近期，豐田汽車再叩中國門：向北汽福田提供氫燃料電池技術(shù)和零部件，和清華大學(xué)成立燃料電池研究院，在清華舉辦校園行，連王傳福、徐留平、曾慶洪等大佬都去觀摩。

豐田確實(shí)在燃料電池車（FCV）技術(shù)研究上領(lǐng)先全球，那么它到底牛在哪兒？本文嘗試為大家做一些解答。

1.催化劑金貴，怎么用？

催化劑是氫燃料電池發(fā)電的必需材料。氫、氧氣只有在催化劑作用下，才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解出電子。

雖然現(xiàn)在有很多非貴金屬催化劑的研究，但是商用催化劑仍以鉑碳催化劑做為主流。其結(jié)構(gòu)是以碳作為載體，將貴金屬鉑依附在載體之上，有的會根據(jù)要求少量摻雜一些鈷、釕等金屬元素。

氫能和燃料電池專家衣寶廉院士指出：燃料電池汽車鉑用量如果低于燃油車中三元催化的鉑用量，此時(shí)鉑將不再是制約燃料電池發(fā)展的瓶頸。意思就是，催化劑用得越少越好。根據(jù)美國能源部的標(biāo)準(zhǔn)，燃料電池催化劑鉑載量2020年的目標(biāo)是不大于0.125g/kW，未來將降到0.05g/kW。

在此，我想糾正一個(gè)觀點(diǎn)。催化劑對燃料電池的制約并非就是成本因素，而可能是供應(yīng)能力。

目前40%左右的鉑碳催化劑在國際市場上每克在20~30美元左右。如果按照0.25g/kW的鉑載量計(jì)算，催化劑的成本約為19美元/kW，而目前電堆的成本約為5000~10000元人民幣/kW，催化劑的成本只占其中的3~5%。

雖然催化劑在電堆中成本的占比并不太高，但現(xiàn)實(shí)情況是鉑是一種資源限制型的元素。我從供貨商處了解到，目前訂購鉑催化劑的交貨期已經(jīng)在半年以上。未來短期內(nèi)的價(jià)格上漲，貨源緊俏，則是大概率事件，可能買不到比漲價(jià)更加致命。雖然有人認(rèn)為未來鉑可以通過從退役燃料電池中回收的方式循環(huán)使用，但這其中至少存在著兩個(gè)隱含假設(shè)：第一，燃料電池已經(jīng)具備一定的規(guī)模，第二，不考慮鉑在使用過程中的流失。

因此，鉑載量的控制將是未來燃料電池技術(shù)戰(zhàn)的主戰(zhàn)場，如何減少鉑載量，增加鉑催化劑的壽命，是未來燃料電池從業(yè)者中重要任務(wù)。

圖2燃料電池工作曲線

圖2是燃料電池工作時(shí)的功率、電壓與電流密度之間的關(guān)系。從圖中可以看出，燃料電池在輸出功率增加的過程中，電壓會隨之降低。而電壓的變化，是影響燃料電池鉑催化劑性能及壽命的重要指標(biāo)。

我要簡述一下機(jī)理。首先，鉑催化劑具有高電位溶解、低電位重新析出的特性。其次，如果電堆在很低電位下運(yùn)行，鉑表面的氧化膜會消失，進(jìn)而暴露出金屬鉑。如果此時(shí)迅速升高電壓，金屬鉑更容易溶解。在不斷的溶解和析出的過程中，不但可能造成鉑流失，而且鉑的顆粒度也會長大。長大的鉑比表面積會降低，也就是說供氫氧反應(yīng)的場所減少了，造成反應(yīng)阻力增加，電堆性能下降。這是目前已知的電堆性能下降的重要的機(jī)理之一。

圖3催化劑（陰極）衰減過程示意圖

本段結(jié)論：頻繁的電壓變化，會使燃料單池性能下降。因此控制電壓，將電壓限定在安全范圍，是燃料電池系統(tǒng)的重要任務(wù)。

2.并聯(lián)混動系統(tǒng)，減少催化劑衰減

要控制電壓，將電壓限定在安全范圍，解決方案是利用混動系統(tǒng)。混動系統(tǒng)雖然不能限制負(fù)載的大小，但是可以有效控制燃料電池電堆出力的波動范圍。

燃料電池的混動系統(tǒng)，一般由燃料電池和蓄電池成。常用的蓄電池一般是鋰離子電池或鎳氫電池。

國內(nèi)常見的混動系統(tǒng)是增程式的“串聯(lián)”結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中，實(shí)際驅(qū)動電機(jī)工作的是蓄電池，而燃料電池，只以相對穩(wěn)定的輸出，為蓄電池充電。實(shí)際電池的輸出功率僅由蓄電池提供。

