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氫燃料電池核心技術難題怎么破?特別兩級空壓機能帶來哪些改變?

   【壓縮機網】氫燃料電池核心技術難題怎么破?一款特別兩級空壓機能帶來哪些改變?
  導 讀
  高效清潔的氫能源正得到國內外汽車產業前所未有的關注,氫燃料電池汽車也正得到全國從中央到地方前所未有的示范推廣支持。但這一新生事物要真正實現商業化落地,關鍵核心技術等方面仍需有更大突破。自上世紀90年代就進入中國的蓋瑞特是最早一批將渦輪增壓技術引入國內的外資企業。近期,蓋瑞特針對當前國內氫燃料電池汽車的核心技術痛點,帶來了兩級電動壓縮機技術,它能否成為更好的空氣壓縮解決方案?
 
氫燃料電池核心技術難題怎么破?特別兩級空壓機能帶來哪些改變?
 
  如何突破空壓機技術瓶頸?
 
  “要加大對燃料電池發動機的研發力度,攻克基礎材料、核心技術和關鍵零部件難關,當前重點要突破膜電極、空壓機(空氣壓縮機)和儲氫罐的產業化。”以全國政協副主席、中國科協主席萬鋼為代表的業內專家不止一次地向業內呼吁,氫燃料電池汽車要真正走入尋常百姓家,至少在技術層面上,還有幾項核心技術亟待突破,其中空壓機赫然在列。
  空壓機被視為氫燃料電池汽車車載動力系統的關鍵性技術之一,其性能好壞可直接影響燃料電池系統的效率、緊湊性和水平衡特性。據業內技術專家介紹,包括空壓機在內的空氣供應子系統總成本約占燃料電池系統成本的20%,能耗約占燃料電池輸出功率的20-30%。空壓機輸出的壓力和流量甚至在很大程度上可以直接影響燃料電池發動機中的化學計量比和空氣加濕特性,進而影響燃料電池堆的電壓輸出和燃料電池發動機的功率輸出,一臺好的空壓機應當至少具備無油、高效、小型化、低成本、動態響應能力好等優點。各國的燃料電池項目對空壓機的研究都非常重視。但從目前國內市場看,工業壓縮機往往無法滿足燃料電池對空氣的要求,燃料電池汽車專用的空壓機成熟產品偏少、成本高、噪聲大、可靠性不足等問題較為突出。
  蓋瑞特正是看到了中國市場的機會。在本屆上海車展上,蓋瑞特拿出了一款已應用在本田Clarity轎車上的兩級電動壓縮機。蓋瑞特全球卓越商務運營與戰略高級副總裁Pierre Barthelet表示,與其它技術相比,蓋瑞特的空氣壓縮解決方案,采用了空氣軸承等獨特的技術設計,使之具備了尺寸更小、超安靜、耐高壓和效率更高等諸多特性。
  具體而言,蓋瑞特通過采用兩級電動壓縮機的創新設計結構——轉子兩端分別為低壓空壓機和高壓空壓機,能夠最大程度地對空氣進行壓縮,為燃料電池堆帶來400千帕壓力、125g/s的增壓氣流量。在體積上,由于采取兩級壓縮,更高的壓力有助于將燃料電池電堆做得非常緊湊,可幫助電池堆體積縮小33%,實現發動機罩內搭載燃料電池動力系統。這對氫燃料電池在乘用車領域的應用非常有效。更好的是,整個機器的運轉力度卻并未因體積小而受影響。據了解,其第一代產品電機功率在20kW水平,轉速為10萬轉。而目前市場上普通電動汽車的驅動電機的轉速僅有1.5萬轉左右。未來的產品將朝著轉速更高、體積更小的方向發展。由于采用獨特的空氣動力學設計,蓋瑞特的電動壓縮機不僅性能表現好,幫助燃料電池堆達到最大輸出功率103kW,而且在體積緊湊的前提下提升電池堆輸出密度,最高水平可達到3.1kW/L。
  在實現高效的同時,蓋瑞特面臨的另一重挑戰是降噪的壓力。新能源汽車特別是純電動汽車由于沒有發動機,車內環境非常安靜,這對于許多消費者而言都是重要的加分項,他們對燃料電池汽車的期待也是如此。而且,根據君迪(J.D. Power)的調查顯示,中國的汽車用戶對車內噪音的敏感度遠高于歐美國家。這就意味著,在靜音方面要有更為突出的優勢才能更好地適應中國市場的特殊需求。Pierre Barthelet也看到了這一點:“對于氫燃料電池汽車而言,電堆發生反應是沒有聲音的,如果空壓機聲音很大,客戶會非常不舒服,這也是市面上不少產品的一大痛點。”他指出,目前市場上的主流空壓機產品包括離心式和螺桿式等,其中螺桿式噪音非常大。蓋瑞特的離心式設計應用了業內首創的空氣軸承,并經過長期的可靠性論證,好處是能實現超低靜音,且杜絕油脂對燃料電池的污染。高端轎車對降噪的要求更為苛刻,而蓋瑞特的產品能夠為本田Clarity燃料電池汽車這種高端車型配套,也從另一個側面印證它在降噪方面的表現。
 
氫燃料電池核心技術難題怎么破?特別兩級空壓機能帶來哪些改變?
 
