丰田Mirai燃料电池堆防水和防锈设计

丰田汽车公司开创性将燃料电池堆布置在Mirai燃料电池汽车底盘(座椅下方)。由于底盘在车辆中位置最低，电堆底盘布置方案须充分考虑来自汽车底盘的冲击、防水和防尘。本文介绍丰田Mirai燃料电池汽车搭载电堆的防水与防锈设计。

丰田汽车公司通过流场创新设计(3D fine-mesh阴极流场)、高性能电极(超薄膜、高活性催化剂)和简化电堆紧固结构(恒尺寸紧固)等众多开发设计，实现Mirai燃料电池堆体积功率密度从1.4kW/L上升到3.1kW/L，质量功率密度从0.8kW/kg增加至2.0kW/kg，单体厚度从1.68mm降低至1.34mm，电堆单体数量从400片降低至370片(双排变单排)，电堆峰值功率从90kW上升至114kW(与丰田2008款燃料电池堆相比)。

丰田Mirai燃料电池堆

目前，国内电堆或系统产品普遍标注“IP67”防护等级(IP防护等级是国际电工委员会起草，将电器依其防尘防湿之特性加以分类的系统)。其中，第一个数字最高为6，表示“完全防止外物及灰尘浸入”；第二个数字最高为8，表示“在深度超过1米的水中防持续浸泡影响，准确条件由制造商针对各设备指定”。若第二个数字为7，则表示“在深达1米的水中防30分钟的浸泡影响”。

国内某公司燃料电池系统参数

防水

丰田汽车公司将燃料电池堆布置在Mirai底盘，降低汽车重心，提高转弯性能和操作稳定性。底盘是汽车最低的位置之一，当汽车驶过雨水沉积的路面，Mirai燃料电池堆暴露在水环境中，电堆可能与水接触。因此，车载燃料电池堆必须进行防水处理以确保高压安全性。

Mirai底盘动力系统布置

为定量验证水面行驶所需耐水压力，丰田汽车公司进行了实车试验和仿真模拟工作。在验证仿真结果与实际测量结果关联性紧密后，仿真模拟结果表明，燃料电池堆的每个部分都达到了所需的防水性能。

丰田Mirai模拟水压分布

Mirai电堆水压分布(模拟与试验值对比)

下图表示Mirai燃料电池堆防水设计的底盖结构。底盖置于电堆下表面，暴露在燃料电池堆所承受的最大压力处。Mirai通过保证底盖和堆外壳之间密封圈的接触压力来实现有效防水，并且底盖上设置有外部筋，以在密封件和接触部分间获得必要的刚度来实现有效压力。

防水电堆底盖结构

当Mirai燃料电池汽车在水面行驶，存在电堆被水完全覆盖的可能，电堆外壳内产生负压。这种现象主要是由于收缩引起的，即水接触电堆外壳导致壳内气体温度下降产生收缩。丰田汽车公司采用电堆外壳来抵消这种负压，电堆外壳对壳内气体体积收缩作出反应而弯曲。上述措施可避免负压突然产生带来的负面影响。此外，在电堆底盖产生负位移情况下，外部筋可以吸收位移并避免对密封件产生影响。

承压燃料电池堆底盖结构

因此，优化电堆底盖结构的措施可以抵抗水压和负压，确保燃料电池堆防水性能。

Mirai底盘

防锈

与传统发动机车辆相比，丰田Mirai燃料电池堆的安装位置和工作温度大不相同，具有不利的腐蚀环境。因底盘易遭受冻结、碎石和浸入，Mirai燃料电池堆需要良好的防锈措施。

Mirai底盘动力总成

丰田汽车公司评估发现，燃料电池堆恰好阻止了水从底盘区域进入其后方区域排走。此外，由于燃料电池工作温度低于传统发动机，燃料电池堆周围环境不易干燥。因此，丰田Mirai燃料电池堆工作环境具有腐蚀性。

Mirai电堆防锈结构

考虑到上述腐蚀环境，丰田汽车公司对Mirai燃料电池堆采取了多种防锈措施，包括：对电堆外壳进行氧化铝处理(alumite treatment)，电堆底盖进行阳离子沉积(cationic electrodeposition)，紧固螺栓施加Geomet涂层(Geomet coating on the tightening bolts)以限制基材腐蚀等。此外，为抵抗潜在基材腐蚀产生的碱性环境，使用EPDM橡胶作为防水垫圈。上述措施有效保证了Mirai燃料电池堆的防锈性能。