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燃料電池電堆由大量相同的單電池組件構(gòu)成，每組單電池需要形成密閉腔體，保證氫氣、空氣以及冷卻液等流體不發(fā)生泄漏；各組單電池連接時，也必須要有嚴(yán)格的密封，密封不良會導(dǎo)致氫氣與冷卻液泄露，降低氫的使用率，影響燃料電池的性能、效率，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電池?zé)o法工作，影響電池壽命，甚至存在安全問題。
為了提高電堆的體積功率密度以及峰值功率，雙極板與膜電極未來將朝著超薄的方向發(fā)展，且高體積功率密度的大功率電堆反應(yīng)氣體壓力大，在微米級的空間對高壓力氣體進(jìn)行密封是極大的挑戰(zhàn)，同時，單電池結(jié)構(gòu)決定了密封結(jié)構(gòu)的形狀一定為細(xì)長型，百千瓦級電堆的密封總長度甚至達(dá)到了1000m，但實(shí)際上1mm的密封失效，就會導(dǎo)致整堆的氣密性不合格，所以實(shí)現(xiàn)百千瓦級的電堆嚴(yán)格密封極為困難。
本文分上、下兩期，從影響大功率電堆密封關(guān)鍵技術(shù)的幾個核心因素出發(fā)，詳細(xì)闡述未勢能源電堆團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)150kW電堆高密封、零泄露過程中所做的技術(shù)攻關(guān)途徑和達(dá)到的一些成果。
想要實(shí)現(xiàn)大功率電堆做到零泄漏，必須先清楚電堆單電池如何實(shí)現(xiàn)密封。如下圖所示，單電池的結(jié)構(gòu)基本為兩片雙極板與一片MEA,從微觀層面判斷，燃料電池密封的類型為傳統(tǒng)的軸向靜密封，在氣體工作壓力的作用下，密封膠具有向電堆外側(cè)移動的趨勢，為防止密封膠的移動，依靠密封膠受壓接觸面上的摩擦力，防止燃料氣體泄露。
電堆結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)力學(xué)原理，設(shè)內(nèi)部氣體工作壓力為p，密封在法向壓強(qiáng)δ的作用下，形成有效的密封面，密封應(yīng)滿足的條件為：
μ*δ*S2≥p*S1
單電池密封示意圖
考慮計(jì)算及仿真時按照二維截面取值，密封面積S1、S2以直線h1、L替代即：
μ*δ*L≥p*h1
根據(jù)上述公式，在電堆集成封裝力的作用下，密封膠產(chǎn)生壓縮變形，在接觸面上產(chǎn)生抵抗氣體泄露的密封應(yīng)力。通過密封應(yīng)力，可以防止電堆內(nèi)部氣體向外部環(huán)境流出產(chǎn)生的外泄漏，同時也保證電堆內(nèi)部各腔室間氣體不發(fā)生互相竄氣而導(dǎo)致的內(nèi)泄漏。
也就是說，想要達(dá)到良好的密封效果，在設(shè)計(jì)層面，需要開發(fā)壽命長、密封應(yīng)力大的材料匹配先進(jìn)的多層密封設(shè)計(jì)，在工藝層面需要有高精度、高效率的制備方法支撐。同時，還需要根據(jù)整車的運(yùn)行工況開發(fā)適宜的測試方法與策略，最終才可以達(dá)成可靠的高功率電堆的密封。
基于此，未勢能源圍繞超耐久密封材料、多層高應(yīng)力密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高精度的密封制造工藝、完善且嚴(yán)苛的評價體系等幾個關(guān)鍵性因素進(jìn)行了以下研究和技術(shù)攻關(guān)。
1.超耐久密封材料開發(fā)
