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安徽德沃機(jī)械有限公司
ANHUI DEWO MACHINERY CO.,LTD
4月底,四部委發(fā)出的《關(guān)于開(kāi)展燃料電池汽車示范推廣的通知》(征求意見(jiàn)稿)明確提出,申報(bào)城市或城市群應(yīng)在示范期間實(shí)現(xiàn)核心材料、關(guān)鍵零部件技術(shù)取得突破并產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)。 按照技術(shù)攻關(guān)難易程度,對(duì)各領(lǐng)域率先突破并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的給予500-1000分/項(xiàng),積分上不封頂。
經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展,我國(guó)雖基本形成氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈,但關(guān)鍵零部件環(huán)節(jié)很多依賴進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)化率很低,如電堆、質(zhì)子交換膜、膜電極、催化劑、氣體擴(kuò)散層、空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)泵等。征求意見(jiàn)稿大力支持關(guān)鍵零部件的發(fā)展,積分上不封頂,將加速關(guān)鍵零部件的國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程,國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵零部件企業(yè)將迎來(lái)發(fā)展的春天。
空氣壓縮機(jī)做為氫燃料電池的關(guān)鍵零部件之一,是車用燃料電池陰極供氣系統(tǒng)的重要部件,通過(guò)對(duì)進(jìn)堆空氣進(jìn)行增壓,可以提高燃料電池的功率密度和效率,減小燃料電池系統(tǒng)的尺寸。但空壓機(jī)的寄生功耗很大,約占燃料電池輔助功耗的80%,其性能直接影響燃料電池系統(tǒng)的效率、緊湊性和水平衡特性。因此,各國(guó)的燃料電池項(xiàng)目對(duì)空壓機(jī)的研究都非常的重視。
全球空壓機(jī)市場(chǎng)出現(xiàn)了5種技術(shù)路線
1.空壓機(jī)技術(shù)要求
為實(shí)現(xiàn)較高的能量轉(zhuǎn)換效率,燃料電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)對(duì)空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數(shù)有著嚴(yán)格的要求。但目前廣泛應(yīng)用的工業(yè)壓縮機(jī)無(wú)法滿足燃料電池對(duì)空氣的要求,適用于燃料電池的空壓機(jī)需要滿足以下要求:
表1 適用于車用燃料電池的空壓機(jī)需滿足的性能需求
2.5種空氣壓縮機(jī)技術(shù)路線對(duì)比
針對(duì)不同的燃料電池系統(tǒng)的性能需求,往往需要不同的空壓機(jī)與其匹配,常用的空壓機(jī)類型有羅茨式、螺桿式、渦旋式和離心式等。由于空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理的不同,空壓機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)也不盡相同,整體對(duì)比下來(lái),離心式空壓機(jī)綜合評(píng)價(jià)******。
表2 空壓機(jī)類型及優(yōu)缺點(diǎn)比較
資料來(lái)源:《電源技術(shù)》,香橙會(huì)研究院
全球空壓機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局
全球各大燃料電池汽車生產(chǎn)商對(duì)各種類型的空壓機(jī)都進(jìn)行嘗試,離心式空壓機(jī)因在功率密度、效率和噪聲等方面具有******的總體效果而被大多數(shù)車企青睞。比如本田公司旗下Clarity和現(xiàn)代公司旗下ix35燃料電池汽車使用的是離心式空壓機(jī),戴姆勒旗下******GLC F-Cell燃料電池汽車采用的也是離心式空壓機(jī)。
表3 主要燃料電池汽車廠商空壓機(jī)類型對(duì)比
