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氢燃料电池核心技术难题怎么破?特别两级空压机能带来哪些改变?

   【压缩机网】氢燃料电池核心技术难题怎么破?一款特别两级空压机能带来哪些改变?
  导 读
  高效清洁的氢能源正得到国内外汽车产业前所未有的关注,氢燃料电池汽车也正得到全国从中央到地方前所未有的示范推广支持。但这一新生事物要真正实现商业化落地,关键核心技术等方面仍需有更大突破。自上世纪90年代就进入中国的盖瑞特是最早一批将涡轮增压技术引入国内的外资企业。近期,盖瑞特针对当前国内氢燃料电池汽车的核心技术痛点,带来了两级电动压缩机技术,它能否成为更好的空气压缩解决方案?
 
氢燃料电池核心技术难题怎么破?特别两级空压机能带来哪些改变?
 
  如何突破空压机技术瓶颈?
 
  “要加大对燃料电池发动机的研发力度,攻克基础材料、核心技术和关键零部件难关,当前重点要突破膜电极、空压机(空气压缩机)和储氢罐的产业化。”以全国政协副主席、中国科协主席万钢为代表的业内专家不止一次地向业内呼吁,氢燃料电池汽车要真正走入寻常百姓家,至少在技术层面上,还有几项核心技术亟待突破,其中空压机赫然在列。
  空压机被视为氢燃料电池汽车车载动力系统的关键性技术之一,其性能好坏可直接影响燃料电池系统的效率、紧凑性和水平衡特性。据业内技术专家介绍,包括空压机在内的空气供应子系统总成本约占燃料电池系统成本的20%,能耗约占燃料电池输出功率的20-30%。空压机输出的压力和流量甚至在很大程度上可以直接影响燃料电池发动机中的化学计量比和空气加湿特性,进而影响燃料电池堆的电压输出和燃料电池发动机的功率输出,一台好的空压机应当至少具备无油、高效、小型化、低成本、动态响应能力好等优点。各国的燃料电池项目对空压机的研究都非常重视。但从目前国内市场看,工业压缩机往往无法满足燃料电池对空气的要求,燃料电池汽车专用的空压机成熟产品偏少、成本高、噪声大、可靠性不足等问题较为突出。
  盖瑞特正是看到了中国市场的机会。在本届上海车展上,盖瑞特拿出了一款已应用在本田Clarity轿车上的两级电动压缩机。盖瑞特全球卓越商务运营与战略高级副总裁Pierre Barthelet表示,与其它技术相比,盖瑞特的空气压缩解决方案,采用了空气轴承等独特的技术设计,使之具备了尺寸更小、超安静、耐高压和效率更高等诸多特性。
  具体而言,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的增压气流量。在体积上,由于采取两级压缩,更高的压力有助于将燃料电池电堆做得非常紧凑,可帮助电池堆体积缩小33%,实现发动机罩内搭载燃料电池动力系统。这对氢燃料电池在乘用车领域的应用非常有效。更好的是,整个机器的运转力度却并未因体积小而受影响。据了解,其第一代产品电机功率在20kW水平,转速为10万转。而目前市场上普通电动汽车的驱动电机的转速仅有1.5万转左右。未来的产品将朝着转速更高、体积更小的方向发展。由于采用独特的空气动力学设计,盖瑞特的电动压缩机不仅性能表现好,帮助燃料电池堆达到最大输出功率103kW,而且在体积紧凑的前提下提升电池堆输出密度,最高水平可达到3.1kW/L。
  在实现高效的同时,盖瑞特面临的另一重挑战是降噪的压力。新能源汽车特别是纯电动汽车由于没有发动机,车内环境非常安静,这对于许多消费者而言都是重要的加分项,他们对燃料电池汽车的期待也是如此。而且,根据君迪(J.D. Power)的调查显示,中国的汽车用户对车内噪音的敏感度远高于欧美国家。这就意味着,在静音方面要有更为突出的优势才能更好地适应中国市场的特殊需求。Pierre Barthelet也看到了这一点:“对于氢燃料电池汽车而言,电堆发生反应是没有声音的,如果空压机声音很大,客户会非常不舒服,这也是市面上不少产品的一大痛点。”他指出,目前市场上的主流空压机产品包括离心式和螺杆式等,其中螺杆式噪音非常大。盖瑞特的离心式设计应用了业内首创的空气轴承,并经过长期的可靠性论证,好处是能实现超低静音,且杜绝油脂对燃料电池的污染。高端轿车对降噪的要求更为苛刻,而盖瑞特的产品能够为本田Clarity燃料电池汽车这种高端车型配套,也从另一个侧面印证它在降噪方面的表现。
 
氢燃料电池核心技术难题怎么破?特别两级空压机能带来哪些改变?
 
  如何影响车辆设计和性能?

