从Mirai看氢燃料电池车的未来
源: 日经BP社 阅:99 档:0 评:0 返回description
在全球率先推出量产型燃料电池车(FCV)的丰田汽车公司断言FCV是“终极环保车”。丰田在FCV方面下了很大下力气,2015年1月,该公司宣布无偿提供约5680项FCV相关专利的使用权。
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与FCV形成竞争的纯电动汽车(EV)也不断有新车型上市。宝马推出了“i3”,大众推出了主力车型“高尔夫”的EV版。特斯拉汽车公司推出的高级轿车销售火热,该公司还计划在2015年投放SUV(多功能运动车)。通用在2015年1月上旬发布了电动续航里程达到80km的新款插电式混合动力车(PHEV)“Chevrolet Volt”。 那么,FCV的优势是什么?能否凌驾于竞争对手EV之上?大胆而富有挑战性的名称“MIRAI”又是如何决定的?引导FCV开发通往成功的管理方式是什么?下面,记者将通过对MIRAI开发负责人田中义和的专访,来揭示MIRAI的特点、价值、开发目标以及开发中的辛劳。 **FCV相对EV有哪些优势?** **燃料多样化,聚焦电和氢** ——如果算上日本政府的补贴,MIRAI的价格约为520万日元,与“皇冠”相当。虽然不算便宜,但与10年前所说的1辆FCV要1亿日元相比,成本已大幅削减。另一方面,EV的商品化也非常活跃。与EV相比,FCV具有哪些优势?  田中:我先来解释一下基本思路。到目前为止,推动汽车不断进步的一直是以汽油为燃料的内燃机。但将来,汽车必须降低对于汽油等化石燃料的依赖。因为化石燃料的储量是有限的,应对气候变暖课题也将变得重要。虽然不知道化石燃料竭尽的时刻是20年后还是100年后,但我们必须提前做好准备。这是丰田的基本想法。 在降低化石燃料依赖度的过程中出现的候补技术之一是燃料的多样化。这就需要开发出能够利用多种多样的一次能源来制造,而且容易使用的能源。热门候选是电和氢。采用电和氢为燃料的汽车在行驶时不排放氮氧化物和二氧化碳(CO2)。虽然还存在如何以低环境负荷制造电和氢的课题,但行驶时CO2排放为零这一点极具魅力。 因此,我们完全没有否定EV的想法。我们认为,作为近距离通勤车,EV是最合适的选择。因为EV可以在晚上睡觉的时候充电,供第二天使用。电是直接通入家中的,这样的使用方式在社会基础设施方面已经没有问题。 ——EV在续航里程上存在课题? 田中:的确,要想增加续航里程,就必须配备大容量电池。 ——如此一来,EV的成本就会上涨,重量也会增加。 田中:是的。就目前而言,EV在续航里程方面存在一些限制。那么,电池的性能能提高到什么程度呢?丰田成立了电池研究部门,开展全固体电池等研究项目,但目前还无法说能够解决EV续航的问题。  EV的问题不在续航里程上 ——MIRAI的续航里程约为650km。与EV相比,FCV的最大优势是续航里程吗? 田中:对于EV而言,续航里程有现实性的解决方法,那就是增程发动机。为EV配备电池和小型汽油发动机,在电池电量低的时候启动发动机来发电,从而增加续航里程。 ——FCV与EV的行驶性能和行驶感觉有差别吗? 田中:FCV实质上也是一种电动汽车,大致来讲,行驶性能和行驶感觉两者没有太大的差别。 ——FCV特有的优势是什么?与EV的竞争是否最终归于价格战? 田中:我觉得是汽车的易用性。就现在的技术而言,即使提高电池的能量密度,增加容量,充电也需要很长时间,甚至可能一晚上也充不满。 ——的确。虽然快速充电设备30分钟左右可以充满,但是如果前面有两辆汽车在等候充电,轮到自己充好就需要1个半小时。 田中:自由、想到哪儿就能到哪儿是汽车的根本价值,也就是说,能够自己决定目的地、路线、日程非常重要,需要花很长时间补充燃料会限制汽车的长处。MIRAI充满氢气只需要大约3分钟,与汽油车相当。虽然目前供氢基础设施还不完善,在易用性上存在限制,但这不是本质问题,只要花时间就能解决。 