空壓機被譽爲燃料電(diàn)池之“肺”。空壓機類型主要有容積型空壓機和速度型空壓機，目前國(guó)内常用的燃料電(diàn)池空壓機主要有容積型羅茨式空壓機和雙螺杆式空壓機、速度型離心式空壓機三種。
高工産(chǎn)研氫電研究所（GGII）調研數據顯示，2020年中國氫燃料電池空壓機出貨量爲3790台，同比增長(zhǎng)110.56%。
據高工産(chǎn)研氫電研究所（GGII）調研，目前國内空壓機根據類型、匹配系統功率不同、企業市場(chǎng)策略不同，價格呈現不同梯度區間。多數離心式、雙螺杆式空壓機價格爲3-8萬元/台；部分雙螺杆式、羅茨式空壓機價格已降到1-3萬元/台之間。進口空壓機價格爲5-10萬元/台。
2020年中國氫燃料電池空壓機市場規模爲1.60億元，同比增長82.65%，市場規模增長低於(yú)出貨量增長主要因爲空壓機産(chǎn)品升級成本下行、國産(chǎn)化替代、以及同行競争促使空壓機價格下降。
2020-2020年中國市場(chǎng)氫燃料電(diàn)池空壓機出貨量及市場(chǎng)規模（台，億元）
注：出貨量及市場(chǎng)規(guī)模含進口數據
數據來源：高工産(chǎn)研氫電(diàn)研究所（GGII），2020年5月
目前國内80%以上空壓機供應商選擇離心式空壓機作爲其産(chǎn)品研發方向。但，2020年國内空壓機市場(chǎng)中，羅茨空壓機出貨量和市場(chǎng)規模占比均在50%以上，主要因爲羅茨空壓機價格相對離心式低，目前可以滿足下遊應用需求。
2020年中國氫燃料電(diàn)池空壓機出貨量和市場(chǎng)規模（按空壓機類型，%）
數據來源：高工産(chǎn)研氫電(diàn)研究所（GGII），2020年5月
質子交換(huàn)膜燃料電(diàn)池用空壓機的基本要求爲：
①無油；
②高效率；
③小型化；
④低成本；
⑤低噪音；
⑥特性範圍寬；
⑦動态響應快。
離心空壓機具有體積小、響應快、噪音低、動(dòng)壓空氣軸承空壓機無油、可實現超高壓比等優勢，但存在低流量高壓比時會發生喘振現象影響壽命、生産(chǎn)成本高、工作範圍窄等劣勢。
羅茨空壓機具有工作範(fàn)圍寬、生産(chǎn)成本低等優勢，但存在高頻噪音高、體積大、需要機油潤滑軸承等劣勢。
雙螺杆空壓機具有流量大、工作範(fàn)圍寬等優勢，但存在生産(chǎn)精度高、生産(chǎn)成本高、高頻噪音高、體積大、需要機油潤滑滾珠等劣勢。
不同類型空壓機(jī)性能對(duì)比
資料來源：Rotrex，蓋瑞特，雪人股份，燃料電(diàn)池幹貨，高工産(chǎn)研氫電(diàn)研究所（GGII）整理，2020年5月
氫燃料電池系統輔件（BOP）的選型需要與電堆性能進行匹配，高工産(chǎn)研氫電研究所（GGII）預計，2020年國内BOP市場(chǎng)規模爲6億元，2023年有望達到17億元。
燃料電池系統設計涉及到空壓機、氫循環泵、增濕器的選型與成本、性能間的平衡。随著(zhe)電堆技術、系統集成技術的發展，BOP市場格局将随之發生變化。爲更好地分析研究中國氫燃料電池BOP的市場發展現狀及趨勢，高工産研氫電研究所（GGII）通過對國内主要氫燃料電池車企、系統、電堆及關鍵材料供應商等實地調研，收集大量的第一手資料，並(bìng)進一步結合對中國超過80家氫燃料電池産業鏈企業訪談，編寫完成《中國氫燃料電池BOP産業調研分析報告（2020~2023年）》。
本報告對中國氫燃料電池BOP産業發展特點、産值、發展規劃及重點企業等進行瞭(le)較爲詳細的調研和分析，並(bìng)結合“全國氫能與氫燃料電池巡回調研活動”，對未來幾年中國氫燃料電池BOP的市場規模、發展趨勢等做出分析預測。
數據範圍說明
●本報(bào)告數據(jù)更新至2020年12月；
●本報(bào)告隻介紹質子交換膜燃料電(diàn)池(PEMFC) BOP；
