氢燃料电池金属双极板超高压液压成形密封应用研究

摘  要：液压成形为塑性加工的一项成形技术，它分为管材液压成形（内高压成型）、板材液压成形和壳体液压成形三种[1] 。板材采用充液拉深与普通拉深相比具有成形极限高、尺寸精度高和拉深工序少等优点。但由于采用高压液压介质充当成形“凸模”，将板材挤压如金属凹模内，在加上氢燃料电池金属双极板因功能需要，产品圆弧要求较小，这就需要超高压（≥200MPa）才能完成，然而，因机械本省刚性和模具制造精度问题，导致高压液体出现泄漏问题，从而无法达到成形需要的压力。采用一种PTFE加金属复合的密封圈结构，能有效解决板材超高压液压成形中密封问题。

关键词：氢燃料电池金属双极板；液压成形；超高压；密封；板材成形

中图分类号：U465.2     文献标志码：A     文章编号：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

隨着世界碳排放环境改善的需要，各国纷纷推出各种新能源措施，以替代传统化石能源作为动力来源的途径，其中氢燃料电池作为新能源3大技术路径之一，在很多国家包括中国被纳入国家级战略规划项目重点推进。氢燃料电池主要由：质子交换膜、催化剂、碳纸、双极板、密封圈、端板等几部分组成[3]（图1）。金属双极板[4]（图2）是氢燃料电池中一个非常关键的核心部件，其主要功能包括[2]：分隔氧化剂和还原剂；集流、导电、导热、抗腐蚀等，同时为提高电堆整体比功率密度，对极板流场结构更加精细、尺寸轮廓形状平整、表面划伤和整体壁厚强度要求是否苛刻，而这些对于成形方式选择就至关重要。液压成形以良好的尺寸稳定性、均匀的成形壁厚、清晰的轮廓形状，成为金属双极板最优的选择。然而，根据金属双极板的产品要求，需要液压成形力需要达到300MPa，甚至更高，传统金属密封很难达到很好的密封效果。因此，是否能有效密封是能否做出复合要求的双极板的关键。

2    问题描述及分析

2.1   板材超高压液压成形基本原理

板材液压成形是通过高压液体介质作为“凸模”或“凹模”，在压边圈将金属板材压紧情况下，将金属板材压入金属“凹模”或“凸模”中，从而达到成形要求的一种方法[5]（图3）（图 4）。

2.2   液压成形密封应用环境

超高压液压成形在板材成形过程中，对于密封结构一般有两种：

a）一种为无密封圈直接通过压边圈将材料压紧后成形（图5），这种主要应用于内压力小于100MPa；

b）另外一种需要在板材和凹模面增加密封圈（图6），这种主要应用于内压力大于100MPa，甚至到400MPa超高压的情况。

2.3   液压成形密封作用

根据液压成形工艺原理，其主要由临界液室压力Pcr、成型力FD（拉深力）、压边力FQ等。其存在如下关系[1]公式（1）（图7）：

（1）

式中：pcr——液室压力（MPa）;

RP——凸模半径（mm）；

σZ ——垂直拉应力（MPa）；

Rd ——凹模半径（mm）；

rd  ——凹模圆角半径（mm）；

t ——板材厚度（mm）

由上式可知，RP越小即产品圆弧越小，需要的拉应力σZ越大即内压力越大，根据受力平衡原则，则压边力FQ越大。而当内压力过大，其内压对模具带来的涨型力增大，使模具在高压涨型下刚性不足，导致密封面无法有效密封；另外，模具加工时，模具合模面平面度不佳，当压力介质充入压力腔室时，带来液压腔室无法有效存续压力，形成不了需要的压力，无法有效成形（图8）。因此，当内压力需要较大时，需要采用有密封结构的方式。

3    解决方案

3.1   内高压密封功能分析

根据液体压力理论原理，压力和压强关系：

压力F=压强P×受力面积S           （2）

据公式（2），如果在两个界面之间要产生力：

需要有传力介质的存在即有压强；有一定的受力面积；只有同时具备以上2条件方可产生压力。

由于模具表面平面度、模具刚性等问题，当模具合模时，合模面之间因面积较大，无法保证整个接触面均“完全贴合”，导致合模面始终存在缝隙，此缝隙会导致高压介质进入其中，从而形成压力。此外，板材在生产过程中，每一次成形过程均需经历：开模、板材移步、合模、成形、再次开模的过程，且不断生产中，模具材料收到交变加载、下载，使模具发生一定变形。因此，合模面始终会出现无法完全密封的状态（图 9）。

