在之前的推文中，小编和大家一起学习了丰田Mirai二代燃料电池电堆是如何解决在突然加速冲击下对电堆产生错位的情况（研学丨丰田二代Mirai防止"电堆错位"方法的学习）。然而除了“电堆错位”等结构变化外，更重要的是还会引起氢安全问题，今天小编就和大家一起学习一下丰田Mirai二代在氢安全设计方面有哪些理念和创新。
由于氢气具有密度小、扩散快、和金属产生氢脆现象、较宽的爆炸区间（4.1%~74.2%）、容易泄露等特点，使氢安全成为燃料电池电堆总成设计难点之一，丰田Mirai二代团队基于氢气的这些特点总结了几点关于氢安全的基本设计理念：
1、防止氢气泄漏。可从组件材料的选择以及能够减少碰撞导致氢气泄漏可能性的布置入手；
2、泄露后的停止工作。可通过氢浓度、压力、碰撞等传感器实现；
3、减少氢气的聚集。可设计将聚集的氢气疏导排出电堆总成的通风设备；
4、排除可能的火源。
基于以上设计理念，丰田Mirai二代具有了良好的氢气通风表现(HydrogenVentilationPerforamance)和独特的安全设计(Fail-SafeDesign)。
氢气通风表现
燃料电池电堆不可能做到绝对的密封，在运行过程中会有微量的氢气从电堆渗漏出来，因此丰田Mirai二代团队需要针对这个问题进行氢安全设计，使燃料电池电堆总成具有良好的氢气通风表现。如下图，是丰田Mirai二代用来评估其氢气通风表现的设备原理图。
整套设备包括供气部分、燃料电池电堆总成的氢气通风设计部分、数据采集与评估部分。供气部分，用来模拟不同的电堆氢气渗漏量，主要包括氢瓶、阀门A/B、流量控制计。燃料电池电堆总成的氢气通风设计部分，主要由两个不同外形的透气膜（圆形和田字形透气膜）组成。数据采集与评估部分，主要由流量计、氢浓度分析仪、泵和数据存储器组成。氢浓度则根据流量和电堆壳体体积的比值来表征。
丰田Mirai二代为了保证电堆壳体内的氢气浓度在爆炸极限以下，还对透气膜的数量和布置位置进行了仿真与试验研究，从下图的结果中可以看到具备透气膜设计的电堆壳体内可以对氢气进行很好的通风，没有明显的氢气聚集，并且试验与仿真的结果非常相近。模型可以用来模拟预测壳体内氢气浓度的分布。
安全设计
如前文提到的，丰田Mirai二代燃料电池需要应对包括例如碰撞在内的情况，确保其即使在这类极端情况发生下，燃料电池电堆也不会发生安全问题。例如，当电堆壳体内的氢气被点燃，电堆壳体上配置的减压气塞（pressure-relievingreliefplugs）开始工作，避免电堆壳体的损坏。丰田Mirai二代在燃料电池模块上不同位置布置了5个减压气塞，如下图。其中a和b是上文中提到的圆形和田子形透气膜，另外c/d/e三个具有不同的形状，但作用与a/b相同。由此可见，气塞a和b同时具有氢气通风和电堆壳体过压保护两个作用。当电堆壳体内部压力升高到一定程度后，这5个减压气塞上的膜会发生破裂，以实现减压。
为了充分验证这些安全设计的可靠性与可行性，丰田Mirai二代团队还专门设计了如下图的氢气点燃试验（Hydrogenignitiontest）。试验在燃料电池电堆总成周围布置高速照相机，用以观测氢气点燃后的试验结果，查看设计的泄压装置是否按预期形式工作。通入壳体的氢气浓度可以调整到30%，氢气点燃后，以制造电堆壳体内最大的过压条件。
除了通过试验进行电堆总成的安全设计，丰田Mirai二代团队还开展了电堆壳体内部的爆炸仿真，仿真结果如下图。可以看到经过优化的电堆壳体内部形状，在爆炸时的压力分布更均匀，也没有明显的燃烧速率过快的位置，进而降低了压力冲击波对整个燃料电池电堆壳体损坏的可能性。
另外，对比上文中电堆壳体内压力紊态变化的仿真结果和试验结果，(下图a）中可以看到丰田Mirai二代设计团队已经有了可以比较准确模拟压力变化峰值的模型，基于该模型，（下图b）对初始设计和优化设计的电堆壳体内部结果做压力爆炸仿真，优化设计得到的压力峰值要小于初始设计的，且整个爆炸过程压力变化相对平缓，也证明了优化设计起到的作用。
总的来说，我们在设计一款燃料电池总成产品时，应该充分参考丰田Mirai二代在氢安全方面的设计思路和方法，确保燃料电池产品的氢安全。
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作者：鲤琨校对：楚轩、锦徽往期推荐研学丨丰田Mirai二代储氢系统开发揭秘
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