1、催化劑金貴，怎么用？
催化劑是氫燃料電池發電的必需材料。氫、氧氣只有在催化劑作用下，才能發生化學反應，分解出電子。
雖然現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。其結構是以碳作為載體，將貴金屬鉑依附在載體之上，有的會根據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，此時鉑將不再是制約燃料電池發展的瓶頸。意思就是，催化劑用得越少越好。根據美國能源部的標準，燃料電池催化劑鉑載量2020年的目標是不大于0．125g／kW，未來將降到0．05g／kW。
在此，我想糾正一個觀點。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，但現實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在半年以上。未來短期內的價格上漲，貨源緊俏，則是大概率事件，可能買不到比漲價更加致命。雖然有人認為未來鉑可以通過從退役燃料電池中回收的方式循環使用，但這其中至少存在著兩個隱含假設：第一，燃料電池已經具備一定的規模，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戰的主戰場，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者中重要任務。
圖2是燃料電池工作時的功率、電壓與電流密度之間的關系。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。
我要簡述一下機理。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行，鉑表面的氧化膜會消失，進而暴露出金屬鉑。如果此時迅速升高電壓，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的場所減少了，造成反應阻力增加，電堆性能下降。這是目前已知的電堆性能下降的重要的機理之一。
圖3 催化劑（陰極）衰減過程示意圖
本段結論：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，是燃料電池系統的重要任務。
2、并聯混動系統，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?；靹酉到y雖然不能限制負載的大小，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，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。
國內常見的混動系統是增程式的“串聯”結構。這種結構中，實際驅動電機工作的是蓄電池，而燃料電池，只以相對穩定的輸出，為蓄電池充電。實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，由電池和燃料分別驅動電機和發動機協同工作，是一種“并聯”結構。也就是說電機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展示了豐田電池管理的控制策略。最左側、藍色區域為汽車的小功率輸出階段，此階段，燃料電池為系統中的主要動力來源。等汽車需求功率進一步上升，進入紅色區域時，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電壓，輸出功率不再增加。電機所需功率不足部分，由蓄電池補足。如果汽車持續高功率運行，進入綠色區域，蓄電池剩余電量不足時，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，達到第二階段的保護電壓。
當汽車動力需求下降時，蓄電池停止工作，燃料電池轉為為蓄電池補充電量，控制電壓按規定速度上升。整套燃料電池混動系統中，燃料電池是輸出的主體，功率瞬間的變化由蓄電池加以調節，以保證燃料電池工作電壓變化區間和變化速度，從而保證催化劑的壽命。
由此，現在豐田汽車鉑使用量已經下降到了每輛大約20克。根據清華大學教授李建秋介紹，豐田還在不斷降低催化劑用量。新一代FC發動機100kW鉑用量將小于10g。
其實這套并聯式系統的設計，并沒有想象中復雜，為什么國內企業都不選呢？直觀原因有二：第一，控制的動態響應水平達不到要求。第二，燃料電池系統的故障率太高。因此，大家使用增程式方案，盡快降低系統控制難度，提高穩定性。
我認為，可能還存在著另外一個原因：選用增程式方案，也許是一種無奈之舉。首先，國內商用的燃料電池電堆功率無法獨立支撐汽車的運行。如果返回到圖4的位置，就是藍色區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，蓄電補充”的結構。其次，就是與之配套輔助設備還達不到大功率單堆的要求，比如空氣壓縮機。
3、自增濕減少空間
加濕對燃料電池非常重要，質子交換膜只有在充分濕潤的時候，才能正常工作，否則將會導致燃料電池內阻迅速上升，發電效率降低。因此，監控電池內阻，也是判斷燃料電池內部濕度的重要手段。
但是豐田去掉了加濕器，實現了自增濕，為空氣壓縮機等其他輔件騰出了更多的空間。那么實現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”。避免電極一側過干，另一側過濕的問題出現。第二，在電堆結構上，陽極和陰極的進出氣口采取交叉設計。這讓出口處生成的水分可以為對側入口處更好的加濕。避免電極同一側入口處過干，出口處過濕的情況出現。
其次，電堆里不能太濕。如果太濕，過飽和的水汽則會液化，嚴重的會導致流道的“栓塞”。造成反應氣體不能達到三相界面，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“發生在氫氣端則會導致被堵的地方由于沒有氫氣可”燒“，赤裸裸地燒掉另外一種燃料——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網狀流場結構，進一步實現汽水分離。其實3D流場本質上并非什么新鮮玩意，但是豐田的創新之處，在于通過精密加工，對微觀結構實現了精確控制，這點是豐田的“陽謀”之一。
最后，電堆的反應會產生水，因此，往往在電堆入口處是最容易發生“過干”問題的地方。豐田在系統上輔助增加了這個區域的濕度控制。在陽極，豐田利用氫氣循環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，以減少此處的蒸發量。
自增濕很難實現嗎？難！
因為電堆內部溫度和濕度，維系著體系中多組平衡關系。而在電極表面溫度和濕度的均勻性，在實際產品中更是難于檢測。這需要大量的實驗室數據積累，我個人認為這至少需要上萬小時的實驗數據積累。另外，因為燃料電池的工作溫度（質子交換膜燃料電池工作溫度一般不高于100℃）遠低于發動機的工作溫度，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，是減小系統換熱功率，增加燃料電池系統效率的有效方法。但溫度升高會讓更多的水分因為蒸發隨氣體流失，濕度控制難度進一步增加。
小結一下：
加濕器是車用燃料電池系統中的大累贅，因此，能實現自增濕是對車用燃料電池電堆的技術要求。而豐田在這一方面可謂獨步天下。
4、電電混動系統模塊化應用
豐田在燃料電池方面的厲害之處，還在于實現了模塊化應用，以應對更大功率場景的需求。
電池系統的模塊化設計，非常常見。而客觀的講，燃料電池更是非常適合模塊化設計。因為相比其他電池，燃料電池的優勢在于：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。而鋰電池要想實現功率和容量的配比，則要從電芯設計制造時開始考慮。
豐田最新推出的燃料電池大巴SORA就充分體現了燃料電池模塊化的設計思路。在這款車型上，豐田繼續沿用它熟悉的電電并聯混動系統。而所使用電機（Motor）、功率控制單元（PCU）和蓄電池（Battery）、甚至儲氫灌與Mirai使用的規格基本相同。
圖7和圖8，分別展示了SORA整車系統的布置示意圖和三點結構圖。從總體上看，SORA的結構就是兩款獨立的“Mirai系統”并聯到變速驅動橋上。但在細節上，又有一些區別。首先，從功率單元上，SORA對每條獨立的子系統分別增加了一組蓄電池。這說明系統的功率調節難度相比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，正是燃料電池系統的優勢所在。
模塊化設計雖好，但也有基本要求：因為一般情況下，模塊化只能減少設計和制造成本，并不能減少材料的成本。因此，單一模塊應是成本與性能控制最為平衡的設計。如果認同“燃料電池更適合大功率長續航的大型、重型車輛”，從我個人的建議：單模塊設計不宜過小。那么電堆也就不宜過小。
總結：
雖然，我不敢確認SORA模塊化系統一定是成熟或者成功的，但是在整套系統的進化過程中，確實能清楚的看到豐田前進的軌跡。電堆才是燃料電池系統的核心，每個電堆有自己個“個性”，需要“量體裁衣式”的開發系統。
現在，中國無疑要大力發展氫燃料電池了，而豐田是橫亙在我們面前的巨人。由于豐田的開放姿態，我們也許有機會站在“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，值得我們敬畏并學習。
