豐田燃料電池入華 “狼來(lái)了”是危機(jī)還是轉(zhuǎn)機(jī)？

一邊是全球著名純電動(dòng)車(chē)汽車(chē)制造商特斯拉上海工廠進(jìn)展超過(guò)預(yù)期,另一邊是全球著名燃料電池汽車(chē)生產(chǎn)商豐田與北汽福田及億華通合作將在中國(guó)市場(chǎng)推出搭載豐田FC電堆等零部件的燃料電池大巴。

前者已經(jīng)無(wú)疑拉開(kāi)了中國(guó)新能源汽車(chē)市場(chǎng)空前的競(jìng)爭(zhēng)格局和新一輪洗牌效應(yīng),造車(chē)新勢(shì)力們惶恐之余開(kāi)始陸續(xù)放棄“60km/h等速巡航”的宣傳標(biāo)語(yǔ),孤注一擲求生存。

后者給仍未探頂風(fēng)口期的中國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)來(lái)了一劑“強(qiáng)心劑”。與特斯拉入華一樣,全球燃料電池技術(shù)“帶頭大哥”豐田的入場(chǎng)方式也頗具震撼力。豐田公司宣稱(chēng),豐田汽車(chē)公司為促進(jìn)氫燃料電池汽車(chē)(FCV)在中國(guó)的普及,將開(kāi)始向中國(guó)的商用車(chē)廠商提供氫燃料電池組件。作為首個(gè)合作項(xiàng)目,豐田與北汽福田汽車(chē)股份有限公司及北京億華通科技股份有限公司達(dá)成合意,將在福田生產(chǎn)及銷(xiāo)售的FC大巴上搭載采用豐田FC電堆等零部件的億華通FC系統(tǒng)。

與此同時(shí),豐田與清華大學(xué)就成立“清華大學(xué)-豐田聯(lián)合研究院”一事達(dá)成合意,將開(kāi)展為期5年的共同研究。豐田公司稱(chēng)聯(lián)合研究院不僅限于研究中國(guó)顧客所喜愛(ài)的汽車(chē),還將共同探討如氫燃料的積極活用等。

豐田燃料電池技術(shù)進(jìn)入中國(guó)早有端倪。去年外媒就曾爆出豐田將聯(lián)手吉利在中國(guó)首推氫燃料電池乘用車(chē)。當(dāng)然,時(shí)下中國(guó)化的氫燃料電池技術(shù)使用場(chǎng)景首選為大巴等商用車(chē)。不難推測(cè),未來(lái)豐田將與吉利“聯(lián)姻”,共同推出燃料電池乘用車(chē)。彼時(shí),中國(guó)有可能形成“北有豐田燃料電池商用車(chē),南有豐田燃料電池乘用車(chē)”的格局。

豐田在國(guó)內(nèi)的一系列舉動(dòng)即是中日兩國(guó)政府落實(shí)去年李總理參觀豐田北海道工廠之后就加強(qiáng)兩國(guó)科學(xué)和技術(shù)合作的具體行動(dòng),也是豐田全球燃料電池技術(shù)布局的重要一環(huán)——燃料電池技術(shù)入華。

而豐田與國(guó)內(nèi)某商用車(chē)企業(yè)及某燃料電池解決方案供應(yīng)商合作的消息也在神州大地炸開(kāi)了鍋。據(jù)國(guó)內(nèi)某供應(yīng)商稱(chēng),此次三方共推的首款產(chǎn)品基于各方在電堆、燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)、整車(chē)集成等方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與產(chǎn)業(yè)積累。按照規(guī)劃,后續(xù)還將推出其他氫燃料電池車(chē)型,為中國(guó)氫燃料電池汽車(chē)不同應(yīng)用場(chǎng)景提供更為優(yōu)質(zhì)的解決方案。相關(guān)人士也指出,此次合作有助于提升國(guó)內(nèi)氫能與燃料電池汽車(chē)的發(fā)展水平,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

當(dāng)中國(guó)正在推進(jìn)車(chē)用燃料電池產(chǎn)業(yè)化,豐田已經(jīng)宣布與日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)合作開(kāi)發(fā)一款搭載豐田氫燃料電池技術(shù)的載人月球車(chē),并計(jì)劃于2029年向月球發(fā)射。致力于在地球上打造氫社會(huì)的豐田,已將目標(biāo)瞄準(zhǔn)了38.4萬(wàn)千米外的月球,企圖在月球上也拔得頭籌。

