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隨著氫燃料電池行業(yè)的快速發(fā)展，關(guān)鍵部件空壓機(jī)領(lǐng)域“風(fēng)云乍起”：一是，受示范政策影響，市場(chǎng)需求量顯著提升。高工產(chǎn)研氫電研究所（GGII）調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2021年燃料電池空壓機(jī)出貨量超7000臺(tái)，2020年的出貨量是4068臺(tái)，同比增長(zhǎng)在70%以上。
二是，在技術(shù)路線方面，多數(shù)企業(yè)正在由兩級(jí)壓縮離心式空壓機(jī)向帶有能量回收裝置的空壓機(jī)拓展，以應(yīng)對(duì)功率不斷增大的產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)在針對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更長(zhǎng)壽命、更長(zhǎng)質(zhì)保的持續(xù)優(yōu)化。相關(guān)企業(yè)包括勢(shì)加透博、金士頓、毅合捷、蜂巢蔚領(lǐng)、海德韋爾、東德實(shí)業(yè)等。
本文重點(diǎn)圍繞燃料電池空壓機(jī)技術(shù)路線的躍升、市場(chǎng)化進(jìn)展及存在的技術(shù)挑戰(zhàn)等方面展開(kāi)，以期業(yè)界對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)空壓機(jī)的發(fā)展有較為全面而客觀的認(rèn)知。
主流供應(yīng)商“涌向”能量回收技術(shù)
空壓機(jī)是燃料電池系統(tǒng)的“肺”，重要性不言而喻。在整個(gè)燃料電池發(fā)展過(guò)程中，業(yè)界曾嘗試過(guò)多種空壓機(jī)技術(shù)路線，比如離心式、螺桿式、羅茨式、渦旋式等。隨著燃料電池功率的快速提升，相比其他類型空壓機(jī)，兩級(jí)壓縮離心式空壓機(jī)優(yōu)勢(shì)愈發(fā)凸顯，經(jīng)過(guò)實(shí)際裝車驗(yàn)證，在技術(shù)上較為成熟。
不過(guò)，空壓機(jī)技術(shù)路線還需進(jìn)一步向前迭代升級(jí)。
“為了滿足重卡等應(yīng)用需求，新開(kāi)發(fā)的氫燃料電池系統(tǒng)功率都已經(jīng)達(dá)到120kW，甚至更高。如果繼續(xù)采用主流的兩級(jí)壓縮離心式空壓機(jī)技術(shù)，空壓機(jī)需要滿足的空氣流量和壓縮比都要大幅度提高，空壓機(jī)所消耗的電源功耗（寄生功耗）要從現(xiàn)在的15%-20%增大5%以上，這就意味著氫燃料電池空壓機(jī)的效率要降低5%以上?！焙５马f爾總經(jīng)理顧茸蕾表示。
另一位燃料電池空壓機(jī)供應(yīng)商也表示：“采用兩級(jí)壓縮離心式空壓機(jī)技術(shù)，電堆功率越大，空壓機(jī)寄生功耗越大，系統(tǒng)效率越低。以250kW的電堆為例，兩級(jí)壓縮離心式空壓機(jī)的寄生功率約為45kW，加上其他BOP耗能，系統(tǒng)僅可以輸出200 kW的電能。這種經(jīng)濟(jì)性是很低的?！?/span>
那么該如何適配氫燃料電池系統(tǒng)功率增大的需求，又能同時(shí)降低空壓機(jī)的寄生功耗？為了解決這一問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)主流燃料電池空壓機(jī)供應(yīng)商的選擇是：探索開(kāi)發(fā)更大功率級(jí)別的采用透平能量回收技術(shù)路線的空壓機(jī)產(chǎn)品，利用渦輪膨脹做功的原理，把電堆排氣中的一部分能量加以回收利用，從而降低空壓機(jī)對(duì)于電源功率的需求。
在這方面已經(jīng)展開(kāi)布局的企業(yè)有：勢(shì)加透博、金士頓、東德實(shí)業(yè)、毅合捷、蜂巢蔚領(lǐng)、海德韋爾、華澗新能源等。其中毅合捷正在試制樣機(jī)；蜂巢蔚領(lǐng)已經(jīng)幫助6-7家客戶完成系統(tǒng)臺(tái)架性能測(cè)試，已有1-2家客戶在進(jìn)行耐久性測(cè)試；海德韋爾帶能量回收系統(tǒng)的空壓機(jī)樣機(jī)VSEC系列已成功下線；華澗新能源正在對(duì)能量回收技術(shù)路線的空壓機(jī)樣品進(jìn)行測(cè)試；東德實(shí)業(yè)表示，在能量回收方面即將推出與國(guó)內(nèi)知名廠家合作研發(fā)的重磅產(chǎn)品。
