中國儲能網(wǎng)訊：一邊是全球著名純電動車汽車制造商特斯拉上海工廠進(jìn)展超過預(yù)期，另一邊是全球著名燃料電池汽車生產(chǎn)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(jīng)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(yīng)，造車新勢力們惶恐之余開始陸續(xù)放棄“60km/h等速巡航”的宣傳標(biāo)語，孤注一擲求生存。
后者給仍未探頂風(fēng)口期的中國燃料電池產(chǎn)業(yè)來了一劑“強(qiáng)心劑”。與特斯拉入華一樣，全球燃料電池技術(shù)“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(jìn)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(xiàng)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(dá)成合意，將在福田生產(chǎn)及銷售的FC大巴上搭載采用豐田FC電堆等零部件的億華通FC系統(tǒng)。
與此同時，豐田與清華大學(xué)就成立“清華大學(xué)-豐田聯(lián)合研究院”一事達(dá)成合意，將開展為期5年的共同研究。豐田公司稱聯(lián)合研究院不僅限于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(shù)進(jìn)入中國早有端倪。去年外媒就曾爆出豐田將聯(lián)手吉利在中國首推氫燃料電池乘用車。當(dāng)然，時下中國化的氫燃料電池技術(shù)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(lián)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。
豐田在國內(nèi)的一系列舉動即是中日兩國政府落實(shí)去年李總理參觀豐田北海道工廠之后就加強(qiáng)兩國科學(xué)和技術(shù)合作的具體行動，也是豐田全球燃料電池技術(shù)布局的重要一環(huán)——燃料電池技術(shù)入華。
而豐田與國內(nèi)某商用車企業(yè)及某燃料電池解決方案供應(yīng)商合作的消息也在神州大地炸開了鍋。據(jù)國內(nèi)某供應(yīng)商稱，此次三方共推的首款產(chǎn)品基于各方在電堆、燃料電池動力系統(tǒng)、整車集成等方面的技術(shù)優(yōu)勢與產(chǎn)業(yè)積累。按照規(guī)劃，后續(xù)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(yīng)用場景提供更為優(yōu)質(zhì)的解決方案。相關(guān)人士也指出，此次合作有助于提升國內(nèi)氫能與燃料電池汽車的發(fā)展水平，推動產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。
當(dāng)中國正在推進(jìn)車用燃料電池產(chǎn)業(yè)化，豐田已經(jīng)宣布與日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)合作開發(fā)一款搭載豐田氫燃料電池技術(shù)的載人月球車，并計劃于2029年向月球發(fā)射。致力于在地球上打造氫社會的豐田，已將目標(biāo)瞄準(zhǔn)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于宇宙來說九牛一毛，對燃料電池就是國寶熊貓進(jìn)入東北，水土不服。月球晝夜溫差極大，白晝溫度高達(dá)150℃，黑夜低至零下180℃，月球上的一晝夜相當(dāng)于地球上28天，一晚上相當(dāng)于地球上的14天。這對于最佳工作溫度區(qū)間70~80℃的質(zhì)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，由于采用燃料電池技術(shù)，在月球表面行駛續(xù)航里程達(dá)到驚人的1萬公里，甚至還搭載了自動駕駛功能。
聯(lián)想到我國嫦娥三號月球車采用了同位素溫差發(fā)電機(jī)（RTG）和太陽能電池發(fā)電相結(jié)合的綜合發(fā)電技術(shù)。放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)利用同位素材料衰變過程中放出的熱量，進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)化。此熱電機(jī)也可被視為一種電池，被當(dāng)作一種能源裝設(shè)在人造衛(wèi)星、太空探測器與無人遙控設(shè)備上。
筆者雖然認(rèn)為豐田的月球氫能源計劃可能并不完美收官，但足以用月球這個實(shí)驗(yàn)室來驗(yàn)證和提高豐田的燃料電池技術(shù)。筆者有時候會腦補(bǔ)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?yàn)橛詈絾T需要它“送”水。
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(shù)據(jù)權(quán)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。一邊是瘋狂占領(lǐng)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(shù)專利體系免費(fèi)于眾。
2019年4月3日，豐田宣布開放其電動化技術(shù)相關(guān)專利，共涉及專利約23740件。本次公開的燃料電池領(lǐng)域?qū)＠s8070件，比2015年初公開的5680件燃料電池專利在數(shù)量上有了大幅增加。根據(jù)豐田的公開資料，在全部已公開的燃料電池專利中，占比最高的為燃料電池系統(tǒng)控制(52%)，其次為燃料電池堆(39%)，幾乎在全產(chǎn)業(yè)鏈上均進(jìn)行了專利布局。
