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燃料电池的密封件测试项目有哪些？

发布时间：

2022-06-02

密封元件是燃料电池单体中负责密封、绝缘、支撑和吸收振动冲击等作用的弹性体元件。通常其位于极板与极板间，极板与膜电极边框间。质子交换膜燃料电池的工作环境较为特殊，为干湿循环、酸性、气压波动、压缩多变、高低温等。因此，在开发燃料电池用密封元件过程中，形成全面的测试项目具有重要意义。本文分享质子交换膜燃料电池密封元件的主要测试项目

　　压缩应力应变性能

　　通常，极板与膜电极的密封主要利用橡胶的弹性体受压后形成的接触反力来密封。其在沟槽内的接触变形和密封界面上的接触应力分布是影响其密封性能的重要参数。测试压缩过程中应力随应变的变化关系，对于建立本构模型、密封结构设计、电堆组装力计算等起着重要作用。

　　压缩永久变形

　　压缩永久变形是评估密封能力和密封寿命的关键指标之一。密封元件在长时间压缩状态下材料发生理化性能的变化，移除压缩力后，密封元件无法恢复至压缩前的状态。因此密封件在长期压缩下，反弹力可能会降低，影响燃料电池密封性能。压缩永久变形大小和压缩率大小、温度、时间有关。由于燃料电池的工作温度宽泛，介于-40℃~90℃区间，因此通常需要测试高温压缩永久变形和低温压缩永久变形。

　　热膨胀系数

　　大部分物质都会因温度改变而发生胀缩现象，且热膨胀系数通常为正值，即温度升高导致体积扩大，反之缩小。因此，需要密封件具有耐高低温性。目前，影响燃料电池密封性能的一个重要课题是密封件在低温下材料收缩引起弹力降低进而引发泄露风险。当温度降低到玻璃化温度，弹性体密封件还会变硬，情况更糟。

　　压缩应力松弛

　　应力松弛指‪密封件在压缩总形变维持不变的情况下，材料内部应力随时间推移而逐渐衰减的现象，属于广义上的蠕变。压缩应力松弛的大小取决于于初始压缩应变、时间和温度。设计中，通常选择较大的压缩力以抵抗松弛效应，但过大密封力可导致膜电极或气体扩散层发生力学损伤进而影响传输特性。

　　玻璃化转变温度

　　玻璃化转变温度是高分子材料形式转变的宏观体现，直接影响到材料的使用性能。通常，作为塑料使用的高分子聚合物，当温度升高到发生玻璃化转变时，失去了塑料的性能变成橡胶;而作为橡胶使用的材料，当温度降低到发生玻璃化转变温度时，便丧失了橡胶的高弹性或弹力不足，变成玻璃态(硬而脆)。因此，在选择燃料电池用橡胶配方时，必须考虑低温密封要求。

　　吸水率

　　对密封件材料提出低吸水率要求，既为满足电池内部质子膜良好的湿润及水平衡，也为防止吸收水分后密封件膨胀变形过大降低密封性能和升高接触电阻，还可避免吸收水分降低绝缘性。

　　材料气体透过率

　　密封件引起的气体泄露主要分为界面泄露和材料本体泄露，气体包括氢气、氧气或氮气、水蒸气。前者指由于密封件与极板或膜电极的接触面不平整引发的气体在接触界面穿过而引起的泄露，后者指反应气穿透密封材料本身发生的泄露。密封材料的气体透过率可采用压差法，如可在两侧存在分压差的状态下测量单位时间内试验气体透过单位面积试样的摩尔数。

　　耐酸性能

　　质子交换膜燃料电池内部为酸性工作环境(PH约为2左右)。因此，为提高寿命和密封性能，密封材料必须具备抗化学腐蚀衰减的能力。在指定的酸性环境和时间条件下，橡胶密封材料的硬度、压缩应力应变性能、质量、体积和尺寸等均可能发生变化。

　　耐冷却剂性能

　　耐冷却剂性能表示密封材料抵抗燃料电池冷却剂(通常为去离子水和乙二醇的混合液)的腐蚀能力。与密封元件的耐酸性能相似，耐冷却剂性能的评判也对体积、尺寸、硬度和压缩应力应变性能进行实验。

　　其他

　　除上述测试项目外，质子交换膜燃料电池的测试项目还有撕裂强度、电阻率、硬度和尺寸等。篇幅原因，在此不赘述。