FCV还有一个巨大潜力,那就是能为实现可持续发展的氢社会作贡献。 化石燃料的储存和运输都很方便。而现在的主要能源——电能的储存和运输就不太容易。建设输电线后虽然可以输送电力(运输),但这需要大规模的设备投资。举例来说,即便在土地辽阔、日照条件良好的地方(沙漠等)集中设置了太阳能电池,之后有效利用生产的电能也并不是一件简单的事情。 今后,当无法再继续依赖化石燃料的时候,能源的储存和运输性将依靠什么?我们看好氢气。日本消耗的能源中,汽车占1/5~1/4左右,随着FCV的普及,可持续发展的氢社会的实现必将加快。 丰田的燃料电池车(FCV)的车名定为“MIRAI”(日语中“未来”的读音),该公司代表董事副社长加藤光久说:“这其中包含了对于汽车的未来和地球的未来的憧憬。”MIRAI不仅靠大胆采用日语作为车名名称受到关注,直截了当的“单刀直入”也令人瞠目结舌。 “MIRAI”这个名字好吗? 最后时刻才定下的名字  ——MIRAI是个非常大胆的车名。 田中:确实,这是我们反复考虑后下定决心起的名字。 其实直到最后关头,这款车原本用的还是其他名称。车名送交社长拍板。在批准那个名字的时候,丰田章男社长一边签字,一边皱眉“这名字真的好吗”。为此,开发团队又重新开始讨论。 开发团队筛选出10个终选方案,再次召开决定车名的会议。丰田社长也参加了讨论。经过反复讨论,大家逐渐达成一致,叫MIRAI也不错。丰田社长也推举采用MIRAI。 ——在2014年11月的MIRAI发布会上,加藤副社长说道:“比如说‘FUTURE’就不合适。丰田生产方式使日文的‘改善’(Kaizen)传遍了世界。虽然不是刻意要以日文车名为目标,但作为日本研发的商品,我们希望能骄傲地将冠以日语车名‘MIRAI’的汽车推向世界。” 田中:美国业务和欧洲业务的负责人也出席了那次发布会,他们对此也表示赞同。这个名称中,蕴含了社长等管理层的强烈期盼。 ——丰田社长在赛车领域也积极宣传MIRAI。在2014年11月1日于爱知县新城市举办的“全日本拉力锦标赛第9战(新庄拉力赛2014)”上,他曾亲自手握MIRAI先导车的方向盘,行驶了部分赛道。 田中:FCV是一项新技术,有些人会担心FCV的可靠性和氢气燃料的安全性。在这种情况下,社长亲自驾驶FCV是非常好的宣传。技术人员们都觉得章男先生为MIRAI想了很多。 **大幅变更外观设计** ——听说MIRAI在设计上也非常讲究。是不是因为需要配备大体积的燃料电池、电动机和二次电池等,所以空间上比较拮据? 田中:车头处左右的大格栅在设计时考虑到了参与燃烧的空气(氧气)。其他特点还包括看似浮起的前发动机罩、以水滴为设计元素的流畅的侧线条。 其实,这个设计方案是最后关头才确定下来的。决定采用这个方案是在2013年5月中旬。在同年3月的设计审查上,方案已经基本确定,但之后又做了大幅调整。 之前的设计与霸气的最终设计差别很大。对于“能否让顾客觉得帅气”,说实在话,我们没有自信。那段时间非常痛苦。因为配备的部件多,汽车无论如何都会变高、变胖。在最终设计中,虽然高度依然维持在了1535mm,但已经没有了胖墩墩的感觉。大家怎么想我不知道,但这个设计得到评价委实不错。 通常来说,在那个时间点是不能更改设计的。但生产技术、制造等汽车制造部门还是积极应对了修改要求。 **遭遇未料到的问题,差点推迟上市** “MIRAI”的销售一直保持良好势头,但其核心技术——燃料电池组的开发和量产并非一帆风顺。就在临近量产时,燃料电池组方面遭遇了一个意想不到的问题。丰田甚至都做了推迟上市的准备。  **燃料电池组性能对比** 不仅提高了输出功率,还大幅实现了小型轻量化。关于以提高新型燃料电池组的性能并降低其成本为目标的关键技术,仅目前公开的就有至少10种。分别为(1)开发活性为1.8倍的铂钴合金催化剂(将铂用量减至1/3);(2)隔板由不锈钢换成钛合金并推进薄壁化;(3)确立无加湿方式(内部循环方式);(4)开发“3D精细网眼流路”;(5)将电解质膜的厚度减至1/3;(6)隔板表面处理材料由贵金属换成便宜的碳类;(7)提高气体扩散层的性能;(8)开发大电容升压逆变器;(9)提高生成水的排放性能;(10)增加快速加热功能。 **材料相同,输出功率却不同** ——燃料电池组是通过发生电化学反应来产生电能的,与以机械为主的内燃机完全不同。开发方面的难点在哪里? 田中:举例来说,我们从材料厂商那买来能制造三个燃料电池组的相同规格的燃料电池组材料,暂且称其为A材料、B材料、C材料吧。因为3份材料的规格相同,所以制成燃料电池组后,也应该具备相同的性能。 但是,用A材料制造的燃料电池组可以产生很大的电能,而且不会劣化;而用B材料制成的电池不仅电能小,而且会急剧劣化;C材料则显示出了介于A和B之间的性质。实际生产中我们就遭遇了这样的情况。因此,必须分别进行特性分析,彻底查明产生这种差异的原因。如果是机械类零部件,当出现裂纹时,只要观察其表面,就能弄清楚原因。因为我们具有机械方面的相关经验以及基于这些经验的技术和窍门。但对于燃料电池组就无法像这样推测了。即便向材料厂商咨询,因为这种材料是首次应用于燃料电池组,对方也不知道原因。也就是说,我们必须从探寻原因开始做起。 此外,燃料电池组的开发课题很多。因为我们想用小型电池来得到大的输出功率,所以希望尽量提高反应效率。为此,我们开发出了可增加反应面积的“3D精细网眼流路”(图1)。另外,削减昂贵的铂用量的技术也必不可少。因为发电反应会产生水,所以,在-30℃的环境下工作时,还必须采取防止结冰的技术。我们开发出了多种技术,最终,实现了体积能量密度达到2008年开发的电池的2.2倍、输出功率为114kW的新型燃料电池组。 **只开发出技术还不行** ——体积能量密度达到原来的2.2倍,确实是一项巨大的成果。燃料电池车除了燃料电池组之外,还要配备很多其他单元,包括电机、二次电池、两个由碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)制成的高压氢罐以及动力控制单元等,如果燃料电池组的尺寸能够缩小,配置空间上就有余地了。  **MIRAI的动力传动系统配置** 燃料电池组配备在地板下中央部位。此外还配备了电机、二次电池、两个由碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)制成的高压氢罐、动力控制单元等。 田中:不过,光是开发出技术是没有用的。新开发的燃料电池组和诸多单元还大幅更改了制造方法,所以说,生产制造技术是非常重要的。也就是说,能否制造取决于设计是否成立。 ——您的意思是无法简单地将技术和制造分割开来? 田中:没法这样做。反过来说,即便理论上有想法,如果制造不出东西来,那么这项技术就没有用。燃料电池组本身非常简单。市面上甚至出现了2万日元左右的燃料电池组玩具车。但是,我们的燃料电池组之所以尺寸那么小又能输出114kW的功率,关键在于生产制造技术。 例如由CFRP制成的高压氢罐,通过采用生产技术部门开发的工艺,不仅减少了昂贵的碳纤维的用量,还实现了所需要的强度。 在FCV时,生产技术和设计部门位于同一座楼的同一楼层。因此,两个部门有过很多次讨论和争吵。也有相互指责,甚至到了讨厌见到对方的程度。但是,越是吵得凶的人越能够依靠。这些生产技术人员有着“如果是自己认同的东西,不论多困难都要制造出来”的精神。 如果在最后的关键时刻对生产部门提出,“采用这项技术的话,车辆的乘坐舒适性就会提高”,通常这个时候会被拒绝的,但没想到他们却说“想办法实现”,并最终使该技术得以采用。我认为,包括这种精神在内,不完全分工的传统正是日本制造业的优势。 **临近量产却遭遇了意想不到的问题** ——通过发挥这种优势,燃料电池车才得以进入量产阶段是吗? 田中:并非如此。其实,临近量产时,还遭遇了一个意想不到的问题。 ——问题发生在哪里?具体是什么问题? 田中:是燃料电池组的问题,不过具体问题不便透露。是一个很微妙的问题。正好又出现在决定是否进入最后量产阶段的关键时刻。