摘要：氫燃料電池主要被應(yīng)用于新能源汽車，其主要組成部分包括膜電極（MEA）、雙極板、供氣系統(tǒng)等。其中核心部件膜電極和雙極板在之前寫的《探究質(zhì)子交換膜燃料電池核心部件降低成本的路徑》一文中中已經(jīng)講到，本文則主要探究燃料電池的供氣系統(tǒng)及關(guān)鍵部件空氣壓縮機(jī)的重要性及未來發(fā)展趨勢(shì)。

隨著環(huán)境和能源壓力的不斷增大，人們迫切需求清潔環(huán)保且可循環(huán)利用的新型能源，氫能因?yàn)閬碓磸V泛產(chǎn)物無污染等特點(diǎn)，已逐步成為新能源的發(fā)展方向。隨著氫能優(yōu)勢(shì)不斷被挖掘，高效的氫能轉(zhuǎn)化裝置也成為人們研究的重點(diǎn)。氫燃料電池是一種通過電極反應(yīng)把氫氣和氧氣的化學(xué)能不經(jīng)過燃燒直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，其能量轉(zhuǎn)換不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%-80%，遠(yuǎn)大于普通內(nèi)燃機(jī)30%-35%的轉(zhuǎn)換效率。氫燃料電池的排放物只有水，對(duì)環(huán)境友好，氫氣來源范圍廣泛且可循環(huán)利用不存在能源枯竭問題，且隨著技術(shù)的進(jìn)步氫氣制取的成本會(huì)逐漸降低，氫燃料的價(jià)格也會(huì)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)能源，氫燃料電池也將成為新一代廣泛應(yīng)用的能源方式。
       燃料電池供氣系統(tǒng)組成及工作原理
       氫燃料電池主要由燃料電池電堆及供氣系統(tǒng)兩大部分組成，其中供氣系統(tǒng)主要部件有空氣壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、及其他零部件（循環(huán)泵、空濾器、加濕器等）。為實(shí)現(xiàn)燃料電池能量轉(zhuǎn)化的持續(xù)性，空氣供應(yīng)系統(tǒng)需要時(shí)刻配合電堆的運(yùn)作，根據(jù)輸出功率的大小及時(shí)調(diào)整供氣量與供氣壓力，同時(shí)作為高壓空氣輸出裝置，對(duì)產(chǎn)品安全性有著極高的要求。
       新能源汽車氫燃料電池的主要工作方式是通過氫和氧的化學(xué)反應(yīng)輸出電能，再將電能轉(zhuǎn)化為汽車的動(dòng)力輸出來源。其中，供氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)氧氣的提供，氧氣可以使用純氧也可從空氣中攝取，純氧可以提升燃料電池的輸出功率，空氣攝氧則具有更佳的經(jīng)濟(jì)效益，目前商業(yè)化燃料電池也多應(yīng)用后者。在燃料電池運(yùn)行時(shí)，供氣系統(tǒng)從外界攝入空氣通過壓縮機(jī)增壓達(dá)到使用壓力，再經(jīng)過加濕機(jī)處理達(dá)到一定的水分含量后送入燃料電池電堆與氫氣反應(yīng)生成電能，輸入的空氣在反應(yīng)過程中消耗了氧氣系統(tǒng)內(nèi)壓力下降，多余空氣排出反應(yīng)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(zhuǎn)化為機(jī)械能反饋到空氣壓縮機(jī)，從而降低供氣系統(tǒng)的電能消耗，提高燃料電池的輸出功率。
       空氣壓縮機(jī)是供氣系統(tǒng)的核心部件 主導(dǎo)燃料電池的輸出功率
       空氣壓縮機(jī)是供氣系統(tǒng)的核心部件，主要作用是將空氣壓縮到燃料電池所期望的壓力，為燃料電池提供穩(wěn)定的空氣流量，同時(shí)通過控制空氣壓縮機(jī)的工作壓力來調(diào)節(jié)電池的輸出功率。燃料電池工作過程中的氧壓力與功率密度關(guān)系密切，在相同電流密度下，隨著空氣壓縮機(jī)供氧壓力的提高，電池的輸出電壓也出現(xiàn)了相應(yīng)的升高，從而提高了燃料電池的輸出功率。
       燃料電池的正常運(yùn)行離不開空氣壓縮機(jī)，高壓的工作環(huán)境是燃料電池?fù)碛懈吖β拭芏缺貍涞臈l件，提高空氣的供氣壓力，可以增大燃料電池系統(tǒng)的能量密度提高電池堆效率；系統(tǒng)壓力對(duì)于燃料電池內(nèi)的水管理系統(tǒng)也有較大影響，水管理系統(tǒng)保持燃料電池入口空氣的濕潤(rùn)，維持燃料電池工作時(shí)水量、電池內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的水，以及從電堆出口回收的水的總和相平衡，促使燃料電池正常運(yùn)行；同時(shí)高壓環(huán)境還可以減小燃料電池系統(tǒng)尺寸，降低燃料電池在新能源汽車中的體積占比，實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化從而提高續(xù)航里程，因此供氣系統(tǒng)及為系統(tǒng)提供高壓力的空氣壓縮機(jī)對(duì)于燃料電池的重要性不言而喻。
