科普 | 什么是燃料電池空氣壓力機？

燃料電池被公認為有重大發展前景的新型能源之一，供氣子系統是確保燃料電池高效、平穩、可靠運行的重要組成部分。空氣壓縮機作為供氣系統的核心設備，隨著研究的不斷深入，其研究正逐漸成為壓縮機行業的一個熱點。

燃料電池空氣壓力機的定義

燃料電池空氣壓力機，也稱為“燃料電池空壓機”，是氫燃料電池系統中一個重要的組成部分。它的主要作用是為氫燃料電池提供電化學反應所需的氧氣，通過壓縮空氣并將其輸送至燃料電池堆的陰極。這樣可以提高燃料電池的功率密度和效率，同時減小系統的整體尺寸。

在燃料電池的核心零部件中，如果說電堆是燃料電池的“心臟”，提供能量；那么燃料電池空壓機就是燃料電池的“肺”，為電堆提供適量適壓的氧氣。在工程實際中，除了電堆之外，空壓機往往是最需要解決的瓶頸。

燃料電池空氣壓力機是燃料電池系統中不可或缺的組件，它負責提供燃料電池所需的高壓和流量穩定的氧氣。隨著技術的發展，對空壓機的要求越來越高，不僅在性能上要有保證，同時在耐用性和成本方面也要有所突破。未來的研究將繼續聚焦于提高空壓機的耐久性，降低其成本，以推動燃料電池汽車的商業化和普及。

燃料電池空壓機的類型

燃料電池空氣壓力機的類型主要有以下幾種：

1. 離心式空壓機

離心式空壓機是一種利用高速旋轉的葉輪將氣體加速，并通過擴壓器將動能轉化為壓力能的空壓機。它的特點是結構緊湊、響應快、壽命長和效率高。離心式空壓機在氫燃料電池中的應用較為廣泛，尤其是在需要無油和小型化的場合。但是，它在低流量時可能會發生喘振現象，影響系統的性能和空壓機的使用壽命。

離心式空壓機通常有兩種方案，一種是使用增速器+滾珠軸承的方案，電機轉速較低，缺點是結構復雜，需要油潤滑(存在污染氧氣可能)，增速器壽命短；另一種是動壓空氣懸浮軸承，空氣間隙小、起動時干摩擦，對軸承精度、耐磨性等要求高，在耐振動沖擊和啟停次數上有一定限制。

2. 螺桿式空壓機

螺桿式空壓機是通過兩個相互嚙合的轉子之間的空氣槽來壓縮空氣。它的特點是結構簡單、高效、可靠，具有寬的流量范圍和良好的壓比/流量特性。雙螺桿式空壓機在螺桿之間形成壓縮腔，公母螺桿之間容腔逐漸縮小，氣體壓力從而逐漸升高，可稱之為“內壓縮”。

內壓縮對空氣質量要求較高，空氣中顆粒會磨損螺桿造成密封問題，螺桿上一般有耐磨涂層。內壓縮易形成高壓縮比，高壓比時功耗相對離心式羅茨式功耗低。對螺桿形狀和軸承精度要求高，采用滾珠軸承，采用機油潤滑方式。

螺桿式空壓機原理

與羅茨式空壓機類似，雙螺桿式空壓機工作范圍寬廣，也適應于全功率燃料電池發動機，空壓機高頻噪音較大，每個工況點噪音頻譜不同，需針對性設計消音器。

3.滑片式空壓機

也叫旋轉葉片式壓縮機，是通過轉動葉片來實現氣體壓縮，將機械能轉化成風能的一種壓縮機，屬于容積式壓縮機的一種。它具備結構簡潔、體積小、重量輕，適用于多種對空間和重量有要求的設備和場所，噪音低、操作簡單可靠性高、操作維修保養方便，售價也便宜的特點。正常使用情況下，5萬小時約10年無需更換主機頭金屬零件，節省龐大的維修費。

