摘要：氫燃料電池主要被應用于新能源汽車，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》一文中中已經講到，本文則主要探究燃料電池的供氣系統(tǒng)及關鍵部件空氣壓縮機的重要性及未來發(fā)展趨勢。

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，氫能因為來源廣泛產物無污染等特點，已逐步成為新能源的發(fā)展方向。隨著氫能優(yōu)勢不斷被挖掘，高效的氫能轉化裝置也成為人們研究的重點。氫燃料電池是一種通過電極反應把氫氣和氧氣的化學能不經過燃燒直接轉換成電能的裝置，其能量轉換不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉換效率高達60%-80%，遠大于普通內燃機30%-35%的轉換效率。氫燃料電池的排放物只有水，對環(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，且隨著技術的進步氫氣制取的成本會逐漸降低，氫燃料的價格也會遠低于傳統(tǒng)能源，氫燃料電池也將成為新一代廣泛應用的能源方式。
       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、膨脹機、及其他零部件（循環(huán)泵、空濾器、加濕器等）。為實現(xiàn)燃料電池能量轉化的持續(xù)性，空氣供應系統(tǒng)需要時刻配合電堆的運作，根據輸出功率的大小及時調整供氣量與供氣壓力，同時作為高壓空氣輸出裝置，對產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反應輸出電能，再將電能轉化為汽車的動力輸出來源。其中，供氣系統(tǒng)負責氧氣的提供，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濟效益，目前商業(yè)化燃料電池也多應用后者。在燃料電池運行時，供氣系統(tǒng)從外界攝入空氣通過壓縮機增壓達到使用壓力，再經過加濕機處理達到一定的水分含量后送入燃料電池電堆與氫氣反應生成電能，輸入的空氣在反應過程中消耗了氧氣系統(tǒng)內壓力下降，多余空氣排出反應堆，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，將其轉化為機械能反饋到空氣壓縮機，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。
       空氣壓縮機是供氣系統(tǒng)的核心部件 主導燃料電池的輸出功率
       空氣壓縮機是供氣系統(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，同時通過控制空氣壓縮機的工作壓力來調節(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系密切，在相同電流密度下，隨著空氣壓縮機供氧壓力的提高，電池的輸出電壓也出現(xiàn)了相應的升高，從而提高了燃料電池的輸出功率。
       燃料電池的正常運行離不開空氣壓縮機，高壓的工作環(huán)境是燃料電池擁有高功率密度必備的條件，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)壓力對于燃料電池內的水管理系統(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，維持燃料電池工作時水量、電池內電化學反應所產生的水，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行；同時高壓環(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對于燃料電池的重要性不言而喻。
       空氣壓縮機種類較多 渦旋式和螺桿式是未來發(fā)展趨勢
       在新能源汽車質子交換膜燃料電池系統(tǒng)中，燃料電池對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，但空氣壓縮機在工作過程中也消耗了系統(tǒng)內部的一定能量，如果這部分占比較大，對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)相適應的空氣壓縮機。
       空氣壓縮機類型較多，往往需要根據不同類型的燃料電池匹配不同的空氣壓縮機，目前商業(yè)化應用的空氣壓縮機主要有螺桿式空氣壓縮機、渦旋空氣壓縮機、滑片空氣壓縮機、螺旋形交叉葉片空氣壓縮機、離心式空氣壓縮機等。不同種類的壓縮機都具有各自的優(yōu)勢和不足，從效率和可靠性來看，渦旋式和螺桿式空氣壓縮機是目前最佳的兩種技術路線，商業(yè)化使用較多也是未來發(fā)展的趨勢。
       螺桿式空氣壓縮機的工作原理是利用螺桿之間形成的空氣槽來壓縮空氣，機械結構簡單、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。目前美國GM、Plug Power、德國Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料電池中都采用了螺桿壓縮機壓縮機/膨脹機供氣系統(tǒng)。渦旋式空氣壓縮機屬于容積式機械，在容積式流體機械中容積效率較高，且壓力與氣量連續(xù)可調，在范圍較廣的工況下都能達到較高的效率。渦旋機械可設計成壓縮機-電機-膨脹機共軸的一體化結構型式。目前日本豐田（TOYOTA）、美國UTC等公司的燃料電池系統(tǒng)也都采用了渦旋機械作為其供氣系統(tǒng)的核心部件。
       結語
       燃料電池的各項性與空氣供應系統(tǒng)有著密切的關系，空氣壓縮機又影響著空氣供應系統(tǒng)的性能，工作過程中所產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行的關鍵設備。目前我國對于燃料電池用空氣壓縮機的技術研還處于起步階段，技術水平較為落后，只有廣順新能能源動力和福建雪人兩家企業(yè)能商業(yè)化量產，國內市場對于進口的依賴性較大。隨著我國新能源汽車市場的不斷擴大，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)關鍵部件的需求量也將不斷增大，我國企業(yè)應加大對關鍵技術的研發(fā)力度，攻克技術難題，打破國外企業(yè)的壟斷實現(xiàn)核心產品的國產化，搶占到更多的市場份額，這樣才能促進我國燃料電池行業(yè)及空氣壓縮機行業(yè)的長遠發(fā)展。