因关键材料技术进步、核心零部件性能提升和技术路线更新，车载燃料电池系统架构和控制方法也在变化。丰田汽车公司自1992年开始研发燃料电池汽车，在1996年首次推出FCHV-1后发布过FCHV系列燃料电池车。本文分享丰田汽车公司历史上具有代表性的三款FCV燃料电池系统
丰田FCHV-4系统原理
丰田FCHV-4搭载质子交换膜燃料电池堆峰值功率90 kW，动力电池采用容量6.5 Ah风冷镍氢电池。燃料电池系统空气侧采用涡旋式压缩机，峰值流量为3500 NL/min@6000 rpm。永磁同步电机峰值功率80 kW，冷却方式采用强制水冷。
通常，燃料电池汽车的混合动力系统由燃料电池系统、二次电源、DC/DC转换器、牵引电机及逆变器等组成。丰田FCHV-4的行驶模式包括：纯电动(低负荷工况仅由镍氢电池提供电力)、燃料电池(中间负荷仅由燃料电池堆提供电力)、混合动力(高负荷和加速工况下由电堆和镍氢电池提供电力)和回收制动四种模式。上述四种模式下，当镍氢电池组SOC降低到限值时由燃料电池堆提供电力和充电。
为防止燃料电池系统零部件在低温环境下冷凝结冰影响工作，丰田汽车公司将低温下存在水冻结现象的系统组件放在电堆模块内，如氢气循环泵、电控喷氢和空气背压阀，以保证在-30℃低温环境工作时系统组件温度维持在零度以上。
为最大限度降低氢氧互渗带来载体腐蚀(氢空界面)，电堆进出口设置截止阀以形成良好密封，降低氧气向阳极的渗透量。密闭电堆阴极腔体也可阻止氮气等惰性气体进入阳极，以维持下一次启动期间的高氢气纯度。基于成本、体积、低温环境适应性和压损考虑，丰田FCHV-adv空气侧截止阀采用气动锥阀，即借助压缩空气驱动的阀门。压缩机即给电堆提供压缩空气，又通过压缩空气驱动阀门。此外，为降低入堆空气湿度，阴极侧设置了旁通阀，调节电堆水平衡。
FCHV-adv空气系统阀门
丰田FCHV-adv搭载的电堆首次使用金属直流道极板取代之前的石墨板，开启丰田金属板电堆首秀。直流道金属电堆由400片厚度1.68 mm、质量166 g的单体并排两列层叠组成。官方数据显示，电堆峰值功率90 kW，体积64 L、质量108 kg，体积和质量功率密度分别为1.4 kW/L、0.83 kW/kg。由38个模组组成的镍氢电池包电压达274 V(7.2 V×38)，每个模组重量2.2磅，电池包总重100磅。
丰田FCHV-adv电堆
丰田Mirai燃料电池系统位置示意
丰田第一代Mirai电堆由370片厚度1.34 mm、质量102 g的钛单体串联组成。官方数据显示，电堆峰值功率114 kW，体积37 L、质量56 kg，体积和质量功率密度分别为3.1 kW/L、2 kW/kg。动力电池组采用34组镍氢电池模组，输出电压244.8 V(7.2 V×34)，容量1.6 kW·h。永磁交流同步驱动电机峰值功率113 kW，最大扭矩输出335 N·m。燃料电池四相DC/DC升压转换器体积为13 L，最高输出电压650 V。车载外部电力峰值输出功率9 kW，容量近60 kW·h。
两支IV型高压气态存储氢瓶体积总计122.4 L(前60 L+后62.4 L)，质量总计87.5 kg(前42.8 kg+后44.7 kg)，峰值加注压力87.5 MPa，正常工作压力70 MPa，储氢密度5.7 %(IV型储氢瓶内层)，加注时间3~5分钟(IV型储氢瓶结构：树脂内胆、碳纤维强化树脂(CFRP)中层和玻璃纤维强化树脂外层)。
丰田Mirai系统图
丰田Mirai冷却系统
