丰田燃料电池入华：“狼来了”是危机还是转机？

一方面，全球知名纯电动汽车制造商特斯拉的上海工厂取得了超出预期的进展，另一方面，全球知名燃料电池汽车制造商丰田将与北汽福田和易华通合作，在中国市场推出搭载丰田FC stack等组件的燃料电池客车。前者无疑开启了中国新能源汽车市场前所未有的竞争格局和新一轮洗牌效应。造车新势力在恐惧中开始陆续放弃“60km/h等速巡航”的宣传口号，孤注一掷以求生存。后者给还未登峰造极的中国燃料电池产业打了一针“强心剂”。和特斯拉入华一样，全球燃料电池技术的“带头大哥”丰田也颇为震撼。丰田宣布，为促进氢燃料电池汽车(FCV)在中国的普及，丰田汽车公司将开始向中国的商用车制造商提供氢燃料电池组件。作为首个合作项目，丰田已与北汽福田汽车有限公司、北京易华通科技有限公司达成协议，在福田生产销售的FC客车上搭载带有丰田FC stack等组件的易华通FC系统。同时，丰田与清华大学就成立“清华大学-丰田联合研究院”达成协议，将开展为期5年的联合研究。丰田表示，联合研究所不仅将研究中国顾客喜欢的汽车，还将讨论积极使用氢燃料。丰田燃料电池技术进入中国已久。去年有外媒报道，丰田将联手吉利在中国推出首款氢燃料电池乘用车。当然，在中国使用氢燃料电池技术的首选是公交车等商用车。不难推测，丰田未来将“联姻”吉利，共同推出燃料电池乘用车。届时，中国有可能形成“北方丰田燃料电池商用车，南方丰田燃料电池乘用车”的格局。丰田来了。。。。。丰田在中国的一系列举动，是去年李总理视察丰田北海道工厂后，中日两国政府加强两国科技合作的具体行动，也是丰田全球燃料电池技术布局的重要一环——燃料电池技术进入中国。丰田与国内某商用车企业和某燃料电池解决方案供应商合作的消息也在国内炸开了锅。据国内某供应商介绍，三方联合推广的首款产品，是基于各方在电堆、燃料电池动力系统、整车集成等方面的技术优势和产业积累。根据计划，未来还将推出其他氢燃料电池汽车，为中国氢燃料电池汽车的不同应用场景提供更好的解决方案。相关人士还指出，此次合作将有助于提升国内氢能和燃料电池汽车的发展水平，推动行业跨越式发展。在中国推进车用燃料电池产业化的同时，丰田宣布将与JAXA合作开发搭载丰田氢燃料电池技术的载人月球车，并计划于2029年发射到月球。致力于在地球上建立氢社会的丰田公司将目标瞄准了38.4万公里外的月球，企图夺得月球第一。38.4万公里的距离对于宇宙来说是九根牛一毛，而燃料电池国宝熊猫进入东北，水土不服。月球上昼夜温差极大，白天温度高达150℃，夜晚低至-180℃。月球上的一昼夜相当于地球上的28天，一夜相当于地球上的14天。对于最佳工作温度范围为70~80℃的质子交换膜燃料电池，白天会中暑，晚上会冻伤。丰田的JAXA月球车长6米，宽5米，高3.8米。得益于燃料电池技术，在月球表面的续航里程达到了惊人的1万公里，甚至还配备了自动驾驶功能。中国嫦娥三号月球车采用了综合发电技术……同位素温差发电机(RTG)和太阳能电池发电。放射性同位素热电发生器利用同位素物质衰变时释放的热量进行热电转换。这种热力发动机也可以看作是电池，安装在卫星、太空探测器和无人遥控设备上作为能源。虽然笔者认为丰田的月球氢能计划可能并不完美，但以月球为实验室来验证和完善丰田的燃料电池技术就足够了。作者有时会补充月球上的氢社会:月球上的宇航员不仅需要呼吸氧气，燃料电池也需要呼吸氧气，但宇航员不会讨厌燃料电池及其对氧气的竞争，因为宇航员需要它来“送”水。丰田Mirai未来组合燃料电池汽车在美国的销量我们来看看丰田Mirai未来组合燃料电池汽车在全球重要市场美国的销量(数据权威)。自2015年以来，Mirai未来组合在美国的销量分别为72辆、1034辆、1838辆和1700辆，2019年3月的最新销量为176辆。一方面疯狂占领全球燃料电池乘用车市场，另一方面将其庞大的燃料电池技术专利体系免费向公众开放。2019年4月3日，丰田宣布开放其电气化技术相关专利，涉及专利约23740项。此次公开的燃料电池领域专利约有8070项，与2015年初公开的燃料电池领域专利5680项相比，数量大幅增加。