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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(jī)被稱為燃料電池動力系統(tǒng)的“肺”。心肺功能強(qiáng)大才能促使設(shè)備良好運(yùn)行，心臟需要強(qiáng)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(kuò)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。“心肺復(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(jī)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(jī)這四個關(guān)鍵部件。其中，空氣壓縮機(jī)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(jī)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(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。

噪聲低。目前國內(nèi)很多車輛的噪聲較大和空壓機(jī)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(jī)高機(jī)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(jī)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(jī)低成本、低噪聲、耐久性的目的，必須為壓縮機(jī)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(jī)類型

目前常用的空壓機(jī)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(jī)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(jī)

螺桿式空壓機(jī)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(jī)又分為雙螺杄和單螺桿兩種。

螺桿式空壓機(jī)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(jī)工作原理

雙螺桿空壓機(jī)

單螺桿空壓機(jī)

離心式空壓機(jī)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(diǎn),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(jī)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(kuò)壓器的流道內(nèi),利用離心升壓和降速擴(kuò)壓作用,將機(jī)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(jī)。

羅茨式空壓機(jī)屬于回轉(zhuǎn)式空壓機(jī)。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(jìn)氣口送到排氣口。羅茨壓縮機(jī)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(jī),且該空壓機(jī)在做功能力、功率密度以及經(jīng)濟(jì)性等方面具有較大的優(yōu)勢。

離心式空壓機(jī)原理圖

某型離心式空壓機(jī)性能MAP圖

羅茨式空壓機(jī)工作原理

滑片式空壓機(jī)是容積式旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)。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(jī)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(jī)。

從空壓機(jī)類型來看，2021年國內(nèi)銷售的空壓機(jī)以離心空壓機(jī)為主。2021上半年有部分企業(yè)仍使用羅茨式空壓機(jī)，在2021年下半年開始逐步切換成離心式雙極增壓空壓機(jī)；近三年來，國內(nèi)離心式空壓機(jī)的市場份額由29%增長至95%。國外燃料電池空壓機(jī)研發(fā)主要集中在美、歐、韓、日等，羅茨式空壓機(jī)主要研究單位是美國伊頓公司和日本豐田；螺桿式空壓機(jī)主要研究單位是瑞典OPCON公司；離心空壓機(jī)的主要研究機(jī)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(tuán)有限公司

2019年1月，國電投總經(jīng)理江毅透露，集團(tuán)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(kuò)散層、膜電極、雙極板、電堆組裝、系統(tǒng)控制、空壓機(jī)等系統(tǒng)設(shè)備自主研發(fā)，在實(shí)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(jī)和渦輪增壓器，是目前國內(nèi)獨(dú)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(shí)力最強(qiáng)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(jìn)技術(shù)水平，公司的《內(nèi)燃機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)及機(jī)組、余熱回收膨脹發(fā)電機(jī)組、氫燃料電池空氣壓縮機(jī)、磁懸浮離心壓縮機(jī)、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(jī)股份有限公司

上海漢鐘精機(jī)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(jī)、螺桿式空氣壓縮機(jī)、螺桿式冷凍壓縮機(jī)、螺桿式無油真空泵、離心式制冷壓縮機(jī)、ORC螺桿膨脹機(jī)、高溫?zé)岜脡嚎s機(jī)、磁懸浮離心式制冷壓縮機(jī)、渦旋式空氣壓縮機(jī)、無油渦旋空氣壓縮機(jī)、噴水無油空氣壓縮機(jī)等等，廣泛運(yùn)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(jī)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(jī)、壓縮機(jī)、蒸汽輪機(jī)等流體機(jī)械領(lǐng)域，依托高效氣化爐、小型高效再熱鍋爐、高效汽輪機(jī)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(jī)械科技有限公司（下稱“金通靈氫能機(jī)械”），從事氫燃料電池空氣壓縮機(jī)、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?yàn)槿剂想姵仄嚰捌渌履茉搭I(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(jī)，為車用15-50kW燃料電池發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)車驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)、霧化器等醫(yī)療保健類產(chǎn)品和無油空氣壓縮機(jī)。

廣順新能源研發(fā)的燃料電池空壓機(jī)、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(tuán)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(jī)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(jī)械、紡織、汽車、鋼鐵等中下游制造業(yè)。公司目前工藝壓縮機(jī)收入快速上升并新增壓縮空氣能源供應(yīng)收入，2021年實(shí)現(xiàn)營收2.97億元，同比增長82.4%，實(shí)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(xiàng)目，保障冬奧會氫氣供應(yīng)，共為冬奧會重點(diǎn)氫能項(xiàng)目提供了14套氫氣充裝壓縮機(jī)；2021年12月空格子公司豐電金凱威與國家能源集團(tuán)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(jī)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(jī)。

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(jī)遇，2016年開始自主研發(fā)XT-FCC系列氣懸浮空壓機(jī)，產(chǎn)品作為可靠強(qiáng)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(bǔ)了國內(nèi)燃料電池車規(guī)級無油離心機(jī)空白。2021年FCC實(shí)現(xiàn)全球銷售近5500臺，在國內(nèi)市占率第一。

煙臺東德實(shí)業(yè)有限公司

東德實(shí)業(yè)是冰輪集團(tuán)旗下冰輪海卓氫能技術(shù)研究院的孵化公司。東德實(shí)業(yè)一直專注于氫氣循環(huán)泵、離心式空氣壓縮機(jī)、羅茨式空氣壓縮機(jī)、加氫站隔膜壓縮機(jī)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(shí)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(shí)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(jī)、加氫站壓縮機(jī)等，通過了中國通用機(jī)械工業(yè)協(xié)會鑒定，填補(bǔ)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(jì)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(jī)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(jī)。JSD無油空壓機(jī)采用空氣軸承、高速永磁電機(jī)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)。空氣軸承自身具有高轉(zhuǎn)速、無摩擦、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，由于采用空氣軸承，使產(chǎn)品實(shí)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(jī)股份有限公司

大洋電機(jī)是一家全球電機(jī)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(jī)、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(jī)等關(guān)鍵BOP和氫燃料電池發(fā)動機(jī)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(jī)+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(jī)、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(jī)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(jī)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(jī)正向開發(fā)能力，目前已形成以“氣懸浮空壓機(jī)開發(fā)與推廣”、“燃料電池發(fā)動機(jī)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(jī)和兩款工業(yè)空壓機(jī)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(jī)系統(tǒng)已完成開發(fā)。經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)檢測，穩(wěn)力科技燃料電池空壓機(jī)產(chǎn)品在效率、噪音及可靠性方面達(dá)國際先進(jìn)水平。

參考文章：《燃料電池發(fā)動機(jī)：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(jī)市場解讀

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