豐田燃料電池管理系統(tǒng)，由電池和燃料分別驅(qū)動電機(jī)和發(fā)動機(jī)協(xié)同工作，是一種“并聯(lián)”結(jié)構(gòu)。也就是說電機(jī)的功率由燃料電池和一套（鎳氫）蓄電池共同提供。

那么，豐田的動力分配控制策略是怎樣的呢？

圖4燃料電池混合動力系統(tǒng)控制策略示意圖

（圖片參考SAE資料繪制）

圖4展示了豐田電池管理的控制策略。最左側(cè)、藍(lán)色區(qū)域?yàn)槠嚨男」β瘦敵鲭A段，此階段，燃料電池為系統(tǒng)中的主要動力來源。等汽車需求功率進(jìn)一步上升，進(jìn)入紅色區(qū)域時(shí)，燃料電池的單體電壓被限制到0.7V，即燃料電池的第一階段保護(hù)電壓，輸出功率不再增加。電機(jī)所需功率不足部分，由蓄電池補(bǔ)足。如果汽車持續(xù)高功率運(yùn)行，進(jìn)入綠色區(qū)域，蓄電池剩余電量不足時(shí)，燃料電池的輸出功率將重新增加，單體電壓從0.7V下降到0.6V，達(dá)到第二階段的保護(hù)電壓。

當(dāng)汽車動力需求下降時(shí)，蓄電池停止工作，燃料電池轉(zhuǎn)為為蓄電池補(bǔ)充電量，控制電壓按規(guī)定速度上升。整套燃料電池混動系統(tǒng)中，燃料電池是輸出的主體，功率瞬間的變化由蓄電池加以調(diào)節(jié)，以保證燃料電池工作電壓變化區(qū)間和變化速度，從而保證催化劑的壽命。

由此，現(xiàn)在豐田汽車鉑使用量已經(jīng)下降到了每輛大約20克。根據(jù)清華大學(xué)教授李建秋介紹，豐田還在不斷降低催化劑用量。新一代FC發(fā)動機(jī)100kW鉑用量將小于10g。

其實(shí)這套并聯(lián)式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并沒有想象中復(fù)雜，為什么國內(nèi)企業(yè)都不選呢？直觀原因有二：第一，控制的動態(tài)響應(yīng)水平達(dá)不到要求。第二，燃料電池系統(tǒng)的故障率太高。因此，大家使用增程式方案，盡快降低系統(tǒng)控制難度，提高穩(wěn)定性。

我認(rèn)為，可能還存在著另外一個(gè)原因：選用增程式方案，也許是一種無奈之舉。首先，國內(nèi)商用的燃料電池電堆功率無法獨(dú)立支撐汽車的運(yùn)行。如果返回到圖4的位置，就是藍(lán)色區(qū)域燃料電池的可輸出功率太低了，蓄電池要過早介入，因此，很難形成“燃電為主，蓄電補(bǔ)充”的結(jié)構(gòu)。其次，就是與之配套輔助設(shè)備還達(dá)不到大功率單堆的要求，比如空氣壓縮機(jī)。

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(shí)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(shí)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(shí)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(bǔ)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(jì)。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(jì)

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)袅硗庖环N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(shí)，在陰極推出了3D網(wǎng)狀流場結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)汽水分離。其實(shí)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(shí)現(xiàn)了精確控制，這點(diǎn)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(gè)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)嗎？難！

因?yàn)殡姸褍?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(shí)際產(chǎn)品中更是難于檢測。這需要大量的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)積累，我個(gè)人認(rèn)為這至少需要上萬小時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累。另外，因?yàn)槿剂想姵氐墓ぷ鳒囟龋ㄙ|(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?yàn)檎舭l(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(shí)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(dú)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(shí)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(jì)，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(jì)。因?yàn)橄啾绕渌姵?，燃料電池的?yōu)勢在于：功率和容量相互獨(dú)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(shí)現(xiàn)功率和容量的配比，則要從電芯設(shè)計(jì)制造時(shí)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(jì)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7SORA布置示意圖

圖8SORA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(diǎn)結(jié)構(gòu)圖。從總體上看，SORA的結(jié)構(gòu)就是兩款獨(dú)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(dú)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(dú)立的系統(tǒng)平均配裝了5個(gè)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(jì)雖好，但也有基本要求：因?yàn)橐话闱闆r下，模塊化只能減少設(shè)計(jì)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(jì)。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(gè)人的建議：單模塊設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)電堆有自己個(gè)“個(gè)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)。