涡轮膨胀式空压机迎来商用拐点

随着燃料电池系统往更大功率的方向飙升，与之对应的BOP部件也面临功率增加带来的一系列新要求。对于空压机来说，系统功率提升带来的适配范围变化和功耗增加是一道棘手的难题。

在提升系统效率还要保持甚至降低功耗的情况下，带涡轮膨胀机的空压机是下一代更高效率燃料电池系统开发的重要发展方向。其中，可变截面涡轮膨胀机因适应系统的宽工况区间，几乎成为大功率燃料电池系统提升效率的常用手段。

前不久，鲲华科技推出的鲲运200-180平台级燃料电池系统就搭载了可变截面涡轮膨胀机，这款产品适用于中远距离的重载应用场景，预计将在明年装车进行示范应用。那么膨胀式空压机主要有哪些突出的优势？目前行业整体的应用进展如何？未来会成为大功率燃料电池系统的主流选择吗？

膨胀式空压机的技术优势

在燃料电池系统中，空气压缩机堪称电堆的“肺”，为其供气增压。随着电堆入口空气压力的增加，电堆性能逐渐提升，水管理能力也随之提高。目前，空压机是系统BOP中占用电堆寄生功耗最大的零部件，其功耗占电堆输出功率约15%~20%，占燃料电池系统附件功耗80%左右。

现阶段，燃料电池向大功率发展的掣肘之一就是BOP的匹配问题，在空压机方面，当前选用两级压缩离心式空压机技术作为大功率适配的主流路线。

“如果大功率系统继续采用该路线，空压机需要满足的空气流量和压缩比都要大幅度提高，空压机所消耗的电源功耗（寄生功耗）要从现在的15%-20%增大5%以上。” 海德韦尔总经理俞宇枫博士表示，寻找开发更大功率级别的空压机技术路线和产品，以满足系统功率增大的需求，以及更低的寄生功耗，成为目前燃料电池空压机企业的共同发展主题。

膨胀机空压机是利用涡轮膨胀做功的原理，把电堆排气中的一部分能量加以回收利用，从而降低空压机对于电源功率的需求，膨胀机路线对系统及整车有显著经济性。

相关测算显示，如果在150kW的系统中，实际电堆要180kW，因为有寄生功耗，其中空压机要占据寄生功率80%的能量消耗，约为24kW（两级压缩），如果使用膨胀机产品进行能量回收，空压机本身的功耗降8kW到16kW，效率可提高33%，150kW的系统就可以少加几十片的堆片，按4000元/kW计算，可以节省3.2万元，远远覆盖超过了空压机本身的成本。

当然，涡轮膨胀机有固定截面和可变截面的区别。如果使用固定截面的涡轮膨胀机，主要考虑满足燃料电池堆在大功率下阴极排气量较大的工况，但当燃料电池工作在低功率工况时，阴极排气量较小，并不足以带动膨胀机的涡轮运转。此时，需要等燃料电池功率提高之后，废气动能较大，涡轮才能启动。使用VGT（Variable Geometry Turbocharger，可变截面涡轮增压系统）调节的好处在于，可以针对燃料电池工况通过调节气道截面积实现废气利用的最大化，能显著增加膨胀机的map覆盖，拓宽了流量适配范围，对不同的堆和需求都可以得到很好的应用。

正因如此，带有可变截面涡轮膨胀机的空压机成为未来大功率燃料电池系统适配的主要方向。

膨胀式空压机的发展与应用现状

现阶段，国内空压机企业中，海德韦尔、华涧新能源、金士顿、东德实业、蜂巢蔚领等多家公司都在对膨胀式空压机进行研发验证，膨胀式空压机方案正在不断走向成熟，接近实际应用的门槛。

其中，海德韦尔进展相对较快。产品研发及测试方面，其参加了中汽研统一组织的空压机综合测试评价中，提供了VSEC15的产品完成的性能测试实现了额定工作点空压机系统效率137.4%的优异结果，其他各项可靠性/耐久性试验也顺利完成。VSEC30产品在客户端完成了8个月的各种测试，返回件复测性能误差在1%以内，体现了高度的稳定性。

2023年以来，海德韦尔的HEC产品以及VSEC产品都有一些交付。HEC15和HEC30产品给一些80KW、120/130kW的系统匹配，VSEC15和VSEC30产品给一些120kW、160kW、180kW和240kW的系统匹配，累计供货超过了100台。海德韦尔产品除了提供给国内客户以外，其膨胀式空压机也已经向国外客户提供了几十台产品，主要应用在重卡、轨道交通和飞机等各个领域。

其它企业中，华涧新能源开发了集成膨胀机的空气压缩机产品，可实现燃料电池堆的排气能量回收，大幅提高燃料电池系统总体效率，产品正在和多个客户合作进行联合测试与验证。东德实业研发的膨胀式空压机，采用单级压缩+单级膨胀技术方案，膨胀端采用钛合金材料，提高抗水蚀性能，体积同比传统双级离心压缩机下降10%，重量下降13%，空压机功耗同比可节省20%-30%，有效降低燃料电池系统氢耗，这款产品已在头部企业配合测试。

2023年以来，膨胀式空压机从技术研发到测试验证端不断取得突破的一个重要原因得益于下游系统厂商的大力支持，尤其是那些有志于拓展长途重载等应用场景的燃料电池企业。

12月中旬，鲲华科技发布了鲲·运200-180燃料电池系统，这款为重载商用车全工况使用正向设计的燃料电池系统就采用了带有可截面涡轮膨胀机的空压机。其通过多项一体化设计和精细的控制算法，在保持180kW稳定额定输出的前提下，氢耗相较前代产品降低15%，让整车TCO降低5%，并可实现90km/h的高速干线巡航。

“膨胀式空压机对减少寄生功率有帮助，对大功率系统很有吸引力。”氢途科技董事长周鸿波表示，氢途目前正在做可靠性验证，预计明年下半年推出带膨胀式空压机的燃料电池系统产品。

随着技术验证的成熟和大功率燃料电池系统在终端应用市场需求的增加，膨胀式空压机的技术和经济优势将进一步凸显，2024年搭载膨胀式空压机的燃料电池系统将开始冲击大功率产品的市场格局。