氫燃料電池金屬雙極板超高壓液壓成形密封應用研究

摘? 要：液壓成形為塑性加工的一項成形技術，它分為管材液壓成形（內高壓成型）、板材液壓成形和殼體液壓成形三種[1] 。板材采用充液拉深與普通拉深相比具有成形極限高、尺寸精度高和拉深工序少等優點。但由于采用高壓液壓介質充當成形“凸模”，將板材擠壓如金屬凹模內，在加上氫燃料電池金屬雙極板因功能需要，產品圓弧要求較小，這就需要超高壓（≥200MPa）才能完成，然而，因機械本省剛性和模具制造精度問題，導致高壓液體出現泄漏問題，從而無法達到成形需要的壓力。采用一種PTFE加金屬復合的密封圈結構，能有效解決板材超高壓液壓成形中密封問題。

關鍵詞：氫燃料電池金屬雙極板；液壓成形；超高壓；密封；板材成形

中圖分類號：U465.2? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2023）03-0043-05

Seal Application Research Of Ultrahigh Pressure Hydroforming For Bipolar Plate of Hydrogen Fuel Cell

DAN Wen-tao

（Suzhou Dongfeng jingchong engineering co.， ltd，Suzhou 215151 ， China）

Abstract： A kind of techology used for metal plasticity forming，incuding tubular products hydroforming（IHPF）， sheet metal hydroforming and housing components hydroforming. Compared to traditional sheet metal drawing forming，hydroforming technology can get higher forming limit， better forming precision and less forming process.But in hydroforming technology， the punch was replaced by high pressure hydraulic medium，by which squeezing the sheet metal matched to the die. whats more，due to the functional requirement of Bipolar Plate of Hydrogen Fuel Cell， it needs superhigh hydraulic pressure（≥200Mpa） to guarantee the tolerance of the small fillets of the Bipolar Plate .however，liquid leakage is the biggest problem because of rigidity of the tooling metarial and tooling machining precision.A new type of sealing structure was intruduced， using the compound of PTFE and metal material as the sealing ring， the leakage problem was solved perfectly.

Key Words： Bipolar Plate of Hydrogen Fuel Cell; hydroforming; superhigh hydraulic pressure; seal; sheetforming

1? ? 引言

隨著世界碳排放環境改善的需要，各國紛紛推出各種新能源措施，以替代傳統化石能源作為動力來源的途徑，其中氫燃料電池作為新能源3大技術路徑之一，在很多國家包括中國被納入國家級戰略規劃項目重點推進。氫燃料電池主要由：質子交換膜、催化劑、碳紙、雙極板、密封圈、端板等幾部分組成[3]（圖1）。金屬雙極板[4]（圖2）是氫燃料電池中一個非常關鍵的核心部件，其主要功能包括[2]：分隔氧化劑和還原劑；集流、導電、導熱、抗腐蝕等，同時為提高電堆整體比功率密度，對極板流場結構更加精細、尺寸輪廓形狀平整、表面劃傷和整體壁厚強度要求是否苛刻，而這些對于成形方式選擇就至關重要。液壓成形以良好的尺寸穩定性、均勻的成形壁厚、清晰的輪廓形狀，成為金屬雙極板最優的選擇。然而，根據金屬雙極板的產品要求，需要液壓成形力需要達到300MPa，甚至更高，傳統金屬密封很難達到很好的密封效果。因此，是否能有效密封是能否做出復合要求的雙極板的關鍵。

2? ? 問題描述及分析

2.1? ?板材超高壓液壓成形基本原理

板材液壓成形是通過高壓液體介質作為“凸模”或“凹模”，在壓邊圈將金屬板材壓緊情況下，將金屬板材壓入金屬“凹模”或“凸模”中，從而達到成形要求的一種方法[5]（圖3）（圖 4）。

2.2? ?液壓成形密封應用環境

超高壓液壓成形在板材成形過程中，對于密封結構一般有兩種：

a）一種為無密封圈直接通過壓邊圈將材料壓緊后成形（圖5），這種主要應用于內壓力小于100MPa；

b）另外一種需要在板材和凹模面增加密封圈（圖6），這種主要應用于內壓力大于100MPa，甚至到400MPa超高壓的情況。

2.3? ?液壓成形密封作用

根據液壓成形工藝原理，其主要由臨界液室壓力Pcr、成型力FD（拉深力）、壓邊力FQ等。其存在如下關系[1]公式（1）（圖7）：

（1）

式中：pcr——液室壓力（MPa）;

RP——凸模半徑（mm）；

σZ ——垂直拉應力（MPa）；

Rd ——凹模半徑（mm）；

rd? ——凹模圓角半徑（mm）；

t ——板材厚度（mm）

由上式可知，RP越小即產品圓弧越小，需要的拉應力σZ越大即內壓力越大，根據受力平衡原則，則壓邊力FQ越大。而當內壓力過大，其內壓對模具帶來的漲型力增大，使模具在高壓漲型下剛性不足，導致密封面無法有效密封；另外，模具加工時，模具合模面平面度不佳，當壓力介質充入壓力腔室時，帶來液壓腔室無法有效存續壓力，形成不了需要的壓力，無法有效成形（圖8）。因此，當內壓力需要較大時，需要采用有密封結構的方式。