根据丰田的公开资料，在所有公布的燃料电池专利中，燃料电池系统控制占比最高(52%)，其次是燃料电池堆(39%)，几乎所有专利都在全产业链进行了布局。1.丰田电动反应器进入中国，氢循环泵也进入了中国？丰田Mirai未来组合燃料电池汽车在世界上首次在燃料电池系统上取消了加湿器，实现了电堆的自加湿，大大减小了燃料电池系统的体积和重量。如下图所示，Mirai未来组合燃料电池堆的自增湿性能主要通过以下四个方面实现:1 .变薄促进了电化学产物水的反向扩散；2.氢循环系统(氢循环泵)中从阳极入口到出口的水蒸气含量增加；3.空气和氢气的逆流形式；4.增加阴极入口处的冷却剂流量，抑制温度上升，并增加阴极入口侧的气体相对湿度。在丰田Mirai未来组合电堆实现自增湿的示意图中，可以发现阳极侧的氢循环泵采用双叶罗茨压缩机结构。安装氢循环泵的主要目的是提高燃料利用率，改善电堆的水管理，增强自增湿性能。一般来说，阳极侧出口处不参与电化学反应的氢气可以循环到阳极的入口侧，提高燃料利用率；阳极侧出口处过量的水蒸气可以再循环到相对干燥的阳极入口。当燃料电池堆在室温下运行时，电控单元需要实时监测堆的电池电压、堆阻抗、含水量等参数，并根据目标点实时调整氢气循环支路中的流量、压力等参数。注意，根据丰田的公开资料，其对堆内含水量的控制技术是实现其优异低温启动性能的重要一环。在系统级精确控制电池堆中的水含量需要所有组件的协调，包括氢循环泵。因此，丰田燃料电池堆只有与氢循环泵匹配才能发挥最佳的自增湿性能。作为设计上的改进，Mirai未来组合氢循环泵电机设置在燃料电池堆的歧管旁边，利用歧管的冷却机制可以使氢循环泵小型化。另外，氢循环泵的气密性要求很高，因为是在水和气的条件下工作，所以需要解决防腐和可靠性的问题。目前，国内氢循环泵严重依赖进口。可以猜测，丰田燃料电池堆和氢循环泵一起进入中国是大概率事件。Mirai未来组合氢循环泵实物图2。丰田电动电抗器入华，空压机也入华？燃料电池用空气压缩机需要满足无油、低噪声、低成本、小型化、宽工作范围和快速动态响应的特性。目前国内广泛使用的离心式空气压缩机存在工作范围窄、效率低等问题，不适应流量过小、压力低等工况。此外，离心式空气压缩机对超高速电机、空气轴承、超高速电机控制器设计、散热和转子动力学一体化技术的设计和制造提出了巨大挑战。通常情况下，罗茨空气压缩机的压比效应并不高。即便如此，丰田自动织布机还是研发出了六叶螺旋罗茨空气压缩机，最大压缩比为3。此外，空气压缩机在低负载和高负载下的效率得到提高。与涡旋式空压机相比，低负荷时效率提高14%，达到50%以上，高负荷时达到60%以上。罗茨空气压缩机比其他空气压缩机更耐用。目前，国内高比功率燃料电池用空气压缩机严重依赖进口。可以猜测，丰田燃料电池堆和氢循环泵一起进入中国是大概率事件。注意丰田空压机和消音器是一体的。Mirai未来组合六叶螺旋罗茨空气压缩机外观3。丰田电反应堆进入中国，系统控制也是这样吗？在丰田所有公布的燃料电池专利中，燃料电池系统控制占比最高(52%)，其次是燃料电池堆(39%)。作为丰田的零部件供应商，开发具有指定技术目标的单一零部件只是万里长征的第一步。接下来，包括各种组件和相关技术的实现在内的集成和高效工作需要控制单元的精确调节。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、含水量控制技术、流量和压力解耦控制技术等。不仅涉及各部分的及时参与，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电堆当前的制热量准确提供“少量”空气，实时含水量测量技术维持高功率输出，相关阀门有效配合实现阳极出口“消氢”。再比如丰田的含水量控制技术，专门利用反应气体传质阻力来等效电池中的含水量，不同于传统的只测量电池高频阻抗的方法……堆栈。所以，如果只把相关零部件进口到中国，不引进软硬件，依然会是那个多项指标号称世界第一的丰田燃料电池。可以猜测，系统控制软件进入中国也是大概率事件。综上所述，丰田进口到中国的产品和技术不仅仅是电堆，而是一种“半”型燃料电池系统，或者说是一种“小型”燃料电池系统，具有高比功率、自增湿、高耐久性和极低温启动能力。