4月底,四部委发出的《关于开展燃料电池汽车示范推广的通知》(征求意见稿)明确提出,申报城市或城市群应在示范期间实现核心材料、关键零部件技术取得突破并产业化的目标。按照技术攻关难易程度,对各领域率先突破并实现产业化的给予500-1000分/项,积分上不封顶。
经过近30年的发展,我国虽基本形成氢燃料电池汽车产业链,但关键零部件环节很多依赖进口或国产化率很低,如电堆、质子交换膜、膜电极、催化剂、气体扩散层、空气压缩机、氢气循环泵等。征求意见稿大力支持关键零部件的发展,积分上不封顶,将加速关键零部件的国产替代进程,国产关键零部件企业将迎来发展的春天。
空气压缩机做为氢燃料电池的关键零部件之一,是车用燃料电池阴极供气系统的重要部件,通过对进堆空气进行增压,可以提高燃料电池的功率密度和效率,减小燃料电池系统的尺寸。但空压机的寄生功耗很大,约占燃料电池辅助功耗的80%,其性能直接影响燃料电池系统的效率、紧凑性和水平衡特性。因此,各国的燃料电池项目对空压机的研究都非常的重视。
全球空压机市场出现了5种技术路线
1．空压机技术要求
为实现较高的能量转换效率,燃料电池内部的化学反应对空气的温度、湿度、压力和流量等参数有着严格的要求。但目前广泛应用的工业压缩机无法满足燃料电池对空气的要求,适用于燃料电池的空压机需要满足以下要求:
表1 适用于车用燃料电池的空压机需满足的性能需求
2．5种空气压缩机技术路线对比
针对不同的燃料电池系统的性能需求,往往需要不同的空压机与其匹配,常用的空压机类型有罗茨式、螺杆式、涡旋式和离心式等。由于空压机的结构和工作原理的不同,空压机的性能优势也不尽相同,整体对比下来,离心式空压机综合评价最高。
表2 空压机类型及优缺点比较
资料来源:《电源技术》,香橙会研究院
全球空压机市场竞争格局
全球各大燃料电池汽车生产商对各种类型的空压机都进行尝试,离心式空压机因在功率密度、效率和噪声等方面具有最好的总体效果而被大多数车企青睐。比如本田公司旗下Clarity和现代公司旗下ix35燃料电池汽车使用的是离心式空压机,戴姆勒旗下最新GLC F-Cell燃料电池汽车采用的也是离心式空压机。
表3 主要燃料电池汽车厂商空压机类型对比
国外的空压机技术较为成熟,典型的是Honeywell的离心式压缩机和Opcon的螺杆式压缩机,二者已经在多款燃料电池系统中进行了长时间的运行。目前运用于燃料电池的国外空压机品牌主要有Honeywell(盖瑞特)、UQM、Rotrex、丰田自动织机、利勃海尔等。根据香橙会数据库统计,提供燃料电池空压机还有Fisher、Hanon、TNE、Vairex、Air Squared等企业。
国内燃料电池系统中的空压机大部分依赖进口或合资企业,但产业经过多年的培育,已有可替代产品问世。
在香橙会氢能数据库收录的国内外25家空压机企业里,势加透博、金士顿、雪人股份、广顺新能源研发的燃料电池专用空压机已经有部分装车应用,个别产品性能可比肩国外一流水平,但国产空压机市场渗透率依然很低。
表4 国内外涉及空压机企业一览
数据来源:香橙会氢能数据库
据中国氢能源及燃料电池产业白皮书(2019版)预测,2020-2025年中国氢燃料电池汽车产销达到5万辆,燃料电池系统比功率达到3．5kW/L,成本达到4000元/kW;2026-2030年达到130万辆,比功率达到4．5kW/L,成本800元/kW。按照中值计算,2023年成本降为4000元/kW,2030年成本降为800元/kW。
表5 中国燃料电池空压机成本测算
在满足燃料电池汽车产销条件的前提下,未来5年内燃料电池车用空压机市场规模将达到10亿元/年(14．4亿元@2023E),未来10年内市场规模将达到100亿元/年的量级(124．8@2030E),即到2030年,空压机国产替代的市场规模将达到百亿级别。
6大头部空压机企业基本介绍和分析
1．UQM
(1)公司简介
UQM成立于1967年,是250kW以下动力范围马达和逆变器的专业供应商和技术引领者,总部位于美国科罗拉多州Longmont,其在电动、油电混动、插电混动车辆和燃料电池压缩机系统领域拥有超过50年的经验,主要开发和生产高功率密度、高效能电动马达、发电机、电机功率变流器和燃料电池压缩机,其产品广泛应用于商用卡客车、汽车、船舶和工业市场。
