中国能源资讯网为了在高含水量的状态下进行零下的低温冷启动，丰田为此采取了一系列措施，包括：增强氧气的扩散、开发3D fine-mesh阴极流道以加强排水控制、采用水含量测量技术、驻车吹扫等。其中，水含量测量技术采用低频阻抗，可以实现含水量的精确测量。驻车吹扫的目的是停车后，排出从阴极扩散到阳极的液态水，如不进行吹扫，水可能会堵塞阳极流道。
通过采取以上措施，Mirai上搭载的燃料电池堆在零度以下启动时提高了输出功率。
1. 零下环境条件下的启动能力
下图为丰田Mirai 的燃料电池系统结构原理图。在燃料电池系统中，来自高压储氢罐的氢气经过减压后，通过氢气喷射器供给到燃料电池堆。未反应的氢气通过氢气循环泵循环至燃料电池堆。空气中的氧气通过空压机压缩后供应到燃料电池堆，背压则通过空气调节阀进行控制。
丰田Mirai燃料电池系统结构原理图
氢气和氧气进行电化学反应产生水，生成的水大部分从燃料电池堆的空气出口流出，但有一部分会反扩散到阳极，从燃料电池堆的阳极出口流出。为此，在供氢系统中装有气液分离器，通过吹扫阀排出液态水，水蒸气随未反应的氢气循环至燃料电池堆氢气入口，提升氢气的湿润程度。然而，在零下低温环境条件下，水会在燃料电池堆和系统组件内部结冰，从而影响燃料电池堆的正常运行。
2. 燃料电池堆
2.1 阴极
下图说明了水结冰会导致的问题，阴极催化层处生成的水结冰并填充内部空间，抑制了氧气的供应。为了防止冷冻水抑制氧气的供应，在生成的水充满阴极催化层内部空间结冰之前，燃料电池堆的温度必须超过凝固点。
零下环境条件下启动过程中对空气扩散的抑制作用图示
在零下温度下（例如-30℃）启动的要求可以用下面公式表示：
Wini+Wgen＜WWSC
其中，Wini为零下启动时阴极催化层中的初始含水量，Wgen为启动过程中产生的水量，WWSC为阴极催化层所能储存的最大水量，如下图所示。
根据Wini+Wgen＜WWSC，提出了以下三种提高零下冷启动性能的方法：
1.降低阴极催化层中的初始水含量Wini
2.减少预热过程中产生的水量Wgen
3.增加最大出水量WWSC
2.2 阳极
由于阴极的水分会反扩散到阳极，在零下条件下，阳极催化层也可能出现水结冰现象，从而抑制氢气的供应。如下图所示，当氢气供给不足时，质子与从阴极渗透到阳极的氧气发生反应。阴极的碳载体与水反应被氧化腐蚀。因此，有必要在液态水结冰前吹扫掉阳极内残留的水分，以免发生氢气局部欠气的现象。
阳极氢气局部欠气导致的阴极碳腐蚀机理
当Mirai停车时，燃料电池堆两端热辐射使得燃料电池堆的温度分布不均匀，双极板之间存在温差，如下图所示。水分从阴极反扩散到阳极，并在阳极靠近外侧的电池中发生冷凝，直到温度均衡。
燃料电池堆叠方向上的温度分布
这可以表示为：首先，水气通量可以用Fick定律表示，如下面公式所示，可以由扩散系数Dvap乘以蒸汽浓度梯度得到。
从阴极到阳极的总扩散量可以通过下式计算得到：
其中，Nvap为水蒸气通量（mol/m2/s），Dvap为水蒸气扩散系数（m2/s），Cvap为水蒸气浓度（mol/m3），W为从阴极到阳极的总扩散量（g），MW为水的分子量（g/mol），S为燃料电池的面积（m2）。
3. 燃料电池系统组件
燃料电池系统的部件内部结冰是导致燃料电池发电中断的原因之一。例如，在燃料电池堆下游的空气调节阀和吹扫阀内的水结冰。为此，燃料电池系统部件中的残留水必须在温度降到凝固点以下之前进行吹扫。
丰田早期的燃料电池汽车FCHV-adv上搭载的燃料电池堆的最大储水量WWSC相对较低。因此，必须减少初始水含量Wini以确保阴极催化层内有足够的容积来吸收零下条件下启动预热过程中生成的水量Wgen。为此，在行车过程中将燃料电池堆内的水含量（由高频阻抗计算得到）控制在一定水平以下，并在燃料电池系统停机时对残留水进行吹扫。停机吹扫还通过氢气循环泵将阳极的水吹扫干净，并将水从吹扫阀中排出。通过吹扫阴极的残留水，使得从阴极反扩散到阳极的水大大减少。并且，燃料电池系统组件也通过停机吹扫进行吹扫。
下图表示FCHV-adv中初始含水量Wini与燃料电池堆输出功率之间的关系。通过这些控制手段，大幅降低初始含水量Wini，增大质子交换膜的内阻，从而降低零下启动的输出功率。
FCHV-adv燃料电池堆初始含水量与电堆输出功率之间的关系
4. 丰田Mirai零下条件下的开发优化
为保证丰田Mirai在零下低温条件下启动后所需的电堆输出功率，开发了3D fine-mesh流场，通过增加储水能力WWSA，即使在峰值输出功率区域对应的初始含水量Wini下也能够实现在零下温度下启动。3D fine-mesh流场是一种利用毛细力将水从催化层中吸出的流场结构，从而改善排水能力。
