氫能源汽車由氫氣和氧氣在質(zhì)子交換膜上通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，進而推動電機提供源源不斷的動力。其反應(yīng)產(chǎn)物只有“水”，是非常環(huán)保的“零排放”技術(shù)，在當(dāng)今“雙碳”戰(zhàn)略下極具發(fā)展?jié)摿?。目前，氫燃料電池汽車加滿氫氣所需時間僅3-5min，續(xù)航也可輕松達到燃油車的水平，在高原或者低溫環(huán)境下基本不受影響，從制氫，儲氫，運氫到氫能的應(yīng)用，“氫能”產(chǎn)業(yè)鏈也日漸清晰。

自2018年1月武漢市出臺首例《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃方案》以來，國內(nèi)近40個城市先后出臺氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃與支持政策，規(guī)劃的氫燃料電池電堆總產(chǎn)能超過3000兆瓦，燃料電池汽車產(chǎn)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(shù)量在2016年以后也快速增加。根據(jù)中國汽車工程學(xué)會預(yù)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(guī)模有超10倍的增長。

隨著燃料電池汽車量產(chǎn)化的加速進程，傳統(tǒng)的手工貼合已經(jīng)無法滿足批量化生產(chǎn)的高效要求，同時燃料電池電推密封精度的嚴(yán)苛要求對于手工安裝來講是個極大的挑戰(zhàn)，因此一體化成型解決方案通過自動化生產(chǎn)實現(xiàn)高效率和高精度質(zhì)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(lián)方式層疊組合成一個整體結(jié)構(gòu)。無論是雙極板，膜電極MEA(membrane electrode assembly)，還是雙極板上的流道設(shè)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(tǒng)在密閉環(huán)境中實現(xiàn)有效的運行，為長期穩(wěn)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(xué)推出了ELASTOSIL? RT 624 “4S”密封解決方案。該產(chǎn)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(zhuǎn)變溫度低，其在-40℃下仍具有優(yōu)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(tǒng)環(huán)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(guān)鍵指標(biāo)，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(tǒng)長期提供穩(wěn)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(shè)計的。眾所周知，MEA單元不耐高溫，超過120℃會嚴(yán)重影響膜電極的性能。傳統(tǒng)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(tǒng)材料無法做到一體化成型，也就無法實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。而ELASTOSIL? RT 624 “4S”的起始硫化溫度為100℃，在110℃即可快速固化，有經(jīng)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(tǒng)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(dāng)D=25 1/s時粘度僅為30000mPa.s，說明該產(chǎn)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(xiàn)的概率升高。上百層的結(jié)構(gòu)單元疊加之后產(chǎn)生的應(yīng)力會被放大，整體鎖緊后石墨板的受力不均勻，再加上后續(xù)運行時震動影響，很容易導(dǎo)致局部極板損壞，進而造成整個系統(tǒng)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(zhì)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(fù)雜水道設(shè)計結(jié)構(gòu)的金屬板來講，ELASTOSIL? RT 624 “4S”的“低壓”注塑工藝，規(guī)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(tǒng)的整體粘結(jié)模式，實現(xiàn)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(jīng)濟的選擇。

中國十四五的“碳達峰”和“碳中和”規(guī)劃，以及其他國家清潔能源的目標(biāo)設(shè)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(nèi)部公交營運車在國內(nèi)已上路運行，且需求旺盛。電堆的量產(chǎn)化勢不可擋，手工已無法滿足這一數(shù)量的需求，自動化生產(chǎn)成為了必然趨勢，瓦克化學(xué)將持續(xù)為此提供創(chuàng)新的有機硅解決方案。