燃料电池的质子交换膜在运行过程中需要保持湿润，而丰田开创性地实现了无外部加湿器的内部自增湿，这一举措不但简化了附件系统，还减小了整个系统的热容，有利于冷启动。
在燃料电池单片内部，氢气和空气的流动方向是相反的。由于空气入口去除了增湿器，空压机出口大流量的干空气容易引起空气入口膜干。为了解决这一问题，MIRAI 采用更薄的电解质膜促进了生成的水从空气出口向氢气入口反向扩散，氢气再循环泵强制将氢气入口的水向氢气出口传输，而氢气出口富集的水蒸气将扩散到空气入口，缓解此处容易发生的膜干现象。同时，特殊的冷却流场设计有效调节了热的传递，增大空气上游与冷却水的接触面积，抑制温升和水的蒸发，从而防止空气入口膜干。
