氫能源汽車由氫氣和氧氣在質(zhì)子交換膜上通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，進(jìn)而推動(dòng)電機(jī)提供源源不斷的動(dòng)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(shí)間僅3-5min，續(xù)航也可輕松達(dá)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(chǔ)氫，運(yùn)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(tái)首例《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃方案》以來(lái)，國(guó)內(nèi)近40個(gè)城市先后出臺(tái)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(guò)3000兆瓦，燃料電池汽車產(chǎn)能總計(jì)超過(guò)10萬(wàn)輛。目前，中國(guó)已有6000多輛氫燃料電池商用車在運(yùn)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(guó)汽車工程學(xué)會(huì)預(yù)計(jì)，到2025年，全國(guó)氫能汽車保有量將達(dá)到10萬(wàn)輛；2035年，100萬(wàn)輛。這意味著未來(lái)三四年氫能汽車市場(chǎng)規(guī)模有超10倍的增長(zhǎng)。

隨著燃料電池汽車量產(chǎn)化的加速進(jìn)程，傳統(tǒng)的手工貼合已經(jīng)無(wú)法滿足批量化生產(chǎn)的高效要求，同時(shí)燃料電池電推密封精度的嚴(yán)苛要求對(duì)于手工安裝來(lái)講是個(gè)極大的挑戰(zhàn)，因此一體化成型解決方案通過(guò)自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高效率和高精度質(zhì)量的必然趨勢(shì)。

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(gè)整體結(jié)構(gòu)。無(wú)論是雙極板，膜電極MEA(membrane electrode assembly)，還是雙極板上的流道設(shè)計(jì)，都是電堆達(dá)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(gè)電堆系統(tǒng)在密閉環(huán)境中實(shí)現(xiàn)有效的運(yùn)行，為長(zhǎng)期穩(wěn)定的壽命提供可靠的保障。

電堆單元示意圖

針對(duì)氫燃料電池電堆，全球第二大有機(jī)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(jī)硅橡膠，不含增塑劑，固化后呈惰性，離子含量低，運(yùn)行過(guò)程中對(duì)膜電極上的鉑金催化劑沒(méi)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(dòng)時(shí)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(píng)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(jiàn)。但對(duì)于FCV電堆，不僅需要密封小分子氫氣，同時(shí)還要對(duì)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(zhǎng)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(jì)的。眾所周知，MEA單元不耐高溫，超過(guò)120℃會(huì)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(wú)法忍受該高溫成型工藝的，所以傳統(tǒng)材料無(wú)法做到一體化成型，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(yàn)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(shí)粘度僅有50000mPa.s，而傳統(tǒng)的高溫硅橡膠的粘度在幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)，相比之下ELASTOSIL? RT 624 “4S”的粘度更低；當(dāng)D=25 1/s時(shí)粘度僅為30000mPa.s，說(shuō)明該產(chǎn)品在較低壓力下即有很好的流動(dòng)性。在同等條件下比較，其注塑壓力遠(yuǎn)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(duì)比曲線

對(duì)于強(qiáng)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(wèn)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(huì)被放大，整體鎖緊后石墨板的受力不均勻，再加上后續(xù)運(yùn)行時(shí)震動(dòng)影響，很容易導(dǎo)致局部極板損壞，進(jìn)而造成整個(gè)系統(tǒng)密封失效。這樣不僅存在安全隱患，而且成本也會(huì)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(xiǎn)”。

低壓注塑原位成型密封圈示意圖

對(duì)于厚度很薄且布滿復(fù)雜水道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的金屬板來(lái)講，ELASTOSIL? RT 624 “4S”的“低壓”注塑工藝，規(guī)避了高壓注塑力對(duì)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(shí)現(xiàn)單個(gè)單元的可拆卸和返修，操作靈活的同時(shí)極大地降低因整體失效而造成的高成本，這無(wú)疑是終端客戶非常經(jīng)濟(jì)的選擇。

中國(guó)十四五的“碳達(dá)峰”和“碳中和”規(guī)劃，以及其他國(guó)家清潔能源的目標(biāo)設(shè)定，都快速推動(dòng)著新能源汽車替換燃油車的進(jìn)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(yùn)車，城市間的客運(yùn)車以及城市內(nèi)部公交營(yíng)運(yùn)車在國(guó)內(nèi)已上路運(yùn)行，且需求旺盛。電堆的量產(chǎn)化勢(shì)不可擋，手工已無(wú)法滿足這一數(shù)量的需求，自動(dòng)化生產(chǎn)成為了必然趨勢(shì)，瓦克化學(xué)將持續(xù)為此提供創(chuàng)新的有機(jī)硅解決方案。