1.豐田電堆入華，氫氣循環(huán)泵也隨之入華？
豐田Mirai燃料電池汽車在燃料電池系統(tǒng)上全球首次取消了加濕器，實(shí)現(xiàn)了電堆自增濕，極大減少了燃料電池系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)：1.薄膜化促進(jìn)電化學(xué)產(chǎn)物水反擴(kuò)散；2.氫氣循環(huán)系統(tǒng)(氫氣循環(huán)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(cè)氣體相對濕度。
上圖中，可以發(fā)現(xiàn)陽極側(cè)氫循環(huán)泵采用的是雙葉羅茨式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)。安裝氫氣循環(huán)泵的主要目的是提高燃料利用率、改善電堆水管理、增強(qiáng)自增濕性能。通俗來講，陽極側(cè)出口處未參與電化學(xué)反應(yīng)的氫氣可以循環(huán)至陽極入口側(cè)，提高燃料利用率；陽極側(cè)出口處的富余水蒸氣可以循環(huán)至比較干燥的陽極入口處。在燃料電池堆常溫運(yùn)行下，電控單元需要實(shí)時監(jiān)測電堆各片電池單體電壓、電堆阻抗、水含量等參數(shù)，根據(jù)目標(biāo)狀況(target point)實(shí)時調(diào)節(jié)氫氣循環(huán)支路中的流量和壓力等參數(shù)。
注意，據(jù)豐田公開資料，其對電堆內(nèi)部水含量的控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異低溫啟動性能的重要一環(huán)。系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)電堆水含量精確控制需要各個零部件之間協(xié)調(diào)工作，其中就包括氫氣循環(huán)泵。
因此，豐田燃料電池堆只有在和氫氣循環(huán)泵匹配使用下才能發(fā)揮出最佳的自增濕性能。作為設(shè)計上的改進(jìn)，Mirai氫氣循環(huán)泵電機(jī)配置在燃料電池電堆歧管的旁邊，可以利用歧管的冷卻機(jī)構(gòu)，使氫氣循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)了小型化。此外，氫氣循環(huán)泵的氣密性要求很高，由于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(nèi)氫氣循環(huán)泵嚴(yán)重依賴進(jìn)口，可以猜想，豐田燃料電池堆和氫氣循環(huán)泵一起進(jìn)入國內(nèi)是大概率事件。
2. 豐田電堆入華，空壓機(jī)也隨之入華？
燃料電池用空壓機(jī)需要滿足無油、低噪聲、低成本、小型化、工作范圍寬、動態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)。目前，國內(nèi)使用較多的離心式空壓機(jī)存在工作范圍較窄、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(jī)對超高速電機(jī)設(shè)計與制造、氣浮軸承、超高速電機(jī)控制器設(shè)計、散熱與轉(zhuǎn)子動力學(xué)集成技術(shù)等提出了很大的挑戰(zhàn)。通常，羅茨式空壓機(jī)的壓比效果不高，即便如此，豐田自動織機(jī)開發(fā)出了最大壓縮比為3的六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)。此外，該空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)了低負(fù)荷和高負(fù)荷狀態(tài)下的效率提升，相比渦旋式空壓機(jī)，低負(fù)荷時效率提高了14%，達(dá)50%以上，高負(fù)荷時效率達(dá)60%以上。羅茨式空壓機(jī)的耐久性要比其他空壓機(jī)都要高。注意，豐田空壓機(jī)和消音器是集成的。
3. 豐田電堆入華，系統(tǒng)控制也隨之入華？
根據(jù)豐田全部已公開的燃料電池專利中，占比最高的為燃料電池系統(tǒng)控制(52%)，其次為燃料電池堆(39%)。作為豐田的零部件供應(yīng)商，開發(fā)出指定技術(shù)目標(biāo)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(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要控制單元的精準(zhǔn)調(diào)控。怠速工況、加減速工況、電堆穩(wěn)壓技術(shù)或一致性技術(shù)、自增濕技術(shù)、吹掃技術(shù)、低溫啟動技術(shù)、水含量控制技術(shù)、流量和壓力解耦控制技術(shù)等不僅涉及到零部件的及時參與，還需要神經(jīng)中樞的高效計算和有效決策。以低溫啟動技術(shù)為例，豐田低溫啟動技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要空壓機(jī)根據(jù)當(dāng)前電堆所需加熱量精確提供“少量”空氣、實(shí)時水含量測量技術(shù)保持高功率輸出、相關(guān)閥門的有效配合實(shí)現(xiàn)陽極出口“消氫”。再比如豐田水含量控制技術(shù)，獨(dú)家采用以反應(yīng)氣傳質(zhì)阻力等效電池內(nèi)水含量，區(qū)別于傳統(tǒng)上只測量電堆高頻阻抗的做法。因此，如果僅僅只是相關(guān)零部件入華而控制軟硬件不引入，還是那個多項(xiàng)指標(biāo)宣稱world-first的豐田燃料電池嘛。可以猜想，系統(tǒng)控制軟體進(jìn)入國內(nèi)也是大概率事件。
綜上所述，豐田燃料電池入華的產(chǎn)品和技術(shù)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(tǒng)或“小型”燃料電池系統(tǒng)。
