一年前和很多投資人交流，提到燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，大家都會(huì)說(shuō)到電堆及核心組件和系統(tǒng)集成，但對(duì)空壓機(jī)的討論少之又少。而當(dāng)很多朋友開始坐上這些燃料電池汽車的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)，車輛的噪音較大，有一些還伴有很大的抖動(dòng)。當(dāng)然這可能跟非運(yùn)營(yíng)車輛乘坐較少有關(guān)。

香橙會(huì)研究院和產(chǎn)業(yè)內(nèi)不同層級(jí)的人士交流，在問(wèn)到氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，哪些關(guān)鍵零部件國(guó)產(chǎn)化進(jìn)度更快些時(shí)，很多從業(yè)者都表示是空壓機(jī)。

我們國(guó)家有哪些國(guó)產(chǎn)化進(jìn)度較快的燃料電池空壓機(jī)廠家，誰(shuí)又能最先勝出呢？

1

燃料電池空壓機(jī)不是簡(jiǎn)單的鼓風(fēng)機(jī)

其實(shí)，氫燃料電池汽車中，整個(gè)系統(tǒng)可以類比成一個(gè)發(fā)電機(jī)組，電堆相當(dāng)于一個(gè)反應(yīng)池，空壓機(jī)則是給其陰極供應(yīng)氧氣（空氣直接供給）的一個(gè)重要部件。目前主機(jī)廠層面，上汽已經(jīng)初步形成了以捷氫新能源為主的產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)；而集成方面，因?yàn)橛须妱?dòng)車金玉在前，已經(jīng)形成了一定的積累。

?圖1燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

?

資料來(lái)源：公開資料

燃料電池之所以使用空壓機(jī)，因?yàn)榭諌簷C(jī)工作過(guò)程中，通過(guò)對(duì)空氣進(jìn)行增壓，加大空氣的供給，即可增加氧氣的輸入，可以提高燃料電池的功率密度和運(yùn)行效率，同時(shí)減小燃料電池系統(tǒng)本身的尺寸。這個(gè)產(chǎn)品會(huì)影響燃料電池系統(tǒng)在整車應(yīng)用中的效率、水平衡等特性。

但空壓機(jī)也是燃料電池主要的一個(gè)噪音污染源和振動(dòng)源，其性能直接影響整車乘坐的舒適性。燃料電池反應(yīng)堆化學(xué)反應(yīng)對(duì)空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數(shù)非常敏感，這些因素都決定了廣泛應(yīng)用的工業(yè)壓縮機(jī)無(wú)法滿足燃料電池對(duì)空氣的高要求。

空壓機(jī)技術(shù)在國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，很多工業(yè)空壓機(jī)的聲名享譽(yù)海內(nèi)外，但是不是真正適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用于燃料電池汽車，我們接著看。

2

燃料電池使用空壓機(jī)的必須特性

典型的燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)是由空氣過(guò)濾器、空壓機(jī)、電機(jī)、中冷器、增濕器和膨脹機(jī)，而目前，高速離心式的壓縮機(jī)則無(wú)需使用膨脹機(jī)。從國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)了解到，很多螺桿產(chǎn)品也未使用這類膨脹機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行排氣能量的回收。

空壓機(jī)在做功過(guò)程中，效率、進(jìn)出壓縮比是性能的重要指標(biāo)，使用在燃料電池上，空壓機(jī)需要具備以下特性：

（1）在燃料電池的使用中的空壓機(jī)需要無(wú)油化，空壓機(jī)如果使用潤(rùn)滑油，會(huì)致使電堆發(fā)生中毒，因此空壓機(jī)需要采用水潤(rùn)滑軸承或空氣軸承。

（2）小型化及輕量化，提高空壓機(jī)的壓縮能力，可以通過(guò)增加容積，或者增加軸承轉(zhuǎn)速兩種方式，小型化高轉(zhuǎn)速是大勢(shì)所趨。

（3）乘坐車輛的舒適性需要低噪音，目前國(guó)內(nèi)的很多車輛噪音較大和空壓機(jī)密切相關(guān)，噪音源主要來(lái)自于空氣與管道之間的摩擦以及空壓機(jī)高機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的聲音及轉(zhuǎn)動(dòng)的聲音。

（4）規(guī)模化后成本可控，燃料電池受其功率密度和成本的限制，小型化和低成本有助?于燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化。據(jù)悉，在目前產(chǎn)業(yè)推進(jìn)的過(guò)程中，部分車企特別是進(jìn)行乘用車示范的車企，在國(guó)產(chǎn)化試驗(yàn)過(guò)程中，采取小體積高轉(zhuǎn)速進(jìn)口的空壓機(jī)，不但價(jià)位達(dá)到數(shù)十萬(wàn)，而且經(jīng)常供貨期漫長(zhǎng)。

