一年前和很多投資人交流，提到燃料電池動力系統(tǒng)，大家都會說到電堆及核心組件和系統(tǒng)集成，但對空壓機(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候會發(fā)現(xiàn)，車輛的噪音較大，有一些還伴有很大的抖動。當(dāng)然這可能跟非運(yùn)營車輛乘坐較少有關(guān)。

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

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

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燃料電池空壓機(jī)不是簡單的鼓風(fēng)機(jī)

其實(shí)，氫燃料電池汽車中，整個系統(tǒng)可以類比成一個發(fā)電機(jī)組，電堆相當(dāng)于一個反應(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；而集成方面，因?yàn)橛须妱榆嚱鹩裨谇埃呀?jīng)形成了一定的積累。

?圖1燃料電池發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

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資料來源：公開資料

燃料電池之所以使用空壓機(jī)，因?yàn)榭諌簷C(jī)工作過程中，通過對空氣進(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，同時減小燃料電池系統(tǒng)本身的尺寸。這個產(chǎn)品會影響燃料電池系統(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噪音污染源和振動源，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)無法滿足燃料電池對空氣的高要求。

空壓機(jī)技術(shù)在國內(nèi)來說，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。

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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)則無需使用膨脹機(jī)。從國內(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)需要無油化，空壓機(jī)如果使用潤滑油，會致使電堆發(fā)生中毒，因此空壓機(jī)需要采用水潤滑軸承或空氣軸承。

（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)速是大勢所趨。

（3）乘坐車輛的舒適性需要低噪音，目前國內(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)動的聲音及轉(zhuǎn)動的聲音。

（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)的過程中，部分車企特別是進(jìn)行乘用車示范的車企，在國產(chǎn)化試驗(yàn)過程中，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，而且經(jīng)常供貨期漫長。

（5）控制系統(tǒng)，車輛對需要功率變化較大，空壓機(jī)需要能夠及時地做出響應(yīng)，對空氣流量進(jìn)行控制，目前國內(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)的性能對比

資料來源：國金證券研究所、香橙會研究院整理

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

做個類比，做了很多年的一個吹風(fēng)機(jī)，國產(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。

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國內(nèi)外燃料電池空壓機(jī)市場幾個重要方向

?在2015年左右，無油潤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UTC等多家公司應(yīng)用于燃料電池上。美國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)耗功較大的問題一直難以得到解決，同時體積和質(zhì)量較大。

圖3渦旋式壓縮機(jī)

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資料來源：公開資料

?而包括GM、PlugPower、德國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壓縮空氣。

?圖4螺桿式壓縮機(jī)

資料來源：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伊頓與DOE共同研發(fā)的P級及R級產(chǎn)品，驅(qū)動主要來源于電機(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，在豐田株式會社的下屬企業(yè)中有向豐田提供羅茨發(fā)動機(jī)的企業(yè)。羅茨空壓機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，在使用過程中雖然解決了小型化的問題，但是據(jù)有乘坐的人員描述，羅茨空壓機(jī)并不能將噪音問題進(jìn)行理想化的處理，而與電磁空壓機(jī)的對比中，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。

?圖5羅茨式壓縮機(jī)

資料來源：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、美國、日本本田等都普遍認(rèn)為離心式壓縮機(jī)為未來主流方向，這是一種無油、葉片高速空壓機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊密，對應(yīng)供給功率變化的響應(yīng)快，壽命長，效率高，目前技術(shù)路線中采取水潤滑方式居多，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)完成無摩擦的高速轉(zhuǎn)動。

?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、系統(tǒng)控制、氣體動力學(xué)、氣體流場的技術(shù)，還涉及了包括工程熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)、靜力學(xué)、電磁電勢耦合、振動力學(xué)等等共計(jì)十幾個專業(yè)的復(fù)雜工藝。這些學(xué)科缺一不可，即使產(chǎn)生過多的熱量就是在汽車應(yīng)用上無法接受的。

目目前國際研發(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)，即通過一級（二級）離心壓縮后再通過將空壓機(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，從目前市場情況來說，有抱負(fù)的主機(jī)廠面臨的最大的問題就是降成本的問題，考慮開發(fā)成本、市場規(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：

資料來源：香橙會研究院整理

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9家公司脫穎而出

目前國內(nèi)一些傳統(tǒng)領(lǐng)域的空壓機(jī)廠，由于自身有技術(shù)儲備，在燃料電池蓄勢待發(fā)的過程中，已經(jīng)開始了對空壓機(jī)的研發(fā)和樣機(jī)測試。還有一部分企業(yè)長期從事氣體壓縮領(lǐng)域的工作，通過人才引進(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：

資料來源：香橙會研究院整理

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總結(jié)：誰掌握了離心壓縮機(jī)技術(shù)，誰就掌握了未來

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

“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)行國產(chǎn)化的可能性很大，但是空壓機(jī)的性能從無到有過程轉(zhuǎn)向從?有到優(yōu)過程是有難度的，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。”一位不愿具名的技?術(shù)人員向香橙會研究院表示。

“誰掌握了離心壓縮機(jī)的核心技術(shù)，特別是空氣懸浮軸承的空壓機(jī)技術(shù)，誰將掌握中國乃至全球未來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。