特寫|豐田的氫能源社會

2017年12月18日,豐田對外釋放了一項電動化車型計劃。豐田宣佈:到2020年,將推出10款純電動車型;到2025年,旗下所有車型均將推出電動版;到2030年,該公司超過1000萬輛的總體銷量至少一半是新能源汽車。其中,純電動要超過100萬輛。

此舉被外界解讀為“這家熱衷於氫燃料電池車的公司終於對全球趨勢和部分特定地區法規妥協了”——不存在的。

實際上,支撐上述計劃的一項重要元素就是氫燃料電池車。

“當人們問我在未來的10年、20年、30年會開什麼車時,我總是回答說,肯定不只是某一種車型”,豐田汽車社長豐田章男說:“氫燃料汽車是豐田未來非常關鍵的一部分。”

此番言論註定了豐田永遠不可能“妥協”,也奠定了這家公司多元電動化戰略的基調。

以氫燃料電池車為終極環保願景並非豐田靈光乍現得出的結論,而是有更深層次的原因。

對於81歲的豐田而言,出生於日本這個石化能源有限的國家既是禍,也是福。稀少的能源儲備量讓包括豐田在內的諸多日本汽車製造商從數十年前就預見到了未來的能源形式。因此,以保護環境和維持可持續發展的社會為出發點的豐田在混合動力領域探索的意識超前於全球。

幾十年來,日本主要靠核能發電,但是2011年福島核電站核洩漏使得日本政府不得不縮減核能的發電規模。隨後,日本電價一直呈現上升狀態,顯然不依靠石油和電的氫燃料電池汽車更符合日本市場的需求,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。因此,一個清潔高效、同時又能在本土製備的氫能源自然就成為了日本的第一能源目標。

另一方面,從技術角度而言,眼下火熱的插電式混合動力和純電動車的技術門檻遠低於需要精密電量控制策略的油電混合動力。豐田深耕20餘年的燃料電池技術同樣依託其在油電混合動力領域的技術沉澱,後者的研發歷史已經超過40年。

在一份名為“混動普及之後的下一個挑戰”的豐田內部PPT中,其明確指出,豐田的FCEV能從研發到量產“僅用”20年,很大程度上依託了混動技術的積累。

同時,外界誤以為豐田在EV領域是薄弱環節的刻板印象並不正確。豐田官網上,其首款量產的純電動汽車的時間軸下明確地標註著“1992年”。

從技術門檻由低至高排列,應該是PHEV/EV(插混/純電動車)、HEV(油電混動車)、FCEV(燃料電池車)。

雖然當下國內新能源汽車市場以純電動汽車為主導,但對於氫燃料汽車的研究並未停止腳步。

2017年的第二屆國際燃料電池汽車大會上,科技部部長萬鋼指出,“氫能燃料電池技術創新正成為全球能源技術革命的重要方向,是各國未來能源戰略的重要組成部分。在車用能源領域,氫能燃料電池被認為是實現車輛使用階段‘零排放’、全生命週期‘低排放’的重要技術方案,是未來汽車產業技術競爭的制高點。”

豐田在涉足燃料電池汽車的20多年裡,其關注領域並不侷限於車輛本身,更涵蓋制氫、儲存、運輸、基礎設施等各方面。而豐田的最終願景也不侷限於汽車行業,而是構建一個多種能源並存的社會。

打造氫燃料電池車的目的簡單來說就是清潔、安全、高效。

從最初的制氫開始,最簡單的方法就是電解水。水+電能=氫氣+氧氣+熱量。太陽能、風能及海洋能等也可通過電製得氫氣並用氫作為中間載能體來調節,貯存轉化能量。

煤炭作為中國主要能源形式,也可以通過焦化或氣化的方法制成氫氣。此外,通過天然氣和輕質油制氫也被認為是一種可行的方法,其反應式為:CH4+H2O→CO+H2。

除了上述方法以外,動物糞便和生活垃圾中也有相應方法可以提取氫氣。因此,氫能源的獲取相當簡易。

安全層面,普通的氫氣擁有易揮發,不易爆炸的特性,在運輸途中的危險性非常小。而將其壓縮後裝入“儲氫瓶”中,電磁閥、安全閥、溢流閥、熱熔栓、手動截止閥、溫度傳感器、壓力傳感器等輔助安全裝置,不僅可以有效地解決氫氣洩漏問題,還可以極大程度降低汽車劇烈碰撞時發生氫氣爆炸的可能。

