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下图严格展示了丰田汽车公司第一代Mirai动力系统的各项子系统：空气供给系统、氢气供给系统、热管理系统、电驱动和控制系统。燃料电池堆内的核心反应过程为氢氧电化学反应产生电、热、水。电堆冷却采用与传统发动机相同的冷却方式—液冷，即电动水泵输出的冷却液供应至燃料电池堆，电堆下游的冷却水控制阀改变流经散热器和旁通散热器的冷却水比例，通过控制冷却液温度以控制燃料电池堆在70-80℃附近温度高效率发电。电动水泵控制供水，燃料电池堆进出口的冷却液温差成为控制目标值。因此，作为热管理系统中温度控制的关键组件，电动水泵和水控阀在控制电堆目标温度起着重要作用。 
丰田Mirai动力系统 导致丰田Mirai电堆冷却系统散热量是传统汽油驱动车辆的2~3倍主要有三方面原因：1.冷却水温度低；2.排气带走热量小；3.高负荷下效率降低，产热量增加。下图展示了丰田Mirai使用的主散热器(800×400×48 mm)、副散热器(300×300×27 mm)和300 W无刷电动机(共两个)，其中电机作用为将冷却空气吸入主散热器。为发挥Mirai散热器散热性能，丰田汽车公司已将Mirai开口设计得尽可能大，冷却风扇尽可能提速使流经散热器的空气流速增大。保证散热能力对于燃料电池汽车至关重要。 
丰田Mirai大嘴进气格栅 
冷却液在高压燃料电池堆运行时处于流动状态，如果冷却液电阻较低(电导率较高)，冷却液通过散热器等组件与车身连接，无法保证高压绝缘。因此，冷却液的低电阻特性需要持续保证。丰田Mirai专用冷却液因包含防锈剂和PH调节剂具备高电阻值。此外，冷却回路中存在离子从冷却系统组件析出至冷却液中造成冷却液电阻降低的情况，因此为确保绝缘性在回路中采用了离子交换器。有关丰田Mirai绝缘低阻的技术标准请参考《道路运输车辆安全标准》中附件101的规定。
丰田Mirai冷却系统部件 燃料电池热管理与水管理联系密不可分。目前通用的燃料电池类型是聚合物电解质燃料电池(PEFC)，电解质膜仅在湿润状态下才具有高质子传导性，因此必须充分润湿。另一方面，如果水过多，则供给氧气和氢气的气体流路会被阻塞，从而难以供给氧气和氢气，降低了发电效率。因此一方面有必要精确控制排放到燃料电池外部的水量以确保燃料电池内部的水量保持在适当的状态，另一方面也可通过控制燃料电池堆的温度来控制水量。 下图为丰田Mirai冷却系统电动水泵的流量-压力关系图。可以看出，用于冷却燃料电池堆的电动水泵功率输出≥400 W，约为传统车载电动水泵(用于冷却HV逆变器)功率的60倍，原因是：为了使燃料电池堆温度均匀和保持散热器散热能力，需要165 L/min以上的冷却液流量。 
水泵流量和压力关系 用于Mirai电动水泵的逆变器输入功率约为1 kW，因此使用244 V电源(Mirai镍氢电池组244.8 V：7.2 V×34节)而非12 V电源驱动。丰田Mirai电动水泵的主要特性和泵结构见下表和下图。 
电动水泵在最大流量下消耗大量能量，因此水泵高效率运行成为关键。丰田Mirai电动水泵使用IPM内装式永磁同步电机，通过采用闭式叶轮作为螺旋体来实现紧凑性和高效率。此外，为降低成本，叶轮和蜗壳均由树脂制成。为减少树脂中离子在冷却液中析出量较大问题，采用PPS材料。另一方面，使用SiC(碳化硅)机械密封技术来密封泵的旋转轴，实现水泵的小型化、高输出和低损耗。为了发挥Mirai燃料电池堆性能，需要根据使用场景进行精确的温度控制。因此，丰田Mirai配备了冷却水控制阀(电磁三通阀)而非内燃机车辆中使用的节温器。如上所述，冷却水控制阀通过改变散热器侧与旁通侧之间的流量比来控制温度。具体来说，水控阀具有通过利用电机使圆形阀芯旋转而将冷却水分配到散热器侧或旁通侧的机构。阀门结构及其主要特性见下图和下表。
