【氢听剧场】顾茸蕾——汽车用氢燃料电池空压机的过去、现在和未来

顾茸蕾

董事长兼总经理

海德韦尔（太仓）能源科技有限公司

 

感谢组委会的邀请，大家上午好，我是海德韦尔的顾茸蕾。我今天给大家讲一下燃料电池空压机的过去、现在和未来，因为大家这几天在展会上看到，空压机有很多厂商在展出，空压机是氢燃料电池系统中非常重要的一个零部件，现在在用什么样的空压机？接下来会朝什么样的方向发展？我稍微基于我原来的经验做一些分享。

这一页我就跳过去了，因为前几位嘉宾大家都已经讲了，氢能肯定是一个发展方向，我们的作用就是怎么样去让它实现。

这一页我稍微讲一下，就是介绍一下空压机在整个氢燃料电池系统里面的作用，因为刚才的嘉宾讲的是电堆里面的效率，我们空压机实际上是给电堆提供空气来和氢气进行电化学反应，如果空压机工作的不好，电堆也就工作的不好。

燃料电池空压机实际上在整个燃料电池系统里面非常重要，它又是具有非常高的技术难度的一个产品。为什么这么说？大家可以看右边那张图（PPT），实际上跟下边的公式是相等的，现在电驱动的空压机都面临这样一个问题，我们既要做到功率比较大，同时我们又要做到转速比较高，为了保持比较高的压比。但是对于高速电机来讲，功率大和转速高是一个两难的过程，大家可以看到在左边那张图上面有很多电机，要么就是功率很大，但是转速比较低，要么就是转速很高，但是功率比较小。我们的燃料电池空压机实际上从下面的高速系数这样一个定义来讲的话，比现在大家比较熟悉的新能源的主驱电机的高速系数还要高，这就意味着它在转子的机械强度、模态等方面会有非常大的技术挑战。

这一页也是非常重要的，因为对于氢燃料电池汽车来讲，未来的技术发展大家可以看到工信部的技术路线图里面要求从最大功率2020年的60千瓦提升到2025年的120千瓦，进而到2030年达到180千瓦，同时对燃料电池系统的效率也要提升。这两个问题从右边这张图上大家可以看到燃料电池系统横轴120千瓦的一个堆，它的最高效率实际上是发生在大概20千瓦左右的这样的一个工作点。随着电堆的功率增大，电堆的效率本身在下降，但是在电堆效率下降的基础上面，大家可以看到空压机对电堆、或者对燃料电池系统带来的影响不是一个线性的，而是一个指数式的上升。因为随着功率增大，给的空气量增大了，压比也增大了，它的功耗的上升是一个接近于三次方的这样一个关系。大家可以看到在20千瓦的时候，燃料电池系统可以达到最高效率，可以达到百分之六十几，但是到了80千瓦的时候，大概也就是在50%以下了，到了120千瓦的时候只有40%，所以对于燃料电池系统来讲，如果要提升燃料电池系统的功率，尤其是在经常工作的一些中高负荷提升效率的话，怎么样去降低空压机的功耗是一个不可回避的问题。

我们看看过去是怎么样的一个情况，因为在2019年之前，国内的一些燃料电池系统基本上也就是在30千瓦、40千瓦这样的一些系统输出，所以当时使用的还是这种容器式的空气压缩机，这种容器式的空气压缩机它的特点是可靠性很好，成本也很低，但是它的缺点是一个它可能需要润滑油去润滑，另外非常大的一个缺点是容器式的空压机它体积大、重量大，随着燃料电池系统功率不断提升，同样的增加一倍的燃料电池系统输出的话，容器式空压机的体积和重量也要相应的增大，对于一些在陆地上应用的固定装置来讲这不是一个问题。但是对于汽车这样一种移动工具来讲，如果体积和重量增大的话，对于整车的布置或者说整车的运行效率都是一个非常大的问题。所以容器式空压机只能在移动工具上面应用于一些小的动力输出，但是对于一些大功率的燃料电池系统的话它就逐渐会变得比较困难。

