豐田如何成為氫燃料電池車霸主的？

內燃機汽車統(tǒng)治汽車市場百余年,汽車工業(yè)給20世紀的人類生活帶來了翻天覆地的變化,本身就在某種程度上代表著上世紀工業(yè)的變革史。從技術和市場價值而言,燃油汽車已經(jīng)趨向完美,但汽車行業(yè)卻在當下迎來了新的變革期。

從替代燃油車的路徑來看,主要存在著純電動、混動和氫能汽車。在全球大多數(shù)國家都以純電動汽車和混合動力汽車為主攻方向時,日本以豐田為代表的車企則將賭注押在了氫燃料電池車(FCV)。

專注氫燃料電池研發(fā)二十余年的豐田,已然成為了該領域的無可超越的巨人。從上世紀90年代開始,截至2017年,包括量產車和四代概念車在內,豐田汽車已在21個國家和地區(qū)、2個國際知識產權組織申請了15867件與燃料電池相關的專利,涵蓋燃料電池堆專利、高壓儲氫罐專利、燃料電池系統(tǒng)控制專利以及加氫站技術等,建立了氫燃料電池方面獨一無二的技術壁壘。

不愿跟風電動路線的豐田,正在打造氫能時代的愿景,但“下一個百年”又能否如期所愿?標榜“終極解決方案”的氫燃料電池又會在何時具備商業(yè)化、市場化的競爭力?而豐田,是會一條路走到黑,還是會在南墻下妥協(xié)?

孤獨的霸主

21世紀初,美國總統(tǒng)布什和歐盟委員會主席普羅迪曾聯(lián)合開展對氫能的研究。普羅迪甚至宣布,到本世紀中葉,逐步轉到一個基于可再生能源的、完全集成的氫能經(jīng)濟。結果顯而易見,十年后他們無功而返,投入的研究基金很大部分后來轉向動力電池的研究,唯有豐田求索至今。

豐田在氫燃料電池的技術領域究竟有多強?用獨步全球來形容并不為過。從國際專利分類號來看,豐田汽車在H01M8燃料電池及其制造領域申請的專利數(shù)量最多,達到9671件,占總量的61%。

據(jù)統(tǒng)計,燃料電池專利申請人全球排名中,日本豐田汽車以10737個專利族占據(jù)首位,其一家的專利占專利總量的22.3%。此外,愛信精機及電裝兩大與豐田淵源深厚的汽車零部件供應商占比26.3%,從某種程度來講,豐田體系將48.6%的技術壟斷在手中,其霸主地位無可撼動。

業(yè)內人士分析,總體上看,日本、美國、中國、韓國和德國是燃料電池技術主要專利申請國,對各關鍵技術的研發(fā)方面發(fā)展比較均衡。日本作為全球專利排名第一的國家,在多個關鍵技術上均處于絕對領先地位,技術最為全面且沒有明顯的短板,對控制技術尤為重視。

4月初,豐田宣布,將無償提供豐田持有的關于電機、電控(PCU)、系統(tǒng)控制等車輛電動化技術的專利使用權(包含申請中的項目)約23740項。值得注意的是,這并非豐田首次開放專利,早在2015年1月,豐田宣會在全球范圍內開放5680項有關燃料電池技術的專利,其中包括豐田最新氫燃料電池車型Mirai的1970項關鍵技術,涵蓋從車載軟件、系統(tǒng)到制氫,以此來促進燃料電池汽車進入市場初期的普及。

如此大手筆的專利公開,讓人感慨其魄力的同時,也不得不深思其醉翁之意。業(yè)內人士指出,豐田開放專利,實際上實在尋求更多穩(wěn)定的商業(yè)伙伴來分攤風險,既包括技術方向,也包括基礎設施。也可以說是豐田一家“單打獨斗”過于辛苦,盡管走在前沿但如果沒有追隨者,也很難成事。

據(jù)業(yè)界權威人士解讀,豐田開放自身積累20多年的燃料電池專利,一方面說明豐田在技術上也遇到了瓶頸,希望借助全世界研發(fā)的力量來共同突破,另一方面,無償放開專利使用權意味著將在技術上掌控氫燃料電池汽車技術取向和路徑,作為引領者的豐田也必將是規(guī)則的主導者。無論誰使用,都不可能在氫燃料電池汽車技術方面超越有20幾年積累的豐田。

在電池技術路線尚需實踐檢驗的當下,豐田選擇了站隊氫燃料電池,同時也給出了不容忽視的成果。其在該技術路線上的成就,如同強光下拉長的背影,孤獨而強大。

為何“離經(jīng)叛道”?

