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丰田的氢能源帝国
  • 发布日期:2018-06-12
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  • 信息来源:周纯粼

  2017年12月18日,丰田对外释放了一项电动化车型计划。丰田宣布:到2020年,将推出10款纯电动车型;到2025年,旗下所有车型均将推出电动版;到2030年,该公司超过1000万辆的总体销量至少一半是新能源汽车。其中,纯电动要超过100万辆。

  此举被外界解读为“这家热衷于氢燃料电池车的公司终于对全球趋势和部分特定地区法规妥协了”——不存在的。

  实际上,支撑上述计划的一项重要元素就是氢燃料电池车。

  “当人们问我在未来的10年、20年、30年会开什么车时,我总是回答说,肯定不只是某一种车型”,丰田汽车社长丰田章男说:“氢燃料汽车是丰田未来非常关键的一部分。”

  此番言论注定了丰田永远不可能“妥协”,也奠定了这家公司多元电动化战略的基调。

  以氢燃料电池车为终极环保愿景并非丰田灵光乍现得出的结论,而是有更深层次的原因。

  对于81岁的丰田而言,出生于日本这个石化能源有限的国家既是祸,也是福。稀少的能源储备量让包括丰田在内的诸多日本汽车制造商从数十年前就预见到了未来的能源形式。因此,以保护环境和维持可持续发展的社会为出发点的丰田在混合动力领域探索的意识超前于全球。

  几十年来,日本主要靠核能发电,但是2011年福岛核电站核泄漏使得日本政府不得不缩减核能的发电规模。随后,日本电价一直呈现上升状态,显然不依靠石油和电的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。

  另一方面,从技术角度而言,眼下火热的插电式混合动力和纯电动车的技术门槛远低于需要精密电量控制策略的油电混合动力。丰田深耕20余年的燃料电池技术同样依托其在油电混合动力领域的技术沉淀,后者的研发历史已经超过40年。

  在一份名为“混动普及之后的下一个挑战”的丰田内部PPT中,其明确指出,丰田的FCEV能从研发到量产“仅用”20年,很大程度上依托了混动技术的积累。

  同时,外界误以为丰田在EV领域是薄弱环节的刻板印象并不正确。丰田官网上,其首款量产的纯电动汽车的时间轴下明确地标注着“1992年”。

  从技术门槛由低至高排列,应该是PHEV/EV(插混/纯电动车)、HEV(油电混动车)、FCEV(燃料电池车)。

  虽然当下国内新能源汽车市场以纯电动汽车为主导,但对于氢燃料汽车的研究并未停止脚步。

  2017年的第二届国际燃料电池汽车大会上,科技部部长万钢指出,“氢能燃料电池技术创新正成为全球能源技术革命的重要方向,是各国未来能源战略的重要组成部分。在车用能源领域,氢能燃料电池被认为是实现车辆使用阶段‘零排放’、全生命周期‘低排放’的重要技术方案,是未来汽车产业技术竞争的制高点。”

  丰田在涉足燃料电池汽车的20多年里,其关注领域并不局限于车辆本身,更涵盖制氢、储存、运输、基础设施等各方面。而丰田的最终愿景也不局限于汽车行业,而是构建一个多种能源并存的社会。

  打造氢燃料电池车的目的简单来说就是清洁、安全、高效。

  从最初的制氢开始,最简单的方法就是电解水。水+电能=氢气+氧气+热量。太阳能、风能及海洋能等也可通过电制得氢气并用氢作为中间载能体来调节,贮存转化能量。

  煤炭作为中国主要能源形式,也可以通过焦化或气化的方法制成氢气。此外,通过天然气和轻质油制氢也被认为是一种可行的方法,其反应式为:CH4+H2O→CO+H2。

  除了上述方法以外,动物粪便和生活垃圾中也有相应方法可以提取氢气。因此,氢能源的获取相当简易。

  安全层面,普通的氢气拥有易挥发,不易爆炸的特性,在运输途中的危险性非常小。而将其压缩后装入“储氢瓶”中,电磁阀、安全阀、溢流阀、热熔栓、手动截止阀、温度传感器、压力传感器等辅助安全装置,不仅可以有效地解决氢气泄漏问题,还可以极大程度降低汽车剧烈碰撞时发生氢气爆炸的可能。

