心臟之“肺”——國內燃料電池空壓機市場解讀
2022-06-20
氫能觀察張贏27880核心提示：燃料電池系統被稱為燃料電池汽車的“心臟”，而燃料電池空壓機被稱為燃料電池動力系統的“肺”。心肺功能強大才能促使設備良好運行，心臟需要強心劑，需要肺部持續不斷的輸送空氣。近兩年，隨著隨著國內氫燃料電池系統市場的不斷擴大，圍繞燃料電池系統的核心
燃料電池系統被稱為燃料電池汽車的“心臟”，而燃料電池空壓機被稱為燃料電池動力系統的“肺”。心肺功能強大才能促使設備良好運行，心臟需要強心劑，需要肺部持續不斷的輸送空氣。
近兩年，隨著隨著國內氫燃料電池系統市場的不斷擴大，圍繞燃料電池系統的核心零部件也在加快國產化的步伐。“心肺復蘇”之勢逐漸凸顯。數據顯示，2021年中國企業燃料電池空壓機出貨超8000臺，同比上年增長146%。燃料電池系統包括燃料電池堆、氫氣循環系統、加濕器和空壓機這四個關鍵部件。其中，空氣壓縮機的作用是根據燃料電池堆的輸出功率為燃料電池提供所需壓力和流量的空氣,對于燃料電池系統的性能有著重要的影響。增加氧氣的供氣壓力可以使燃料電池系統的功率密度增加、燃料電池堆效率提高、體積尺寸減小。無油。潤滑油膜覆蓋質子交換膜和催化劑會隔絕氫氧電化學反應。小型化及輕量化。汽車內部空間有限，要提高空壓機的壓縮能力，可以通過增加容積或者增加軸承轉速兩種方式，小型化高轉速是大勢所趨。噪聲低。目前國內很多車輛的噪聲較大和空壓機密切相關，噪聲源主要來自于空氣與管道之間的摩擦以及空壓機高機械轉動的聲音及轉動的聲音。動態響應快。車用動力系統會從“氫電鋰電混合”走向氫電全功率驅動，空壓機需要在每個工況下都能及時提供指定壓縮空氣。材料要求高。為了達到壓縮機低成本、低噪聲、耐久性的目的，必須為壓縮機的關鍵部件開發低成本、穩定的摩擦性能和耐磨性的涂層和材料。
目前常用的空壓機類型有渦旋式、螺桿式、活塞式、離心式、羅茨式和滑片式。渦旋式空壓機容積效率較高,壓力和流量可連續調整,高效率工作區較寬,但質量和體積較大;在豐田、UTC等公司的燃料電池中已有應用。螺桿式空壓機的工作原理是利用螺旋齒相互嚙合,螺杄嚙合線把螺旋槽分割成多個密封工作腔,螺桿轉動,密封腔在一端形成,不斷向另一端移動。螺桿式空壓機又分為雙螺杄和單螺桿兩種。螺桿式空壓機由于結構緊湊、可靠性好、質量輕,壓力和流量調整靈活,在PlugPower、Ballard等公司的燃料電池中被采用。離心式空壓機具有排氣量大、結構緊湊、體積小、響應快、效率高、工作平穩和壽命長等特點,被認為是未來最有前途的增壓方式之一,但在低轉速時要避免“喘振”的發生。離心式空壓機的工作原理是通過高速旋轉的葉輪對氣體做功,在葉輪和擴壓器的流道內,利用離心升壓和降速擴壓作用,將機械能轉換為氣體壓力能。Honeywell、MITI、LIEBHERR、AERITECH、MOHAWK、德燃動力等公司已研發了一系列用于燃料電池的離心式空壓機。羅茨式空壓機屬于回轉式空壓機。在其內部有兩個羅茨轉子互相嚙合從而將氣體截住,并將氣體從進氣口送到排氣口。羅茨壓縮機的工作過程可以概括為:從入口封入氣體→排氣口的高壓過熱氣體返流→將封入及返流的氣體擠出。伊頓公司已研制出適用于80W燃料電池系統的VS系列羅茨式空壓機,且該空壓機在做功能力、功率密度以及經濟性等方面具有較大的優勢。滑片式空壓機是容積式旋轉壓縮機。轉子旋轉時,滑片受離心力的作用從槽中甩出,其端部緊貼在氣缸內表面上,把月牙形的空間分割成若干扇形小室,稱之為基元。隨著轉子的連續旋轉,基元容積從大到小周而復始地變化,由此達到壓縮氣體的目的。目前美國MechanologyLLC公司開發了用于燃料電池系統的螺旋式交叉滑片壓縮機。從空壓機類型來看，2021年國內銷售的空壓機以離心空壓機為主。2021上半年有部分企業仍使用羅茨式空壓機，在2021年下半年開始逐步切換成離心式雙極增壓空壓機；近三年來，國內離心式空壓機的市場份額由29%增長至95%。