用于燃料电池的垫圈的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于燃料电池堆的垫圈，其具有优异的耐寒性和高耐压缩应变性。更 具体的，本发明涉及用于燃料电池的垫圈，其具有低压缩变形并且不含有杂质如金属离子。
【背景技术】
[0002] 燃料电池堆通常通过重复组装几百个单元电池制成。这些单元电池中的每个都配 备有橡胶垫圈以密封在电池反应气体和冷却水内。此外，由于几百个单元电池在预定的压 缩载荷下堆叠，每个橡胶垫圈在压缩状态下放置8万小时，超过例如10年保修的期限。另 外，燃料电池堆通常在温度、压力和相对湿度等多种条件下运行。最重要的是，燃料电池堆 在使用期间密封很重要。
[0003] 由于这个目的，用于燃料电池堆的橡胶垫圈必须保持高弹性且必须具有非常高的 耐压缩变形性。通常将氟弹性体、硅酮弹性体和烃类弹性体用作用于燃料电池堆的垫圈。以 下描述了它们各自的优点和缺点。
[0004] 通常，已经将具有如耐热性、耐酸性、弹性等优异物理性质并且具有最高可靠性的 氟弹性体用作用于燃料电池的垫圈。然而，就垫圈的大量生产而言，氟弹性体是有问题的， 因为其具有低注塑性和耐寒性并且昂贵。此外，即使当氟弹性体与过氧化物交联时，它们甚 至能够在-30°c或更低的低温下使用，但是当几百个垫圈不得不潜在地被这些超高价格的 氟弹性体替换时，汽车公司存在沉重的经济负担。
[0005] 有机硅弹性体分为如聚二甲基硅氧烷等的普通硅橡胶和如氟硅氧烷等的改性的 硅橡胶。可以使用固体硅橡胶，但液体硅橡胶对于精确的注射模制是有优势的，因此更常 用。然而，尽管液体硅橡胶有利地表现出优异的注射模制性，但是硅橡胶可能作为杂质被洗 脱掉，从而可能使钼催化剂中毒，从而降低燃料电池的性能。因此，它们不适合用于燃料电 池。
[0006] 经常将乙烯-丙烯双烯单体（EPDM)橡胶、乙烯-丙烯橡胶（EPR)，异戊二烯橡胶 (IR)，异丁烯异戊二烯橡胶（IIR)等用作烃弹性体。这些烃弹性体甚至在-40°C或更低的低 温下表现出优异的气密性并且比上述的材料便宜的多。然而，由于它们不充分的耐热性，而 不能在120°C或更高的高温下容易地使用它们。另外，如弹性、抗氧化性等的物理性质在高 温下极大地降低。
[0007] 例如，将EPDM橡胶样品添加至用于模拟严格的燃料电池操作条件的溶液（1M H 2S04+10ppm HF)中，然后在80°C下储存6周。之后，通过扫描电子显微镜（SEM)分析样品 的表面形状和组分。结果，锌（Zn)组分（其为金属组分）残留在样品的表面上。当在用于 燃料电池堆的垫圈中使用含金属离子组分的这种添加剂或操作油时，该垫圈随燃料电池汽 车英里数的增加而变差。结果，该垫圈的弹性可降低。另外，从垫圈洗脱的金属离子（杂 质）能够污染燃料电池堆的组件之一的膜电极组件（MEA)，因此使燃料电池的性能变差。此 外，其还降低燃料电池堆的寿命，因此不能将现在常规的EPDM橡胶应用于用于燃料电池的 垫圈。
[0008] 应理解，提供上述描述仅旨在帮助理解本发明，并不意指本发明落在本领域中技 术人员已经已知的相关技术的范围内。
【发明内容】
[0009] 因此，已设计本发明以解决上述问题，并且本发明的一个目的是提供用于燃料电 池的垫圈，该垫圈具有低压缩变形并且不含有包含金属离子的杂质。
[0010] 为了实现以上目的，本发明的一个方面提供一种用于燃料电池的垫圈，包含：分别 和lOOphr的EPDM相比，1~5phr (每百份橡胶的份数）的过氧化物交联剂；0. 1~lphr的共 交联剂；〇. 1~lphr的抗氧化剂；和1~lOphr的炭黑，其中，EPDM橡胶包含50~60wt. % 的乙烯和4~10wt. %的双烯单体。
[0011] 过氧化物交联剂可包含选自以下中的至少一种：二枯基过氧化物、2,5_二甲 基 _2, 5_二（叔丁基过氧）己烧、二_(2_叔丁基过氧异丙基）苯、二-(2,4_二氣苯甲醜基） 过氧化物、二（4-甲基苯甲酰基）过氧化物、叔丁基过氧苯甲酸酯、二苯甲酰基过氧化物、1， 1-二（叔丁基过氧）-3, 3, 5-三甲基环己烷、叔丁基枯基过氧化物、和二叔丁基过氧化物。
[0012] 用于燃料电池的垫圈也可具有基于ASTM D2240的40~70的肖氏A硬度值，并且 可施加基于ASTM D395(方法B，25%挠度，72小时@100°C)的10%或更低的压缩变形。
[0013] 另外，用于燃料电池的垫圈邻接（abut)膜电极组件（MEA)、气体扩散层（⑶L)、隔 板、氢气供给单元、空气供给单元或热控制单元。
【附图说明】
[0014] 本发明的上述和其他目的、特征和优势将通过以下结合附图的详细描述更清楚地 理解，其中：
[0015] 图1是示出评估抗氧化剂对根据本发明的一个示例性的实施方式的用于燃料电 池的垫圈的压缩变形的影响结果的曲线图；以及
[0016] 图2是示出根据本发明的一个示例性实施方式的用于燃料电池的垫圈的低温收 缩特性的曲线图。
【具体实施方式】
[0017] 在下文中，将参照附图详细地描述本发明的优选实施方式。
[0018] 本文所用的术语仅是为了描述【具体实施方式】的目的，而不旨在限制本发明。如本 文中所用的，单数形式"一种"、"一个"和"该"旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说 明。应进一步理解，术语"包括"和/或"包含"在本说明书中使用时说明所述特征、整数、步 骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、 组件和/或其组的存在或添加。如本文所用的，术语"和/或"包括所关联的列出项目中的 一个或多个的任何和所有组合。
[0019] 除非具体陈述或从上下文明显可见，否则如本文所用的术语"约"应被理解为本领 域中正常公差的范围内，例如，在平均值的2个标准偏差内。"约"可以被理解为在所陈述值 的 10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0. 5%、0. 1%、0. 05%或 0? 01% 内。除非 从上下文是清楚的，否则本文所提供的所有数值由术语"约"修饰。
[0020] 本发明提供了用于燃料电池堆的橡胶垫圈，其具有优异的耐寒性和高压缩应变。 更具体地，本发明提供了用于燃料电池的垫圈，其具有低压缩变形且不含有包含金属离子 的杂质，该垫圈包含：分别和约l〇〇phr的EPDM相比，约1~5phr (每百份橡胶的份数）的 过氧化物交联剂；约〇. 1~lphr的共交联剂；约0. 1~lphr的抗氧化剂；和约1~lOphr 的炭黑，其中，EPDM橡胶包含约50~60wt. %的乙烯和约4~10wt. %的双烯单体。
[0021] 为了解决上述的常规问题，本发明提供了高弹性EPDM橡胶垫圈，其可在燃料电池 中有效地使用。具体地，以上的橡胶垫