3、自增湿减少空间

加湿对燃料电池非常重要，质子交换膜只有在充分湿润的时候，才能正常工作，否则将会导致燃料电池内阻迅速上升，发电效率降低。因此，监控电池内阻，也是判断燃料电池内部湿度的重要手段。

但是丰田去掉了加湿器，实现了自增湿，为空气压缩机等其他辅件腾出了更多的空间。那么实现自增湿的必要条件是什么？

首先，电堆里不能太干。我们以丰田的电堆为例，看看它的电堆是怎么支持自增湿的。第一，丰田使用了更薄的质子交换膜，这让水分可以在阳极和阴极之间“自由补充”。避免电极一侧过干，另一侧过湿的问题出现。第二，在电堆结构上，阳极和阴极的进出气口采取交叉设计。这让出口处生成的水分可以为对侧入口处更好的加湿。避免电极同一侧入口处过干，出口处过湿的情况出现。

图5 丰田燃料电池双极板的结构设计

其次，电堆里不能太湿。如果太湿，过饱和的水汽则会液化，严重的会导致流道的“栓塞”。造成反应气体不能达到三相界面，而造成电池性能迅速衰减，这种衰减甚至是不可逆的。如果“栓塞“发生在氢气端则会导致被堵的地方由于没有氢气可”烧“，赤裸裸地烧掉另外一种燃料——还记得作为催化剂载体的碳吗？为了避免这种情况的发生，丰田在膜电极中添加了其他成分以提高“抵抗力”。同时，在阴极推出了3D网状流场结构，进一步实现汽水分离。其实3D流场本质上并非什么新鲜玩意，但是丰田的创新之处，在于通过精密加工，对微观结构实现了精确控制，这点是丰田的“阳谋”之一。

最后，电堆的反应会产生水，因此，往往在电堆入口处是最容易发生“过干”问题的地方。丰田在系统上辅助增加了这个区域的湿度控制。在阳极，丰田利用氢气循环泵收集水分予以补充；在阴极，则通过增加冷却液的流量，降低温度，以减少此处的蒸发量。

图6 丰田电堆自增湿原理示意图

自增湿很难实现吗？难！

因为电堆内部温度和湿度，维系着体系中多组平衡关系。而在电极表面温度和湿度的均匀性，在实际产品中更是难于检测。这需要大量的实验室数据积累，我个人认为这至少需要上万小时的实验数据积累。另外，因为燃料电池的工作温度（质子交换膜燃料电池工作温度一般不高于100℃）远低于发动机的工作温度，且热量要靠换热器解决，而非像燃油车一样随尾气排掉。这就意味着提高燃料电池工作温度，是减小系统换热功率，增加燃料电池系统效率的有效方法。但温度升高会让更多的水分因为蒸发随气体流失，湿度控制难度进一步增加。

小结一下：

加湿器是车用燃料电池系统中的大累赘，因此，能实现自增湿是对车用燃料电池电堆的技术要求。而丰田在这一方面可谓独步天下。

4、电电混动系统模块化应用

丰田在燃料电池方面的厉害之处，还在于实现了模块化应用，以应对更大功率场景的需求。

电池系统的模块化设计，非常常见。而客观的讲，燃料电池更是非常适合模块化设计。因为相比其他电池，燃料电池的优势在于：功率和容量相互独立。这就让燃料电池模块化的形式更为灵活。而锂电池要想实现功率和容量的配比，则要从电芯设计制造时开始考虑。

丰田最新推出的燃料电池大巴SORA就充分体现了燃料电池模块化的设计思路。在这款车型上，丰田继续沿用它熟悉的电电并联混动系统。而所使用电机（Motor）、功率控制单元（PCU）和蓄电池（Battery）、甚至储氢灌与Mirai使用的规格基本相同。

图7 SORA布置示意图

图8 SORA与Mirai三电结构对比示意图

图7和图8，分别展示了SORA整车系统的布置示意图和三点结构图。从总体上看，SORA的结构就是两款独立的“Mirai系统”并联到变速驱动桥上。但在细节上，又有一些区别。首先，从功率单元上，SORA对每条独立的子系统分别增加了一组蓄电池。这说明系统的功率调节难度相比Mirai更大。其次，在功率单元和容量单元的配比上，每条独立的系统平均配装了5个氢气瓶，这种“肆意”增加容量而几乎不增加控制难度的情况，正是燃料电池系统的优势所在。

模块化设计虽好，但也有基本要求：因为一般情况下，模块化只能减少设计和制造成本，并不能减少材料的成本。因此，单一模块应是成本与性能控制最为平衡的设计。如果认同“燃料电池更适合大功率长续航的大型、重型车辆”，从我个人的建议：单模块设计不宜过小。那么电堆也就不宜过小。

总结：

虽然，我不敢确认SORA模块化系统一定是成熟或者成功的，但是在整套系统的进化过程中，确实能清楚的看到丰田前进的轨迹。电堆才是燃料电池系统的核心，每个电堆有自己个“个性”，需要“量体裁衣式”的开发系统。

现在，中国无疑要大力发展氢燃料电池了，而丰田是横亘在我们面前的巨人。由于丰田的开放姿态，我们也许有机会站在“巨人的肩膀“之上。不过，别忘了回头看看巨人留下的脚印。这些脚印，值得我们敬畏并学习。（完）