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2020年燃料电池空压机市场运行与方向

  空压机被誉为燃料电池之“肺”,重要性不言而喻。
  据高工产研氢电研究所(GGII)正式发布的《2021年中国氢电产业发展蓝皮书(1.0版)》显示,2020年中国市场氢燃料电池空压机出货量为4068台,同比增长7.3%。2020年氢燃料电池空压机出货量的增长来自客户数量的增长和单个客户需求量增长。
 2020年燃料电池空压机市场运行与方向
  从市场规模来看,2020年国内氢燃料电池空压机市场规模预计为1.7亿元,同比增长6.3%。2020年空压机价格“腰斩”,但由于出货量的增长速率大于空压机的价格下降速率,所以市场规模仍然有所增长。
 2020年燃料电池空压机市场运行与方向
  从国产化程度来看,空压机是燃料电池关键部件中国产化程度较高的一个,2020年国产空压机市场份额超过90%。2020年国内市场空压机供应商主要有势加透博、金士顿科技、东德实业等。
  资料显示,势加透博(如皋)成立于2018年11月,注册资金3000万元人民币,是势加透博(北京)的全资子公司。势加透博(如皋)主要从事高速无油叶轮机械的研发、生产、销售、服务,是势加透博无油空压机创新产品研发和产业化基地。2020年,势加透博氢燃料电池空压机出货量超2000台。
  金士顿科技成立于2010年2月,注册资金6100万元人民币,主要从事高速滚动轴承、动压空气轴承、速流体机械研发、生产和销售。金士顿科技 2017 年进入燃料电池领域,2019 年实现氢燃料电池空压机批量化上车。2020年金士顿科技氢燃料电池空压机出货量实现翻倍增长。
  东德实业成立于2017年5月,注册资金2000万元,从事氢能装备氢燃料电池关键零部件空气压缩机、氢气循环泵、加氢站高压氢气压缩机的研制和生产。东德实业目前拥有空压机产线和氢循环泵产线各1条,其中空压机单班产能70台,氢气循环泵单班产能30台。
  事实上,鉴于良好的市场前景,国内涉足燃料电池空压机领域的企业越来越多,目前国内空压机企业及主要分布区域如下:
 2020年燃料电池空压机市场运行与方向
  从技术路线来看,质子交换膜燃料电池用空压机的基本要求为:1)无油;2)高效率;3)小型化;4)低成本;5)低噪音;6)特性范围宽;7)动态响应快。
  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)在燃料电池中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。车辆的功率变化较大,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。
  空压机类型主要有容积型空压机和速度型空压机,国内常用的燃料电池空压机主要有容积型罗茨式空压机和双螺杆式空压机、速度型离心式空压机三种。
  其中,离心空压机具有体积小、响应快、噪音低、动压空气轴承空压机无油、可实现超高压比等优势,但存在低流量高压比时会发生喘振现象影响寿命、生产成本高、工作范围窄等劣势;罗茨空压机具有工作范围宽、生产成本低等优势,但存在高频噪音高、体积大、需要机油润滑轴承等劣势;双螺杆空压机具有流量大、工作范围宽等优势,但存在生产精度高、生产成本高、高频噪音高、体积大、需要机油润滑滚珠等劣势。
 2020年燃料电池空压机市场运行与方向
  每一款空压机有自己的优劣势,由于不同发展阶段市场需求不同,2020年国内空压机市场主要是离心式和罗茨式两种类型在应用。2020年氢燃料电池向重卡领域发展,系统功率需求提升,罗茨式空压机和单级离心式空压机在压比方面暂时不能满足需求,双级增压离心式空压机市场占比开始提升。
 
  国内外燃料电池空压机市场几个重要方向
  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。
  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,但是据有乘坐经历的人员描述,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。
  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向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,因为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,但该产品难度极大,目前霍尼韦尔的产品已做样机推广。
 
  2021年扩规降本市场前景看好
  2020年,受疫情和政策调整影响,部分订单将延至2021年释放,随着示范城市群政策落地,加之国内经济企稳、地方财政刺激,预计2021年氢燃料电池汽车产销量将呈现爆发式增长。保守来看,全年产销突破6000辆成为大概率事件,乐观估计,全年销量有望突破1万辆。
  具体来看,据不完全统计,仅上海、北京、广东、山西、山东、江苏、河北、河南、四川、湖北等十个省份及直辖市明确规划,2023/2025年燃料电池汽车保有量分别达到3.5万辆和7.63万辆。2020年底国内燃料电池汽车保有量在8000辆左右,这意味着未来三年年均销量需达到9000辆以上,未来五年年均销量在13660辆以上。
  此外,2021年是备战2022年北京冬奥会的关键年,冬奥会将带动燃料电池客车增长,加上各示范城市群大多以客车作为前期示范的重点,预期2021年氢燃料电池客车的销售占比将保持在60%以上。
  各级地方政府规划的加氢站建设为燃料电池汽车的规模化推广打下基础。随着加氢站网络的逐步完善,燃料电池技术的进步,以及制氢、储氢、运氢环节经济性的提高,将成为燃料电池汽车发展的“加速器”。
  预计燃料电池汽车将在2021年密集落地进行示范运营,销量迎来一波小爆发,这对燃料电池空压机的需求将形成重大利好。
 2020年燃料电池空压机市场运行与方向
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