隨著國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，圍繞燃料電池的核心零部件也在加快國(guó)產(chǎn)化替代的步伐，空壓機(jī)有望成為氫燃料電池系統(tǒng)輔件中最快實(shí)現(xiàn)突圍的零部件。
空壓機(jī)是燃料電池的“肺”
作為氫燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)鏈系統(tǒng)輔件(BOP)中的重要一環(huán)，空壓機(jī)相當(dāng)于燃料電池的“肺”，它通過(guò)對(duì)進(jìn)堆空氣進(jìn)行增壓，從而提高燃料電池的功率密度和效率。
空壓機(jī)輸出的壓力和流量甚至在很大程度上可以直接影響燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)中的化學(xué)計(jì)量比和空氣加濕特性，進(jìn)而影響燃料電池堆的電壓輸出和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出。
“燃料電池空壓機(jī)不同于常規(guī)空壓機(jī)，也有別于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的電子增壓器，它應(yīng)該是一個(gè)新物種。”國(guó)內(nèi)一家燃料電池電堆廠的技術(shù)負(fù)責(zé)人告訴高工氫電，適用于燃料電池的空壓機(jī)需要滿足絕對(duì)無(wú)油、低噪聲、高可靠性、高效、小型化、工作范圍寬、良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、良好的熱管理、低成本等諸多嚴(yán)苛要求。
空壓機(jī)在做功過(guò)程中，效率、進(jìn)出壓縮比是性能的重要指標(biāo)，使用在燃料電池上，空壓機(jī)需要具備以下特性：
(1)在燃料電池的使用中的空壓機(jī)需要無(wú)油化，空壓機(jī)如果使用潤(rùn)滑油，會(huì)致使電堆發(fā)生中毒，因此空壓機(jī)需要采用水潤(rùn)滑軸承或空氣軸承。
(2)小型化及輕量化，提高空壓機(jī)的壓縮能力，可以通過(guò)增加容積，或者增加軸承轉(zhuǎn)速兩種方式，小型化高轉(zhuǎn)速是大勢(shì)所趨。
(3)乘坐車輛的舒適性需要低噪音，目前國(guó)內(nèi)的很多車輛噪音較大和空壓機(jī)密切相關(guān)，噪音源主要來(lái)自于空氣與管道之間的摩擦以及空壓機(jī)高機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的聲音及轉(zhuǎn)動(dòng)的聲音。
(4)規(guī)模化后成本可控，燃料電池受其功率密度和成本的限制，小型化和低成本有助于燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化。
(5)控制系統(tǒng)，車輛對(duì)需要功率變化較大，空壓機(jī)需要能夠及時(shí)地做出響應(yīng)，對(duì)空氣流量進(jìn)行控制。
而根據(jù)燃料電池的空氣進(jìn)氣壓力，燃料電池可分為低壓(30kPa)、中壓(60-100kPa)和高壓(150-300kPa)燃料電池。低壓燃料電池一般用于通信電源、備用電源、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域;而中壓燃料電池一般應(yīng)用于客車、物流車等交通領(lǐng)域;乘用車一般配置高壓燃料電池。
因此，針對(duì)不同的燃料電池系統(tǒng)的性能需求，往往需要不同的空氣壓縮機(jī)與其匹配，目前常用的空壓機(jī)類型有螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式等不同類型。
另一方面，對(duì)于氫燃料電池來(lái)說(shuō)，由于質(zhì)子交換膜需要保持良好的工作特性，這就要求供氣系統(tǒng)供給燃料電池堆的壓縮空氣必須絕對(duì)干凈，因此，對(duì)空壓機(jī)技術(shù)要求十分高。
離心式空壓機(jī)是氫燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)
2019年起，國(guó)內(nèi)燃料電池空壓機(jī)供應(yīng)商逐漸增多，不過(guò)供應(yīng)的產(chǎn)品大多適用于商用車領(lǐng)域，乘用車領(lǐng)域的空壓機(jī)要求的壓比更高，依然以國(guó)外采購(gòu)為主。
從目前國(guó)內(nèi)的氫燃料電池市場(chǎng)來(lái)看，螺桿式空壓機(jī)所占市場(chǎng)份額相對(duì)較多，但現(xiàn)在已經(jīng)有越來(lái)越多的燃料電池電堆和系統(tǒng)廠商開(kāi)始替換離心式空壓機(jī)。