  以丰田的Mirai燃料电池车为例,其车内的两个储氢瓶可承受700个大气压(一个大气压为1.01*10^5帕)的压强。

  氢燃料电池车感知到火灾的威胁,氢气可以在非常短的时间内瞬间喷出,这种非常高压的状态下瞬间放出,可产生灭火的效果。

  效率层面,氢燃料电池的能源转化率为85%,相比当今世界最高的内燃机效率41%(丰田和马自达均可达到)高出了两倍不止。

  对于丰田而言,氢不仅可用于燃料电池车,更能用来构建氢能低碳社会。

  2017年10月,丰田汽车公司新事业企划部部长秦直道做了一项名为《构建低碳氢能供应链——地区一体化的可再生能源地产地消》的报告。其中阐述了丰田与日本环境省、神奈川县政府、日本环境技研等机构进行“以氢能构建低碳社会”的实证实验。

  该实验在横滨市和川崎市展开。具体制氢、储存、运输、使用流程可见下图。

  通过横滨市风力发电站获得的电参与水电解反应,并将氢能储存在特定储氢罐中,并通过简易型充氢车为京滨沿海地区的燃料电池叉车提供能量。

  在该实证项目中,该叉车被用于蔬果市场、冷藏仓库和物流仓库之间的货物流通。

  上述项目是丰田构建基于氢燃料的低碳社会做出尝试,主要服务于商用领域。

  而在乘用车领域,丰田在推出当前众所周知的Mirai氢燃料电池车之前,更是已经进行了多次的尝试和改良。

  从1992年开始研发,丰田在1996发布了首款FCEV,并在2002年率先在北美市场销售丰田FCHV车型。而2014年12月量产上市的Mirai已是丰田的“第五款”燃料电池车型。

  丰田官方对这款车的燃料电池系统的描述中提到,“该车采用以本公司自主研发的‘丰田燃料电池组’和高压储氢罐为中心的燃料电池技术以及融合混合动力技术的‘丰田燃料电池系统(TFCS)’”。

  其再度强调了燃料电池汽车脱胎于油电混合汽车(HEV)。这从某种程度上解释了为何眼下专攻插电混动汽车(PHEV)和纯电汽车(EV)的企业很难迅速攻坚燃料电池车的原因。

  关于MIRAI,首先从它的名字说起,其在日语里是未来的意思。MIRAI这个名字包含了“为了汽车、地球、以及子孙们的未来”的寓意。

  MIRAI的燃料电池系统组件从车头至尾部的排列顺序为:动力控制单元、电动机、升压转换器、燃料电池、高压储氢罐(大)、驱动用电池、高压储氢罐(小)。

  通过车前方进气格栅吸入的空气和高压储氢罐中的氢气进行化学反应(H2+1/2O2=H2O)产生水和电。燃料电池组发出的电和驱动电池的电来驱动电机,从而使车辆行驶。同时,驱动电池(镍氢电池)除了在加速时提供辅助能量以外,在减速时可将回收的能源储存起来。

  MIRAI的重要组件燃料电池是这款车的核心技术之一。相比丰田2008年研发的上一代电池组,新型燃料电池组的体积功率密度提升了2.2倍,从1.4kW/L(0.83kW/kg)提升到了3.2kW/L(2.0kW/kg)。同时,电池组提及从64L缩小到37L,重量从108kg减小到56kg。

  在系统中,升压变压器一般并不被描述在运行原理中,但其功能却无法忽视——利用比输入电压更高的电压获得输出的装置。这款装置可将燃料电池组的电压升至650V的小型高功率大容量变压器。

