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燃料电池空压机市场与技术方向解读

  目前,我国持续加大燃料电池的推广,2018年燃料电池汽车的累计销量达1527辆,同比增长20%。燃料电池寿命问题已基本解决,燃料电池成本也在逐渐降低,不过想要实现大面积应用,至少还需要3年-5年的时间来解决相关技术难题。
  对于氢燃料电池汽车,提到燃料电池动力系统,大家都会说到电堆及核心组件和系统集成,但对空压机的讨论少之又少。而当在问到氢燃料电池产业化进程中,哪些关键零部件国产化进度更快些时,很多从业者都表示是空压机。
 
  空压机占据燃料电池重要位置
  氢燃料电池汽车中,整个系统可以类比成一个发电机组,电堆相当于一个反应池,空压机则是给其阴极供应氧气(空气直接供给)的一个重要部件。目前主机厂层面,上汽已经初步形成了以捷氢新能源为主的产业化平台;而集成方面,因为有电动车金玉在前,已经形成了一定的积累。
燃料电池空压机市场与技术方向解读
  燃料电池之所以使用空压机,是因为空压机工作过程中,通过对空气进行增压,加大空气的供给,即可增加氧气的输入,提高燃料电池的功率密度和运行效率,同时减小燃料电池系统本身的尺寸。这个产品会影响燃料电池系统在整车应用中的效率、水平衡等特性。通俗来讲,如果燃料电池反应堆是燃料电池汽车的“心脏”,那么空压机是燃料电池汽车的“肺”,连续提供反应堆所需的氧气。
 
燃料电池空压机市场与技术方向解读
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  但空压机也是燃料电池一个主要的噪音污染源和振动源,其性能直接影响整车乘坐的舒适性。燃料电池反应堆化学反应对空气的温度、湿度、压力和流量等参数非常敏感,这些因素都决定了广泛应用的工业压缩机无法满足燃料电池对空气的高要求。
  空压机技术在国内来说,很多工业空压机的声名享誉海内外,但是不是真正适合大规模产业化应用于燃料电池汽车?
 
  燃料电池使用空压机的必须特性
  典型的燃料电池空气供应系统包括空气过滤器、空压机、电机、中冷器、增湿器和膨胀机,而目前,高速离心式的压缩机则无需使用膨胀机。从国内一些企业了解到,很多螺杆产品也未使用这类膨胀机产品进行排气能量的回收。
  空压机在做功过程中,效率、进出压缩比是性能的重要指标,使用在燃料电池上,空压机需要具备以下特性:
  (1)在燃料电池上使用的空压机需要无油化。空压机如果使用润滑油,会致使电堆发生中毒,因此空压机需要采用水润滑轴承或空气轴承。
  (2)小型化及轻量化。提高空压机的压缩能力,可以通过增加容积,或者增加轴承转速两种方式,小型化高转速是大势所趋。
  (3)乘坐车辆的舒适性需要低噪音。目前国内的很多车辆噪音较大和空压机密切相关,噪音源主要来自于空气与管道之间的摩擦,以及空压机高速转动和振动的声音。
  (4)规模化后成本可控。燃料电池受其功率密度和成本的限制,小型化和低成本有助于燃料电池汽车的产业化。据悉,在目前产业推进的过程中,部分车企特别是进行乘用车示范的车企,在国产化试验过程中,采取小体积高转速进口的空压机,不但价位达到数十万,而且经常供货期漫长。
  (5)控制系统。车辆对需要功率变化较大,空压机需要能够及时地做出响应,对空气流量进行控制。目前国内在这一块的积累较多,但硬件产品存在缺失。
 
燃料电池空压机市场与技术方向解读
 
  目前,产品差异主要体现在多学科的技术储备和工艺的缺失,国内的绝大多数应用在汽车上的空压机解决了“有和没有”的问题,但是让产品更加适用于燃料电池端则存在较大的问题。做个类比,做了很多年的一个吹风机,国产的吹风机可以使用,但是与进口的用户体验上存在巨大差距。
 
