豐田Mirai燃料電池堆防水和防銹設計

豐田汽車公司開創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計。

豐田汽車公司通過流場創新設計(3D fine-mesh陰極流場)、高性能電極(超薄膜、高活性催化劑)和簡化電堆緊固結構(恒尺寸緊固)等眾多開發設計，實現Mirai燃料電池堆體積功率密度從1.4kW/L上升到3.1kW/L，質量功率密度從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，國內電堆或系統產品普遍標注“IP67”防護等級(IP防護等級是電工委員會起草，將電器依其防塵防濕之特性加以分類的系統)。其中，第yi個數字gao為6，表示“*防止外物及灰塵浸入”；第二個數字gao為8，表示“在深度超過1米的水中防持續浸泡影響，準確條件由制造商針對各設備”。若第二個數字為7，則表示“在深達1米的水中防30分鐘的浸泡影響”。

國內某公司燃料電池系統參數

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，提高轉彎性能和操作穩定性。底盤是汽車低的位置之一，當汽車駛過雨水沉積的路面，Mirai燃料電池堆暴露在水環境中，電堆可能與水接觸。因此，車載燃料電池堆必須進行防水處理以確保高壓安全性。

Mirai底盤動力系統布置

為定量驗證水面行駛所需耐水壓力，豐田汽車公司進行了實車試驗和仿真模擬工作。在驗證仿真結果與實際測量結果關聯性緊密后，仿真模擬結果表明，燃料電池堆的每個部分都達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(模擬與試驗值對比)

下圖表示Mirai燃料電池堆防水設計的底蓋結構。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現有效防水，并且底蓋上設置有外部筋，以在密封件和接觸部分間獲得必要的剛度來實現有效壓力。

防水電堆底蓋結構

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

承壓燃料電池堆底蓋結構

因此，優化電堆底蓋結構的措施可以抵抗水壓和負壓，確保燃料電池堆防水性能。

Mirai底盤

防銹

與傳統發動機車輛相比，豐田Mirai燃料電池堆的安裝位置和工作溫度大不相同，具有不利的腐蝕環境。因底盤易遭受凍結、碎石和浸入，Mirai燃料電池堆需要良好的防銹措施。

Mirai底盤動力總成

豐田汽車公司評估發現，燃料電池堆恰好阻止了水從底盤區域進入其后方區域排走。此外，由于燃料電池工作溫度低于傳統發動機，燃料電池堆周圍環境不易干燥。因此，豐田Mirai燃料電池堆工作環境具有腐蝕性。

Mirai電堆防銹結構

考慮到上述腐蝕環境，豐田汽車公司對Mirai燃料電池堆采取了多種防銹措施，包括：對電堆外殼進行氧化鋁處理(alumite treatment)，電堆底蓋進行陽離子沉積(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，為抵抗潛在基材腐蝕產生的堿性環境，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。