氢燃料电池空压机选型调研 

分享 收藏 已有 1158 次阅读  2022-04-15 08:51

1 前言
空气(阴极) 供应系统是燃料电池系统的子系统之一,其功能是提供满足燃料电池工作
所需要的压力、流量、温度、湿度等条件,其中空气压缩机是实现空气供应系统压力、流量
功能的核心部件。
按照绿程 2.0《高压比空气压缩机技术研究》 项目策划, 现对行业内燃料电池汽车用空气
压缩机的应用情况进行调研和分析, 明确本项目采用的空气压缩机的方案,支持项目后续工
作的开展。
2 调研总结和建议
1 3 家已经实现燃料电池汽车商品化的国外车企,除丰田采用了罗茨式空压机方案外,本田
和现代均采用的是离心式空压机方案。另外,丰田放弃了早期的涡旋式空压机方案,本田放
弃了早期的螺杆式空压机方案。

车厂

丰田 MIRAI

本田 CLARITY

现代 Ix35 FCEV

空压机类型

罗茨式

离心式

离心式

空压机供应商

丰田织机

盖瑞特(霍尼韦尔)

HANON

早期应用方案

涡旋式

螺杆式

不详


2 6 家国外的燃料电池汽车用空压机开发商中, 采用离心式方案的有 3 家, 2 家采用罗茨式
方案, 1 家采用螺杆式方案。 其中瑞典 OPCON 为老牌的螺杆压缩机开发商,美国 UQM 使用
的也是老牌罗茨压缩机开发商 EATON(伊顿)的产品, 二者均属于利用自身的传统优势技术,
拓展开发燃料电池汽车用空压机产品。

日本丰田织机

盖瑞特
(霍尼韦尔)

韩国 HANON

瑞典 OPCON

美国 UQM

BOSCH

空压机
类型

罗茨式

离心式

离心式

螺杆式

罗茨式

离心式

应用

丰田 MIRAI

本田 CLARITY

现代 Ix35
FCEV

部分车企和燃
料电池开发商

部分车企和燃
料电池开发商

2021 年 SOP





3 目前国内进行燃料电池汽车用空压机开发的企业还较少,而且基本处于起步阶段, 产品方
案以离心式为主。

广顺

康诺

势加透博

雪人

空压机
类型

离心式

离心式

离心式

螺杆式

应用

部分国内车企和燃料电
池开发商

部分国内车企

产品目前处于 阶段测试验证

收购瑞典产化 OPCON,开展国


4 从调研信息分析来看,离心式压缩机相比其他方案的压缩机在压比、体积、质量、 噪声、
效率等方面均有优势,更加符合整车的使用需求(比如增压能力、布置空间、整车减重、 NVH
降噪等)。

 

罗茨式

螺杆式

离心式

压比

2.0

3.0

3.0-4.0

体积

-

0

+

重量

-

0

+

噪声

-

0

+

效率

-

-

+


离心式压缩机在应用时也存在一些需要注意的问题,首先与罗茨式和螺杆式压缩机相比,
其运转速度更高,因此对轴承的润滑护理更加重要,目前国外的产品采用了空气轴承技术,
从根本上解决燃料电池对空压机的“无油”需求; 第二个问题是离心式压缩机存在“喘振”
现象, 但离心式压缩机作为一种常用的设备,在其他领域得到了大量的实践应用(比如废气
涡轮增压发动机), 可以通过匹配设计, 使其操作点避开“喘振” 线。(一定转速下,当气体
流量减小到一定程度后,气体在叶轮或扩压口处出现边界层分离,导致气体回流, 分离涡流
迅速扩展到空压机的其他部分,气流出现强烈震荡,引起叶轮强烈震动,产生很大噪声,这
一现象称为喘振, 严重时会影响空压机的性能和寿命; 喘振线是指空压机性能 map 图的左边
界, 在这条线左边的区域,工作状况是不稳定的, 表现出压力波动和振动噪声)
另外, 中国汽车工程学会编著的《节能与新能源汽车技术路线图》 也指出,“小型化、低
功率高速空气压缩机是实现高比功率燃料电池的关键核心零部件,以气浮轴承、磁浮轴承、
陶瓷轴承等无油高精密承载部件为传动部件的涡轮式高速空气压缩机是目前研究的重点方
”。
综上,建议选择离心式方案的空气压缩机作为本项目研究的对象。
燃料电池汽车用空气压缩机调研报告 J8353-04

