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燃料電池系統(tǒng)被稱為燃料電池汽車的“心臟”，而燃料電池空壓機被稱為燃料電池動力系統(tǒng)的“肺”。心肺功能強大才能促使設(shè)備良好運行，心臟需要強心劑，需要肺部持續(xù)不斷的輸送空氣。

近兩年，隨著隨著國內(nèi)氫燃料電池系統(tǒng)市場的不斷擴大，圍繞燃料電池系統(tǒng)的核心零部件也在加快國產(chǎn)化的步伐?！靶姆螐?fù)蘇”之勢逐漸凸顯。數(shù)據(jù)顯示，2021年中國企業(yè)燃料電池空壓機出貨超8000臺，同比上年增長146%。

燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、加濕器和空壓機這四個關(guān)鍵部件。其中，空氣壓縮機的作用是根據(jù)燃料電池堆的輸出功率為燃料電池提供所需壓力和流量的空氣,對于燃料電池系統(tǒng)的性能有著重要的影響。增加氧氣的供氣壓力可以使燃料電池系統(tǒng)的功率密度增加、燃料電池堆效率提高、體積尺寸減小。

空壓機性能要求:

無油。潤滑油膜覆蓋質(zhì)子交換膜和催化劑會隔絕氫氧電化學(xué)反應(yīng)。

小型化及輕量化。汽車內(nèi)部空間有限，要提高空壓機的壓縮能力，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。

噪聲低。目前國內(nèi)很多車輛的噪聲較大和空壓機密切相關(guān)，噪聲源主要來自于空氣與管道之間的摩擦以及空壓機高機械轉(zhuǎn)動的聲音及轉(zhuǎn)動的聲音。

動態(tài)響應(yīng)快。車用動力系統(tǒng)會從“氫電鋰電混合”走向氫電全功率驅(qū)動，空壓機需要在每個工況下都能及時提供指定壓縮空氣。

材料要求高。為了達(dá)到壓縮機低成本、低噪聲、耐久性的目的，必須為壓縮機的關(guān)鍵部件開發(fā)低成本、穩(wěn)定的摩擦性能和耐磨性的涂層和材料。

燃料電池汽車空壓機類型

目前常用的空壓機類型有渦旋式、螺桿式、活塞式、離心式、羅茨式和滑片式。

渦旋式空壓機容積效率較高,壓力和流量可連續(xù)調(diào)整,高效率工作區(qū)較寬,但質(zhì)量和體積較大;在豐田、UTC等公司的燃料電池中已有應(yīng)用。

渦旋式空壓機

螺桿式空壓機的工作原理是利用螺旋齒相互嚙合,螺杄嚙合線把螺旋槽分割成多個密封工作腔,螺桿轉(zhuǎn)動,密封腔在一端形成,不斷向另一端移動。螺桿式空壓機又分為雙螺杄和單螺桿兩種。

螺桿式空壓機由于結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、質(zhì)量輕,壓力和流量調(diào)整靈活,在PlugPower、Ballard等公司的燃料電池中被采用。

螺桿式空壓機工作原理

雙螺桿空壓機

單螺桿空壓機

離心式空壓機具有排氣量大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、響應(yīng)快、效率高、工作平穩(wěn)和壽命長等特點,被認(rèn)為是未來最有前途的增壓方式之一,但在低轉(zhuǎn)速時要避免“喘振”的發(fā)生。

離心式空壓機的工作原理是通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對氣體做功,在葉輪和擴壓器的流道內(nèi),利用離心升壓和降速擴壓作用,將機械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能。Honeywell、MITI、LIEBHERR、AERITECH、MOHAWK、德燃動力等公司已研發(fā)了一系列用于燃料電池的離心式空壓機。

羅茨式空壓機屬于回轉(zhuǎn)式空壓機。在其內(nèi)部有兩個羅茨轉(zhuǎn)子互相嚙合從而將氣體截住,并將氣體從進氣口送到排氣口。羅茨壓縮機的工作過程可以概括為:從入口封入氣體→排氣口的高壓過熱氣體返流→將封入及返流的氣體擠出。伊頓公司已研制出適用于80W燃料電池系統(tǒng)的VS系列羅茨式空壓機,且該空壓機在做功能力、功率密度以及經(jīng)濟性等方面具有較大的優(yōu)勢。