國外燃料電池空壓機研發主要集中在美、歐、韓、日等，羅茨式空壓機主要研究單位是美國伊頓公司和日本豐田；螺桿式空壓機主要研究單位是瑞典OPCON公司；離心空壓機的主要研究機構包括美國Garrett、德國BorgWarner和日本IHI、英國Aeristech、瑞士Fisher及韓國現代等整車企業。2019年1月，國電投總經理江毅透露，集團在氫燃料電池開發領域獲重大突破，完成了相關催化劑、擴散層、膜電極、雙極板、電堆組裝、系統控制、空壓機等系統設備自主研發，在實現燃料電池全產業鏈完全自主化的同時，部分性能指標達到了世界領先水平。濰坊富源增壓器有限公司始建于1958年，是國家認定的高新技術企業，公司目前主營產品為空氣懸浮離心風機和渦輪增壓器，是目前國內獨立掌握空氣懸浮技術的空氣懸浮系統制造商和綜合實力最強的渦輪增壓器供應商之一。
公司開發的SH系列渦輪增壓器產品性能達到國際先進技術水平，公司的《內燃機全工況高增壓關鍵技術及工程應用》獲得國家科技進步二等獎，打破了國外高壓比增壓器的技術壟斷，產品可以直接替代進口產品。福建雪人股份有限公司創建于2000年3月，于2011年12月在中國深圳證券交易所上市（公司股票代碼：002639），是一家以壓縮機為核心，集余熱回收發電、新能源、工商業制冷及其成套制冷系統的研發、設計、制造、銷售、工程安裝、售后服務于一體的高科技企業。公司主要從事壓縮機及機組、余熱回收膨脹發電機組、氫燃料電池空氣壓縮機、磁懸浮離心壓縮機、工商業制冰設備及制冰系統的研發、生產和銷售，目前公司產品的應用領域主要有：水利水電、大型建筑、核電站、大型路橋等行業的混凝土冷卻，煤礦采掘業的礦井降溫，食品冷加工及保鮮，化工反應釜降溫以及冷鏈物流、冰蓄能空調、人工降雪、生物菌養殖、冷凍干燥、海水淡化、新能源汽車、國防軍事等領域。
上海漢鐘精機股份有限公司(股票代碼002158)成立于1996年，是一家中外合資股份制企業。公司產品包括螺桿式制冷壓縮機、螺桿式空氣壓縮機、螺桿式冷凍壓縮機、螺桿式無油真空泵、離心式制冷壓縮機、ORC螺桿膨脹機、高溫熱泵壓縮機、磁懸浮離心式制冷壓縮機、渦旋式空氣壓縮機、無油渦旋空氣壓縮機、噴水無油空氣壓縮機等等，廣泛運用于各行各業，是重要的通用設備之一。金通靈成立于1993年，位于江蘇省南通市，2010年6月在深交所上市，專注于大型工業鼓風機、壓縮機、蒸汽輪機等流體機械領域，依托高效氣化爐、小型高效再熱鍋爐、高效汽輪機為核心的小型發電島成套技術開拓新能源、可再生能源等業務。 2018年，氫燃料電池行業驟然升溫，金通靈成立了江蘇金通靈氫能機械科技有限公司（下稱“金通靈氫能機械”），從事氫燃料電池空氣壓縮機、氫能備用應急電源研發、生產、銷售等業務。德燃動力系統有限公司是一家中德合資企業，主要業務領域為燃料電池汽車及其它新能源領域動力系統技術開發、技術咨詢、技術轉讓、技術服務；燃料電池系統、核心部件的開發、服務、生產供應。
2018年8月，嘉興德燃動力系統公司在浙江嘉興總部首次發布了公司自主研發的兩款燃料電池專用空壓機，為車用15-50kW燃料電池發動機系統量身打造，其型號分別為FAC-40-D和FAC-50-D。德燃動力已建立千套級燃料電池專用空壓機完備的生產與測試能力，本次發布的兩款產品已應用到德燃動力研發的燃料電池發動機系統產品中，并通過燃料電池轎車、公交車、物流車的長期實車驗證。北京伯肯節能科技股份有限公司，北京蘭天達汽車清潔燃料技術有限公司和北京伯肯當代氫燃料電池實驗室有限公司是北京伯肯的全資子公司。
成立可以追溯到1997年（由北京科委主持創建），始終致力于氫潔能源氣體增壓及應解決方案業務，在全國主要完成了近400座包括天然氣加氣站設備、鉆井平臺伴生氣增壓設備、風洞用空壓機設備和煤層氣增壓設備等解決方案及產品；完成北京公交接近100%的車載天然氣供應系統及主要車廠天然氣供氣系統。廣順新能源動力科技有限公司成立于2010年，主要從事生產和銷售新能源動力設備及材料，節能環保設備及材料等。然而，“廣順”的前身是一家電器公司。廣順電器有限公司創立于1997年，主要研發生產制氧機、霧化器等醫療保健類產品和無油空氣壓縮機。