对第1代丰田Mirai整车0～100km/h加速时间、NEDC续驶里程等性能指标进行了核算，并对其燃料电池系统的功率、效率、氢能利用率进行了讨论。利用第1代Mirai燃料电池效率-输出功率实测曲线，推演得到极化曲线和面功率密度曲线，并将其与描述极化曲线的方程进行拟合，从而估算出燃料电池单体和电堆的内阻、塔菲尔斜率、交换电流密度以及极限电流密度。对第1代Mirai燃料电堆尺寸设计、单体活性面积和单体个数的选取进行了讨论。

燃料电池车（FCV）使用燃料电池代替传统汽车的燃油作为车载能源。FCV的典型代表是丰田Mirai。2008年丰田推出非量产版的、基于SUV的燃料电池车FCHV-adv，称之为第0代Mirai；2014年改进版Mirai上市，称之为第1代Mirai；2020年12月发布2021款，称之为第2代Mirai。第1代Mirai是目前累计销量最多的燃料电池乘用车，占比达80%以上。表1为丰田Mirai整车基本参数。表2为丰田Mirai与燃料电池相关的配置及参数。

本文第2部分将对第1代丰田Mirai整车的0～100km/h加速时间、NEDC续驶里程等性能指进行核算和解读；本文第3部分将对第1代丰田Mirai燃料电堆和单体尺寸、内阻、塔菲尔斜率、交换电流密度、极限电流密度等参数进行核算和解读；第4部分将讨论第1代Mirai燃料电堆的尺寸设计，单体活性面积、单体个数的确定等。

FCV普遍采用质子交换膜燃料电池（PEMFC），也称聚合物电解质燃料电池（PEFC），其储能方式不同于普通锌锰电池等一次电池，也不同于铅酸电池、锂离子电池等二次电池，它不是把电能预充到电池中转化为化学能存储起来，而是更像传统内燃机那样把能量存储在燃料之中，其发电时发生的氧化还原反应也类似内燃机的燃料燃烧反应，因此也称燃料电池发动机（powertrainof fuel cell，PFC）。第1代Mirai使用PEM氢/氧燃料电池，且为氢/空气系统，其系统结构图如图1所示。因为燃料电池输出特性偏软及动态性能较差，电堆电压波动很大，几乎没有负载能够承受这样的电压波动，故不适合单独作为车辆的动力电源，需要在燃料电堆的输出端串接一个DC/DC变换器对燃料电堆电压进行调节，而且要配备辅助动力电池组（第1代Mirai为NiMH电池组）和燃料电堆并联共同构成FCV的动力系统。该DC/DC同时可以对燃料电堆的输出电流和输出功率进行控制，起到保护燃料电堆的作用。需要注意的是，燃料电池只可对外供电，禁止充电，其正、负电极的电流绝对不容许反向，所以其后接DC/DC只能是单向能量传输，属于单向DC/DC。丰田的纯电动车、混动车以及燃料电池车，其驱动电机通常采取较高的工作电压，目的是在输出相同功率时减小电流，从而减小铜损和减少电机体积；而燃料电池为了延长寿命，单体电压不宜太高，另外由于体积限制堆叠的单体不能太多，因此Mirai的燃料电堆电压低于驱动电机工作电压，其后接DC/DC是升压变换器（boostconverter）。在燃料电堆能量较高超出驱动电机需求时，燃料电堆同时向NiMH电池组充电，在燃料电堆能量较低不足以满足驱动电机功率需求时，NiMH电池组同时向驱动电机供电。

