罗茨鼓风机_燃料电池罗茨式鼓风机

燃料电池罗茨式鼓风机：厚积薄发 金士顿燃料电池空压机凭实力飞跃

　　氢能时代刚至，燃料电池行业混沌初开，关键零部件空压机正处于纷争激烈的“春秋战国时期”。

　　技术摸索过程中，离心式、螺杆式、罗茨式、涡旋式等各种技术路线并存，国外企业抢先一步，国内企业快速跟进，都意图在潜力广阔的燃料电池市场一展身手。投入燃料电池空压机的“战争”，既是向空压机行业最高技术致敬，更赋予了推动燃料电池产业前行的重要历史意义。

　　在这场“战争”中，有一家国内企业值得尊敬。它依托自身多年技术积累，坚定自主开发难度较高的核心部件及集成技术，选择了被认为是今后发展主流方向的离心式空压机技术路线，并且是处于国际先进水平的采用空气轴承的无油离心空压机。

　　在目前燃料电池行业参与者多、市场容量尚小的情况下，它的产品配套燃料电池系统领军企业，已成功上车应用300多台，通过燃料电池系统500小时的匹配测试，单台已随同系统装车完成4万公里测试，主要应用于申龙客车、福田客车、宇通客车和吉利客车等多个主机厂。它，就是石家庄金士顿轴承科技有限公司。

　　国产空压机自2020年开始陆续装车试用，前期应用较早的是传统容积式空压机。而涉及学科更多、研发难度更大的离心式空压机大多是国外知名品牌（如霍尼韦尔、利勃海尔等）也有少量系统研发、装车实验及示范运营，当时国内能够自主研发无油空压机且实际配套装车的企业基本没有。

　　而金士顿凭借多年来在空气轴承、高速永磁电机以及流体机械行业的自主核心技术积累，在空压机厂家当中独树一帜。值得一提的是，金士顿早在多年前突破国际封锁的空气轴承技术，彼时就是自主国产化的典型代表。如今已延伸至燃料电池空压机领域，是在热爱技术、立足核心部件技术的基础上，将自身技术在新能源领域的延伸拓展。

　　从空浮风机到空压机的华丽蜕变

　　金士顿成立于2007年，成立之初就专注于轴承产品的研发、生产、销售。并于2010年开始研发空气轴承产品，由于空气轴承产品的特殊性，在2020年自主开发能够应用空气轴承配套的高速电机，就为了能够将核心技术转化成产品。

　　后来金士顿成功研发采用空气轴承和高速永磁电机等核心技术的应用产品——空气悬浮离心鼓风机，用于污水处理和涉及物料、粉尘输送等行业，成为真正意义上的国内首家空气悬浮离心鼓风机国产化、系列化和批量化生产制造商。

　　在空气轴承及高速电机领域长期的技术沉淀，凭借在流体机械行业丰富的工程化应用经验，金士顿“厚积薄发”，瞄准日益茁壮的氢燃料电池产业，精准发力，以燃料电池无油空压机为主打产品，开始了在新能源领域的新征程。

　　但燃料电池空压机比鼓风机转速高、体积小很多，因此技术难度也高很多。金士顿在2020年就开始内部立项，对燃料电池空压机进行研发攻关，并于2020年推出了完全国产化的采用空气轴承的无油离心空压机。

　　值得一提的是，金士顿燃料电池空压机的控制器也属于自主开发。这与其当初不得不开发高速电机的原因类似，在国内能够控制高转速电机的控制器是一个技术难点，彼时市场上没有现成的商用化控制器产品，因此在2020年公司决定开发无油空压机项目的同时，提前布局，组建了专门开发控制器的研发团队，并且实现了控制器和空压机的完美匹配。

　　“我们从最初做轴承零部件，就这样一步一步转型成机电一体化环保设备生产制造商，再到涉足新能源领域成为汽车零部件供应厂家，对于整个公司来说，也在不断的蜕变、成长。”金士顿副总经理王青峰说，由于研发涉及的学科领域不断拓宽，从最初简单的机械加工到转子动力学、电磁学、空气动力学、整机控制等，在这过程中研发团队也逐步扩大。

　　现在金士顿有230多人，其中研发团队就有四十多人，在研发和工程化应用研究过程中，金士顿依靠自身的绝对领先的技术优势，陆续成立和组建了“河北省空气轴承及应用工程技术研究中心”、“河北省企业技术中心”及院士工作站等多个处于技术领先水平的研发平台。