       空氣壓縮機(jī)種類較多 渦旋式和螺桿式是未來發(fā)展趨勢(shì)
       在新能源汽車質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中，燃料電池對(duì)于工作壓力的要求較高一般在0.1-0.3MPa。供氣系統(tǒng)的使用雖然增加了系統(tǒng)壓力提高燃料電池的效率，但空氣壓縮機(jī)在工作過程中也消耗了系統(tǒng)內(nèi)部的一定能量，如果這部分占比較大，對(duì)于燃料電池的性能的提升將起到阻礙作用。按照目前商業(yè)化車用燃料電池來看，供氣系統(tǒng)占燃料電池系統(tǒng)成本的22%左右，工作耗能占燃料電池輸出功率20%-30%。為了獲得更高的燃料電池輸出功率，提升燃料電池及汽車的整體性能，必須尋求最高效的空氣壓縮方式，匹配到與燃料電池系統(tǒng)相適應(yīng)的空氣壓縮機(jī)。
       空氣壓縮機(jī)類型較多，往往需要根據(jù)不同類型的燃料電池匹配不同的空氣壓縮機(jī)，目前商業(yè)化應(yīng)用的空氣壓縮機(jī)主要有螺桿式空氣壓縮機(jī)、渦旋空氣壓縮機(jī)、滑片空氣壓縮機(jī)、螺旋形交叉葉片空氣壓縮機(jī)、離心式空氣壓縮機(jī)等。不同種類的壓縮機(jī)都具有各自的優(yōu)勢(shì)和不足，從效率和可靠性來看，渦旋式和螺桿式空氣壓縮機(jī)是目前最佳的兩種技術(shù)路線，商業(yè)化使用較多也是未來發(fā)展的趨勢(shì)。
       螺桿式空氣壓縮機(jī)的工作原理是利用螺桿之間形成的空氣槽來壓縮空氣，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作高效、安全性較好、具有寬的流量范圍和良好的壓比流量特性，是理想的燃料電池用空壓機(jī)。目前美國(guó)GM、Plug Power、德國(guó)Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料電池中都采用了螺桿壓縮機(jī)壓縮機(jī)/膨脹機(jī)供氣系統(tǒng)。渦旋式空氣壓縮機(jī)屬于容積式機(jī)械，在容積式流體機(jī)械中容積效率較高，且壓力與氣量連續(xù)可調(diào)，在范圍較廣的工況下都能達(dá)到較高的效率。渦旋機(jī)械可設(shè)計(jì)成壓縮機(jī)-電機(jī)-膨脹機(jī)共軸的一體化結(jié)構(gòu)型式。目前日本豐田（TOYOTA）、美國(guó)UTC等公司的燃料電池系統(tǒng)也都采用了渦旋機(jī)械作為其供氣系統(tǒng)的核心部件。
       結(jié)語(yǔ)
       燃料電池的各項(xiàng)性與空氣供應(yīng)系統(tǒng)有著密切的關(guān)系，空氣壓縮機(jī)又影響著空氣供應(yīng)系統(tǒng)的性能，工作過程中所產(chǎn)生的空氣壓力決定著燃料電池輸出功率的大小，是保證燃料電池高效可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。目前我國(guó)對(duì)于燃料電池用空氣壓縮機(jī)的技術(shù)研還處于起步階段，技術(shù)水平較為落后，只有廣順新能能源動(dòng)力和福建雪人兩家企業(yè)能商業(yè)化量產(chǎn)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)于進(jìn)口的依賴性較大。隨著我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，燃料電池行業(yè)也將迎來快速發(fā)展，燃料電池及其附屬系統(tǒng)關(guān)鍵部件的需求量也將不斷增大，我國(guó)企業(yè)應(yīng)加大對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)力度，攻克技術(shù)難題，打破國(guó)外企業(yè)的壟斷實(shí)現(xiàn)核心產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化，搶占到更多的市場(chǎng)份額，這樣才能促進(jìn)我國(guó)燃料電池行業(yè)及空氣壓縮機(jī)行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。