因關(guān)鍵材料技術(shù)進(jìn)步、核心零部件性能提升和技術(shù)路線更新，車載燃料電池系統(tǒng)架構(gòu)和控制方法也在變化。豐田汽車公司自1992年開始研發(fā)燃料電池汽車，在1996年首次推出FCHV-1后發(fā)布過FCHV系列燃料電池車。本文分享豐田汽車公司歷史上具有代表性的三款FCV燃料電池系統(tǒng)
豐田FCHV-4系統(tǒng)原理
豐田FCHV-4搭載質(zhì)子交換膜燃料電池堆峰值功率90 kW，動(dòng)力電池采用容量6.5 Ah風(fēng)冷鎳氫電池。燃料電池系統(tǒng)空氣側(cè)采用渦旋式壓縮機(jī)，峰值流量為3500 NL/min@6000 rpm。永磁同步電機(jī)峰值功率80 kW，冷卻方式采用強(qiáng)制水冷。
通常，燃料電池汽車的混合動(dòng)力系統(tǒng)由燃料電池系統(tǒng)、二次電源、DC/DC轉(zhuǎn)換器、牽引電機(jī)及逆變器等組成。豐田FCHV-4的行駛模式包括：純電動(dòng)(低負(fù)荷工況僅由鎳氫電池提供電力)、燃料電池(中間負(fù)荷僅由燃料電池堆提供電力)、混合動(dòng)力(高負(fù)荷和加速工況下由電堆和鎳氫電池提供電力)和回收制動(dòng)四種模式。上述四種模式下，當(dāng)鎳氫電池組SOC降低到限值時(shí)由燃料電池堆提供電力和充電。
為防止燃料電池系統(tǒng)零部件在低溫環(huán)境下冷凝結(jié)冰影響工作，豐田汽車公司將低溫下存在水凍結(jié)現(xiàn)象的系統(tǒng)組件放在電堆模塊內(nèi)，如氫氣循環(huán)泵、電控噴氫和空氣背壓閥，以保證在-30℃低溫環(huán)境工作時(shí)系統(tǒng)組件溫度維持在零度以上。
為最大限度降低氫氧互滲帶來載體腐蝕(氫空界面)，電堆進(jìn)出口設(shè)置截止閥以形成良好密封，降低氧氣向陽極的滲透量。密閉電堆陰極腔體也可阻止氮?dú)獾榷栊詺怏w進(jìn)入陽極，以維持下一次啟動(dòng)期間的高氫氣純度?；诔杀?、體積、低溫環(huán)境適應(yīng)性和壓損考慮，豐田FCHV-adv空氣側(cè)截止閥采用氣動(dòng)錐閥，即借助壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的閥門。壓縮機(jī)即給電堆提供壓縮空氣，又通過壓縮空氣驅(qū)動(dòng)閥門。此外，為降低入堆空氣濕度，陰極側(cè)設(shè)置了旁通閥，調(diào)節(jié)電堆水平衡。
FCHV-adv空氣系統(tǒng)閥門
豐田FCHV-adv搭載的電堆首次使用金屬直流道極板取代之前的石墨板，開啟豐田金屬板電堆首秀。直流道金屬電堆由400片厚度1.68 mm、質(zhì)量166 g的單體并排兩列層疊組成。官方數(shù)據(jù)顯示，電堆峰值功率90 kW，體積64 L、質(zhì)量108 kg，體積和質(zhì)量功率密度分別為1.4 kW/L、0.83 kW/kg。由38個(gè)模組組成的鎳氫電池包電壓達(dá)274 V(7.2 V×38)，每個(gè)模組重量2.2磅，電池包總重100磅。
豐田FCHV-adv電堆
豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)位置示意
豐田第一代Mirai電堆由370片厚度1.34 mm、質(zhì)量102 g的鈦單體串聯(lián)組成。官方數(shù)據(jù)顯示，電堆峰值功率114 kW，體積37 L、質(zhì)量56 kg，體積和質(zhì)量功率密度分別為3.1 kW/L、2 kW/kg。動(dòng)力電池組采用34組鎳氫電池模組，輸出電壓244.8 V(7.2 V×34)，容量1.6 kW·h。永磁交流同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率113 kW，最大扭矩輸出335 N·m。燃料電池四相DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器體積為13 L，最高輸出電壓650 V。車載外部電力峰值輸出功率9 kW，容量近60 kW·h。
兩支IV型高壓氣態(tài)存儲(chǔ)氫瓶體積總計(jì)122.4 L(前60 L+后62.4 L)，質(zhì)量總計(jì)87.5 kg(前42.8 kg+后44.7 kg)，峰值加注壓力87.5 MPa，正常工作壓力70 MPa，儲(chǔ)氫密度5.7 %(IV型儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)層)，加注時(shí)間3~5分鐘(IV型儲(chǔ)氫瓶結(jié)構(gòu)：樹脂內(nèi)膽、碳纖維強(qiáng)化樹脂(CFRP)中層和玻璃纖維強(qiáng)化樹脂外層)。
豐田Mirai系統(tǒng)圖
豐田Mirai冷卻系統(tǒng)