（5）控制系統(tǒng)，車輛對(duì)需要功率變化較大，空壓機(jī)需要能夠及時(shí)地做出響應(yīng)，對(duì)空氣流量進(jìn)行控制，目前國(guó)內(nèi)在這一塊的積累較多，但硬件產(chǎn)品存在缺失。

圖2主流車載空壓機(jī)的性能對(duì)比

資料來(lái)源：國(guó)金證券研究所、香橙會(huì)研究院整理

一位侵淫該行業(yè)二十余年的行業(yè)專家曾對(duì)香橙會(huì)研究院說(shuō)，目前產(chǎn)品差異主要體現(xiàn)在多學(xué)科的技術(shù)儲(chǔ)備和工藝的缺失，目前國(guó)內(nèi)的絕大多數(shù)應(yīng)用在汽車上的空壓機(jī)解決了“有和沒(méi)有”的問(wèn)題，但是讓產(chǎn)品更加適用于燃料電池端則存在較大的問(wèn)題。

做個(gè)類比，做了很多年的一個(gè)吹風(fēng)機(jī)，國(guó)產(chǎn)的吹風(fēng)機(jī)可以使用，但是與進(jìn)口的用戶體驗(yàn)上存在巨大差距。

?

3

國(guó)內(nèi)外燃料電池空壓機(jī)市場(chǎng)幾個(gè)重要方向

?在2015年左右，無(wú)油潤(rùn)滑雙渦圈渦旋式空壓機(jī)是主要的技術(shù)方向，日本豐田(Toyota)、美國(guó)UTC等多家公司應(yīng)用于燃料電池上。美國(guó)DOE和Author D.Little公司合作完成包括28kW和50kW的兩代渦旋式空壓機(jī)的設(shè)計(jì)和制造。Author D.Little提供給DOE的這種空壓機(jī)能夠滿足最高功率輸出要求，但是空壓機(jī)耗功較大的問(wèn)題一直難以得到解決，同時(shí)體積和質(zhì)量較大。

圖3渦旋式壓縮機(jī)

?

資料來(lái)源：公開資料

?而包括GM、PlugPower、德國(guó)Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料電池中都采用了螺桿式壓縮機(jī)。這種空壓機(jī)，利用螺桿之間形成的空氣槽來(lái)壓縮空氣。

?圖4螺桿式壓縮機(jī)

資料來(lái)源：雪人公司網(wǎng)站

另一種是羅茨式空壓機(jī)，比較知名的就是美國(guó)伊頓與DOE共同研發(fā)的P級(jí)及R級(jí)產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)主要來(lái)源于電機(jī)和膨脹機(jī)。這種空壓機(jī)曾被空壓機(jī)行業(yè)的人士認(rèn)為是利用純機(jī)械壓縮原理將空氣壓縮做到極致的產(chǎn)品，低轉(zhuǎn)速提供較高的空氣輸入和高壓縮比。

?此外，有消息表明，在豐田株式會(huì)社的下屬企業(yè)中有向豐田提供羅茨發(fā)動(dòng)機(jī)的企業(yè)。羅茨空壓機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，在使用過(guò)程中雖然解決了小型化的問(wèn)題，但是據(jù)有乘坐的人員描述，羅茨空壓機(jī)并不能將噪音問(wèn)題進(jìn)行理想化的處理，而與電磁空壓機(jī)的對(duì)比中，考慮到羅茨的成本，就顯得該產(chǎn)品有些高不成低不就的感覺(jué)。

?圖5羅茨式壓縮機(jī)

資料來(lái)源：公開資料

這些利用機(jī)械軸承的空壓機(jī)因?yàn)槠湮锢碓O(shè)計(jì)，普遍存在質(zhì)量較大和噪音偏大的情況，目前在韓國(guó)、美國(guó)、日本本田等都普遍認(rèn)為離心式壓縮機(jī)為未來(lái)主流方向，這是一種無(wú)油、葉片高速空壓機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊密，對(duì)應(yīng)供給功率變化的響應(yīng)快，壽命長(zhǎng)，效率高，目前技術(shù)路線中采取水潤(rùn)滑方式居多，如同濟(jì)大學(xué)的樣機(jī)。但還有一些企業(yè)開始向空氣懸浮軸承技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證和樣機(jī)發(fā)布，空氣懸浮軸承能有效降低機(jī)械摩擦，利用電磁力學(xué)技術(shù)完成無(wú)摩擦的高速轉(zhuǎn)動(dòng)。

