新能源汽车燃料电池 成为压缩机新兴市场契机

　　国内外重视新能源汽车，燃料电池成为压缩机企业重要切口

　　据英国《汽车新闻》7月26日报道，英环境部长迈克尔戈夫25日证实，英国将于2040年起全面禁止汽油车与柴油车的销售，以实现10年内道路零排放的环保目标。此前，法国也有计划2040年停止所有燃油车销售。禁止使用化石能源汽车，欧洲纷纷推出限柴令，能够替代化石能源的只有新能源，也许在2040年以后，行走在道路两旁的人再也不用闻到让人难受的汽油味了。

　　中国新能源汽车起步较晚，但也一直在探索中。新能源汽车包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源汽车等。目前，国内83%的新能源汽车以电力为主，欧美掌握混合动力和燃料电池动力技术。

　　燃料电池是新能源汽车重要的动力之一。燃料电池电动汽车利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下，在燃料电池中经电化学反应产生的电能作为主要动力，因为主要材料是氢气和氧气，氢气燃烧产生的能量高，并且二者反应后产生的化合物是水，相比较传统的化石能源更加的高效环保，因而成为新能源汽车必须攻破的核心技术。

　　燃料电池汽车由燃料电池系统、储氢瓶、驱动电机、整车控制系统 、辅助电池系统构成。燃料电池系统占整车成本约 63%，由燃料电池堆（催化剂、双极板、质子交换膜），空气循环系统、供氢和水/热管理系统构成。燃料电池汽车的核心部件离不开空气压缩机，新能源汽车发展迅速，燃料电池可能会成为空压机进入新能源汽车领域的切口。

　　燃料电池汽车清洁高效，核心部件之一是空气压缩机

　　燃料电池堆工作原理：利用质子交换膜技术，使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下，在阳极将氢气催化分解成为质子，这些质子通过质子交换膜到达阴极，在氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引出到阴极，这样就产生了电能。

　　氢气循环系统工作原理：车载储氢瓶里的氢气 经过减压/稳压阀后，压力降为所需要求，再通过电动调节阀、压力传感器、流量计和加湿器进入电堆进行反应，少量多余的氢气进入氢气再循环系统，或经过处理后排入大气。

　　空气循环系统成本占电池系统22%，耗能占输出功率20~30%。空气循环系统主要由空气压缩机、膨胀机、电机、连接管道等组成，总成本占燃料电池系统的22%，工作能耗占燃料电池输出功率的20~30%。

　　质子交换膜燃料电池（PEMFC）的系统工作原理：空气通过压缩机增压之后，经过加湿处理送入到燃料电池反应堆，在那里和来自于氢源的氢气发生电化学反应，输出电能用于动力输出。 输入气体在消耗了部分氧气之后，压力有所下降，排出反应堆，通过分水，去雾之后，通过膨胀器从压力气体中回收部分压力能，将其转化为机械能反馈到空气压缩机，从而节省供气单元所需要的电能。

　　燃料电池系统核心零部件：电堆、空气循环系统和氢气循环系统。其中，空气循环系统能否高效运作直接决定着新能源汽车的质量，而空气循环系统必不可少的核心部件就是空气压缩机。

　　在相同电流密度下，随着供气压力的提高，电池的输出电压也将出现相应的升高，从而提高了燃料电池的输出功率。提高反应压力对于燃料电池内的水/热管理有明显的改进。燃料电池中的水管理的目的是保持燃料电池入口空气的湿润所需要的水量、电池内电化学反应所产生的水，以及从电堆出口回收的水的总和相平衡，一旦这个平衡被打破，燃料电池就无法正常工作。在低压的条件下，空气的含水量将增加，同时低压将减缓燃料电池的电化学反应，所以更多的水分被排出到大气中，水平衡就有可能被打破。20％～30％的燃料电池输出功率将被用于提升空气的压力，占附加能耗的95%。以压缩机为主要部件的空气管理系统也就成为了除驱动电机之外燃料电池最大的能量消耗部件，其综合性能在很大程度上决定了装备燃料电池的电动汽车性能，因此研究高效、紧凑、可靠和低成本的空气管理系统就成为了当前车载燃料电池研究领域中的重要任务。

　　技术壁垒高，涡旋和双螺杆空压机是目前主流技术路线

　　由于燃料电池的特殊要求，供气循环系统有很多待解决的技术难点，使目前广泛应用的工业压缩机无法满足燃料电池电动汽车的需求。一方面，为了保证质子交换膜具有良好的工作特性，要求供气系统供给燃料电池堆的压缩空气绝对干净。另一方面，为了保证PEMFC具有较好的综合性能，要求供气子系统能够根据燃料电池输出功率的大小及时调整供气量与供气压力，并具有结构紧凑、重量轻、噪声低、可靠性高、能量可回收等特点。

　　燃料汽车需要较高的能量转化率，在车辆行使过程中，空气压缩机工作的动力来源是燃料电池的电能输出，若压缩机占用较多的输出电能，必然会减少汽车的驱动功率从而影响整车的性能；燃料电池中的质子交换膜要求压缩空气完全无油，并且具有一定的湿度，因此通常使用的喷油冷却压缩机就不适合应用在这一领域。

　　此外，还需要提供压力相当高、低流量的干净空气，必须不含任何碳氢化合物，如油；为了获得运行效率，压缩机需要在全负荷时的任何时间都能高效地工作，在宽的流量范围能都能高效工作，能够无延迟的调整燃料电池的功率输出；车载环境要求压缩机部件在能够提供较大空气排量的同时具有非常小的质量、体积以及高可靠性；燃料电池运行时无声，压缩机必须控制噪声。

　　新能源汽车的特性为空气压缩机提出了新要求，为满足压缩机的低成本、低噪音和耐久性目标，必须为压缩机关键部件开发具有低成本、稳定摩擦性能以及耐磨的涂层和材料。旋转容积式压缩机和涡轮式压缩机是目前的研究运用重点。各类压缩机都各具特点，需要对其弱点进行研究并加以克服，从而满足燃料电池的需要。从效率和可靠性来看，涡轮和螺杆空气压缩机是目前被认为最优的两种技术路线，也是未来运用趋势。

　　螺杆压缩机：目前美国通用、Plug Power、德国 Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料电池中都采用了螺杆压缩机压缩机/膨胀机供气系统。德国大众公司在Bora燃料电池发动机汽车上采用的喷水螺杆压缩机，是2002年国际燃料电池技术的重大进展之一。

　　涡旋压缩机：日本丰田（TOYOTA）、美国UTC等公司的燃料电池系统采用了涡旋机械作为其供气系统的核心部件。

　　国内相关压缩机技术欠缺，未来市场前景广阔

　　目前，新能源汽车的核心技术，国内还比较欠缺，缺少效率高而且能够为燃料电池提供清洁无油气体的空压机。国内也一直在补贴支持新能源汽车技术，还将开发新能源技术写进了《“十三五”规划》之中，国内新能源汽车数量也在快速增长之中。

　　新能源汽车的爆发式增长必将带来新能源汽车领域空压机的需求，但是新能源汽车因有噪音小、空气洁净无油以及转化率高等性能要求，在为压缩机行业创造新市场的同时，也提出了新的技术挑战。