丰田如何成为氢燃料电池车霸主的？

内燃机汽车统治汽车市场百余年,汽车工业给20世纪的人类生活带来了翻天覆地的变化,本身就在某种程度上代表着上世纪工业的变革史。从技术和市场价值而言,燃油汽车已经趋向完美,但汽车行业却在当下迎来了新的变革期。

从替代燃油车的路径来看,主要存在着纯电动、混动和氢能汽车。在全球大多数国家都以纯电动汽车和混合动力汽车为主攻方向时,日本以丰田为代表的车企则将赌注押在了氢燃料电池车(FCV)。

专注氢燃料电池研发二十余年的丰田,已然成为了该领域的无可超越的巨人。从上世纪90年代开始,截至2017年,包括量产车和四代概念车在内,丰田汽车已在21个国家和地区、2个国际知识产权组织申请了15867件与燃料电池相关的专利,涵盖燃料电池堆专利、高压储氢罐专利、燃料电池系统控制专利以及加氢站技术等,建立了氢燃料电池方面独一无二的技术壁垒。

不愿跟风电动路线的丰田,正在打造氢能时代的愿景,但“下一个百年”又能否如期所愿?标榜“终极解决方案”的氢燃料电池又会在何时具备商业化、市场化的竞争力?而丰田,是会一条路走到黑,还是会在南墙下妥协?

孤独的霸主

21世纪初,美国总统布什和欧盟委员会主席普罗迪曾联合开展对氢能的研究。普罗迪甚至宣布,到本世纪中叶,逐步转到一个基于可再生能源的、完全集成的氢能经济。结果显而易见,十年后他们无功而返,投入的研究基金很大部分后来转向动力电池的研究,唯有丰田求索至今。

丰田在氢燃料电池的技术领域究竟有多强?用独步全球来形容并不为过。从国际专利分类号来看,丰田汽车在H01M8燃料电池及其制造领域申请的专利数量最多,达到9671件,占总量的61%。

据统计,燃料电池专利申请人全球排名中,日本丰田汽车以10737个专利族占据首位,其一家的专利占专利总量的22.3%。此外,爱信精机及电装两大与丰田渊源深厚的汽车零部件供应商占比26.3%,从某种程度来讲,丰田体系将48.6%的技术垄断在手中,其霸主地位无可撼动。

业内人士分析,总体上看,日本、美国、中国、韩国和德国是燃料电池技术主要专利申请国,对各关键技术的研发方面发展比较均衡。日本作为全球专利排名第一的国家,在多个关键技术上均处于绝对领先地位,技术最为全面且没有明显的短板,对控制技术尤为重视。

4月初,丰田宣布,将无偿提供丰田持有的关于电机、电控(PCU)、系统控制等车辆电动化技术的专利使用权(包含申请中的项目)约23740项。值得注意的是,这并非丰田首次开放专利,早在2015年1月,丰田宣会在全球范围内开放5680项有关燃料电池技术的专利,其中包括丰田最新氢燃料电池车型Mirai的1970项关键技术,涵盖从车载软件、系统到制氢,以此来促进燃料电池汽车进入市场初期的普及。

如此大手笔的专利公开,让人感慨其魄力的同时,也不得不深思其醉翁之意。业内人士指出,丰田开放专利,实际上实在寻求更多稳定的商业伙伴来分摊风险,既包括技术方向,也包括基础设施。也可以说是丰田一家“单打独斗”过于辛苦,尽管走在前沿但如果没有追随者,也很难成事。

据业界权威人士解读,丰田开放自身积累20多年的燃料电池专利,一方面说明丰田在技术上也遇到了瓶颈,希望借助全世界研发的力量来共同突破,另一方面,无偿放开专利使用权意味着将在技术上掌控氢燃料电池汽车技术取向和路径,作为引领者的丰田也必将是规则的主导者。无论谁使用,都不可能在氢燃料电池汽车技术方面超越有20几年积累的丰田。

在电池技术路线尚需实践检验的当下,丰田选择了站队氢燃料电池,同时也给出了不容忽视的成果。其在该技术路线上的成就,如同强光下拉长的背影,孤独而强大。

为何“离经叛道”?