廣順新能源研發的燃料電池空壓機、氫氣循環泵、燃料電池加熱器等10多個用于氫燃料電池動力裝置的核心零部件，已在國內多家的燃料電池汽車制造公司中取得了很好的應用效果，部分型號產品已形成小批生產。豐電科技是國內最早的壓縮空氣系統綜合解決方案的提供商之一。工業壓縮機是工業領域通用設備，豐電科技客戶既有來自能源、冶金、礦山等上游開采行業，也有機械、紡織、汽車、鋼鐵等中下游制造業。公司目前工藝壓縮機收入快速上升并新增壓縮空氣能源供應收入，2021年實現營收2.97億元，同比增長82.4%，實現歸母凈利潤1710萬元，同比增長625%。年報顯示公司為張家口市交投殼牌制氫充裝項目，保障冬奧會氫氣供應，共為冬奧會重點氫能項目提供了14套氫氣充裝壓縮機；2021年12月空格子公司豐電金凱威與國家能源集團北京低碳清潔能源研究院合作研發的90Mpa/350m3大排量加氫站用氫氣隔膜壓縮機通過氫氣介質下性能測試，為國內首臺套氫氣介質下的90Mpa高壓大排量隔膜壓縮機。勢加透博結合國家氫能和燃料電池產業大發展機遇，2016年開始自主研發XT-FCC系列氣懸浮空壓機，產品作為可靠強勁的“肺”為燃料電池提供潔凈空氣，2019年開始落地產業化，填補了國內燃料電池車規級無油離心機空白。2021年FCC實現全球銷售近5500臺，在國內市占率第一。東德實業是冰輪集團旗下冰輪海卓氫能技術研究院的孵化公司。東德實業一直專注于氫氣循環泵、離心式空氣壓縮機、羅茨式空氣壓縮機、加氫站隔膜壓縮機的研制和生產，產品也處于國際領先的地位。目前，東德實業所研發的產品已廣泛應用于氫燃料電池車及相關配套設施，包括物流車、客車、叉車、冷鏈車、卡車、商用車等，并且全方位覆蓋大、中、小型發電、無人駕駛及軍工領域。東德實業表示，目前公司在市場上的占有率已達70%以上，年產值近億元。2021年，東德的氫氣循環泵、空氣壓縮機、加氫站壓縮機等，通過了中國通用機械工業協會鑒定，填補了國內空白，已經批量用于燃料電池系統，取得了顯著的經濟社會效應。金士頓科技前身是石家莊金士頓軸承科技有限公司，公司成立于2010年，是一家專業從事高速軸承、箔片式動壓空氣軸承、高速流體機械研發設計、生產制造、銷售服務為一體的環保型高新技術企業。2016年底，金士頓科技開發出了燃料電池用無油空壓機。JSD無油空壓機采用空氣軸承、高速永磁電機以及高頻控制器等核心技術，所有核心技術均為金士頓自主研發。空氣軸承自身具有高轉速、無摩擦、免維護等優點，由于采用空氣軸承，使產品實現了真正的無油潤滑，從根本上保證了入堆空氣的潔凈無油，并且空氣軸承的啟停壽命滿足200000次啟停要求。大洋電機是一家全球電機及驅動控制系統解決方案供應商，擁有建筑及家居電器電機、新能源汽車動力總成系統、車輛旋轉電器、氫燃料電池系統及其關鍵零部件等產品；是具有空壓機等關鍵BOP和氫燃料電池發動機及控制系統等完整產業布局的氫能產業供應商。公司目前已經形成了“電機+電控+氫燃料電池”的完成產業鏈。擁有年產超過8000萬臺套建筑及家居電器電機、600萬臺車輛旋轉電器、50萬臺車輛旋轉電器、50萬臺套新能源汽車動力總成系統及3000套氫燃料電池系統的生產能力。穩力科技成立于2014年，是國家高新技術企業，中關村高新技術企業，專業從事氣懸浮離心機械以及燃料電池發電系統設計、開發、生產和銷售的高科技企業。穩力科技專注于為新能源汽車以及工業領域提供氣懸浮空壓機產品與服務，掌握第4代氣體動壓軸承核心技術，具備氣懸浮離心機正向開發能力，目前已形成以“氣懸浮空壓機開發與推廣”、“燃料電池發動機系統技術開發”為核心的主要產品模式。穩力科技四款燃料電池空壓機和兩款工業空壓機已達批量制造階段，一款燃料電池叉車及一款燃料電池物流車發動機系統已完成開發。經第三方機構檢測，穩力科技燃料電池空壓機產品在效率、噪音及可靠性方面達國際先進水平。參考文章：《燃料電池發動機：燃料電池系統及氫氣供應系統》
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