全球第二大有机硅制造商瓦克化学推出​氢燃料电池一体化成型之有机硅密封解决方案

氢能源汽车由氢气和氧气在质子交换膜上通过电化学反应产生电能，进而推动电机提供源源不断的动力。其反应产物只有“水”，是非常环保的“零排放”技术，在当今“双碳”战略下极具发展潜力。目前，氢燃料电池汽车加满氢气所需时间仅3-5min，续航也可轻松达到燃油车的水平，在高原或者低温环境下基本不受影响，从制氢，储氢，运氢到氢能的应用，“氢能”产业链也日渐清晰。

自2018年1月武汉市出台首例《氢能产业发展规划方案》以来，国内近40个城市先后出台氢能产业发展规划与支持政策，规划的氢燃料电池电堆总产能超过3000兆瓦，燃料电池汽车产能总计超过10万辆。目前，中国已有6000多辆氢燃料电池商用车在运行，主要是大巴和各种特种车。加氢站数量在2016年以后也快速增加。根据中国汽车工程学会预计，到2025年，全国氢能汽车保有量将达到10万辆；2035年，100万辆。这意味着未来三四年氢能汽车市场规模有超10倍的增长。

随着燃料电池汽车量产化的加速进程，传统的手工贴合已经无法满足批量化生产的高效要求，同时燃料电池电推密封精度的严苛要求对于手工安装来讲是个极大的挑战，因此一体化成型解决方案通过自动化生产实现高效率和高精度质量的必然趋势。

燃料电池电堆

电堆作为氢燃料电池汽车的“心脏”，由成百片的电池单元以串联方式层叠组合成一个整体结构。无论是双极板，膜电极MEA(membrane electrode assembly)，还是双极板上的流道设计，都是电堆达到“功能性”先决条件。然而双极板和膜电极之间，极板和极板之间都需要选用密封材料，使整个电堆系统在密闭环境中实现有效的运行，为长期稳定的寿命提供可靠的保障。

电堆单元示意图

针对氢燃料电池电堆，全球第二大有机硅制造商瓦克化学推出了ELASTOSIL® RT 624 “4S”密封解决方案。该产品为双组份加成型有机硅橡胶，不含增塑剂，固化后呈惰性，离子含量低，运行过程中对膜电极上的铂金催化剂没有影响。由于硅胶玻璃化转变温度低，其在-40℃下仍具有优异的弹性，可为燃料电池车（FCV）电堆在低温启动时提供完好的密封系统环境。

ELASTOSIL®RT 624 “4S”的主要特性包括：

01低压缩永久形变

压缩永久形变是评估密封圈密封能力和密封寿命的关键指标，一般密封圈材料的压缩永久形变（CS）在10%-30%较为常见。但对于FCV电堆，不仅需要密封小分子氢气，同时还要对氧气和酸性电解液也要有良好的密封耐久性，ELASTOSIL® RT 624 “4S”的CS小于5%，能为电堆系统长期提供稳定持久的密封保证。

02中温快速固化

该特性专门为“一体化”成型（硅胶直接注塑在MEA膜电极上）解决方案而设计的。众所周知，MEA单元不耐高温，超过120℃会严重影响膜电极的性能。传统的高温硅橡胶或合成橡胶材料固化温度都是在150℃以上，膜电极是无法忍受该高温成型工艺的，所以传统材料无法做到一体化成型，也就无法实现自动化生产。而ELASTOSIL® RT 624 “4S”的起始硫化温度为100℃，在110℃即可快速固化，有经验显示30-40s即可完成一体化单元的成型。

硅胶和MEA膜电极一体成型示意图

03低粘度，高触变

ELASTOSIL® RT624 “4S”在D=0.5 1/s时粘度仅有50000mPa.s，而传统的高温硅橡胶的粘度在几十万甚至上百万，相比之下ELASTOSIL® RT 624 “4S”的粘度更低；当D=25 1/s时粘度仅为30000mPa.s，说明该产品在较低压力下即有很好的流动性。在同等条件下比较，其注塑压力远低于高温胶，甚至不到其十分之一。

ELASTOSIL® RT 624 “4S”和常用高温硅橡胶粘度对比曲线

对于强度较低的石墨双极板，采用人工安装和固定密封圈，高度偏差和位移等问题出现的概率升高。上百层的结构单元叠加之后产生的应力会被放大，整体锁紧后石墨板的受力不均匀，再加上后续运行时震动影响，很容易导致局部极板损坏，进而造成整个系统密封失效。这样不仅存在安全隐患，而且成本也会上升。而一体化成型可以避免密封圈安装的误差，从“精度”和“质量”上给FCV电堆加上“双保险”。

低压注塑原位成型密封圈示意图

对于厚度很薄且布满复杂水道设计结构的金属板来讲，ELASTOSIL® RT 624 “4S”的“低压”注塑工艺，规避了高压注塑力对金属双极板流道尤其是流道口位置的损坏变形。另外，该方式可替代传统的整体粘结模式，实现单个单元的可拆卸和返修，操作灵活的同时极大地降低因整体失效而造成的高成本，这无疑是终端客户非常经济的选择。

中国十四五的“碳达峰”和“碳中和”规划，以及其他国家清洁能源的目标设定，都快速推动着新能源汽车替换燃油车的进度。虽然氢燃料电池乘用车的普及尚未成熟，但氢燃料电池的短、中途的货运车，城市间的客运车以及城市内部公交营运车在国内已上路运行，且需求旺盛。电堆的量产化势不可挡，手工已无法满足这一数量的需求，自动化生产成为了必然趋势，瓦克化学将持续为此提供创新的有机硅解决方案。