  一款这样的空压机能给氢燃料电池轿车的设计和性能表现带来什么?
  “因为空气压缩机的性能决定了电堆的性能,电堆只是发生反应的地方,取决于进来的氢、氧结合的效率,其实某种程度上,空气压缩机也是整个系统的瓶颈,有更强劲的空气压缩机就可以开发出更强的电堆系统。如果压缩机的压力非常高,而电堆无法承受就会损坏,如果电堆可以承受很高的压力,但找不到合适的空气压缩机就没有办法发挥它的最大价值。本田知道我们可以给他提供高压压缩机,所以他设计出了全球第一款真正的五座氢燃料电池轿车。”Pierre Barthelet以本田的Clarity燃料电池汽车为例向我们继续解释,空压机、电堆部分被安放在前舱盖上,基本与传统燃油车发动机的位置相同,氢罐在后方座位下面,这样后面可以坐三个人。在车辆空间的紧凑性及整体设计的一体化集成方面比较有优势。而其他氢燃料电池轿车因为要在后方座位中间安放氢罐,只能坐两人,而且电堆放在座位下面会把底板抬得很高。
  据了解,已经走向市场的本田Clarity氢燃料汽车因更符合驾乘习惯的车内空间布局、安静舒适的驾驶体验和优异的性能表现而广受业界好评。
 
  Pierre Barthelet  访谈录
  在2019中国汽车论坛期间,盖瑞特全球卓越商务运营与战略高级副总裁Pierre Barthelet和高增长区市场总监王成龙接受了《汽车纵横》采访,对盖瑞特的独特技术优势、降成本路线节奏、本土化发展规划以及对中国氢燃料电池市场判断等更宏观的未来发展方向问题进行回应。
 
氢燃料电池核心技术难题怎么破?特别两级空压机能带来哪些改变?
 
