豐田汽車公司開創(chuàng)性將燃料電池堆布置在Mirai燃料電池汽車底盤(座椅下方)。由于底盤在車輛中位置低，電堆底盤布置方案須充分考慮來自汽車底盤的沖擊、防水和防塵。本文介紹豐田Mirai燃料電池汽車搭載電堆的防水與防銹設(shè)計(jì)。

豐田汽車公司通過流場創(chuàng)新設(shè)計(jì)(3D fine-mesh陰極流場)、高性能電極(超薄膜、高活性催化劑)和簡化電堆緊固結(jié)構(gòu)(恒尺寸緊固)等眾多開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)Mirai燃料電池堆體積功率密度從1.4kW/L上升到3.1kW/L，質(zhì)量功率密度從0.8kW/kg增加至2.0kW/kg，單體厚度從1.68mm降低至1.34mm，電堆單體數(shù)量從400片降低至370片(雙排變單排)，電堆峰值功率從90kW上升至114kW(與豐田2008款燃料電池堆相比)。

豐田Mirai燃料電池堆

目前，國內(nèi)電堆或系統(tǒng)產(chǎn)品普遍標(biāo)注“IP67”防護(hù)等級(jí)(IP防護(hù)等級(jí)是電工委員會(huì)起草，將電器依其防塵防濕之特性加以分類的系統(tǒng))。其中，第yi個(gè)數(shù)字gao為6，表示“*防止外物及灰塵浸入”；第二個(gè)數(shù)字gao為8，表示“在深度超過1米的水中防持續(xù)浸泡影響，準(zhǔn)確條件由制造商針對各設(shè)備”。若第二個(gè)數(shù)字為7，則表示“在深達(dá)1米的水中防30分鐘的浸泡影響”。

國內(nèi)某公司燃料電池系統(tǒng)參數(shù)

防水

豐田汽車公司將燃料電池堆布置在Mirai底盤，降低汽車重心，提高轉(zhuǎn)彎性能和操作穩(wěn)定性。底盤是汽車低的位置之一，當(dāng)汽車駛過雨水沉積的路面，Mirai燃料電池堆暴露在水環(huán)境中，電堆可能與水接觸。因此，車載燃料電池堆必須進(jìn)行防水處理以確保高壓安全性。

Mirai底盤動(dòng)力系統(tǒng)布置

為定量驗(yàn)證水面行駛所需耐水壓力，豐田汽車公司進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)和仿真模擬工作。在驗(yàn)證仿真結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果關(guān)聯(lián)性緊密后，仿真模擬結(jié)果表明，燃料電池堆的每個(gè)部分都達(dá)到了所需的防水性能。

豐田Mirai模擬水壓分布

Mirai電堆水壓分布(模擬與試驗(yàn)值對比)

下圖表示Mirai燃料電池堆防水設(shè)計(jì)的底蓋結(jié)構(gòu)。底蓋置于電堆下表面，暴露在燃料電池堆所承受的大壓力處。Mirai通過保證底蓋和堆外殼之間密封圈的接觸壓力來實(shí)現(xiàn)有效防水，并且底蓋上設(shè)置有外部筋，以在密封件和接觸部分間獲得必要的剛度來實(shí)現(xiàn)有效壓力。

防水電堆底蓋結(jié)構(gòu)

當(dāng)Mirai燃料電池汽車在水面行駛，存在電堆被水*覆蓋的可能，電堆外殼內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓。這種現(xiàn)象主要是由于收縮引起的，即水接觸電堆外殼導(dǎo)致殼內(nèi)氣體溫度下降產(chǎn)生收縮。豐田汽車公司采用電堆外殼來抵消這種負(fù)壓，電堆外殼對殼內(nèi)氣體體積收縮作出反應(yīng)而彎曲。上述措施可避免負(fù)壓突然產(chǎn)生帶來的負(fù)面影響。此外，在電堆底蓋產(chǎn)生負(fù)位移情況下，外部筋可以吸收位移并避免對密封件產(chǎn)生影響。

承壓燃料電池堆底蓋結(jié)構(gòu)

因此，優(yōu)化電堆底蓋結(jié)構(gòu)的措施可以抵抗水壓和負(fù)壓，確保燃料電池堆防水性能。

Mirai底盤

防銹

與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)車輛相比，豐田Mirai燃料電池堆的安裝位置和工作溫度大不相同，具有不利的腐蝕環(huán)境。因底盤易遭受凍結(jié)、碎石和浸入，Mirai燃料電池堆需要良好的防銹措施。

Mirai底盤動(dòng)力總成

豐田汽車公司評估發(fā)現(xiàn)，燃料電池堆恰好阻止了水從底盤區(qū)域進(jìn)入其后方區(qū)域排走。此外，由于燃料電池工作溫度低于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料電池堆周圍環(huán)境不易干燥。因此，豐田Mirai燃料電池堆工作環(huán)境具有腐蝕性。

Mirai電堆防銹結(jié)構(gòu)

考慮到上述腐蝕環(huán)境，豐田汽車公司對Mirai燃料電池堆采取了多種防銹措施，包括：對電堆外殼進(jìn)行氧化鋁處理(alumite treatment)，電堆底蓋進(jìn)行陽離子沉積(cationic electrodeposition)，緊固螺栓施加Geomet涂層(Geomet coating on the tightening bolts)以限制基材腐蝕等。此外，為抵抗?jié)撛诨母g產(chǎn)生的堿性環(huán)境，使用EPDM橡膠作為防水墊圈。上述措施有效保證了Mirai燃料電池堆的防銹性能。