●本報(bào)告數據以中國(guó)大陸地區數據爲主，全球其他地區數據少量涉及。
第一章 中國氫燃料電(diàn)池系統輔(fǔ)件BOP簡介
第一節(jié) 氫燃料電(diàn)池系統介紹
一、燃料電(diàn)池系統構(gòu)成情況
二、燃料電(diàn)池系統成本構(gòu)成
三、國内外氫燃料電(diàn)池系統産(chǎn)品性能
第二節(jié) 氫燃料電(diàn)池系統BOP介紹
第三節 氫燃料電池系統BOP産(chǎn)業發展特點(diǎn)分析
一、技術成熟度
二、技術路線
三、技術特點
四、市場特點
第二章 中國氫燃料電(diàn)池系統輔件（BOP）市場(chǎng)發展現狀及趨勢分析
第一節 中國氫燃料電(diàn)池空壓機市場(chǎng)現狀及發展趨勢
一、中國氫燃料電(diàn)池空壓機市場(chǎng)規模
二、中國氫燃料電(diàn)池空壓機市場(chǎng)競争格局
三、中國氫燃料電池空壓機市場(chǎng)空間分析及預測(cè)
第二節 中國氫燃料電(diàn)池系統氫循環部件市場(chǎng)現狀及發展趨勢
一、中國氫燃料電(diàn)池系統氫循環部件市場(chǎng)規模及空間分析
二、中國氫燃料電(diàn)池系統氫循環部件市場(chǎng)競争格局
第三節 中國氫燃料電(diàn)池增濕器市場(chǎng)現狀及發展趨勢
一、中國氫燃料電池增濕器市場(chǎng)規模及空間預測(cè)
二、中國(guó)氫燃料電(diàn)池增濕器競争格局
第三章 中國氫燃料電(diàn)池系統輔(fǔ)件（BOP）簡介
第一節 空壓機
一、産品簡介
二、産品性能及指标
三、空壓機(jī)成本及性能發(fā)展趨勢
第二節 氫氣循環部件
一、産品簡介
二、産品性能及指标
三、氫循環(huán)泵成本及性能發(fā)展趨勢
第三節 增濕器
一、産品簡介
二、産品性能及指标
三、增濕器成本及性能發(fā)展趨(qū)勢
第四章 氫燃料電(diàn)池系統輔(fǔ)件（BOP）核心企業分析
第一節(jié) 空壓機(jī)核心企業分析
一、海外氫燃料電(diàn)池空壓機(jī)主要企業
二、中國(guó)氫燃料電(diàn)池空壓機主要企業
第二節(jié) 氫循環(huán)泵核心企業分析
一、海外氫燃料電(diàn)池氫循環(huán)泵主要企業
二、中國(guó)氫燃料電(diàn)池氫循環泵主要企業
第三節(jié) 增濕(shī)器核心企業分析
一、海外氫(qīng)燃料電(diàn)池增濕器主要企業
二、中國(guó)氫燃料電(diàn)池增濕器主要企業
第五章 氫燃料電(diàn)池系統輔(fǔ)件（BOP）投資機會分析
第一節 2020年中國氫燃料電(diàn)池系統輔件（BOP）投資動态及投資特點(diǎn)
一、投資動态
二、投資特點
第二節 市場(chǎng)進入機會(huì)分析
一、發展階段
二、進入機會
第三節(jié) 投資建議與風(fēng)險分析
一、投資建議
二、投資風險
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序言：空壓機是車用燃料電池陰極供氣系統的核心部件，主要作用爲：引導空氣進入陰極並(bìng)對其增壓。空壓機的設計和開發影響燃料電池系統的功率密度、系統效率和系統尺寸。區别於(yú)傳統内燃機上使用的空壓機，燃料電池車用空壓機需要滿足無油、體積小、噪音低、響應快、喘振線在小流量區、成本低等要求。目前常見空壓機有離心式、螺杆式、渦旋式、羅茨式和滑片式等類型。與現代和本田路線不同，豐田在Mirai燃料電池汽車上採用螺杆式空壓機。
下圖爲六葉螺杆羅茨轉子CG圖。空壓機由兩個轉子構成，轉子的凹凸彼此咬合並(bìng)進行旋轉；随著(zhe)咬合空間逐漸減小，空氣被壓縮並(bìng)且噴出。豐田自動織機開發的空壓機實現瞭小流量到大流量下皆能高效壓縮的目标。