38.4萬(wàn)千米的距離對(duì)于宇宙來(lái)說(shuō)九牛一毛,對(duì)燃料電池就是國(guó)寶熊貓進(jìn)入東北,水土不服。月球晝夜溫差極大,白晝溫度高達(dá)150℃,黑夜低至零下180℃,月球上的一晝夜相當(dāng)于地球上28天,一晚上相當(dāng)于地球上的14天。這對(duì)于最佳工作溫度區(qū)間70~80℃的質(zhì)子交換膜燃料電池來(lái)說(shuō),白晝會(huì)“”中暑”,黑夜會(huì)“凍傷”。

豐田與JAXA合作的月球車(chē),全長(zhǎng)6米,寬5米,高3.8米,由于采用燃料電池技術(shù),在月球表面行駛續(xù)航里程達(dá)到驚人的1萬(wàn)公里,甚至還搭載了自動(dòng)駕駛功能。

聯(lián)想到我國(guó)嫦娥三號(hào)月球車(chē)采用了同位素溫差發(fā)電機(jī)(RTG)和太陽(yáng)能電池發(fā)電相結(jié)合的綜合發(fā)電技術(shù)。放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)利用同位素材料衰變過(guò)程中放出的熱量,進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)化。此熱電機(jī)也可被視為一種電池,被當(dāng)作一種能源裝設(shè)在人造衛(wèi)星、太空探測(cè)器與無(wú)人遙控設(shè)備上。

筆者雖然認(rèn)為豐田的月球氫能源計(jì)劃可能并不完美收官,但足以用月球這個(gè)實(shí)驗(yàn)室來(lái)驗(yàn)證和提高豐田的燃料電池技術(shù)。筆者有時(shí)候會(huì)腦補(bǔ)月球上的氫社會(huì):月球上宇航員不僅需要呼吸氧氣,燃料電池也需要呼吸氧氣,但宇航員也不會(huì)討厭燃料電池和其爭(zhēng)食氧氣,因?yàn)橛詈絾T需要它“送”水。

再來(lái)看一波豐田Mirai燃料電池汽車(chē)在其全球重要市場(chǎng)-美國(guó)的銷(xiāo)量情況(數(shù)據(jù)權(quán)威)。自2015年開(kāi)始,Mirai在美國(guó)的銷(xiāo)量分別為72、1034、1838、1700輛,最新2019年3月銷(xiāo)售量為176輛。一邊是瘋狂占領(lǐng)全球燃料電池乘用車(chē)市場(chǎng),另一邊又將其龐大的燃料電池技術(shù)專(zhuān)利體系免費(fèi)于眾。

2019年4月3日,豐田宣布開(kāi)放其電動(dòng)化技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利,共涉及專(zhuān)利約23740件。本次公開(kāi)的燃料電池領(lǐng)域?qū)＠s8070件,比2015年初公開(kāi)的5680件燃料電池專(zhuān)利在數(shù)量上有了大幅增加。根據(jù)豐田的公開(kāi)資料,在全部已公開(kāi)的燃料電池專(zhuān)利中,占比最高的為燃料電池系統(tǒng)控制(52%),其次為燃料電池堆(39%),幾乎在全產(chǎn)業(yè)鏈上均進(jìn)行了專(zhuān)利布局。

1.豐田電堆入華,氫氣循環(huán)泵也隨之入華?

豐田Mirai燃料電池汽車(chē)在燃料電池系統(tǒng)上全球首次取消了加濕器,實(shí)現(xiàn)了電堆自增濕,極大減少了燃料電池系統(tǒng)的體積和重量。如下圖所示,Mirai燃料電池堆的自增濕性能主要通過(guò)以下四個(gè)方面實(shí)現(xiàn):1.薄膜化促進(jìn)電化學(xué)產(chǎn)物水反擴(kuò)散;2.氫氣循環(huán)系統(tǒng)(氫氣循環(huán)泵)中增加了陽(yáng)極入口到出口的水蒸氣含量;3.空氣和氫氣的逆流形式;4.增加陰極入口冷卻液流量,抑制溫度升高,增加陰極入口側(cè)氣體相對(duì)濕度。

上圖中,可以發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極側(cè)氫循環(huán)泵采用的是雙葉羅茨式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)。安裝氫氣循環(huán)泵的主要目的是提高燃料利用率、改善電堆水管理、增強(qiáng)自增濕性能。通俗來(lái)講,陽(yáng)極側(cè)出口處未參與電化學(xué)反應(yīng)的氫氣可以循環(huán)至陽(yáng)極入口側(cè),提高燃料利用率;陽(yáng)極側(cè)出口處的富余水蒸氣可以循環(huán)至比較干燥的陽(yáng)極入口處。在燃料電池堆常溫運(yùn)行下,電控單元需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電堆各片電池單體電壓、電堆阻抗、水含量等參數(shù),根據(jù)目標(biāo)狀況(target point)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)氫氣循環(huán)支路中的流量和壓力等參數(shù)。

