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氢燃料电池空压机市场前景与创新解读

  这些年来,如果要说汽车行业最热门的词汇,新能源三个字一定是其中之一。在各类新能源汽车中,氢能源汽车出现得最晚。纯电动汽车、混合动力汽车等在历史上出现的时间更早,也更早经历从示范运营到产业化的实践。氢燃料电池汽车对应的燃料电池空压机所面临的市场,可用小、快、高、大四个字来形容。
  首先,与传统汽车相比,燃料电池汽车销量很小。去年全国共销售2000多万台机动车,但氢能汽车仅有1000多台。今年这个数字会高一点,但如果放在整个汽车大盘子里来看,这个数字仍显得非常小;第二,燃料电池产业规模从2015年起快速增长;第三,行业对燃料电池产业规模的未来预期高;第四,系统向大功率发展的趋势明显,商用车是主要应用场景。
  这几个特点中,“小”是行业的现状,“快”是行业的发展趋势,“高”和“大”是行业的未来。整个行业从小快速地向高、大发展,其实就是行业从示范应用到产业化运行的一个实践过程。而这个实践过程,像纯电动、混合动力汽车在过去的十几年中已经经历过。
  2021年1-11月,国内新能源汽车销量接近300万台,全年预计会达到340万台。这个数字会让很多燃料电池产业链企业非常羡慕,但往回看过去十年,2010年新能源汽车市场规模仅7000-8000台。新能源汽车从几千台的规模增长到百万级的规模,对燃料电池产业链企业会有一些帮助。
  首先,产品技术路线选择一定要选符合市场的趋势。如果回到2006年,那时谈新能源汽车更多谈到的是混合动力,彼时纯电动和氢燃料电池都是属于相对小众的研究,甚至还有一些液电、气电的混合动力。但到2020年再谈新能源汽车,市场首先想到的是纯电动,不插电的混合动力已不属于新能源队伍。由此及彼,当前燃料电池汽车正在快速发展中,未来空间非常大。
  作为燃料电池空压机供应商,选择技术路线对后续发展同样非常重要。经过综合分析,离心式空压机是符合燃料电池行业发展方向的技术方案之一;再者,针对燃料电池行业无油的要求,空气轴承是一条重要的技术路线。这是一条比较艰难的路径,但这是一个难而正确的选择。
  技术的投入是市场兴旺的先导。看新能源汽车销量的变化,可以看出2015年左右是销量快速增长的临界点。另从新能源汽车历年销量以及新能源汽车CNKI论文检索数量趋势来看,论文发表及检索数量的激增点和新能源汽车销量的激增点大概有7年的时间差。这两条曲线,很好地解释了技术投入到市场爆发相连的关系,以及它们在时间上的迟滞。
氢燃料电池空压机市场前景与创新解读
氢燃料电池空压机市场前景与创新解读
  如果以氢燃料电池汽车为关键词汇搜索论文,也可以看到一条曲线。2015年左右这条曲线开始往上走,如果参考前面提到的7年的时间差预测氢能源市场的激增起点,将会在2022年。
  基于新能源汽车发展得到的第三个启示是,降本是新能源发展的重要任务。众所周知,随着新能源汽车销量的迅速提升,动力电池成本在十年时间里下降到了原来10%左右,而这个下降的任务也是当前氢燃料电池行业面临的重要课题之一。
  第四个启示是,车规级的应用和规模化的生产是新能源技术在汽车领域普及的重要挑战。回头看2006年,当时做新能源汽车,国内没有很多的供应商,几乎是有什么就用什么。但现在来看,开发纯电动汽车完全都是专业化、集成化的动力装置,整个零部件和整车生产都实现了规模化,这也是燃料电池汽车产业的必经之路。
  第五个启示是,具有创新能力的本土企业是新能源发展的主要力量之一。再回头看2006年,那时谈新能源汽车想到的都是一些国外品牌,但现在提到新能源汽车,首先想到的一般都是国内自主品牌的OEM或者是核心零部件的供应商,当然也会有一些外资品牌,但是自主品牌的活跃程度与十几年前已经完全不一样。
 
  可变截面涡轮技术赋能空压机
  燃料电池系统功率不断增大,同时效率不断提高,成本还要不断下降,这给燃料电池空压机的可靠性和耐久性带来新挑战。可变截面涡轮技术是一种有效解决方案。
  中国商用燃料电池发动机技术路线图呈如下发展趋势,即功率不断增大,同时效率不断提高,成本还要不断下降。
氢燃料电池空压机市场前景与创新解读
  众所周知,电堆功率越大,空压机寄生功耗越大,系统效率越低。怎么降低空压机寄生功耗,助力系统向大功率方向发展,已经成为一项不可或缺的技术。
  在大功率趋势下,在空压机产品上增加可变截面涡轮技术,是降低空压机寄生功耗、提升系统功率的有效路径。可变截面涡轮,是通过一组导向叶片的开闭来调节涡轮的流量,以满足发动机不同工况点的性能需求,优点是低功率到高功率都可以进行不同的控制,来实现有效的能量回收。
氢燃料电池空压机市场前景与创新解读
  燃料电池空压机是燃料电池系统中非常重要的零部件,在过去几年中,空压机经过了第一回合的开发竞争,两级压缩开发及其持久性、耐久性已经被客户认可,但是效率有一个极限,为了突破这个极限,市场需要提供更加创新的技术。随着涡轮单级压缩及涡轮多级压缩技术兴起,空压机竞争的第二回合开始了。
  海德韦尔现在已成功下线了HEC15样机、HEC30样机、VSEC15样机、VSEC30 样机等。同时还已经成功开发出针对200kW 以上的氢燃料电池系统的T-Booster技术。
  其中,HEC系列产品采用高速两级离心压缩空压机电机功率最大30kW,设计转速最高12万转,可以覆盖氢燃料电池发动机到120kW。VSEC系列产品在保持离心空压机高性能的基础上,增加了带可变几何截面的膨胀机系统,回收电堆出口尾气的能量,回收效率可达30%以上,特别适合超大功率氢燃料电池系统。T-Booster技术则是把HEC产品和VSEC产品串联在一起,通过系统匹配使HEC和VSEC产品都工作在合理的转速范围之内,实现双驱能量回收三级压缩。
 
  增压技术在燃料电池领域的创新应用
  “目前燃料电池空压机产品普遍存在几个问题:压气机效率比较低,噪音比较大;同时空气轴承稳定性不高;高速电机在高速运转的温升会比较高,散热会比较差,效率也比较低。
  双碳目标下,国内氢能产业迎来发展风口,以增压技术为核心产品拥抱发展机遇,已成为燃料电池领域增压技术创新应用的领跑者。
氢燃料电池空压机市场前景与创新解读
  燃料电池空压机是其增压技术的创新应用,且优势明显。目前燃料电池空压机产品普遍存在几个问题:压气机效率比较低,噪音比较大,同时空气轴承稳定性不高,高速电机在高速运转的温升会比较高,散热会比较差,效率也较低。针对这些问题,需要开发不同的产品路线来解决这些问题。比如,针对空气轴承稳定性不高的问题,通过仿真学使空气轴承稳定运行10万次。
 

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