Mirai空壓機轉子模型(豐(fēng)田自動(dòng)織機官網)
Mirai空壓機轉子
豐田自動織機爲Mirai燃料電池汽車開發的空壓機在低負荷時效率達50%以上，高負荷時效率達60%以上。低負荷時空氣流量約爲0.1N·m3/min，高負荷時空氣流量5N·m3/min，最大壓縮比爲3。爲瞭(le)實現減重，空氣壓縮機外殼採(cǎi)用鋁合金材料。空壓機沒有單獨配備逆變器，和驅動馬達逆變器公用。空氣西入口約爲250×50 mm，配置在發動機艙内。
豐(fēng)田Mirai空壓機外觀(guān)
豐(fēng)田Mirai空壓機(jī)剖視圖
豐(fēng)田燃料電(diàn)池系統中的空氣入口
1.豐田自動(dòng)織機開發空壓機始於(yú)1993年
豐田自動織機開發空壓機的曆史一直緊随豐田燃料電池汽車，始於(yú)1993年。豐田自動織機開發空壓機並(bìng)非從零開始，從無到有。最初，豐田自動織機技術研發中心開發的是儲氫合金罐(hydrogen-storage alloy tank)和氫氣循環泵(hydrogen gas aspiration pump)。由於(yú)氫氣循環採用往複式，不滿足時下追求極緻性能、安靜的标準。因此，豐田自動織機技術研發中心在1997年要求空壓機部門重新開發氫氣循環泵。第二年，豐田自動織機将往複式(reciprocating type)更換爲渦旋式(scroll type)。與此同時，開始進行渦旋式空壓機開發工作。最終，該款空壓機於(yú)2002年末搭載在豐田FCHV燃料電池汽車上。
豐田FCHV燃料電(diàn)池汽車(chē)
往複式和渦旋式對比
豐田自動織機持續對渦旋式空壓機進行改進，並(bìng)且在2008年發布的FCHV-adv上也使用瞭(le)改進後的渦旋式空壓機。然而此時，由於渦旋式空壓機工作範圍較窄無法提供足夠空氣量，研發部門已經開始尋找取代渦旋式空壓機的方案。豐田自動織機預測渦旋式将無法滿足未來輕質、小型化、低成本和低噪音的追求目标。通過對不同方案設計和試驗後，決定採取螺杆羅茨式(helical root type)轉子取代渦旋式轉子。
豐田FCHV-adv燃料電(diàn)池汽車(chē)
2.螺杆式轉子時代
螺杆式空壓機，又叫螺旋式空壓機，分爲單螺杆式空壓機和雙螺杆式空壓機。雙螺杆式空壓機平行地配置著(zhe)一對相互齧合的螺旋形轉子，如下圖所示，可以實現小型化、輕便和結構簡單。“豐田自動織機加速空壓機研發步伐的時候正好我們選擇瞭(le)螺杆式空壓機”，豐田自動織機工程師Masato Sowa說到。
螺杆式轉子示意
“羅茨式壓縮機又叫回轉鼓風機，其並(bìng)非以空壓機爲人們所知，而主要以鼓風機人們所知。螺杆羅茨式空壓機目前主要用於(yú)水處理設備中和輸送諸如水泥的粉末狀物質，簡單來說，螺杆羅茨方法可以平穩高效的輸送空氣、水、粉末等物質，壓縮空氣其實並(bìng)不多見。”-Masato Sowa
那麽豐田自動(dòng)織機爲什麽最終選擇瞭(le)螺杆羅茨式空壓機呢？
“當我們用計算機進行模拟，發現空氣的壓縮程度取決於(yú)轉子上的葉數(Mirai空壓機爲六葉，見上述Mirai空壓機轉子圖)，同時還受扭轉角(twist angle)影響，我們發現改變葉數和扭轉角兩個參數減少瞭(le)進氣量，通過大量實驗和計算以後，我們確定瞭(le)最後的結構形狀和參數。”-Masato Sowa
盡管Sowa先生在介紹時臉上很平靜，但他描述的可是重大創(chuàng)新！通過Sowa先生和他的團隊(duì)無數次試驗，螺杆羅茨式被正式引入空氣壓縮機領域。
3.卓越性能
Sowa先生團隊全面研究瞭(le)葉數和扭轉角對氣體流動的影響，最終開發的螺杆羅茨式空壓機可以實現最大效率。對於(yú)手中開發的這款空壓機，Sowa團隊和豐田自動織機将它們的目光瞄準瞭(le)豐田公司旗下燃料電池汽車的空壓機訂單競争。