在电动路线大行其道且已经呈现较为成熟的盈利模式的情况下,丰田在氢燃料电池路线的押注显得如此偏执,甚至有些费力不讨好的意味。为何丰田会舍近求远,走上这条看似离经叛道的征途。

首先,日本的国情是对其行业最大的限制。众所周知,日本是一个资源匮乏的岛国,石油、天然气大量依赖进口,为满足能源需求,核电一度成为日本的选择。然而2011年的福岛核电站泄漏事故使得日本政府不得不因安全因素缩减核能项目和发电规模,电价一度攀升。

如何为其汽车行业谋求石油、天然气甚至电力以外的能源成为意料之中的首要考虑,显然氢燃料电池汽车更符合日本市场的需求,理论上也能解决日本面临石油和电这两方面造成的能源危机,因此一个清洁高效、同时又能在本土制备的氢能源自然就成为了日本的第一能源目标。

业内人士分析,日本国土狭长、人口稠密,加氢站建设具有可行性。一个加氢站覆盖100平方公里左右的面积,就算仅仅将加氢站在日本沿海布局,也基本可以满足日本加氢的需求。同时,由于日本人均收入高,家庭布局小型制氢站也成为一个可能性,这是“氢能社会”的微观元素。

2013年,安倍政府推出的《日本再复兴战略》,把发展氢能源提升为国策,并启动加氢站建设的前期工作。在第4次《能源基本计划》中,日本政府将氢能源定位为与电力和热能并列的核心二次能源,并提出建设“氢能社会”的愿景。

2014年,在日本经济贸易产业省成立的氢能/燃料电池战略协会对外公布的《氢能/燃料电池战略发展路线图》中,详细描述了氢能源研发推广的三大阶段以及每个阶段的战略目标:第一阶段是从当前到2025年,快速扩大氢能的使用范围;第二阶段是2020年中期—2030年底,全面引入氢发电和建立大规模氢能供应系统;第三阶段从2040年开始,确立零二氧化碳的供氢系统。

此外,日本政府为促进燃料电池的普及使用,对燃料电池车购买、家庭用燃料电池系统以及加氢站建设均进行补贴。丰田的Mirai车售价670万日元/辆,补贴202万日元/辆;本田ClarityFuel Cell车售价709万日元/辆,补贴208万日元/辆。

有了国情限制和政策的风向,也就不难理解为何丰田对氢燃料电池执念至此。作为日系车中的领头羊,丰田自然对氢燃料电池汽车的研发不遗余力,同时向世界释放“氢燃料电池是终极方案”的信号。而在氢燃料电池汽车技术未成熟和普及之前,混合动力汽车显然就是丰田的过渡期。

对于消费者使用习惯的顺应同样是丰田选择氢燃料电池汽车的考虑因素。无论是纯电动汽车还是插电式混合动力汽车,均需要保持一定的充电频率和时长,而氢燃料电池汽车在续航和加氢的速度上均具备压倒性优势。

在决定搞氢燃料电池后,丰田采用迂回战术,即先用混合动力(HEV)技术,在不改变消费者习惯的情况下让大家慢慢接受丰田的新能源技术,并想法设法压缩成本。在发展HEV的同时,不断的积累、发展自己的新能源技术储备,并试图跳过纯电动汽车(EV)和大容量插电式混合动力汽车(PHEV)的阶段,过渡到氢燃料电池汽车(FCV)。

日本经济产业大臣世耕弘成也在去年9月份表示,“电动汽车的发展趋势在增长,销量在增加。但我们不能突然跳上电动汽车,要捍卫政府对氢能的承诺。政府仍然致力于向‘氢气社会’转型项目投入资金。”

咫尺天涯的氢燃料电池汽车

时至今日,丰田仍旧走在研发、推广氢燃料电池的路上,而汽车电动化仍是替代燃油车路径上的干道。氢燃料电池或许是“下一个百年”,但在当下,丰田的“氢之梦”仍步履维艰。摆在丰田面前最直接的问题,就是如何解决氢燃料电池成本高、加氢站少。

只有成本具有竞争力,才能够获取市场,曲高和寡并非企业长久的生存之道。丰田深知当前制氢方法在效率、环保方面、并没有把握完全胜过传统的化石能源和纯电动汽车,同样在不断尝试各种路径。

