扫地车大侠郑烟挺
2020/09/29 08:36
丰田Mirai电堆模块主要包括CVM、铜排、壳体和电堆等。其中，电堆的主要作用是在一定装配力施加和反应物供给下安全可靠的对外发电。因此对电堆提出电安全、氢安全、耐振动冲击等要求。本文分享丰田Mirai电堆的结构和组装过程。
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丰田Mirai燃料电池堆结构
丰田第一代Mirai燃料电池堆主要由 前端板 (包括歧管) 、 阳极集流板 、 374节燃料电池堆叠体 、 防腐板 、 阴极集流板 、 绝缘板 和 后端板 组成。其中，电堆正极侧前端板(或称进气端板)由 树脂材料注射成型到铝板 制备而成，内设反应气和冷却介质流路；阴阳极侧集流板负责收集电子并由输电端子对外送电； 374节燃料电池堆叠体由370节燃料电池发电单体和4节燃料电池伪单体串联 ；为防止极板腐蚀(减少腐蚀电流)，阴极侧燃料电池单体和集流板间设置防腐板；阴极侧绝缘板由 树脂材料真空成型(吸塑)而成，电隔断集流板和后端板 ； 后端板(或称压力板)通过插入电堆壳体通孔的调节螺钉、壳体和前端板一同压紧电堆 。
燃料电池堆端部区域电池温度较低， 电堆温度分布存在不一致性 ，引起含水量分布和电压分布不均匀。此外， 因靠近前端板，端部电池中可能引入较多的外部管道冷凝水 ，加速不均一性恶化。因此，为改善燃料电池堆叠体温度、含水量和电压一致性，丰田Mirai在370节发电堆叠体端侧引入共计4节伪电池。
由于绝缘板对燃料电池功率输出无贡献，仅对集流板和后端板电隔离，因此 为提高功率密度要求在保证绝缘距离(或绝缘电阻)前提下最大化减少绝缘板厚度 。 但减少绝缘板厚度存在制造过程产生针孔的风险，并且可能引入其他导电材料，引起绝缘性能降低。针对此，丰田Mirai在阴极侧集流板和后端板间设置绝缘板，该绝缘板由 第一绝缘板 和 第二绝缘板 构成，厚度均为 0.3 mm左右，如下图所示。
Mirai电堆拆解
Mirai电堆拆解
传统方法中，绝缘板通常用切削或注射成型加工，对绝缘板材料厚度要求较高，无法制备超薄绝缘板以追求高功率密度需求 。因此，丰田第一代Mirai的第一、第二绝缘板采用 热塑性树脂PET真空成形 (吹塑)，减薄绝缘板。与采用单层绝缘板相比，双层绝缘板方案可保证即使在一片绝缘板因针孔或混入导电杂质引起绝缘性能下降情况下另一片可有效保证绝缘电阻，提高绝缘可靠性。
Mirai绝缘板示意
此外，通过设置绝缘板 壁部 (接近与法向垂直，超过后端板边缘部位)，可 保证安全的爬电距离，提高绝缘性 。综合来看，丰田Mirai采用的绝缘板方案具备工序简单、成本较低和材料耐水解等优点。(爬电距离指沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径)
Mirai进气端板(含歧管)示意
Mirai进气端板(含歧管)示意
进气端板(含歧管)的主要作用是接受法向装配载荷、连接水气管路、密封集流板、电隔离和热隔离等 。与上一代FCHV-adv电堆进气端板中铝板与树脂分开开发和装配不同，Mirai的进气端板总成采取将 树脂材料注射成型到铝板 方案，树脂覆盖氢气、空气和冷却剂的整个流路区域，总厚 50 mm。
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