用于燃料電池的共混橡膠襯墊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于燃料電池的共混橡膠襯墊，其通過注射模制方法與作為燃料電池 堆疊部件的膜-電極組件（MEA)、氣體擴散層（⑶L)、分離器或聚合物框架結(jié)合。更具體地， 本發(fā)明涉及用于燃料電池的共混橡膠襯墊，其通過用過氧化物交聯(lián)劑共交聯(lián)基于烴類的橡 膠和基于氟的橡膠來制備，從而降低成本并提高在低溫下燃料電池的密封穩(wěn)定性和在相當 高的溫度下的長期使用穩(wěn)定性。
【背景技術(shù)】
[0002] 在用于氫動力燃料電池汽車的燃料電池堆疊中，由于燃料電池堆疊必須針對反應(yīng) 氣體（例如，氫氣/空氣或氧氣）和冷卻水（例如，冷卻劑）密封，所以每個單元電池應(yīng)具 有襯墊。因此，用于燃料電池堆疊的襯墊要求在合適的硬度范圍內(nèi)具有高彈性和相當?shù)偷?壓縮形變并呈現(xiàn)優(yōu)異的機械特性、耐酸性、耐水解性、耐熱性和電氣絕緣特性。另外，襯墊必 須對反應(yīng)氣體和冷卻水具有低擴散性和滲透性，包括無或少量的引起催化劑中毒的雜質(zhì)以 實現(xiàn)高生產(chǎn)率并降低生產(chǎn)成本。
[0003] 通常，對于用于燃料電池堆疊的橡膠襯墊而言，廣泛地使用含氟彈性體、硅酮彈 性體和經(jīng)類彈性體。根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會（American Society for Testing and Materials)標準，將含氟彈性體分類為FKM、FFKM等。含氟彈性體是吸引人的材料，由于它 們顯示出優(yōu)異的彈性、耐酸性、耐熱性等，并且因此含氟彈性體可在氫動力燃料電池汽車的 操作條件下穩(wěn)定地使用相當長的時間。然而，由于含氟彈性體較差的注塑成型性和耐冷性 而且昂貴，含氟彈性體是不利的，因此其大量生產(chǎn)受到限制。同時，當具有優(yōu)異的基本特性 如彈性、耐熱性等的含氟彈性體與過氧化物交聯(lián)時，生產(chǎn)成本增加，但是甚至在約-30°C或 更低的相當?shù)偷臏囟认乱部杀ＷC氣密性。
[0004] 然而，由于用于燃料電池汽車的燃料電池堆疊包括數(shù)百個單元電池且每個單元電 池均配備有襯墊，因為大量的昂貴的含氟彈性體需要用于改善耐冷性的目的，所以含氟彈 性體是不可取的。此外，含氟彈性體在低至約-40°c的溫度下幾乎沒有彈性，盡管含氟彈性 體具有優(yōu)異的耐冷性。
[0005] 將硅酮彈性體分類為一般硅酮橡膠，例如，聚二甲基硅氧烷等；和改性的硅橡膠， 例如氟硅酮等。盡管可使用固體型硅酮橡膠，但更頻繁地使用液體型硅酮橡膠，因為其有利 于精確的注塑成型。通常，液體型硅酮橡膠具有顯示優(yōu)異的注塑成型性的優(yōu)勢，但缺點在于 將硅酮作為雜志洗脫并進一步導(dǎo)致鉬催化劑中毒并且降低燃料電池的性能。因此，它們不 適用于燃料電池應(yīng)用。
[0006] 在經(jīng)類彈性體中，往往使用乙烯-丙烯二烯單體（ethylene-propylene diene monomer) (EPDM)橡膠、乙烯-丙烯（ethylene-propylene)橡膠（EPR)、異戊二烯橡膠（IR)、 異丁烯_異戊二烯橡膠（isobutylene-isoprene rubber) (IIR)等。這些經(jīng)類彈性體是有 利的，由于它們甚至在約-40°C或更低的相當?shù)偷臏囟认聝?yōu)異的氣密性和低成本。然而，烴 類彈性體的缺點在于，由于不足夠的機械特性和耐熱性，它們不能在約120°C或更高的高溫 下容易地使用。例如，它們的物理特性如彈性、抗氧化性等在相當高的溫度下變差。
