减压阀 氢燃料电池汽车储氢系统的密封性能指标之一

编者按：

燃料电瓶车辆储氢系统的密封功耗是决定整车安全的关键功耗，只是保障氢燃料电瓶车辆整车安全最为重要的技术功耗指标之一。

减压阀作为车载储氢系统中的关键零部件，不仅压力-流量特征需满足燃电系统要求外，亦是在大学压气体在调节过程会考验密封功耗的重要部位。其密封功耗除了还要满足在高低温交变、高低压、腐蚀等极端环境下指标要求，更须要在减压阀的使用寿命周期内全程保证气体的密封性。

然而，高功耗密封解决方案对于减压阀的设计应用而言十分关键。

一绪论

氢用减压阀因为结构简略、安装空间小，可增加气体压力等优势被广泛应适于氢燃料电瓶车辆储氢系统模块。现在，主流市场氢用减压阀普遍选用阀门、阀座密封式，单级或多级减压方式，主要密封部件包括有三处：启闭件与喷嘴两密封面间的接触处，滤料与导轮和滤料函的配合处；阀门与阀盖的连结处。市场大部份减压阀产品均选用内部套件结构，通过“大件套大件”连接方式，容积和净重都较大，且泄露点较差，容易发生部件故障与泄露隐患。未势能源选用外壳直接连结结构，将汽缸及关键密封件“包裹”在外壳中，减少零部件数目及泄露点，大大增加了整阀门积和净重以及泄露风险，增加了减压阀整体安全功耗。

基于生物质能安全应用需求，未势能源储氢技术团队依照气体化学特征，以及减压阀的设计准则及管件密封功耗的基本理论，从避免泄露视角出发，通过在室温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、性能估算与检测验证。

二设计准则

融合宽温、宽压、输出压力稳定、集成化需求

因为整车应用载荷环境复杂，且气体的化学介质特征，减压阀的设计与制造面临一系列的技术瓶颈，比如，材料的选择、低温密封、结构设计、固溶处理、深冷处理、绝热、质量测试、维修、安全等。

在设计减压阀时，不仅应遵守通常球阀的设计原则外，应按照使用的

条件，依照减压阀以下特殊设计要求，包括：

①鉴于整车使用环境，球阀应满足（-50~85）℃使用环境。

②根据不同顾客需求，球阀应满足宽压使用范围，现在氢燃料电瓶车辆通用钢瓶分为35MPa和70MPa两种，在设计球阀时，应使球阀在（0.2~70）MPa范围内巨有输出稳定压力能力。

③根据整车需求，球阀应集成双向阀、安全泄放阀、服务口等结构。

在减压阀设计过程中，不仅考虑减压阀流通能力等通常性要求外，还须要考虑一些其他指标，从而更好地对高温球阀的技术水平进行评价。一般通过考量能量消耗是否合理对减压阀的技术水平进行评价，包括考量：

①减压阀的绝热功耗

②减压阀的冷却功耗

③减压阀启闭密封件的工作功耗

④减压阀耐延性

氢用减压阀与其它通用管件的工作环境有巨大的差别，在减压阀设计、制造和检测等过程中不仅要遵循管件设计、制造和检测的通常规则外，还必须留意对减压阀所处的载荷环境，如低温、高压、腐蚀性等给予充分权衡。

三基本理论

真正做到避免泄露和保证密封

影响减压阀密封的诱因主要有密封副结构、密封面比压、介质的化学性质及密封副的品质等，只有在真正了解减压阀密封原理的前提下，充分考虑各类影响其密封功耗的诱因，能够真正做到避免泄露和保证密封。

密封副品质：23g

密封比压：/cm2

流体的数学性质：极易泄露

未势能源70MPa减压阀密封原理：

在基于生物质能减压阀以上密封要素特征基础上，未势能源70MPa减压阀高压端选用创新型SAE密封方式减压阀，爆破压力可达；减压模块密封副选用斜面、锥面密封方式，采用高硬度密封材料，既保证密封疗效，又保证使用寿命。

四创新密封结构

获得国家多项专利授权

传统的减压阀密封结构一般使用平面密封或线密封方式，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，并荣获了专利认证。

1.径向密封的密封结构：传统方案选用硬密封方式，对密封活门和活塞两个密封面的加工要求极高，而且在密封过程中，极易对密封面导致形变，进而造成气密性遭到影响。未势能源创新提出了一种径向密封的密封结构，通过小倒角与工件接触进行密封，保证减压阀在锁闭状态下的密封功耗。相较传统方案，密封力大减压阀，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，一般使用平面密封方式或工件密封方式，传统方案难以保证在低压状态下的密封，且寿命较多，在高压减压阀结构中，若使用弹簧结构，会使减压阀整体容积偏大，净重大。未势能源创新提出了一种斜面密封方式的减压阀结构，通过塑性材料的斜面与金属材料倒角接触级行密封，保证密封副的稳定性与持久性。相较传统方案，结构更简略，密封功耗好，且容积、重量较小。

3.弹性密封方式的双向阀结构：传统方案选用硬密封方式，对密封活门和外壳两个密封面的加工精度要求极高，而且在低压（≤5MPa）时未能密封，泄露量较大。未势能源创新提出了一种弹性密封方式的双向阀结构，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，具备结构简略、密封作用强、加工难度低、可调节流量等优势。

五实验验证

按照整车运行载荷、系统高效运行及安全功耗技术需求，未势能源70MPa减压阀共计进行17大类少于1000次的台架检测，包括寿命检测、液压循环检测、高低温内外漏检测等多项关键检测，并配套多款氢燃料电瓶车型完成春季校准、续航里程等多项整车级载荷功耗检测，用大量实测数据展现安全功耗、验证卓越质量。

在最为关键的泄露检测环节，通过常规性高低温内外漏检测，全寿命周期、全壳体纯氢检测＜，气体外漏率大于0.6Nml/h，球阀上任意一点的气体泄露含量大于50ppm，且远超国外外通用标准准则＜10Nml/h泄露指标，整体达到高档密封设计疗效，保证在密封过程中实现二氧化碳“0”泄漏，从本质上排除泄露隐患。

六、结束语

现在，未势能源70MPa减压阀攻破了储氢高靠谱性、高安全性瓶颈，荣获了多项专利，弥补了自主企业在高压球阀领域的多项技术空白，早已通过“国家机动力产品品质监督检测中心（北京）”、“德国联邦铁路货运管理局（KBA）EC79”等权威认证，且具有燃料电瓶车辆规模化配套能力，广泛适用于35MPa/70MPa车载储氢系统，可提供多元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月末新上市以来，已累计产量超百套，并与行业多家主机厂签订合作意向书，综合功耗广受市场顾客好评。

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