一方面，全球知名纯电动汽车制造商特斯拉的上海工厂取得了超出预期的进展，另一方面，全球知名燃料电池汽车制造商丰田将与北汽福田和易华通合作，在中国市场推出搭载丰田FC stack等组件的燃料电池客车。前者无疑开启了中国新能源汽车市场前所未有的竞争格局和新一轮洗牌效应。造车新势力在恐惧中开始陆续放弃“60km/h等速巡航”的宣传口号，孤注一掷以求生存。后者给还未登峰造极的中国燃料电池产业打了一针“强心剂”。和特斯拉入华一样，全球燃料电池技术的“带头大哥”丰田也颇为震撼。丰田宣布，为促进氢燃料电池汽车(FCV)在中国的普及，丰田汽车公司将开始向中国的商用车制造商提供氢燃料电池组件。作为首个合作项目，丰田已与北汽福田汽车有限公司、北京易华通科技有限公司达成协议，在福田生产销售的FC客车上搭载带有丰田FC stack等组件的易华通FC系统。同时，丰田与清华大学就成立“清华大学-丰田联合研究院”达成协议，将开展为期5年的联合研究。丰田表示，联合研究所不仅将研究中国顾客喜欢的汽车，还将讨论积极使用氢燃料。丰田燃料电池技术进入中国已久。去年有外媒报道，丰田将联手吉利在中国推出首款氢燃料电池乘用车。当然，在中国使用氢燃料电池技术的首选是公交车等商用车。不难推测，丰田未来将“联姻”吉利，共同推出燃料电池乘用车。届时，中国有可能形成“北方丰田燃料电池商用车，南方丰田燃料电池乘用车”的格局。丰田来了。。。。。丰田在中国的一系列举动，是去年李总理视察丰田北海道工厂后，中日两国政府加强两国科技合作的具体行动，也是丰田全球燃料电池技术布局的重要一环——燃料电池技术进入中国。丰田与国内某商用车企业和某燃料电池解决方案供应商合作的消息也在国内炸开了锅。据国内某供应商介绍，三方联合推广的首款产品，是基于各方在电堆、燃料电池动力系统、整车集成等方面的技术优势和产业积累。根据计划，未来还将推出其他氢燃料电池汽车，为中国氢燃料电池汽车的不同应用场景提供更好的解决方案。相关人士还指出，此次合作将有助于提升国内氢能和燃料电池汽车的发展水平，推动行业跨越式发展。在中国推进车用燃料电池产业化的同时，丰田宣布将与JAXA合作开发搭载丰田氢燃料电池技术的载人月球车，并计划于2029年发射到月球。致力于在地球上建立氢社会的丰田公司将目标瞄准了38.4万公里外的月球，企图夺得月球第一。38.4万公里的距离对于宇宙来说是九根牛一毛，而燃料电池国宝熊猫进入东北，水土不服。月球上昼夜温差极大，白天温度高达150℃，夜晚低至-180℃。月球上的一昼夜相当于地球上的28天……一个晚上相当于地球上的14天。对于最佳工作温度范围为70~80℃的质子交换膜燃料电池，白天会中暑，晚上会冻伤。丰田的JAXA月球车长6米，宽5米，高3.8米。得益于燃料电池技术，在月球表面的续航里程达到了惊人的1万公里，甚至还配备了自动驾驶功能。中国的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生器利用同位素物质衰变时释放的热量进行热电转换。这种热力发动机也可以看作是电池，安装在卫星、太空探测器和无人遥控设备上作为能源。虽然笔者认为丰田的月球氢能计划可能并不完美，但以月球为实验室来验证和完善丰田的燃料电池技术就足够了。作者有时会补充月球上的氢社会:月球上的宇航员不仅需要呼吸氧气，燃料电池也需要呼吸氧气，但宇航员不会讨厌燃料电池及其对氧气的竞争，因为宇航员需要它来“送”水。丰田Mirai未来组合燃料电池汽车在美国的销量我们来看看丰田Mirai未来组合燃料电池汽车在全球重要市场美国的销量(数据权威)。自2015年以来，Mirai未来组合在美国的销量分别为72辆、1034辆、1838辆和1700辆，2019年3月的最新销量为176辆。一方面疯狂占领全球燃料电池乘用车市场，一方面将其庞大的燃料电池技术专利体系免费向公众开放。2019年4月3日，丰田宣布开放其电气化技术相关专利，涉及专利约23740项。此次公开的燃料电池领域专利约有8070项，与2015年初公开的燃料电池领域专利5680项相比，数量大幅增加。根据丰田的公开资料，在所有公布的燃料电池专利中，燃料电池系统控制占比最高(52%)，其次是燃料电池堆(39%)，几乎所有专利都在全产业链进行了布局。