　　核心技术之花在氢能领域怒放

　　从发展历程来看，金士顿空压机不是“横空出世”，也不是“后来居上”。早期在各种宣传泛滥之时，金士顿一直在默默进行产品验证，性能提升，匹配测试。因为金士顿人明白，要想做好空压机，单纯只关注产品自身是远远不够的，必须要结合系统和整车综合性能考虑，只有拿到最真实，最全面的各项测试数据，不断进行优化调整，做出的空压机才是真正经得起考验的、质量过硬的产品。

　　“树高千尺赖根深”金士顿凭借严谨的研发态度，科学的产品验证，真实丰富的数据采集等基础工作，才使得公司和产品得到市场的广泛认可。

　　“2020年空压机产品出来以后，为了更好的满足和响应系统集成商对空压机的技术性能指标要求，与燃料电池系统做了非常多的匹配验证工作。目前公司的空压机已经完全满足上车各项要求，公司空压机产品已经实现从30kW-100kW系统功率全覆盖。”王青峰透露。

　　从技术路线角度来看，很多企业与金士顿的想法相同，看好离心式空压机技术路线。这是因为：空气轴承离心式空压机体积小巧、能耗小、噪音小无需再匹配降噪设备，在助力提升燃料电池系统功率密度上比较理想。本田、现代等国际主流燃料电池车企都已更新换代离心式空压机，被认为是今后汽车行业发展主流方向。

　　国内有多家企业布局离心式空压机，一部分采用增速方式，这种方式依然存在噪声大、含油、能耗高等问题，而空气轴承式则可以彻底杜绝含油问题，在未来更具竞争优势；另一部分布局空气轴承空压机企业，因为处于发展初期，大多在最为关键的空气轴承、高速电机、控制器等核心部件或多或少依赖外部采购。这让掌握核心部件技术的金士顿竞争优势更加凸显。

　　手握空气轴承、高速永磁电机、控制器等三大核心技术部件“杀手锏”，同时自主设计叶轮，让金士顿有实力为我们的客户做到真正意义上的“量身定制”，这一点对于处于起步阶段、产品工艺尚未完全定型的燃料电池系统企业而言，特别重要。

　　虽然通过多年努力已经取得了一些收获，但金士顿深知，从轴承单品生产商进入到汽车零部件供应商行列，对于金士顿来说既是机会也是挑战。

　　为了应对汽车行业的高标准要求，金士顿正按照16949质量管理体系快速推进质量管理体系和供应商管理体系的升级，同时从生产各环节严格把控，保证产品的品质提升，力争打造新能源汽车领域优质品牌，助力我国氢燃料电池技术的推广和普及，早日实现氢能产业完全市场化。

燃料电池罗茨式鼓风机：燃料电池用空气压缩机（空压机）发展现状、技术路线及代表厂商分析

　　燃料电池是一种将燃料和氧气结合起来产生电力的电化学装置。因为其在将化学能转化为电能的过程中产生的大部分是水，有害气体较少，因此对环境污染较小。同时它的能量转换由于不经过燃烧，理论上转换效率可达90%以上，实际可达到60%。燃料电池没有机械传动部件，因此也不会产生噪音。燃料电池系统负荷变动的适应能力也比火力发电强，燃料电池发电处理变动率可达每分钟66%，调节范围教大，应答速度快，运行平稳。

　　燃料电池汽车八大核心部件构成

　　资料来源：公开资料

　　燃料电池系统主要由燃料电池堆、空气循环系统、供氢系统、水/热管理系统、电控系统这五大系统构成。而空压机则是空气循环系统中的重要组成部分，燃料电池用的氧气基本来源于空气，而空气则需要鼓风机（低压燃料电池）或空压机（高压燃料电池）将空气泵入燃料电池堆。同时空压机还能利用消耗了部分氧气排出反应堆的输入气体转化的机械能，从而节省电能。

　　燃料电池整车成本构成

　　资料来源：立鼎产业研究中心

　　燃料电池系统成本构成

　　资料来源：立鼎产业研究中心

　　立鼎产业研究中心发布的《2020年版全球及中国空压机行业发展现状分析及发展趋势研究报告》数据显示，目前燃料 电池的成本中占比最大的是燃料电池堆，占到总成本的61%，其次就是空气循环系统，占到总成本的15%。而空压机则是空气循环系统中极为重要的组件之一，降低空压机的成本可以在一定程度上降低空气循环系统在燃料电池总成本中的比例，从而降低燃料电池总成本。

　　燃料电池汽车五大系统构成

　　资料来源：立鼎产业研究中心

　　燃料电池进气工作示意图

　　来源：丰田Mirai

　　燃料电池空压机通过对进堆空气进行增压，可以提高燃料电池系统的效率和紧凑性。为使燃料电池保持良好的工作特性和工作效率，适用于燃料电池的空压机还需要满足以下几点特性：