以豐田的Mirai燃料電池車為例,其車內的兩個儲氫瓶可承受700個大氣壓(一個大氣壓為1.01*10^5帕)的壓強。

氫燃料電池車感知到火災的威脅,氫氣可以在非常短的時間內瞬間噴出,這種非常高壓的狀態下瞬間放出,可產生滅火的效果。

效率層面,氫燃料電池的能源轉化率為85%,相比當今世界最高的內燃機效率41%(豐田和馬自達均可達到)高出了兩倍不止。

對於豐田而言,氫不僅可用於燃料電池車,更能用來構建氫能低碳社會。

2017年10月,豐田汽車公司新事業企劃部部長秦直道做了一項名為《構建低碳氫能供應鏈——地區一體化的可再生能源地產地消》的報告。其中闡述了豐田與日本環境省、神奈川縣政府、日本環境技研等機構進行“以氫能構建低碳社會”的實證實驗。

該實驗在橫濱市和川崎市展開。具體制氫、儲存、運輸、使用流程可見下圖。

特写|丰田的氢能源社会

通過橫濱市風力發電站獲得的電參與水電解反應,並將氫能儲存在特定儲氫罐中,並通過簡易型充氫車為京濱沿海地區的燃料電池叉車提供能量。

在該實證項目中,該叉車被用於蔬果市場、冷藏倉庫和物流倉庫之間的貨物流通。

上述項目是豐田構建基於氫燃料的低碳社會做出嘗試,主要服務於商用領域。

而在乘用車領域,豐田在推出當前眾所周知的Mirai氫燃料電池車之前,更是已經進行了多次的嘗試和改良。

特写|丰田的氢能源社会

從1992年開始研發,豐田在1996發佈了首款FCEV,並在2002年率先在北美市場銷售豐田FCHV車型。而2014年12月量產上市的Mirai已是豐田的“第五款”燃料電池車型。

豐田官方對這款車的燃料電池系統的描述中提到,“該車採用以本公司自主研發的‘豐田燃料電池組’和高壓儲氫罐為中心的燃料電池技術以及融合混合動力技術的‘豐田燃料電池系統(TFCS)’”。

其再度強調了燃料電池汽車脫胎於油電混合汽車(HEV)。這從某種程度上解釋了為何眼下專攻插電混動汽車(PHEV)和純電汽車(EV)的企業很難迅速攻堅燃料電池車的原因。

關於MIRAI,首先從它的名字說起,其在日語裡是未來的意思。MIRAI這個名字包含了“為了汽車、地球、以及子孫們的未來”的寓意。

MIRAI的燃料電池系統組件從車頭至尾部的排列順序為:動力控制單元、電動機、升壓轉換器、燃料電池、高壓儲氫罐(大)、驅動用電池、高壓儲氫罐(小)。

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通過車前方進氣格柵吸入的空氣和高壓儲氫罐中的氫氣進行化學反應(H2+1/2O2=H2O)產生水和電。燃料電池組發出的電和驅動電池的電來驅動電機,從而使車輛行駛。同時,驅動電池(鎳氫電池)除了在加速時提供輔助能量以外,在減速時可將回收的能源儲存起來。

特写|丰田的氢能源社会

MIRAI的重要組件燃料電池是這款車的核心技術之一。相比豐田2008年研發的上一代電池組,新型燃料電池組的體積功率密度提升了2.2倍,從1.4kW/L(0.83kW/kg)提升到了3.2kW/L(2.0kW/kg)。同時,電池組提及從64L縮小到37L,重量從108kg減小到56kg。

在系統中,升壓變壓器一般並不被描述在運行原理中,但其功能卻無法忽視——利用比輸入電壓更高的電壓獲得輸出的裝置。這款裝置可將燃料電池組的電壓升至650V的小型高功率大容量變壓器。

