1兆瓦容量电解槽电堆的自动化生产速度大约是人工装配生产速度的六倍。然而,双极板、单个电芯和整个电堆的密封任务是一大难题。为了实现完全或部分自动化,必须用另一种密封方法取代常用的平垫片和O形密封圈。为此,WEVO开发了可用作液体密封剂和粘合剂的新式材料。这些材料具有三个重要优势:高耐化学性、低氢渗透水平和良好的粘合性能。这三个优势都通过了领先研究机构的检测,也在客户项目中得到证实。威孚公司的聚氨酯、环氧树脂和硅胶为碱性、阴离子交换膜(AEM)和质子交换膜(PEM)电解槽开创了新的可能性,例如在电堆设计方面。
在碱性电解系统中,用作电解质的热氢氧化钾溶液(温度为80-90℃、浓度为30-35%氢氧化钾水溶液)会形成难以处理的环境条件。在这项技术的密封、电堆设计和自动化生产等方面,基于改性聚氨酯、环氧树脂和硅胶的新开发威孚材料提供了新式解决方案。这些材料也越来越多地被用于要求同样很高的阴离子交换膜(AEM)电解槽中,尽管与这些应用相比,氢氧化钾(KOH)溶液的浓度要低得多。
用于碱性和AEM电解槽的材料
作为双极板、单个电芯和整个电堆的密封材料,新型威孚环氧树脂体系具有极高的耐化学性。
这一点通过在90℃温度下将试样在35%氢氧化钾水溶液中浸泡数周的实验,以及亚琛工业大学焊接和连接研究所所开展的相关研究得到证明。
随后进行的检验表明,重量损失率很低,只有不到0.8%,肖氏硬度只发生了+/-0.2单位的微小变化。另外,没有发现试样表面发生明显变化,这一点也通过激光共聚焦显微镜检验得到了证实。此外,这些材料的透气性极低:在杜伊斯堡氢燃料电池中心(ZBT)测量的环氧树脂WEVOPOX VP 414的氢气渗透系数只有0.3 10E-8平方厘米/秒。这些密封材料在用于电极和膜的各种金属基材(例如不锈钢或镍),以及各种塑料,也具备极佳的粘合性。
凭借高耐化学性和粘度特性,其他低粘度环氧树脂体系(例如WEVOPOX 30010)也适合用作该领域的灌封化合物,从而为单个电芯和整个电堆的设计提供了新的可定制方案。电极或膜箔等电芯元件可以与框架无缝、完全紧密地连接,而不需要其他垫片或粘合剂。
WEVO还在研究特种耐水解聚氨酯树脂作为碱性和阴离子交换膜(AEM)电解槽的潜在密封材料。在氢氧化钾溶液的初步老化试验中,WEVOPUR材料展现出极佳的稳定性。
用于质子交换膜(PEM)电解槽的材料
在质子交换膜(PEM)电解槽领域,WEVO的研发人员利用了近年来在PEM燃料电池密封胶开发方面所获得的知识。
开发了加成固化型硅胶或改性聚氨酯,用于电解槽电堆元件进行密封。触变型硅胶体系在酸性条件下具有极高的耐化学性。这些材料的弹性和伸长率也可以在很大范围内进行调节,从而分别适应各种电解槽的结构和工作压力。肖氏A硬度范围为60-70的弹性体材料包括软弹性硅胶密封胶WEVOSIL 28001和触变型硅胶密封胶WEVOSIL 18001 T。WEVO的产品系列里已经包含了肖氏A硬度范围为30-40的各种解决方案,包括软弹性和触变型材料――分别为WEVOSIL 280002和28102。由于其特殊的化学成分,这两种硅胶密封材料具备氢渗透水平极低的主要特征。根据ZBT的测量结果,WEVOSIL 28002的氢渗透系数约为130 10E-8平方厘米/秒,WEVOSIL 28102的氢渗透系数约为220 10E-8平方厘米/秒,而加成固化硅胶的氢渗透系数普遍在500左右乃至1000以上10E-8平方厘米/秒区间内。
此外,由于氟橡胶材料含有全氟和多氟烷基物质(PFAS),上述硅胶产品和改性聚氨酯是目前常被讨论用于替代氟橡胶的垫片材料,且这些材料终将会被完全替代。
通过点胶或丝网印刷进行涂装
在自动化生产中,材料通过点胶或丝网印刷工艺以液体形态进行涂装,而且在堆叠工艺前根据客户要求固化为CIPG(原位固化垫片)或FIPG(原位成型垫片)。
为了使Wevo的硅胶能够与这两种工艺中较快的工艺——丝网印刷配合使用,对其操作时间进行了改进(WEVOSIL 18001、18002、18102和18001 T):在室温下操作时间至少为24小时,这意味着材料可以在丝网和丝网印刷机上使用,而无需进行中间清洁,随后在100-140℃温度的对流加热炉中或用近红外辐射器进行快速固化,也可以结合使用这两种固化方法。
由于其长操作时间的需求,因此可以使用不含异氰酸酯(无危险标记)的软弹性聚氨酯密封胶通过丝网印刷工艺进行涂装。WEVO开发人员也在开发一种反应性更高、操作时间和固化时间更短、可用于点胶工艺的版本。