塑料内胆与橡胶O形密封圈是Ⅳ型储氢瓶用关键阻氢部件,其高压氢渗透特性是储氢气瓶性能评价与安全评估的研究重点。总结了塑料内胆、密封橡胶等聚合物材料气体渗透性能主要测试方法与测试标准,介绍了相关气体渗透性能测试装置研制进展,综述了Ⅳ型储氢瓶用典型塑料内胆材料、橡胶密封材料氢渗透行为研究成果,指出了塑料内胆与橡胶密封材料高压氢渗透特性研究存在缺乏全工况试验数据与完善的标准体系等问题,提出了未来发展方向的建议。

安装在燃料电池电动车(FCEV)、高压氢罐、管线和阀门中的橡胶密封件反复暴露在高压氢气中。氢气压力很高(70MPa),环境温度范围广(-70~100℃),因此,密封环境条件十分苛刻。橡胶O形圈暴露在高压气体中会导致机械损坏,如大变形、溶胀和减压后产生气泡,尽管关于高压氢气引起起泡断裂的报道很少。为保持O形圈在高压氢气下的密封性能和耐久性,必须考虑几种类型的气体泄漏。图1是传统气体泄漏的示意图,可分为3种。

利用ABAQUS软件建立了高压氢气环境下橡胶O形圈静密封结构的有限元分析模型,研究了高压氢气作用下由于橡胶材料的吸氢膨胀对O形圈变形及应力的影响,探讨了不同初始压缩率、氢气压力、沟槽间隙、有无挡圈等工况下O形圈最大Von Mises应力、最大剪切应力和最大接触应力的变化规律。结果表明:高压氢气环境下,吸氢膨胀会导致橡胶O形圈的截面高度和面积的增加,但对O形圈的应力基本无影响。增加O形圈压缩率会提高初始安装工况下的接触应力,有利于初始密封的形成,但当介质压力较大时,过高的压缩率会显著增加剪切应力,导致O形圈发生剪切破坏。相较于低压工况,高压下密封沟槽间隙对O形圈的Mises应力和剪切的影响非常显著,较大的沟槽间隙会使O形圈发生挤出和剪切破坏,而安装密封挡圈可明显改善O形圈的变形和应力情况,有效防止O形圈被挤入沟槽间隙,...