MIRAI當前擁有700公里續航(JC08模式),最高車速175km/h,電機最大功率113kW,峰值扭矩335牛米。

得益於碳纖維強化塑料層結構的儲氫罐,MIRAI擁有更佳的儲氫性能。同時,其充電效率也提高到了3分鐘充滿。

特写|丰田的氢能源社会

MIRAI也可為建築物內的空調、冰箱、電視等電器供電,最大輸出功率9kW,儲電量60kWh。

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眼下,全世界量產的燃料電池車只有3款,豐田MIRAI,本田Clarity,現代ix35 FCV。

單從性能而言,本田新款燃料電池汽車Clarity與MIRAI處於同一水平,現代ix35 FCV相對落後,但後者在2017年上海車展展出的燃料電池概念車宣稱量產後續航將達到800公里,超越當前的MIRAI和Clarity。

特写|丰田的氢能源社会

雖然看似性能接近,但從系統佈局可以看出3家車企理念的差異。Clarity與ix35 FCV均將燃料電池和電機集成在車頭,而MIRAI則是將燃料電池安裝在車地板下方。

特写|丰田的氢能源社会

根據本田官方的描述,Clarity的佈局今後可以更便捷地演變出PHEV和EV等車型。而MIRAI的開發理念則是專車專研。

豐田(中國)執行副總經理董長征曾表示,“普銳斯的今天或許就是MIRAI的明天。”前者被認為是全球油電混動車的啟蒙車型。而今天的豐田也正試圖通過MIRAI引領燃料電池車行業的步伐。

無獨有偶,此後的一場活動中,豐田先進技術實驗室主查表達了類似的觀點。他說:“豐田的FCEV絕不是豐田孤立研究的一個單元,它與豐田的HEV車型在內部構造上可以說十分接近,如果說外界對於豐田HEV技術有多認可,從技術的角度講就應該對FCEV汽車有多認可“。

然而,即使氫燃料電池汽車擁有環保、高效、安全等特性,它仍會遇到其它新能源車落地時遇到的難題——基礎設施、成本。

當前,MIRAI的成本相比2008年時已經降低了95%,豐田的最終目標是將其成本降低到2008年時的1%。至此,MIRAI的銷量截至今日合計大約為3000輛。

在日本本土和北美市場小試牛刀後,豐田希望將這一終極環保車型推廣到全球最大的汽車市場——中國。而在中國市場的表現將在很大程度上影響豐田是否能夠實現“2020年產3萬輛MIRAI”的目標。

2017年10月30日,常熟市山塘街55號,豐田汽車啟動了氫燃料電池車 MIRAI 在中國的實證實驗,並將豐田在華的首個加氫站落成於此。

相比於2006年普銳斯入華時國人對“混合動力”的陌生,眼下豐田MIRAI同樣以新技術承載者的身份入華。

不同的是,MIRAI的價格比12年前的普銳斯更親民;國內對氫燃料電池車的政策也比當時對油電混動車更友好。

上海與北京政策先行,已開始為燃料電池汽車產業鋪設“地基”。

今年9月份上海市科委發佈《上海市燃料電池汽車發展規劃》,為推進我國燃料電池汽車商業化發展,制定了近期、中期和長期目標。近期目標(2017-2020年)階段,建設加氫站5-10座、乘用車示範區2個,運行規模達到3000輛,積極推動燃料電池公交、物流等車輛試點;中期目標(2021-2025年),建成加氫站50座,乘用車不少於2萬輛、其它特種車輛不少於1萬輛;長期目標(2026-2030年),實現上海燃料電池汽車全產業鏈年產值突破3000億元,帶動全國燃料電池產品的多元化應用。

在全球其它國家,氫能源同樣已經成為全社會努力打造的產業。例如,日本預計2018年建成120座加氫站,德國在2030年將建成超過1000座加氫站。

日本作為氫燃料電池汽車的起點,今年3月由豐田領銜3家車企、5家基礎設施公司、兩家金融機構等共11家公司建立了日本加氫站網絡公司(JHyM)。

眼下,越來越多的汽車製造商們開始意識到氫燃料電池車的市場前景,但豐田在該領域獨樹一幟的優勢表現為高於競爭對手的戰略定位——打造氫能源社會。

而當這一理念被提出後,跟隨者們再極力為自己的商業行為打上“打造可持續發展社會”的標籤也不再具備引起共鳴的能力。

在氫燃料電池汽車乃至構建氫能低碳社會這項課題上,跟隨者們的出發點想必與豐田非常不同了。


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