3 三种空压机结构和工作原理简介
3.1 三种压缩机示意图
离心式压缩机 罗茨式压缩机 螺杆式压缩机
3.2 离心式压缩机
主要工作部件是高速旋转的叶轮和通流面积逐渐增加的扩压器。通过叶轮对气体作功,
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,将机械能转换为气体压力能。
首先,气体在流过叶轮时,高速旋转的叶轮使气体在离心力的作用下,一方面压力有所提高,
另一方面速度也极大增加,即将原动机的机械能转变为气体的静压能和动能,此后,气体在
流经扩压器的通道时,流道截面逐渐增大,前面的气体分子流速降低,后面的气体分子不断
涌流向前,使气体的绝大部分动能又转变为静压能,也就是进一步起到增压的作用。
离心式压缩机工作原理示意图
3.3 罗茨式压缩机
罗茨式压缩机是由两个相同的、对称的反向旋转转子在壳体中工作,并通过一组齿轮同
步。 其工作原理是通过两个转子旋转来推动气体通过,从而抽进和压缩气体。 压缩在完全的
反压力下进行(当压缩室与出口接触时,压缩空气从压力侧流回到壳体中,当压缩室的容积
随着连续旋转进一步减小时,进一步发生压缩), 导致噪声水平较高。
燃料电池汽车用空气压缩机调研报告 J8353-04

罗茨式压缩机工作原理示意
3.4 螺杆式压缩机
螺杆式压缩机是由一对相互平行啮合的阴阳转子(或称螺杆)在气缸内转动,使转子齿
槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化,空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧,
实现螺杆式空压机的吸气、 压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的
两端,阴转子、阳转子被主电机驱动而旋转。
螺杆式压缩机工作原理示意图
4 调研详述
当前包括空压机在内的燃料电池汽车领域关键部件的行业信息透明度不足,国外燃料电
池汽车用空压机开发商对产品技术信息和配套情况对外展示有限,国内燃料电池汽车用空压
机开发商和产品也屈指可数。 针对国外企业/产品的调研主要以网络检索的方式进行, 针对国
内企业/产品的调研采用网络检索+技术交流的方式进行。
4.1 国外燃料电池汽车车企调研
目前, 以丰田、本田、现代为代表的国际先进车企已逐步完成燃料电池汽车技术储备,
先后进入示范运行和商品化推广阶段:
丰田从 1992 年开始进行燃料电池汽车技术开发, 2014 12 月丰田 MIRAI 燃料电池汽车在
燃料电池汽车用空气压缩机调研报告 J8353-04

日本上市销售;
本田从 20 世纪 80 年代开始进行燃料电池基础研究, 1996 年开始原型车开发, 2016 3
本田 CLARITY 燃料电池汽车在日本上市销售;
现代从 1998 年开始燃料电池汽车概念样车开发, 2005 年开始原型车开发, 2014 4 月现代
Ix35 FCEV 燃料电池汽车在韩国上市销售, 2018 年现代第二代燃料燃料电池汽车 NEXO 开始
销售;
现代 Ix 35 FCEV 丰田 MIRAI
本田 CLARITY 现代 NEXO
4.1.1 丰田(MIRAI
丰田 MIRAI 使用的空压机为罗茨式空压机, 供应商为丰田织机, 采用了世界首创的六叶
扭转转子设计。 丰田早期开发的燃料电池样车采用过涡旋式压缩机方案。
丰田 MIRAI 用罗茨式空气压缩机及其六叶扭转转子
4.1.2 本田(CLARITY)
本田早期开发的燃料电池样车采用的是螺杆式空气压缩机方案,但空压机的噪音问题得
不到较好的解决, 同时本田认为如果要进一步实现燃料电池的小型化和高性能, 开发高压比
燃料电池汽车用空气压缩机调研报告 J8353-04

