随着氢燃料电池行业的快速发展，关键部件空压机领域“风云乍起”：一是，受示范政策影响，市场需求量显著提升。高工产研氢电研究所（GGII）调研数据显示，2021年燃料电池空压机出货量超7000台，2020年的出货量是4068台，同比增长在70%以上。
二是，在技术路线方面，多数企业正在由两级压缩离心式空压机向带有能量回收装置的空压机拓展，以应对功率不断增大的产品发展趋势，同时在针对产品进行更长寿命、更长质保的持续优化。相关企业包括势加透博、金士顿、毅合捷、蜂巢蔚领、海德韦尔、东德实业等。
本文重点围绕燃料电池空压机技术路线的跃升、市场化进展及存在的技术挑战等方面展开，以期业界对当前国内空压机的发展有较为全面而客观的认知。
主流供应商“涌向”能量回收技术
空压机是燃料电池系统的“肺”，重要性不言而喻。在整个燃料电池发展过程中，业界曾尝试过多种空压机技术路线，比如离心式、螺杆式、罗茨式、涡旋式等。随着燃料电池功率的快速提升，相比其他类型空压机，两级压缩离心式空压机优势愈发凸显，经过实际装车验证，在技术上较为成熟。
不过，空压机技术路线还需进一步向前迭代升级。
“为了满足重卡等应用需求，新开发的氢燃料电池系统功率都已经达到120kW，甚至更高。如果继续采用主流的两级压缩离心式空压机技术，空压机需要满足的空气流量和压缩比都要大幅度提高，空压机所消耗的电源功耗（寄生功耗）要从现在的15%-20%增大5%以上，这就意味着氢燃料电池空压机的效率要降低5%以上。”海德韦尔总经理顾茸蕾表示。
另一位燃料电池空压机供应商也表示：“采用两级压缩离心式空压机技术，电堆功率越大，空压机寄生功耗越大，系统效率越低。以250kW的电堆为例，两级压缩离心式空压机的寄生功率约为45kW，加上其他BOP耗能，系统仅可以输出200 kW的电能。这种经济性是很低的。”
那么该如何适配氢燃料电池系统功率增大的需求，又能同时降低空压机的寄生功耗？为了解决这一问题，目前国内主流燃料电池空压机供应商的选择是：探索开发更大功率级别的采用透平能量回收技术路线的空压机产品，利用涡轮膨胀做功的原理，把电堆排气中的一部分能量加以回收利用，从而降低空压机对于电源功率的需求。
在这方面已经展开布局的企业有：势加透博、金士顿、东德实业、毅合捷、蜂巢蔚领、海德韦尔、华涧新能源等。其中毅合捷正在试制样机；蜂巢蔚领已经帮助6-7家客户完成系统台架性能测试，已有1-2家客户在进行耐久性测试；海德韦尔带能量回收系统的空压机样机VSEC系列已成功下线；华涧新能源正在对能量回收技术路线的空压机样品进行测试；东德实业表示，在能量回收方面即将推出与国内知名厂家合作研发的重磅产品。
“对于功率比较小的电堆或者系统，我们认为两级压缩空气系统已能满足现在的一些需求，但对大功率燃料电池产品，增加涡轮膨胀机进行能量回收，能够降低空压机功耗，提升空压机效率。“毅合捷市场产品部总监龚震浩表示。
在空压机上增加涡轮膨胀机也能有效降低用氢成本。蜂巢蔚领燃料电池空压机技术总监杜洪水算了一笔账：“以200kW的系统为例，传统两级空压机的寄生功率约为45kW，根据电堆出口（进入涡轮机）的余热余压能量不同使用带能量回收的涡轮膨胀机可降低空压机功耗15-30%，15%即可降低功耗6.75kW，按照低热值氢以及燃料电池系统效率54%、平均发电负荷50%计算，每小时可节省氢气0.191kg，节省成本6.7元（氢气35元/kg），运行10000小时累计节氢1907kg节省成本66753元。”
目前国内主流空压机供应商正集体往透平能量回收型空压机的技术方向跃升。
这种技术路线预计何时能够面市？
这种带涡轮膨胀机系统的空压机产品（下称“膨胀机”）是否已经走向市场？预计何时能够装车应用？
“这一技术路线在理论上讲是可行的，但目前市场上的这种产品还非常少的，基本上还没有看到样品。”多家燃料电池系统厂商向高工氢电反馈。
呈现这种情况，主要源于三方面：其一，膨胀机需要和燃料电池进行集成，这就需要膨胀机产品能够与电堆、系统进行性能匹配。“这与配置两级离心式空压机不同，这里面涉及到的因素是非常复杂的，做这种产品是需要花时间研发的，同时也是需要验证的。”一家燃料电池空压机供应商表示。
其二，膨胀机有它的可行性，但回收气含有水分或其他杂质，会对回收装置有腐蚀损伤，同时这种水分/杂质的存在也会对燃料电池系统的寿命、可靠性带去一定影响。这个问题该怎么优化？目前已有个别空压机企业能够从涡轮自身涂层、材料升级等方面对回收气中的水分/杂质进行控制，但这个问题依然是摆在多数空压机企业面前的一个难题。
其三，在市场层面，当前燃料电池市场是以政策导向而非以技术为导向。虽然膨胀机是提高额定功率点效率的最有效方法，也是最经济的方法。但是，现在实际的应用都不需要跑到额定功率点，所以经济性在实际应用中还体现不出来，因此市场还不着急在这方面投入太多精力。
此外，膨胀机的落地应用需要系统厂商配合试验，一起来不断验证与提高。目前市场中有能力提供膨胀机的供应商不多，有能力并愿意来试验膨胀机的系统厂商也不多。这在一定程度上影响了膨胀机“面市”的进程。
“挑战是客观存在的，但同时膨胀机本身也是符合燃料电池大功率发展趋势的、是有一定的市场需求的。综合来看，这种技术路线大约再需要一年左右的时间，应该会有稳定的产品推出并得到一定的应用。”业界一致认为。
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