　　无油且有一定湿度：传统压缩机中往往使用润滑油，但润滑油会污染电堆内芯，使电堆中毒降低反应活度。

　　较高能量转换率：空压机的效率会直接影响燃料电池的效率。高效的空压机可以有效提高燃料电池的效率。

　　动态响应能力高：空压机可以随着需求功率变化及时调整输出功率。

　　低噪声：空压机的噪声是燃料电池噪声的主要来源，因此需要尽可能减小空压机的噪声。

　　小型化且低成本：空压机的体积、质量和成本大大影响整个燃料电池的体积、质量和成本，小型化且低成本的空压机有利于未来燃料电池的发展，从而推动燃料电池汽车的产业化。

　　尽管国内目前空压机种类繁多，但缺少效率高而且能够为燃料电池提供清洁无油气体的空压机，其中阻碍适用燃料电池的空压机发展的最主要因素之一就是需要保证压缩气体绝对无油。由于燃料电池需要绝对无油的空气这一特点，传统的空气压缩机并不能用于燃料电池系统，因此需要开发燃料电池专用的无油压缩机。

　　目前燃料电池系统使用的空压机类型主要有离心式、涡旋式、螺杆式。离心式压缩机效率较高，响应较快；涡旋式压缩机效率也较高，噪声低，质量轻；螺杆式结构简单较为可靠，都具有较好的发展前景。目前代表性车企使用的以离心式和罗茨式为主，其中离心式业界评价较高。

　　目前代表性燃料电池车企使用的空压机类型

　　来源：公开资料i

　　离心式压缩机在功率密度、效率、噪声等方面具有最好的综合效果，被业界认为是较有前途的燃料电池空气增压方式之一。丰田Mirai燃料电池系统目前是搭配的六叶螺杆罗茨式空压机，由丰田自动织机公司开发。从目前国内外研究发展方向来看，离心式和罗茨式空气压缩机或将是今后主流的发展方向。同时，随着燃料电池系统对空气供应系统性能要求的提高，离心式空压机与涡轮匹配工作也将成为燃料电池用空压机未来发展的主要趋势之一。

　　燃料电池空压机技术路线对比

　　来源：公开资料i

燃料电池罗茨式鼓风机：生动盘点丨19张动图带你走进燃料电池用各类空压机

　　导读：如果燃料电池堆是燃料电池动力系统的“大心脏”，那么空压机就是强劲的“肺”，燃料电池系统的高性能输出需要强大的“心-肺功能”。可以这样形容，目前空压机是国内除了燃料电池堆以外最为核心的关键零部件。燃料电池空压机可分为离心式、罗茨式、螺杆式、涡旋式、活塞式和滑片式等。本推送帮助读者从动图直观理解燃料电池用各类空压机结构。

　　主要燃料电池汽车厂商空压机类型对比

　　全球各大燃料电池汽车生产商为空气供应系统选择的空压机类型也不尽相同。比如丰田2002款FCHV和2008款FCHV-adv燃料电池汽车搭载了涡旋式空压机，Mirai燃料电池汽车搭载六叶螺旋罗茨式空压机。本田公司Clarity燃料电池汽车用两级电动离心式空压机取代了螺杆式空压机。戴姆勒旗下最新GLC F-Cell燃料电池汽车采用离心式空压机，而在前几代中，A-class采取螺杆式空压机和膨胀机结合的形式，B-Class和F-Class采用螺杆式空压机。

　　各类空压机对比

　　虽然燃料电池用空压机的设计方法与传统内燃机增压器相似，但两者在使用环境、工作范围和要求上有着较大差别。燃料电池用空压机需要满足无油、低噪声、低成本、小型化、工作范围宽、动态响应快等特点。某种程度上，燃料电池用空压机代表了空气压缩机行业的最高水平，涉及到空气动力学、传热学、流体力学、机械、电子、材料、电控和NVH等众多学科。上表为几种燃料电池用空压机的简单对比。可以发现，各型空压机均有其特有的优点和缺点，离心式空压机综合评分最高。下面将从离心式空压机开始，依次从动图出发介绍各型空压机。

　　1. 离心式空压机

　　离心式空压机在功率密度、效率和噪声等方面具有最好的总体效果，被视为未来最有前途的空气压缩方式之一。主要工作原理为通过叶轮对气体做功，在叶轮和扩压器的流道内，利用离心升压作用和降速扩压作用，将机械能转化为气体的压力能。拒相关资料显示，从目前国内外燃料电池空压机的开发方向来看，离心式空压机将是今后的主流方向。目前，本田公司旗下Clarity和现代公司旗下ix35燃料电池汽车使用的正是离心式空压机。注意，本田公司旗下Clarity燃料电池汽车采用的是两级电动增压方式。