每個單電池都有陰極與陽極兩個密封面，一個百千瓦級電堆存在著成百上千個密封面，單電池密封的本質(zhì)為軸向壓縮密封，屬于靜密封的一種，可以選擇一次性密封面與活動性密封面，其中一次性密封面在密封的同時起到粘接作用，但一旦實(shí)現(xiàn)密封無法拆解，目前電堆密封大多選擇活動性密封面，這時密封材料的選擇尤為關(guān)鍵，可以選擇聚合物、聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等非彈性體密封材料，也可以選擇橡膠彈性體材料進(jìn)行密封。
氫氣是一種無色無味分子質(zhì)量很小的氣體，其最低爆炸范圍僅為4%，所以對電堆中氫氣的密封必須做到嚴(yán)格控制，車用燃料電池電堆的密封必須在起到密封作用的同時也可以承受部分沖擊載荷，所以彈性體是最適合車用燃料電池密封的材料。目前常用的橡塑密封材料有很多種（如下圖所示），但是電堆的特殊工作環(huán)境匹配整車的運(yùn)行工況，常見的材料基本都無法兼顧密封性能與密封壽命，為此，未勢能源聯(lián)合諾博橡膠研發(fā)了專用于全功率電堆密封材料：EPDM（三元乙丙橡膠）。
常見密封材料及物性參數(shù)
開發(fā)電堆密封材料首先需要根據(jù)燃料電池電堆的氣密性要求、機(jī)械性能、電化學(xué)性能等多個維度識別密封材料需要滿足的關(guān)鍵參數(shù)。
①質(zhì)子交換膜燃料電池的反應(yīng)機(jī)理決定了其內(nèi)部將長期處于PH=3~4的環(huán)境，且反應(yīng)中散發(fā)的熱量使電堆的工作溫度基本處于90℃，長期的強(qiáng)酸高熱環(huán)境以及與冷卻液的接觸會使橡膠材料加速老化，所以密封材料必須具有良好的耐強(qiáng)酸性能、耐冷卻液性能及耐熱老化性能。目前未勢能源密封材料在PH=2的硫酸溶液中90℃浸泡500小時后，體積、質(zhì)量變化率均小于3%，具有良好的耐酸耐熱性；
②電堆中的反應(yīng)氣體為自然界密度最小的氫氣，生成物水在高溫條件下轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅康乃魵?，所以要求電堆密封材料要有極低的透氣性，透濕性。根據(jù)國標(biāo)GB/T7755.1-2018要求測試，目前未勢能源密封材料的氫氣透過率僅為2.1*10-12mol/m2*S*Pa,完全可以保證整堆氣密性；
③車用的燃料電池電堆的壽命要求一般為5000~2萬小時，密封材料在電堆中主要受壓縮力，所以這就要求密封材料有良好的應(yīng)力松弛性能與壓縮永久變形性能。目前未勢能源密封材料的壓縮永久變形率低至10%，應(yīng)力松弛率更是低至1%，長時間壓縮下，材料仍然可以提供充足的密封應(yīng)力；
④電堆的應(yīng)用環(huán)境一般為-30℃~70℃，根據(jù)高溫循環(huán)老化試驗(yàn)以及DSC玻璃化轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)結(jié)果顯示，目前未勢能源密封材料的可應(yīng)用溫度為-61℃~120℃，遠(yuǎn)超電堆應(yīng)用環(huán)境的要求，支持整堆的多場景使用；
⑤密封材料的金屬離子析出率應(yīng)為零，防止金屬離子進(jìn)入到MEA中，使其性能衰減，經(jīng)過長時間壽命試驗(yàn)，在500h試驗(yàn)后，未勢能源密封材料并無任何金屬離子析出，可保證MEA催化劑保持活性。
⑥材料需要有較高的回彈率以吸收汽車運(yùn)行時的沖擊載荷，經(jīng)過仿真分析與振動沖擊試驗(yàn)，目前未勢能源電堆在25g的載荷沖擊后，依舊可以保持良好的氣密性能與發(fā)電性能。
經(jīng)過大量材料配方開發(fā)與物性參數(shù)試驗(yàn)，未勢能源已經(jīng)建立了密封材料數(shù)據(jù)庫，根據(jù)不同的使用工況可以匹配性能最優(yōu)、壽命最長的密封材料，通過極為嚴(yán)格的材料級表征試驗(yàn)以及整堆壽命實(shí)測，未勢能源當(dāng)前應(yīng)用的密封材料，判斷其密封壽命遠(yuǎn)超20000h。
