深析豐田如何成為氫能汽車的霸主？

內(nèi)燃機(jī)汽車統(tǒng)治汽車市場(chǎng)百余年，汽車工業(yè)給20世紀(jì)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(jì)工業(yè)的變革史。從技術(shù)和市場(chǎng)價(jià)值而言，燃油汽車已經(jīng)趨向完美，但汽車行業(yè)卻在當(dāng)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(dòng)、混動(dòng)和氫能汽車。在全球大多數(shù)國(guó)家都以純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車為主攻方向時(shí)，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(lǐng)域的無可超越的巨人。從上世紀(jì)90年代開始，截至2017年，包括量產(chǎn)車和四代概念車在內(nèi)，豐田汽車已在21個(gè)國(guó)家和地區(qū)、2個(gè)國(guó)際知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織申請(qǐng)了15867件與燃料電池相關(guān)的專利，涵蓋燃料電池堆專利、高壓儲(chǔ)氫罐專利、燃料電池系統(tǒng)控制專利以及加氫站技術(shù)等，建立了氫燃料電池方面獨(dú)一無二的技術(shù)壁壘。

不愿跟風(fēng)電動(dòng)路線的豐田，正在打造氫能時(shí)代的愿景，但“下一個(gè)百年”又能否如期所愿？標(biāo)榜“終極解決方案”的氫燃料電池又會(huì)在何時(shí)具備商業(yè)化、市場(chǎng)化的競(jìng)爭(zhēng)力？而豐田，是會(huì)一條路走到黑，還是會(huì)在南墻下妥協(xié)？

孤獨(dú)的霸主

21世紀(jì)初，美國(guó)總統(tǒng)布什和歐盟委員會(huì)主席普羅迪曾聯(lián)合開展對(duì)氫能的研究。普羅迪甚至宣布，到本世紀(jì)中葉，逐步轉(zhuǎn)到一個(gè)基于可再生能源的、完全集成的氫能經(jīng)濟(jì)。結(jié)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(zhuǎn)向動(dòng)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(shù)領(lǐng)域究竟有多強(qiáng)？用獨(dú)步全球來形容并不為過。從國(guó)際專利分類號(hào)來看，豐田汽車在H01M8燃料電池及其制造領(lǐng)域申請(qǐng)的專利數(shù)量最多，達(dá)到9671件，占總量的61％。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，燃料電池專利申請(qǐng)人全球排名中，日本豐田汽車以10737個(gè)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(jī)及電裝兩大與豐田淵源深厚的汽車零部件供應(yīng)商占比26．3％，從某種程度來講，豐田體系將48．6％的技術(shù)壟斷在手中，其霸主地位無可撼動(dòng)。

業(yè)內(nèi)人士分析，總體上看，日本、美國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)和德國(guó)是燃料電池技術(shù)主要專利申請(qǐng)國(guó)，對(duì)各關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)方面發(fā)展比較均衡。日本作為全球?qū)＠琶谝坏膰?guó)家，在多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)上均處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，技術(shù)最為全面且沒有明顯的短板，對(duì)控制技術(shù)尤為重視。

4月初，豐田宣布，將無償提供豐田持有的關(guān)于電機(jī)、電控（PCU）、系統(tǒng)控制等車輛電動(dòng)化技術(shù)的專利使用權(quán)（包含申請(qǐng)中的項(xiàng)目）約23740項(xiàng)。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(huì)在全球范圍內(nèi)開放5680項(xiàng)有關(guān)燃料電池技術(shù)的專利，其中包括豐田最新氫燃料電池車型Mirai的1970項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，涵蓋從車載軟件、系統(tǒng)到制氫，以此來促進(jìn)燃料電池汽車進(jìn)入市場(chǎng)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(shí)，也不得不深思其醉翁之意。業(yè)內(nèi)人士指出，豐田開放專利，實(shí)際上實(shí)在尋求更多穩(wěn)定的商業(yè)伙伴來分?jǐn)傦L(fēng)險(xiǎn)，既包括技術(shù)方向，也包括基礎(chǔ)設(shè)施。也可以說是豐田一家“單打獨(dú)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(quán)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(shù)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(quán)意味著將在技術(shù)上掌控氫燃料電池汽車技術(shù)取向和路徑，作為引領(lǐng)者的豐田也必將是規(guī)則的主導(dǎo)者。無論誰使用，都不可能在氫燃料電池汽車技術(shù)方面超越有20幾年積累的豐田。

在電池技術(shù)路線尚需實(shí)踐檢驗(yàn)的當(dāng)下，豐田選擇了站隊(duì)氫燃料電池，同時(shí)也給出了不容忽視的成果。其在該技術(shù)路線上的成就，如同強(qiáng)光下拉長(zhǎng)的背影，孤獨(dú)而強(qiáng)大。

為何“離經(jīng)叛道”？

在電動(dòng)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(fèi)力不討好的意味。為何豐田會(huì)舍近求遠(yuǎn)，走上這條看似離經(jīng)叛道的征途。

首先，日本的國(guó)情是對(duì)其行業(yè)最大的限制。眾所周知，日本是一個(gè)資源匱乏的島國(guó)，石油、天然氣大量依賴進(jìn)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(xiàng)目和發(fā)電規(guī)模，電價(jià)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(chǎng)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(jī)，因此一個(gè)清潔高效、同時(shí)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(biāo)。

業(yè)內(nèi)人士分析，日本國(guó)土狹長(zhǎng)、人口稠密，加氫站建設(shè)具有可行性。一個(gè)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(shí)，由于日本人均收入高，家庭布局小型制氫站也成為一個(gè)可能性，這是“氫能社會(huì)”的微觀元素。