離心式空壓機原理圖

某型離心式空壓機性能MAP圖

羅茨式空壓機工作原理

滑片式空壓機是容積式旋轉(zhuǎn)壓縮機。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,滑片受離心力的作用從槽中甩出,其端部緊貼在氣缸內(nèi)表面上,把月牙形的空間分割成若干扇形小室,稱之為基元。隨著轉(zhuǎn)子的連續(xù)旋轉(zhuǎn),基元容積從大到小周而復(fù)始地變化,由此達(dá)到壓縮氣體的目的。

滑片式空壓機原理

目前美國MechanologyLLC公司開發(fā)了用于燃料電池系統(tǒng)的螺旋式交叉滑片壓縮機。

從空壓機類型來看，2021年國內(nèi)銷售的空壓機以離心空壓機為主。2021上半年有部分企業(yè)仍使用羅茨式空壓機，在2021年下半年開始逐步切換成離心式雙極增壓空壓機；近三年來，國內(nèi)離心式空壓機的市場份額由29%增長至95%。國外燃料電池空壓機研發(fā)主要集中在美、歐、韓、日等，羅茨式空壓機主要研究單位是美國伊頓公司和日本豐田；螺桿式空壓機主要研究單位是瑞典OPCON公司；離心空壓機的主要研究機構(gòu)包括美國Garrett、德國BorgWarner和日本IHI、英國Aeristech、瑞士Fisher及韓國現(xiàn)代等整車企業(yè)。

國內(nèi)代表性企業(yè)

國家電力投資集團有限公司

2019年1月，國電投總經(jīng)理江毅透露，集團在氫燃料電池開發(fā)領(lǐng)域獲重大突破，完成了相關(guān)催化劑、擴散層、膜電極、雙極板、電堆組裝、系統(tǒng)控制、空壓機等系統(tǒng)設(shè)備自主研發(fā)，在實現(xiàn)燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈完全自主化的同時，部分性能指標(biāo)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

濰坊富源增壓器有限公司

濰坊富源增壓器有限公司始建于1958年，是國家認(rèn)定的高新技術(shù)企業(yè)，公司目前主營產(chǎn)品為空氣懸浮離心風(fēng)機和渦輪增壓器，是目前國內(nèi)獨立掌握空氣懸浮技術(shù)的空氣懸浮系統(tǒng)制造商和綜合實力最強的渦輪增壓器供應(yīng)商之一。

公司開發(fā)的SH系列渦輪增壓器產(chǎn)品性能達(dá)到國際先進技術(shù)水平，公司的《內(nèi)燃機全工況高增壓關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用》獲得國家科技進步二等獎，打破了國外高壓比增壓器的技術(shù)壟斷，產(chǎn)品可以直接替代進口產(chǎn)品。

福建雪人股份有限公司

福建雪人股份有限公司創(chuàng)建于2000年3月，于2011年12月在中國深圳證券交易所上市（公司股票代碼：002639），是一家以壓縮機為核心，集余熱回收發(fā)電、新能源、工商業(yè)制冷及其成套制冷系統(tǒng)的研發(fā)、設(shè)計、制造、銷售、工程安裝、售后服務(wù)于一體的高科技企業(yè)。

公司主要從事壓縮機及機組、余熱回收膨脹發(fā)電機組、氫燃料電池空氣壓縮機、磁懸浮離心壓縮機、工商業(yè)制冰設(shè)備及制冰系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，目前公司產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：水利水電、大型建筑、核電站、大型路橋等行業(yè)的混凝土冷卻，煤礦采掘業(yè)的礦井降溫，食品冷加工及保鮮，化工反應(yīng)釜降溫以及冷鏈物流、冰蓄能空調(diào)、人工降雪、生物菌養(yǎng)殖、冷凍干燥、海水淡化、新能源汽車、國防軍事等領(lǐng)域。

上海漢鐘精機股份有限公司

上海漢鐘精機股份有限公司(股票代碼002158)成立于1996年，是一家中外合資股份制企業(yè)。

公司產(chǎn)品包括螺桿式制冷壓縮機、螺桿式空氣壓縮機、螺桿式冷凍壓縮機、螺桿式無油真空泵、離心式制冷壓縮機、ORC螺桿膨脹機、高溫?zé)岜脡嚎s機、磁懸浮離心式制冷壓縮機、渦旋式空氣壓縮機、無油渦旋空氣壓縮機、噴水無油空氣壓縮機等等，廣泛運用于各行各業(yè)，是重要的通用設(shè)備之一。

江蘇金通靈氫能機械科技有限公司

金通靈成立于1993年，位于江蘇省南通市，2010年6月在深交所上市，專注于大型工業(yè)鼓風(fēng)機、壓縮機、蒸汽輪機等流體機械領(lǐng)域，依托高效氣化爐、小型高效再熱鍋爐、高效汽輪機為核心的小型發(fā)電島成套技術(shù)開拓新能源、可再生能源等業(yè)務(wù)。