2019年1月,UQM与丹佛斯达成协议,丹佛斯收购UQM,此次金额约为1亿美元,UQM此后加入丹佛斯动力系统事业部。至2019年上半年,UQM在中国主要有五家中国客户和两家欧洲客户。
(2)产品及性能
UQM的燃料电池压缩机系统采用UQM永磁电机和控制器,搭配使用伊顿压缩机,分为R340和R410两种型号,结构形式为四叶罗茨式。
图1 UQM空压机
UQM空压机性能可满足市场上大多数燃料电池汽车的大部分需求,其单价约15～20万元/个(包含关税),主要参数如下。
表6 UQM空压机性参数
(3)产业化情况
2018年,UQM在中国市场收获了300万美元的空压机订单,独占中国市场鳌头。目前为国内主流空压机供应商,为巴拉德的指定供货商,已向中国重汽集团配套供货。但其曾经供货包括几个主要主机厂的客户并未停止寻找合适的离心式压缩机。
2．盖瑞特
美国盖瑞特是全球动力增压解决方案的主要供应商,主要开发适用于高效率内燃发动机和混合动力系统的增压设备。
盖瑞特研发生产了氢燃料电池用两级电动压缩机,采用离心式结构,该款产品已于2016年搭载于本田新一代燃料电池Clarity上。
图2 盖瑞特空压机实物图
(1)产品性能
盖瑞特通过采用两级电动压缩机的创新设计结构——转子两端分别为低压空压机和高压空压机——能够最大程度地对空气进行压缩,为燃料电池堆带来400千帕压力、125g/s(该指标全球领先)的增压气流量,实现100%无油运行,电池堆输出密度达到3．1kW/L,压缩机最大功率可达103kW,转速为10万r/min。
(2)产业化情况
盖瑞特已经实现量产及商业化应用,已制定出空压机到2025年的成本目标。目前应用在本田Clarity氢燃料汽车上的是一代产品,通过更新设计和技术进化,到2021年二代产品的价格要做到一代产品价格的三分之一,在生产量上将达到数万台。同时规划到2025年达到十万台量级以上,空压机成本会降到目前的十分之一左右。
3．利勃海尔
利勃海尔(Liebherr)集团在全球范围内以工程机械设备、冷藏冷冻设备和铁路航天设备而著名。利勃海尔专注于制冷领域研发,对压缩机具备雄厚技术储备。
图3 利勃海尔涡轮压缩机样机
利勃海尔离心式空压机已经实现量产,为上海捷氢科技有限公司(以下简称“捷氢科技”)供应商,签约供货量达数千台,主要用于捷氢科技P390燃料电池系统产品,该产品搭载于上汽跃进FKY311/FKY312的市政环卫车,为政府采购用车。
4．丰田自动织机
丰田自动织机是丰田集团的起源公司,成立于1926年,2019年被美国商业杂志Fortune评为“最受尊敬的汽车零部件供应商”,其为丰田Mirai燃料电池系统零部件供应商。
(1)产品及性能
丰田自动织机产品为六叶螺旋罗茨式空压机,与传统罗茨式空压机中叶轮与轴向平行不同,其叶轮呈现螺旋状,技术完全自有。
图4 丰田罗茨式空压机
最大输出功率为20kW,最高转速可达12500r/min。低负荷时效率达50%以上,高负荷时效率达60%以上。低负荷时空气流量约为0．1N·m3/min,高负荷时空气流量5N·m3/min,最大压缩比为3。
(2)产业化情况
丰田自动织机仅向丰田汽车供应空压机,由于丰田自动织机与丰田汽车有股权关系,采购价格不详。
2019年6月28日,Mirai第10000辆正式下线,其空气压缩机实现量产,实车装机量亦超过万台。
5．势加透博
(1)公司简介
势加透博(北京)科技有限公司(以下简称“势加透博”)于2011年1月创立,主要从事高性能透平机械技术开发、工程服务、测试服务及解决方案。经过近9年创业卓越发展,目前已成为国内高性能透平机械核心技术研制服务和创新研发的领军品牌。
势加透博在2017年提出了Turbo+创新发展战略,基于无油高速叶轮机械共性技术,结合氢能和燃料电池产业的发展需求,将多年积累的核心技术,创新地应用于清洁能源和清洁动力两大领域。突破了高效低比转速压气机、动压气浮轴承、高速电机控制等核心关键技术,成功研发了XT-FCC系列气悬浮空压机,覆盖25kW-150kW燃料电池系统需求。2019年公司产品已有批量交付,技术指标达到国际先进水平,填补了国内燃料电池无油离心空压机的空白。