2013年，安倍政府推出的《日本再?gòu)?fù)興戰(zhàn)略》，把發(fā)展氫能源提升為國(guó)策，并啟動(dòng)加氫站建設(shè)的前期工作。在第4次《能源基本計(jì)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(shè)“氫能社會(huì)”的愿景。

2014年，在日本經(jīng)濟(jì)貿(mào)易產(chǎn)業(yè)省成立的氫能／燃料電池戰(zhàn)略協(xié)會(huì)對(duì)外公布的《氫能／燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》中，詳細(xì)描述了氫能源研發(fā)推廣的三大階段以及每個(gè)階段的戰(zhàn)略目標(biāo)：第一階段是從當(dāng)前到2025年，快速擴(kuò)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(yīng)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(jìn)燃料電池的普及使用，對(duì)燃料電池車購(gòu)買、家庭用燃料電池系統(tǒng)以及加氫站建設(shè)均進(jìn)行補(bǔ)貼。豐田的Mirai車售價(jià)670萬日元／輛，補(bǔ)貼202萬日元／輛；本田ClarityFuel Cell車售價(jià)709萬日元／輛，補(bǔ)貼208萬日元／輛。

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

對(duì)于消費(fèi)者使用習(xí)慣的順應(yīng)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(dòng)汽車還是插電式混合動(dòng)力汽車，均需要保持一定的充電頻率和時(shí)長(zhǎng)，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(shì)。

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

日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)大臣世耕弘成也在去年9月份表示，“電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)在增長(zhǎng)，銷量在增加。但我們不能突然跳上電動(dòng)汽車，要捍衛(wèi)政府對(duì)氫能的承諾。政府仍然致力于向‘氫氣社會(huì)’轉(zhuǎn)型項(xiàng)目投入資金。”

咫尺天涯的氫燃料電池汽車

時(shí)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(dòng)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(gè)百年”，但在當(dāng)下，豐田的“氫之夢(mèng)”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(jìng)爭(zhēng)力，才能夠獲取市場(chǎng)，曲高和寡并非企業(yè)長(zhǎng)久的生存之道。豐田深知當(dāng)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(dòng)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(chǎn)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(zhì)、光化學(xué)等）。

據(jù)專業(yè)人士統(tǒng)計(jì)，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(dá)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(chǎn)量同樣可觀，約為0．7－1．6元／Nm3，能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)72％以上，但環(huán)保性不強(qiáng)，未來可以考慮通過碳捕捉技術(shù)減少碳排放。

“在未來與可再生能源發(fā)電緊密結(jié)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?guó)金證券研究所指出，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(yīng)用水力、潮汐、風(fēng)能的情況下能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)70％以上。

日本不同制氫方法產(chǎn)能占比

2019年初，日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）與東京大學(xué)和廣島大學(xué)合作，對(duì)光伏發(fā)電和蓄電池的制氫系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估，并認(rèn)為，通過開發(fā)2030年前后完全可能實(shí)用化的、放電較慢但成本低廉的蓄電池，日本國(guó)內(nèi)有望實(shí)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(gè)難點(diǎn)就是加氫站的建設(shè)，其成本遠(yuǎn)比建立加油站要高，而且在存儲(chǔ)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(jì)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(jì)劃在2025年建成320座加氫站，對(duì)于一心想大力普及氫燃料電池汽車的日本來說，現(xiàn)在遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)槟壳叭毡緡?guó)內(nèi)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(yīng)堆中的催化劑，以目前的技術(shù)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(shù)較為先進(jìn)的本田Mirai則需要15克鉑。然而全球鉑的年產(chǎn)量?jī)H為90噸，即使把全球鉑產(chǎn)量都用來造豐田Mirai氫燃料電池車，Mirai的產(chǎn)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(chǎn)轉(zhuǎn)為大規(guī)模生產(chǎn)模式，并減少昂貴材料的使用量，比如氫燃料電池組當(dāng)中使用的鉑金。這不是簡(jiǎn)配，因?yàn)槲覀兊哪繕?biāo)是不變的——通過持續(xù)改進(jìn)，讓豐田氫燃料電池系統(tǒng)更緊湊、更強(qiáng)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(gè)儲(chǔ)氣罐全部加滿后，擁有500km續(xù)航，最高車速可達(dá)200km／h，最吸引人的則是其3－5分鐘加氫完畢的速度，在時(shí)長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)上完勝。而Mirai在日本最終補(bǔ)貼完之后，實(shí)際售價(jià)僅為人民幣26萬元，加氫價(jià)格僅為58．4元／公斤，已經(jīng)具備了商業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

氫燃料電池的安全問題同樣備受大眾關(guān)注。氫氣在氫能源汽車中均以液態(tài)形式存在，在存儲(chǔ)罐內(nèi)部會(huì)形成極高的壓力，對(duì)儲(chǔ)存裝置的材料和設(shè)計(jì)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(chǔ)裝置還要擁有很高的安全性和防爆功能。

在儲(chǔ)能的安全性上，采用了能夠承受70兆帕壓力的儲(chǔ)氣罐，用碳纖維＋凱夫拉（防彈衣面料）強(qiáng)化其抗撞擊能力，經(jīng)測(cè)試可以抵御輕型武器的子彈攻擊。此外，在儲(chǔ)氫罐探測(cè)到泄露時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)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(shù)方面的未來。盡管氫燃料電池具備諸多的優(yōu)點(diǎn)，然而當(dāng)下并不具備普適性，在技術(shù)上同樣遠(yuǎn)未達(dá)到終點(diǎn)。也許“下一個(gè)百年”屬于豐田，但鋪在通向氫能時(shí)代的紅毯上，仍銘刻著“生存”。

作者：王勇