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大发快3注册:「帶頭大哥」豐田燃料電池入華:是危機還是轉機?

張穎穎2019/05/10焉知新能源汽車

一邊是全球著名純電動車汽車製造商特斯拉上海工廠進展超過預期,另一邊是全球著名燃料電池汽車生產商豐田與北汽福田及億華通合作將在中國市場推出搭載豐田FC電堆等零部件的燃料電池大巴。

前者已經無疑拉開了中國新能源汽車市場空前的競爭格局和新一輪洗牌效應,造車新勢力們惶恐之餘開始陸續放棄「60km/h等速巡航」的宣傳標語,孤注一擲求生存。

後者給仍未探頂風口期的中國燃料電池產業來了一劑「強心劑」。與特斯拉入華一樣,全球燃料電池技術「帶頭大哥」豐田的入場方式也頗具震撼力。

豐田公司宣稱,豐田汽車公司為促進氫燃料電池汽車(FCV)在中國的普及,將開始向中國的商用車廠商提供氫燃料電池組件。作為首個合作項目,豐田與北汽福田汽車股份有限公司及北京億華通科技股份有限公司達成合意,將在福田生產及銷售的FC大巴上搭載採用豐田FC電堆等零部件的億華通FC系統。

與此同時,豐田與清華大學就成立「清華大學-豐田聯合研究院」一事達成合意,將開展為期5年的共同研究。豐田公司稱聯合研究院不僅限於研究中國顧客所喜愛的汽車,還將共同探討如氫燃料的積極活用等。

豐田燃料電池技術進入中國早有端倪。去年外媒就曾爆出豐田將聯手吉利在中國首推氫燃料電池乘用車。當然,時下中國化的氫燃料電池技術使用場景首選為大巴等商用車。不難推測,未來豐田將與吉利「聯姻」,共同推出燃料電池乘用車。彼時,中國有可能形成「北有豐田燃料電池商用車,南有豐田燃料電池乘用車」的格局。豐田已來。。。。。

豐田在國內的一系列舉動即是中日兩國政府落實去年李總理參觀豐田北海道工廠之後就加強兩國科學和技術合作的具體行動,也是豐田全球燃料電池技術布局的重要一環-燃料電池技術入華。

而豐田與國內某商用車企業及某燃料電池解決方案供應商合作的消息也在神州大地炸開了鍋。據國內某供應商稱,此次三方共推的首款產品基於各方在電堆、燃料電池動力系統、整車集成等方面的技術優勢與產業積累。

按照規劃,後續還將推出其他氫燃料電池車型,為中國氫燃料電池汽車不同應用場景提供更為優質的解決方案。相關人士也指出,此次合作有助於提升國內氫能與燃料電池汽車的發展水平,推動產業實現跨越式發展。

當中國正在推進車用燃料電池產業化,豐田已經宣布與日本宇宙航空研究開發機構合作開發一款搭載豐田氫燃料電池技術的載人月球車,並計劃於2029年向月球發射。致力於在地球上打造氫社會的豐田,已將目標瞄準了38.4萬千米外的月球,企圖在月球上也拔得頭籌。

38.4萬千米的距離對於宇宙來說九牛一毛,對燃料電池就是國寶熊貓進入東北,水土不服。月球晝夜溫差極大,白晝溫度高達150℃,黑夜低至零下180℃,月球上的一晝夜相當於地球上28天,一晚上相當於地球上的14天。這對於最佳工作溫度區間70~80℃的質子交換膜燃料電池來說,白晝會「」中暑」,黑夜會「凍傷」。

豐田與JAXA合作的月球車,全長6米,寬5米,高3.8米,由於採用燃料電池技術,在月球表面行駛續航里程達到驚人的1萬公里,甚至還搭載了自動駕駛功能。

聯想到我國嫦娥三號月球車採用了同位素溫差發電機(RTG)和太陽能電池發電相結合的綜合發電技術。放射性同位素熱電發電機利用同位素材料衰變過程中放出的熱量,進行熱電轉化。此熱電機也可被視為一種電池,被當作一種能源裝設在人造衛星、太空探測器與無人遙控設備上。

筆者雖然認為豐田的月球氫能源計劃可能並不完美收官,但足以用月球這個實驗室來驗證和提高豐田的燃料電池技術。筆者有時候會腦補月球上的氫社會:月球上宇航員不僅需要呼吸氧氣,燃料電池也需要呼吸氧氣,但宇航員也不會討厭燃料電池和其爭食氧氣,因為宇航員需要它「送」水。

豐田Mirai燃料電池汽車美國銷量

再來看一波豐田Mirai燃料電池汽車在其全球重要市場-美國的銷量情況(數據權威)。自2015年開始,Mirai在美國的銷量分別為72、1034、1838、1700輛,最新2019年3月銷售量為176輛。一邊是瘋狂佔領全球燃料電池乘用車市場,另一邊又將其龐大的燃料電池技術專利體系免費于眾。

2019年4月3日,豐田宣布開放其電動化技術相關專利,共涉及專利約23740件。

本次公開的燃料電池領域專利約8070件,比2015年初公開的5680件燃料電池專利在數量上有了大幅增加。根據豐田的公開資料,在全部已公開的燃料電池專利中,佔比最高的為燃料電池系統控制(52%),其次為燃料電池堆(39%),幾乎在全產業鏈上均進行了專利布局。

1.豐田電堆入華,氫氣循環泵也隨之入華?

