【壓縮機網】國內外重視新能源汽車，燃料電池成為壓縮機企業重要切口

 

　　據英國《汽車新聞》7月26日報道，英環境部長邁克爾戈夫25日證實，英國將于2040年起全面禁止汽油車與柴油車的銷售，以實現10年內道路零排放的環保目標。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、氫發動機汽車、其他新能源汽車等。目前，國內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。

 

　　燃料電池是新能源汽車重要的動力之一。燃料電池電動汽車利用氫氣和空氣中的氧在催化劑的作用下，在燃料電池中經電化學反應產生的電能作為主要動力，因為主要材料是氫氣和氧氣，氫氣燃燒產生的能量高，并且二者反應后產生的化合物是水，相比較傳統的化石能源更加的高效環保，因而成為新能源汽車必須攻破的核心技術。

 

　　燃料電池汽車由燃料電池系統、儲氫瓶、驅動電機、整車控制系統 、輔助電池系統構成。燃料電池系統占整車成本約 63%，由燃料電池堆（催化劑、雙極板、質子交換膜），空氣循環系統、供氫和水/熱管理系統構成。燃料電池汽車的核心部件離不開空氣壓縮機，新能源汽車發展迅速，燃料電池可能會成為空壓機進入新能源汽車領域的切口。

 

　　燃料電池汽車清潔高效，核心部件之一是空氣壓縮機

 

 

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

 

　　氫氣循環系統工作原理：車載儲氫瓶里的氫氣 經過減壓/穩壓閥后，壓力降為所需要求，再通過電動調節閥、壓力傳感器、流量計和加濕器進入電堆進行反應，少量多余的氫氣進入氫氣再循環系統，或經過處理后排入大氣。

 

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

 

　　質子交換膜燃料電池（PEMFC）的系統工作原理：空氣通過壓縮機增壓之后，經過加濕處理送入到燃料電池反應堆，在那里和來自于氫源的氫氣發生電化學反應，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，將其轉化為機械能反饋到空氣壓縮機，從而節省供氣單元所需要的電能。

 

 

　　燃料電池系統核心零部件：電堆、空氣循環系統和氫氣循環系統。其中，空氣循環系統能否高效運作直接決定著新能源汽車的質量，而空氣循環系統必不可少的核心部件就是空氣壓縮機。

 

　　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相應的升高，從而提高了燃料電池的輸出功率。提高反應壓力對于燃料電池內的水/熱管理有明顯的改進。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、電池內電化學反應所產生的水，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反應，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%。以壓縮機為主要部件的空氣管理系統也就成為了除驅動電機之外燃料電池z*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就成為了當前車載燃料電池研究領域中的重要任務。

 

　　技術壁壘高，渦旋和雙螺桿空壓機是目前主流技術路線

 

　　由于燃料電池的特殊要求，供氣循環系統有很多待解決的技術難點，使目前廣泛應用的工業壓縮機無法滿足燃料電池電動汽車的需求。一方面，為了保證質子交換膜具有良好的工作特性，要求供氣系統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，要求供氣子系統能夠根據燃料電池輸出功率的大小及時調整供氣量與供氣壓力，并具有結構緊湊、重量輕、噪聲低、可靠性高、能量可回收等特點。

 

　　燃料汽車需要較高的能量轉化率，在車輛行使過程中，空氣壓縮機工作的動力來源是燃料電池的電能輸出，若壓縮機占用較多的輸出電能，必然會減少汽車的驅動功率從而影響整車的性能；燃料電池中的質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就不適合應用在這一領域。

 

　　此外，還需要提供壓力相當高、低流量的干凈空氣，必須不含任何碳氫化合物，如油；為了獲得運行效率，壓縮機需要在全負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，能夠無延遲的調整燃料電池的功率輸出；車載環境要求壓縮機部件在能夠提供較大空氣排量的同時具有非常小的質量、體積以及高可靠性；燃料電池運行時無聲，壓縮機必須控制噪聲。

 

　　新能源汽車的特性為空氣壓縮機提出了新要求，為滿足壓縮機的低成本、低噪音和耐久性目標，必須為壓縮機關鍵部件開發具有低成本、穩定摩擦性能以及耐磨的涂層和材料。旋轉容積式壓縮機和渦輪式壓縮機是目前的研究運用重點。各類壓縮機都各具特點，需要對其弱點進行研究并加以克服，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是目前被認為z*優的兩種技術路線，也是未來運用趨勢。

 

 

　　螺桿壓縮機：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壓縮機/膨脹機供氣系統。德國大眾公司在Bora燃料電池發動機汽車上采用的噴水螺桿壓縮機，是2002年國際燃料電池技術的重大進展之一。

 

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

 

　　國內相關壓縮機技術欠缺，未來市場前景廣闊

 

　　目前，新能源汽車的核心技術，國內還比較欠缺，缺少效率高而且能夠為燃料電池提供清潔無油氣體的空壓機。國內也一直在補貼支持新能源汽車技術，還將開發新能源技術寫進了《“十三五”規劃》之中，國內新能源汽車數量也在快速增長之中。

 

　　新能源汽車的爆發式增長必將帶來新能源汽車領域空壓機的需求，但是新能源汽車因有噪音小、空氣潔凈無油以及轉化率高等性能要求，在為壓縮機行業創造新市場的同時，也提出了新的技術挑戰。