“在學習會議上，我們首次公布瞭(le)我們開發的空壓機的性能數據，當我們宣布我們成果的時候，其他競争公司引來一陣巨大瞭(le)騷動。正是那個時候我們意識到原來我們的産(chǎn)品性能更優。”-Masato Sowa
Sowa先生甚是開心，“到現在還(hái)記得當(dāng)時我們總公司的項目總經理臉上的微笑”。
“我們每周要向項目總經理數次彙報螺杆羅茨空壓機的開發進度，這樣持續瞭(le)很多個月。可以確定，項目總經理也很焦慮，他不確定我們能否開發出達标的産品。然而，我們很開心最後展示瞭(le)我們的成果，看著(zhe)項目總經理臉上露出的笑容，我感覺很值得。”-Masato Sowa
赢得這次競争之後，豐田自動織機被指定爲Mirai燃料電池汽車(chē)提供空壓機。這是巨大的一次進步，但道路依然很長(zhǎng)。
空氣壓縮機是車(chē)用燃料電池陰極供氣系統的重要部件，通過對進堆空氣進行增壓，可以提高燃料電池的功率密度和效率，減小燃料電池系統的尺寸。但空氣壓縮機的寄生功耗很大，約占燃料電池輔助功耗的80%，其性能直接影響燃料電池系統的效率、緊湊(còu)性和水平衡特性。因此，各國的燃料電池項目對空氣壓縮機的研究都非常重視。
一、燃料電(diàn)池用空氣壓縮機(jī)
典型的燃料電(diàn)池空氣供應系統由空氣過濾器、空氣壓縮機、電(diàn)機、中冷器、增濕器和膨脹機等組成。其中，空氣壓縮機由電(diàn)機和膨脹機共同驅動(dòng)。
根據電(diàn)堆的輸出功率，爲燃料電(diàn)池提供所需壓力和流量的幹淨空氣。在空氣供應系統中，空氣的壓力和流量對(duì)燃料電(diàn)池系統的性能(能量密度、系統效率、水平衡和熱損失)，成本和電(diàn)堆的尺寸等有很大的影響。
高壓燃料電(diàn)池系統不僅能提高電(diàn)堆的效率和功率密度，同時還能夠(gòu)改善系統的水平衡
爲實現較高的能量轉換效率，燃料電池内部的化學反應對空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數有著(zhe)嚴格的要求。但目前廣泛應用的工業壓縮機無法滿足燃料電池對空氣的要求。因此設計一個性能優越並(bìng)能很好地與燃料電池系統進行匹配的壓縮機，對於燃料電池的發展至關重要。
适用於(yú)燃料電(diàn)池的空氣壓縮機需要滿足以下要求：
(1)無油。潤滑油會使電(diàn)堆發生中毒，因此空氣壓縮機需要採(cǎi)用水潤滑軸承或空氣軸承;
(2)高效。空氣壓縮機的寄生功率巨大，其效率直接影響著(zhe)燃料電(diàn)池系統的性能;
(3)小型化和低成本。燃料電池受其功率密度和成本的限制，小型化和低成本有助於(yú)燃料電池汽車的産(chǎn)業化;
(4)低噪聲。空氣壓縮機(jī)是燃料電(diàn)池系統最大的噪聲源之一，空氣壓縮機(jī)的噪聲必須被控制;
(5)喘振線在小流量區。可以實現燃料電(diàn)池在小流量高壓比工況(kuàng)下高效地運行;
(6)良好的動态響應能力。當需求功率發生變(biàn)化時，空氣流量和壓力需無延遲(chí)地進行調整，以跟蹤輸出功率的變(biàn)化。
二、空氣(qì)壓縮機(jī)的研究現狀
空氣壓縮機是燃料電(diàn)池系統空氣供應系統的重要部件，針對(duì)不同的燃料電(diàn)池系統的性能需求，往往需要不同的空氣壓縮機與其匹配，常用的空氣壓縮機類型有滑片式、螺杆式、離心式、渦旋式和羅茨式空氣壓縮機等。
2.1 渦旋式空氣(qì)壓縮機(jī)
無油潤滑雙渦圈渦旋式空氣壓縮機是适合用於(yú)燃料電池的空氣壓縮機結構形式，具有效率高、噪聲低、結構簡單(dān)、質量輕、可靠性高等特點。
目前已被日本豐田(Toyota)、美國 UTC 等多家公司應用於(yú)燃料電(diàn)池上。美國DOE和Author D.Little公司合作完成兩代渦旋式空氣壓縮機 / 膨脹機樣機(CEM)的設計和制造。