注意,據(jù)豐田公開(kāi)資料,其對(duì)電堆內(nèi)部水含量的控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異低溫啟動(dòng)性能的重要一環(huán)。系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)電堆水含量精確控制需要各個(gè)零部件之間協(xié)調(diào)工作,其中就包括氫氣循環(huán)泵。

因此,豐田燃料電池堆只有在和氫氣循環(huán)泵匹配使用下才能發(fā)揮出最佳的自增濕性能。作為設(shè)計(jì)上的改進(jìn),Mirai氫氣循環(huán)泵電機(jī)配置在燃料電池電堆歧管的旁邊,可以利用歧管的冷卻機(jī)構(gòu),使氫氣循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)了小型化。此外,氫氣循環(huán)泵的氣密性要求很高,由于工作在水氣兩種成分條件下,需要解決防腐和可靠性等課題。目前國(guó)內(nèi)氫氣循環(huán)泵嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口,可以猜想,豐田燃料電池堆和氫氣循環(huán)泵一起進(jìn)入國(guó)內(nèi)是大概率事件。

2. 豐田電堆入華,空壓機(jī)也隨之入華?

燃料電池用空壓機(jī)需要滿(mǎn)足無(wú)油、低噪聲、低成本、小型化、工作范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)使用較多的離心式空壓機(jī)存在工作范圍較窄、效率較低等問(wèn)題,不適合流量太小及壓比較低等工況。此外,離心式空壓機(jī)對(duì)超高速電機(jī)設(shè)計(jì)與制造、氣浮軸承、超高速電機(jī)控制器設(shè)計(jì)、散熱與轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)集成技術(shù)等提出了很大的挑戰(zhàn)。通常,羅茨式空壓機(jī)的壓比效果不高,即便如此,豐田自動(dòng)織機(jī)開(kāi)發(fā)出了最大壓縮比為3的六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)。此外,該空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)了低負(fù)荷和高負(fù)荷狀態(tài)下的效率提升,相比渦旋式空壓機(jī),低負(fù)荷時(shí)效率提高了14%,達(dá)50%以上,高負(fù)荷時(shí)效率達(dá)60%以上。羅茨式空壓機(jī)的耐久性要比其他空壓機(jī)都要高。注意,豐田空壓機(jī)和消音器是集成的。

3. 豐田電堆入華,系統(tǒng)控制也隨之入華?

根據(jù)豐田全部已公開(kāi)的燃料電池專(zhuān)利中,占比最高的為燃料電池系統(tǒng)控制(52%),其次為燃料電池堆(39%)。作為豐田的零部件供應(yīng)商,開(kāi)發(fā)出指定技術(shù)目標(biāo)的單個(gè)零部件只是萬(wàn)里長(zhǎng)征第一步。接下來(lái),包含各個(gè)零部件的集成高效工作和相關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要控制單元的精準(zhǔn)調(diào)控。怠速工況、加減速工況、電堆穩(wěn)壓技術(shù)或一致性技術(shù)、自增濕技術(shù)、吹掃技術(shù)、低溫啟動(dòng)技術(shù)、水含量控制技術(shù)、流量和壓力解耦控制技術(shù)等不僅涉及到零部件的及時(shí)參與,還需要神經(jīng)中樞的高效計(jì)算和有效決策。以低溫啟動(dòng)技術(shù)為例,豐田低溫啟動(dòng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要空壓機(jī)根據(jù)當(dāng)前電堆所需加熱量精確提供“少量”空氣、實(shí)時(shí)水含量測(cè)量技術(shù)保持高功率輸出、相關(guān)閥門(mén)的有效配合實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極出口“消氫”。再比如豐田水含量控制技術(shù),獨(dú)家采用以反應(yīng)氣傳質(zhì)阻力等效電池內(nèi)水含量,區(qū)別于傳統(tǒng)上只測(cè)量電堆高頻阻抗的做法。因此,如果僅僅只是相關(guān)零部件入華而控制軟硬件不引入,還是那個(gè)多項(xiàng)指標(biāo)宣稱(chēng)world-first的豐田燃料電池嘛?？梢圆孪?系統(tǒng)控制軟體進(jìn)入國(guó)內(nèi)也是大概率事件。

綜上所述,豐田燃料電池入華的產(chǎn)品和技術(shù)不僅僅只是電堆,而是一個(gè)集高比功率、自增濕、高耐久性、極端低溫啟動(dòng)能力等一身的“半”燃料電池系統(tǒng)或“小型”燃料電池系統(tǒng)。