从2019年开始，我们国内有一些制造商给燃料电池系统厂商提供了离心式空压机，离心式空压机的特点就是它比较紧凑，比较小，然后它流量大，压比高，同时它也是采用了无油润滑的空气轴承，所以对于现在主流的一些燃料电池系统，在系统输出功率大概在60千瓦到100千瓦左右，这种两级压缩的离心式空压机实际上应用得还是非常成功的，但是有一些问题，一个是随着刚才我给大家讲到的，就是说燃料电池系统的功率现在已经是在开发120千瓦，甚至有些厂商在开发130千瓦、150千瓦、200千瓦以上的这些系统的时候，空压机所带来的寄生功耗也在不断增大，对于燃料电池系统效率实际上是一个非常大的影响。另外的话还有一些不确定的因素，刚才郭博士也讲到，现在的很多燃料电池系统还是一种电电混动的形式，在很大的程度上，车辆所面临的一些瞬态工况并没有直接反馈到燃料电池系统的要求上面去，而是通过锂电池来过滤这样的一个作用。随着将来燃料电池系统或者说电堆技术的提升，肯定是尽可能会利用燃料电池系统来产生动力，尽可能降低对锂电池包的一个需求。这个时候的话对于燃料电池系统或者说是对空压机它的使用工况就会变得更加复杂，目前为止我们在市场上看到的一些空压机说是可靠性耐久性已经没有问题了，但是到了将来这样一种应用的时候是不是一定会没有问题，这还是一个需要去进一步完善的一个工作。

在过去的几年时间里面我觉得就是说空压机也经过了一个从无到有，然后从不成熟到相对成熟这样一个过程。如果我们回到2019年的时候，很多系统制造商多觉得找到一个能够使用的空压机制造商很困难，对于我们做空压机的人来讲的话，去找一个合格的零部件供应商也很困难，不管是里面的高速电机，空气轴承或者说是控制器。如果到了今年大家来看这个问题的话，实际上在所有的这些核心零部件方面已经有了一个非常大的改善，现在能够做这些核心零部件的供应商越来越多，现在的问题就是从一个有和没有的问题变成了一个好和坏的问题。

从今年开始，氢燃料电池汽车的应用逐渐向一些重载、长距离这样的方向运用，燃料电池系统的动力输出大多数制造商都在开发120千瓦甚至以上的一些系统，对于这样的一些系统如何降低空压机的寄生功耗是一个非常重要的问题。而在这里我们认为利用我们过去在涡轮增压方面的经验，把涡轮作为一个能量回收的技术应用在氢燃料电池空压机上面是一个非常合适的技术手段。涡轮大家知道实际上在传统的车上面是一个非常成熟的技术，有各种各样的涡轮增压技术，其中有一些是叫固定截面，有一些是可变截面。在这里的话我为什么要提出这样一个可变截面的概念？因为在现在的燃料电池系统上面，燃料电池系统对于空气路是控制两个，一个是控制空压机的转速，因为转速决定了它要达到某一个系统所要求的压力。另外一个是控制一个背压，背压实际上是调整流量的大小。

这样一个可变截面涡轮，它能够给燃料电池系统起到这样一个控制转速，跟传统的两级压缩的空压机是一样的，达到某一个系统所需要的压力，在涡轮前面的可变截面实际上它可以像一个背压阀一样，在燃料电池不同的工作点上面它可以起到这样一个流量调节的作用。所以用一个空压机实际上是代替了原来的两个零部件，这样的话对于系统来讲没有增加复杂性，同时它又带来了效率提升的好处。

这是带有能量回收和现有的两级压缩空压机的一个系统比较。用可变截面来进行背压或者流量调节，这里可能需要增加一个分水器来提高带涡轮的空压机的可靠性和耐久性。因为涡轮我们设计的还是一个气动设计，并不是一个水力设计，如果大量的水进去的话，它可能不是一个涡轮而变成一个水泵了，会影响效率和可靠性。

为什么用可变涡轮？因为用可变涡轮并不是刻意去提升涡轮的效率，最优先的控制还是首先去满足系统对刚才讲到的流量和背压的要求。在控制到这样一个背压的情况下面，剩下的压力我们从中去吸取能量。

这是我们做的一些分析的例子，大家都可以看到在不同的工作点它实际上有不同程度的效率提升，我们看最大功率的话，从空压机效率来讲可以提升20%以上，从系统效率来讲应该可以提升4%、5%的一个系统效率，这些都是一些例子。

刚才讲到只是看最大的额定功率点的话，如果去掉电堆本身的效率、去掉一些附件的消耗，现在做的最好的两级压缩空压机可能也要消耗电堆15%左右的功耗。但是如果用我们涡轮进行能量回收的话，如果匹配好，系统给我们的条件比较舒服的话，可以提高系统7%的效率。

这一页对于横轴燃料电池系统功率，在一些小功率的话我们认为用这种两级压缩空压机是比较适合的。对于中高压的话，我们认为是用这种带能量回收的空压机，或者说是用更先进的T-Booster会更加容易满足要求。

未来的趋势肯定是两级压缩会碰到一个极限，涡轮会突破极限，进入到一个更高的高度。

海德韦尔公司成立不久，我们原来都是在涡轮增压器这个行业里面做了很长时间，我一直在全球最大的涡轮增压器公司里面做研发，团队也是以往跟随我多年的一个团队，我们能够做刚才所有的这些产品，这是一个总结，由于时间关系我就不重复了。

谢谢大家。

氢听剧场现场