科普 | 什么是燃料电池空气压力机？

燃料电池被公认为有重大发展前景的新型能源之一，供气子系统是确保燃料电池高效、平稳、可靠运行的重要组成部分。空气压缩机作为供气系统的核心设备，随着研究的不断深入，其研究正逐渐成为压缩机行业的一个热点。

燃料电池空气压力机的定义

燃料电池空气压力机，也称为“燃料电池空压机”，是氢燃料电池系统中一个重要的组成部分。它的主要作用是为氢燃料电池提供电化学反应所需的氧气，通过压缩空气并将其输送至燃料电池堆的阴极。这样可以提高燃料电池的功率密度和效率，同时减小系统的整体尺寸。

在燃料电池的核心零部件中，如果说电堆是燃料电池的“心脏”，提供能量；那么燃料电池空压机就是燃料电池的“肺”，为电堆提供适量适压的氧气。在工程实际中，除了电堆之外，空压机往往是最需要解决的瓶颈。

燃料电池空气压力机是燃料电池系统中不可或缺的组件，它负责提供燃料电池所需的高压和流量稳定的氧气。随着技术的发展，对空压机的要求越来越高，不仅在性能上要有保证，同时在耐用性和成本方面也要有所突破。未来的研究将继续聚焦于提高空压机的耐久性，降低其成本，以推动燃料电池汽车的商业化和普及。

燃料电池空压机的类型

燃料电池空气压力机的类型主要有以下几种：

1. 离心式空压机

离心式空压机是一种利用高速旋转的叶轮将气体加速，并通过扩压器将动能转化为压力能的空压机。它的特点是结构紧凑、响应快、寿命长和效率高。离心式空压机在氢燃料电池中的应用较为广泛，尤其是在需要无油和小型化的场合。但是，它在低流量时可能会发生喘振现象，影响系统的性能和空压机的使用寿命。

离心式空压机通常有两种方案，一种是使用增速器+滚珠轴承的方案，电机转速较低，缺点是结构复杂，需要油润滑(存在污染氧气可能)，增速器寿命短；另一种是动压空气悬浮轴承，空气间隙小、起动时干摩擦，对轴承精度、耐磨性等要求高，在耐振动冲击和启停次数上有一定限制。

2. 螺杆式空压机

螺杆式空压机是通过两个相互啮合的转子之间的空气槽来压缩空气。它的特点是结构简单、高效、可靠，具有宽的流量范围和良好的压比/流量特性。双螺杆式空压机在螺杆之间形成压缩腔，公母螺杆之间容腔逐渐缩小，气体压力从而逐渐升高，可称之为“内压缩”。

内压缩对空气质量要求较高，空气中颗粒会磨损螺杆造成密封问题，螺杆上一般有耐磨涂层。内压缩易形成高压缩比，高压比时功耗相对离心式罗茨式功耗低。对螺杆形状和轴承精度要求高，采用滚珠轴承，采用机油润滑方式。

螺杆式空压机原理

与罗茨式空压机类似，双螺杆式空压机工作范围宽广，也适应于全功率燃料电池发动机，空压机高频噪音较大，每个工况点噪音频谱不同，需针对性设计消音器。

3.滑片式空压机

也叫旋转叶片式压缩机，是通过转动叶片来实现气体压缩，将机械能转化成风能的一种压缩机，属于容积式压缩机的一种。它具备结构简洁、体积小、重量轻，适用于多种对空间和重量有要求的设备和场所，噪音低、操作简单可靠性高、操作维修保养方便，售价也便宜的特点。正常使用情况下，5万小时约10年无需更换主机头金属零件，节省庞大的维修费。

4.活塞式空压机

活塞式空压机是通过活塞在气缸内往复运动，使气体受到压缩。它的特点是结构简单、成本低、维护方便，但效率较低，且体积较大。

5. 罗茨式空压机

罗茨式空压机是利用两个转子的相互啮合，使气体受到压缩。它的特点是结构简单、维护方便，但效率较低，且噪声较大。

罗茨式空压机转子间容腔不发生变化，依靠把空气挤压到外部较小容腔内，外部容腔空气密度不断升高，从而产生压力，称之为“外压缩”。

罗茨式采用转子和泵壳间容积压缩的方式，转子和泵壳之间间距小于1mm，热胀冷缩容易卡壳，对泵壳机械强度要求高。罗茨式转子采用挤压生成，外压缩对转子精度及耐磨性不高，生产成本低。由于采用滚珠轴承，采用机油润滑方式。罗茨式空压机工作范围宽广，适应于全功率燃料电池发动机。但是罗茨式空压机高频噪音很大，每个工况点噪音频谱不同，需要针对性设计消音器。

燃料电池用空气压缩机的要求

燃料电池用空气压缩机的要求主要包括：保证一定压力和流量的能力、无油要求、高效率、小型化和低成本、低噪声以及快速的响应能力。这些特点旨在确保燃料电池系统能够高效、安全且经济地运行。

