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丰田Mirai燃料电池低温环境系统控制开发
2020-04-15 23:31:17· 来源：燃料电池干货
从水热管理角度看，质子交换膜燃料电池低温启动成功的关键在于催化层被冰完全覆盖前温度上升至冰点之上。针对2008款FCHV-adv车型在低温启动阶段存在的水含量测量
从水热管理角度看，质子交换膜燃料电池低温启动成功的关键在于催化层被冰完全覆盖前温度上升至冰点之上。针对2008款FCHV-adv车型在低温启动阶段存在的水含量测量精度欠佳、启动过程氢气欠气等问题，丰田汽车公司在量产版Mirai分别采用了氧气传输阻力评估水含量和驻车吹扫排水等方法。
丰田汽车公司自1992年开发燃料电池汽车以来，不断在燃料电池关键性能方面取得突破和技术进步，如效率、续航、耐久性和低温启动性能。在低温环境下，燃料电池系统输出功率比在正常工作温度下降低较多。丰田汽车公司针对2008款FCHV-adv在低温环境适应性方面存在的主要问题，如水含量测量精度低、低温启动输出功率较低、启动过程氢气欠气、电堆和系统组件停车吹扫耗时耗能等问题进行全面改良和升级，最终实现量产版Mirai燃料电池汽车低温启动能力巨大提升。
丰田Mirai高温环境测试
丰田Mirai低温环境测试
为在较高含水量状态下实现零下启动，丰田汽车公司为此采取了提高电池内氧气扩散效率、开发3D fine-mesh流场(提高排水能力)、水含量精确测量技术、驻车吹扫控制策略等技术方案。其中，水含量精确测量技术采用低频阻抗实现对燃料电池堆在高含水量水平下的含水量精确测量，驻车吹扫控制策略针对Mirai系统关机一段时间后对从阴极反扩散至阳极的水分(水分再分布)进行吹扫排水(停车吹扫在前，驻车吹扫在后)。
丰田Mirai动力系统
零下启动问题起源
丰田Mirai燃料电池动力系统如上图所示，工作过程可大致描述为：氢瓶高压氢气经过压力调整后经喷射器进入电堆阳极，未参与反应氢气经循环泵循环利用再入堆；空气中氧气经空压机增压后进入电堆阴极，空气截止阀调节背压。
阴极电化学反应的产物水绝大多数通过空气出口排出，但仍有一部分水分通过质子膜反扩散至阳极，通过阳极出口排出电堆。因此，在Mirai燃料电池系统的氢气供给系统中，安装了气液分离器，液态水通过电磁阀(purge valve)排出电堆，水蒸气再循环至电堆阳极入口改善电堆湿润性水平。但在低温环境下，燃料电池电堆和系统零部件内水分冷凝和结冰，影响发电效率。
低温启动水管理
对于燃料电池阴极，电化学反应产物水结冰，冰晶填充多孔介质内孔隙，阻碍氧气传输。因此，为顺利输送氧气，燃料电池电堆必须在产物水结冰并覆盖阴极催化层前温度上升至冰点以上。换言之，零下启动的要求可以表述为Wini+Wgen
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