豐田第二代Mirai電堆結構

為提高安裝便利性及車輛舒適性，豐田第二代Mirai燃料電池堆放置于車輛前部發動機安裝位置(發動機艙)。因此，有必要小型化電堆尺寸、重新設計安裝結構并提高防沖擊性能。

豐田第二代Mirai系統搭載圖

豐田新型Mirai燃料電池堆和升壓轉換器(DC/DC)安裝在發動機艙支架上，如下圖所示。其中，升壓轉換器位于電堆上殼體的上方。支架下方安裝有離心式電動壓縮機、冷卻水泵、氫循環泵和空調壓縮機。高度集成化的新型Mirai燃料電池系統通過安裝支架固定在車架的懸掛上，通過使其安裝方法類似傳統發動機，實現出色的舒適性和機動性。

豐田第二代Mirai燃料電池系統布局

01

電芯防護

第二代Mirai電堆由330節發電單元組成，反應氣體通過電池內PEN材質密封件粘接密封，冷卻劑通過電池間EPDM材質接觸密封。為了保證高壓電安全和氫安全，減少外部沖擊下電堆內部電池間偏移(或錯位)進而降低密封失效發生顯得尤為必要。Mirai電堆內部電芯由電堆殼體(包括端板)施加的組裝力、下殼體反作用力和單電池間摩擦力保持。

豐田燃料電池堆結構

豐田代Mirai電堆外部約束示意

對于代Mirai，當外部沖擊超過摩擦約束力時，慣性力使電堆殼體內電芯動態改變位置。通過優化電芯和殼體間距、電芯接觸殼體的反作用力大小將電池間偏差降低到規定值以下。新型Mirai電堆澤采用了豐田新開發的填充外約束結構，填充物為高度填充固體顆粒的硅橡膠，位于電芯和殼體之間。

豐田代和第二代Mirai電堆殼體結構

與普通橡膠相比，第二代Mirai搭配的填充物隨外部沖擊速度變化彈性模量更大。在組裝時以壓縮狀態填充電芯和殼體間隙，外部沖擊輸入時可支撐電芯從而抑制電池偏移。與代相比，第二代Mirai電堆的抗沖擊性能提升了1.6倍，有效抵御外部碰撞。

02

電堆小型化

為了設計填充物抵抗外部沖擊，除了獲取填充物的力學特性外，還需優化電堆殼體的硬度、殼體和電芯間隙。電堆殼體被法向上呈壓縮狀態的電芯支撐，以便殼體向膜電極和電池密封件施加接觸壓力。

代Mirai殼體采用低成本的壓鑄鋁，具有單向的拔模角(方便脫模)，因此電芯和殼體間隙不均勻，難以控制反作用力特性。代Mirai電堆結構中采用下殼體蓋板來封閉，因此增加了填充來支撐電芯的慣性力。針對上述問題，第二代Mirai電堆殼體采用上下殼體壓鑄后攪拌摩擦焊接方法連接，并通過形成封閉截面來確保電池單體和殼體距離的均勻性和小型化。

第二代殼體制造方法示意

除此之外，相比代Mirai采用手動方式堆疊，第二代Mirai自動化堆疊時間降低了80%。第二代Mirai采用外限位堆疊，裝配后通過激光位移計自動掃描測量電池位置監控電池間偏移量。

文章來源：燃料電池干貨公眾號  侵刪
作者：燃料電池博士

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