　　离心式空压机工作原理动态图一

　　离心式空压机工作原理动态图二

　　离心式空压机工作原理动态图三

　　离心式空压机叶轮

　　本田Clarity燃料电池两级电动增压

　　离心空压机也有一些缺点，比如不适合气体流量太小及压比过高的场合，工作区较窄，经济性较差，效率较低等。如下图所示，传统内燃机动力系统匹配空压机往往工作在中等流量范围，工作范围较大；燃料电池用空压机工作范围窄且靠近喘振边界。据相关资料显示，离心式空压机与涡轮机的搭配可能成为燃料电池用空压机未来发展的主要趋势，比如博格华纳(BorgWarner)开发的FCAS涡轮增压空压机。

　　传统内燃机与燃料电池用空压机工作范围对比

　　博格华纳涡轮增压空压机

　　2. 螺杆式空压机

　　螺杆式空压机可分为单螺杆式和双螺杆式。螺杆式空压机在汽缸内装有一对互相啮合的螺旋形阴阳转子，两转子都有几个凹形齿，两者互相反向旋转。主转子又称阳转子或凸转子，通过发动机或电动机驱动，另一转子称阴转子或凹转子，由主转子端和凹转子端的同步齿轮驱动。驱动过程中理论上没有金属接触。通用汽车和戴姆勒旗下燃料电池汽车层搭载过螺杆式空压机。

　　单螺杆式空压机工作原理动态图

　　双螺杆式空压机工作原理动态图一

　　双螺杆式空压机工作原理动态图二

　　双螺杆式空压机工作原理动态图三

　　注意，戴姆勒旗下燃料电池汽车GLC F-CELL已经用电动增压器(离心式)取代了传统的螺杆式压缩机。

　　3. 罗茨式空压机

　　罗茨式空压机属于容积回转压缩机，这种压缩机靠转子轴端的同步齿轮使两转子保持啮合。转子上每一凹入的曲面部分与气缸内壁组成工作容积，在转子回转过程找那个从吸气口带走气体，当移到排气口附件与排气口相连通的瞬时间，因有较高压力的气体回流，此时工作容积中的压力突然升高，然后将气体输送到排气通道。两转子互不接触，靠严密控制的间隙实现密封，故排出的气体不受润滑油污染。

　　罗茨式空压机叶轮形状

　　罗茨式空压机工作原理动态图一

　　罗茨式空压机工作原理分解

　　罗茨式空压机工作原理动态图二

　　丰田公司旗下Mirai燃料电池汽车搭载了全新开发的六叶螺旋罗茨式空压机。与传统罗茨式空压机中叶轮与轴向平行不同，丰田纺织开发的罗茨式空压机，叶轮呈现螺旋形状。上汽集团开发的燃料电池汽车也层搭载过罗茨式空压机。罗茨式空压机的优势主要有：转速较低，不必使用结构复杂的空气轴承；高效运行区较宽；技术相对成熟。

　　Mirai六叶螺旋罗茨式空压机

　　4. 涡旋式空压机

　　涡旋式空压机由一个固定的渐开线涡旋盘和一个呈偏心回旋平动的渐开线运动涡旋盘组成的可压缩容积压缩机，由两个双函数方程型线的动、静涡盘相互咬合而成。在吸气、压缩、排气工作过程中，静盘固定在机架上，动盘由偏心轴驱动并由防自转机构制约，围绕静盘基圆中心，作很小半径的平面转动。气体通过空气滤芯吸入静盘的外围，随着偏心轴的旋转，气体在动静盘噬合所组成的若干个月牙形压缩腔内被逐步压缩，然后由静盘中心部件的轴向孔连续排出。

　　涡旋式空压机转子

　　涡旋式空压机工作原理动态图一

　　涡旋式空压机工作原理动态图二

　　丰田公司在2002版FCHV和2008版FCHV-adv燃料电池汽车上均曾搭载了涡旋式空压机。

　　5. 往复式空压机

　　往复式空压机通过气缸内活塞或隔膜的往复运动使刚体容积周期变化并实现气体增压和输送，属于容积型空压机。根据往复运动的构件分为活塞式和隔膜式空压机。

　　活塞式空压机动态图一

　　优点：1.热效率高、单位耗电量少；2.加工方便，对材料要求低，造价低廉；3.装置简单；4.设计、生产早，制造技术成熟；5.应用范围广。

　　缺点：1.运动部件多，结构复杂，检修工作量大；2.转速受限制；3.活塞环的磨损、气缸的磨损、皮带的传动方式使效率下降很快；4.噪音大；5.控制系统的落后，不适应连锁控制和无人值守的需要。