  MIRAI当前拥有700公里续航(JC08模式),最高车速175km/h,电机最大功率113kW,峰值扭矩335牛米。

  得益于碳纤维强化塑料层结构的储氢罐,MIRAI拥有更佳的储氢性能。同时,其充电效率也提高到了3分钟充满。

  MIRAI也可为建筑物内的空调、冰箱、电视等电器供电,最大输出功率9kW,储电量60kWh。

  眼下,全世界量产的燃料电池车只有3款,丰田MIRAI,本田Clarity,现代ix35 FCV。

  单从性能而言,本田新款燃料电池汽车Clarity与MIRAI处于同一水平,现代ix35 FCV相对落后,但后者在2017年上海车展展出的燃料电池概念车宣称量产后续航将达到800公里,超越当前的MIRAI和Clarity。

  虽然看似性能接近,但从系统布局可以看出3家车企理念的差异。Clarity与ix35 FCV均将燃料电池和电机集成在车头,而MIRAI则是将燃料电池安装在车地板下方。

  根据本田官方的描述,Clarity的布局今后可以更便捷地演变出PHEV和EV等车型。而MIRAI的开发理念则是专车专研。

  丰田(中国)执行副总经理董长征曾表示,“普锐斯的今天或许就是MIRAI的明天。”前者被认为是全球油电混动车的启蒙车型。而今天的丰田也正试图通过MIRAI引领燃料电池车行业的步伐。

  无独有偶,此后的一场活动中,丰田先进技术实验室主查表达了类似的观点。他说:“丰田的FCEV绝不是丰田孤立研究的一个单元,它与丰田的HEV车型在内部构造上可以说十分接近,如果说外界对于丰田HEV技术有多认可,从技术的角度讲就应该对FCEV汽车有多认可“。

  然而,即使氢燃料电池汽车拥有环保、高效、安全等特性,它仍会遇到其它新能源车落地时遇到的难题——基础设施、成本。

  当前,MIRAI的成本相比2008年时已经降低了95%,丰田的最终目标是将其成本降低到2008年时的1%。至此,MIRAI的销量截至今日合计大约为3000辆。

  在日本本土和北美市场小试牛刀后,丰田希望将这一终极环保车型推广到全球最大的汽车市场——中国。而在中国市场的表现将在很大程度上影响丰田是否能够实现“2020年产3万辆MIRAI”的目标。

  2017年10月30日,常熟市山塘街55号,丰田汽车启动了氢燃料电池车 MIRAI 在中国的实证实验,并将丰田在华的首个加氢站落成于此。

  相比于2006年普锐斯入华时国人对“混合动力”的陌生,眼下丰田MIRAI同样以新技术承载者的身份入华。

  不同的是,MIRAI的价格比12年前的普锐斯更亲民;国内对氢燃料电池车的政策也比当时对油电混动车更友好。

  上海与北京政策先行,已开始为燃料电池汽车产业铺设“地基”。

  今年9月份上海市科委发布《上海市燃料电池汽车发展规划》,为推进我国燃料电池汽车商业化发展,制定了近期、中期和长期目标。近期目标(2017-2020年)阶段,建设加氢站5-10座、乘用车示范区2个,运行规模达到3000辆,积极推动燃料电池公交、物流等车辆试点;中期目标(2021-2025年),建成加氢站50座,乘用车不少于2万辆、其它特种车辆不少于1万辆;长期目标(2026-2030年),实现上海燃料电池汽车全产业链年产值突破3000亿元,带动全国燃料电池产品的多元化应用。

  在全球其它国家,氢能源同样已经成为全社会努力打造的产业。例如,日本预计2018年建成120座加氢站,德国在2030年将建成超过1000座加氢站。

  日本作为氢燃料电池汽车的起点,今年3月由丰田领衔3家车企、5家基础设施公司、两家金融机构等共11家公司建立了日本加氢站网络公司(JHyM)。

  眼下,越来越多的汽车制造商们开始意识到氢燃料电池车的市场前景,但丰田在该领域独树一帜的优势表现为高于竞争对手的战略定位——打造氢能源社会。

  而当这一理念被提出后,跟随者们再极力为自己的商业行为打上“打造可持续发展社会”的标签也不再具备引起共鸣的能力。

  在氢燃料电池汽车乃至构建氢能低碳社会这项课题上,跟随者们的出发点想必与丰田非常不同了。


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