新能源汽車燃料電池 成為壓縮機(jī)新興市場契機(jī)

　　國內(nèi)外重視新能源汽車，燃料電池成為壓縮機(jī)企業(yè)重要切口

　　據(jù)英國《汽車新聞》7月26日報道，英環(huán)境部長邁克爾戈夫25日證實(shí)，英國將于2040年起全面禁止汽油車與柴油車的銷售，以實(shí)現(xiàn)10年內(nèi)道路零排放的環(huán)保目標(biāo)。此前，法國也有計劃2040年停止所有燃油車銷售。禁止使用化石能源汽車，歐洲紛紛推出限柴令，能夠替代化石能源的只有新能源，也許在2040年以后，行走在道路兩旁的人再也不用聞到讓人難受的汽油味了。

　　中國新能源汽車起步較晚，但也一直在探索中。新能源汽車包括純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車、氫發(fā)動機(jī)汽車、其他新能源汽車等。目前，國內(nèi)83%的新能源汽車以電力為主，歐美掌握混合動力和燃料電池動力技術(shù)。

　　燃料電池是新能源汽車重要的動力之一。燃料電池電動汽車?yán)脷錃夂涂諝庵械难踉诖呋瘎┑淖饔孟?，在燃料電池中?jīng)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能作為主要動力，因?yàn)橹饕牧鲜菤錃夂脱鯕?，氫氣燃燒產(chǎn)生的能量高，并且二者反應(yīng)后產(chǎn)生的化合物是水，相比較傳統(tǒng)的化石能源更加的高效環(huán)保，因而成為新能源汽車必須攻破的核心技術(shù)。

　　燃料電池汽車由燃料電池系統(tǒng)、儲氫瓶、驅(qū)動電機(jī)、整車控制系統(tǒng) 、輔助電池系統(tǒng)構(gòu)成。燃料電池系統(tǒng)占整車成本約 63%，由燃料電池堆（催化劑、雙極板、質(zhì)子交換膜），空氣循環(huán)系統(tǒng)、供氫和水/熱管理系統(tǒng)構(gòu)成。燃料電池汽車的核心部件離不開空氣壓縮機(jī)，新能源汽車發(fā)展迅速，燃料電池可能會成為空壓機(jī)進(jìn)入新能源汽車領(lǐng)域的切口。

　　燃料電池汽車清潔高效，核心部件之一是空氣壓縮機(jī)

　　燃料電池堆工作原理：利用質(zhì)子交換膜技術(shù)，使氫氣在覆蓋有催化劑的質(zhì)子交換膜作用下，在陽極將氫氣催化分解成為質(zhì)子，這些質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，在氫氣的分解過程中釋放出電子，電子通過負(fù)載被引出到陰極，這樣就產(chǎn)生了電能。

　　氫氣循環(huán)系統(tǒng)工作原理：車載儲氫瓶里的氫氣 經(jīng)過減壓/穩(wěn)壓閥后，壓力降為所需要求，再通過電動調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器、流量計和加濕器進(jìn)入電堆進(jìn)行反應(yīng)，少量多余的氫氣進(jìn)入氫氣再循環(huán)系統(tǒng)，或經(jīng)過處理后排入大氣。

　　空氣循環(huán)系統(tǒng)成本占電池系統(tǒng)22%，耗能占輸出功率20~30%。空氣循環(huán)系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、電機(jī)、連接管道等組成，總成本占燃料電池系統(tǒng)的22%，工作能耗占燃料電池輸出功率的20~30%。

　　質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的系統(tǒng)工作原理：空氣通過壓縮機(jī)增壓之后，經(jīng)過加濕處理送入到燃料電池反應(yīng)堆，在那里和來自于氫源的氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，輸出電能用于動力輸出。 輸入氣體在消耗了部分氧氣之后，壓力有所下降，排出反應(yīng)堆，通過分水，去霧之后，通過膨脹器從壓力氣體中回收部分壓力能，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能反饋到空氣壓縮機(jī)，從而節(jié)省供氣單元所需要的電能。

　　燃料電池系統(tǒng)核心零部件：電堆、空氣循環(huán)系統(tǒng)和氫氣循環(huán)系統(tǒng)。其中，空氣循環(huán)系統(tǒng)能否高效運(yùn)作直接決定著新能源汽車的質(zhì)量，而空氣循環(huán)系統(tǒng)必不可少的核心部件就是空氣壓縮機(jī)。

