以前的型号配备了汽车底板下的FC叠层组件，但新型号在发动机舱中配备了整合的FC单元。它导致相当于传统发动机的巨大可安装性。为了实现装备在发动机舱中的Fc叠层，必须同时增强G电阻和小型化FC堆叠。为了确保高压安全性和氢气安全性的可靠性，有必要控制由细胞偏差引起的细胞密封泄漏。除了每个细胞之间的
摩擦约束力之外，采用外部约束结构，以控制小于配额的细胞偏差的数量。作为外部约束结构，安装了芯片，称为填充物的Fc单元堆叠和堆叠壳的间隙。与之前的模型相比，它会提高G电阻的1.6倍。需要优化堆叠壳体的刚度和电池堆叠与堆叠外壳之间的间隙尺寸，以控制使用填充的外部约束力。新的叠层壳体由FSW（摩擦搅拌焊接）线和下壳体的线连接，其通过分别通过铸造制成。这种情况结构同时实现上面写的要求和小型化堆叠。在FC堆栈制造过程中，330个细胞的堆叠过程是自动化的。它实现了在较短的循环时间下具有高尺寸精度的堆叠单元。它导致降低细胞偏差和贡献，以控制单元堆栈和堆叠壳之间的间隙，并控制外部约束力。
燃料电池（FC）以氢气为燃料，空气中的氧气通过电极催化剂上的电化学反应产生电能，发电时只产生水，是一种清洁高效的发电手段。预计作为实现碳中和的一种手段。2014年12月，世界上第一辆燃料电池汽车（FCV）投放市场，但旨在进一步普及，实现高性能和低成本。开发了新的FC电堆。
2020款FC电堆被放置在车辆前部的常规安装位置（Etoment，以下简称Encopa），以提高车辆的安装性和舒适性，以便进一步普及（图1）。更新安装概念，缩小堆栈尺寸，并设计以在更高水平上实现抗冲击输入的可靠性。
燃料电池单元以铝制框架为中心，框架上表面安装燃料电池组和升压转换器的一体化单元，以及电动空气压缩机、电动水泵、氢循环电动泵和空调电动压缩机和下表面的空调。集成的 FC 单元通过固定在车架上的安装支架安装在悬架部件上，通过使其相当于发动机车辆可安装在车辆上，实现了出色的舒适性和可操作性（图2）。
在 2020 款 FC stack 的开发中，安装位置已从前排座椅的地板下方更改为车辆前方的 Encopa，因此在确保可靠性的同时，紧固和保护电池的外壳部件的尺寸发生碰撞时的冲击输入已经减少而需要平衡
FC电堆由330片电芯叠层构成（图3F），电芯之间用垫片密封气体和冷却水，从高压安全和氢气安全的角度进行冲击输入，当发生冲击时，为了防止因电池错位而导致密封失效，电池叠层由电池组外壳和垫圈的紧固载荷、其反作用力以及由电池之间的摩擦系数产生的摩擦结合力保持。
当施加超过摩擦结合力的大冲击时，2014 型 FC 堆中由于冲击产生的惯性力使电池层叠体动态移动，以将电池层叠体中的电池间距抑制到规定值或通过优化与电堆外壳的距离，利用有意接触时的反作用力，将电池间的位移量抑制在规定值以下，冲击输入范围广（图4） , 图 5A-A)
另一方面，2020款FC电堆采用了新开发的填充外约束结构。・这种填充物是一块高度填充实心微电池的硅橡胶块，用于电池层压板和电堆外壳之间的间隙。（图 5B-B）
由于填充物与普通橡胶相比具有弹性模量随输入速度变化较大的特性（图6），因此在组装时以压缩状态填充间隙，在此时填充电池叠层通过支持弯曲和抑制单元错位，抗冲击性比传统产品提高1.6倍，并确保发生碰撞时的抗冲击性。
除了填充反作用力特性外，通过填充支撑电池叠层惯性力的电堆壳的刚度以及影响填充物压缩量的电池堆壳之间的距离也被用来表示外部使用填充物的结合力。需要优化。
电池组外壳由在堆叠方向上压缩电池单元的负载支撑，以便向电池电极和电池密封件施加表面压力，并且在安装时具有用于周边部件的安装点。设置安装点。采用铝压铸作为强度构件以低成本大量生产的构造方法。压铸时，需要在产品形状中设置脱模斜度。· 冲击输入所有方向 与电池层压板每个表面上的填充设置相反，在 2014 模型中具有单向拔模的电堆壳结构中，电池层压板和电堆壳之间的距离变得不均匀，并且填充在此外，难以控制电池的反作用力特性。此外，由于该结构用铁压下盖封闭，压铸时的冲压方向为开口，因此可以确保支撑刚性的刚度。电池层压板通过填充的惯性力有问题。
针对这些问题，在 2020 款的叠层案例中，上下部分采用压铸成型，并通过 FSW（摩擦搅拌焊接）连接，以实现与电池层压板的距离相等。抑制牵伸引起的体格增加，同时实现小型化和小型化（图7）。
图 7 Stack Case (FSW) 的制作方法
2020款FC电堆的生产效率大大提高，以实现质量扩散，在堆叠和加压330个电池并将它们存储在电堆外壳等外壳部件中的堆叠过程中，缩短了制造时间。，通过自动化2014款手动完成的电池堆叠，堆叠时间缩短到约1/5。另外，组装后的电池位置是通过激光位移计的自动扫描测量的。因此，初始量在短时间内检查并保证电池未对准的情况，这有助于将电池层压板组装在小型化的堆壳中并提高抗冲击性。
通过开发兼具耐冲击性和小型化的 FC 堆栈，以应对大规模普及，实现了搭载 Encopa 的 FC 系统以及与发动机车辆相同的车辆搭载性。
今后，为了进一步普及，将利用这次开发的 FC 装置，将其扩展到固定发电系统和商用车系统。
原文始发于微信公众号（氢能技术情报）：燃料电池：堆栈结构和安装设计
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