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  燃料电池空压机类型方向选择
  在2015年左右,无油润滑双涡圈涡旋式空压机是主要的技术方向,日本丰田(Toyota)、美国UTC等多家公司应用于燃料电池上。美国DOE和Author D.Little公司合作完成包括28kW和50kW的两代涡旋式空压机的设计和制造。Author D.Little提供给DOE的这种空压机能够满足最高功率输出要求,但是空压机耗功较大的问题一直难以得到解决,同时体积和质量较大。
  而包括GM、PlugPower、德国Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料电池中都采用了螺杆式压缩机。这种空压机,利用螺杆之间形成的空气槽来压缩空气。
 
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  另一种是罗茨式空压机,比较知名的就是美国伊顿与DOE共同研发的P级及R级产品,驱动主要来源于电机和膨胀机。这种空压机曾被空压机行业的人士认为是利用纯机械压缩原理将空气压缩做到极致的产品,低转速提供较高的空气输入和高压缩比。
  此外,有消息表明,在丰田株式会社的下属企业中有向丰田提供罗茨发动机的企业。罗茨空压机结构紧凑,在使用过程中虽然解决了小型化的问题,但是据有乘坐经验的人员描述,罗茨空压机并不能将噪音问题进行理想化的处理,而与电磁空压机的对比中,考虑到罗茨的成本,就显得该产品有些高不成低不就的感觉。
 
燃料电池空压机市场与技术方向解读
 
  这些利用机械轴承的空压机因为其物理设计,普遍存在质量较大和噪音偏大的情况。目前,在韩国、美国、日本本田等都普遍认为离心式压缩机为未来主流方向,这是一种无油、叶片高速空压机,其结构紧密,对应供给功率变化的响应快、寿命长、效率高,目前技术路线中采取水润滑方式居多,如同济大学的样机。但还有一些企业开始对空气悬浮轴承技术进行了验证和样机发布,空气悬浮轴承能有效降低机械摩擦,利用电磁力学技术完成无摩擦的高速转动。
  其中,这种利用空气悬浮轴承的设备不仅仅涉及了电磁力学、电磁场、系统控制、气体动力学、气体流场的技术,还涉及了包括工程热力学、传热传质、静力学、电磁电势耦合、振动力学等等共计十几个专业的复杂工艺。这些学科缺一不可,即使产生过多的热量就是在汽车应用上无法接受的。
  除了宝马、现代等公司此前使用涡旋和罗茨空压机的日本丰田公司,也在做其他类型空压机的测试。
  此外,在燃料电池领域,空压机应用还涉及到一些涡轮增压技术,即通过一级(二级)离心压缩后再通过将空压机空气悬浮轴承涡轮机进行同轴连接,实现增压效果,但据了解,该产品难度极大,目前霍尼韦尔的产品已做样机推广。
  这大概是目前燃料电池的几个主要方向,从市场情况来说,有抱负的主机厂面临的最大问题就是降成本,考虑开发成本、市场规模和管理等综合因素。离心压缩机的成本最高,但是由于其结构紧密的特性,体量最小,物理结构决定,在未来大批量条件下,其成本下降空间最大。以目前应用较多的三类型空压机为例:
 
燃料电池空压机市场与技术方向解读
燃料电池空压机市场与技术方向解读
 
  目前来看,从现阶段的空压机技术路线来说,百家争鸣,未来使用离心式压缩机可能会是主流意见。但是,最终大规模产业化来临之前,有没有一些技术的革新带来如螺杆、螺旋压缩机的静音革命或者材料学的创新带来轻量化革命也不一定。
 
燃料电池空压机市场与技术方向解读
 
  燃料电池的发展,目前依赖进口的核心部件中,空压机率先进行国产化的可能性很大,但是空压机的性能从无到有过程转向从有到优过程是有难度的,高性能的高速离心压缩机必须正向开发,反向开发的产品在后期应用中适应各种路况的调试或者改型将更难。
  “谁掌握了离心压缩机的核心技术,特别是空气悬浮轴承的空压机技术,谁将掌握中国乃至全球未来高压氢燃料电池高端车型,这是乘用车的核心命脉之一”。有人这样说,不无道理。
 
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