(2)产品及性能
势加透博已完成XT-FCC燃料电池无油离心空压机系列化研制,全方位覆盖30-150kW燃料电池系统需求,是国内少数能够匹配60kW以上燃料电池系统的公司。
以XT-FCC300空压机为例介绍各项性能参数。机组由两级离心叶轮、高速永磁同步电机和车用级动压气浮轴承组成,用于为燃料电池系统提供洁净无油的压缩空气。额定点的流量为108g/s,压比2．5;功耗比传统解决方案少1/3(比目前市场上所有国内外同类竞品降低功耗10%以上),噪声指标低40dBA以上(比高速直驱同类竞品噪声指标低5dBA)。
其产品可靠性和耐久性方面,已开展耐随机振动和耐冲击试验,在全转速范围内符合GB/T 31467．3-2015要求;已开展启停测试,启停寿命20万次,远超行业常用标准。
图5势加透博空压机
(3)产业化情况
从2018年6月首台样机进入评测和优化迭代以来,已经累计完成5000多小时台架测试,启停寿命考核、振动与冲击考核、环境试验考核、道路工况耐久运行考核等DV测试。
2018年12月底开始国内外10多家客户样机测试,XT-FCC300(匹配50-90kW系统)、XT-FCC160(匹配30-50kW系统)、XT-FCC400(匹配90-150kW系统)均以优异性能获得了高度好评。
目前已签订单客户有新源动力、亿华通、上海重塑、江苏清能、中车、中汽研、武汉长海电堆等。2019年已签订单550台,截至2020年2月新增在手订单250台,合计800台。截至目前已经交付100多套,2020年保守估计可交付500台。
国产自研技术是势加透博的一个重要标签。同时,在大功率、重载领域,势加透博空压机在国内无太多竞争对手。
2020年,随着关键客户的订单释放,势加透博的行业领先地位将进一步确立。
6．金士顿
(1)公司简介
石家庄金士顿轴承科技有限公司(以下简称“金士顿”)成立于2007年,是一家专业从事高速滚动轴承、空气轴承以及高速流体机械的研发、生产、销售为一体的环保型高新技术企业,经过多年的发展,公司形成了“以动压空气轴承为核心,高速流体机械为支撑”的业务体系。主要产品:动压空气轴承、高速永磁电机、高速专用滚动轴承、空气悬浮离心鼓风机、氢燃料电池用无油空压机等。业务涉足领域:节能环保、新能源、军工等。
公司依托在空气轴承和高速电机领域的领先优势,率先实现了核心技术在空浮风机产品上的成功应用,成为国内首家国产空浮风机的制造商;凭借在高速流体机械行业的技术积累,在2018年燃料电池空压机的成功推向市场并实现批产,使金士顿成为国内首屈一指的完全拥有核心技术、空压机完全国产化的生产制造商。
(2)空压机产品介绍
① 产品化系列
金士顿RDGF系列空压机实现了从30kW-120kW国内常见功率系统的全面覆盖。
图6 金士顿空压机
② 产品技术成熟度
成套产品各项DV测试项均已验证通过,核心中的核心——空气轴承实测完成10万次启停,成套整机已完成5000小时台架测试,振动测试静态、动态均已通过。
③ 产品应用情况
金士顿空压机广泛应用于公交、物流车辆,与燃料电池系统实现完美匹配,能够适应各种特殊、复杂工况要求,空压机上车运行累计行驶里程达1000万公里。
(3)产业化情况
在燃料电池领域,金士顿与亿华通合作密切,截止2019年底,供货量近800台,配套下游主机厂包括:宇通、福田、申龙、中通、东风等,车辆在张家口、北京、成都等地运行。
产品核心空气轴承、高速永磁电机均自主生产。目前,金士顿具备年产5000套空压机的产能。
此外,国内还有伯肯节能、德燃动力、毅合捷、浙江恒友、潍坊富源、金通灵、汉钟精机、东德实业等公司在研发和提供空压机。
本分析报告节选自香橙会研究院《燃料电池系统空气压缩机调研报告》《氢能和燃料电池产业分析报告(2019版)》,并引用香橙会氢能数据库统计数据,更多信息请访问香橙会数据库。
香橙会氢能数据库上线,欢迎体验!
香橙会研究院是上海大智慧股份有限公司(601519．SH)旗下子公司,是领先的氢能服务机构。提供数据研报、资讯PR、政府招商、战略咨询、融资FA等服务。
