradia iLint 是城间列车，由法国阿尔斯通（Alstom）打造，现处于试运行中，将于 2017 年底正式在德国运行。这辆 Coradia iLint 最高时速可达 140km/h，续航 800km，还有一点与四方列车不同的地方是它的氢气存于车顶，主要用于发电；驱动车辆依靠锂电池组，也就是说 Coradia iLint 的燃料电池动力系统是一个增程式的动力系统。
（Coradia iLint，图片来源：Alstom unveils its zero-emission train Coradia iLint at InnoTrans）
2. 非自带动力的有轨电车的供电形式
介绍完这一辆世界首例氢能列车，再来看城市的有轨电车还有哪些方案。与它们对比，氢能有什么优劣。
有轨电车最为常见的两种供电方式为接触网与第三轨，其案例分别有上海与北京地铁。
（上海地铁与北京地铁，图片来源：百度图片）
两者对比，接触网的缺点是：不够美观；占用空间大、零件多，因此铺设/维护成本高；地面轻轨的接触网在大风天气，易被异物缠绕导致停运甚至损坏。而第三轨的缺点是：最高时速低；电轨最高电压低，因此承载力低；潮湿环境下易发生金属短路。
这两者各有优劣，但成本较低，技术可靠，是今日最为普及的两种有轨电车。
除了常规的设计方案，一些城市将第三轨方案加以变化，增加了储能装置和行车通过的开关，就可以在城市道路中铺设第三轨，从而避免行人触电。例如 Alstom 在法国波尔多铺设的的 Innorail，在列车行驶通过轨道时，才开启这段轨道的电源。
（波尔多的 Innorail，来源：谷歌）
3. 自带动力的有轨电车对比：锂电池、超级电容、氢能燃料电池
在接触网和第三轨之外，列车还可以自带动力，除了以前的化石燃料，现在这一类形式主要包括：电能（锂电池、超级电容），氢能。
相比较于接触网和第三轨，自带动力的形式为轨道建设省去了一大笔费用。先来看锂电池和超级电容的方案，其基本的思路是在站点进行充电。例如南京的无接触网式有轨电车，采用了锂电池的储能方案。全线无接触网有轨电车南京问世 -- 科技 -- 人民网
有了供电的接触网，麒麟有轨电车怎样运行呢？技术人员告诉记者，在供电方式上采用的是无接触网锂电池供电，当列车驶入站台时，隐藏的“辫子”（受电弓）会自动从第一、五节的车顶升起，接受站台电网充电，利用乘客上下车的时间 30 秒即可完成充电，列车驶离“辫子”自动收起，而运行一站仅需消耗 3%—6%的电量，所以即使遇到堵车也不会发生“无电而停”的状况。
（南京无接触网式有轨电车，停入站内时快速充电，“奔跑吧兄弟”里追逐的有轨电车就是它，图片来源：谷歌）
而锂电池和超级电容对比，又有什么不同呢？区别在于：锂电池充放电慢，超级电容充放电快，因此超级电容可以满足急加减速时的大功率需求，在制动回馈中获得更多的能量；但超级电容的容量比锂电池小。采用超级电容的案例是株洲的“中国首列超级电容有轨电车” 。中国自主研制首列全线无接触网"超级电容"有轨电车 - 新华网
据中车株机总工程师索建国介绍，这款使用 100% 低地板技术、快充快放的城市电车具有三大比较优势。一是甩掉了“大辫子”，全程无架空接触网运行，消除了“视觉污染”；二是以 9500 法拉“超级电容”储能供电，车辆在站台区 30 秒内快速完成充电，一次可运行 3 至 5 公里；三是该车制动时能将 85% 以上的制动能量回收反馈至超级电容形成电能储存，实现能量循环利用。
（株洲的超级电容有轨电车，图片来源：谷歌）
那么氢能呢？与上述各式供能形式对比，氢能有轨电车几乎克服了上述所有缺点，它储能容量大，续航长，注氢快，供电装置投入小，最高速度可以提高。而它的缺点在于：电堆技术难度大、成本高、现有技术水平的燃料电池电堆寿命不长。而目前国内外电堆的技术水平还有一定差距，国产电堆的寿命更短。这也是燃料电池未来发展亟待克服的难题。
（青岛四方制造的氢能有轨电车，图片来源：谷歌）
对比锂电池、超级电容和氢能的续航水平，我们从南京、株洲、青岛四方三位工程师采访提供的数据来做一下推算。
- 南京有轨电车 7.76 公里，设 13 站，就是 12 段路，每段耗电 3%-6% 不等（取平均 4.5% 计算），充电时间 30 秒（假设如新闻稿所述，进站充电一次即可以满足一站行驶；但我认为这货晚上肯定是会充电的）；
- 株洲有轨电车每次充电可行驶 3-5 公里（取平均 4.5 公里），充电时间 30 秒；
- 青岛四方有轨电车每次注氢行驶 100 公里，注氢时间 3 分钟。
换算之后，三者的一次充电 / 氢的续航里程分别约为：14.3、4.5、100 公里。平均每分钟充电 / 氢时间的续航是：28.7、9、33.3 公里。这样看来，在锂电池充电 30 秒行驶一站路的前提下，城市内的运行场景中锂电池和氢能的续航水平是差不多的。那么由此可以猜测，氢能列车可能更加适用于德国 Coradia iLint 的城间交通形式。
4. 氢燃料电池的安全性讨论
还有一点极具话题性的问题是：氢能的安全性。列车的安全性不是我熟悉的领域，我来说一说不同能源形式的汽车安全性对比。 氢能与电池的安全性不大好直接比较，电池碰撞着火和氢气泄漏爆炸都是公众常常担心的两大争议话题。@Kevin Chow 在回答氢燃料电池汽车相比电动车，有哪些优劣势？中认为氢燃料电池和纯电动汽车的安全性半斤八两。我就再讲一讲我所知道的氢燃料电池汽车和汽油汽车的对比。在氢燃料电池汽车和氢能列车上，氢能大部分以高压氢气的形式存储，其潜在威胁是氢气泄漏后可能形成的可爆炸混合气。首先氢气瓶本身碰撞中泄漏的可能性不高，由于氢气具有快速消散和垂直燃烧的特性，它不会类似汽油泄漏后燃烧汽车引发更大的爆炸（如下图）。所以与汽油燃料相比，氢燃料更加安全。只不过也许要停在户外。
（氢燃料电池汽车与汽油汽车燃料泄漏燃烧后的对比，图片来源：过去上课存下的课件，暂不可考）
以上就是对这列世界首例氢能列车的讨论。氢燃料电池未来可能的应用场景首当其冲就是大巴车和列车，在我看来，这列车并不是哗众取宠的秦皇岛巴铁，它的战略意义更大于其本身的技术 / 商业价值。
再说句题外话，写完回答，看看这些漂亮的列车，我很喜欢。