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燃料电池空压机多技术并进 性价比趋好

  调研发现,受益于国内厂家技术工艺的进步、下游批量应用的扩大等多重因素,2020年离心式空压机的价格下降十分明显,约在50%左右。以匹配60kW燃料电池系统的离心式空压机为例,当订单在几十台或百台级规模时,2019年价格在7-8万元,2020年价格则已下降至4万元左右。订单量越大,价格还能再往下调一点。
  匹配不同功率系统的离心式空压机价格会不一样,通常匹配系统功率等级越高,空压机价格也越高。就匹配同一功率等级的产品价格来看,下降幅度基本都接近“腰斩”。
  在价格下降的同时,国产离心式空压机性能也在快速提升,这为其在激烈的技术路线竞争中赢得了广阔的替代发展空间。
 
  性能快速提升
  氢燃料电池系统主要由燃料电池堆、空气供应、氢气供应、热管理及水管理等五个子系统组成。其中,空气供应子系统总成本约占燃料电池系统成本的20%,能耗约占燃料电池输出功率的20%左右,占辅助系统总能耗80%。
  空压机号称燃料电池之肺,其基本要求包括:(1)无油。润滑油膜覆盖在质子交换膜上,会隔绝氧气和氢气的电化学反应;(2)高效率。空压机寄生功率,严重影响电堆效率;(3)小型化和低成本。由于功率密度和成本限制,小型化和低成本有利于产业化;(4)低噪音。空压机噪音是燃料电池发动机主要噪音来源;(5)特性范围宽。满足环境温度、海拔高度变化需求,空压机需要有更宽的MAP特性;(6)动态响应快。车用动力系统会从“氢电锂电混合”走向氢电全功率驱动,空压机需要在每个工况下都能够及时提供适合的压缩空气。
  因此,当前燃料电池空压机竞争异常激烈,增速离心式、无油离心式、螺杆式、罗茨式等多重技术路线各自“出招”,国产与进口品牌之间你争我夺。
燃料电池空压机多技术并进  性价比趋好
  从技术角度来看,离心式压缩机在功率密度、效率、噪声等方面具有较好的综合效果,而其他容积式空压机要满足同等的工况下,功耗比离心式高。无油离心式空压机如果做得好,相对其他机型在未来将占绝对优势。目前国内外企业中80%以上空压机供应商选择离心式空压机作为其产品研发方向。
 
  内外百舸争流
  目前,国内知名的空压机企业主要有:嘉兴德燃动力、福建雪人股份、广东广顺新能源、北京稳力科技、北京势加透博、国家电力投资集团有限公司、潍坊富源、江苏毅合捷、烟台东德实业、江苏金通灵、北京伯肯节能和上海汉钟精机等企业。
  国外方面,知名的空压机企业主要有美国UQM、日本丰田自动织机、美国盖瑞特、德国利勃海尔、德国博世、英国Aeristech、美国Vairex、丹麦Rotrex和日本日立等企业。
  从与进口品牌对比情况来看,国产品牌兴起有着“天时、地利、人和”等诸多优势。
  在国内燃料电池汽车兴起之初,全球范围内仅有两家国际企业提供燃料电池用离心式空压机,他们互相之间价格有“默契”,定价很高,一台价格高达20万元(人民币)左右。高价格让下游用户倾向扶持国内企业,与国内企业共同进步。
燃料电池空压机多技术并进  性价比趋好
  在2020年新冠疫情致使上半年国外空压机工厂部分停产,国际航运价格上涨、航班减少等,给国产空压机留足替代空间的形势下,国内企业进一步提高技术工艺,并实现了成本的大幅下降。虽然随着国产产品的低价销售,进口产品价格也快速下降,但依然比国产产品贵一倍左右,国产产品低价及售后服务优势凸显。
  从市场应用来看,此前燃料电池系统功率普遍在30-40kW之间,运行压比在1.8-2.5bar之间,成本偏低的其他机型也可以满足。2020年燃料电池大功率发展趋势成定局,基本要求在60kW及以上,甚至达到80kW、100kW,在同等功耗下压比能力上更胜一筹且成本明显下降的离心式空压机有望超越。
  为适应燃料电池大功率发展需要,离心式空压机企业开始加快两级压缩机型的开发及应用,部分企业将控制器芯片改IGBT为碳化硅,相比之前整机功率、电机温升、控制响应、加载、刹车反馈速度等都有所精进。
  国产离心式空压机的快速转变,得到了下游用户的认可。一家知名燃料电池系统企业内部人士表示:“选择离心式空压机的下游用户,约90%都会选择采用国产产品,剩下10%会因为想先做好样品,把性能先做出来,才会采用进口的。”
 
  企业各显神通
  高工产研氢电研究所(GGII)调研显示,2019国内市场空压机出货量TOP5供应商市场占有率高达85.44%,其中金士顿、广顺新能源都属于离心式空压机供应商。富源增压、势加透博等离心式空压机供应商市场表现也不错。国内涉足离心式空压机业务的还有北京稳力、伯肯节能、毅合捷等企业。
  金士顿公司副总、燃电事业部总经理王青峰透露,公司自主研发生产空气轴承、高速永磁电机、控制器等三大核心技术部件,同时拥有气动系统的开发和优化能力。目前公司供货近800台,上车累计运行里程突破2000万公里。
  新产品方面,基于燃料电池大功率发展趋势及公司核心技术定制化开发能力,2020年金士顿推出了两款两级压缩新机型,分别针对60-80kW、80-120kW大功率燃料电池系统而开发。这两款机型压比高、流量大,采用了碳化硅芯片的高效控制器。金士顿目前拥有燃料电池空压机产能3000-5000台/年,同时公司正在扩张产能,新建工厂一期产能达5万台/年。
  从2009年开始接触这个行业,到2015年开始对外销售工程样机,产品经过充分测试后,2017年开始正式对外销售空压机产品的广顺新能源,在离心式空压机产品上也取得不错的成绩。值得一提的是,此前广顺新能源对外销售的产品是增速离心式空压机,2020年在空气轴承离心式空压机研发上也在“快马加鞭”。
  广顺新能源副总经理吴勇辉透露:“前些年考虑到很多不确定因素,比如空气轴承材料依赖进口,高速电机、控制器技术水平也有限,所以前期主推增速离心式空压机。如2020年针对增速离心式空压机只是完善研发,公司主要研发精力放在了空气轴承离心式空压机上,已经做了很多验证,目前还在继续验证当中,有望很快形成销售订单。”
  势加透博成立于2011年,专业聚焦高性能透平机械核心技术研制服务和创新研发,是业界知名的“专精特新”高科技公司。2018年底成立势加透博洁净动力如皋有限公司,核心定位燃料电池无油离心空压机的产业化。2018年底,势加透博正式落户江苏如皋科技创业园开始产业化,并于2019年9月建成燃料电池无油离心空压机产线,产能1000台/月。2020年新建投产第二条产线,累计峰值产能可达2000台/月。
  势加透博董事长张学锋透露:“现在我们产品的控制器采用碳化硅,并且已经做了近一年的验证,验证非常充分。理论上碳化硅比IGBT的价格更贵些,但我们在总成本上依然下降达50%。”
  伯肯节能空压机TX15项目已经开发了3年多,截至目前已经完成了产品的设计加工验证、性能测试、环境测试,产品已经定型,具备销售条件。该产品已经和部分燃料电池企业进行沟通和配套,去年下半年已形成销售。
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