目前,制备氢气的几种主要方式包括氯碱工业副产氢、电解水制氢、化工原料制氢(甲醇裂解、乙醇裂解、液氨裂解等)、石化资源制氢(石油裂解、水煤气法等)和新型制氢方法(生物质、光化学等)。

据专业人士统计,从制氢工艺的成本和环保性能角度来看,氯碱制氢的工艺成本最为适中,在1.3-1.5元/Nm3之间,且所制取的氢气纯度高达99.99%,环保和安全性能也较好,是目前较为适宜的制氢方法。石油和天然气蒸汽重整制氢的成本和产量同样可观,约为0.7-1.6元/Nm3,能量转化率高达72%以上,但环保性不强,未来可以考虑通过碳捕捉技术减少碳排放。

“在未来与可再生能源发电紧密结合的条件下,水电解法制氢将发展成为氢气来源的主流路线。”国金证券研究所指出,目前水电解法制氢成本最高,在2.5-3.5元/Nm3之间,且成本在不断降低,碳排放量低,且在应用水力、潮汐、风能的情况下能量转化率高达70%以上。

日本不同制氢方法产能占比

2019年初,日本物质材料研究机构(NIMS)与东京大学和广岛大学合作,对光伏发电和蓄电池的制氢系统进行了技术经济效益评估,并认为,通过开发2030年前后完全可能实用化的、放电较慢但成本低廉的蓄电池,日本国内有望实现每立方米17-27日元(约1.04-1.64元人民币)的制氢成本。

另一个难点就是加氢站的建设,其成本远比建立加油站要高,而且在存储上的安全要求也比石油要高得多,这也制约了日本加氢站的普及。

据了解,根据加注氢气的能力计算,一天加注200公斤氢气的加氢站,目前需要1000万人民币左右的投入(不含土地成本)。目前日本计划在2025年建成320座加氢站,对于一心想大力普及氢燃料电池汽车的日本来说,现在远远不够,因为目前日本国内加油站数量超过3万座,充电桩超过4万座,加氢站没有一定的规模,根本无法取代传统燃油车。

此外,铂这一贵金属作为燃料电池反应堆中的催化剂,以目前的技术具有不可替代性。根据公开资料,现代NEXO氢燃料电池SUV的铂金用量是56克,技术较为先进的本田Mirai则需要15克铂。然而全球铂的年产量仅为90吨,即使把全球铂产量都用来造丰田Mirai氢燃料电池车,Mirai的产能也不过600万辆。

Mirai首席工程师YoshikazuTanaka曾表示:“丰田Mirai已从限量试生产转为大规模生产模式,并减少昂贵材料的使用量,比如氢燃料电池组当中使用的铂金。这不是简配,因为我们的目标是不变的——通过持续改进,让丰田氢燃料电池系统更紧凑、更强大。”

从丰田推出的Mirai2019款来看,搭载的氢燃料电池发电功率为114千瓦,体积功率密度为3.1千瓦/升,总重量56kg,容积37升。在两个储气罐全部加满后,拥有500km续航,最高车速可达200km/h,最吸引人的则是其3-5分钟加氢完毕的速度,在时长优势上完胜。而Mirai在日本最终补贴完之后,实际售价仅为人民币26万元,加氢价格仅为58.4元/公斤,已经具备了商业的竞争能力。

氢燃料电池的安全问题同样备受大众关注。氢气在氢能源汽车中均以液态形式存在,在存储罐内部会形成极高的压力,对储存装置的材料和设计有着很高的要求。其次,氢气是一种易燃易爆的气体,所以存储装置还要拥有很高的安全性和防爆功能。

在储能的安全性上,采用了能够承受70兆帕压力的储气罐,用碳纤维+凯夫拉(防弹衣面料)强化其抗撞击能力,经测试可以抵御轻型武器的子弹攻击。此外,在储氢罐探测到泄露时会自动关闭阀门,最大程度的避免了意外事件的发生。

很难说Mirai是目前丰田核心阵容的一部分,它更多代表的,是丰田在技术方面的未来。尽管氢燃料电池具备诸多的优点,然而当下并不具备普适性,在技术上同样远未达到终点。也许“下一个百年”属于丰田,但铺在通向氢能时代的红毯上,仍铭刻着“生存”。

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