“對(duì)于功率比較小的電堆或者系統(tǒng)，我們認(rèn)為兩級(jí)壓縮空氣系統(tǒng)已能滿足現(xiàn)在的一些需求，但對(duì)大功率燃料電池產(chǎn)品，增加渦輪膨脹機(jī)進(jìn)行能量回收，能夠降低空壓機(jī)功耗，提升空壓機(jī)效率?！耙愫辖菔袌?chǎng)產(chǎn)品部總監(jiān)龔震浩表示。
在空壓機(jī)上增加渦輪膨脹機(jī)也能有效降低用氫成本。蜂巢蔚領(lǐng)燃料電池空壓機(jī)技術(shù)總監(jiān)杜洪水算了一筆賬：“以200kW的系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)兩級(jí)空壓機(jī)的寄生功率約為45kW，根據(jù)電堆出口（進(jìn)入渦輪機(jī)）的余熱余壓能量不同使用帶能量回收的渦輪膨脹機(jī)可降低空壓機(jī)功耗15-30%，15%即可降低功耗6.75kW，按照低熱值氫以及燃料電池系統(tǒng)效率54%、平均發(fā)電負(fù)荷50%計(jì)算，每小時(shí)可節(jié)省氫氣0.191kg，節(jié)省成本6.7元（氫氣35元/kg），運(yùn)行10000小時(shí)累計(jì)節(jié)氫1907kg節(jié)省成本66753元。”
目前國(guó)內(nèi)主流空壓機(jī)供應(yīng)商正集體往透平能量回收型空壓機(jī)的技術(shù)方向躍升。
這種技術(shù)路線預(yù)計(jì)何時(shí)能夠面市？
這種帶渦輪膨脹機(jī)系統(tǒng)的空壓機(jī)產(chǎn)品（下稱“膨脹機(jī)”）是否已經(jīng)走向市場(chǎng)？預(yù)計(jì)何時(shí)能夠裝車應(yīng)用？
“這一技術(shù)路線在理論上講是可行的，但目前市場(chǎng)上的這種產(chǎn)品還非常少的，基本上還沒(méi)有看到樣品?！倍嗉胰剂想姵叵到y(tǒng)廠商向高工氫電反饋。
呈現(xiàn)這種情況，主要源于三方面：其一，膨脹機(jī)需要和燃料電池進(jìn)行集成，這就需要膨脹機(jī)產(chǎn)品能夠與電堆、系統(tǒng)進(jìn)行性能匹配。“這與配置兩級(jí)離心式空壓機(jī)不同，這里面涉及到的因素是非常復(fù)雜的，做這種產(chǎn)品是需要花時(shí)間研發(fā)的，同時(shí)也是需要驗(yàn)證的?！币患胰剂想姵乜諌簷C(jī)供應(yīng)商表示。
其二，膨脹機(jī)有它的可行性，但回收氣含有水分或其他雜質(zhì)，會(huì)對(duì)回收裝置有腐蝕損傷，同時(shí)這種水分/雜質(zhì)的存在也會(huì)對(duì)燃料電池系統(tǒng)的壽命、可靠性帶去一定影響。這個(gè)問(wèn)題該怎么優(yōu)化？目前已有個(gè)別空壓機(jī)企業(yè)能夠從渦輪自身涂層、材料升級(jí)等方面對(duì)回收氣中的水分/雜質(zhì)進(jìn)行控制，但這個(gè)問(wèn)題依然是擺在多數(shù)空壓機(jī)企業(yè)面前的一個(gè)難題。
其三，在市場(chǎng)層面，當(dāng)前燃料電池市場(chǎng)是以政策導(dǎo)向而非以技術(shù)為導(dǎo)向。雖然膨脹機(jī)是提高額定功率點(diǎn)效率的最有效方法，也是最經(jīng)濟(jì)的方法。但是，現(xiàn)在實(shí)際的應(yīng)用都不需要跑到額定功率點(diǎn)，所以經(jīng)濟(jì)性在實(shí)際應(yīng)用中還體現(xiàn)不出來(lái)，因此市場(chǎng)還不著急在這方面投入太多精力。
此外，膨脹機(jī)的落地應(yīng)用需要系統(tǒng)廠商配合試驗(yàn)，一起來(lái)不斷驗(yàn)證與提高。目前市場(chǎng)中有能力提供膨脹機(jī)的供應(yīng)商不多，有能力并愿意來(lái)試驗(yàn)膨脹機(jī)的系統(tǒng)廠商也不多。這在一定程度上影響了膨脹機(jī)“面市”的進(jìn)程。
“挑戰(zhàn)是客觀存在的，但同時(shí)膨脹機(jī)本身也是符合燃料電池大功率發(fā)展趨勢(shì)的、是有一定的市場(chǎng)需求的。綜合來(lái)看，這種技術(shù)路線大約再需要一年左右的時(shí)間，應(yīng)該會(huì)有穩(wěn)定的產(chǎn)品推出并得到一定的應(yīng)用?！睒I(yè)界一致認(rèn)為。