　　在相同電流密度下，隨著供氣壓力的提高，電池的輸出電壓也將出現(xiàn)相應(yīng)的升高，從而提高了燃料電池的輸出功率。提高反應(yīng)壓力對于燃料電池內(nèi)的水/熱管理有明顯的改進(jìn)。燃料電池中的水管理的目的是保持燃料電池入口空氣的濕潤所需要的水量、電池內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的水，以及從電堆出口回收的水的總和相平衡，一旦這個平衡被打破，燃料電池就無法正常工作。在低壓的條件下，空氣的含水量將增加，同時低壓將減緩燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)，所以更多的水分被排出到大氣中，水平衡就有可能被打破。20％～30％的燃料電池輸出功率將被用于提升空氣的壓力，占附加能耗的95%。以壓縮機(jī)為主要部件的空氣管理系統(tǒng)也就成為了除驅(qū)動電機(jī)之外燃料電池最大的能量消耗部件，其綜合性能在很大程度上決定了裝備燃料電池的電動汽車性能，因此研究高效、緊湊、可靠和低成本的空氣管理系統(tǒng)就成為了當(dāng)前車載燃料電池研究領(lǐng)域中的重要任務(wù)。

　　技術(shù)壁壘高，渦旋和雙螺桿空壓機(jī)是目前主流技術(shù)路線

　　由于燃料電池的特殊要求，供氣循環(huán)系統(tǒng)有很多待解決的技術(shù)難點(diǎn)，使目前廣泛應(yīng)用的工業(yè)壓縮機(jī)無法滿足燃料電池電動汽車的需求。一方面，為了保證質(zhì)子交換膜具有良好的工作特性，要求供氣系統(tǒng)供給燃料電池堆的壓縮空氣絕對干凈。另一方面，為了保證PEMFC具有較好的綜合性能，要求供氣子系統(tǒng)能夠根據(jù)燃料電池輸出功率的大小及時調(diào)整供氣量與供氣壓力，并具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、噪聲低、可靠性高、能量可回收等特點(diǎn)。

　　燃料汽車需要較高的能量轉(zhuǎn)化率，在車輛行使過程中，空氣壓縮機(jī)工作的動力來源是燃料電池的電能輸出，若壓縮機(jī)占用較多的輸出電能，必然會減少汽車的驅(qū)動功率從而影響整車的性能；燃料電池中的質(zhì)子交換膜要求壓縮空氣完全無油，并且具有一定的濕度，因此通常使用的噴油冷卻壓縮機(jī)就不適合應(yīng)用在這一領(lǐng)域。

　　此外，還需要提供壓力相當(dāng)高、低流量的干凈空氣，必須不含任何碳?xì)浠衔?，如油；為了獲得運(yùn)行效率，壓縮機(jī)需要在全負(fù)荷時的任何時間都能高效地工作，在寬的流量范圍能都能高效工作，能夠無延遲的調(diào)整燃料電池的功率輸出；車載環(huán)境要求壓縮機(jī)部件在能夠提供較大空氣排量的同時具有非常小的質(zhì)量、體積以及高可靠性；燃料電池運(yùn)行時無聲，壓縮機(jī)必須控制噪聲。

　　新能源汽車的特性為空氣壓縮機(jī)提出了新要求，為滿足壓縮機(jī)的低成本、低噪音和耐久性目標(biāo)，必須為壓縮機(jī)關(guān)鍵部件開發(fā)具有低成本、穩(wěn)定摩擦性能以及耐磨的涂層和材料。旋轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)和渦輪式壓縮機(jī)是目前的研究運(yùn)用重點(diǎn)。各類壓縮機(jī)都各具特點(diǎn)，需要對其弱點(diǎn)進(jìn)行研究并加以克服，從而滿足燃料電池的需要。從效率和可靠性來看，渦輪和螺桿空氣壓縮機(jī)是目前被認(rèn)為最優(yōu)的兩種技術(shù)路線，也是未來運(yùn)用趨勢。

　　螺桿壓縮機(jī)：目前美國通用、Plug Power、德國 Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料電池中都采用了螺桿壓縮機(jī)壓縮機(jī)/膨脹機(jī)供氣系統(tǒng)。德國大眾公司在Bora燃料電池發(fā)動機(jī)汽車上采用的噴水螺桿壓縮機(jī)，是2002年國際燃料電池技術(shù)的重大進(jìn)展之一。

　　渦旋壓縮機(jī)：日本豐田（TOYOTA）、美國UTC等公司的燃料電池系統(tǒng)采用了渦旋機(jī)械作為其供氣系統(tǒng)的核心部件。

　　國內(nèi)相關(guān)壓縮機(jī)技術(shù)欠缺，未來市場前景廣闊

　　目前，新能源汽車的核心技術(shù)，國內(nèi)還比較欠缺，缺少效率高而且能夠?yàn)槿剂想姵靥峁┣鍧崯o油氣體的空壓機(jī)。國內(nèi)也一直在補(bǔ)貼支持新能源汽車技術(shù)，還將開發(fā)新能源技術(shù)寫進(jìn)了《“十三五”規(guī)劃》之中，國內(nèi)新能源汽車數(shù)量也在快速增長之中。

　　新能源汽車的爆發(fā)式增長必將帶來新能源汽車領(lǐng)域空壓機(jī)的需求，但是新能源汽車因有噪音小、空氣潔凈無油以及轉(zhuǎn)化率高等性能要求，在為壓縮機(jī)行業(yè)創(chuàng)造新市場的同時，也提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。