的空气压缩机非常重要。因此,本田在 CLARITY 车型上新开发了一个电动两级离心式空压机,
供应商为盖瑞特(霍尼韦尔)。 该空压机采用空气轴承,转速可以达到 100000 /分钟, 空压
机的尺寸更加紧凑,但性能提升了 1.7 倍,可提供更高的空气压力和流量, 可满足更宽泛工
作范围, 既可满足怠速工况也可满足严苛的爬坡和高速巡航工况需求,而且工作过程非常安
静。 本田分析认为,与螺杆式和罗茨式空压机相比, CLARITY 使用的电动两级离心式空压机
在体积、质量、压比、流量、噪音、成本等指标上均表现优异。

本田 CLARITY 用离心式空气压缩机

本田对不同方案的燃料电池汽车用空压机分析对比

4.1.3 现代(Ix35 FCEV

 

现代 Ix35 FCEV 燃料电池汽车使用的空压机为离心式空压机, 供应商为韩国 HANON

 

小结:

 

从上述调研信息来看,国外已经实现商品化的燃料电池车企中,除丰田采用了罗茨式空

 

压机方案外, 本田和现代均采用的是离心式空压机方案。另外,丰田放弃了早期的涡旋式空

 

压机方案, 本田放弃了早期的螺杆式空压机方案。

 

4.2 国外燃料电池汽车用空压机零部件企业调研

 

国外燃料电池汽车用空压机开发的零部件企业, 可分为以下几种情况:

 

1 根据车企需求,进行零部件协同开发和配套,如丰田织机、韩国 HANON 盖瑞特(霍尼

 

韦尔) 等;

 

2)老牌的传统压缩机厂商利用成熟技术提供燃料电池汽车用空压机产品如瑞典 OPCON(螺

 

杆压缩机的鼻祖) 等,

 

3)其他看好燃料电池汽车技术发展前景的企业,如美国 UQM BOSCH

 

4.2.1 丰田织机

 

丰田自动织机株式会社,丰田体系零部件供应商, 目前为丰田 MIRAI 燃料电池汽车供应

 

空气压缩机、氢气循环泵等产品。提供给 MIRAI 的空压机为罗茨式结构,最高转速 12500rpm

 

采用了世界首创的六叶扭转转子设计。

 



燃料电池汽车用空气压缩机调研报告 J8353-04

丰田织机开发的罗茨式空气压缩机及其六叶扭转转子
丰田织机早期开发过涡旋式空气压缩机,应用于 2002 年的丰田 FCHV 项目上。后来也对
涡旋式压缩机进行了持续改进,应用于 2008 年的丰田 FCHV-adv 项目上。但由于涡旋式压缩
机结构本身的问题(压缩范围小,限制供气量),丰田织机转向了结构简单的罗茨式压缩机开
发。 围绕流量、 NVH、响应、效率等进行了大量的全新开发工作,其中包括设计开发了世界
首创的六叶扭转转子。丰田织机认为目前罗茨式可能是最好的选择, 但围绕缩小尺寸、降低
重量、提高性能和降低成本仍有许多工作需要去做。
4.2.2 盖瑞特
盖瑞特(霍尼韦尔交通运输板块拆分出来成为独立上市公司) 利用其在汽车和航天领域
的增压技术能力为本田 CLARITY 燃料电池汽车开发了一种新型的电动两级离心式空压机。该
空压机产品高度集成化设计,轻便紧凑,最大压比 4 最大流量 125g/s,最高转速 100000rpm
重量<13kg 采用先进的空气轴承技术, 从根本上解决燃料电池的“无油”需求,另外,其
成本和质量可以满足汽车应用。
盖瑞特开发的两级离心式空气压缩机
4.2.3 HANON
韩国零部件企业,为现代 Ix35 FCEV 燃料电池汽车供应空气压缩机、高压冷却模块、 PTC
加热器、 HVAC 系统等产品。所供应的空压机为离心式结构,最高转速>110000rpm
燃料电池汽车用空气压缩机调研报告 J8353-04