3D fine-mesh流场结构示意图
结果，WWSC的储水能力约是FCHV-adv的两倍，即使在峰值输出功率区域对应的初始含水量Wini下，也能够启动Mirai。为此，通过停机吹扫将初始含水量Wini控制在峰值输出功率对应的区域。
虽然这种启动是可行的，但对于丰田Mirai来说，对应于峰值输出功率区域的A区的含水量与高频阻抗之间的相关性很小，如下图所示。因此，采用与FCHV-adv相同的高频阻抗测量方法无法达到必要的含水量测量精度。
水含量与高频阻抗的相关性
此外，初始含水量Wini增加时，停车时从阴极向阳极扩散的水量也会随之增加，这是导致车辆在零下启动过程中出现氢气饥饿的原因之一。
5. 丰田Mirai含水量测量方法
为了实现对上图中A区域含水量的精确测量，丰田提出了一种由氧气传输阻力估算含水量的方法。氧气传输主要受离聚物和液态水阻力的影响，如下图所示。
燃料电池催化层图示
构建了如下所示的等效电路模型，其中，离聚物导致的氧气传输阻力用Rct,ion等效，液态水导致的氧气传输阻力用Rct,wat等效。如果能够计算出等效电路模型中液态水导致的氧气传输阻力Rct,wat，那么就能够从含水量与Rct,wat之间的关系中，计算出含水量的值。
燃料电池堆等效电路模型
通过对燃料电池堆施加正弦波电流扫频得到Nyquist图，利用等效电路模型进行分析。高频阻抗谱和实轴交点表示燃料电池堆的欧姆电阻Rmem。半圆的直径表示离聚物和液态水对氧气总的传输阻力（Rct,ion+Rct,wat）。因此，可以通过将低频阻抗谱与实轴的交点减去Rmem来计算出离聚物和液态水对氧气总的传输阻力（Rct,ion+Rct,wat）。
Nyquist图示
由上述方式可以获取离聚物和液态水对氧气总的传输阻力（Rct,ion+Rct,wat），减去已知的由离聚物导致的氧气传输阻力即可获得由液态水导致的氧气传输阻力。
可以通过测量低频和高频阻抗来估计半圆直径，即不需要扫频就可计算出含水量，此方法已经应用在丰田Mirai上。
计算方法如下所示：
假设高频fH和低频fL的绝对值为R1和R2，相位角分别为θ1和θ2（由于θ1=0，R1=Rmem）。连接低频阻抗fL和高频阻抗fH直线之间的夹角和直线长度分别定义为φ和A。首先，φ可以通过下面公式得到：
φ=tan-1[(R2sinθ2)/{（R2cosθ2）-Rmem}]
然后用φ表示A：
A=（R2sinθ2）/sinφ
因此，通过上述参数，得到Rct,wat为：
Rct,wat=A/cosφ-Rct,ion
如上所述，证实了含水量可由液态水导致的氧气的传输阻力Rct,wat得到，如下图所示。
液态水导致的氧气传输阻力与水含量之间的关系
5.1 驻车吹扫
当燃料电池堆中的水扩散达到平衡状态后，为Mirai开发了驻车吹扫控制策略来对内部残留水进行吹扫，如下图所示。
零下低温条件下启动时的水量控制
这种控制策略的目的是帮助解决车辆停放时水从阴极反扩散到阳极，在零下低温条件下启动时的氢气饥饿问题。当燃料电池堆温度从饱和蒸气压曲线下降到约30℃或更低时，可以认为水扩散已经达到平衡状态。
如下图所示，只有检测到燃料电池堆和系统组件存在结冰的可能时，才会进行吹扫，以减少吹扫次数。
驻车吹扫
为了在上述时间进行驻车吹扫，ECU必须以足够短的时间间隔被唤醒，以监测系统组件的温度，以确保在结冰之前进行驻车吹扫。
此外，当下游燃料电池系统组件被吹扫时，驻车吹扫控制通过逐步减少阳极系统的吹扫流量，保证水不会从上游流入下游的燃料电池系统组件，如下图所示。
驻车吹扫顺序
首先，通过氢气循环泵对流场中的水进行吹扫。其次，降低氢气循环泵转速并对流道出口进行吹扫。最后，通过升高阳极压力来增加吹扫阀（purge valve）的流量，并对最下游的气液分离器/吹扫阀部分进行吹扫。这样，通过精细的流量控制来实现对燃料电池系统中的每个组件进行吹扫。
5.2 零下启动性能验证
在加拿大耶洛奈夫对丰田Mirai的零下低温冷启动性能进行了验证。下图给出了零下启动的结果，将车辆停放在温度为-20℃的低温环境中，并进行停机吹扫。之后，在环境温度为-25℃下停车约10小时后就存在结冰的可能，因而进行了驻车吹扫。
零下启动性能验证
在环境温度为-30℃的低温条件下（燃料电池电池系统在至少-20℃的低温环境下停机17小时），车辆重新启动。启动后，车辆运转以评估燃料电池堆的输出功率，并在约35s后开始重复全负荷运行。结果，Mirai的燃料电池堆输出功率在35s后达到60%，70s后达到100%。相比之下，FCHV-adv启动100s后，燃料电池堆的输出功率仅达到50%。这证实了在-30℃的低温环境下，丰田Mirai水管理和车辆性能的有效性。