2018年，氫燃料電池行業(yè)驟然升溫，金通靈成立了江蘇金通靈氫能機械科技有限公司（下稱“金通靈氫能機械”），從事氫燃料電池空氣壓縮機、氫能備用應(yīng)急電源研發(fā)、生產(chǎn)、銷售等業(yè)務(wù)。

嘉興德燃動力系統(tǒng)公司

德燃動力系統(tǒng)有限公司是一家中德合資企業(yè)，主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域為燃料電池汽車及其它新能源領(lǐng)域動力系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)、技術(shù)咨詢、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、技術(shù)服務(wù)；燃料電池系統(tǒng)、核心部件的開發(fā)、服務(wù)、生產(chǎn)供應(yīng)。

2018年8月，嘉興德燃動力系統(tǒng)公司在浙江嘉興總部首次發(fā)布了公司自主研發(fā)的兩款燃料電池專用空壓機，為車用15-50kW燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)量身打造，其型號分別為FAC-40-D和FAC-50-D。德燃動力已建立千套級燃料電池專用空壓機完備的生產(chǎn)與測試能力，本次發(fā)布的兩款產(chǎn)品已應(yīng)用到德燃動力研發(fā)的燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)產(chǎn)品中，并通過燃料電池轎車、公交車、物流車的長期實車驗證。

北京伯肯節(jié)能科技股份有限公司

北京伯肯節(jié)能科技股份有限公司，北京蘭天達(dá)汽車清潔燃料技術(shù)有限公司和北京伯肯當(dāng)代氫燃料電池實驗室有限公司是北京伯肯的全資子公司。

成立可以追溯到1997年（由北京科委主持創(chuàng)建），始終致力于氫潔能源氣體增壓及應(yīng)解決方案業(yè)務(wù)，在全國主要完成了近400座包括天然氣加氣站設(shè)備、鉆井平臺伴生氣增壓設(shè)備、風(fēng)洞用空壓機設(shè)備和煤層氣增壓設(shè)備等解決方案及產(chǎn)品；完成北京公交接近100%的車載天然氣供應(yīng)系統(tǒng)及主要車廠天然氣供氣系統(tǒng)。

廣東廣順新能源動力科技有限公司

廣順新能源動力科技有限公司成立于2010年，主要從事生產(chǎn)和銷售新能源動力設(shè)備及材料，節(jié)能環(huán)保設(shè)備及材料等。然而，“廣順”的前身是一家電器公司。廣順電器有限公司創(chuàng)立于1997年，主要研發(fā)生產(chǎn)制氧機、霧化器等醫(yī)療保健類產(chǎn)品和無油空氣壓縮機。

廣順新能源研發(fā)的燃料電池空壓機、氫氣循環(huán)泵、燃料電池加熱器等10多個用于氫燃料電池動力裝置的核心零部件，已在國內(nèi)多家的燃料電池汽車制造公司中取得了很好的應(yīng)用效果，部分型號產(chǎn)品已形成小批生產(chǎn)。

豐電科技集團股份有限公司

豐電科技是國內(nèi)最早的壓縮空氣系統(tǒng)綜合解決方案的提供商之一。工業(yè)壓縮機是工業(yè)領(lǐng)域通用設(shè)備，豐電科技客戶既有來自能源、冶金、礦山等上游開采行業(yè)，也有機械、紡織、汽車、鋼鐵等中下游制造業(yè)。公司目前工藝壓縮機收入快速上升并新增壓縮空氣能源供應(yīng)收入，2021年實現(xiàn)營收2.97億元，同比增長82.4%，實現(xiàn)歸母凈利潤1710萬元，同比增長625%。

年報顯示公司為張家口市交投殼牌制氫充裝項目，保障冬奧會氫氣供應(yīng)，共為冬奧會重點氫能項目提供了14套氫氣充裝壓縮機；2021年12月空格子公司豐電金凱威與國家能源集團北京低碳清潔能源研究院合作研發(fā)的90Mpa/350m3大排量加氫站用氫氣隔膜壓縮機通過氫氣介質(zhì)下性能測試，為國內(nèi)首臺套氫氣介質(zhì)下的90Mpa高壓大排量隔膜壓縮機。

勢加透博（北京）科技有限公司

勢加透博結(jié)合國家氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)大發(fā)展機遇，2016年開始自主研發(fā)XT-FCC系列氣懸浮空壓機，產(chǎn)品作為可靠強勁的“肺”為燃料電池提供潔凈空氣，2019年開始落地產(chǎn)業(yè)化，填補了國內(nèi)燃料電池車規(guī)級無油離心機空白。2021年FCC實現(xiàn)全球銷售近5500臺，在國內(nèi)市占率第一。

