丰田燃料电池入华 “狼来了”是危机还是转机？

一边是全球著名纯电动车汽车制造商特斯拉上海工厂进展超过预期,另一边是全球著名燃料电池汽车生产商丰田与北汽福田及亿华通合作将在中国市场推出搭载丰田FC电堆等零部件的燃料电池大巴。

前者已经无疑拉开了中国新能源汽车市场空前的竞争格局和新一轮洗牌效应,造车新势力们惶恐之余开始陆续放弃“60km/h等速巡航”的宣传标语,孤注一掷求生存。

后者给仍未探顶风口期的中国燃料电池产业来了一剂“强心剂”。与特斯拉入华一样,全球燃料电池技术“带头大哥”丰田的入场方式也颇具震撼力。丰田公司宣称,丰田汽车公司为促进氢燃料电池汽车(FCV)在中国的普及,将开始向中国的商用车厂商提供氢燃料电池组件。作为首个合作项目,丰田与北汽福田汽车股份有限公司及北京亿华通科技股份有限公司达成合意,将在福田生产及销售的FC大巴上搭载采用丰田FC电堆等零部件的亿华通FC系统。

与此同时,丰田与清华大学就成立“清华大学-丰田联合研究院”一事达成合意,将开展为期5年的共同研究。丰田公司称联合研究院不仅限于研究中国顾客所喜爱的汽车,还将共同探讨如氢燃料的积极活用等。

丰田燃料电池技术进入中国早有端倪。去年外媒就曾爆出丰田将联手吉利在中国首推氢燃料电池乘用车。当然,时下中国化的氢燃料电池技术使用场景首选为大巴等商用车。不难推测,未来丰田将与吉利“联姻”,共同推出燃料电池乘用车。彼时,中国有可能形成“北有丰田燃料电池商用车,南有丰田燃料电池乘用车”的格局。

丰田在国内的一系列举动即是中日两国政府落实去年李总理参观丰田北海道工厂之后就加强两国科学和技术合作的具体行动,也是丰田全球燃料电池技术布局的重要一环——燃料电池技术入华。

而丰田与国内某商用车企业及某燃料电池解决方案供应商合作的消息也在神州大地炸开了锅。据国内某供应商称,此次三方共推的首款产品基于各方在电堆、燃料电池动力系统、整车集成等方面的技术优势与产业积累。按照规划,后续还将推出其他氢燃料电池车型,为中国氢燃料电池汽车不同应用场景提供更为优质的解决方案。相关人士也指出,此次合作有助于提升国内氢能与燃料电池汽车的发展水平,推动产业实现跨越式发展。

当中国正在推进车用燃料电池产业化,丰田已经宣布与日本宇宙航空研究开发机构合作开发一款搭载丰田氢燃料电池技术的载人月球车,并计划于2029年向月球发射。致力于在地球上打造氢社会的丰田,已将目标瞄准了38.4万千米外的月球,企图在月球上也拔得头筹。

38.4万千米的距离对于宇宙来说九牛一毛,对燃料电池就是国宝熊猫进入东北,水土不服。月球昼夜温差极大,白昼温度高达150℃,黑夜低至零下180℃,月球上的一昼夜相当于地球上28天,一晚上相当于地球上的14天。这对于最佳工作温度区间70~80℃的质子交换膜燃料电池来说,白昼会“”中暑”,黑夜会“冻伤”。

丰田与JAXA合作的月球车,全长6米,宽5米,高3.8米,由于采用燃料电池技术,在月球表面行驶续航里程达到惊人的1万公里,甚至还搭载了自动驾驶功能。

联想到我国嫦娥三号月球车采用了同位素温差发电机(RTG)和太阳能电池发电相结合的综合发电技术。放射性同位素热电发电机利用同位素材料衰变过程中放出的热量,进行热电转化。此热电机也可被视为一种电池,被当作一种能源装设在人造卫星、太空探测器与无人遥控设备上。

笔者虽然认为丰田的月球氢能源计划可能并不完美收官,但足以用月球这个实验室来验证和提高丰田的燃料电池技术。笔者有时候会脑补月球上的氢社会:月球上宇航员不仅需要呼吸氧气,燃料电池也需要呼吸氧气,但宇航员也不会讨厌燃料电池和其争食氧气,因为宇航员需要它“送”水。

再来看一波丰田Mirai燃料电池汽车在其全球重要市场-美国的销量情况(数据权威)。自2015年开始,Mirai在美国的销量分别为72、1034、1838、1700辆,最新2019年3月销售量为176辆。一边是疯狂占领全球燃料电池乘用车市场,另一边又将其庞大的燃料电池技术专利体系免费于众。

2019年4月3日,丰田宣布开放其电动化技术相关专利,共涉及专利约23740件。本次公开的燃料电池领域专利约8070件,比2015年初公开的5680件燃料电池专利在数量上有了大幅增加。根据丰田的公开资料,在全部已公开的燃料电池专利中,占比最高的为燃料电池系统控制(52%),其次为燃料电池堆(39%),几乎在全产业链上均进行了专利布局。

1.丰田电堆入华,氢气循环泵也随之入华?