[0007]通常，用于燃料電池的常規(guī)襯墊通過注射模制方法與膜-電極組件、氣體擴散層、 分離器或聚合物框架結(jié)合，并且其由含氟彈性體、烴類彈性體和硅酮彈性體中任何一種制 成。然而，如上所述，由單一材料制成的襯墊在相當?shù)偷臏囟群拖喈敻叩臏囟认虏荒鼙ＷC長 期使用穩(wěn)定性，所以已經(jīng)考慮由兩種或更多種材料制成的襯墊。
[0008]例如，已經(jīng)研發(fā)了用于燃料電池的襯墊，其與燃料電池部件如分離器或電解質(zhì)膜 結(jié)合。在此類用于燃料電池的襯墊中，使用具有相當?shù)偷臍怏w滲透性的橡膠材料來密封氣 體通路部分，并且使用具有相當高的氣體滲透性的橡膠材料來密封冷卻水通路部分。然而， 制造過程可能是復(fù)雜的，因為兩種類型的襯墊材料與燃料電池的任何一種部件結(jié)合。此外， 由于每種襯墊材料均具有一定的最佳模制和交聯(lián)條件，當它們在相同的模制和交聯(lián)條件下 制備時，兩種類型的襯墊材料不能充分顯示所希望的物理特性。
[0009]在另一個實施例中，已經(jīng)研發(fā)了用于燃料電池的襯墊，其與燃料電池部件如分離 器、氣體擴散層或電解質(zhì)膜膜電極組件結(jié)合。其中的襯墊通過結(jié)合至少兩種或更多種類型 的橡膠或樹脂材料來制備，因此襯墊包括附接到部件的第一層，和覆蓋第一層的第二層。然 而，由于兩種類型的不同襯墊材料與燃料電池的任何一種部件結(jié)合，襯墊中的界面粘附的 中間層可能存在問題，尤其是，當?shù)诙油ㄟ^注射模制方法在第一層上形成時。在這樣的情 況下，由于用于第一層表面上的第二層的襯墊材料的流動性較低，可能難以獲得符合要求 的模塑成型產(chǎn)品，且在相同的模制和交聯(lián)條件下兩種類型的襯墊材料可能并不充分地顯示 所希望的物理特性。
[0010] 同時，為了解決當兩種類型的襯墊材料獨立地制備并一起使用時出現(xiàn)的問題，已 經(jīng)嘗試使用交聯(lián)劑共混不同類型的橡膠材料的技術(shù)。到目前為止，在用于燃料電池的共混 橡膠襯墊的制備中，已經(jīng)普遍地使用共混碳氟橡膠和硅酮橡膠的技術(shù)。然而，共混碳氟橡膠 和烴類橡膠的技術(shù)仍未研發(fā)。
[0011] 應(yīng)當理解的是提供前面的描述僅幫助理解本發(fā)明，而并不表示本發(fā)明落在已為本 領(lǐng)域技術(shù)人員所知的相關(guān)技術(shù)的范圍內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 因此，本發(fā)明提供前述問題的技術(shù)解決方案。特別地，本發(fā)明提供用于燃料電池的 共混橡膠襯墊，其通過注射模制方法與作為燃料電池堆疊部件的膜-電極組件（MEA)、氣體 擴散層（GDL)、分離器或聚合物框架結(jié)合。根據(jù)本發(fā)明，用于燃料電池的共混橡膠襯墊可通 過用過氧化物交聯(lián)劑共交聯(lián)基于烴類的橡膠和基于氟的橡膠來制備，從而降低成本并提高 在相當?shù)偷臏囟认氯剂想姵氐拿芊夥€(wěn)定性和在高溫下的長期使用穩(wěn)定性。
