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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(shí)，也必須要有嚴(yán)格的密封，密封不良會(huì)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(shí)會(huì)導(dǎo)致電池?zé)o法工作，影響電池壽命，甚至存在安全問(wèn)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(lái)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(jí)的空間對(duì)高壓力氣體進(jìn)行密封是極大的挑戰(zhàn)，同時(shí)，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(zhǎng)型，百千瓦級(jí)電堆的密封總長(zhǎng)度甚至達(dá)到了1000m，但實(shí)際上1mm的密封失效，就會(huì)導(dǎo)致整堆的氣密性不合格，所以實(shí)現(xiàn)百千瓦級(jí)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(gè)核心因素出發(fā)，詳細(xì)闡述未勢(shì)能源電堆團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)150kW電堆高密封、零泄露過(guò)程中所做的技術(shù)攻關(guān)途徑和達(dá)到的一些成果。
在（上篇）中，我們主要闡述了未勢(shì)能源如何通過(guò)匹配超耐久密封材料、多層高應(yīng)力密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了百千瓦級(jí)電堆長(zhǎng)壽命以及高密封性的“零泄漏”目標(biāo)。本期將從影響大功率電堆密封的其他關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，詳細(xì)闡述未勢(shì)能源電堆團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)150kW電堆高密封、零泄露過(guò)程中對(duì)于高精度的密封制造工藝、完善且嚴(yán)苛的評(píng)價(jià)體系所進(jìn)行的技術(shù)攻關(guān)。
一、高精密的密封制造工藝
傳統(tǒng)的密封工藝一般會(huì)將預(yù)制成型的密封膠條，粘接至涂有底膠的雙極板上，由于預(yù)制成型的密封膠條自身存在公差，加上裝配工藝產(chǎn)生的公差累積，傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的雙極板組件，高度方向的密封精度上限基本為±0.03mm，且產(chǎn)品的生產(chǎn)效率經(jīng)折算為＞10min/片，同時(shí)成本較高不利于批量生產(chǎn)。
注塑成型工藝可以提高雙極板密封膠條精度，提升電堆密封可靠性并降低密封成本，傳統(tǒng)的橡膠注塑工藝一般只能匹配液態(tài)橡膠材料，但市面上常見的液態(tài)橡膠在電堆嚴(yán)苛的運(yùn)行環(huán)境下通常難以滿足密封性能，性能較好的（詳見第一期）EPDM材料為固態(tài)橡膠，卻難以實(shí)現(xiàn)高精度注塑成型。
基于以上，未勢(shì)能源聯(lián)合諾博橡膠，定制化開發(fā)了高精度EPDM注塑工藝，在不改變EPDM材料壓縮特性以及耐久特性的前提下，對(duì)材料的門尼粘度進(jìn)行了多輪調(diào)整，通過(guò)模流仿真分析、收縮率仿真分析等方法，確認(rèn)最優(yōu)模具設(shè)計(jì)，確保了EPDM材料注塑可行性。
注塑模流仿真分析
將EPDM材料直接硫化至極板上，最終成型的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了高度公差＜±0.015mm，位置精度＜±0.02mm，同時(shí)預(yù)處理、轉(zhuǎn)運(yùn)、注塑、上下料等工序完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，生產(chǎn)效率提升至＜3min/片，完全滿足千套/年的電堆產(chǎn)能要求。
注塑密封極板
二、完善且嚴(yán)苛的評(píng)價(jià)體系
