燃料電池超大功率，空壓機如何适配？

随着氫燃料電池行業的快速發展，關鍵部件空壓機領域“風雲乍起”：一是，受示範政策影響，市場需求量顯著提升。高工産研氫電研究所（GGII）調研資料顯示，2021年燃料電池空壓機出貨量約7300台左右，2020年的出貨量是4068台，同比增長79.5%。

二是，在技術路線方面，多數企業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産品發展趨勢，同時在針對産品進行更長壽命、更長質保的持續優化。相關企業包括勢加透博、金士頓、毅合捷、蜂巢蔚領、海德韋爾、東德實業等。

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等方面展開，以期業界對目前國内空壓機的發展有較為全面而客觀的認知。

主流供應商“湧向”能量回收技術

空壓機是燃料電池系統的“肺”，重要性不言而喻。在整個燃料電池發展過程中，業界曾嘗試過多種空壓機技術路線，比如離心式、螺杆式、羅茨式、渦旋式等。随着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勢愈發凸顯，經過實際裝車驗證，在技術上較為成熟。

不過，空壓機技術路線還需進一步向前疊代更新。

“為了滿足重卡等應用需求，新開發的氫燃料電池系統功率都已經達到120kW，甚至更高。如果繼續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）要從現在的15%-20%增大5%以上，這就意味着氫燃料電池空壓機的效率要降低5%以上。”海德韋爾總經理顧茸蕾表示。

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，系統僅可以輸出200 kW的電能。這種經濟性是很低的。”

那麼該如何适配氫燃料電池系統功率增大的需求，又能同時降低空壓機的寄生功耗？為了解決這一問題，目前國内主流燃料電池空壓機供應商的選擇是：探索開發更大功率級别的采用透平能量回收技術路線的空壓機産品，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，進而降低空壓機對于電源功率的需求。

在這方面已經展開布局的企業有：勢加透博、金士頓、東德實業、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；蜂巢蔚領已經幫助6-7家客戶完成系統台架性能測試，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；東德實業表示，在能量回收方面即将推出與國内知名廠家合作研發的重磅産品。

“對于功率比較小的電堆或者系統，我們認為兩級壓縮空氣系統已能滿足現在的一些需求，但對大功率燃料電池産品，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。“毅合捷市場産品部總監龔震浩表示。

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杜洪水算了一筆賬：“以200kW的系統為例，傳統兩級空壓機的寄生功率約為45kW，根據電堆出口（進入渦輪機）的餘熱餘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效率54%、平均發電負荷50%計算，每小時可節省氫氣0.191kg，節省成本6.7元（氫氣35元/kg），運作10000小時累計節氫1907kg節省成本66753元。”

目前國内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的空壓機産品（下稱“膨脹機”）是否已經走向市場？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産品還非常少的，基本上還沒有看到樣品。”多家燃料電池系統廠商向高工氫電回報。

呈現這種情況，主要源于三方面：其一，膨脹機需要和燃料電池進行內建，這就需要膨脹機産品能夠與電堆、系統進行性能比對。“這與配置兩級離心式空壓機不同，這裡面涉及到的因素是非常複雜的，做這種産品是需要花時間研發的，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的壽命、可靠性帶去一定影響。這個問題該怎麼優化？目前已有個别空壓機企業能夠從渦輪自身塗層、材料更新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空壓機企業面前的一個難題。

其三，在市場層面，目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，也是最經濟的方法。但是，現在實際的應用都不需要跑到額定功率點，是以經濟性在實際應用中還展現不出來，是以市場還不着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，有能力并願意來試驗膨脹機的系統廠商也不多。這在一定程度上影響了膨脹機“面市”的程序。

“挑戰是客觀存在的，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，應該會有穩定的産品推出并得到一定的應用。”業界一緻認為。