Destripando al Mirai
El nuevo convertidor de potencia de pila de combustible y pila de combustible (FCPC) de Toyota se ha desarrollado específicamente para su uso con la plataforma GA-L. Los diseñadores han podido reunir todos los elementos en el marco de la pila (incluidas las bombas de agua, el intercooler, el aire acondicionado y los compresores de aire y la bomba de recirculación de hidrógeno) con cada parte más pequeña y liviana, mientras que al mismo tiempo mejora el rendimiento. La propia caja de la pila se ha hecho más pequeña mediante el uso de soldadura por fricción y agitación, lo que reduce el espacio entre la celda de combustible y la carcasa.
La pila de celdas de combustible utiliza un polímero sólido, como en el Mirai actual, pero se ha hecho más pequeño y tiene menos celdas (330 en lugar de 370). No obstante, establece un nuevo récord de densidad de potencia específica de 5,4 kW / l (sin incluir las placas de extremo). La potencia máxima ha pasado así de 114 kW a 128 kW. El rendimiento en climas fríos se ha mejorado con la puesta en marcha ahora posible a temperaturas tan bajas como -30˚.
Al concentrar las conexiones del sistema dentro de la caja, se necesitan menos componentes, lo que nuevamente ahorra espacio y peso.
Centrarse en la innovación y la mejora en cada componente ha proporcionado una reducción de peso del 50% y un aumento de potencia del 12%. Las nuevas medidas incluyen la reubicación del colector, la reducción del tamaño y el peso de la celda, la optimización de la forma del separador de canales de gas y el uso de materiales innovadores en los electrodos.
La unidad también incorpora el convertidor CC-CC de pila de combustible (FDC) y piezas modulares de alto voltaje, al tiempo que logra una reducción del 21% en tamaño en comparación con el sistema actual. El peso se ha reducido en 2,9 kg a 25,5 kg. La tecnología avanzada ha contribuido al ahorro de espacio, con el uso por primera vez de Toyota de un material semiconductor de carburo de silicio de próxima generación en los transistores del modelo de potencia inteligente (IPM). Esto permite un aumento en la salida y un menor consumo de energía mientras se utilizan menos transistores, lo que a su vez permite que el FCPC se haga más pequeño.
Se ha aplicado el mismo enfoque de ahorro de tamaño y peso a otras partes de la pila FC. La entrada de aire está diseñada para una baja pérdida de presión y contiene material absorbente de sonido para que el ruido de las entradas de aire sea imperceptible en la cabina. El escape utiliza una tubería de resina y está diseñado para permitir la descarga de una gran cantidad de aire y agua; un silenciador de mayor capacidad contribuye a una cabina más silenciosa. El sistema de aire completo es casi un 30% más pequeño que en el Mirai actual y pesa más de un tercio (34,4%) menos.
Batería de iones de litio
El nuevo Mirai está equipado con una batería de iones de litio de alto voltaje en lugar de la unidad de hidruro metálico de níquel del modelo actual. Aunque de tamaño más pequeño, es más denso en energía, lo que proporciona un rendimiento superior y un rendimiento medioambiental superior. Con 84 celdas, tiene una tensión nominal de 310,8 en comparación con 244,8 y una capacidad de 4,0 Ah, en comparación con 6,5 Ah. El peso total se ha reducido de 46,9 a 44,6 kg. La potencia ha mejorado de 25,5 kW x 10 segundos a 31,5 kW x 10 segundos.
Las dimensiones más reducidas de la batería han permitido que se coloque detrás de los asientos traseros, evitando intrusiones en el compartimento de carga. Se ha diseñado una ruta de enfriamiento de aire optimizada, con entradas discretas a ambos lados de los asientos traseros.
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Toyota Mirai on Display
Toyota’s new fuel cell stack and fuel cell power converter (FCPC) have been developed specifically for use with the GA-L platform. The designers have been able to bring all the elements together in the stack frame (including the water pumps, intercooler, air conditioning and air compressors and the hydrogen recirculation pump) with each part made smaller and lighter, while at the same time improving performance. The stack case itself has been made smaller by using Friction Stir Welding, reducing the gap between the fuel cell and casing.
The fuel cell stack uses a solid polymer, as in the current Mirai, but has been made smaller and has fewer cells (330 instead of 370). Nonetheless, it sets a new record for specific power density at 5.4 kW/l (excluding end plates). Maximum power has thus risen from 114 kW to 128 kW. Cold weather performance has been improved with start-up now possible at temperatures from as low as -30˚.
By concentrating the system connections within the case, fewer components are needed, again saving space and weight.
Focusing on innovation and improvement in every component has delivered a 50% weight reduction yet a 12% increase in power. New measures include relocation of the manifold, reducing the size and weight of the cell optimising the shape of the gas channel separator and using innovative materials in the electrodes.
The unit also incorporates the Fuel Cell DC-DC Converter (FDC) and modular high-voltage parts, while achieving a 21% reduction in size compared to the current system. Weight has been cut by 2.9 kg to 25.5 kg. Advanced technology has contributed to the space-saving, with Toyota’s first-time use of a next generation silicon carbide semiconductor material in the intelligent power model (IPM) transistors. This enables an increase in output and lower power consumption while using fewer transistors, which in turn allows the FCPC to be made smaller.
The same size and weight-saving approach has been applied to other parts of the FC stack. The air intake is designed for low pressure loss and contains sound-absorbing material so that noise from the air inlets is unnoticeable in the cabin. The exhaust uses a resin pipe and is designed to allow for a large amount of air and water to be discharged; a larger-capacity silencer contributes to the quieter cabin. The complete air system is almost 30% smaller than in the current Mirai and weighs more than a third (34.4%) less.
Lithium-ion battery
The new Mirai is equipped with lithium-ion high-voltage battery in place of the current model’s nickel-metal hydride unit. Although smaller in size, it is more energy-dense, giving higher output and superior environmental performance. Containing 84 cells, it has a 310.8 rated voltage compared to 244.8, and a 4.0 Ah capacity, versus 6.5 Ah. Overall weight has been reduced from 46.9 to 44.6 kg. The output has improved from 25.5 kW x 10 seconds to 31.5 kW x 10 seconds.
The battery’s smaller dimensions have allowed it to be positioned behind the rear seats, avoiding intrusion in the load compartment. An optimised air-cooling path has been designed, with discreet inlets either side of the rear seats.