  盖瑞特卓越商务运营与战略高级副总裁Pierre Barthelet在2019中国汽车论坛上发言
  《汽车纵横》:目前氢燃料电池汽车仍然是一个充满挑战的领域,盖瑞特对这类产品的未来应用特别是在中国市场的应用有哪些判断?您认为氢燃料电池汽车产业未来的关键性挑战是哪些?将在哪些领域率先实现商业化突破?
  Pierre Barthelet:首先,氢气使用本身是零排放的过程,制氢的过程如果非常环保,整个生命周期就能实现彻底的零排放。其次,目前加氢站可能数量还不够多。在起步阶段,氢燃料汽车更加适合应用于商用车领域,因为商用车可以白天行驶,晚上固定回到某一个指定位置加氢,加满然后过夜,整个运行非常有规律,商用车队的运营模式非常适合氢燃料电池这种技术的应用。
  盖瑞特高增长区市场总监王成龙对国内的加氢站如何健康运营进行了补充:目前世界上其他国家往往从轿车领域开始推广,但是中国政府的特色做法是从商用车领域开始示范运行,主要是为了让这个行业能够真正盈利,而不是一直在烧钱投入。因为加氢站要实现盈利,从商用车开始的好处更多,比如公交车或者物流车队的线路是固定,在一定区域范围内运行,所以只需要一个加氢站就可以支持很多公交车和物流车,而且公交车和物流车用氢量比较大,可以让加氢站盈利,使得更多的人愿意来投资。一个加氢站服务两百辆公交车就有望实现盈利,但是目前如果服务乘用车,加氢站无法确定车辆何时来加氢,也没有固定的客源,很有可能亏损。通过有固定使用场景的商用车慢慢把系统盘活、运用起来,先让基础设施逐渐实现盈利,并在这个过程中慢慢扩展基础设施,加上现在的技术进步非常快,后续私家轿车也会跟上来。
  世界各国政府已经制定了到2030年加氢站提升计划,中国、韩国、日本都已经发布了这样的路线图,所以未来加氢站设施数量会不断增加,随着加氢站的完善,站点的增多,我们认为乘用车领域的广泛应用会在一段时间之后到来。
  《汽车纵横》:目前在氢燃料电池汽车的推广上,除了关键技术及加氢站,居高不下的车辆成本也是重要的障碍之一。空压机作为燃料电池堆的核心部件,在成本下降方面是否有空间?盖瑞特在降成本方面是如何规划的?主要通过哪些途径实现?
  Pierre Barthelet:当前要推广氢燃料电池汽车的应用,除了基础设施,成本也是很大的瓶颈。氢燃料汽车要实现大规模商用,在技术成熟安全的同时,成本也必须亲民。但如何把相应产品从实验室里的少量生产变成大规模批量化生产,这里有很多需要攻破的课题。虽然目前国内氢燃料电池汽车是2020年之后唯一一种还享受补贴的车型,我们还是希望车辆的总体成本可以降下来,让更多的用户能够用上。关于降成本,我们的想法是首先量上来之后成本就会降下来。目前国内的燃料电池汽车仅有2000辆左右,而整个市场每年的新车产销超过2000多万辆。其次,我们将会通过技术的不断演化和设计优化来降低成本。例如现在的产品是25千瓦、10万转的电机,下一代产品我们将考虑通过更高的转速降低电机的功率,将尺寸变得更小,当下一代产品提高到15万转,电机会小很多,功耗也会降低10多千瓦。电机体积的减小会降低材料的用量,特别是铜以及贵金属等都会大大减少。再次是通过制造可行性,在设计产品的同时考虑生产制造工艺、制造成本还有生产线设计自动化程度。
  盖瑞特已经制定出空压机到2025年的设计路线和成本目标。目前应用在本田Clarity氢燃料汽车上的是我们的一代产品,通过更新设计和技术进化,到2021年我们的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。同时我们规划到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。如果氢燃料电池汽车的电堆、电机、储氢气还有氢罐等一系列主要零部件及配套产品的成本都能降至目前成本的十分之一,氢燃料电池汽车在价格上就可以和目前的电动汽车相相媲美。在重载和长里程的运营中,氢燃料电池汽车最终的成本比纯电动汽车更有优势,而且燃料电池将会越做越小,越来越轻,但纯电动汽车随着行驶里程的增长,所配的电池会越来越多,越来越重。
  总之,我们通过更高效的压缩机让功耗更小,支持更高功率的电堆,发更多的电,实现更长的续航里程。同时也让整个系统的可靠性更好、维修成本更低甚至整个系统重量更轻、车价更低。因为新能源汽车上的每一度电都非常宝贵,让用户的开车成本更低,解决他们的痛点,我们就起到了促进行业发展的作用。
  《汽车纵横》:在达到一定量级的前提下,要实现2025年成本降至目前一代产品十分之一的目标,在技术上有哪些难点需要突破?盖瑞特的技术优势集中在哪里?
  Pierre Barthelet:传统电动汽车上常见的驱动电机转速仅1.5万转左右,而盖瑞特的产品已经达到10万转,后续还要提高到15万转。因为要将电机做小是通过提高转速实现的,转速越高电机的功率就可以做得小一点,在这种情况下控制、算法、精度都需要有核心技术解决,这对控制而言非常具有挑战性。
  盖瑞特在电动空压机方面的核心技术优势主要集中在三个方面:空气轴承、高速电机以及电控,其中电控包括控制器的硬件和里面的算法,还有空气动力学的设计等。我们可以把这些不同核心技术集成在一起,用在一个场景上,给主机厂提供真正的集成性的、一揽式的解决方案。作为在汽车行业深耕65年的盖瑞特,在全球13座现代化工厂,每天生产五万台增压器,每一台都要与设计的目标一致。我们把这些不同的精密部架组合在一起,就像一个精密的瑞士手表一样,但在大规模量产中,产品的生产一致性非常重要。因此基于我们的核心技术、提供集成性解决方案的能力以及大规模生产制造的经验,可以让成本真正达到合理的水平,为主机厂提供持久、可靠的服务,这是我们真正的核心价值,不单单只是技术而已。
  《汽车纵横》:盖瑞特目前在中国的本土化进展如何?未来特别是在与氢燃料电池汽车相关的业务方面有哪些本土化的规划?
  Pierre Barthelet:我们在中国已经有25年的历史了,是第一家进入中国的涡轮增压系统制造商。在十年前,我们就决定在中国设立端到端的研发能力,并建设团队、布置设施。不仅是应用,我们的整个材料、空气动力学、轴承、匹配、模拟计算、实验等所有的都在中国做,因为我们认为从欧洲、美国开发的产品不太适合中国的需求,要为中国市场开发和生产有特别需求的产品,并且要跟上中国的发展速度。盖瑞特目前在全球拥有13座贴近客户的先进制造工厂和5座研发中心,其中在中国设有上海和武汉两家世界级先进制造工厂,以及上海研发中心,工程研发团队有200多人,具备端到端的研发设计、制造生产、工程能力和销售服务能力。
  在氢燃料电池汽车业务方面,现在我们的第一款产品已经在中国经过快速改型满足了国内商用车的使用需求。未来针对中国市场,将在第一代的基础继续做本土化需求的研发,并建立当地的开发能力。面向商用车和乘用车的不同需求,我们已经制定出了第二代、第三代氢燃料汽车电动空气压缩机的开发路线,并将在中国加强本土研发以及本土化的生产制造。希望能够通过技术变革解决行业、客户以及终端消费者的痛点,从而对氢燃料汽车行业的发展起到促进作用。
 

来源:汽车纵横杂志社

标签: 空压机燃料难题  

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