燃料电池中重要但易被忽视的部件选型指南

双极板密封示意图

一说燃料电池的零部件大家第一反应可能就是八大件:催化剂、扩散层、质子交换膜、膜电极、双极板、电堆、空气压缩机、氢循环泵。对于这些核心部件各机构以及企业都花费了大量人力、财力有去攻关、科研，目前国内也取得了不错的成果。有机会我们单独扒拉这些核心零部件的主要性能参数以及选型指南。今天我们聊一聊一个容易被大家忽略，但又能导致燃料电池严重失效甚至导致事故，且在整个电堆中成本占比极低的一个部件，那就是密封件！

作为一个独立工作的燃料电池，其整个电化学反应场所需要在一个密闭的状态内，无论是低压、中压还是高压电堆，都对密封有着严格的要求，国标中也有严格的泄漏指标，严重的泄漏也会导致电堆性能严重下降，直到电池失效甚至导致事故。

基于燃料电池密封件工作场所是一个高温、高湿、酸性、高压的环境，今天我们从材料、加工工艺、性能参数以及标准指导四个方面来展开说明质子交换膜燃料电池密封件该如何选型。

一、材料

一般采用材料为：固液态硅橡胶、三元乙丙橡胶（EPDM）、氟橡胶等。

1.硅橡胶：是指主链由硅和氧原子交替构成，硅原子上通常连有两个有机基团的橡胶。硅橡胶分类的方法很多，通常按固化前的形态分为固体硅橡胶和液态硅橡胶；按硫化温度分为室温硫化和高温硫化硅橡胶；按所用单体的不同，可分为甲基乙烯基硅橡胶，甲基苯基乙烯基硅橡胶、氟硅，腈硅橡胶等。

性能：

1）高温性能。硅橡胶显著的特征是高温稳定性，虽然常温下硅橡胶的强度仅是天然橡胶或某些合成橡胶的一半，但在200℃以上的高温环境下，硅橡胶仍能保持一定的柔韧性、回弹性和表面硬度，且力学性能无明显变化。

2）低温性能硅橡胶的玻璃化温度一般为-70~-50℃，特殊配方可达-100℃，表明其低温性能优异。这对航空、宇航工业的意义重大。

3）具有优良的耐候性。

4）电气性能。硅橡胶具有优异的绝缘性能，耐电晕性和耐电弧性也非常好。

5）物理机械性能。硅橡胶常温下的物理机械性能比通用橡胶差，但在150℃的高温和-50℃的低温下，其物理机械性能优于通用橡胶。

6）耐油及化学试剂性。

7）气体透过性能。

8）生理惰性。（这个特性主要适用于医疗器械以及食品行业内应用）

2.三元乙丙橡胶（EPDM）：是乙烯、丙烯和少量的非共轭二烯烃的共聚物，是乙丙橡胶的一种，以EPDM表示，其耐臭氧、耐热、耐候等耐老化性能优异，可广泛用于汽车部件、建筑用防水材料、电线电缆护套、耐热胶管、胶带、汽车密封件等领域。

性能说明：

三元乙丙橡胶（EPDM）和硅橡胶相比基本性能类似，但在燃料电池密封这个应用场景下寿命（耐久性）和机械性能（撕裂强度等）方面要明显优于硅橡胶。

3.氟橡胶：氟橡胶（fluororubber）是指主链或侧链的碳原子上含有氟原子的合成高分子弹性体。氟原子的引入，赋予橡胶优异的耐热性、抗氧化性、耐油性、耐腐蚀性和耐大气老化性，在航天、航空、汽车、石油和家用电器等领域得到了广泛应用，是国防尖端工业中无法替代的关键材料。

性能说明：氟橡胶在耐化学品和耐高温方面要优于其他，是做密封件的最理想材料，但相对前者成本较高。

二、加工工艺

一般简单分为四种方式：

1.模内注射：

   工艺方式：将需要密封的双极板置于模具内——胶料透过注胶孔（灌点）以及流道进入需密封区（供料方式可以是排料、螺杆挤压供料等等）——加热、加压、抽真空硫化——开模拉断——自拆检验。

模内注射成型示意

优点：尺寸精密，密封效果好，无太多余料清理。

缺点：由于有硫化时间等导致模内注塑相对效率较低。

说明事项：模具设计的精密度以及缩水率等的考量；一般采用三板模具结构或者类注塑工艺；在双极板密封区需要涂布附着剂或者primer层提升与密封件的接着力。

2.模压成型

直接将橡胶布置在双极板密封区（可以排料、印刷等上胶方式）——进入模具——加热、加压、抽真空硫化——出模——自拆毛边。

模压成型原理示意图

说明：一般采用两板模具结构。

优点：精度较高，一致性较好。

缺点:   纯人工清理多余废料导致效率较低。

说明：模具的自拆线设计要合理，也需要接着剂，有助于提升人工清理多余废料。

3.预制成型（密封垫、圈、条）

根据客户需求，开发好模具，将橡胶先行采用硫化成型等方式做成密封条（圈或垫）产品，再放入双极板密封槽涂胶后直接组装即可。

优点：双极板不需要进入模具经受二次高温高压挤压。

缺点：尺寸控制较难，易有较高的尺寸偏差，影响组装精度；完全依靠人工组装效率较低。密封性能欠佳。

4.不需要模具的涂胶密封

该方式直接采用液态胶透过点胶等方式涂布在双极板密封槽内，采用紫外照射或者加热等方式使液态胶固化，然后直接组装密封。

优点：不需要模具。

缺点：由于选材受到限制。故密封的一些性能参数欠佳。

三、常规选型参考性能参数

根据使用结果导向，目前针对该密封件的主要需求性能指标为：

1）气密性

2）耐酸、碱性

3）耐温性（含高低温）

4）水汽透过率

5）低分子物、离子等析出量

6）力学性能

7）机械尺寸。

8）其他：更多性能指标参照下面图标要求。

四、规范要求。

目前针对燃料电池密封件的要求尽管还没有正式国标。但已经有团标的征求意见稿发布，预估会在今年年底会形成正式的团标。

质子交换膜燃料电池密封件团标征求意见稿

在该意见稿中针对质子交换膜燃料电池的性能要求以及测试方式进行了明确的规范。主要涵盖了密封件硬度、材料压缩应力变形性能、撕裂强度、玻璃化转变温度、气体透过率、低温脆性温度、电阻率（阻抗）、压缩应力松弛、高低温度压缩永久变形、耐酸性溶液性能、耐乙二醇溶液性能（50%）（冷却液）、机械尺寸以及气密性等多项指标。如有对该份团标征求意见稿有需求的看私信我无条件索取。

结语:

根据以上针对质子交换膜的材料、加工工艺以及性能参数和规范要求的基本介绍，我们选型时需要根据自己的产品需求以及供应商的提供的性能参数综合对比，选出适合我们的密封产品，避免密封件导致电堆的性能下降。看起来不是一个核心的东西，但是“魔鬼往往出现在细节里”，高性能的密封件是您电堆产品寿命保证的基本条件。

现状基于材料特性以及加工工艺和成本考量，现状更多是选用硅橡胶和EPDM（三元乙丙橡胶）材料搭配模压工艺。本人手上也有一些供应商资源，如有需求可为大家提供无条件技术咨询和产品服务。

昨日根据最近国标、规范更新状况重新做了份国标导图和资料夹，有需求的可以关注公号，私信本人无条件拿取！

原文始发于微信公众号（氢眼所见）：燃料电池中重要但易被忽视的部件选型指南