HANON 开发的离心式空气压缩机
HANON 认为,与螺杆式和罗茨式压缩机相比,离心式压缩机在工作效率、 NHV 性能、
尺寸、 成本等指标上均有明显优势。
HANON 对不同方案的燃料电池汽车用空压机分析对比

Centrifugal 离心式

screw 螺杆式

roots 罗茨式

结构示意

 

 

效率

High

Even

Low

成本

Good

Bad

Bad

尺寸

Good

Bad

Bad

NVH

Good

Bad

Bad


4.2.4 OPCON
瑞典企业,其子公司 SRM 是螺杆式压缩机的鼻祖(1935 年发明了螺杆压缩机),上个世
90 年代 OPCON 成立了 AUTOROTOR 品牌,开始为汽车售后市场提供增压器产品, 2005
年起, AUTOROTOR 品牌开始专注燃料电池汽车空气压缩机市场。 奔驰、通用、现代、本田
等车企、 BALLARD POWERCELL 等燃料电池企业以及一些科研机构均应用过 OPCON 的螺杆
式燃料电池用空压机。 2015 年国内企业福建雪人股份有限公司收购了 OPCON 两个子公司
SRM OES 100%股权,以及 AUTOROTOR 品牌。
雪人股份是一家以压缩机为核心产业, 国内领先的制冰、 制冷设备制造商。 近几年,开
始布局新能源领域,尤其是燃料电池汽车市场。 2015 年收购瑞典 OPCON 压缩机业务,同时
获得了燃料电池汽车用空气压缩机技术; 2017 年认购加拿大燃料电池开发商 Hydrogenics
17.6%的股权,合作发展燃料电池电堆以及水电解制氢和加氢站相关技术。 目前雪人股份正
燃料电池汽车用空气压缩机调研报告 J8353-04

在开展两款螺杆式燃料电池空压机的国产化工作。

OA072 空压机

OA075 空压机

雪人(OPCON)螺杆式空压机技术参数

 

 

型号

OA072

OA075

空压机类型

螺杆式

螺杆式

额定压比/最大压比

2.5/2.7

2.5/2.7

额定流量(g/s) @额定压比

50

100

额定转速/最高转速(rpm)

22000/24000

22000/24000

空压机重量(kg)

12.5

31

空压机体积(L)

12.6

19.6

空压机控制器重量(kg)

6

12

空压机控制器体积(L)

5.2

24.8


4.2.5 UQM
美国零部件企业, 电动机、发电机和电力电子控制器开发商与制造商,为电动汽车、混
合动力汽车、插电式混合动力汽车提供产品。 2015 年从 ROUSH 收购了燃料电池压缩机业务,
开始进军燃料电池汽车压缩机领域,主要为加拿大燃料电池开发商 BALLARD 提供压缩机产品
和服务。
燃料电池汽车用空气压缩机调研报告 J8353-04

UQM 开发的罗茨式空气压缩机
UQM 的空气压缩机产品采用的是 UQM 自己的电机、控制器和美国 EATON(伊顿) 的罗
茨式压缩机(TVS 技术, 4 叶扭转转子设计)。 目前有 R340 R410 两个产品, 最大压比 2.2
流量范围 28-138g/s,工作电压 270-800VDC,适用于 50-150kW 燃料电池的中型和商用客车
使用。
4.2.6 BOSCH
BOSCH 在燃料电池汽车领域业务布局和规划主要涉及燃料电池电堆、燃料电池辅助系统
关键零部件(空气压缩机、氢气喷射装置、氢气循环装置、燃料电池系统控制器等)、燃料电
池发动机等产品。
BOSCH 的空气压缩机产品采用的是离心式方案,最大压比 3.5,最大流量 150g/s,预计
2021 SOP
BOSCH 燃料电池汽车领域产品规划
小结:
6 家国外的燃料电池汽车用空压机开发商中,采用离心式方案的有 3 家, 2 家采用罗茨
式方案, 1 家采用螺杆式方案。其中瑞典 OPCON 为老牌的螺杆压缩机开发商,美国 UQM 使
用的也是老牌罗茨压缩机开发商 EATON(伊顿)的产品,二者均属于利用自身的传统优势技
术,拓展开发燃料电池汽车用空压机产品。
燃料电池汽车用空气压缩机调研报告 J8353-04