國(guó)外的空壓機(jī)技術(shù)較為成熟,典型的是Honeywell的離心式壓縮機(jī)和Opcon的螺桿式壓縮機(jī),二者已經(jīng)在多款燃料電池系統(tǒng)中進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行。目前運(yùn)用于燃料電池的國(guó)外空壓機(jī)品牌主要有Honeywell(蓋瑞特)、UQM、Rotrex、豐田自動(dòng)織機(jī)、利勃海爾等。根據(jù)香橙會(huì)數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì),提供燃料電池空壓機(jī)還有Fisher、Hanon、TNE、Vairex、Air Squared等企業(yè)。
國(guó)內(nèi)燃料電池系統(tǒng)中的空壓機(jī)大部分依賴進(jìn)口或合資企業(yè),但產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)多年的培育,已有可替代產(chǎn)品問(wèn)世。
在香橙會(huì)氫能數(shù)據(jù)庫(kù)收錄的國(guó)內(nèi)外25家空壓機(jī)企業(yè)里,勢(shì)加透博、金士頓、雪人股份、廣順新能源研發(fā)的燃料電池專用空壓機(jī)已經(jīng)有部分裝車應(yīng)用,個(gè)別產(chǎn)品性能可比肩國(guó)外一流水平,但國(guó)產(chǎn)空壓機(jī)市場(chǎng)滲透率依然很低。
表4 國(guó)內(nèi)外涉及空壓機(jī)企業(yè)一覽
數(shù)據(jù)來(lái)源:香橙會(huì)氫能數(shù)據(jù)庫(kù)
據(jù)中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)(2019版)預(yù)測(cè),2020-2025年中國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)銷達(dá)到5萬(wàn)輛,燃料電池系統(tǒng)比功率達(dá)到3.5kW/L,成本達(dá)到4000元/kW;2026-2030年達(dá)到130萬(wàn)輛,比功率達(dá)到4.5kW/L,成本800元/kW。按照中值計(jì)算,2023年成本降為4000元/kW,2030年成本降為800元/kW。
表5 中國(guó)燃料電池空壓機(jī)成本測(cè)算
在滿足燃料電池汽車產(chǎn)銷條件的前提下,未來(lái)5年內(nèi)燃料電池車用空壓機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到10億元/年(14.4億元@2023E),未來(lái)10年內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到100億元/年的量級(jí)(124.8@2030E),即到2030年,空壓機(jī)國(guó)產(chǎn)替代的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到百億級(jí)別。
6大頭部空壓機(jī)企業(yè)基本介紹和分析
1.UQM
(1)公司簡(jiǎn)介
UQM成立于1967年,是250kW以下動(dòng)力范圍馬達(dá)和逆變器的專業(yè)供應(yīng)商和技術(shù)引領(lǐng)者,總部位于美國(guó)科羅拉多州Longmont,其在電動(dòng)、油電混動(dòng)、插電混動(dòng)車輛和燃料電池壓縮機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域擁有超過(guò)50年的經(jīng)驗(yàn),主要開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)高功率密度、高效能電動(dòng)馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、電機(jī)功率變流器和燃料電池壓縮機(jī),其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于商用卡客車、汽車、船舶和工業(yè)市場(chǎng)。
2019年1月,UQM與丹佛斯達(dá)成協(xié)議,丹佛斯收購(gòu)UQM,此次金額約為1億美元,UQM此后加入丹佛斯動(dòng)力系統(tǒng)事業(yè)部。至2019年上半年,UQM在中國(guó)主要有五家中國(guó)客戶和兩家歐洲客戶。
(2)產(chǎn)品及性能
UQM的燃料電池壓縮機(jī)系統(tǒng)采用UQM永磁電機(jī)和控制器,搭配使用伊頓壓縮機(jī),分為R340和R410兩種型號(hào),結(jié)構(gòu)形式為四葉羅茨式。
圖1 UQM空壓機(jī)
UQM空壓機(jī)性能可滿足市場(chǎng)上大多數(shù)燃料電池汽車的大部分需求,其單價(jià)約15~20萬(wàn)元/個(gè)(包含關(guān)稅),主要參數(shù)如下。
表6 UQM空壓機(jī)性參數(shù)
(3)產(chǎn)業(yè)化情況
