Los componentes principales del sistema propulsor del Toyota Mirai son dos depósitos de hidrógeno, una pila de combustible, una batería y un motor eléctrico.

La pila de combustible es la principal fuente de energía del motor eléctrico, si bien el Mirai recorre los primeros metros utilizando únicamente la batería, como sucede en los otros modelos híbridos de Toyota. Una unidad electrónica de control (ubicada justo por encima del motor eléctrico; imagen) se encarga de gestionar los flujos de energía entre la pila, la batería y el motor eléctrico y de determinar cuánta potencia se requiere de la pila y de la batería en función de la demanda de aceleración por parte del conductor. Así, por ejemplo, bajo una fuerte demanda de aceleración, la pila de combustible y la batería proveen conjuntamente de energía al motor eléctrico. 

Durante las fases de deceleración, una parte de la energía cinética del coche se transforma en energía eléctrica, la cual se deriva hacia la batería para su recarga. Durante estas fases, así como en otras en las que la demanda de potencia sea baja, la pila de combustible también ayuda a la recarga de la batería.

Depósitos de hidrógeno y repostaje.

Hay dos depósitos de hidrógeno, uno de 60,0 litros colocado debajo de los asientos traseros y otro de 62,4 litros colocado tras los respaldos, justo por encima del eje posterior. En total, son 122,4 litros en los que se puede almacenar aproximadamente 5,0 kilogramos de hidrógeno a 700 bar (70 MPa) de presión.

Los depósitos los fabrica Toyota y utiliza tres capas de material en ellos. La cara interna está hecha de un polímero plástico con una permeabilidad muy baja al hidrógeno. La capa intermedia es de plástico reforzado con fibra de carbono y es la que da la rigidez al depósito para soportar la presión. La capa exterior es de plástico reforzado con fibra de vidrio.

Toyota afirma que la resistencia de los depósitos ante un accidente es muy alta, no sólo por la fortaleza de los materiales con los que están fabricados, sino también por su colocación y las estructuras que los protegen. Pueden resistir sin deformarse o quebrarse en una colisión posterior a 80 km/h.

Para llenar los depósitos hay que utilizar un surtidor que pueda suministrar hidrógeno a 700 bar (esta presión es un estándar que se utiliza en Europa, Estados Unidos y Japón). El procedimiento para repostar hidrógeno no entraña ninguna dificultad y es prácticamente idéntico al de un coche de combustión interna. Lo único en lo que se diferencia es en la necesidad de apuntar bien con el boquerel a la toma de entrada del coche y asegurarse de su correcta fijación. El tiempo de llenado varía entre 3 y 5 minutos.

La presión y temperatura del hidrógeno dentro de los depósitos están controladas mediante unos sensores, cuya información se transmite vía infrarrojos al boquerel del surtidor de hidrógeno para determinar cuánto combustible es necesario suministrar.

Las hidrogeneras pueden suministrar hidrógeno cuando la temperatura de éste es inferior a 40ºC. Según nos explicó Toyota, tras tres respostajes seguidos, la temperatura sube por encima de ese nivel y es necesario esperar unos 20 minutos para llenar el siguiente vehículo.

Pila de combustible

La pila está compuesta por 370 celdas conectadas en serie (por tanto, si falla una celda, la pila deja de funcionar). Cada celda está formada por dos electrodos porosos (ánodo y cátodo, por donde entra el hidrógeno y el oxígeno respectivamente) separados por un electrolito de membrana polimérica que solo deja pasar protones y con un catalizador de aleación de platino y cobalto que reviste una de las caras de cada electrodo. Cada celda está separada de la consecutiva por una placa de separación y un colector de corriente. La placa de separación es metálica (contiene titanio) y proporciona rigidez a la pila y aislamiento térmico.

El cátodo tiene un diseño especial, como de escamas superpuestas, en vez de canales rectos y paralelos como es habitual. Toyota le da el nombre de 3D fine-mesh. Tiene dos ventajas con respecto al diseño convencional: primera, una mejor difusión del oxígeno hacia el catalizador y, la segunda, una mejor evacuación del agua producida durante la reacción.

