2024年02月21日 星期三
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燃料电池用密封胶 PEMFC知识系列讲座(3)

2019/10/16 14:35:261967

1 燃料电池对密封胶的要求 燃料电池的电力是通过氢气和氧气的化学反应得到的。作为燃料的氢气,是一种无色、无味、易燃易爆的小分子气体,即使一个很小的缝隙也非常容易导致泄漏,并且能在很广的混合范围内因小火花而引发爆炸燃烧,所以要求密封胶必须能够提供电池单元间良好的气体密封。 高分子燃料电池使用了具有离子导电的高分子膜(阳离子交换膜)。阳离子交换膜通常采用带磺酸基的氟树脂。最著名的是Nafion膜,这种聚合物膜只有在吸水后才会变为质子导电。因此要将反应气体加湿以保持膜的质子导电性。燃料电池要在100℃左右运行,此时磺酸基的pH值为l-2,是强酸环境。 基于上述,要求高分子燃料电池中的密封胶,除具备防止水蒸气泄漏的低透湿性、低透气性外,还要能够在运行环境中具有耐酸、耐湿和耐热性。 另外,从密封胶中溶出的离子越少越好(尤其是重金属离子)。原因有二,一是溶出的离子会攻击高分子膜的磺酸基,影响质子导电性;二是溶出的离子会导致用于催化反应的铂催化剂失活。两者都会降低燃料电池的性能。 此外,隔离板之间必须具备绝缘性。 最后,考虑到燃料电池在汽车及便携式设备等经常处于移动或振动环境的应用,在这些产品中,密封胶还需具有橡胶弹性以便吸收剧烈的振动或冲击。 综上所述,燃料电池对密封胶的要求如下: (1)高气密性:为了密封氢气和氧气;(2)低透湿性:为了让高分子膜在饱和水蒸气条件下工作并保持电池内部的酸性;(3)酸性:电池发电时,通常处于低pH环境;(4)耐湿性:因为高分子膜在工作时电池内部处于饱和水蒸气状态;(5)耐热性:由燃料电池的工作环境决定的;(6)低离子溶出量:为了保持高分子膜的质子传导率并保持膜上的铂金催化剂的活性;(7)绝缘性:为了防止电池之间的短路;(8)橡胶弹性:为了吸振抗冲击;(9)其他:耐冷却液介质性,在甲醇改质或甲醇燃料电池中应用时还要有耐甲醇介质性。 目前对燃料电池密封材料的研究主要集中在硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐为基础的玻璃体系,以及云母玻璃密封体系。 2 泄漏机理以及各种密封结构的比较 泄漏主要有3种类型:(1)界面泄漏,液体从垫圈和被粘接表面之间泄漏;(2)渗透泄漏(层内泄漏),液体渗透垫圈导致泄漏;(3)破坏泄漏(裂开式泄漏),由于垫圈自身破坏裂开而发生泄漏。根据材料的形式,垫圈可以被分为2类:固态和液态垫圈。采用固态垫圈,是基于垫圈自身受压反弹的特点而密封,其回弹性是固态垫圈的一个重要指标。这种固态垫圈的最大缺点是垫圈和被粘接表面之间不易密合,因此泄漏主要来自于界面。其优点是:能方便的去除及能得到相对较厚的垫圈,因此能够提供较好的隔音性和抗震性。与此相反,液态密封胶因其具有流动性可以流人到非常复杂的表面结构中,而且密封性好,不容易产生界面泄漏。液态密封胶主要有2种:FIPG(就地成型垫圈)和CIPG(固化装配垫圈)。 2.1 FIPG(Formed-In-Place Gasket) FIPG是在法兰面上涂敷液态密封胶,在密封胶还没有固化时装配起来,然后随着胶的固化而起到密封作用。由于密封胶液体能够自由流平,FIPG对法兰面的精度要求不高。另外由于具有粘接作用,且密封性好、可靠度高,可以减小法兰面幅,密封层也可以做得很薄。 2.2 CIPG(Cured-In-Place Gasket) CIPG是将液态密封胶涂敷于法兰的一面并通过各种手段使其固化(例如:加热、紫外线照射、湿气等),然后装配法兰从而起到密封作用。由于这类密封胶是直接涂敷于部件表面然后再固化的,所以它不需要通常模塑垫圈所需要的模具。然而,CIPG的密封原理和固态垫圈类似,主要取决于法兰形状,施加的挤压力和密封胶的压缩形变能力。由于表面形状及精度将直接影响密封效果,所以必须严格控制涂敷胶条的各项参数,以保持其固化后大致相同的形状。 需要特别关注的是,胶对密封的介质(气体或液体)的透过性越小,就可以采用更薄更窄的密封胶来密封。这一点对燃料电池的密封具有重要意义。因为燃料电池中的水蒸气、氢气和氧气都是非常容易透过的小分子,极难密封。具有优异密封性能的密封胶可以减小密封面积,从而节省出更大空间用于燃料电池发电,提高了燃料电池的工作效率,有利于电池的小型轻量化。

固态垫圈(包括CIPG)很大程度上依赖于法兰面的刚性和外加压力。由于组件安装后固体垫圈就开始蠕变,导致密封垫片面压降低。垫片的蠕变在冷热循环或内压频繁波动的情况下显得尤其明显,导致扭矩下降并最终引起泄漏。对于一个燃料电池单元来说,密封设计时需要考虑这些蠕变,因为一块燃料电池通常是由数十到数百个这样的小电池单元连接而成,一个电池单元极微小的蠕变也会导致电池组件很大的偏差。