4.活塞式空壓機

活塞式空壓機是通過活塞在氣缸內往復運動，使氣體受到壓縮。它的特點是結構簡單、成本低、維護方便，但效率較低，且體積較大。

5. 羅茨式空壓機

羅茨式空壓機是利用兩個轉子的相互嚙合，使氣體受到壓縮。它的特點是結構簡單、維護方便，但效率較低，且噪聲較大。

羅茨式空壓機轉子間容腔不發生變化，依靠把空氣擠壓到外部較小容腔內，外部容腔空氣密度不斷升高，從而產生壓力，稱之為“外壓縮”。

羅茨式采用轉子和泵殼間容積壓縮的方式，轉子和泵殼之間間距小于1mm，熱脹冷縮容易卡殼，對泵殼機械強度要求高。羅茨式轉子采用擠壓生成，外壓縮對轉子精度及耐磨性不高，生產成本低。由于采用滾珠軸承，采用機油潤滑方式。羅茨式空壓機工作范圍寬廣，適應于全功率燃料電池發動機。但是羅茨式空壓機高頻噪音很大，每個工況點噪音頻譜不同，需要針對性設計消音器。

燃料電池用空氣壓縮機的要求

燃料電池用空氣壓縮機的要求主要包括：保證一定壓力和流量的能力、無油要求、高效率、小型化和低成本、低噪聲以及快速的響應能力。這些特點旨在確保燃料電池系統能夠高效、安全且經濟地運行。

1、無油要求

潤滑油會使電堆發生中毒，所以燃料電池系統要求空壓機采用水潤滑軸承或空氣軸承，確保在工作過程中不會有油混入壓縮空氣中，從而保障燃料電池的正常運行。例如在質子交換膜燃料電池中，潤滑油膜覆蓋質子交換膜和催化劑會隔絕氫氧電化學反應，因此無油是空壓機的基本要求之一 。

2、高效要求

空壓機的寄生功率巨大，其效率直接影響著燃料電池系統的性能。高效的空壓機能夠減少能量的損耗，提高整個燃料電池系統的效率，降低能耗成本等 。

3、小型化和低成本要求

燃料電池受其功率密度和成本的限制，空壓機的小型化和低成本有助于燃料電池汽車的產業化。小型化可以使整個燃料電池系統的結構更加緊湊，而低成本則有利于大規模的推廣和應用 。

4、低噪聲要求

空壓機是燃料電池系統最大的噪聲源之一，必須對其噪聲進行控制，以滿足使用場景的需求，例如在汽車等對噪聲要求較高的應用場景中，低噪聲的空壓機能夠提升乘坐的舒適性等 。

5、喘振線在小流量區要求

這樣可以實現燃料電池在小流量高壓比工況下高效地運行，確保在不同工況下燃料電池系統都能穩定、高效地工作。

6、良好的動態響應能力要求

當需求功率發生變化時，空氣流量和壓力需無延遲地進行調整，以跟蹤輸出功率的變化。例如車用動力系統會從“氫電鋰電混合”走向氫電全功率驅動，空壓機需要在每個工況下都能及時提供指定壓縮空氣 。

7、滿足壓力和流量要求

要根據電堆的輸出功率，為燃料電池供應所需壓力和流量的干凈空氣。在空氣供應系統中，空氣的壓力和流量對燃料電池系統的性能（能量密度、系統效率、水平衡和熱損失）、成本和電堆的尺寸等有很大的影響。例如要將空氣壓縮到0.13 - 0.32MPa的壓力，以滿足燃料電池電化學反應的需求。

燃料電池空壓機的測試方法

燃料電池空壓機的測試方法因其復雜性和特殊性而有多種不同的設計和技術方案。例如，一種帶膨脹機的燃料電池空壓機性能測試方法包括以下幾個主要步驟和技術要點:

建立模擬系統：首先建立一個燃料電池模擬系統，該系統通過管路與空壓機的排氣口和膨脹機的進氣口相連。模擬系統的作用是對空壓機排出的氣體進行模擬消耗、換熱和增濕處理，然后將處理后的氣體供入分水器。