丰田Mirai燃料电池汽车在燃料电池系统上全球首次取消了加湿器,实现了电堆自增湿,极大减少了燃料电池系统的体积和重量。如下图所示,Mirai燃料电池堆的自增湿性能主要通过以下四个方面实现:1.薄膜化促进电化学产物水反扩散;2.氢气循环系统(氢气循环泵)中增加了阳极入口到出口的水蒸气含量;3.空气和氢气的逆流形式;4.增加阴极入口冷却液流量,抑制温度升高,增加阴极入口侧气体相对湿度。

上图中,可以发现阳极侧氢循环泵采用的是双叶罗茨式压缩机结构。安装氢气循环泵的主要目的是提高燃料利用率、改善电堆水管理、增强自增湿性能。通俗来讲,阳极侧出口处未参与电化学反应的氢气可以循环至阳极入口侧,提高燃料利用率;阳极侧出口处的富余水蒸气可以循环至比较干燥的阳极入口处。在燃料电池堆常温运行下,电控单元需要实时监测电堆各片电池单体电压、电堆阻抗、水含量等参数,根据目标状况(target point)实时调节氢气循环支路中的流量和压力等参数。

注意,据丰田公开资料,其对电堆内部水含量的控制技术是实现其优异低温启动性能的重要一环。系统层面实现电堆水含量精确控制需要各个零部件之间协调工作,其中就包括氢气循环泵。

因此,丰田燃料电池堆只有在和氢气循环泵匹配使用下才能发挥出最佳的自增湿性能。作为设计上的改进,Mirai氢气循环泵电机配置在燃料电池电堆歧管的旁边,可以利用歧管的冷却机构,使氢气循环泵实现了小型化。此外,氢气循环泵的气密性要求很高,由于工作在水气两种成分条件下,需要解决防腐和可靠性等课题。目前国内氢气循环泵严重依赖进口,可以猜想,丰田燃料电池堆和氢气循环泵一起进入国内是大概率事件。

2. 丰田电堆入华,空压机也随之入华?

燃料电池用空压机需要满足无油、低噪声、低成本、小型化、工作范围宽、动态响应快等特点。目前,国内使用较多的离心式空压机存在工作范围较窄、效率较低等问题,不适合流量太小及压比较低等工况。此外,离心式空压机对超高速电机设计与制造、气浮轴承、超高速电机控制器设计、散热与转子动力学集成技术等提出了很大的挑战。通常,罗茨式空压机的压比效果不高,即便如此,丰田自动织机开发出了最大压缩比为3的六叶螺旋罗茨式空压机。此外,该空压机实现了低负荷和高负荷状态下的效率提升,相比涡旋式空压机,低负荷时效率提高了14%,达50%以上,高负荷时效率达60%以上。罗茨式空压机的耐久性要比其他空压机都要高。注意,丰田空压机和消音器是集成的。

3. 丰田电堆入华,系统控制也随之入华?

根据丰田全部已公开的燃料电池专利中,占比最高的为燃料电池系统控制(52%),其次为燃料电池堆(39%)。作为丰田的零部件供应商,开发出指定技术目标的单个零部件只是万里长征第一步。接下来,包含各个零部件的集成高效工作和相关技术的实现需要控制单元的精准调控。怠速工况、加减速工况、电堆稳压技术或一致性技术、自增湿技术、吹扫技术、低温启动技术、水含量控制技术、流量和压力解耦控制技术等不仅涉及到零部件的及时参与,还需要神经中枢的高效计算和有效决策。以低温启动技术为例,丰田低温启动技术的实现需要空压机根据当前电堆所需加热量精确提供“少量”空气、实时水含量测量技术保持高功率输出、相关阀门的有效配合实现阳极出口“消氢”。再比如丰田水含量控制技术,独家采用以反应气传质阻力等效电池内水含量,区别于传统上只测量电堆高频阻抗的做法。因此,如果仅仅只是相关零部件入华而控制软硬件不引入,还是那个多项指标宣称world-first的丰田燃料电池嘛。可以猜想,系统控制软体进入国内也是大概率事件。

综上所述,丰田燃料电池入华的产品和技术不仅仅只是电堆,而是一个集高比功率、自增湿、高耐久性、极端低温启动能力等一身的“半”燃料电池系统或“小型”燃料电池系统。