第一代樣機被用於(yú)28kW燃料電池，能提供流量爲42g/s，壓力達(dá)到2.2×105Pa的壓縮空氣。
第二代樣機在此基礎(chǔ)上提升瞭(le)空氣壓縮機的轉速和排量，可以滿足50kW燃料電池的特性需求，其性能曲線如圖2所示。
Author D.Little公司所設計的渦旋式空氣壓縮機(jī)的壓比/流量特性已滿足DOE的要求，其最高壓比達(dá)到3.2。
但在流量百分比小於(yú)80%的工況下，空氣壓縮機(jī)耗功較大，是DOE目标功耗的1.5～2倍。同時空氣壓縮機(jī)的尺寸和質量與DOE的要求相差很大，仍需進一步優化。
2.2 螺杆式壓縮機
螺杆式空氣壓縮機利用螺杆之間形成的空氣槽來壓縮空氣，結構簡單(dān)、高效、可靠、具有寬的流量範圍和良好的壓比/流量特性，是理想的燃料電(diàn)池用空氣壓縮機 。
美國GM、PlugPower、德國Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料電池中都採(cǎi)用瞭(le)螺杆式壓縮機。
戴姆勒公司在Mercedes-Benz A級燃料電池汽車(68.5kW)上使用螺杆式空氣壓縮機/膨脹機，其噴水螺杆式空氣壓縮機可有效地降低壓縮空氣的溫度，保持燃料電池的水平衡特性，使系統效率提高4%。並(bìng)與膨脹機配合工作，回收部分排氣能量，減少空氣壓縮機的寄生功耗。但螺杆式空氣壓縮機和膨脹機的噪聲問題不容忽視，爲減小噪聲而採取的措施，進一步增加瞭(le)系統的成本、質量和複雜性。圖3爲戴姆勒公司研制的空氣供應系統。
Mercedes-Benz B級與F級燃料電池汽車(chē)則採(cǎi)用電機驅動的螺杆式空氣壓縮機，可以有效地改善空氣供應系統的壓比/流量特性，使壓比達到2.9，滿負荷功耗爲9.1kW(80kWFCS)。
空氣壓縮機的設計和選擇應綜合考慮系統的噪聲、壓比、流量、質量和效率等各方面因素，以使燃料電(diàn)池系統的性能達(dá)到最優。
2.3 離(lí)心式空氣壓縮機(jī)
離心式空氣壓縮機屬於(yú)葉片式空氣壓縮機，具有結構緊湊、響應快、壽命長(zhǎng)和效率高等特點。通過旋轉的葉輪對氣體作功，在葉輪和擴壓器的流道内，利用離心升壓和降速擴壓作用，将機械能轉換爲氣體壓力能。但離心式空氣壓縮機在低流量時會發生喘振現象，這将嚴重影響系統的性能和空氣壓縮機的使用壽命。
同濟大學目前正在研發用於(yú)65kW燃料電池系統的高速電機驅動的離心式空氣壓縮機。通過對壓縮機的蝸殼、葉輪和擴壓器進行設計和優化，開發瞭(le)低流量系數後傾後彎離心式空氣壓縮機。
設計參數如下：最大空氣流量：80g/s;壓比：1.5～2.5;潤滑：水潤滑方式;系統功耗：<10kW。圖4爲同濟大學開發的離心式壓縮機樣機。
其在國内首次實現瞭(le)離心式空氣壓縮機在80000r /min轉速下的穩定運行，目前處於(yú)國内領先地位。
其空氣壓縮機所採用的水潤滑軸承，相比較空氣潤滑方式，不需要空氣壓縮機提供額外的高 壓空氣用於(yú)空氣軸承，提高瞭(le)壓縮機的做功能力，但同時水潤滑軸承需要增加額外的潤滑水路和驅動裝置，使得系統更加複雜化。圖5爲不同空氣壓縮機的喘振線對比。
相比較現有的工業離心式壓縮機，同濟大學所開發的離心式空氣壓縮機具有更窄的喘振邊(biān)界和更寬的穩定運行範圍，在小流量工況下，可以實現更大的壓力升高率，有利於(yú)空氣壓縮機在低流量高壓比工況下正常運行而不發生喘振。
2.4 羅(luó)茨式空氣壓縮機(jī)
燃料電池系統的成本和可靠性一直制約著(zhe)燃料電池汽車的推廣，美國DOE爲研制面向未來燃料電池系統的高性能空氣壓縮機，近幾年與美國伊頓公司合作基於現有的P級和R級羅茨式壓縮機研制瞭(le)新型的空氣供應系統。