冷卻系統配置：設置一個空壓機冷卻系統，用于冷卻壓縮機的電機和控制器。冷卻系統包括恒溫水箱，通過管路經第一水泵與壓縮機的控制器水道和電機水道相連。

數據采集與記錄：使用儀表對壓縮機進氣口和排氣口的流量、壓力、溫度數據進行采集并記錄；同時，對膨脹機進氣口和排氣口的濕度、壓力、溫度數據進行采集并記錄。這些數據用于測試壓縮機、膨脹機以及整個系統的流量、壓比和功率。

分水器效率測試：通過儀表對分水器前后液體流量進行檢測，從而評估分水器的分水效率。

這種方法能夠更全面地評估帶膨脹機的燃料電池空壓機的整體性能，解決以往檢測系統獨立工作、功能不完整的問題。

測試時需要注意，相同轉速下，背壓閥逐漸關小，在接近喘振線時，背壓閥開度改變梯度要小。當背壓幾乎不變、沒有降低趨勢，可聽見離心機聲音異常，此時已經喘振，發現喘振后1-2s需要離開喘振區。

為了保證流量準確性、壓比準確性空壓機Map測試中，一般在空壓機進出口分別安裝溫壓傳感器和流量計，進出口流量計一般采用不同形式。

此外，當空壓機工作在最高轉速，一般不宜直接停機。由于停機過程產生的電能需要釋放，如果使用的電源不是雙向負載則不能吸收回饋的電能，可能會產生一些危害。值得注意的是，空氣軸承、雙螺桿空壓機，都對空氣質量有較高要求，測試前確認空濾已經可靠連接。

燃料電池空壓機的應用范圍

燃料電池空壓機的應用范圍主要集中在氫燃料電池汽車、新能源汽車、節能環保產業、燃料電池系統和工業領域。隨著技術的進步和市場的擴大，其應用范圍有望進一步拓寬。以下是燃料電池空壓機的一些具體應用范圍：

1. 氫燃料電池汽車

在氫燃料電池汽車中，燃料電池空壓機是燃料動力鋰電池陰極供氣系統的重要部件。它通過對進堆空氣進行增壓，可以提高燃料動力鋰電池的功率密度和效率，同時減小燃料動力鋰電池系統的尺寸。

2. 新能源汽車

隨著全球對環保和可持續發展的重視，新能源汽車市場呈現出快速增長的態勢。作為新能源汽車核心部件之一的燃料電池空壓機，其市場需求也隨之增加。

3. 節能環保產業

燃料電池空壓機符合節能環保產業的發展趨勢，國家政策的扶持和市場需求的增長為該行業發展提供了有力支持。

4. 燃料電池系統

燃料電池空壓機是為燃料電池系統提供壓縮空氣的關鍵設備，通過壓縮和輸送空氣，確保燃料電池堆的正常運行。空壓機的性能直接影響燃料電池系統的效率、穩定性和壽命。

5. 工業領域

燃料電池空壓機在工業領域也有廣泛的應用前景，如在化工、醫藥、食品等行業，它們可以為這些行業的工藝過程提供穩定的氣源。

燃料電池空壓機的四大趨勢

燃料電池空壓機的技術發展趨勢主要包括以下幾個方面：

1. 降噪技術

燃料電池空壓機是燃料電池電動汽車的大噪聲源，高速時噪聲較大，因此，降噪技術將是燃料電池空壓機技術的一個重要發展方向。江蘇毅合捷汽車科技股份有限公司已經取得了一種氫燃料電池空壓機的降噪裝置專利，通過隔音箱進行降噪，并且在隔音箱內部溫度超過預設值時，散熱孔蓋合機構、散熱風扇、出風口蓋合機構均進行打開，使得隔音箱內部溫度降低，且在降溫的過程中，通過減震機構對空壓機擠壓，減少空壓機產生的噪音。

2. 效率優化

燃料電池空壓機的效率直接影響燃料電池系統的整體性能。因此，如何提高燃料電池空壓機的效率將是研究的另一個重點。目前，科學家們正在努力尋找能夠替代鉑的催化劑材料，如碳基催化劑、金屬氮化物等。這些新材料不僅降低了成本，還能在一定程度上提高催化效率。氫氣生產技術的革新，在氫氣的生產方面，利用可再生能源進行水電解已成為一種趨勢。研究者們正致力于提高電解水的效率，以及采用其他方法如生物質轉化等來實現更環保的氫氣生產。