燃料电池罗茨式鼓风机：许思传：车用燃料电池系统的关键技术及发展趋势

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　　2020年9月23日，“2020中国新能源汽车动力电池产业技术发展高峰论坛暨车企与动力电池企业技术交流会”在张家港盛大召开。本届会议由电动汽车资源网携同江苏天鹏电源有限公司联合张家港市发展和改革委员会、张家港市科技局共同举办，来自政府主管部门、行业权威专家学者、新能源整车企业、动力电池产业链企业、检测机构等，共计600余业界精英齐聚一堂。同济大学新能源汽车工程中心教授、博士生导师许思传做重要演讲，许思传教授的演讲主题为“车用燃料电池系统的关键技术及发展趋势”。

　　同济大学新能源汽车工程中心教授、博士生导师许思传

　　以下是电动汽车资源网整理许思传教授演讲内容如下：

　　各位领导，各位专家上午好！今天很高兴有机会跟在座的各位专家和领导探讨燃料电池系统当中的有关问题，今天我也很高兴主持人给我这样的机会，在这样一个动力电池的论坛上，让我介绍燃料电池的情况。其实与刚刚陈老师还有赵部长介绍的一样，燃料电池汽车是我们国家新能源汽车当中的一种主要的形式，我代表我们同济大学新能源汽车工程中心，也是国家燃料电池汽车及动力系统工程中心做一个介绍，我大概分几个部分向各位专家做一下介绍。

　　关于全球的挑战，大家都比较清楚，我们简单地过一下。大家知道，目前交通的模式，主要是依赖于传统的汽车，应该说无论是从能源和环保这两个方面都不具有可持续性，这里面我想说关于能源的问题，我们国家的石油依存度逐年增加，特别是石油车的保有量增加，对于石油的需求会越来越大，而且我们石油进口对外的依存度达到了60%。

　　那么对于这种能源的情况，环境污染也对我们国家造成了极大的挑战，我们大家知道对于二氧化碳的排放，在杭州G20峰会上递交了我们的承诺，低碳化一定是未来的发展趋势，对于汽车而言，还有二氧化碳的排放，消耗能源是很重要的一个原因。

　　基于这样的情况，未来汽车的发展，我们认为是能源的多样化。对于能源多样化而言，电动汽车或者说汽车的电气化一定是今后的未来发展趋势。这里面我想说，可以从两个方面来讲，第一个方面我们说驱动的电动化，我们知道采用了驱动电动化以后，自动回馈，使驱动效率得到了很大的提高。右边的表格当中典型城市行驶工况牵引与制动能量消耗，采用驱动电动化才可以把制动的能量进行回收，提高效率。

　　那么第二个方面就是能源的多元化，大家知道，由于我们国家对外石油资源的依存度越来越高，所以国家的能源安全就越来越重要，保证我们国家的能源安全，最有效的方法就是能源的多元化。那么对于能源多元化来说，对汽车工业一定要找到一个中间的载体，中间的能源，这样对于汽车工业的发展就会至关重要，目前比较理想的中间的载体一个就是电，第二个就是氢气，所以目前的纯电动汽车和燃料电池汽车成为国内外争相发展的重点。

　　今天的主要是动力电池和电动汽车，我这里做了一个比较，这个观点应该说得到了比较大多数的专家的认可，就是说未来的新能源汽车主要是纯电动汽车和燃料电池汽车两种。一般来说在里程比较短的情况下，采用纯电动汽车比较多，而在行驶里程比较长采用燃料汽车比较多，这个表格也给出了各种主要的新能源汽车二氧化碳排放的情况。从这个表格当中我们可以看出，无论是纯电动汽车，还是燃料电池汽车都会极大降低二氧化碳的排放，这是第一个方面，由于前面两位嘉宾都做了详细的介绍，我就简单概括。

　　第二个方面我们介绍一下燃料电池汽车，做一下燃料电池汽车的简介，今天在座有很多的企业家，我介绍一下燃料电池汽车的有关方面，希望引起各位企业家、各位领导的重视，加大燃料电池汽车方面的投入。燃料电池汽车最基本的或者是核心的部分，我们叫它燃料电池系统，在国内我们也称之为燃料电池发动机，它和动力电池的最大不同就是利用了氢氧反应产生电，这个方面来说类似于我们传统的发动机，不是一个电池，是一个发电的装置。燃料电池汽车比较有代表性的事例，丰田的Mirai(参数|图片)在2020年12月15日在日本上市，无论是价格和性能都在国内外引起了强烈的反响。这是一个比较典型的例子。