在汽车开发中,各项技术都有时间表,遵守日程表是绝对条件。如果燃料电池组不能量产,整个计划就会被打乱。 如果这个问题不解决,就赶不上上市时间,这时我对大家说:“先在这个环节暂停一下。查明原因并找到解决方法之后再推进下一步的工作。”工作停下来的话就必须考虑补救措施,我当时想得只是“待问题解决后大家一起想吧”,生产技术部门和设计部门也同意了。 当然,对这个决定,即便我负全责也不是我说了就算的,只好到经营高管那里去说明,都到了快要下跪的程度了。不过我已经横下心来了。 后来我们就暂停了以开始量产为目标的工作进程,竭尽全力来查明那个问题的原因所在,并在解决了问题之后开始量产准备。最后,在公司内很多部门的配合和多方支持下,终于如期推出了燃料电池车。真的非常感谢那些部门的大力支持,对此我十分感激。 **丰田FCV孕育出了“非欧美式”开发方法** 丰田燃料电池车“MIRAI”的成功问世需要开发为数众多的基础技术。这是如何实现的?是怎样的领导能力引导项目走向了成功? **并行开发车辆和燃料电池** ——MIRAI的核心技术是燃料电池,其中采用了许多新技术。除此之外,还有使用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的高压氢燃料罐、充分发挥燃料电池特性的电源管理、采用新结构框架的车体等,开发题目为数众多。请问丰田是怎样开展这些新开发的? 田中:通常的汽油发动机车的开发虽然也包含新开发的要素,但发动机和变速箱等核心单元基本上已经成形,接下来只需要组合成汽车即可。但燃料电池车的大多数单元都需要全新开发。因此,单元开发在新车开发中占有很大比重。在丰田,燃料电池等单元的开发由专业部门FC技术部负责。 身为项目主管,我深度参与了汽车本身的开发、以及FC技术部负责的燃料电池技术的开发。这是因为作为核心的燃料电池技术必须并行开展,否则就造不出车来。 项目主管不了解开发的课题与现状,就制定不出恰当的参数目标。明确这些条件是制定目标的前提。但是,目标倘若过于苛刻,会令开发陷入崩溃状态,而过于宽松的话,又开发不出令客户感动的汽车。这需要我与单元开发团队真刀真枪地探讨与权衡。 FC技术部的很多技术人员都向单元开发倾注了15~20年的心血。因此,开发负责人下车伊始发号施令绝对会碰壁。一个不留神,就会酿成无法挽回的严重冲突。为了追求高目标,我与技术人员也吵过几次架,但双方带着诚意,毫不逃避地把话说开,构建起了可以推心置腹的环境。 **团队就是主管的集合体** ——也就是说开发需要不同于以往的新型领导能力? 田中:可没说的那么好听。我觉得与权限集中在1人的欧美式领导能力略有不同。身为开发负责人,虽然要作出应作的决定、为结果承担责任,但我并不感觉是在独自统管整个项目。 如果项目的成员觉得自己是在按照上司的指示进行开发,就开发不出好汽车。重要的是要让成员不去在意这是不是公司的工作、上司的指示,而是觉得“这项工作是我完成的”、“有我才取得了成功”。当拥有这种意识的成员集合起来的时候,团队将能够迸发出强大的实力。每个人都担当主管后,团队成为了主管的集合体,也就是“Leaders”。这可能是本次燃料电池车开发的特色所在。 ——不同于一人在上的欧美型主管,而是创造出了让团队的每个人都能担当主管的环境。这是负责人在本次开发中的职责吗? 田中:我认为是的。不是依靠1名主管,而是每个人都具备主管的意识。 ——这样的团队现在还在满负荷运转吗?燃料电池车的价格在10年前据说高达1辆1亿日元,MIRAI降低到了723.6万日元(含税)。虽然享受国家补贴还可以降低到520万日元(含税)左右,但价格依然昂贵。 田中:丰田公布了到2025年,也就是10年后,要使燃料电池车的价格与混合动力车相当的目标。压缩成本的基本思路是把燃料电池车配备的“燃料电池组、高压氢燃料罐和1个马达”的成本,控制在与混合动力车配备的“发动机、尾气处理系统、燃料罐和2个马达”相当的水平上。虽然看到了开发方向,但课题还多如牛毛,需要做的事情还很多。