2018年,UQM在中國(guó)市場(chǎng)收獲了300萬(wàn)美元的空壓機(jī)訂單,獨(dú)占中國(guó)市場(chǎng)鰲頭。目前為國(guó)內(nèi)主流空壓機(jī)供應(yīng)商,為巴拉德的指定供貨商,已向中國(guó)重汽集團(tuán)配套供貨。但其曾經(jīng)供貨包括幾個(gè)主要主機(jī)廠的客戶并未停止尋找合適的離心式壓縮機(jī)。
2.蓋瑞特
美國(guó)蓋瑞特是全球動(dòng)力增壓解決方案的主要供應(yīng)商,主要開(kāi)發(fā)適用于高效率內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和混合動(dòng)力系統(tǒng)的增壓設(shè)備。
蓋瑞特研發(fā)生產(chǎn)了氫燃料電池用兩級(jí)電動(dòng)壓縮機(jī),采用離心式結(jié)構(gòu),該款產(chǎn)品已于2016年搭載于本田新一代燃料電池Clarity上。
圖2 蓋瑞特空壓機(jī)實(shí)物圖
(1)產(chǎn)品性能
蓋瑞特通過(guò)采用兩級(jí)電動(dòng)壓縮機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)——轉(zhuǎn)子兩端分別為低壓空壓機(jī)和高壓空壓機(jī)——能夠******程度地對(duì)空氣進(jìn)行壓縮,為燃料電池堆帶來(lái)400千帕壓力、125g/s(該指標(biāo)全球領(lǐng)先)的增壓氣流量,實(shí)現(xiàn)100%無(wú)油運(yùn)行,電池堆輸出密度達(dá)到3.1kW/L,壓縮機(jī)******功率可達(dá)103kW,轉(zhuǎn)速為10萬(wàn)r/min。
(2)產(chǎn)業(yè)化情況
蓋瑞特已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)及商業(yè)化應(yīng)用,已制定出空壓機(jī)到2025年的成本目標(biāo)。目前應(yīng)用在本田Clarity氫燃料汽車上的是一代產(chǎn)品,通過(guò)更新設(shè)計(jì)和技術(shù)進(jìn)化,到2021年二代產(chǎn)品的價(jià)格要做到一代產(chǎn)品價(jià)格的三分之一,在生產(chǎn)量上將達(dá)到數(shù)萬(wàn)臺(tái)。同時(shí)規(guī)劃到2025年達(dá)到十萬(wàn)臺(tái)量級(jí)以上,空壓機(jī)成本會(huì)降到目前的十分之一左右。
3.利勃海爾
利勃海爾(Liebherr)集團(tuán)在全球范圍內(nèi)以工程機(jī)械設(shè)備、冷藏冷凍設(shè)備和鐵路航天設(shè)備而著名。利勃海爾專注于制冷領(lǐng)域研發(fā),對(duì)壓縮機(jī)具備雄厚技術(shù)儲(chǔ)備。
圖3 利勃海爾渦輪壓縮機(jī)樣機(jī)
利勃海爾離心式空壓機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),為上海捷氫科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱“捷氫科技”)供應(yīng)商,簽約供貨量達(dá)數(shù)千臺(tái),主要用于捷氫科技P390燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品,該產(chǎn)品搭載于上汽躍進(jìn)FKY311/FKY312的市政環(huán)衛(wèi)車,為政府采購(gòu)用車。
4.豐田自動(dòng)織機(jī)
豐田自動(dòng)織機(jī)是豐田集團(tuán)的起源公司,成立于1926年,2019年被美國(guó)商業(yè)雜志Fortune評(píng)為“最受尊敬的汽車零部件供應(yīng)商”,其為豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)零部件供應(yīng)商。
(1)產(chǎn)品及性能
豐田自動(dòng)織機(jī)產(chǎn)品為六葉螺旋羅茨式空壓機(jī),與傳統(tǒng)羅茨式空壓機(jī)中葉輪與軸向平行不同,其葉輪呈現(xiàn)螺旋狀,技術(shù)完全自有。
圖4 豐田羅茨式空壓機(jī)
******輸出功率為20kW,******轉(zhuǎn)速可達(dá)12500r/min。低負(fù)荷時(shí)效率達(dá)50%以上,高負(fù)荷時(shí)效率達(dá)60%以上。低負(fù)荷時(shí)空氣流量約為0.1N·m3/min,高負(fù)荷時(shí)空氣流量5N·m3/min,******壓縮比為3。
(2)產(chǎn)業(yè)化情況
豐田自動(dòng)織機(jī)僅向豐田汽車供應(yīng)空壓機(jī),由于豐田自動(dòng)織機(jī)與豐田汽車有股權(quán)關(guān)系,采購(gòu)價(jià)格不詳。