故，需要采用（图6）的成形方式，且这种密封圈需要具有一定“微弹性”（对因模面不平进行厚度补偿）、一定拉伸强度的密封材料（能够抵抗超高压压力对其产生的破坏（图 10）。

3.2   密封结构设计及验证

根据如上密封圈使用条件，从密封材料和结构方向进行设计。

1）材料方面：通过相关文献查阅，超高压密封材料初选PTFE和金属不锈钢、铜；

2）结构方面：考虑密封圈的抗剪切强度、密封件加工、密封槽加工的适宜性，选用矩形截面，本文选用5×3mm进行实验。

初步设计如下几种结构，并进行验证：

a）PTFE材质密封圈：

PTFE材料其抗拉强度（28MPa）、抗撕裂能力较高，且有一定的柔性，弹性强度高[6]，但通过实验，当压力达到一定值（＞200MPa）后，密封圈发生永久性变形（变长）（图11，图12），密封失效。

b）金属密封圈：

采用不锈钢或铜制作密封圈（图13），虽然其抗剪切强度较好，单次应用可以起到较好的密封作用，但因为金属一旦受到较大的压力后，密封圈会发生永久性变形（图14），其“弹性”作用失效，依然无法密封。

c）采用PTFE+金属材料

基于PTFE材料和金属密封圈分别特点，尝试采用PTFE+金属复合密封的结构（图15），PTFE具有一定“微弹性”，金属密封具有较强的抗拉强度，通过组合结构（图16，图17）设计应对超高压工作环境密封。另外，在采用组合结构设计时，需要考虑“体积原则”即，组合密封圈总体积同密封槽的体积比接近0.95：1，这是为了保证，当合模后，密封圈因受挤压产生飞边（图 15）。

通过多轮实验验证，采用这种PTFE加铜组合密封圈后，密封效果明显提升，其压力在220～300MPa工作压力下，稳定有效。（图18；图19）。

4    总结

本文以氢燃料电池金属双极板成形作为课题实践对象，应用超高压液压成形工艺过程中密封问题处置开展分析研究。通过对超高压液压成形密封工作机理的研究，结合该密封应用环境条件的分析，形成超高压密封功能设计需求，进一步从密封材料和结构两方面设计不同的密封圈结构。通过实践验证，采用单一PTFE和金属密封圈，均因各种问题，无法满足密封的需求，而采用PTFE铜组合密封圈方案，经过实际压力测试，最高达到285MPa（因设备条件受限，不能进行更高压力测试），达到成形工艺的使用要求。同时，这种PTFE铜组合密封圈方案在后续其它超高压液压系统中也得到一定的应用，如高压管接头，目前该结构已作为一种标准结构在类似方案中得以推广（图21），并因此申报发明专利（申请号：2021111054639.4）。

虽然，PTFE铜组合密封圈在本课题中得到很好解决，但超高压液压成形工艺过程比较复杂，导致超高压压力无法形成的条件很多，需要具体问题具体讨论，由于研究条件的局限性，对于密封材料和结构设计仍然需要进一步优化，以提高密封圈的可靠性和經济性。

参考文献：

[1]苑世剑.现代液压成型技术[M].北京：国防工业出版社，2016：IV，220-228.

[2]衣宝廉.燃料电池-原理.技术.应用[M].北京：化学工业出版社，2004：44.

[3]氢能和燃料电池. 燃料电池-质子交换膜燃料电池[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]苑世剑，刘伟，徐永超.板材液压成形技术与装备新进展[J].机械工程学报，2015，51（8）：2.

[6]百度文库. 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.

但文涛

毕业于西北农林科技大学，机械设计制造及其自动化专业，工学学士。现就职于苏州东风精冲工程有限公司，任产品研发首席工程师，高级工程师。主要从事汽车动力总成零件的设计、制造工艺开发工作，擅长新能源氢燃料电池金属双极板产品的设计，超高压液压成形、激光焊接工艺及制备方法研究等领域。

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