豐田Mirai燃料電池汽車在燃料電池系統上全球首次取消了加濕器,實現了電堆自增濕,極大減少了燃料電池系統的體積和重量。

如下圖所示,Mirai燃料電池堆的自增濕性能主要通過以下四個方面實現:1.薄膜化促進電化學產物水反擴散;2.氫氣循環系統(氫氣循環泵)中增加了陽極入口到出口的水蒸氣含量;3.空氣和氫氣的逆流形式;4.增加陰極入口冷卻液流量,抑制溫度升高,增加陰極入口側氣體相對濕度。

豐田Mirai電堆自增濕實現示意

上圖中,可以發現陽極側氫循環泵採用的是雙葉羅茨式壓縮機結構。安裝氫氣循環泵的主要目的是提高燃料利用率、改善電堆水管理、增強自增濕性能。通俗來講,陽極側出口處未參与電化學反應的氫氣可以循環至陽極入口側,提高燃料利用率;陽極側出口處的富餘水蒸氣可以循環至比較乾燥的陽極入口處。在燃料電池堆常溫運行下,電控單元需要實時監測電堆各片電池單體電壓、電堆阻抗、水含量等參數,根據目標狀況(target point)實時調節氫氣循環支路中的流量和壓力等參數。

注意,據豐田公開資料,其對電堆內部水含量的控制技術是實現其優異低溫啟動性能的重要一環。系統層面實現電堆水含量精確控制需要各個零部件之間協調工作,其中就包括氫氣循環泵。因此,豐田燃料電池堆只有在和氫氣循環泵匹配使用下才能發揮出最佳的自增濕性能。作為設計上的改進,Mirai氫氣循環泵電機配置在燃料電池電堆歧管的旁邊,可以利用歧管的冷卻機構,使氫氣循環泵實現了小型化。此外,氫氣循環泵的氣密性要求很高,由於工作在水氣兩種成分條件下,需要解決防腐和可靠性等課題。

目前國內氫氣循環泵嚴重依賴進口,可以猜想,豐田燃料電池堆和氫氣循環泵一起進入國內是大概率事件。

Mirai氫氣循環泵實物圖

2.豐田電堆入華,空壓機也隨之入華?

燃料電池用空壓機需要滿足無油、低噪聲、低成本、小型化、工作範圍寬、動態響應快等特點。目前,國內使用較多的離心式空壓機存在工作範圍較窄、效率較低等問題,不適合流量太小及壓比較低等工況。

此外,離心式空壓機對超高速電機設計與製造、氣浮軸承、超高速電機控制器設計、散熱與轉子動力學集成技術等提出了很大的挑戰。通常,羅茨式空壓機的壓比效果不高,即便如此,豐田自動織機開發出了最大壓縮比為3的六葉螺旋羅茨式空壓機。

此外,該空壓機實現了低負荷和高負荷狀態下的效率提升,相比渦旋式空壓機,低負荷時效率提高了14%,達50%以上,高負荷時效率達60%以上。羅茨式空壓機的耐久性要比其他空壓機都要高。目前國內高比功率燃料電池用空壓機嚴重依賴進口,可以猜想,豐田燃料電池堆和氫氣循環泵一起進入國內是大概率事件。注意,豐田空壓機和消音器是集成的。

Mirai六葉螺旋羅茨式空壓機外觀

3.豐田電堆入華,系統控制也隨之入華?

根據豐田全部已公開的燃料電池專利中,佔比最高的為燃料電池系統控制(52%),其次為燃料電池堆(39%)。

作為豐田的零部件供應商,開發出指定技術目標的單個零部件只是萬里長征第一步。接下來,包含各個零部件的集成高效工作和相關技術的實現需要控制單元的精準調控。怠速工況、加減速工況、電堆穩壓技術或一致性技術、自增濕技術、吹掃技術、低溫啟動技術、水含量控制技術、流量和壓力解耦控制技術等不僅涉及到零部件的及時參与,還需要神經中樞的高效計算和有效決策。

以低溫啟動技術為例,豐田低溫啟動技術的實現需要空壓機根據當前電堆所需加熱量精確提供「少量」空氣、實時水含量測量技術保持高功率輸出、相關閥門的有效配合實現陽極出口「消氫」。再比如豐田水含量控制技術,獨家採用以反應氣傳質阻力等效電池內水含量,區別於傳統上只測量電堆高頻阻抗的做法。

因此,如果僅僅只是相關零部件入華而控制軟硬件不引入,還是那個多項指標宣稱world-first的豐田燃料電池嘛。可以猜想,系統控制軟體進入國內也是大概率事件。

綜上所述,豐田燃料電池入華的產品和技術不僅僅只是電堆,而是一個集高比功率、自增濕、高耐久性、極端低溫啟動能力等一身的「半」燃料電池系統或「小型」燃料電池系統。

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豐田,特斯拉,電池,行業分析
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