伊頓公司選用P400和R340 TVS系列羅茨式空氣壓縮機作爲原型機進行設計，並(bìng)由電機和膨脹機聯合驅動，通過調整其峰值效率點，使其适用於(yú)80kW的燃料電池系統。圖6爲羅茨式壓縮機。
TVS系列羅茨式空氣壓縮機在做功能力、功率密度以及經濟性等方面具有較大的優勢。爲瞭(le)滿足燃料電池的特殊要求，伊頓公司對TVS系列羅茨式空氣壓縮機的轉子、外殼和進氣口進行設計和改進。採(cǎi)用鋁合金轉子技術，減小轉子間隙，提高壓縮機的效率;增大轉子的螺旋角，提高壓縮機的增壓能力;同時重新設計瞭(le)壓縮機的進出口幾何結構，使得系統變得更加緊湊。改進後壓縮機可以爲系統提供壓比2.5，流量92g/s的壓縮空氣。
選用羅茨式空氣壓縮機(jī)作爲燃料電(diàn)池用空氣壓縮機(jī)的優勢如下：
(1)羅茨式空氣壓縮機的工作轉速較低，可以不必使用結構(gòu)複(fù)雜的空氣軸承;
(2)具有較寬的高效運行區，可以提高整個(gè)工況的燃料經濟(jì)性;
(3)羅茨式空氣壓縮機(jī)的技術已經相對(duì)成熟，在其他的領域已經得到充分利用。
2.5 螺旋式交叉滑片壓縮(suō)機(jī)
螺旋式交叉滑片結構(Toroidal Intersecting Vane Machine)是一種富有創造性的機械結構，屬於(yú)容積式機械。其工作原理如圖7所示，兩組呈90°的滑片鏈相互齧合形成壓縮空腔，並(bìng)通過交叉旋轉來壓縮空氣。
目前隻有美國Mechanology LLC公司開發瞭(le)用於(yú)燃料電池系統的螺旋式交叉滑片壓縮機。Mechanology對TIVM的副轉子結構進行優化，消除滑片間的功的傳遞，可以有效地減小滑片間的摩擦損失。同時通過建立數學模型和理論計算對 齧合滑片表面結構進行最優設計，減小因洩露造成的壓力損失，可以使得空氣壓縮機出口的壓力提高6.7×104Pa。
DOE針對50kW車(chē)用燃料電池系統的要求對TIVM樣機進行測(cè)試，測(cè)試結果顯示TIVM樣機具有潛在的性能優勢，可以在1500r/min的低轉速情況下實現小體積大流量(壓比3.2，流量72g/s)。
但樣機仍存在洩露損失和進出口壓力損失較大等問題。 若要滿足燃料電(diàn)池的功率需求，仍需要開展以下工作：在不增加摩擦的情況下減少洩露;確(què)定包括在高濕度的環境下的齧合滑片的摩擦系數;優化壓縮機和膨脹機的進氣、排氣孔，確(què)保較低的壓力降損失和功率損失。
三、空氣壓縮機的發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術
由於(yú)空氣壓縮機的結構(gòu)和工作原理的不同，空氣壓縮機的性能優勢也不盡相同。其性能比較如表1所示。
通過(guò)比較可以看出渦旋式、螺杆式和離心式空氣壓縮機(jī)的綜合性能較好。但渦旋式和螺杆式空氣壓縮機(jī)的葉片間存在相互摩擦，噪聲和質量較大，且難以與渦輪匹配工作，無法回收排氣能量，目前隻有通過(guò)渦輪與離心式壓縮機(jī)匹配來實現。
離心式壓縮機在密度、效率、噪聲等方面具有最好的綜合效果，被認爲是最有前途的空氣增壓方式之一。表 2爲目前所開發(fā)的燃料電(diàn)池系統中所使用的空氣壓縮機類型。
從(cóng)目前國内外的研究發展方向來看，離心式空氣壓縮機是今後最主流的發展方向。同時随著(zhe)燃料電池系統對空氣供應系統性能要求的提高，離心式空氣壓縮機與渦輪機匹配工作勢必将成爲燃料電池用空氣壓縮機未來發展的主要趨勢。
Wiartalla等人利用模型對常用的空氣壓縮機以及渦輪機進行仿真，結果表明在燃料電池的廢氣端使用渦輪機後，在進氣壓力爲 2.5×105Pa 時，電堆的質量減小12%，系統效率提高約2%，並(bìng)随著(zhe)壓力的增加而不斷提升。
美國DOE和Honeywell合作開發的110kr /min高速離心式空氣壓縮機，採(cǎi)用空氣軸承並(bìng)通過與渦輪機和電機同軸連接，可以将滿負荷工況時的綜合效率提高5%。