1、无油要求

润滑油会使电堆发生中毒，所以燃料电池系统要求空压机采用水润滑轴承或空气轴承，确保在工作过程中不会有油混入压缩空气中，从而保障燃料电池的正常运行。例如在质子交换膜燃料电池中，润滑油膜覆盖质子交换膜和催化剂会隔绝氢氧电化学反应，因此无油是空压机的基本要求之一 。

2、高效要求

空压机的寄生功率巨大，其效率直接影响着燃料电池系统的性能。高效的空压机能够减少能量的损耗，提高整个燃料电池系统的效率，降低能耗成本等 。

3、小型化和低成本要求

燃料电池受其功率密度和成本的限制，空压机的小型化和低成本有助于燃料电池汽车的产业化。小型化可以使整个燃料电池系统的结构更加紧凑，而低成本则有利于大规模的推广和应用 。

4、低噪声要求

空压机是燃料电池系统最大的噪声源之一，必须对其噪声进行控制，以满足使用场景的需求，例如在汽车等对噪声要求较高的应用场景中，低噪声的空压机能够提升乘坐的舒适性等 。

5、喘振线在小流量区要求

这样可以实现燃料电池在小流量高压比工况下高效地运行，确保在不同工况下燃料电池系统都能稳定、高效地工作。

6、良好的动态响应能力要求

当需求功率发生变化时，空气流量和压力需无延迟地进行调整，以跟踪输出功率的变化。例如车用动力系统会从“氢电锂电混合”走向氢电全功率驱动，空压机需要在每个工况下都能及时提供指定压缩空气 。

7、满足压力和流量要求

要根据电堆的输出功率，为燃料电池供应所需压力和流量的干净空气。在空气供应系统中，空气的压力和流量对燃料电池系统的性能（能量密度、系统效率、水平衡和热损失）、成本和电堆的尺寸等有很大的影响。例如要将空气压缩到0.13 - 0.32MPa的压力，以满足燃料电池电化学反应的需求。

燃料电池空压机的测试方法

燃料电池空压机的测试方法因其复杂性和特殊性而有多种不同的设计和技术方案。例如，一种带膨胀机的燃料电池空压机性能测试方法包括以下几个主要步骤和技术要点:

建立模拟系统：首先建立一个燃料电池模拟系统，该系统通过管路与空压机的排气口和膨胀机的进气口相连。模拟系统的作用是对空压机排出的气体进行模拟消耗、换热和增湿处理，然后将处理后的气体供入分水器。

冷却系统配置：设置一个空压机冷却系统，用于冷却压缩机的电机和控制器。冷却系统包括恒温水箱，通过管路经第一水泵与压缩机的控制器水道和电机水道相连。

数据采集与记录：使用仪表对压缩机进气口和排气口的流量、压力、温度数据进行采集并记录；同时，对膨胀机进气口和排气口的湿度、压力、温度数据进行采集并记录。这些数据用于测试压缩机、膨胀机以及整个系统的流量、压比和功率。

分水器效率测试：通过仪表对分水器前后液体流量进行检测，从而评估分水器的分水效率。

这种方法能够更全面地评估带膨胀机的燃料电池空压机的整体性能，解决以往检测系统独立工作、功能不完整的问题。

测试时需要注意，相同转速下，背压阀逐渐关小，在接近喘振线时，背压阀开度改变梯度要小。当背压几乎不变、没有降低趋势，可听见离心机声音异常，此时已经喘振，发现喘振后1-2s需要离开喘振区。

为了保证流量准确性、压比准确性空压机Map测试中，一般在空压机进出口分别安装温压传感器和流量计，进出口流量计一般采用不同形式。

此外，当空压机工作在最高转速，一般不宜直接停机。由于停机过程产生的电能需要释放，如果使用的电源不是双向负载则不能吸收回馈的电能，可能会产生一些危害。值得注意的是，空气轴承、双螺杆空压机，都对空气质量有较高要求，测试前确认空滤已经可靠连接。

燃料电池空压机的应用范围

燃料电池空压机的应用范围主要集中在氢燃料电池汽车、新能源汽车、节能环保产业、燃料电池系统和工业领域。随着技术的进步和市场的扩大，其应用范围有望进一步拓宽。以下是燃料电池空压机的一些具体应用范围：

1. 氢燃料电池汽车

在氢燃料电池汽车中，燃料电池空压机是燃料动力锂电池阴极供气系统的重要部件。它通过对进堆空气进行增压，可以提高燃料动力锂电池的功率密度和效率，同时减小燃料动力锂电池系统的尺寸。

