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燃料電池汽車儲氫系統(tǒng)的密封性能是決定整車安全的關(guān)鍵性能，也是保障氫燃料電池汽車整車安全最為重要的技術(shù)性能指標(biāo)之一。

 

1.氫能行業(yè)背景及現(xiàn)狀

 

我國具有富煤、少氣、缺油的資源稟賦特點(diǎn)，石油、天然氣對外依存度高。在能源問題和全球氣溫問題嚴(yán)峻形勢下，中國提出“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)，大力發(fā)展清潔能源。國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《2021-2035年氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃》，明確了氫能在我國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型中的戰(zhàn)略地位。氫能產(chǎn)業(yè)已迎來快速發(fā)展期。2030年氫燃料電池車預(yù)計銷量可達(dá)49萬輛，年復(fù)合增長率80%，加氫站保有量5000座，年均復(fù)合增長率超過40%?？稍偕Y源制氫得到廣泛應(yīng)用，可再生能源制氫量達(dá)到 10-20 萬 噸/年，成為新增氫能消費(fèi)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排100-200 萬噸/年。

 

國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《2021-2035年氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃》，明確了氫能在我國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型中的戰(zhàn)略地位、總體要求和發(fā)展目標(biāo)，對我國氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮重要指導(dǎo)作用。

 

2.橡膠密封在氫能產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用

 

橡膠密封件廣泛應(yīng)用于制氫、儲氫、輸氫、加氫、用氫等氫能產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)。密封件雖小，卻往往是薄弱環(huán)節(jié)。近幾年發(fā)生的氫氣泄漏爆炸事故表明，氫能裝備密封失效導(dǎo)致的氫氣泄漏爆炸是國內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的共同挑戰(zhàn)。

 

氫能裝備典型密封部件及材料

 

常用密封部件分類

 

橡膠材料是氫能裝備典型密封部件應(yīng)用最多的密封材料。

 

3.氫系統(tǒng)中橡膠密封的特性

 

1、氫傳輸特性

 

氫分子極易溶解進(jìn)入橡膠內(nèi)部，并進(jìn)行不同速率的擴(kuò)散運(yùn)動。這一過程定義為氫在橡膠中的傳輸過程。

 

2、氫致鼓泡特性

 

氫氣快速泄壓后橡膠密封材料內(nèi)部發(fā)生的氣泡等損傷現(xiàn)象。

 

3、吸氫膨脹特性

 

溶解氫分子進(jìn)入橡膠內(nèi)部而導(dǎo)致的橡膠體積膨脹，通常采用橡膠在氫暴露前后的體積變化率對橡膠吸氫膨脹特性進(jìn)行定量評價。

 

4、力學(xué)性能（拉伸、壓變、抗疲勞）

 

5、摩擦磨損特性

 

橡膠密封材料與其他部件發(fā)生相對運(yùn)動時，橡膠材料的耐磨性。

 

6、耐熱性

 

氫系統(tǒng)用壓縮機(jī)的工作溫度最高可達(dá) 250℃ ，這對橡膠密封材料的耐熱性提出較高要求。

 

7、耐寒性

 

儲氫瓶加注氫氣時，需對輸送至儲氫瓶的氫氣進(jìn)行冷卻，此過程中加注溫度最低可達(dá) -40℃ 。因此要求橡膠密封材料具備良好耐寒性

 

4.典型橡膠密封材料的選用

 

典型橡膠密封材料主要包括丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、三元乙丙橡膠、氟橡膠以及硅橡膠等。此外，聚氨酯橡膠、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等材料是氫系統(tǒng)密封件及擋圈常用的橡塑材料。

 

 

5.密封材料的性能測試

 

材料在氣態(tài)氫中的相容性：基于SAE J2600、CHMC2和ISO17268等關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，但擴(kuò)展到了行業(yè)為應(yīng)對挑戰(zhàn)性應(yīng)用所需的工業(yè)對挑戰(zhàn)性應(yīng)用所需的氫氣特定壓力和溫度。

 

材料的滲透性：客戶經(jīng)常會要求進(jìn)行滲透測試，它對不同材料的長期性能提供了良好的比較指標(biāo)。這是一個有用的衡量標(biāo)準(zhǔn)，需要與其他驗(yàn)證數(shù)據(jù)一起考慮，以便全面了解給定應(yīng)用中的整體密封性能。

 

驗(yàn)證測試：最終驗(yàn)證源于在氫氣應(yīng)用的典型真實(shí)壓力和溫度下進(jìn)行多循環(huán)測試，對O形圈形式的材料進(jìn)行分析。（包括表面光潔度、公差、間隙和凹槽填充等）中，能夠提供已知水平的可靠性能。

 

6.典型橡膠密封材料的選用

 

氫燃料電池電堆涉及冷卻水循環(huán)和反應(yīng)氣體的傳輸，密封件的性能好壞直接影響發(fā)電效率及壽命，一旦一個密封件失效，整個電堆密封系統(tǒng)失效，是保證電堆可靠穩(wěn)定運(yùn)行的核心零部件。

 

氫氣的固有特性使其成為最難密封的元素之一。因?yàn)樗哂腥魏卧刂凶钚『妥钶p的分子結(jié)構(gòu)，所以氫氣滲透到密封件中以及密封件周圍的均勻泄漏都可能是一個潛在的重大問題。

 

其次，如果密封不當(dāng)，則氫氣可能會發(fā)生快速氣體減壓（RGD）。在高壓系統(tǒng)中，微小的氫分子會被密封件吸收，如果系統(tǒng)中的壓力被突然釋放，則密封件中積聚的氣體會發(fā)生膨脹，當(dāng)氣體試圖逸出時，可能會導(dǎo)致密封件起泡和破裂。

 

參考資料：氫能裝備橡膠密封技術(shù)、氫能行業(yè)報告、氫能產(chǎn)業(yè)密封報告