[0013]在本發(fā)明的一個方面中，用于燃料電池的共混橡膠襯墊可包含：具有約80至99phr(每百份橡膠的份數(shù)）的EPDM橡膠和約1至20phr的FKM橡膠的基材；和基于lOOphr 的基材的約〇. 1至l〇phr的過氧化物交聯(lián)劑。特別地，EPDM橡膠和FKM橡膠可通過過氧化 物交聯(lián)劑共交聯(lián)?；贓PDM橡膠總量，EPDM橡膠可包含約50至75wt%的乙烯和約1至 10wt%的二烯單體?；贔KM橡膠總量，F(xiàn)KM橡膠可包含約60至75wt%的氟。
[0014]過氧化物交聯(lián)劑可包含選自由以下物質(zhì)組成的組中的至少一種：過氧化二異丙苯 (dicumyl peroxide)、2, 5-二甲基-2, 5-二（叔丁基過氧基）己燒、二-(2-叔丁基過氧基 異丙基）苯、二（2, 4-二氯苯甲酰基）過氧化物、二（4-甲基苯甲?；┻^氧化物、過氧化 苯甲酸叔丁酯、二苯甲?；^氧化物、1，1-二（叔丁基過氧基）_3, 3, 5-三甲基環(huán)己烷、叔丁 基異丙苯基過氧化物（t-butyl cumyl peroxide),和二叔丁基過氧化物。用于燃料電池的 共混橡膠襯墊可進一步包含基于lOOphr基材的約0. 1至lOphr的量的選自由以下物質(zhì)組 成的組中的至少一種輔助物質(zhì)：共交聯(lián)劑、交聯(lián)促進劑、增強劑、抗氧化劑、抗老化劑、脫模 劑（release agent)、增塑劑、加工助劑、偶聯(lián)劑和增黏劑。用于燃料電池的共混橡膠襯墊可 通過注射模制方法與燃料電池的膜-電極組件（MEA)、氣體擴散層（GDL)、分離器或聚合物 框架結(jié)合。
【附圖說明】
[0015] 本發(fā)明的上述和其他目標、特征和優(yōu)點將結(jié)合附圖從下文的詳細描述中更清楚地 理解，其中：
[0016] 圖1和圖2示出來自根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式的比較例和實施例的用于 燃料電池的共混橡膠襯墊的低溫收縮特性分析的示例性測試結(jié)果；以及
[0017] 圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的比較例和實施例的用于燃料電池的 共混橡膠襯墊的EDX分析的示例性測試結(jié)果。
【具體實施方式】
[0018] 應(yīng)當理解如本文所用的術(shù)語"汽車"或"汽車的"或其他類似的術(shù)語通常包括機動 車輛，如包括運動型多功能車（SUV)、公共汽車、卡車，各種商用車的載客汽車、包括各種船 只和輪船的船舶、飛機等等，并且包括混合動力汽車、電動汽車、插電式混合電動汽車、氫動 力汽車和其它替代燃料汽車（例如，來自除石油以外資源的燃料）。如本文所提到的，混合 動力汽車是具有兩種或更多種動力源的汽車，例如，汽油驅(qū)動和電力驅(qū)動的汽車。
[0019] 本文使用的術(shù)語只是為了描述【具體實施方式】的目的且并不是為了限制本發(fā)明。如 本文所用，單數(shù)形式"一"、"一個"和"該"也旨在包含復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有明確指示。 應(yīng)當進一步理解當在本說明中使用時，術(shù)語"包括"和/或"包括了"，指示所述的特征，整 數(shù)，步驟，操作，元件，和/或組件的存在，但不排除一個或多個其他特征，整數(shù)，步驟，操作， 元件，組件和/或它們的組的存在或添加。如本文所用的，術(shù)語"和/或"包括一個或多個 相關(guān)的列出事項的任何的和所有的組合。
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