3、自增濕減少空間

加濕對燃料電池非常重要，質(zhì)子交換膜只有在充分濕潤的時候，才能正常工作，否則將會導(dǎo)致燃料電池內(nèi)阻迅速上升，發(fā)電效率降低。因此，監(jiān)控電池內(nèi)阻，也是判斷燃料電池內(nèi)部濕度的重要手段。

但是豐田去掉了加濕器，實現(xiàn)了自增濕，為空氣壓縮機(jī)等其他輔件騰出了更多的空間。那么實現(xiàn)自增濕的必要條件是什么？

首先，電堆里不能太干。我們以豐田的電堆為例，看看它的電堆是怎么支持自增濕的。第一，豐田使用了更薄的質(zhì)子交換膜，這讓水分可以在陽極和陰極之間“自由補充”。避免電極一側(cè)過干，另一側(cè)過濕的問題出現(xiàn)。第二，在電堆結(jié)構(gòu)上，陽極和陰極的進(jìn)出氣口采取交叉設(shè)計。這讓出口處生成的水分可以為對側(cè)入口處更好的加濕。避免電極同一側(cè)入口處過干，出口處過濕的情況出現(xiàn)。

圖5 豐田燃料電池雙極板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

其次，電堆里不能太濕。如果太濕，過飽和的水汽則會液化，嚴(yán)重的會導(dǎo)致流道的“栓塞”。造成反應(yīng)氣體不能達(dá)到三相界面，而造成電池性能迅速衰減，這種衰減甚至是不可逆的。如果“栓塞“發(fā)生在氫氣端則會導(dǎo)致被堵的地方由于沒有氫氣可”燒“，赤裸裸地?zé)�掉另外一種燃料——還記得作為催化劑載體的碳嗎？為了避免這種情況的發(fā)生，豐田在膜電極中添加了其他成分以提高“抵抗力”。同時，在陰極推出了3D網(wǎng)狀流場結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步實現(xiàn)汽水分離。其實3D流場本質(zhì)上并非什么新鮮玩意，但是豐田的創(chuàng)新之處，在于通過精密加工，對微觀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了精確控制，這點是豐田的“陽謀”之一。

最后，電堆的反應(yīng)會產(chǎn)生水，因此，往往在電堆入口處是最容易發(fā)生“過干”問題的地方。豐田在系統(tǒng)上輔助增加了這個區(qū)域的濕度控制。在陽極，豐田利用氫氣循環(huán)泵收集水分予以補充；在陰極，則通過增加冷卻液的流量，降低溫度，以減少此處的蒸發(fā)量。

圖6 豐田電堆自增濕原理示意圖

自增濕很難實現(xiàn)嗎？難！

因為電堆內(nèi)部溫度和濕度，維系著體系中多組平衡關(guān)系。而在電極表面溫度和濕度的均勻性，在實際產(chǎn)品中更是難于檢測。這需要大量的實驗室數(shù)據(jù)積累，我個人認(rèn)為這至少需要上萬小時的實驗數(shù)據(jù)積累。另外，因為燃料電池的工作溫度（質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度一般不高于100℃）遠(yuǎn)低于發(fā)動機(jī)的工作溫度，且熱量要靠換熱器解決，而非像燃油車一樣隨尾氣排掉。這就意味著提高燃料電池工作溫度，是減小系統(tǒng)換熱功率，增加燃料電池系統(tǒng)效率的有效方法。但溫度升高會讓更多的水分因為蒸發(fā)隨氣體流失，濕度控制難度進(jìn)一步增加。

小結(jié)一下：

加濕器是車用燃料電池系統(tǒng)中的大累贅，因此，能實現(xiàn)自增濕是對車用燃料電池電堆的技術(shù)要求。而豐田在這一方面可謂獨步天下。

4、電電混動系統(tǒng)模塊化應(yīng)用

豐田在燃料電池方面的厲害之處，還在于實現(xiàn)了模塊化應(yīng)用，以應(yīng)對更大功率場景的需求。

電池系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，非常常見。而客觀的講，燃料電池更是非常適合模塊化設(shè)計。因為相比其他電池，燃料電池的優(yōu)勢在于：功率和容量相互獨立。這就讓燃料電池模塊化的形式更為靈活。而鋰電池要想實現(xiàn)功率和容量的配比，則要從電芯設(shè)計制造時開始考慮。

豐田最新推出的燃料電池大巴SORA就充分體現(xiàn)了燃料電池模塊化的設(shè)計思路。在這款車型上，豐田繼續(xù)沿用它熟悉的電電并聯(lián)混動系統(tǒng)。而所使用電機(jī)（Motor）、功率控制單元（PCU）和蓄電池（Battery）、甚至儲氫灌與Mirai使用的規(guī)格基本相同。

圖7 SORA布置示意圖

圖8 SORA與Mirai三電結(jié)構(gòu)對比示意圖

圖7和圖8，分別展示了SORA整車系統(tǒng)的布置示意圖和三點結(jié)構(gòu)圖。從總體上看，SORA的結(jié)構(gòu)就是兩款獨立的“Mirai系統(tǒng)”并聯(lián)到變速驅(qū)動橋上。但在細(xì)節(jié)上，又有一些區(qū)別。首先，從功率單元上，SORA對每條獨立的子系統(tǒng)分別增加了一組蓄電池。這說明系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)難度相比Mirai更大。其次，在功率單元和容量單元的配比上，每條獨立的系統(tǒng)平均配裝了5個氫氣瓶，這種“肆意”增加容量而幾乎不增加控制難度的情況，正是燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。

模塊化設(shè)計雖好，但也有基本要求：因為一般情況下，模塊化只能減少設(shè)計和制造成本，并不能減少材料的成本。因此，單一模塊應(yīng)是成本與性能控制最為平衡的設(shè)計。如果認(rèn)同“燃料電池更適合大功率長續(xù)航的大型、重型車輛”，從我個人的建議：單模塊設(shè)計不宜過小。那么電堆也就不宜過小。

總結(jié)：

雖然，我不敢確認(rèn)SORA模塊化系統(tǒng)一定是成熟或者成功的，但是在整套系統(tǒng)的進(jìn)化過程中，確實能清楚的看到豐田前進(jìn)的軌跡。電堆才是燃料電池系統(tǒng)的核心，每個電堆有自己個“個性”，需要“量體裁衣式”的開發(fā)系統(tǒng)。

現(xiàn)在，中國無疑要大力發(fā)展氫燃料電池了，而豐田是橫亙在我們面前的巨人。由于豐田的開放姿態(tài)，我們也許有機(jī)會站在“巨人的肩膀“之上。不過，別忘了回頭看看巨人留下的腳印。這些腳印，值得我們敬畏并學(xué)習(xí)。（完）