在電動路線大行其道且已經(jīng)呈現(xiàn)較為成熟的盈利模式的情況下,豐田在氫燃料電池路線的押注顯得如此偏執(zhí),甚至有些費力不討好的意味。為何豐田會舍近求遠,走上這條看似離經(jīng)叛道的征途。

首先,日本的國情是對其行業(yè)最大的限制。眾所周知,日本是一個資源匱乏的島國,石油、天然氣大量依賴進口,為滿足能源需求,核電一度成為日本的選擇。然而2011年的福島核電站泄漏事故使得日本政府不得不因安全因素縮減核能項目和發(fā)電規(guī)模,電價一度攀升。

如何為其汽車行業(yè)謀求石油、天然氣甚至電力以外的能源成為意料之中的首要考慮,顯然氫燃料電池汽車更符合日本市場的需求,理論上也能解決日本面臨石油和電這兩方面造成的能源危機,因此一個清潔高效、同時又能在本土制備的氫能源自然就成為了日本的第一能源目標。

業(yè)內人士分析,日本國土狹長、人口稠密,加氫站建設具有可行性。一個加氫站覆蓋100平方公里左右的面積,就算僅僅將加氫站在日本沿海布局,也基本可以滿足日本加氫的需求。同時,由于日本人均收入高,家庭布局小型制氫站也成為一個可能性,這是“氫能社會”的微觀元素。

2013年,安倍政府推出的《日本再復興戰(zhàn)略》,把發(fā)展氫能源提升為國策,并啟動加氫站建設的前期工作。在第4次《能源基本計劃》中,日本政府將氫能源定位為與電力和熱能并列的核心二次能源,并提出建設“氫能社會”的愿景。

2014年,在日本經(jīng)濟貿易產業(yè)省成立的氫能/燃料電池戰(zhàn)略協(xié)會對外公布的《氫能/燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》中,詳細描述了氫能源研發(fā)推廣的三大階段以及每個階段的戰(zhàn)略目標:第一階段是從當前到2025年,快速擴大氫能的使用范圍;第二階段是2020年中期—2030年底,全面引入氫發(fā)電和建立大規(guī)模氫能供應系統(tǒng);第三階段從2040年開始,確立零二氧化碳的供氫系統(tǒng)。

此外,日本政府為促進燃料電池的普及使用,對燃料電池車購買、家庭用燃料電池系統(tǒng)以及加氫站建設均進行補貼。豐田的Mirai車售價670萬日元/輛,補貼202萬日元/輛;本田ClarityFuel Cell車售價709萬日元/輛,補貼208萬日元/輛。

有了國情限制和政策的風向,也就不難理解為何豐田對氫燃料電池執(zhí)念至此。作為日系車中的領頭羊,豐田自然對氫燃料電池汽車的研發(fā)不遺余力,同時向世界釋放“氫燃料電池是終極方案”的信號。而在氫燃料電池汽車技術未成熟和普及之前,混合動力汽車顯然就是豐田的過渡期。

對于消費者使用習慣的順應同樣是豐田選擇氫燃料電池汽車的考慮因素。無論是純電動汽車還是插電式混合動力汽車,均需要保持一定的充電頻率和時長,而氫燃料電池汽車在續(xù)航和加氫的速度上均具備壓倒性優(yōu)勢。

在決定搞氫燃料電池后,豐田采用迂回戰(zhàn)術,即先用混合動力(HEV)技術,在不改變消費者習慣的情況下讓大家慢慢接受豐田的新能源技術,并想法設法壓縮成本。在發(fā)展HEV的同時,不斷的積累、發(fā)展自己的新能源技術儲備,并試圖跳過純電動汽車(EV)和大容量插電式混合動力汽車(PHEV)的階段,過渡到氫燃料電池汽車(FCV)。

日本經(jīng)濟產業(yè)大臣世耕弘成也在去年9月份表示,“電動汽車的發(fā)展趨勢在增長,銷量在增加。但我們不能突然跳上電動汽車,要捍衛(wèi)政府對氫能的承諾。政府仍然致力于向‘氫氣社會’轉型項目投入資金?！?/p>

咫尺天涯的氫燃料電池汽車

時至今日,豐田仍舊走在研發(fā)、推廣氫燃料電池的路上,而汽車電動化仍是替代燃油車路徑上的干道。氫燃料電池或許是“下一個百年”,但在當下,豐田的“氫之夢”仍步履維艱。擺在豐田面前最直接的問題,就是如何解決氫燃料電池成本高、加氫站少。

只有成本具有競爭力,才能夠獲取市場,曲高和寡并非企業(yè)長久的生存之道。豐田深知當前制氫方法在效率、環(huán)保方面、并沒有把握完全勝過傳統(tǒng)的化石能源和純電動汽車,同樣在不斷嘗試各種路徑。

目前,制備氫氣的幾種主要方式包括氯堿工業(yè)副產氫、電解水制氫、化工原料制氫(甲醇裂解、乙醇裂解、液氨裂解等)、石化資源制氫(石油裂解、水煤氣法等)和新型制氫方法(生物質、光化學等)。

據(jù)專業(yè)人士統(tǒng)計,從制氫工藝的成本和環(huán)保性能角度來看,氯堿制氫的工藝成本最為適中,在1.3-1.5元/Nm3之間,且所制取的氫氣純度高達99.99%,環(huán)保和安全性能也較好,是目前較為適宜的制氫方法。石油和天然氣蒸汽重整制氫的成本和產量同樣可觀,約為0.7-1.6元/Nm3,能量轉化率高達72%以上,但環(huán)保性不強,未來可以考慮通過碳捕捉技術減少碳排放。

