摘要：现有的FC电堆模型是将FC电堆组件安装在汽车地板下，而新型FC电堆模型是将集成的FC单元安装在发动机舱内。该集成的FC单元具有与传统发动机相当的可安装性。为了在发动机舱内安装FC电堆，需要同时增强G电阻和使FC电堆小型化。为了确保高压安全和氢气安全的可靠性，需要控制由单电池位移导致的单电池密封泄漏。采用外部约束结构，除了每个单元之间的摩擦约束力外，还将单元位移量控制在规定量以内。作为外部约束结构，在FC电池堆和电堆外壳的间隙中安装了称为填充物的硅橡胶。

与现有的模型相比，新模型的G电阻增强了1.6倍。对于使用填充物控制外部约束力来说，优化电堆外壳的刚度以及电池堆与电堆外壳之间的间隙尺寸必不可少。新型电堆外壳通过搅拌式摩擦焊接法(FSW)连接上下外壳而成，这两个外壳分别通过铸造制成。该外壳结构达到了上述要求，同时实现了电堆的小型化。在FC电堆的制造过程中，330个单电池的堆叠过程实现了自动化。由此，在较短的周期内实现了高尺寸精度的单电池堆叠。该新模型减少了单电池位移，有助于控制电池堆和电堆外壳之间的间隙，并控制外部约束力。

关键字：EV和HV系统、燃料电池(A3)、FC电堆结构、小型化、燃料电池、安装设计

1、前言

燃料电池（FC）通过使用氢气作为燃料，使其与空气中的氧气在电极催化剂上进行电化学反应而发电。发电后的生成物只有水，因此FC是一种清洁且高效的发电手段，近年来作为实现碳中和的手段备受期待。2014年12月，日本在全球率先实现了燃料电池汽车(FCV)的商业化，为了进一步普及，又开发了兼具高性能和低成本的新型FC电堆。在2020年的FC电堆模型中，为了进一步普及，将其安装在了车辆前部的以往发动机的安装位置（发动机舱）上（图1），以提高车辆的安装性和舒适性。安装在发动机舱时，需要进行一种设计，以在更高的水平上同时实现安装概念的更新、电堆的小型化以及抗冲击输入的可靠性。

图1 2020年FCV模型的FC单元布局图

2、FC单元的安装概念

FC单元以铝制车架为中心，在车架上面安装有FC电堆和升压转换器的集成单元，下面安装有电动空压机、电动水泵、氢气循环用电动泵、空调用电动压缩机。集成的FC单元通过固定在车架上的安装支架而安装在悬架部件上，从而使其像发动机车辆一样可安装在车辆上，由此实现了优异的舒适性和操纵稳定性（图2）。

图2 FC单元的部件布局图

3、FC电堆

在2020年FC电堆模型的开发过程中，由于安装位置从前排座椅的地板下方更改为车辆前方的发动机舱，因此需要确保在碰撞时具有抗冲击输入的可靠性，同时还需要兼顾用于紧固和保护单电池的壳体部件的小型化。

3.1.FC电堆的单电池层叠体保护

FC电堆由330个层叠单电池组成（图3）。单电池之间通过密封垫片来密封气体和冷却水，从高压安全和氢气安全的角度来看，在发生冲击输入时，必须防止由单电池的堆叠位移而导致的密封不良。单电池层叠体由来自电堆外壳和端板的紧固载荷、其反作用力以及由电池之间的摩擦系数产生的摩擦约束力保持。

当施加超过摩擦约束力的巨大冲击时，为了通过外部约束将单电池层叠体中的单电池之间的位移控制在规定量以下，在2014年的FC电堆模型中，利用单电池层叠体由于冲击产生的惯性力而动态弯曲的事实，优化与电堆外壳之间的距离，从而利用有意接触时获得的反作用力，将单电池之间的位移量控制在规定值以下，应对广泛的冲击输入（图4，图5A-A）。

图3 FC堆叠结构

图4 外部约束的概念

另一方面，2020年的FC电堆模型采用了新开发的填充物外部约束结构。这种填充物是一块高度填充有固体微粒的硅橡胶，并配置在单电池层叠体和电堆外壳之间的间隙中（图5B-B）。与普通的橡胶相比，该填充物具有弹性模量随输入速度变化很大的特性（图6），因此在组装时在压缩状态下填入间隙，在冲击输入时，通过支撑单电池层叠体的挠曲，并抑制单电池的位移，将耐冲击性提高到以往的1.6倍，确保了碰撞时的耐冲击性。

图5 电堆外壳结构

图6 填充物的特性

3.2.FC电堆的小型化

为了表达使用了填充物的外部约束力，除了填充物的反作用力特性外，还需要优化通过填充物支撑单电池层叠体惯性力的电堆外壳的刚度，以及影响填充物的压缩量的单电池与电堆外壳之间的距离。

电堆外壳由在层叠方向上压缩单电池的载荷支撑，以便向单电池电极以及单电池密封件施加表面压力，并且在安装时还具有周边部件的安装点。采用铝压铸作为施工方法来低成本批量生产用于设置安装点且具有复杂形状的强度构件。在压铸成形中，需要在产品形状中设置脱模斜度，以确保从模具中脱模。

为了应对全方位的冲击输入，对于设置在单电池层叠体的各个面上的填充物，与2014年模型一样，在具有单向脱模斜度的电堆外壳结构中，单电池层叠体与电堆外壳之间的距离变得不均匀，难以控制填充物的反作用力特性。此外，由于是以压铸成形时的脱模方向为开口，通过铁冲压制成的下盖封闭的结构，因此在确保刚性以通过填充物支撑单电池层叠体的惯性力方面存在问题。

为解决这些问题，在2020年的电堆外壳模型中，通过分别压铸成形上盖和下盖，并通过FSW将上盖和下盖接合在一起，可以确保与单电池层叠体之间的距离均匀，并且通过形成封闭截面来确保刚度，同时可以抑制由于脱模斜度引起的体积增加，并兼具小型化（图7）。

图7 电堆外壳(FSW)的制造方法

4、FC电堆的生产效率的提高

在2020年的FC电堆模型中，为了实现大规模普及，大大提高了生产效率。在堆叠和加压330个单电池并将其收纳在电堆外壳等壳体部件中的堆叠工序中，为了缩短制造时间，在2014年模型中，通过自动化完成以往手工作业的单电池堆叠，将堆叠时间缩短了约1/5。此外，通过激光位移计的自动扫描测量组装后的单电池位置，可以在短时间内检测并保证单电池的初始位移量，并且有助于在小型化的电堆外壳内组装单电池层叠体，并表现出耐冲击性。

5、结语

为了实现大规模普及，通过开发一种兼具耐冲击性和小型化的FC电堆，确保了FC系统在发动机舱内的安装、以及在与发动机车辆同等的车辆上的安装性。

今后，为了进一步普及，将利用本次开发的FC单元，将其扩展到固定发电系统和商用车系统中。

参考文献：

(1)水野诚司等：高性能·低成本的第2代FC电堆的开发，TOYOTA Technical Review Vol.66Feb.2021，p.22-27（2021）

用于新型FCV的FC电堆结构与安装设计