渦輪機能回收廢氣能量，提高系統效率，但往往也會伴随 著(zhe)系統成本和尺寸的增加。爲達到車用要求，兩個關鍵技術被用於(yú)空氣壓縮機和渦輪機。
混流式空氣壓縮機葉輪和可變(biàn)渦輪進口導(dǎo)葉(VNT)是改善空氣供應系統的流量/壓比特性和功率特性的有效方式，如圖8所示。
混流式葉輪的特點(diǎn)是在旋轉時，既産(chǎn)生離心力又産(chǎn)生推力，高效區和穩定工作範圍較寬，喘振線在更小流量區域，可以有效地改善壓縮機的低流量性能。
渦輪機的可變(biàn)進口導葉繞軸心旋轉，通過改變(biàn)葉片開度大小，影響導葉栅最小流通截面積的大小，同時進入渦輪的氣體的角度和速度也會發生變(biàn)化，從(cóng)而改變(biàn)渦輪機的轉速以及壓氣機出口端的增壓壓力。
四、結語
渦旋式、螺杆式、離心式、螺旋式交叉滑片和羅茨式壓縮機，進行性能對(duì)比發(fā)現，離心式壓縮機具有更大的性能優勢和發(fā)展前景。
同時爲面向未來的燃料電(diàn)池發展，對渦輪增壓器在燃料電(diàn)池中的應用以及兩個提高性能的關鍵技術進行瞭(le)分析，結果表明渦輪增壓技術是提高燃料電(diàn)池系統效率和功率密度的有效方法。
因此使用渦輪增壓技術回收燃料電(diàn)池尾氣餘壓能量以及解決(jué)空氣供應系統的成本、尺寸和噪聲等問題将成爲未來燃料電(diàn)池研究的主要方向。
主要燃料電池汽車(chē)廠(chǎng)商空壓機類型對比
全球各大燃料電池汽車生産商爲空氣供應系統選擇的空壓機類型也不盡相同。比如豐田2002款FCHV和2008款FCHV-adv燃料電池汽車搭載瞭(le)渦旋式空壓機，Mirai燃料電池汽車搭載六葉螺旋羅茨式空壓機。本田公司Clarity燃料電池汽車用兩級電動離心式空壓機取代瞭(le)螺杆式空壓機。戴姆勒旗下最新GLC F-Cell燃料電池汽車採(cǎi)用離心式空壓機，而在前幾代中，A-class採(cǎi)取螺杆式空壓機和膨脹機結合的形式，B-Class和F-Class採(cǎi)用螺杆式空壓機。
各類空壓機對比
雖然燃料電池用空壓機的設計方法與傳統内燃機增壓器相似，但兩者在使用環境、工作範圍和要求上有著(zhe)較大差别。燃料電池用空壓機需要滿足無油、低噪聲、低成本、小型化、工作範圍寬、動态響應快等特點。某種程度上，燃料電池用空壓機代表瞭(le)空氣壓縮機行業的最高水平，涉及到空氣動力學、傳熱學、流體力學、機械、電子、材料、電控和NVH等衆多學科。上表爲幾種燃料電池用空壓機的簡單對比。可以發現，各型空壓機均有其特有的優點和缺點，離心式空壓機綜合評分最高。下面将從離心式空壓機開始，依次從動圖出發介紹各型空壓機。
1. 離心式空壓機
離心式空壓機在功率密度、效率和噪聲等方面具有最好的總體效果，被視爲未來最有前途的空氣壓縮方式之一。主要工作原理爲通過葉輪對氣體做功，在葉輪和擴壓器的流道内，利用離心升壓作用和降速擴壓作用，将機械能轉化爲氣體的壓力能。拒相關資料顯示，從目前國内外燃料電池空壓機的開發方向來看，離心式空壓機将是今後的主流方向。目前，本田公司旗下Clarity和現代公司旗下ix35燃料電池汽車(chē)使用的正是離心式空壓機。注意，本田公司旗下Clarity燃料電池汽車(chē)採(cǎi)用的是兩級電動增壓方式。
離心式空壓機(jī)工作原理動(dòng)态圖一
離心式空壓機(jī)工作原理動(dòng)态圖二
離心式空壓機(jī)工作原理動(dòng)态圖三
離心式空壓機葉輪
本田Clarity燃料電(diàn)池兩級電(diàn)動(dòng)增壓
離心空壓機也有一些缺點，比如不适合氣體流量太小及壓比過高的場(chǎng)合，工作區較窄，經濟性較差，效率較低等。如下圖所示，傳統内燃機動力系統匹配空壓機往往工作在中等流量範圍，工作範圍較大；燃料電池用空壓機工作範圍窄且靠近喘振邊(biān)界。據相關資料顯示，離心式空壓機與渦輪機的搭配可能成爲燃料電池用空壓機未來發展的主要趨勢，比如博格華納(BorgWarner)開發的FCAS渦輪增壓空壓機。