　　紧接着在2020年的3月份，本田发布了他的FCV(参数|图片) Clarity(参数|图片)汽车，这个基本和丰田的类似，各种指标某一些方面甚至超过了丰田的指标，其实本田的汽车应该说是最早实现，大概在2007年丰田的第一代汽车以租赁的方式供用户进行驾驶。第三个就是现代ix35(参数|图片)，韩国现代起步比较晚，应该说跟我们国家基本上类似，大概大量的投入也是在2000年左右，但是现在的汽车发展的比我们国家快很多，应该说现代汽车应该比丰田发布还要早，丰田是2020年的12月份，现代是2020年的4月份已经正式开始销售。

　　我们做的工作，主要是在同济大学期间完成的，2000年开始研究燃料汽车，最早做的超越一号，超越二号，超越三号，后来跟有关的汽车厂研究了一些轿车，2008年的奥运会，总共给上海大众生产了24辆的轿车，在这以后又在美国的加州进行了长达半年的试行。第二个事件是上海的世博会，我们跟有关的整车厂，一汽、上汽、奇瑞等等，推出了90辆的燃料电池汽车，推出了100辆的燃料电池场馆车，所以总共是193辆的燃料电池汽车在上海世博会上进行了长达半年的运行。这是燃料电池整个汽车的情况。

　　今天我重点介绍一下燃料电池系统，特别是燃料电池系统当中的关键的部件和系统当中的一个关键技术。刚刚赵总也提到，我们国家燃料电池技术在关键部件、关键材料和国外的差距还是比较大的。这有一个示意图，最主要的部件就是燃料的电堆，为了使它正常的工作，就要源源不断地提供空气，提供氢气，所以我们需要一个氢气的供应体，所以我们就需要一个空气的供应体，另外我们说燃料电池在工作的时候氢氧反应生成水，这个水一方面有可能堵塞，另外一方面又起到湿润燃料电池电堆当中的电解质，也就是膜的作用。所以对电堆而言，既是必不可少的又有一定的危害，所以说燃料电池的水热管理系统，对电堆的冷却，第二方面对产生水的回收和对氢气对空气的加湿，这个是燃料电池系统主要的一个原理。

　　这个表格是显示的美国GOE统计的，目前燃料电池的系统主要的技术指标和2020年的发展目标，从这个表格当中我们可以得到这么一个结论，目前在国际上，包括日本、美国、德国，燃料电池的技术已经成熟，下一个阶段，燃料电池的技术主要是集中在降低成本产业化的阶段，这个表格当中也可以看出来，燃料电池汽车跟传统的汽车有突出的优点，效率比较高，这里面目前的最高的效率已经达到了60%，而2020年将会达到65%，我们大家知道对于传统的发动机像丰田普锐斯(参数|图片)发布的，效率达到的60%，这个在汽油车当中已经是最高了。所以说燃料电池显著的优点可以看出来，这个是关于简介。

　　第三部分我介绍一下燃料系统当中的一些关键的部件，这里面特别是希望能够供有关的企业家们进行参考。我们认为燃料电池系统的关键部件，主要是有4个，第一个是电堆，我们说燃料电池系统、燃料电池发动机是燃料电动汽车的心脏，而电堆又是燃料电池系统的关键的一点，电堆我们说就是把空气系统、氢气系统输入的氢气和空气进行化学反应产生电，这个是我们国内外的一个主要的电堆，其中比较有名的就是丰田和本田他们最近发布的电堆，他这个电堆体积比功率已经达到了每升3.1千瓦，我们国内做的产品级的大概每升在1.2千瓦左右，实验室上做到每升2千瓦左右，所以能够看出我们跟国外的差距还是比较大的。另外在这样的一个关键部件当中，又涉及到很多的关键材料，这里面主要是催化剂、膜、碳石、GDL（音），这几个在我们国家基本来说是空白的，或者是有一些个别的企业研发，产品的可靠性耐久性和国外的差距比较大，基本上在应用当中用的比较少，关键材料绝大部分是国外的产品，这也导致了我们国家燃料电池的成本要比国外高很多。