汽车厂经常将新能源车的0～50km/h起步急加速时间、0～100km/h起步急加速时间有多快作为卖点吸引顾客。资料对多款车型针对以下5种情形计算电机驱动功率

，即：①最高车速时；②0～50km/h起步加速时；③50～80km/h加速时；④0～100km/h加速时；⑤以20km/h低速匀速爬20%坡度时，得出：驱动电机峰值扭矩一般对应0～50km/h急加速时间，而驱动电机峰值功率一般对应0～100km/h急加速时间。我们根据这个结论，来核算第1代Mirai的0～100km/h起步加速

b一般在3 000～4 000rpm，差异主要是因为减速器速比和车轮滚动半径不同引起。这样，把

为车辆试验质量（kg），与起步相关的计算，试验质量既不取整备质量，也不取满载质量，而是取半载质量，对于4/5座轿车，

NEDC循环工况由1部和2部组成。试验1部由4个城区循环单元组成;试验2部由1个城郊循环单元组成。完整NEDC循环当量距离为11.023km。NEDC工况，

为2部1个城郊循环单元中各个匀速段驱动力所做功。式中因子4表示1个NEDC循环含有4个城区循环。

fu1。第1代Mirai储氢罐减压阀为1MPa，那么储氢罐内最终剩余气体压力可认为是1MPa。不能简单地认为

1≈4.6kg，并不表示加入质量为4.6kg的氢后压力正好达到70MPa（实际压力约46.2MPa）。剩余H2质量为

fu2。工程上把燃料电池入口处馈入H2的实际流量和氧化还原反应中H2的消耗率之比称为H2的化学计量比，则有

氢/空气系统的PEMFC，以目前的技术水平，一般≈1.05，在重组技术、功率调节以及系统集成上进一步成熟后，可以做到≈1.01，故

①在电堆上发生氧化还原反应的燃料能量不可能全部转化为电堆对外输出的电功或电能，存在电堆效率

H=-285.84kJ/mol，负值表示放热。实际的氢/氧燃料电池工作温度为60～80℃，生成物H2O为液态，计算时取高热值Δ

sta-HHV较为合理。但是，当与内燃机燃料效率相互比较时，鉴于内燃机排气岐管温度高达800～900℃，内燃机计算效率用的是燃料低热值Δ

。但是单体电压不是越高越好，因为当电压较高时，电堆体积较大，而且启动和关闭期间会加剧催化剂碳载体腐蚀，显著影响燃料电池寿命；单体电压较高也意味着电堆输出功率较小。FCV行驶时绝大部分时间内燃料电池单体电压范围为0.6～0.85V（第1代Mirai有370个发电单体，电堆电压约为220～315V），常见的是使燃料电池工作在

sys通常要实测。汽车测试网/汽车测试技术介绍了美国阿贡国家实验室与加拿大交通部合作对第1代丰田Mirai燃料电堆及系统的性能和效率的测试结果，如图3所示。图3同时记录了不同输出功率下的空压机功耗和升压变换器转换效率。试验基于H2的低热值Δ

图3 第1代Mirai 燃料电堆及系统效率随电堆输出功率变化关系曲线 电驱动系统的电气效率

纯电动车（BEV）制动能量回收可使续驶里程延长20%～30%，目前BEV制动能量回收产生的能量增量系数一般可做到

=392.2×1.23=482.4km。与公告值502km相差3.9%。如果式（40）中用Δ

前面讲到，在60～100km/h急加速工况，驱动电机需要输出的功率最大，第1代Mirai驱动电机峰值功率

mnet为90kW，显然这个90kW的净功率不能使驱动电机输出113kW的峰值功率，因此车辆急加速时，燃料电池系统不仅不向NiMH电池组充电，而且辅助动力电池NiMH电池组还必须和燃料电池系统并联同时给驱动电机供电，此时燃料电池和辅助动力电池都释放10s最高脉冲功率。从式（32）可知，这个90kW净功率是考虑了向NiMH电池组充电的，如果车辆急加速时取

一般为3～7kW，3.3kW慢充充电机相当，急加速为10s脉冲，计算时取值3.3kW。冷却液泵和氢循环泵消耗功率

mnet中去。设在60～100km/h急加速时，驱动电机实际输出最大功率为，此时燃料电池系统输出最大功率