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摘要：本文重點圍繞燃料電池空壓機技術路線的躍升、市場化進展及存在的技術挑戰(zhàn)等方面展開，以期業(yè)界對當前國內空壓機的發(fā)展有較為全面而客觀的認知。

隨著氫燃料電池行業(yè)的快速發(fā)展，關鍵部件空壓機領域“風云乍起”：一是，受示范政策影響，市場需求量顯著提升。高工產研氫電研究所（GGII）調研數(shù)據(jù)顯示，2021年燃料電池空壓機出貨量超7000臺，2020年的出貨量是4068臺，同比增長在70%以上。

二是，在技術路線方面，多數(shù)企業(yè)正在由兩級壓縮離心式空壓機向帶有能量回收裝置的空壓機拓展，以應對功率不斷增大的產品發(fā)展趨勢，同時在針對產品進行更長壽命、更長質保的持續(xù)優(yōu)化。相關企業(yè)包括勢加透博、金士頓、毅合捷、蜂巢蔚領、海德韋爾、東德實業(yè)等。

本文重點圍繞燃料電池空壓機技術路線的躍升、市場化進展及存在的技術挑戰(zhàn)等方面展開，以期業(yè)界對當前國內空壓機的發(fā)展有較為全面而客觀的認知。

主流供應商“涌向”能量回收技術

空壓機是燃料電池系統(tǒng)的“肺”，重要性不言而喻。在整個燃料電池發(fā)展過程中，業(yè)界曾嘗試過多種空壓機技術路線，比如離心式、螺桿式、羅茨式、渦旋式等。隨著燃料電池功率的快速提升，相比其他類型空壓機，兩級壓縮離心式空壓機優(yōu)勢愈發(fā)凸顯，經(jīng)過實際裝車驗證，在技術上較為成熟。

不過，空壓機技術路線還需進一步向前迭代升級。

“為了滿足重卡等應用需求，新開發(fā)的氫燃料電池系統(tǒng)功率都已經(jīng)達到120kW，甚至更高。如果繼續(xù)采用主流的兩級壓縮離心式空壓機技術，空壓機需要滿足的空氣流量和壓縮比都要大幅度提高，空壓機所消耗的電源功耗（寄生功耗）要從現(xiàn)在的15%-20%增大5%以上，這就意味著氫燃料電池空壓機的效率要降低5%以上。”海德韋爾總經(jīng)理顧茸蕾表示。

另一位燃料電池空壓機供應商也表示：“采用兩級壓縮離心式空壓機技術，電堆功率越大，空壓機寄生功耗越大，系統(tǒng)效率越低。以250kW的電堆為例，兩級壓縮離心式空壓機的寄生功率約為45kW，加上其他BOP耗能，系統(tǒng)僅可以輸出200 kW的電能。這種經(jīng)濟性是很低的。”

那么該如何適配氫燃料電池系統(tǒng)功率增大的需求，又能同時降低空壓機的寄生功耗？為了解決這一問題，目前國內主流燃料電池空壓機供應商的選擇是：探索開發(fā)更大功率級別的采用透平能量回收技術路線的空壓機產品，利用渦輪膨脹做功的原理，把電堆排氣中的一部分能量加以回收利用，從而降低空壓機對于電源功率的需求。

在這方面已經(jīng)展開布局的企業(yè)有：勢加透博、金士頓、東德實業(yè)、毅合捷、蜂巢蔚領、海德韋爾、華澗新能源等。其中毅合捷正在試制樣機；蜂巢蔚領已經(jīng)幫助6-7家客戶完成系統(tǒng)臺架性能測試，已有1-2家客戶在進行耐久性測試；海德韋爾帶能量回收系統(tǒng)的空壓機樣機VSEC系列已成功下線；華澗新能源正在對能量回收技術路線的空壓機樣品進行測試；東德實業(yè)表示，在能量回收方面即將推出與國內知名廠家合作研發(fā)的重磅產品。

“對于功率比較小的電堆或者系統(tǒng)，我們認為兩級壓縮空氣系統(tǒng)已能滿足現(xiàn)在的一些需求，但對大功率燃料電池產品，增加渦輪膨脹機進行能量回收，能夠降低空壓機功耗，提升空壓機效率。“毅合捷市場產品部總監(jiān)龔震浩表示。

在空壓機上增加渦輪膨脹機也能有效降低用氫成本。蜂巢蔚領燃料電池空壓機技術總監(jiān)杜洪水算了一筆賬：“以200kW的系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)兩級空壓機的寄生功率約為45kW，根據(jù)電堆出口（進入渦輪機）的余熱余壓能量不同使用帶能量回收的渦輪膨脹機可降低空壓機功耗15-30%，15%即可降低功耗6.75kW，按照低熱值氫以及燃料電池系統(tǒng)效率54%、平均發(fā)電負荷50%計算，每小時可節(jié)省氫氣0.191kg，節(jié)省成本6.7元（氫氣35元/kg），運行10000小時累計節(jié)氫1907kg節(jié)省成本66753元。”

目前國內主流空壓機供應商正集體往透平能量回收型空壓機的技術方向躍升。

這種技術路線預計何時能夠面市？

這種帶渦輪膨脹機系統(tǒng)的空壓機產品（下稱“膨脹機”）是否已經(jīng)走向市場？預計何時能夠裝車應用？

“這一技術路線在理論上講是可行的，但目前市場上的這種產品還非常少的，基本上還沒有看到樣品。”多家燃料電池系統(tǒng)廠商向高工氫電反饋。

呈現(xiàn)這種情況，主要源于三方面：其一，膨脹機需要和燃料電池進行集成，這就需要膨脹機產品能夠與電堆、系統(tǒng)進行性能匹配。“這與配置兩級離心式空壓機不同，這里面涉及到的因素是非常復雜的，做這種產品是需要花時間研發(fā)的，同時也是需要驗證的。”一家燃料電池空壓機供應商表示。

其二，膨脹機有它的可行性，但回收氣含有水分或其他雜質，會對回收裝置有腐蝕損傷，同時這種水分/雜質的存在也會對燃料電池系統(tǒng)的壽命、可靠性帶去一定影響。這個問題該怎么優(yōu)化？目前已有個別空壓機企業(yè)能夠從渦輪自身涂層、材料升級等方面對回收氣中的水分/雜質進行控制，但這個問題依然是擺在多數(shù)空壓機企業(yè)面前的一個難題。

其三，在市場層面，當前燃料電池市場是以政策導向而非以技術為導向。雖然膨脹機是提高額定功率點效率的最有效方法，也是最經(jīng)濟的方法。但是，現(xiàn)在實際的應用都不需要跑到額定功率點，所以經(jīng)濟性在實際應用中還體現(xiàn)不出來，因此市場還不著急在這方面投入太多精力。

此外，膨脹機的落地應用需要系統(tǒng)廠商配合試驗，一起來不斷驗證與提高。目前市場中有能力提供膨脹機的供應商不多，有能力并愿意來試驗膨脹機的系統(tǒng)廠商也不多。這在一定程度上影響了膨脹機“面市”的進程。

“挑戰(zhàn)是客觀存在的，但同時膨脹機本身也是符合燃料電池大功率發(fā)展趨勢的、是有一定的市場需求的。綜合來看，這種技術路線大約再需要一年左右的時間，應該會有穩(wěn)定的產品推出并得到一定的應用。”業(yè)界一致認為。 

原標題：燃料電池超大功率，空壓機如何適配？