　　这个表格是给出了目前电堆在2020年达到了一个具体的状态，美国DOE在2020年要达到的一个技术目标。

　　第二个部件是氢气循环系统，或者说是氢气循环泵。我们大家知道，燃料电池用的燃料是氢气，那么氢气的电堆为了提高它的化学反应速度，我们希望增加氢气在电堆当中的浓度，增加它的压力，所以说我们就希望能够在电堆当中的氢气循环起来，这里面会带来很多的好处，这个好处一是可以提高功率密度，二是可以减轻补水，所以氢气供应系统、氢气循环泵是很关键的部件。目前对氢气循环大概是有这么几种情况，第一是不循环，这个是在我们国家十一五、十二五绝大部分的样机采用，第二个是引射器，第三种氢气循环泵，这个是主要的特点，今后应该说主要以氢气循环泵为主，在个别的情况下对引射器和氢气循环泵相结合。

　　第三个关键的部件是加湿器。刚刚已经提到了电堆当中的电解质是一个质子交换膜，在工作的时候这个膜要保持湿润状态，一方面是供氢的质子传递作用，另外一方面可以降低内阻，保持电堆内部的水动态平衡，提高电堆性能和耐久性，这个部分就是加湿器。加湿器的发展经历了很多的过程。在以前有用寒冷法，有用喷水加湿，现在是利用排气对进气进行加湿，目前在国内这一块基本是空白，主要是美国的公司、韩国的公司提供的产品当中有。这个是我们说给加湿器的具体要求。

　　下面一个关键的部件是空气压缩机，或者说是我们叫它燃料电池的专用压缩机，它的作用很简单，就是为电堆提供一定温度、一定压力、一定流量的空气。我们国内目前的压缩机这个行业应该说是比较齐全的，为什么在燃料电池当中不能应用呢？燃料电池有一个特殊的要求，就是要无油，也就是说空气当中的油不允许存在，这样的话目前的传统压缩机不能用在燃料电池系统当中，所以说我们就要开发燃料电池专用的无油压缩机。那么这个图是目前我们做的，所谓的无油润滑的高速压缩机，为了车用我们说燃料电池的压缩机一定要体积小、重量轻，所以为了满足这样的要求，我们采用离心式的压缩机，轴承采用空气轴承，而电机采用高短速，短速达到10万转，国内上基本是10万-15万转之间，这个燃料电池专用压缩机在国内仅仅有个别的厂家在研发，实际上跟国外的差距还是比较大的。

　　这张图是给出了目前主流燃料当中汽车当中采用的压缩机的主要的形式，从这里面可以看到，除了丰田他用的是罗茨式的其他都是离心式，当然现在也有鼓风机是采用的低压式的，丰田为什么采用罗茨式的压缩机呢？大家知道丰田原来是丰田纺织，这个里面他的罗茨压缩机在纺织上有大量的应用，所以丰田积累了大量的技术，他把这个技术移植到这个当中。但是采用这样的压缩机也带来一定的问题，这个问题就是有油润滑，尽管密封做的很好，但是有少量的油有可能漏到里面去，特别是随着使用的时间越长，漏油情况越严重，所以说丰田也正在跟有关的零部件供应商在合作开发，所以基于这个方面，我们认为还是利用离心式空气轴承式的高速压缩机是比较适合。这个是对空气压缩机的技术要求。

　　燃料电池刚刚提到4个技术，第一个是水热管理技术，燃料电池当中电解质质子交换膜在工作的时候需要保持湿润的状态，否则这个氢离子的传递会很难传递，另外一方面电内阻会增大，另外一方面氢氧反应在生成水，如果管理不当的情况下会把这个流道堵住，所以阻止氧气和氢离子的进入，所以功率会下降。水热管理的目标就是保证这个膜湿润，从此就防止了在阴极和阳极堵水的可能。丰田在发布Mirai最近的这个车当中，应该说它的核心的关键技术就是在它的水管理当中做的工作，这个工作应该发布以后引起了各大车厂的轰动，他把水管理做到极致，具体来讲他把加湿器取消掉了，原来空气系统进行加湿，他把这个取消，丰田的这个目的是为了降低成本，没有这个加湿器了，他的成本会大大下降，他是怎么做到的呢？应该说采用了几个关键的技术，一个关键技术是他把这个膜做的很好，原来的是在20个微米以上，而丰田的这个膜采用了10个微米，那么这个膜变薄了以后就有利于阴极向阳极的水传递，和阳极向阴极的水传递，这个是第一个措施。第二个措施是空气和氢气采用逆流的方式，流动正好是相反，第三个措施就是把这个热管理控制在空气入口这边，温度比较低，出口的温度比较高，这样在温度比较低的时候，由于空气不加湿，温度比较低，随着蒸发量的下降，膜就不容易变干，这是第三个。第四个关键技术是氢气采用很大的循环量进行循环，做了这样的技术就实现了所谓的自增湿的技术，怎么实现的呢？我可以简单说一下。