壓縮靜密封的氣體泄漏主要分為滲透泄漏與界面泄露，其中，滲透泄漏速率主要是由材料本身的分子鏈結(jié)構(gòu)決定，例如三元乙丙橡膠的主鏈為飽和的C=C鍵，而硅膠材料的主鏈為Si-O鍵，C=C鍵分子鏈具有較小的分子間距離，分子鏈段旋轉(zhuǎn)較為困難，氣體透過(guò)率較小，通過(guò)《GB/T 1038-2000塑料薄膜和薄片氣體透過(guò)性試驗(yàn)方法壓差法》試驗(yàn)可以得到以上材料的氫氣、空氣透過(guò)率。
滲透泄漏示意圖
根據(jù)菲克第一定律（1）結(jié)合密封截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以計(jì)算出電堆中氣體的滲透泄漏；界面泄露則是指密封墊圈與雙極板、MEA的接觸面上通過(guò)微孔產(chǎn)生的泄漏，根據(jù)O型圈泄漏計(jì)算公式（2），通過(guò)材料氣體滲透率、密封膠條的整體構(gòu)型、氣體的壓力差以及密封壓縮率等參數(shù)，計(jì)算出整堆的界面泄露速率，通過(guò)理想氣體公式，對(duì)不同溫度，不同壓力下的氣體泄漏速率進(jìn)行換算，最終由滲透泄漏速率＋界面泄露速率得出整堆流體泄漏速率，作為電堆氣密性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)；
J=-D×dC/dx┈┈┈┈┈┈（1）
式（1）中,
J——擴(kuò)散通量，單位為（kg/m2·s）；
D——擴(kuò)散系數(shù)，單位為（m2/s）；
dC/dx——濃度梯度，“–”號(hào)表示擴(kuò)散方向?yàn)闈舛忍荻鹊姆捶较?，即擴(kuò)散組元由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散;
L=0.7FDPQ(1-S)2┈┈┈┈┈┈（2）
式（2）中,
L——密封的近似泄漏率，單位為（cc/s）；
F——?dú)怏w滲透率，單位為（cc/cm2/s/bar）；
D——密封圈內(nèi)徑，單位為（in）；
P——密封處的壓差，單位為（lb/in2）；
Q——壓縮系數(shù)，取決于壓縮率以及壓縮界面的潤(rùn)滑程度；
S——密封壓縮率；
氣密性評(píng)價(jià)同樣是關(guān)鍵的一環(huán)。未勢(shì)能源的雙極板及電堆在下線前會(huì)對(duì)氣密性進(jìn)行100%檢測(cè)以保證零泄漏的實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)項(xiàng)目包括氫氣、空氣、冷卻液是否向外部泄漏，電堆中的反應(yīng)氣體與冷卻液是否相互串漏等等。目前未勢(shì)能源電堆氣密性能均可達(dá)到＜0.5CC/min的泄漏速率，完全滿足整車使用需求。
高低溫交變循環(huán)沖擊
針對(duì)不用的應(yīng)用場(chǎng)景，將電堆分別在70℃與-40℃下存儲(chǔ)超過(guò)12h，測(cè)試整堆在高溫及低溫下的氣密性，并根據(jù)整車運(yùn)行工況，測(cè)試整堆在高低溫交變循環(huán)沖擊的條件下氣密性能否達(dá)到要求。
最終結(jié)果顯示，相比于常溫氣密性，波動(dòng)值＜±10%，判斷目前電堆可以在﹢70℃~-40℃的任意工況下滿足氣密性要求，結(jié)合目前整堆在實(shí)車上7000h后密封性波動(dòng)值＜±5%，可確定未勢(shì)能源的電堆通過(guò)了以上全面的評(píng)價(jià)與驗(yàn)證，真正具備零泄漏，長(zhǎng)壽命的特性。
【結(jié)語(yǔ)】
通過(guò)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(píng)價(jià)體系，未勢(shì)能源實(shí)現(xiàn)了百千瓦級(jí)電堆長(zhǎng)壽命、高密封性的“零泄漏”目標(biāo)。目前，未勢(shì)能源自主研發(fā)的150kW、200+kW、300+kW等多款百千瓦級(jí)電堆產(chǎn)品，性能指標(biāo)位于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際前列水平，且擁有完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，零部件國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到100%，并可依據(jù)客戶需求及使用場(chǎng)景需求進(jìn)行定制化開發(fā)。
未勢(shì)能源正在通過(guò)持續(xù)攻關(guān)電堆核心技術(shù)，推動(dòng)電堆產(chǎn)品在高性能、長(zhǎng)耐久與低成本等方面不斷迭代升級(jí)，助推燃料電池汽車規(guī)模化發(fā)展。
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