材料耐久試驗(yàn)
左側(cè)為常見的電堆密封材料-硅膠
右側(cè)為未勢二代密封材料-EPDM
2.多層高應(yīng)力密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)電堆與雙極板的泄漏要求、材料的物性參數(shù)、MEA結(jié)構(gòu)等已知條件，進(jìn)行單電池密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)很大程度決定了密封性能與壽命，目前主要設(shè)計(jì)內(nèi)容有截面形狀、截面尺寸、及整體尺寸設(shè)計(jì)。密封截面的形狀較為常見的有圓形、梯形、矩形等規(guī)則的形狀，也有雙峰型、三峰型等異形截面設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)截面時首先要滿足密封性能的要求，即密封的接觸應(yīng)力必須可以將反應(yīng)氣體密封在單電池的腔體中，其次，一般情況下較低的壓縮率可以保證更長的密封壽命。
不同密封截面應(yīng)力仿真分析
為此，未勢能源進(jìn)行了大量的仿真與試驗(yàn)，包括壓縮率的控制、密封截面接觸應(yīng)力的仿真等，最終確定采用先進(jìn)的階梯形密封，實(shí)現(xiàn)了低壓縮、長壽命、大應(yīng)力的密封效果，保證整堆可以達(dá)到20000h的密封壽命。
單電池密封結(jié)構(gòu)
密封錯位魯棒性仿真
密封的尺寸設(shè)計(jì)主要從機(jī)械尺寸匹配與流體泄漏要求兩方面考慮。首先需要根據(jù)單電池的尺寸鏈進(jìn)行計(jì)算，密封高度尺寸基本的設(shè)計(jì)公式為：邊框厚度+邊框與流道高度差=GDL壓縮后的厚度+CCM厚度，將MEA相關(guān)參數(shù)代入即可獲得邊框與流道高度差，密封膠線壓縮后的高度=邊框與流道高度差+密封槽深，根據(jù)密封材料的壓縮率可求出雙極板密封膠線原始高度，密封寬度尺寸按照填充率—延長密封槽兩側(cè)拔模角度，與邊框形成梯形（紅色陰影區(qū)域），保證密封膠條截面積＜梯形面積×85%，同時，按照密封膠條截面積＜密封槽截面積，保證不發(fā)生溢膠現(xiàn)象，對密封寬度截面建模進(jìn)行二次優(yōu)化，通過仿真分析雙極板有一定錯位時，密封條之間錯位配合的密封效果。
目前，未勢能源密封的錯位魯棒性強(qiáng)，在自動化高精度裝堆工藝的支撐下，不會發(fā)生泄漏。
通過超耐久密封材料、多層高應(yīng)力密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，未勢能源實(shí)現(xiàn)了百千瓦級電堆長壽命、高密封性的“零泄漏”目標(biāo)，對于高精度的密封制造工藝、完善且嚴(yán)苛的評價體系等其他關(guān)鍵性因素請關(guān)注下期內(nèi)容。
【結(jié)語】
目前，未勢能源已自主研發(fā)了150kW、200+Kw、300+Kw等多款百千瓦級電堆產(chǎn)品，性能指標(biāo)位于國內(nèi)領(lǐng)先、國際前列水平，并且擁有完整的知識產(chǎn)權(quán)，零部件國產(chǎn)化率達(dá)到100%，并可依據(jù)客戶需求及使用場景需求進(jìn)行定制化開發(fā)。未勢能源正在通過持續(xù)攻關(guān)電堆核心技術(shù)，推動電堆產(chǎn)品在高性能、長耐久性與低成本等方面不斷迭代升級，助推燃料電池汽車規(guī)模化發(fā)展。
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