“在未來與可再生能源發(fā)電緊密結合的條件下,水電解法制氫將發(fā)展成為氫氣來源的主流路線?！眹鹱C券研究所指出,目前水電解法制氫成本最高,在2.5-3.5元/Nm3之間,且成本在不斷降低,碳排放量低,且在應用水力、潮汐、風能的情況下能量轉化率高達70%以上。

日本不同制氫方法產能占比

2019年初,日本物質材料研究機構(NIMS)與東京大學和廣島大學合作,對光伏發(fā)電和蓄電池的制氫系統(tǒng)進行了技術經(jīng)濟效益評估,并認為,通過開發(fā)2030年前后完全可能實用化的、放電較慢但成本低廉的蓄電池,日本國內有望實現(xiàn)每立方米17-27日元(約1.04-1.64元人民幣)的制氫成本。

另一個難點就是加氫站的建設,其成本遠比建立加油站要高,而且在存儲上的安全要求也比石油要高得多,這也制約了日本加氫站的普及。

據(jù)了解,根據(jù)加注氫氣的能力計算,一天加注200公斤氫氣的加氫站,目前需要1000萬人民幣左右的投入(不含土地成本)。目前日本計劃在2025年建成320座加氫站,對于一心想大力普及氫燃料電池汽車的日本來說,現(xiàn)在遠遠不夠,因為目前日本國內加油站數(shù)量超過3萬座,充電樁超過4萬座,加氫站沒有一定的規(guī)模,根本無法取代傳統(tǒng)燃油車。

此外,鉑這一貴金屬作為燃料電池反應堆中的催化劑,以目前的技術具有不可替代性。根據(jù)公開資料,現(xiàn)代NEXO氫燃料電池SUV的鉑金用量是56克,技術較為先進的本田Mirai則需要15克鉑。然而全球鉑的年產量僅為90噸,即使把全球鉑產量都用來造豐田Mirai氫燃料電池車,Mirai的產能也不過600萬輛。

Mirai首席工程師YoshikazuTanaka曾表示:“豐田Mirai已從限量試生產轉為大規(guī)模生產模式,并減少昂貴材料的使用量,比如氫燃料電池組當中使用的鉑金。這不是簡配,因為我們的目標是不變的——通過持續(xù)改進,讓豐田氫燃料電池系統(tǒng)更緊湊、更強大?！?/p>

從豐田推出的Mirai2019款來看,搭載的氫燃料電池發(fā)電功率為114千瓦,體積功率密度為3.1千瓦/升,總重量56kg,容積37升。在兩個儲氣罐全部加滿后,擁有500km續(xù)航,最高車速可達200km/h,最吸引人的則是其3-5分鐘加氫完畢的速度,在時長優(yōu)勢上完勝。而Mirai在日本最終補貼完之后,實際售價僅為人民幣26萬元,加氫價格僅為58.4元/公斤,已經(jīng)具備了商業(yè)的競爭能力。

氫燃料電池的安全問題同樣備受大眾關注。氫氣在氫能源汽車中均以液態(tài)形式存在,在存儲罐內部會形成極高的壓力,對儲存裝置的材料和設計有著很高的要求。其次,氫氣是一種易燃易爆的氣體,所以存儲裝置還要擁有很高的安全性和防爆功能。

在儲能的安全性上,采用了能夠承受70兆帕壓力的儲氣罐,用碳纖維+凱夫拉(防彈衣面料)強化其抗撞擊能力,經(jīng)測試可以抵御輕型武器的子彈攻擊。此外,在儲氫罐探測到泄露時會自動關閉閥門,最大程度的避免了意外事件的發(fā)生。

很難說Mirai是目前豐田核心陣容的一部分,它更多代表的,是豐田在技術方面的未來。盡管氫燃料電池具備諸多的優(yōu)點,然而當下并不具備普適性,在技術上同樣遠未達到終點。也許“下一個百年”屬于豐田,但鋪在通向氫能時代的紅毯上,仍銘刻著“生存”。

2019中國(西安)新能源汽車產業(yè)生態(tài)大會

5月17-18日,由電車資源、西安新能源汽車產業(yè)協(xié)會聯(lián)合主辦的“2019中國(西安)新能源汽車產業(yè)生態(tài)大會”將在西安舉行。此次大會以“新能源汽車的革新?lián)Q代”為主題,得到了陜西省工業(yè)和信息化廳 、西安市人民政府的指導;邀請新能源汽車行業(yè)的國家院士、資深專家、車企領導、零部件企業(yè)技術總工、車產品運營企業(yè)領導等,從企業(yè)關注的后補貼時代國家政策層面、產品技術升級與發(fā)展方向、新能源乘用車網(wǎng)約化之路、電動物流車綠色城配之選等熱點問題進行探討。詳情咨詢關女士:13640985235 。點擊了解大會詳情>>>