2. 新能源汽车

随着全球对环保和可持续发展的重视，新能源汽车市场呈现出快速增长的态势。作为新能源汽车核心部件之一的燃料电池空压机，其市场需求也随之增加。

3. 节能环保产业

燃料电池空压机符合节能环保产业的发展趋势，国家政策的扶持和市场需求的增长为该行业发展提供了有力支持。

4. 燃料电池系统

燃料电池空压机是为燃料电池系统提供压缩空气的关键设备，通过压缩和输送空气，确保燃料电池堆的正常运行。空压机的性能直接影响燃料电池系统的效率、稳定性和寿命。

5. 工业领域

燃料电池空压机在工业领域也有广泛的应用前景，如在化工、医药、食品等行业，它们可以为这些行业的工艺过程提供稳定的气源。

燃料电池空压机的四大趋势

燃料电池空压机的技术发展趋势主要包括以下几个方面：

1. 降噪技术

燃料电池空压机是燃料电池电动汽车的大噪声源，高速时噪声较大，因此，降噪技术将是燃料电池空压机技术的一个重要发展方向。江苏毅合捷汽车科技股份有限公司已经取得了一种氢燃料电池空压机的降噪装置专利，通过隔音箱进行降噪，并且在隔音箱内部温度超过预设值时，散热孔盖合机构、散热风扇、出风口盖合机构均进行打开，使得隔音箱内部温度降低，且在降温的过程中，通过减震机构对空压机挤压，减少空压机产生的噪音。

2. 效率优化

燃料电池空压机的效率直接影响燃料电池系统的整体性能。因此，如何提高燃料电池空压机的效率将是研究的另一个重点。目前，科学家们正在努力寻找能够替代铂的催化剂材料，如碳基催化剂、金属氮化物等。这些新材料不仅降低了成本，还能在一定程度上提高催化效率。氢气生产技术的革新，在氢气的生产方面，利用可再生能源进行水电解已成为一种趋势。研究者们正致力于提高电解水的效率，以及采用其他方法如生物质转化等来实现更环保的氢气生产。

3. 系统集成与优化

通过优化燃料电池系统结构设计，提高氢气流动及管理，可以显著提升系统整体效率。燃料电池与其他能源系统的集成(如与电池、电容器结合)也成为提升续航能力的重要手段。

4. 体积小巧和轻量化

燃料电池空压机的体积小巧和轻量化是其产业化的必然要求。在汽车上安装，空压机的小型化和低成本是燃料电池电动汽车产业化的必然要求。随着技术的发展，燃料电池在电动汽车领域的应用也越来越广泛。

综上所述，燃料电池空压机的技术发展趋势将朝着降噪技术、效率优化、系统集成与优化、体积小巧和轻量化等方面发展。这些趋势将推动燃料电池电动汽车的技术进步和市场应用。

燃料电池空压机相关企业

国氢科技

国家电投集团氢能科技发展有限公司简称：国氢科技，于2017年5月注册成立，位于北京市昌平区未来科学城南区国家电投集团创新基地，是由国家电投批准成立的氢能产业科技型企业。国家电力投资集团有限公司在氢燃料电池开发领域获重大突破，完成了相关催化剂、扩散层、膜电极、双极板、电堆组装、系统控制、空压机等系统设备自主研发，在实现燃料电池全产业链完全自主化的同时，部分性能指标达到了世界领先水平。 

潍坊富源  

潍坊富源增压器有限公司创建于1958年，是国家认定的高新技术企业，是目前国内综合实力最强的涡轮增压技术公司之一。该公司生产的“氢燃料电池用空气悬浮离心压缩机”采用“空气悬浮轴承”、“高速电机直驱”等高端技术，目前该款压缩机已成功配套国内燃料电池骨干厂家。该款压缩机经国内专家鉴定，技术达到国际先进水平，被纳入到工信部科技成果库。

雪人股份  

福建雪人股份有限公司长期从事空压机研发制造及燃料电池相关产品的研发，在氢燃料电池核心零部件(空压机、氢气循环泵)及液氢、加氢设备方面进行技术积累以及技术布局。目前已有氢燃料电池系统、氢燃料电池空压机、氢气循环泵、氢气压缩与氢气液化等产品，并获得IATF16949质量体系认证(汽车行业技术质量管理标准)。 

汉钟精机  

1994年，汉钟第一家压缩机公司在中国台湾创立。两年后，早已瞄准大陆市场的廖哲男先生和初期干部在大陆设立了办事处,成立了“汉钟”压缩机品牌。2019年1月，汉钟精机表示，公司已研发出应用于燃料电池产业的空气压缩机产品，目前正和下游积极配合，处于测试阶段。 

金通灵

金通灵科技集团股份有限公司(以下简称“金通灵”)成立于1993年，是一家集研发、制造于一体的技术密集型现代化高端装备制造服务型企业，国内流体制造龙头公司。江苏金通灵氢能机械科技有限公司为其全资子公司，2018年成立，以独立事业部的形式切入氢能板块的发展。金通灵是卓越的风机和压缩机制造商，拥有丰富的涡轮机械制造经验，随着国外尖端氢能技术的引进，公司将不断开发、消化、吸收国外氢燃料电池压缩机核心技术，突破高效率三元流叶轮、空气轴承、高速电机、高速变频控制器等关键技术，解决离心式氢燃料电池压缩机设计制造难题，掌握气动与热力计算、转子系统稳定性及强度计算、空气轴承结构设计、高速电机设计、高速变频控制系统等技术难题，实现氢燃料电池压缩机产品的国产化。

素材来源：燃料电池干货、燃料电池工程师、氢能与燃料电池小课堂等