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氢燃料电池汽车市场扩大 国产空压机“争霸”

  燃料电池车站上“风口”
  在全球能源和环境问题日益严重的当下,新能源车型也逐渐进入了我们的生活中。氢燃料电池汽车作为一种零排放、无污染的新型交通工具,更是受到了各个国家的重视。目前除了日韩一些企业在不断研发之外,我国也推出了相应的鼓励政策,大力推广氢燃料电池汽车的发展和使用。
  中汽协最新数据显示,2019年,我国氢燃料电池汽车销售2737辆,同比增长79.2%。此外,有相关专家统计,在近期50天内,国内与燃料电池相关的企业新增了110家。
  就在不久前举办的中国电动汽车百人会论坛上,中国电动汽车百人会副秘书长王贺武分享的数据显示,2020年年底,我国氢能燃料电池汽车争取实现接近万辆的规模。截至去年底,我国燃料电池车累计数量仅6000辆。这就意味着,在去年实现大幅增长势头后,今年将有望实现再跨越。
  目前我国已经形成了京津冀、长三角、珠三角、山东半岛、中部西部等一些地区的氢能源示范应用区,涉及各类汽车近4000多辆。目前规划在建和已建的加氢站130多座,其中有61座已经建成,投入运营的加氢站已经有52座。
  工信部日前发布《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿)中,将深化以纯电动汽车、插电混合动力(含增程式)汽车、燃料电池汽车为“三纵”,布局整车技术创新链。
  中国电动汽车百人会副秘书长王贺武介绍,2025年我国氢能燃料电池汽车有望实现5万-10万辆的规模;2030年我国将实现百万辆级别的氢能燃料电池汽车在路上行驶;2050年氢能燃料电池汽车能够和纯电动汽车共同实现汽车的零排放,即移动端的零排放。
 
  空压机是燃料电池的“肺”
  随着国内氢燃料电池汽车市场不断扩大,围绕燃料电池的核心零部件也在加快国产化替代的步伐,空压机有望成为氢燃料电池系统辅件中最快实现突围的零部件。
  作为氢燃料电池系统供应链系统辅件(BOP)中的重要一环,空压机相当于燃料电池的“肺”,它通过对进堆空气进行增压,从而提高燃料电池的功率密度和效率。
  空压机输出的压力和流量甚至在很大程度上可以直接影响燃料电池发动机中的化学计量比和空气加湿特性,进而影响燃料电池堆的电压输出和燃料电池发动机的功率输出。
  “燃料电池空压机不同于常规空压机,也有别于传统发动机的电子增压器,它应该是一个新物种。”国内一家燃料电池电堆厂的技术负责人表示,适用于燃料电池的空压机需要满足绝对无油、低噪声、高可靠性、高效、小型化、工作范围宽、良好的动态响应能力、良好的热管理、低成本等诸多严苛要求。
  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)在燃料电池的使用中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机械转动的声音和转动的声音。
  (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。
  (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。
  而根据燃料电池的空气进气压力,燃料电池可分为低压(30kPa)、中压(60-100kPa)和高压(150-300kPa)燃料电池。低压燃料电池一般用于通信电源、备用电源、无人机等领域;而中压燃料电池一般应用于客车、物流车等交通领域;乘用车一般配置高压燃料电池。
  因此,针对不同的燃料电池系统的性能需求,往往需要不同的空气压缩机与其匹配,目前常用的空压机类型有螺杆式、离心式、涡旋式和罗茨式等不同类型。
  另一方面,对于氢燃料电池来说,由于质子交换膜需要保持良好的工作特性,这就要求供气系统供给燃料电池堆的压缩空气必须绝对干净,因此,对空压机技术要求十分高。
 
  离心式空压机是氢燃料电池的发展趋势
  2019年起,国内燃料电池空压机供应商逐渐增多,不过供应的产品大多适用于商用车领域,乘用车领域的空压机要求的压比更高,依然以国外采购为主。
  从目前国内的氢燃料电池市场来看,螺杆式空压机所占市场份额相对较多,但现在已经有越来越多的燃料电池电堆和系统厂商开始替换离心式空压机。
  国内一家空压机企业高层透露,燃料电池企业对空压机的接受度正在逐步提高,特别是离心式空压机。
  从目前市场情况来说,有抱负的主机厂面临的最大的问题就是降成本的问题。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。
  “随着燃料电池系统对空气供应系统性能要求的提高,离心式空压机或将成为燃料电池用空压机未来发展的主要趋势。”广东一家燃料电池企业的技术总监认为,从高效、小型化和降噪方面考虑,离心式空压机更符合未来的需求。
  值得注意的是,离心式空压机在低流量时会发生喘振现象,这将严重影响系统的性能和空压机的使用寿命。
  对于有些燃料电池厂商来说,国产空压机在可靠性和使用寿命上还缺乏足够的验证,因此在实际的装车运营方面还是以进口产品为主。
 
  国产VS进口 可靠性和售后服务的比拼
  从国外情况来看,霍尼韦尔(盖瑞特)在空压机的技术上表现突出,在功率密度、效率、噪声等方面都有很好的表现,其空压机主要供货本田。但在国内市场,UQM独占鳌头,根据相关公开资料,2018年UQM曾在中国市场收获了300万美元的空压机订单。
  除此以外,还有Fisher、Hanon、TNE、Vairex等公司能供应燃料电池空压机产品。
  “目前世界范围内,尚未有完全成熟的、完全满足用户要求的产品。国外的某些厂家起步稍早,国内外空压机技术水平有一定的距离,但这个距离是我们可以努力追上的。”在谈到跟国外的差距时,上述空压机企业高层表示。
  据了解,国内一些传统领域的空压机厂,由于自身有技术储备,在燃料电池蓄势待发的过程中,已经开始了对空压机的研发和样机测试。还有一部分企业长期从事气体压缩领域的工作,通过人才引进及其他方式也制造了属于自己的空压机。
  根据相关调研数据,目前国内有近20家空压机企业在研发燃料电池空压机,其中,有好几家已经实现批量供货。
  从世界范围内空压机技术路线来看,螺杆式、离心式、涡旋式和罗茨式各种技术路线百家争鸣,但从中国市场来看,未来使用离心式空压机是主流意见,但是最终大规模产业化来临之前,还需要继续完善。
  “目前来看,国产空压机最大的优势在于性价比和售后服务。”国内一家燃料电池系统企业负责人认为,目前依赖进口核心部件中,空压机正在逐步实现国产化,在试运营阶段问题还不大,但要满足未来大批量需求,还要在可靠性和使用寿命上下功夫。
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