Cada celda tiene un grosor de 1,34 milímetros, pesa 102 gramos y puede producir un voltaje teórico de 1,23 voltios. Al estar todas conectadas en serie, el voltaje teórico de la pila es 455,1 voltios (1,23 voltios/celda x 370 celdas). Como el rendimiento no es superior al 75 %, el voltaje real es inferior (en Toyota no han sabido decírmelo con exactitud).

La pila de combustible está ubicada debajo de la fila de los asientos delanteros, pesa 56 kilogramos y ocupa un volumen de 37 litros. Estos valores no tienen en cuenta la masa ni el volumen de los elementos auxiliares (como la bomba de recirculación de hidrógeno), ni el transformador que hay acoplado a la salida de la pila para elevar la tensión a 650 voltios (este último tiene un volumen de 13 litros). La pila puede producir una potencia máxima de 154 CV (114 kW). Por tanto, tiene una densidad energética de 3,1 kW/l o 2,0 kW/kg.

El electrolito sólido es permeable a los iones positivos H+ (protones). Es un tercio más fina que la utilizada en el prototipo Mirai 2008 y su conductividad de protones es tres veces más alta. El electrolito ha de sustituirse cada 60 000 km y para que realice correctamente su función, es necesario que tenga un determinado nivel de humedad. Habitualmente esto se consigue mediante un circuito específico con un humidificador. Toyota ha prescindido de él porque utilizan la propia agua generada en la reacción del hidrógeno con el oxígeno como fuente de agua para regular la humedad. De acuerdo con ellos, a fecha de noviembre de 2014, son los primeros en construir una pila de combustible no experimental sin un humidificador, lo que supone reducir en 13 kilogramos el peso total de la pila y reducir su volumen en 15 litros.

Toyota ha hecho pruebas de funcionamiento de la pila de combustible a muy baja temperatura con el fin de cerciorarse de que el agua producida en la reacción no se congela, ni provoca problemas a consecuencia de ello. Una de ellas se llevó a cabo en Yelowknife (Canadá) y consistió en dejar un Mirai estacionado durante 17 horas a temperaturas de entre 20 y 30 grados bajo cero. Treinta y cinco segundos después de arrancar el vehículo, la pila de combustible dio un 60 % de su rendimiento al presionar a fondo el acelerador. A los setenta segundos, el rendimiento de la pila alcanzó el 100 %.

Para evitar que el agua generada por la pila se congele cuando el vehículo está estacionado, hay que purgar el circuito pulsando un botón que hay a la izquierda del volante que pone H2O (imagen). Todo el agua acumulada se expulsa entonces por una tobera que hay en la parte trasera de los bajos del coche (imagen). El Mirai produce una media de 7 litros de agua cada 100 kilómetros.

Batería

La batería está colocada por encima del segundo depósito de hidrógeno, es decir, entre los respaldos de los asientos posteriores y el maletero. Es de níquel e hidruro metálico, está compuesta por 34 celdas conectadas en serie, tiene una capacidad de 1,6 kWh y genera una tensión de 244 voltios. Es la misma del Toyota Camry Hybrid, un modelo que no se comercializa en Europa (se vende en Estados Unidos). La batería del Toyota Prius 2012 tiene una capacidad de 1,3 kWh.

Su función es la de mover el coche durante los primeros metros, apoyar a la pila de combustible durante las fases de aceleración que lo requieran y almacenar la energía que se produce durante las fases de deceleración, así como la que produce la pila de combustible).

Motor eléctrico

Es el mismo tiene el Lexus RX450 h 2012 para mover sus ruedas delanteras (cuyo código es 2GR-4JM). Es un motor síncrono de imanes permanentes que puede producir 154 caballos de potencia máxima y 335 Nm de par motor máximo. Funciona a una tensión nominal de 650 voltios y tiene un sistema de refrigeración propio, diferenciado del que se utiliza para la pila de combustible. El motor eléctrico está ubicado debajo de la unidad de control y justo por delante del eje delantero.