技術專題 | 未勢能源氫用減壓閥高性能“密封”解決方案

導語：

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

減壓閥作為車載儲氫系統中的關鍵零部件，除了壓力-流量特性需滿足燃電系統要求外，亦是在高中壓氫氣在調節過程中考驗密封性能的重要部位。其密封性能不僅需要滿足在高低溫交變、高低壓、腐蝕等極端環境下指標要求，更需要在減壓閥的使用壽命周期內全程保證氫氣的密封性。

因此，高性能密封解決方案對于減壓閥的設計應用而言非常關鍵。

氫用減壓閥由于結構簡單、安裝空間小，可降低氫氣壓力等優勢被廣泛應用于氫燃料電池汽車儲氫系統模塊。目前，主流市場氫用減壓閥普遍采用閥體、閥座密封式，單級或多級減壓形式，主要密封部件包括有三處：啟閉件與閥座兩密封面間的接觸處，填料與閥桿和填料函的配合處；閥體與閥蓋的連接處。市場大部分減壓閥產品均采用內部套件結構，通過“大件套小件”連接形式，體積和重量都較大，且泄漏點較多，容易發生部件故障與泄漏隱患。未勢能源采用殼體直接連接結構，將閥座及關鍵密封件“包裹”在殼體中，降低零部件數量及泄漏點，大大降低了整閥體積和重量以及泄漏風險，提高了減壓閥整體安全性能。

基于氫能安全應用需求，未勢能源儲氫技術團隊根據氫氣物理特性，以及減壓閥的設計準則及閥門密封性能的基本理論，從防止泄漏角度出發，通過在溫度或密封力作用的變化下，對影響減壓閥密封的關鍵要素與密封副結構、密封比壓等，進行充分設計、性能計算與測試驗證。

由于整車應用工況環境復雜，且氫氣的物理介質特性，減壓閥的設計與制造面臨一系列的技術難題，例如，材料的選擇、低溫密封、結構設計、固溶處理、深冷處理、絕熱、質量檢測、維修、安全等。

在設計減壓閥時，除了應遵循一般閥門的設計原則外，應根據使用的

條件，遵循減壓閥以下特殊設計要求，包括：

①鑒于整車使用環境，閥門應滿足（-50~85）℃使用環境。

②根據不同客戶需求，閥門應滿足寬壓使用范圍，目前氫燃料電池汽車通用氣瓶分為35MPa和70MPa兩種，在設計閥門時，應使閥門在（0.2~70）MPa范圍內巨有輸出穩定壓力能力。

③根據整車需求，閥門應集成單向閥、安全泄放閥、服務口等結構。

在減壓閥設計過程中，除了考慮減壓閥流通能力等一般性要求外，還需要考慮一些其他指標，以便更好地對低溫閥門的技術水平進行評價。通常通過衡量能量消耗是否合理對減壓閥的技術水平進行評價，包括衡量：

①  減壓閥的絕熱性能

②  減壓閥的冷卻性能

③  減壓閥啟閉密封件的工作性能

④  減壓閥耐脆性

氫用減壓閥與其它通用閥門的工作環境有很大的區別，在減壓閥設計、制造和檢驗等過程中除了要遵守閥門設計、制造和檢驗的一般規則外，還應當注意對減壓閥所處的工況環境，如高溫、高壓、腐蝕性等予以充分考量。

影響減壓閥密封的因素主要有密封副結構、密封面比壓、介質的物理性質及密封副的質量等，只有在真正了解減壓閥密封原理的前提下，充分考慮各種影響其密封性能的因素，才能真正做到防止泄漏和保證密封。

密封副質量：23g

密封比壓：200kgf/cm2

流體的物理性質：極易泄漏

未勢能源70MPa減壓閥密封原理：

在基于氫能減壓閥以上密封要素特性基礎上，未勢能源70MPa減壓閥高壓端采用創新型SAE密封形式，爆破壓力可達200MPa；減壓模塊密封副采用斜面、錐面密封形式，選用高強度密封材料，既保證密封效果，又保證使用壽命。

傳統的減壓閥密封結構通常使用平面密封或線密封形式，未勢能源通過三種創新式密封結構，解決高壓氫閥中的內漏問題，并獲得了專利認證。

1.錐面密封的密封結構：傳統方案采用硬密封形式，對密封活門和活塞兩個密封面的加工要求極高，并且在密封過程中，極易對密封面造成形變，從而導致氣密性受到影響。未勢能源創新提出了一種錐面密封的密封結構，通過小圓角與錐面接觸進行密封，保證減壓閥在鎖閉狀態下的密封性能。相較傳統方案，密封力大，且更容易密封。

2.斜面密封結構：傳統減壓閥或其他高壓氫閥中，通常使用平面密封形式或凸臺密封形式，傳統方案無法保證在低壓狀態下的密封，且壽命較差，在高壓減壓閥結構中，若使用彈簧結構，會使減壓閥整體體積偏大，重量大。未勢能源創新提出了一種斜面密封形式的減壓閥結構，通過塑性材料的斜面與金屬材料圓角接觸級行密封，保證密封副的穩定性與持久性。相較傳統方案，結構更簡單，密封性能好，且體積、重量較小。

3.彈性密封形式的單向閥結構：傳統方案采用硬密封形式，對密封活門和殼體兩個密封面的加工精度要求極高，并且在低壓（≤5MPa）時無法密封，泄漏量較大。未勢能源創新提出了一種彈性密封形式的單向閥結構，改結構使用彈性體TPU材料進行密封，適用于高壓、氫氣環境，保證在3-70MPa壓力下的氣密性。相較傳統方案，具有結構簡單、密封作用強、加工難度低、可調節流量等優勢。

根據整車運行工況、系統高效運行及安全性能技術需求，未勢能源70MPa減壓閥共計進行17大類超過1000次的臺架測試，包括壽命測試、液壓循環測試、高低溫內外漏測試等多項關鍵測試，并配套多款氫燃料電池車型完成冬季標定、續航里程等多項整車級工況性能測試，用大量實測數據詮釋安全性能、驗證卓越品質。

在最為關鍵的泄漏測試環節，通過常規性高低溫內外漏測試，全壽命周期、全閥體純氫測試＜100ppm，氫氣外漏率小于0.6Nml/h，閥門上任意一點的氫氣泄漏濃度小于50ppm，且遠超國內外通用標準準則＜10Nml/h泄漏指標，整體達到高端密封設計效果，保證在密封過程中實現氫氣“0”泄漏，從本質上排除泄漏隱患。

目前，未勢能源70MPa減壓閥攻克了儲氫高可靠性、高安全性難題，獲得了多項專利，填補了自主企業在高壓閥門領域的多項技術空白，已經通過“國家機動力產品質量監督檢驗中心（上海）”、“德國聯邦公路運輸管理局（KBA）EC79”等權威認證，且具備燃料電池汽車規模化配套能力，廣泛適用于35MPa/70MPa車載儲氫系統，可提供定制化開發需求及安全有效的解決方案。同時，未勢能源減壓閥產品自6月份上市以來，已累計銷量超百套，并與行業多家主機廠簽署合作意向書，綜合性能廣受市場客戶好評。