2019年6月28日,Mirai第10000輛正式下線,其空氣壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),實(shí)車裝機(jī)量亦超過(guò)萬(wàn)臺(tái)。
5.勢(shì)加透博
(1)公司簡(jiǎn)介
勢(shì)加透博(北京)科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱“勢(shì)加透博”)于2011年1月創(chuàng)立,主要從事高性能透平機(jī)械技術(shù)開(kāi)發(fā)、工程服務(wù)、測(cè)試服務(wù)及解決方案。經(jīng)過(guò)近9年創(chuàng)業(yè)卓越發(fā)展,目前已成為國(guó)內(nèi)高性能透平機(jī)械核心技術(shù)研制服務(wù)和創(chuàng)新研發(fā)的領(lǐng)軍品牌。
勢(shì)加透博在2017年提出了Turbo+創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略,基于無(wú)油高速葉輪機(jī)械共性技術(shù),結(jié)合氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求,將多年積累的核心技術(shù),創(chuàng)新地應(yīng)用于清潔能源和清潔動(dòng)力兩大領(lǐng)域。突破了高效低比轉(zhuǎn)速壓氣機(jī)、動(dòng)壓氣浮軸承、高速電機(jī)控制等核心關(guān)鍵技術(shù),成功研發(fā)了XT-FCC系列氣懸浮空壓機(jī),覆蓋25kW-150kW燃料電池系統(tǒng)需求。2019年公司產(chǎn)品已有批量交付,技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)燃料電池?zé)o油離心空壓機(jī)的空白。
(2)產(chǎn)品及性能
勢(shì)加透博已完成XT-FCC燃料電池?zé)o油離心空壓機(jī)系列化研制,全方位覆蓋30-150kW燃料電池系統(tǒng)需求,是國(guó)內(nèi)少數(shù)能夠匹配60kW以上燃料電池系統(tǒng)的公司。
以XT-FCC300空壓機(jī)為例介紹各項(xiàng)性能參數(shù)。機(jī)組由兩級(jí)離心葉輪、高速永磁同步電機(jī)和車用級(jí)動(dòng)壓氣浮軸承組成,用于為燃料電池系統(tǒng)提供潔凈無(wú)油的壓縮空氣。額定點(diǎn)的流量為108g/s,壓比2.5;功耗比傳統(tǒng)解決方案少1/3(比目前市場(chǎng)上所有國(guó)內(nèi)外同類競(jìng)品降低功耗10%以上),噪聲指標(biāo)低40dBA以上(比高速直驅(qū)同類競(jìng)品噪聲指標(biāo)低5dBA)。
其產(chǎn)品可靠性和耐久性方面,已開(kāi)展耐隨機(jī)振動(dòng)和耐沖擊試驗(yàn),在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)符合GB/T 31467.3-2015要求;已開(kāi)展啟停測(cè)試,啟停壽命20萬(wàn)次,遠(yuǎn)超行業(yè)常用標(biāo)準(zhǔn)。
圖5勢(shì)加透博空壓機(jī)
(3)產(chǎn)業(yè)化情況
從2018年6月首臺(tái)樣機(jī)進(jìn)入評(píng)測(cè)和優(yōu)化迭代以來(lái),已經(jīng)累計(jì)完成5000多小時(shí)臺(tái)架測(cè)試,啟停壽命考核、振動(dòng)與沖擊考核、環(huán)境試驗(yàn)考核、道路工況耐久運(yùn)行考核等DV測(cè)試。
2018年12月底開(kāi)始國(guó)內(nèi)外10多家客戶樣機(jī)測(cè)試,XT-FCC300(匹配50-90kW系統(tǒng))、XT-FCC160(匹配30-50kW系統(tǒng))、XT-FCC400(匹配90-150kW系統(tǒng))均以優(yōu)異性能獲得了高度好評(píng)。
目前已簽訂單客戶有新源動(dòng)力、億華通、上海重塑、江蘇清能、中車、中汽研、武漢長(zhǎng)海電堆等。2019年已簽訂單550臺(tái),截至2020年2月新增在手訂單250臺(tái),合計(jì)800臺(tái)。截至目前已經(jīng)交付100多套,2020年保守估計(jì)可交付500臺(tái)。
國(guó)產(chǎn)自研技術(shù)是勢(shì)加透博的一個(gè)重要標(biāo)簽。同時(shí),在大功率、重載領(lǐng)域,勢(shì)加透博空壓機(jī)在國(guó)內(nèi)無(wú)太多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
2020年,隨著關(guān)鍵客戶的訂單釋放,勢(shì)加透博的行業(yè)領(lǐng)先地位將進(jìn)一步確立。
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