　　先看空气这一侧，开始的时候他没有水，但是随着反应进行在空气出口的时候会产生大量的水，这个时候因为这边的浓度比较高，就会从空气侧向氢气侧传递，这个时候我们说氢气在流动的过程当中把水分从入口带到出口，由于空气这一侧浓度比较低，所以说又从阳极向阴极传递，就实现了所谓的自增湿的情况，这个是丰田在这一轮当中的过程，另外一方面系统大大的简化，成本降低，所以说号称这个车卖700万日元。另外一个降低成本的技术是原来的氢瓶是碳纤维，后来跟厂家合作，把碳纤维的要求降低，成本下降，氢瓶当中碳纤维不要要求那么高，这个是丰田降低成本两个关键的技术。

　　第二个是低温冷起动，对于新能源汽车，即使是纯电动汽车，低温起动仍然是有挑战性，动力电池在低温下的性能应该是比常温下要差很多，燃料电池也面临着同样的挑战，他的挑战是什么呢？我们说对于燃料电池汽车来说反应的快，零下的时候水会结冰，如果结冰的量比较多的话，我们说这个电解质的这层膜很薄，10个微米，冰碴子会出现一些问题。所以说低温起动在燃料电池当中有一个核心的关键技术，那么目前应该说丰田的Mirai、本田等等都实现了在零下30度的起动，我们国内的上汽通用做到了零下25度。这个是怎么做到的呢？主要是从这三个方面考虑，第一个方面是说在停机的时候要想办法把它产生的水分从阳极和阴极排除掉，这样减少了结冰的数量。第二个措施就是保温，这样的话减缓温度降低的速率，第三个是起动的时候加热，它这个加热应该说不是依赖于动力电池的加热，而是利用燃料电池本身的一个自加热，也就是说这个图可能是比较专业，这个是工作图，1.4-1.0的区间是产生热，绝大部分的氢气是变成了电，在低温启动的一瞬间，通过控制的措施，在工作的这个点，这个时候是大量的产生热，而这个小量的产生电，产生这个电只要维持压缩机和燃料电池系统自身工作需要的电就可以了，而大量的这个热把电堆快速地从零下20度，零下30度加热到零上就可以顺利起动，所以这样的技术应该说在国外的主要的厂家都已经实现了在零下30度甚至可以做的更低，这一点应该说比动力电池在低温起动上面解决的更好。去年我们到日本丰田进行交流的时候，我们也问他，为什么在燃料电池汽车当中不采用锂电池而是镍锌电池？他们说锂电池在低温启动上没有得到解决，而镍锌电池已经得到了解决。

　　第三个关键技术我们叫它系统的控制技术，燃料电池大家知道，它的耐久性是很关键的问题，目前在国际的先进水平上，在轿车上可以运行20万公里，或者说5000小时，功率衰减不超过10%，那么在客车上，可以做到1万个小时，这个耐久性是怎么做的呢？一方面在关键的材料，关键的部件，很大的一部分在控制，经过大量的研究，影响燃料电池寿命的关键因素有这么几个，动态工况，起动，连续怠速，低温储存和起动，经过这几个影响耐久性的关键的因素，如何来对咱们的系统进行控制是比较关键的问题。

　　这个图是我们中心基于耐久性、经济性、动力性考虑的一个控制策略图，从起动过程，运行过程、故障改善做的。另外现在空气控制系统都是中压或者是高压系统，我们要把空气的供应和压力分别进行控制，进行压力和流量的节流。另外就是这边是氢气供应系统，这边是空气供应系统，刚刚已经提到了电解质的膜很薄，丰田就10个微米，如何来保证这个空气和氢气它们之间的压差？这个压差如果大的话，会把这个膜去掉，我们目前要限制空气这一侧和氢气这一侧的压差不超过0.5，这个我们就可以通过一个控制的方法来使得这个氢气系统和空气系统随动，这个是比较关键的。

　　燃料电池汽车的发展趋势

　　最后简单提一提今后燃料电池的发展方向。我们认为未来主要的做的工作是寿命、成本、可靠性这几个方面需要做大量的工作。这个是我们国家在十三五燃料电池的支持，燃料电池去年已经支持了一个比较大的项目，一个是关于电堆，一个是关于材料，还有一个今年要起动的对于燃料电池系统方面的支持，现在本来已经发布，预计在今年的11月份，12月份马上就可以起动。

　　好，谢谢大家！

　　点击下方《惠州市：关于加快新能源汽车产业发展的实施意见》

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