3. 系統集成與優化

通過優化燃料電池系統結構設計，提高氫氣流動及管理，可以顯著提升系統整體效率。燃料電池與其他能源系統的集成(如與電池、電容器結合)也成為提升續航能力的重要手段。

4. 體積小巧和輕量化

燃料電池空壓機的體積小巧和輕量化是其產業化的必然要求。在汽車上安裝，空壓機的小型化和低成本是燃料電池電動汽車產業化的必然要求。隨著技術的發展，燃料電池在電動汽車領域的應用也越來越廣泛。

綜上所述，燃料電池空壓機的技術發展趨勢將朝著降噪技術、效率優化、系統集成與優化、體積小巧和輕量化等方面發展。這些趨勢將推動燃料電池電動汽車的技術進步和市場應用。

燃料電池空壓機相關企業

國氫科技

國家電投集團氫能科技發展有限公司簡稱：國氫科技，于2017年5月注冊成立，位于北京市昌平區未來科學城南區國家電投集團創新基地，是由國家電投批準成立的氫能產業科技型企業。國家電力投資集團有限公司在氫燃料電池開發領域獲重大突破，完成了相關催化劑、擴散層、膜電極、雙極板、電堆組裝、系統控制、空壓機等系統設備自主研發，在實現燃料電池全產業鏈完全自主化的同時，部分性能指標達到了世界領先水平。 

濰坊富源  

濰坊富源增壓器有限公司創建于1958年，是國家認定的高新技術企業，是目前國內綜合實力最強的渦輪增壓技術公司之一。該公司生產的“氫燃料電池用空氣懸浮離心壓縮機”采用“空氣懸浮軸承”、“高速電機直驅”等高端技術，目前該款壓縮機已成功配套國內燃料電池骨干廠家。該款壓縮機經國內專家鑒定，技術達到國際先進水平，被納入到工信部科技成果庫。

雪人股份  

福建雪人股份有限公司長期從事空壓機研發制造及燃料電池相關產品的研發，在氫燃料電池核心零部件(空壓機、氫氣循環泵)及液氫、加氫設備方面進行技術積累以及技術布局。目前已有氫燃料電池系統、氫燃料電池空壓機、氫氣循環泵、氫氣壓縮與氫氣液化等產品，并獲得IATF16949質量體系認證(汽車行業技術質量管理標準)。 

漢鐘精機  

1994年，漢鐘第一家壓縮機公司在中國臺灣創立。兩年后，早已瞄準大陸市場的廖哲男先生和初期干部在大陸設立了辦事處,成立了“漢鐘”壓縮機品牌。2019年1月，漢鐘精機表示，公司已研發出應用于燃料電池產業的空氣壓縮機產品，目前正和下游積極配合，處于測試階段。 

金通靈

金通靈科技集團股份有限公司(以下簡稱“金通靈”)成立于1993年，是一家集研發、制造于一體的技術密集型現代化高端裝備制造服務型企業，國內流體制造龍頭公司。江蘇金通靈氫能機械科技有限公司為其全資子公司，2018年成立，以獨立事業部的形式切入氫能板塊的發展。金通靈是卓越的風機和壓縮機制造商，擁有豐富的渦輪機械制造經驗，隨著國外尖端氫能技術的引進，公司將不斷開發、消化、吸收國外氫燃料電池壓縮機核心技術，突破高效率三元流葉輪、空氣軸承、高速電機、高速變頻控制器等關鍵技術，解決離心式氫燃料電池壓縮機設計制造難題，掌握氣動與熱力計算、轉子系統穩定性及強度計算、空氣軸承結構設計、高速電機設計、高速變頻控制系統等技術難題，實現氫燃料電池壓縮機產品的國產化。

素材來源：燃料電池干貨、燃料電池工程師、氫能與燃料電池小課堂等