1.丰田电动反应器进入中国，氢循环泵也进入了中国？丰田Mirai未来组合燃料电池汽车在世界上首次在燃料电池系统上取消了加湿器，实现了电堆的自加湿，大大减小了燃料电池系统的体积和重量。如下图所示，Mirai未来组合燃料电池堆的自增湿性能主要通过以下四个方面实现:1 .变薄促进了电化学产物水的反向扩散；2.氢循环系统(氢循环泵)中从阳极入口到出口的水蒸气含量增加；3.空气和氢气的逆流形式；4.增加阴极入口处的冷却剂流量，抑制温度上升，并增加阴极入口侧的气体相对湿度。在丰田Mirai未来组合电堆实现自增湿的示意图中，可以发现阳极侧的氢循环泵采用双叶罗茨压缩机结构。安装氢循环泵的主要目的是提高燃料利用率，改善电堆的水管理，增强自增湿性能。一般来说，阳极侧出口处不参与电化学反应的氢气可以循环到阳极的入口侧，提高燃料利用率；阳极侧出口处过量的水蒸气可以再循环到相对干燥的阳极入口。当燃料电池堆在室温下运行时，电控单元需要实时监测堆的电池电压、堆阻抗、含水量等参数，并根据目标点实时调整氢气循环支路中的流量、压力等参数。注意，根据丰田的公开资料，其对堆内含水量的控制技术是实现其优异低温启动性能的重要一环。在系统级精确控制电池堆中的水含量需要所有组件的协调，包括氢循环泵。因此，丰田燃料电池堆只有与氢循环泵匹配才能发挥最佳的自增湿性能。作为设计上的改进，Mirai未来组合氢循环泵电机设置在燃料电池堆的歧管旁边，利用歧管的冷却机制可以使氢循环泵小型化。另外，氢循环泵的气密性要求很高，因为是在水和气的条件下工作，所以需要解决防腐和可靠性的问题。目前，国内氢循环泵严重依赖进口。可以猜测，丰田燃料电池堆和氢循环泵一起进入中国是大概率事件。Mirai未来组合氢循环泵实物图2。丰田电动电抗器入华，空压机也入华？燃料电池用空气压缩机需要满足无油、低噪声、低成本、小型化、宽工作范围和快速动态响应的特性。目前国内广泛使用的离心式空气压缩机存在工作范围窄、效率低等问题，不适应流量过小、压力低等工况。此外，离心式空气压缩机对超高速电机、空气轴承、超高速电机控制器设计、散热和转子动力学一体化技术的设计和制造提出了巨大挑战。通常情况下，罗茨空气压缩机的压比效应并不高。即便如此，丰田自动织布机还是研发出了六叶螺旋罗茨空气压缩机，最大压缩比为3。此外，空气压缩机在低负载和高负载下的效率得到提高。与涡旋式空压机相比，低负荷时效率提高14%，达到50%以上，高负荷时达到60%以上。罗茨空气压缩机比其他空气压缩机更耐用。目前，国内高比功率燃料电池用空气压缩机严重依赖进口。可以猜测，丰田燃料电池堆和氢循环泵一起进入中国是大概率事件。注意丰田空压机和消音器是一体的。Mirai未来组合六叶螺旋罗茨空气压缩机外观3。丰田电反应堆进入中国，系统控制也是这样吗？在丰田所有公布的燃料电池专利中，燃料电池系统控制占比最高(52%)，其次是燃料电池堆(39%)。作为丰田的零部件供应商，开发具有指定技术目标的单一零部件只是万里长征的第一步。接下来，包括各种组件和相关技术的实现在内的集成和高效工作需要控制单元的精确调节。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、含水量控制技术、流量和压力解耦控制技术等。不仅涉及各部分的及时参与，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电堆当前的制热量准确提供“少量”空气，实时含水量测量技术维持高功率输出，相关阀门有效配合实现阳极出口“消氢”。再比如丰田的含水量控制技术，专门利用反应气体传质阻力来等效电池中的含水量，不同于传统的只测量电池高频阻抗的方法……堆栈。所以，如果只把相关零部件进口到中国，不引进软硬件，依然会是那个多项指标号称世界第一的丰田燃料电池。可以猜测，系统控制软件进入中国也是大概率事件。综上所述，丰田进口到中国的产品和技术不仅仅是电堆，而是一种“半”型燃料电池系统，或者说是一种“小型”燃料电池系统，具有高比功率、自增湿、高耐久性和极低温启动能力。

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