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            全球第二大有機硅制造商瓦克化學推出?氫燃料電池一體化成型之有機硅密封解決方案

            責任編輯:盈泰高精  發布日期:2022-06-11
            文章導讀

            針對氫燃料電池電堆,全球第二大有機硅制造商瓦克化學推出了ELASTOSIL? RT 624 “4S”密封解決方案。專門為“一體化”成型(硅膠直接注塑在MEA膜電極上)解決方案而設計的。

            氫能源汽車由氫氣和氧氣在質子交換膜上通過電化學反應產生電能,進而推動電機提供源源不斷的動力。其反應產物只有“水”,是非常環保的“零排放”技術,在當今“雙碳”戰略下極具發展潛力。目前,氫燃料電池汽車加滿氫氣所需時間僅3-5min,續航也可輕松達到燃油車的水平,在高原或者低溫環境下基本不受影響,從制氫,儲氫,運氫到氫能的應用,“氫能”產業鏈也日漸清晰。

            自2018年1月武漢市出臺首例《氫能產業發展規劃方案》以來,國內近40個城市先后出臺氫能產業發展規劃與支持政策,規劃的氫燃料電池電堆總產能超過3000兆瓦,燃料電池汽車產能總計超過10萬輛。目前,中國已有6000多輛氫燃料電池商用車在運行,主要是大巴和各種特種車。加氫站數量在2016年以后也快速增加。根據中國汽車工程學會預計,到2025年,全國氫能汽車保有量將達到10萬輛;2035年,100萬輛。這意味著未來三四年氫能汽車市場規模有超10倍的增長。

            隨著燃料電池汽車量產化的加速進程,傳統的手工貼合已經無法滿足批量化生產的高效要求,同時燃料電池電推密封精度的嚴苛要求對于手工安裝來講是個極大的挑戰,因此一體化成型解決方案通過自動化生產實現高效率和高精度質量的必然趨勢。

            燃料電池電堆

            電堆作為氫燃料電池汽車的“心臟”,由成百片的電池單元以串聯方式層疊組合成一個整體結構。無論是雙極板,膜電極MEA(membrane electrode assembly),還是雙極板上的流道設計,都是電堆達到“功能性”先決條件。然而雙極板和膜電極之間,極板和極板之間都需要選用密封材料,使整個電堆系統在密閉環境中實現有效的運行,為長期穩定的壽命提供可靠的保障。

            電堆單元示意圖

            針對氫燃料電池電堆,全球第二大有機硅制造商瓦克化學推出了ELASTOSIL? RT 624 “4S”密封解決方案。該產品為雙組份加成型有機硅橡膠,不含增塑劑,固化后呈惰性,離子含量低,運行過程中對膜電極上的鉑金催化劑沒有影響。由于硅膠玻璃化轉變溫度低,其在-40℃下仍具有優異的彈性,可為燃料電池車(FCV)電堆在低溫啟動時提供完好的密封系統環境。

            ELASTOSIL?RT 624 “4S”的主要特性包括:

            01低壓縮永久形變

            壓縮永久形變是評估密封圈密封能力和密封壽命的關鍵指標,一般密封圈材料的壓縮永久形變(CS)在10%-30%較為常見。但對于FCV電堆,不僅需要密封小分子氫氣,同時還要對氧氣和酸性電解液也要有良好的密封耐久性,ELASTOSIL? RT 624 “4S”的CS小于5%,能為電堆系統長期提供穩定持久的密封保證。

            02中溫快速固化

            該特性專門為“一體化”成型(硅膠直接注塑在MEA膜電極上)解決方案而設計的。眾所周知,MEA單元不耐高溫,超過120℃會嚴重影響膜電極的性能。傳統的高溫硅橡膠或合成橡膠材料固化溫度都是在150℃以上,膜電極是無法忍受該高溫成型工藝的,所以傳統材料無法做到一體化成型,也就無法實現自動化生產。而ELASTOSIL? RT 624 “4S”的起始硫化溫度為100℃,在110℃即可快速固化,有經驗顯示30-40s即可完成一體化單元的成型。

            硅膠和MEA膜電極一體成型示意圖

            03低粘度,高觸變

            ELASTOSIL? RT624 “4S”在D=0.5 1/s時粘度僅有50000mPa.s,而傳統的高溫硅橡膠的粘度在幾十萬甚至上百萬,相比之下ELASTOSIL? RT 624 “4S”的粘度更低;當D=25 1/s時粘度僅為30000mPa.s,說明該產品在較低壓力下即有很好的流動性。在同等條件下比較,其注塑壓力遠低于高溫膠,甚至不到其十分之一。

            ELASTOSIL? RT 624 “4S”和常用高溫硅橡膠粘度對比曲線

            對于強度較低的石墨雙極板,采用人工安裝和固定密封圈,高度偏差和位移等問題出現的概率升高。上百層的結構單元疊加之后產生的應力會被放大,整體鎖緊后石墨板的受力不均勻,再加上后續運行時震動影響,很容易導致局部極板損壞,進而造成整個系統密封失效。這樣不僅存在安全隱患,而且成本也會上升。而一體化成型可以避免密封圈安裝的誤差,從“精度”和“質量”上給FCV電堆加上“雙保險”。

            低壓注塑原位成型密封圈示意圖

            對于厚度很薄且布滿復雜水道設計結構的金屬板來講,ELASTOSIL? RT 624 “4S”的“低壓”注塑工藝,規避了高壓注塑力對金屬雙極板流道尤其是流道口位置的損壞變形。另外,該方式可替代傳統的整體粘結模式,實現單個單元的可拆卸和返修,操作靈活的同時極大地降低因整體失效而造成的高成本,這無疑是終端客戶非常經濟的選擇。

            中國十四五的“碳達峰”和“碳中和”規劃,以及其他國家清潔能源的目標設定,都快速推動著新能源汽車替換燃油車的進度。雖然氫燃料電池乘用車的普及尚未成熟,但氫燃料電池的短、中途的貨運車,城市間的客運車以及城市內部公交營運車在國內已上路運行,且需求旺盛。電堆的量產化勢不可擋,手工已無法滿足這一數量的需求,自動化生產成為了必然趨勢,瓦克化學將持續為此提供創新的有機硅解決方案。

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