傳(chuán)統内燃機與燃料電(diàn)池用空壓機工作範圍對比
博格華(huá)納渦輪增壓空壓機(jī)
2. 螺杆式空壓機
螺杆式空壓機可分爲單螺杆式和雙螺杆式。螺杆式空壓機在汽缸内裝有一對互相齧合的螺旋形陰陽轉子，兩轉子都有幾個凹形齒，兩者互相反向旋轉。主轉子又稱陽轉子或凸轉子，通過發動機或電動機驅動，另一轉子稱陰轉子或凹轉子，由主轉子端和凹轉子端的同步齒輪驅動。驅動過程中理論上沒有金屬接觸。通用汽車(chē)和戴姆勒旗下燃料電池汽車(chē)層(céng)搭載過螺杆式空壓機。
單(dān)螺杆式空壓機工作原理動(dòng)态圖
雙螺杆式空壓機(jī)工作原理動(dòng)态圖一
雙螺杆式空壓機(jī)工作原理動(dòng)态圖二
雙螺杆式空壓機(jī)工作原理動(dòng)态圖三
注意，戴姆勒旗下燃料電池汽車(chē)GLC F-CELL已經用電動增壓器(離心式)取代瞭(le)傳統的螺杆式壓縮機。
3. 羅茨式空壓機
羅茨式空壓機屬於(yú)容積回轉壓縮機，這種壓縮機靠轉子軸端的同步齒(chǐ)輪使兩轉子保持齧合。轉子上每一凹入的曲面部分與氣缸内壁組成工作容積，在轉子回轉過程找那個從吸氣口帶走氣體，當移到排氣口附件與排氣口相連通的瞬時間，因有較高壓力的氣體回流，此時工作容積中的壓力突然升高，然後将氣體輸送到排氣通道。兩轉子互不接觸，靠嚴密控制的間隙實現密封，故排出的氣體不受潤滑油污染。
羅茨式空壓機葉輪形狀
羅茨式空壓機(jī)工作原理動(dòng)态圖一
羅(luó)茨式空壓機(jī)工作原理分解
羅茨式空壓機(jī)工作原理動(dòng)态圖二
豐田公司旗下Mirai燃料電池汽車搭載瞭(le)全新開發的六葉螺旋羅茨式空壓機。與傳統羅茨式空壓機中葉輪與軸向平行不同，豐田紡織開發的羅茨式空壓機，葉輪呈現螺旋形狀。上汽集團開發的燃料電池汽車也層(céng)搭載過羅茨式空壓機。羅茨式空壓機的優勢主要有：轉速較低，不必使用結構複雜的空氣軸承；高效運行區較寬；技術相對成熟。
Mirai六葉螺旋羅(luó)茨式空壓機(jī)
4. 渦旋式空壓機
渦旋式空壓機由一個固定的漸開線渦旋盤和一個呈偏心回旋平動的漸開線運動渦旋盤組成的可壓縮容積壓縮機，由兩個雙函數方程型線的動、靜渦盤相互咬合而成。在吸氣、壓縮、排氣工作過程中，靜盤固定在機架上，動盤由偏心軸驅動並(bìng)由防自轉機構制約，圍繞靜盤基圓中心，作很小半徑的平面轉動。氣體通過空氣濾芯吸入靜盤的外圍，随著(zhe)偏心軸的旋轉，氣體在動靜盤噬合所組成的若幹個月牙形壓縮腔内被逐步壓縮，然後由靜盤中心部件的軸向孔連續排出。
渦旋式空壓機轉子
渦旋式空壓機(jī)工作原理動(dòng)态圖一
渦旋式空壓機(jī)工作原理動(dòng)态圖二
豐田公司在2002版FCHV和2008版FCHV-adv燃料電池汽車(chē)上均曾搭載瞭(le)渦旋式空壓機。
5. 往複式空壓機
往複式空壓機通過氣缸内活塞或隔膜的往複運動使剛體容積周期變化並(bìng)實現氣體增壓和輸送，屬於(yú)容積型空壓機。根據往複運動的構件分爲活塞式和隔膜式空壓機。
活塞式空壓機動态圖一
優點：1.熱效率高、單(dān)位耗電量少；2.加工方便，對材料要求低，造價低廉；3.裝置簡單(dān)；4.設計、生産(chǎn)早，制造技術成熟；5.應用範圍廣。
缺點：1.運動部件多，結構複雜，檢修工作量大；2.轉速受限制；3.活塞環的磨損、氣缸的磨損、皮帶(dài)的傳(chuán)動方式使效率下降很快；4.噪音大；5.控制系統的落後，不适應連鎖控制和無人值守的需要。
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