技术专题 | 未势能源氢用减压阀高性能“密封”解决方案

导语：

燃料电池汽车储氢系统的密封性能是决定整车安全的关键性能，也是保障氢燃料电池汽车整车安全最为重要的技术性能指标之一。

减压阀作为车载储氢系统中的关键零部件，除了压力-流量特性需满足燃电系统要求外，亦是在高中压氢气在调节过程中考验密封性能的重要部位。其密封性能不仅需要满足在高低温交变、高低压、腐蚀等极端环境下指标要求，更需要在减压阀的使用寿命周期内全程保证氢气的密封性。

因此，高性能密封解决方案对于减压阀的设计应用而言非常关键。

氢用减压阀由于结构简单、安装空间小，可降低氢气压力等优势被广泛应用于氢燃料电池汽车储氢系统模块。目前，主流市场氢用减压阀普遍采用阀体、阀座密封式，单级或多级减压形式，主要密封部件包括有三处：启闭件与阀座两密封面间的接触处，填料与阀杆和填料函的配合处；阀体与阀盖的连接处。市场大部分减压阀产品均采用内部套件结构，通过“大件套小件”连接形式，体积和重量都较大，且泄漏点较多，容易发生部件故障与泄漏隐患。未势能源采用壳体直接连接结构，将阀座及关键密封件“包裹”在壳体中，降低零部件数量及泄漏点，大大降低了整阀体积和重量以及泄漏风险，提高了减压阀整体安全性能。

基于氢能安全应用需求，未势能源储氢技术团队根据氢气物理特性，以及减压阀的设计准则及阀门密封性能的基本理论，从防止泄漏角度出发，通过在温度或密封力作用的变化下，对影响减压阀密封的关键要素与密封副结构、密封比压等，进行充分设计、性能计算与测试验证。

由于整车应用工况环境复杂，且氢气的物理介质特性，减压阀的设计与制造面临一系列的技术难题，例如，材料的选择、低温密封、结构设计、固溶处理、深冷处理、绝热、质量检测、维修、安全等。

在设计减压阀时，除了应遵循一般阀门的设计原则外，应根据使用的

条件，遵循减压阀以下特殊设计要求，包括：

①鉴于整车使用环境，阀门应满足（-50~85）℃使用环境。

②根据不同客户需求，阀门应满足宽压使用范围，目前氢燃料电池汽车通用气瓶分为35MPa和70MPa两种，在设计阀门时，应使阀门在（0.2~70）MPa范围内巨有输出稳定压力能力。

③根据整车需求，阀门应集成单向阀、安全泄放阀、服务口等结构。

在减压阀设计过程中，除了考虑减压阀流通能力等一般性要求外，还需要考虑一些其他指标，以便更好地对低温阀门的技术水平进行评价。通常通过衡量能量消耗是否合理对减压阀的技术水平进行评价，包括衡量：

①  减压阀的绝热性能

②  减压阀的冷却性能

③  减压阀启闭密封件的工作性能

④  减压阀耐脆性

氢用减压阀与其它通用阀门的工作环境有很大的区别，在减压阀设计、制造和检验等过程中除了要遵守阀门设计、制造和检验的一般规则外，还应当注意对减压阀所处的工况环境，如高温、高压、腐蚀性等予以充分考量。

影响减压阀密封的因素主要有密封副结构、密封面比压、介质的物理性质及密封副的质量等，只有在真正了解减压阀密封原理的前提下，充分考虑各种影响其密封性能的因素，才能真正做到防止泄漏和保证密封。

密封副质量：23g

密封比压：200kgf/cm2

流体的物理性质：极易泄漏

未势能源70MPa减压阀密封原理：

在基于氢能减压阀以上密封要素特性基础上，未势能源70MPa减压阀高压端采用创新型SAE密封形式，爆破压力可达200MPa；减压模块密封副采用斜面、锥面密封形式，选用高强度密封材料，既保证密封效果，又保证使用寿命。

传统的减压阀密封结构通常使用平面密封或线密封形式，未势能源通过三种创新式密封结构，解决高压氢阀中的内漏问题，并获得了专利认证。

1.锥面密封的密封结构：传统方案采用硬密封形式，对密封活门和活塞两个密封面的加工要求极高，并且在密封过程中，极易对密封面造成形变，从而导致气密性受到影响。未势能源创新提出了一种锥面密封的密封结构，通过小圆角与锥面接触进行密封，保证减压阀在锁闭状态下的密封性能。相较传统方案，密封力大，且更容易密封。

2.斜面密封结构：传统减压阀或其他高压氢阀中，通常使用平面密封形式或凸台密封形式，传统方案无法保证在低压状态下的密封，且寿命较差，在高压减压阀结构中，若使用弹簧结构，会使减压阀整体体积偏大，重量大。未势能源创新提出了一种斜面密封形式的减压阀结构，通过塑性材料的斜面与金属材料圆角接触级行密封，保证密封副的稳定性与持久性。相较传统方案，结构更简单，密封性能好，且体积、重量较小。

3.弹性密封形式的单向阀结构：传统方案采用硬密封形式，对密封活门和壳体两个密封面的加工精度要求极高，并且在低压（≤5MPa）时无法密封，泄漏量较大。未势能源创新提出了一种弹性密封形式的单向阀结构，改结构使用弹性体TPU材料进行密封，适用于高压、氢气环境，保证在3-70MPa压力下的气密性。相较传统方案，具有结构简单、密封作用强、加工难度低、可调节流量等优势。

根据整车运行工况、系统高效运行及安全性能技术需求，未势能源70MPa减压阀共计进行17大类超过1000次的台架测试，包括寿命测试、液压循环测试、高低温内外漏测试等多项关键测试，并配套多款氢燃料电池车型完成冬季标定、续航里程等多项整车级工况性能测试，用大量实测数据诠释安全性能、验证卓越品质。

在最为关键的泄漏测试环节，通过常规性高低温内外漏测试，全寿命周期、全阀体纯氢测试＜100ppm，氢气外漏率小于0.6Nml/h，阀门上任意一点的氢气泄漏浓度小于50ppm，且远超国内外通用标准准则＜10Nml/h泄漏指标，整体达到高端密封设计效果，保证在密封过程中实现氢气“0”泄漏，从本质上排除泄漏隐患。

目前，未势能源70MPa减压阀攻克了储氢高可靠性、高安全性难题，获得了多项专利，填补了自主企业在高压阀门领域的多项技术空白，已经通过“国家机动力产品质量监督检验中心（上海）”、“德国联邦公路运输管理局（KBA）EC79”等权威认证，且具备燃料电池汽车规模化配套能力，广泛适用于35MPa/70MPa车载储氢系统，可提供定制化开发需求及安全有效的解决方案。同时，未势能源减压阀产品自6月份上市以来，已累计销量超百套，并与行业多家主机厂签署合作意向书，综合性能广受市场客户好评。