Mirai水控阀结构 水控阀特性表 通过减少内部泄漏量，该水控阀有助于缩短启动时燃料电池堆的预热时间，并改善高负载下的散热器性能。为减少内部泄漏量，将密封填料(也叫盘根，不旋转)压在旋转的圆柱形阀杆上，在滑动的同时也执行密封功能。另一方面，如果滑动阻力大，则需要大电机。因此，将聚四氟乙烯(Teflon)片材粘贴在EPDM上作为丰田Mirai电动水泵密封填料，减小滑动阻力并可以使用小步进电机来驱动。
密封填料 日本电装为丰田Mirai开发了一种内部泄漏少、响应速度快且温度控制精确的小型水控阀(电装为丰田Mirai开发的部件还包括主副散热器、水泵、中冷器、温度和压力传感器、红外线发射器、电压巡检器、升压转换器、逆变器、空气净化器、空调系统等)。作为丰田Mirai燃料电池车的一部分，由于密封填料滑动，密封填料须满足耐久性要求，因此评估了特氟龙片材的耐久性。上图为密封填料实物照片和特氟龙片材厚度测量部位，下图显示了耐久性评估结果。可以看出，配备上述密封填料的水控阀具有足够的耐用性，可承受100000次运行。将来，作为温控装置，也可以考虑将该水控阀应用于燃料电池汽车以外的车辆。
密封填料磨损测试结果 丰田Mirai燃料电池汽车在其冷却回路中配备了电加热器，如何降低源自于电加热器的电能消耗是增加纯电续航里程的关键。对于没有发动机废热的纯电动汽车，必须消耗电池电量产生热量以加热乘员舱。众所周知，电池电量对行驶里程有着很大影响。例如，当外部环境温度为0°C时，大约需要3 kW的热量来加热乘员舱，如果所有的电能均由电加热器提供，则纯电动汽车的行驶里程将减少大约40％。丰田Mirai在JC08模式下可达到650 km的续航里程，但Mirai空调系统的开发目标是在包括空调在内的氢耗测量条件下实现500 km的续航里程和空调性能。
燃料电池汽车具有类似汽油车和混合动力中车发动机的余热(waste heat)形式，其可作为热源加热其他部件。但废热并不总是能够提供加热所需的能量，可使用的废热量受到负载限制。如下图所示，在行驶负荷较高情况下(车速高)，能够通过燃料电池堆余热来满足加热所需能量；当行驶负荷较低时(车速低或空转时)，燃料电池堆产生的废热量较少，可用于加热的能量会受到很大限制。因此需要一种不会因废热对燃料电池堆温度产生不利影响的冷却系统。
丰田汽车公司为Mirai开发了电堆余热利用技术(有效利用燃料电池电堆余热进行空调制热的能量系统)，可同时满足空调性能和实际巡航里程。如下图所示，在场景①中，尚无法使用燃料电池堆废热，例如在汽车起步或行驶早期阶段，该阶段使用电加热器进行空调温度调节。场景①经过一段时间进入场景②，当燃料电池堆水温高于某个水平时，空调热回路和燃料电池冷却回路连接，可以减少电加热器的功耗。注意避免因空调热回路冷却水流入燃料电池冷却回路导致燃料电池水温突然变化降低燃料电池系统效率。在高速运行的场景③中，仅用电堆废热空调热回路，无需电加热器介入。
为延长续航里程，丰田Mirai空调系统还采取了其他措施来减少热量耗散。通常，汽车空调制热模式下从加热器吸收到汽车内部的热量除了使乘员舱变暖之外，一部分会耗散到汽车外部，其中，换风造成的损失高达25%。因此有必要增加乘员舱内部空气流通，但同时也容易发生窗雾。因此，丰田汽车公司对Mirai乘员舱内湿度进行测量和调节，以减少热损失和避免车窗起雾。此外，丰田汽车公司还对Mirai空调进行操作模式改进。通常，汽车一般提供可一定程度抑制功率输出的ECO模式，但Mirai增加了ECO空调模式可供客户选择，可进一步降低空调功耗。丰田汽车公司开发的电堆余热利用技术可在满足空调性能目标的同时有效降低供暖功率，并实现500公里的续航里程。
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