硅橡胶密封体在燃料电池环境下的衰减
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密封体在燃料电池中起着支撑和密封的作用,密封体的衰减会导致电堆内漏、外漏、组装压力松弛、接触电阻变化等问题发生,从而导致电堆性能降低、寿命加速衰减、氢泄露安全、绝缘不合格等失效,下面我们详细探讨一下硅橡胶在燃料电池环境下的衰减问题。
总结起来,燃料电池密封胶的主要要求如下:
1)气密性:漏气会影响燃料电池的性能;
2)耐酸性:燃料电池中质子交换膜中磺酸基的pH值为1-2,电化学反应的生成水pH值为3-5[8];
3)耐湿性:电化学反应会有水生成,是高湿环境,密封材料应具有耐湿性;
4)耐温性:燃料电池电堆运行温度一般介于60℃~90℃之间,冷启动温度为-40℃;
5)低物质析出量:密封材料使用过程下会逐渐老化降解,析出物(如金属离子,填料,密封胶降解颗粒等)不会导致诸如质子交换膜老化、催化剂中毒、气体扩散层微孔堵塞等问题;
6)力学性能:密封材料应具有吸振抗冲击作用,其压缩量应能补偿膜电极、双极板等组件在制造过程中存在的厚度公差,且不会导致膜电极组件的过压或压力不足。
硅橡胶主链为硅氧键,支链为有机基团。通过改变其支链有机基团和填料的种类,可使硅橡胶的粘度、固化后硬度、力学性能以及固化方式等发生改变,从而满足不同的使用要求。从键能来看,碳碳键为345 kJ/mol,而硅氧键为451kJ/mol,故硅胶具有更优异的耐高温性能;非晶态的分子结构也使其具有很好的低温性能,其适宜的温度范围为-50℃~250℃,完全满足PEMFC 对密封材料的温度要求。
部分文献认为硅胶并不适合长寿命电堆,在模拟溶液(12 μg/g H2SO4 和1.8μg/gHF)中,硅橡胶的耐化学腐蚀性能明显低于氟硅胶和三元乙丙橡胶,且在实际情况下,硅橡胶都发生了明显降解。然而也确实有燃料电池厂家以硅橡胶为密封材料,其电堆寿命已达上万小时,这种矛盾无疑值得关注。