?圖6同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的離心式壓縮機(jī)樣機(jī)

資料來(lái)源：公開資料

其中，這種利用空氣懸浮軸承的設(shè)備不僅僅涉及了電磁力學(xué)、電磁場(chǎng)、系統(tǒng)控制、氣體動(dòng)力學(xué)、氣體流場(chǎng)的技術(shù)，還涉及了包括工程熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)、靜力學(xué)、電磁電勢(shì)耦合、振動(dòng)力學(xué)等等共計(jì)十幾個(gè)專業(yè)的復(fù)雜工藝。這些學(xué)科缺一不可，即使產(chǎn)生過(guò)多的熱量就是在汽車應(yīng)用上無(wú)法接受的。

目目前國(guó)際研發(fā)，霍尼韋爾一枝獨(dú)秀。

除了寶馬、現(xiàn)代等公司，香橙會(huì)研究院獲得的信息顯示，此前使用渦旋和羅茨空壓機(jī)的日本豐田公司，也在做其他類型空壓機(jī)的測(cè)試。

此外在燃料電池領(lǐng)域，空壓機(jī)應(yīng)用還涉及到一些渦輪增壓技術(shù)，即通過(guò)一級(jí)（二級(jí)）離心壓縮后再通過(guò)將空壓機(jī)空氣懸浮軸承渦輪機(jī)進(jìn)行同軸連接，實(shí)現(xiàn)增壓效果，但目前據(jù)香橙會(huì)研究院了解，該產(chǎn)品難度極大，目前霍尼韋爾的產(chǎn)品已做樣機(jī)推廣。

這大概是目前燃料電池的幾主要方向，從目前市場(chǎng)情況來(lái)說(shuō)，有抱負(fù)的主機(jī)廠面臨的最大的問(wèn)題就是降成本的問(wèn)題，考慮開發(fā)成本、市場(chǎng)規(guī)模和管理等綜合因素，離心壓縮機(jī)的成本最高，但是由于其結(jié)構(gòu)緊密的特性，體量最小，物理結(jié)構(gòu)決定，在未來(lái)大批量條件下，其成本下降空間最大。以目前應(yīng)用較多的三類型空壓機(jī)為例：

資料來(lái)源：香橙會(huì)研究院整理

4

9家公司脫穎而出

目前國(guó)內(nèi)一些傳統(tǒng)領(lǐng)域的空壓機(jī)廠，由于自身有技術(shù)儲(chǔ)備，在燃料電池蓄勢(shì)待發(fā)的過(guò)程中，已經(jīng)開始了對(duì)空壓機(jī)的研發(fā)和樣機(jī)測(cè)試。還有一部分企業(yè)長(zhǎng)期從事氣體壓縮領(lǐng)域的工作，通過(guò)人才引進(jìn)及其他方式也制造了屬于自己的空壓機(jī)，主要情況如下表所示：

資料來(lái)源：香橙會(huì)研究院整理

5

總結(jié)：誰(shuí)掌握了離心壓縮機(jī)技術(shù)，誰(shuí)就掌握了未來(lái)

目前來(lái)看，從現(xiàn)階段的空壓機(jī)技術(shù)路線來(lái)說(shuō)，百家爭(zhēng)鳴，未來(lái)使用離心式壓縮機(jī)是主流意見，但是最終大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化來(lái)臨之前，有沒(méi)有一些技術(shù)的革新帶來(lái)如螺桿、螺旋壓縮機(jī)的靜音的革命或者材料學(xué)的創(chuàng)新帶來(lái)輕量化革命也不好說(shuō)。

“燃料電池的發(fā)展中，目前依賴進(jìn)口核心部件中，空壓機(jī)率先進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化的可能性很大，但是空壓機(jī)的性能從無(wú)到有過(guò)程轉(zhuǎn)向從?有到優(yōu)過(guò)程是有難度的，高性能的高速離心壓縮機(jī)必須正向開發(fā)，反向開發(fā)的產(chǎn)品在后期應(yīng)用中適應(yīng)各種路況的調(diào)試或者改型將更難?！币晃徊辉妇呙募?術(shù)人員向香橙會(huì)研究院表示。

“誰(shuí)掌握了離心壓縮機(jī)的核心技術(shù)，特別是空氣懸浮軸承的空壓機(jī)技術(shù)，誰(shuí)將掌握中國(guó)乃至全球未來(lái)高壓氫燃料電池高端車型，這是乘用車的核心命脈之一”。

——上敘人士續(xù)道。