煙臺東德實業(yè)有限公司

東德實業(yè)是冰輪集團旗下冰輪海卓氫能技術(shù)研究院的孵化公司。東德實業(yè)一直專注于氫氣循環(huán)泵、離心式空氣壓縮機、羅茨式空氣壓縮機、加氫站隔膜壓縮機的研制和生產(chǎn)，產(chǎn)品也處于國際領(lǐng)先的地位。目前，東德實業(yè)所研發(fā)的產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于氫燃料電池車及相關(guān)配套設(shè)施，包括物流車、客車、叉車、冷鏈車、卡車、商用車等，并且全方位覆蓋大、中、小型發(fā)電、無人駕駛及軍工領(lǐng)域。東德實業(yè)表示，目前公司在市場上的占有率已達(dá)70%以上，年產(chǎn)值近億元。

2021年，東德的氫氣循環(huán)泵、空氣壓縮機、加氫站壓縮機等，通過了中國通用機械工業(yè)協(xié)會鑒定，填補了國內(nèi)空白，已經(jīng)批量用于燃料電池系統(tǒng)，取得了顯著的經(jīng)濟社會效應(yīng)。

河北金士頓科技有限責(zé)任公司

金士頓科技前身是石家莊金士頓軸承科技有限公司，公司成立于2010年，是一家專業(yè)從事高速軸承、箔片式動壓空氣軸承、高速流體機械研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、銷售服務(wù)為一體的環(huán)保型高新技術(shù)企業(yè)。

2016年底，金士頓科技開發(fā)出了燃料電池用無油空壓機。JSD無油空壓機采用空氣軸承、高速永磁電機以及高頻控制器等核心技術(shù)，所有核心技術(shù)均為金士頓自主研發(fā)?？諝廨S承自身具有高轉(zhuǎn)速、無摩擦、免維護等優(yōu)點，由于采用空氣軸承，使產(chǎn)品實現(xiàn)了真正的無油潤滑，從根本上保證了入堆空氣的潔凈無油，并且空氣軸承的啟停壽命滿足200000次啟停要求。

中山大洋電機股份有限公司

大洋電機是一家全球電機及驅(qū)動控制系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商，擁有建筑及家居電器電機、新能源汽車動力總成系統(tǒng)、車輛旋轉(zhuǎn)電器、氫燃料電池系統(tǒng)及其關(guān)鍵零部件等產(chǎn)品；是具有空壓機等關(guān)鍵BOP和氫燃料電池發(fā)動機及控制系統(tǒng)等完整產(chǎn)業(yè)布局的氫能產(chǎn)業(yè)供應(yīng)商。

公司目前已經(jīng)形成了“電機+電控+氫燃料電池”的完成產(chǎn)業(yè)鏈。擁有年產(chǎn)超過8000萬臺套建筑及家居電器電機、600萬臺車輛旋轉(zhuǎn)電器、50萬臺車輛旋轉(zhuǎn)電器、50萬臺套新能源汽車動力總成系統(tǒng)及3000套氫燃料電池系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。

北京穩(wěn)力科技有限公司

穩(wěn)力科技成立于2014年，是國家高新技術(shù)企業(yè)，中關(guān)村高新技術(shù)企業(yè)，專業(yè)從事氣懸浮離心機械以及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)。

穩(wěn)力科技專注于為新能源汽車以及工業(yè)領(lǐng)域提供氣懸浮空壓機產(chǎn)品與服務(wù)，掌握第4代氣體動壓軸承核心技術(shù)，具備氣懸浮離心機正向開發(fā)能力，目前已形成以“氣懸浮空壓機開發(fā)與推廣”、“燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)”為核心的主要產(chǎn)品模式。穩(wěn)力科技四款燃料電池空壓機和兩款工業(yè)空壓機已達(dá)批量制造階段，一款燃料電池叉車及一款燃料電池物流車發(fā)動機系統(tǒng)已完成開發(fā)。經(jīng)第三方機構(gòu)檢測，穩(wěn)力科技燃料電池空壓機產(chǎn)品在效率、噪音及可靠性方面達(dá)國際先進水平。

參考文章：《燃料電池發(fā)動機：燃料電池系統(tǒng)及氫氣供應(yīng)系統(tǒng)》

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心臟之“肺”——國內(nèi)燃料電池空壓機市場解讀

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