3? ? 解決方案

3.1? ?內高壓密封功能分析

根據液體壓力理論原理，壓力和壓強關系：

壓力F=壓強P×受力面積S? ? ? ? ? ?（2）

據公式（2），如果在兩個界面之間要產生力：

需要有傳力介質的存在即有壓強；有一定的受力面積；只有同時具備以上2條件方可產生壓力。

由于模具表面平面度、模具剛性等問題，當模具合模時，合模面之間因面積較大，無法保證整個接觸面均“完全貼合”，導致合模面始終存在縫隙，此縫隙會導致高壓介質進入其中，從而形成壓力。此外，板材在生產過程中，每一次成形過程均需經歷：開模、板材移步、合模、成形、再次開模的過程，且不斷生產中，模具材料收到交變加載、下載，使模具發生一定變形。因此，合模面始終會出現無法完全密封的狀態（圖 9）。

故，需要采用（圖6）的成形方式，且這種密封圈需要具有一定“微彈性”（對因模面不平進行厚度補償）、一定拉伸強度的密封材料（能夠抵抗超高壓壓力對其產生的破壞（圖 10）。

3.2? ?密封結構設計及驗證

根據如上密封圈使用條件，從密封材料和結構方向進行設計。

1）材料方面：通過相關文獻查閱，超高壓密封材料初選PTFE和金屬不銹鋼、銅；

2）結構方面：考慮密封圈的抗剪切強度、密封件加工、密封槽加工的適宜性，選用矩形截面，本文選用5×3mm進行實驗。

初步設計如下幾種結構，并進行驗證：

a）PTFE材質密封圈：

PTFE材料其抗拉強度（28MPa）、抗撕裂能力較高，且有一定的柔性，彈性強度高[6]，但通過實驗，當壓力達到一定值（＞200MPa）后，密封圈發生永久性變形（變長）（圖11，圖12），密封失效。

b）金屬密封圈：

采用不銹鋼或銅制作密封圈（圖13），雖然其抗剪切強度較好，單次應用可以起到較好的密封作用，但因為金屬一旦受到較大的壓力后，密封圈會發生永久性變形（圖14），其“彈性”作用失效，依然無法密封。

c）采用PTFE+金屬材料

基于PTFE材料和金屬密封圈分別特點，嘗試采用PTFE+金屬復合密封的結構（圖15），PTFE具有一定“微彈性”，金屬密封具有較強的抗拉強度，通過組合結構（圖16，圖17）設計應對超高壓工作環境密封。另外，在采用組合結構設計時，需要考慮“體積原則”即，組合密封圈總體積同密封槽的體積比接近0.95：1，這是為了保證，當合模后，密封圈因受擠壓產生飛邊（圖 15）。

通過多輪實驗驗證，采用這種PTFE加銅組合密封圈后，密封效果明顯提升，其壓力在220～300MPa工作壓力下，穩定有效。（圖18；圖19）。

4? ? 總結

本文以氫燃料電池金屬雙極板成形作為課題實踐對象，應用超高壓液壓成形工藝過程中密封問題處置開展分析研究。通過對超高壓液壓成形密封工作機理的研究，結合該密封應用環境條件的分析，形成超高壓密封功能設計需求，進一步從密封材料和結構兩方面設計不同的密封圈結構。通過實踐驗證，采用單一PTFE和金屬密封圈，均因各種問題，無法滿足密封的需求，而采用PTFE銅組合密封圈方案，經過實際壓力測試，最高達到285MPa（因設備條件受限，不能進行更高壓力測試），達到成形工藝的使用要求。同時，這種PTFE銅組合密封圈方案在后續其它超高壓液壓系統中也得到一定的應用，如高壓管接頭，目前該結構已作為一種標準結構在類似方案中得以推廣（圖21），并因此申報發明專利（申請號：2021111054639.4）。

雖然，PTFE銅組合密封圈在本課題中得到很好解決，但超高壓液壓成形工藝過程比較復雜，導致超高壓壓力無法形成的條件很多，需要具體問題具體討論，由于研究條件的局限性，對于密封材料和結構設計仍然需要進一步優化，以提高密封圈的可靠性和經濟性。

參考文獻：

[1]苑世劍.現代液壓成型技術[M].北京：國防工業出版社，2016：IV，220-228.

[2]衣寶廉.燃料電池-原理.技術.應用[M].北京：化學工業出版社，2004：44.

[3]氫能和燃料電池. 燃料電池-質子交換膜燃料電池[EB/OL].（2018-06-01）[2022-3-17]

[4]Graebener. 20.09.11_BPT_Graebener_EN_compr [EB/OL].（2020-09-11）[2022-3-17].http：//www. graebener.com.

[5]苑世劍，劉偉，徐永超.板材液壓成形技術與裝備新進展[J].機械工程學報，2015，51（8）：2.

[6]百度文庫. 聚四氟乙烯PEFE物性表性能表[EB/OL].（2018-11-20）[2022-3-17]. https：//wenku.baidu.com/view/25e5657a02d8ce2f0066f5335a8102d276a261b5.html.

但文濤

畢業于西北農林科技大學，機械設計制造及其自動化專業，工學學士。現就職于蘇州東風精沖工程有限公司，任產品研發首席工程師，高級工程師。主要從事汽車動力總成零件的設計、制造工藝開發工作，擅長新能源氫燃料電池金屬雙極板產品的設計，超高壓液壓成形、激光焊接工藝及制備方法研究等領域。

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文章論述了超薄金屬不銹鋼板材，在超高壓液壓成形過程中，通過對超高壓液壓成形機理和成形條件的分析，形成了一種超高壓密封的解決方案。通過實驗驗證和實踐應用，其效果較好，對于類似高壓液體密封結構設計具有很好的推廣和借鑒意義。