國(guó)內(nèi)一家空壓機(jī)企業(yè)高層向高工氫電透露，燃料電池企業(yè)對(duì)空壓機(jī)的接受度正在逐步提高，特別是離心式空壓機(jī)。
從目前市場(chǎng)情況來(lái)說(shuō)，有抱負(fù)的主機(jī)廠面臨的最大的問(wèn)題就是降成本的問(wèn)題，考慮開(kāi)發(fā)成本、市場(chǎng)規(guī)模和管理等綜合因素，離心壓縮機(jī)的成本最高，但是由于其結(jié)構(gòu)緊密的特性，體量最小，物理結(jié)構(gòu)決定，在未來(lái)大批量條件下，其成本下降空間最大。
“隨著燃料電池系統(tǒng)對(duì)空氣供應(yīng)系統(tǒng)性能要求的提高，離心式空壓機(jī)或?qū)⒊蔀槿剂想姵赜每諌簷C(jī)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)。”廣東一家燃料電池企業(yè)的技術(shù)總監(jiān)認(rèn)為，從高效、小型化和降噪方面考慮，離心式空壓機(jī)更符合未來(lái)的需求。
值得注意的是，離心式空壓機(jī)在低流量時(shí)會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能和空壓機(jī)的使用壽命。
對(duì)于有些燃料電池廠商來(lái)說(shuō)，國(guó)產(chǎn)空壓機(jī)在可靠性和使用壽命上還缺乏足夠的驗(yàn)證，因此在實(shí)際的裝車運(yùn)營(yíng)方面還是以進(jìn)口產(chǎn)品為主。
國(guó)產(chǎn)VS進(jìn)口 可靠性和售后服務(wù)的比拼
從國(guó)外情況來(lái)看，霍尼韋爾(蓋瑞特)在空壓機(jī)的技術(shù)上表現(xiàn)突出，在功率密度、效率、噪聲等方面都有很好的表現(xiàn)，其空壓機(jī)主要供貨本田。但在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，UQM獨(dú)占鰲頭，根據(jù)相關(guān)公開(kāi)資料，2018年UQM曾在中國(guó)市場(chǎng)收獲了300萬(wàn)美元的空壓機(jī)訂單。
除此以外，還有Fisher、Hanon、TNE、Vairex等公司能供應(yīng)燃料電池空壓機(jī)產(chǎn)品。
“目前世界范圍內(nèi)，尚未有完全成熟的、完全滿足用戶要求的產(chǎn)品。國(guó)外的某些廠家起步稍早，國(guó)內(nèi)外空壓機(jī)技術(shù)水平有一定的距離，但這個(gè)距離是我們可以努力追上的。”在談到跟國(guó)外的差距時(shí)，上述空壓機(jī)企業(yè)高層表示。
據(jù)了解，國(guó)內(nèi)一些傳統(tǒng)領(lǐng)域的空壓機(jī)廠，由于自身有技術(shù)儲(chǔ)備，在燃料電池蓄勢(shì)待發(fā)的過(guò)程中，已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)空壓機(jī)的研發(fā)和樣機(jī)測(cè)試。還有一部分企業(yè)長(zhǎng)期從事氣體壓縮領(lǐng)域的工作，通過(guò)人才引進(jìn)及其他方式也制造了屬于自己的空壓機(jī)。
根據(jù)相關(guān)調(diào)研數(shù)據(jù)，目前國(guó)內(nèi)有近20家空壓機(jī)企業(yè)在研發(fā)燃料電池空壓機(jī)，其中，有好幾家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量供貨。
從世界范圍內(nèi)空壓機(jī)技術(shù)路線來(lái)看，螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式各種技術(shù)路線百家爭(zhēng)鳴，但從中國(guó)市場(chǎng)來(lái)看，未來(lái)使用離心式空壓機(jī)是主流意見(jiàn)，但是最終大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化來(lái)臨之前，還需要繼續(xù)完善。
“目前來(lái)看，國(guó)產(chǎn)空壓機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)在于性價(jià)比和售后服務(wù)。”國(guó)內(nèi)一家燃料電池系統(tǒng)企業(yè)負(fù)責(zé)人認(rèn)為，目前依賴進(jìn)口核心部件中，空壓機(jī)正在逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，在試運(yùn)營(yíng)階段問(wèn)題還不大，但要滿足未來(lái)大批量需求，還要在可靠性和使用壽命上下功夫。
