导读
燃料电池电堆由大量相同的单电池组件构成，每组单电池需要形成密闭腔体，保证氢气、空气以及冷却液等流体不发生泄漏；各组单电池连接时，也必须要有严格的密封，密封不良会导致氢气与冷却液泄露，降低氢的使用率，影响燃料电池的性能、效率，严重时会导致电池无法工作，影响电池寿命，甚至存在安全问题。 为了提高电堆的体积功率密度以及峰值功率，双极板与膜电极未来将朝着超薄的方向发展，且高体积功率密度的大功率电堆反应气体压力大，在微米级的空间对高压力气体进行密封是极大的挑战，同时，单电池结构决定了密封结构的形状一定为细长型，百千瓦级电堆的密封总长度甚至达到了1000m，但实际上1mm的密封失效，就会导致整堆的气密性不合格，所以实现百千瓦级的电堆严格密封极为困难。 本文分上、下两期，从影响大功率电堆密封关键技术的几个核心因素出发，详细阐述未势能源电堆团队在实现150kW电堆高密封、零泄露过程中所做的技术攻关途径和达到的一些成果。
在（上篇）中，我们主要阐述了未势能源如何通过匹配超耐久密封材料、多层高应力密封结构设计，实现了百千瓦级电堆长寿命以及高密封性的“零泄漏”目标。本期将从影响大功率电堆密封的其他关键技术出发，详细阐述未势能源电堆团队在实现150kW电堆高密封、零泄露过程中对于高精度的密封制造工艺、完善且严苛的评价体系所进行的技术攻关。 一、高精密的密封制造工艺 传统的密封工艺一般会将预制成型的密封胶条，粘接至涂有底胶的双极板上，由于预制成型的密封胶条自身存在公差，加上装配工艺产生的公差累积，传统工艺生产的双极板组件，高度方向的密封精度上限基本为±0.03mm，且产品的生产效率经折算为＞10min/片，同时成本较高不利于批量生产。 注塑成型工艺可以提高双极板密封胶条精度，提升电堆密封可靠性并降低密封成本，传统的橡胶注塑工艺一般只能匹配液态橡胶材料，但市面上常见的液态橡胶在电堆严苛的运行环境下通常难以满足密封性能，性能较好的（详见第一期）EPDM材料为固态橡胶，却难以实现高精度注塑成型。 基于以上，未势能源联合诺博橡胶，定制化开发了高精度EPDM注塑工艺，在不改变EPDM材料压缩特性以及耐久特性的前提下，对材料的门尼粘度进行了多轮调整，通过模流仿真分析、收缩率仿真分析等方法，确认最优模具设计，确保了EPDM材料注塑可行性。 注塑模流仿真分析 将EPDM材料直接硫化至极板上，最终成型的产品实现了高度公差＜±0.015mm，位置精度＜±0.02mm，同时预处理、转运、注塑、上下料等工序完全实现自动化，生产效率提升至＜3min/片，完全满足千套/年的电堆产能要求。 注塑密封极板 二、完善且严苛的评价体系
压缩静密封的气体泄漏主要分为渗透泄漏与界面泄露，其中，渗透泄漏速率主要是由材料本身的分子链结构决定，例如三元乙丙橡胶的主链为饱和的C=C键，而硅胶材料的主链为Si-O键，C=C键分子链具有较小的分子间距离，分子链段旋转较为困难，气体透过率较小，通过《GB/T 1038-2000 塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》试验可以得到以上材料的氢气、空气透过率。 渗透泄漏示意图 根据菲克第一定律（1）结合密封截面结构设计与整体结构设计可以计算出电堆中气体的渗透泄漏；界面泄露则是指密封垫圈与双极板、MEA的接触面上通过微孔产生的泄漏，根据O型圈泄漏计算公式（2），通过材料气体渗透率、密封胶条的整体构型、气体的压力差以及密封压缩率等参数，计算出整堆的界面泄露速率，通过理想气体公式，对不同温度，不同压力下的气体泄漏速率进行换算，最终由渗透泄漏速率＋界面泄露速率得出整堆流体泄漏速率，作为电堆气密性测试的标准；
J=-D×dC/dx ┈┈┈┈┈┈（1） 式（1）中, J——扩散通量，单位为（kg / m2·s）； D——扩散系数，单位为（m2/s）； dC/dx——浓度梯度，“–”号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散组元由高浓度区向低浓度区扩散;
L=0.7FDPQ (1-S)² ┈┈┈┈┈┈（2） 式（2）中, L——密封的近似泄漏率，单位为（cc /s）； F——气体渗透率，单位为（cc/cm²/s/ bar）； D——密封圈内径，单位为（in）； P——密封处的压差，单位为（lb/in²）； Q——压缩系数，取决于压缩率以及压缩界面的润滑程度； S——密封压缩率； 气密性评价同样是关键的一环。未势能源的双极板及电堆在下线前会对气密性进行100%检测以保证零泄漏的实现，检测项目包括氢气、空气、冷却液是否向外部泄漏，电堆中的反应气体与冷却液是否相互串漏等等。目前未势能源电堆气密性能均可达到＜0.5CC/min的泄漏速率，完全满足整车使用需求。 高低温交变循环冲击 针对不用的应用场景，将电堆分别在70℃与-40℃下存储超过12h，测试整堆在高温及低温下的气密性，并根据整车运行工况，测试整堆在高低温交变循环冲击的条件下气密性能否达到要求。 最终结果显示，相比于常温气密性，波动值＜±10%，判断目前电堆可以在﹢70℃~-40℃的任意工况下满足气密性要求，结合目前整堆在实车上7000h后密封性波动值＜±5%，可确定未势能源的电堆通过了以上全面的评价与验证，真正具备零泄漏，长寿命的特性。 【结语】 通过超耐久密封材料、多层高应力密封结构设计、高精度的密封制造工艺、完善且严苛的评价体系，未势能源实现了百千瓦级电堆长寿命、高密封性的“零泄漏”目标。目前，未势能源自主研发的150kW、200+ kW、300+ kW等多款百千瓦级电堆产品，性能指标位于国内领先、国际前列水平，且拥有完整的知识产权，零部件国产化率达到100%，并可依据客户需求及使用场景需求进行定制化开发。 未势能源正在通过持续攻关电堆核心技术，推动电堆产品在高性能、长耐久与低成本等方面不断迭代升级，助推燃料电池汽车规模化发展。
原文始发于微信公众号（未势能源）：技术专题 | 一公里密封如何做到零泄漏？揭秘未势能源150kW电堆密封核心技术（下篇）
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