  如何影響車輛設計和性能?

  一款這樣的空壓機能給氫燃料電池轎車的設計和性能表現帶來什么?
  “因為空氣壓縮機的性能決定了電堆的性能,電堆只是發生反應的地方,取決于進來的氫、氧結合的效率,其實某種程度上,空氣壓縮機也是整個系統的瓶頸,有更強勁的空氣壓縮機就可以開發出更強的電堆系統。如果壓縮機的壓力非常高,而電堆無法承受就會損壞,如果電堆可以承受很高的壓力,但找不到合適的空氣壓縮機就沒有辦法發揮它的最大價值。本田知道我們可以給他提供高壓壓縮機,所以他設計出了全球第一款真正的五座氫燃料電池轎車。”Pierre Barthelet以本田的Clarity燃料電池汽車為例向我們繼續解釋,空壓機、電堆部分被安放在前艙蓋上,基本與傳統燃油車發動機的位置相同,氫罐在后方座位下面,這樣后面可以坐三個人。在車輛空間的緊湊性及整體設計的一體化集成方面比較有優勢。而其他氫燃料電池轎車因為要在后方座位中間安放氫罐,只能坐兩人,而且電堆放在座位下面會把底板抬得很高。
  據了解,已經走向市場的本田Clarity氫燃料汽車因更符合駕乘習慣的車內空間布局、安靜舒適的駕駛體驗和優異的性能表現而廣受業界好評。
 
  Pierre Barthelet  訪談錄
  在2019中國汽車論壇期間,蓋瑞特全球卓越商務運營與戰略高級副總裁Pierre Barthelet和高增長區市場總監王成龍接受了《汽車縱橫》采訪,對蓋瑞特的獨特技術優勢、降成本路線節奏、本土化發展規劃以及對中國氫燃料電池市場判斷等更宏觀的未來發展方向問題進行回應。
 
氫燃料電池核心技術難題怎么破?特別兩級空壓機能帶來哪些改變?
 