4.3 国内燃料电池汽车用空压机零部件企业调研
受资金和市场规模的限制, 以及基础研究、 材料工艺、 制造能力等制约, 目前国内的燃
料电池汽车用空气压缩机开发商屈指可数。
4.3.1 广顺新能源
广顺电器, 成立于 1997 年, 主要从事医用制氧设备、 微型无油空气压缩机等产品研发。
2010 年成立广东广顺新能源动力科技有限公司,切入新能源汽车行业, 是国内较早进行燃料
电池汽车用空气压缩机开发的企业,其开发的离心式空气压缩机, 目前已形成小批量生产能
力。
广顺新能源开发的单级离心式空气压缩机及控制器
广顺新能源离心式空压机技术参数

型号

APM140/100W

结构

单级增压

额定压比/最大压比

1.9/暂无数据

额定流量(g/s) @额定压比

40

额定转速/最高转速(rpm)

暂无数据

空压机重量(kg)

暂无数据

空压机体积(L)

暂无数据

空压机控制器重量(kg)

暂无数据

空压机控制器体积(L)

暂无数据


4.3.2 康诺
安徽康诺新能源汽车技术有限公司是国内较早从事燃料电池汽车领域技术开发的企业,
团队核心人员自 2003 年起长期与国内高校、企业开展燃料电池汽车领域合作, 参与了十五
燃料电池汽车用空气压缩机调研报告 J8353-04

到十二五期间国家燃料电池汽车领域的重大科研项目。目前公司业务主要包括燃料电池系统
集成、核心部件(空压机、供氢部件)和工程服务。 其开发离心式空气压缩机为拥有自主知
识产权的产品,已经发布了两代产品 FAC-40-D FAC-50-D 第三代产品(FAC-80-D)已完
成样件开发,目前处于测试验证阶段,计划 2019 年一季度完成耐久测试,进行产品发布。
FAC-40-D/FAC-50-D 离心式空气压缩机
FAC-80-D 离心式空气压缩机
康诺离心式空压机技术参数

型号

FAC-40-D

FAC-50-D

FAC-80-D

结构

两级增压

两级增压

两级增压

额定压比/最大压比

1.7/1.73

1.9/2.26

2.2/2.7

额定流量(g/s) @额定压比

51

65

80

额定转速/最高转速(rpm)

40000/40000

45000/50000

80000/80000

空压机重量(kg)

30

15.3

22.8

空压机体积(L)

28

28

18.6

空压机控制器重量(kg)

8.9

8.9

8.9

空压机控制器体积(L)

11

11

11


4.3.3 势加透博
2011 年成立, 主要业务是高性能透平机械核心技术研制服务, 核心团队研发成员 30
名、制造团队 80 余名。 公司现设有北京总部、上海清洁能源/动力技术研发中心(势加能源)、
燃料电池汽车用空气压缩机调研报告 J8353-04

成都西南研发测试基地、西安制造基地(势加动力)。 结合国家氢能和燃料电池产业大发展,
势加透博研发了 XT-FCC 系列气悬浮(空气轴承)燃料电池离心式空压机, 目前产品处于样
件测试验证阶段。
势加透博 XT-FCC210(M) 单级离心式空气压缩机
势加透博 XT-FCC300 两级离心式空气压缩机
势加透博离心式空压机技术参数

型号

XT-FCC210(M)

XT-FCC300

结构

单级增压

两级增压

额定压比/最大压比

1.75/1.85

2.5/2.75

额定流量(g/s) @额定压比

75

108

额定转速/最高转速(rpm)

95000/110000

95000/110000

空压机重量(kg)

10

11.3

空压机体积(L)

暂无数据

19.8

空压机控制器重量(kg)

暂无数据

暂无数据

空压机控制器体积(L)

暂无数据

暂无数据


小结:
目前国内开发的燃料电池汽车用空气压缩机以离心式方案为主,总体处于起步阶段,
国外同类产品相比在产品性能指标上还存在一定的差距。 

 


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