  蓋瑞特卓越商務運營與戰略高級副總裁Pierre Barthelet在2019中國汽車論壇上發言
  《汽車縱橫》:目前氫燃料電池汽車仍然是一個充滿挑戰的領域,蓋瑞特對這類產品的未來應用特別是在中國市場的應用有哪些判斷?您認為氫燃料電池汽車產業未來的關鍵性挑戰是哪些?將在哪些領域率先實現商業化突破?
  Pierre Barthelet:首先,氫氣使用本身是零排放的過程,制氫的過程如果非常環保,整個生命周期就能實現徹底的零排放。其次,目前加氫站可能數量還不夠多。在起步階段,氫燃料汽車更加適合應用于商用車領域,因為商用車可以白天行駛,晚上固定回到某一個指定位置加氫,加滿然后過夜,整個運行非常有規律,商用車隊的運營模式非常適合氫燃料電池這種技術的應用。
  蓋瑞特高增長區市場總監王成龍對國內的加氫站如何健康運營進行了補充:目前世界上其他國家往往從轎車領域開始推廣,但是中國政府的特色做法是從商用車領域開始示范運行,主要是為了讓這個行業能夠真正盈利,而不是一直在燒錢投入。因為加氫站要實現盈利,從商用車開始的好處更多,比如公交車或者物流車隊的線路是固定,在一定區域范圍內運行,所以只需要一個加氫站就可以支持很多公交車和物流車,而且公交車和物流車用氫量比較大,可以讓加氫站盈利,使得更多的人愿意來投資。一個加氫站服務兩百輛公交車就有望實現盈利,但是目前如果服務乘用車,加氫站無法確定車輛何時來加氫,也沒有固定的客源,很有可能虧損。通過有固定使用場景的商用車慢慢把系統盤活、運用起來,先讓基礎設施逐漸實現盈利,并在這個過程中慢慢擴展基礎設施,加上現在的技術進步非常快,后續私家轎車也會跟上來。
  世界各國政府已經制定了到2030年加氫站提升計劃,中國、韓國、日本都已經發布了這樣的路線圖,所以未來加氫站設施數量會不斷增加,隨著加氫站的完善,站點的增多,我們認為乘用車領域的廣泛應用會在一段時間之后到來。
  《汽車縱橫》:目前在氫燃料電池汽車的推廣上,除了關鍵技術及加氫站,居高不下的車輛成本也是重要的障礙之一。空壓機作為燃料電池堆的核心部件,在成本下降方面是否有空間?蓋瑞特在降成本方面是如何規劃的?主要通過哪些途徑實現?
  Pierre Barthelet:當前要推廣氫燃料電池汽車的應用,除了基礎設施,成本也是很大的瓶頸。氫燃料汽車要實現大規模商用,在技術成熟安全的同時,成本也必須親民。但如何把相應產品從實驗室里的少量生產變成大規模批量化生產,這里有很多需要攻破的課題。雖然目前國內氫燃料電池汽車是2020年之后唯一一種還享受補貼的車型,我們還是希望車輛的總體成本可以降下來,讓更多的用戶能夠用上。關于降成本,我們的想法是首先量上來之后成本就會降下來。目前國內的燃料電池汽車僅有2000輛左右,而整個市場每年的新車產銷超過2000多萬輛。其次,我們將會通過技術的不斷演化和設計優化來降低成本。例如現在的產品是25千瓦、10萬轉的電機,下一代產品我們將考慮通過更高的轉速降低電機的功率,將尺寸變得更小,當下一代產品提高到15萬轉,電機會小很多,功耗也會降低10多千瓦。電機體積的減小會降低材料的用量,特別是銅以及貴金屬等都會大大減少。再次是通過制造可行性,在設計產品的同時考慮生產制造工藝、制造成本還有生產線設計自動化程度。
  蓋瑞特已經制定出空壓機到2025年的設計路線和成本目標。目前應用在本田Clarity氫燃料汽車上的是我們的一代產品,通過更新設計和技術進化,到2021年我們的二代產品的價格要做到一代產品價格的三分之一,在生產量上將達到數萬臺。同時我們規劃到2025年達到十萬臺量級以上,空壓機成本會降到目前的十分之一左右。如果氫燃料電池汽車的電堆、電機、儲氫氣還有氫罐等一系列主要零部件及配套產品的成本都能降至目前成本的十分之一,氫燃料電池汽車在價格上就可以和目前的電動汽車相相媲美。在重載和長里程的運營中,氫燃料電池汽車最終的成本比純電動汽車更有優勢,而且燃料電池將會越做越小,越來越輕,但純電動汽車隨著行駛里程的增長,所配的電池會越來越多,越來越重。
  總之,我們通過更高效的壓縮機讓功耗更小,支持更高功率的電堆,發更多的電,實現更長的續航里程。同時也讓整個系統的可靠性更好、維修成本更低甚至整個系統重量更輕、車價更低。因為新能源汽車上的每一度電都非常寶貴,讓用戶的開車成本更低,解決他們的痛點,我們就起到了促進行業發展的作用。
  《汽車縱橫》:在達到一定量級的前提下,要實現2025年成本降至目前一代產品十分之一的目標,在技術上有哪些難點需要突破?蓋瑞特的技術優勢集中在哪里?
  Pierre Barthelet:傳統電動汽車上常見的驅動電機轉速僅1.5萬轉左右,而蓋瑞特的產品已經達到10萬轉,后續還要提高到15萬轉。因為要將電機做小是通過提高轉速實現的,轉速越高電機的功率就可以做得小一點,在這種情況下控制、算法、精度都需要有核心技術解決,這對控制而言非常具有挑戰性。
  蓋瑞特在電動空壓機方面的核心技術優勢主要集中在三個方面:空氣軸承、高速電機以及電控,其中電控包括控制器的硬件和里面的算法,還有空氣動力學的設計等。我們可以把這些不同核心技術集成在一起,用在一個場景上,給主機廠提供真正的集成性的、一攬式的解決方案。作為在汽車行業深耕65年的蓋瑞特,在全球13座現代化工廠,每天生產五萬臺增壓器,每一臺都要與設計的目標一致。我們把這些不同的精密部架組合在一起,就像一個精密的瑞士手表一樣,但在大規模量產中,產品的生產一致性非常重要。因此基于我們的核心技術、提供集成性解決方案的能力以及大規模生產制造的經驗,可以讓成本真正達到合理的水平,為主機廠提供持久、可靠的服務,這是我們真正的核心價值,不單單只是技術而已。
  《汽車縱橫》:蓋瑞特目前在中國的本土化進展如何?未來特別是在與氫燃料電池汽車相關的業務方面有哪些本土化的規劃?
  Pierre Barthelet:我們在中國已經有25年的歷史了,是第一家進入中國的渦輪增壓系統制造商。在十年前,我們就決定在中國設立端到端的研發能力,并建設團隊、布置設施。不僅是應用,我們的整個材料、空氣動力學、軸承、匹配、模擬計算、實驗等所有的都在中國做,因為我們認為從歐洲、美國開發的產品不太適合中國的需求,要為中國市場開發和生產有特別需求的產品,并且要跟上中國的發展速度。蓋瑞特目前在全球擁有13座貼近客戶的先進制造工廠和5座研發中心,其中在中國設有上海和武漢兩家世界級先進制造工廠,以及上海研發中心,工程研發團隊有200多人,具備端到端的研發設計、制造生產、工程能力和銷售服務能力。
  在氫燃料電池汽車業務方面,現在我們的第一款產品已經在中國經過快速改型滿足了國內商用車的使用需求。未來針對中國市場,將在第一代的基礎繼續做本土化需求的研發,并建立當地的開發能力。面向商用車和乘用車的不同需求,我們已經制定出了第二代、第三代氫燃料汽車電動空氣壓縮機的開發路線,并將在中國加強本土研發以及本土化的生產制造。希望能夠通過技術變革解決行業、客戶以及終端消費者的痛點,從而對氫燃料汽車行業的發展起到促進作用。
 

來源:汽車縱橫雜志社

標簽: 空壓機燃料難題  

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