燃料電池電堆是由多個(gè)單體電池以串聯(lián)方式層疊組合而成。單體電池電極連接時(shí)，必須要有嚴(yán)格的密封，密封不良會(huì)導(dǎo)致氫氣泄露，降低氫的使用率，影響燃料電池的效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池?zé)o法工作，影響電池壽命。高壓高功率密度燃料電池具有產(chǎn)氣壓力大的特點(diǎn)，因此對(duì)氣體密封的要求更為嚴(yán)格。

目前國(guó)內(nèi)電堆封裝主要采用螺桿貫穿式和鋼條捆綁式兩種封裝方式。螺桿貫穿式電堆封裝技術(shù)相對(duì)成熟，但封裝工藝還存在較大欠缺，導(dǎo)致電堆產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性不高，間接造成燃料電池的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性不高。

筆者認(rèn)為，通過對(duì)金屬雙極板板間密封結(jié)構(gòu)加載應(yīng)變仿真與密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化，形成結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的板間密封設(shè)計(jì)方案；同時(shí)通過對(duì)不同密封填料材料物性測(cè)試與材料篩選，篩選出適用的板間密封填充材料，對(duì)于提高電堆密封性十分重要。

從密封結(jié)構(gòu)來看，質(zhì)子交換膜燃料電池為多層結(jié)構(gòu)，每一層中均包含能夠獨(dú)立進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)輸送流道，為了防止反應(yīng)物氫氣、空氣及冷卻液泄露，層與層之間設(shè)計(jì)有相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)，密封結(jié)構(gòu)的可靠性直接決定了燃料電池的使用壽命。

從密封材料來看，目前行業(yè)內(nèi)的燃料電池密封材料一般以硅橡膠或氟橡膠為主。密封方式主要采用雙極板與膜電極擠壓橡膠密封材料，形成接觸密封。由于裝機(jī)后沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，屬于典型的靜密封。

圖1質(zhì)子交換膜燃料電池電堆和密封

采用預(yù)制成形（密封墊片）密封是指在雙極板上安裝橡膠密封墊片并與膜電極組邊框進(jìn)行擠壓密封。

其中PEM將延伸出來并通過粘接劑與邊框粘接，形成帶有加強(qiáng)邊框的MEA。密封墊片安裝在雙極板上，通過雙極板擠壓邊框形成接觸密封。由于兩次面需要對(duì)稱擠壓，形成對(duì)稱的載荷，否則邊框容易產(chǎn)生變形，進(jìn)而影響氣密性和發(fā)電效率。因此，也有將其中一面密封墊片設(shè)計(jì)成平面，另一側(cè)密封墊為凸面，從而防止裝配滑移的出現(xiàn)。

由于MEA需要安裝邊框，需要一定的控制精度，目前仍然通過手工來完成，未來自動(dòng)化難度較大。因此，直接采用橡膠硫化邊框，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)邊框與密封兩種功能，可以有效提高生產(chǎn)效率，降低成本，采用整體橡膠邊框密封。由于密封邊框與MEA是一體成型的，省去了裝配粘合塑料邊框的步驟，同時(shí)，邊框通過精確的硫化成型，可以與上下兩塊雙極板配合，形成密封。

液態(tài)密封膠因其具有流動(dòng)性可以流入到非常復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)中,而且密封性好,不容易產(chǎn)生界面泄漏。

液態(tài)密封膠主要有2種：就地成型墊圈（FIPG）和固化裝配墊圈（CIPG）。

就地成型墊圈（FIPG，F(xiàn)ormed-In-PlaceGasket），F(xiàn)IPG是在法蘭面上涂敷液態(tài)密封膠,在密封膠還沒有固化時(shí)裝配起來,然后隨著膠的固化而起到密封作用。由于密封膠液體能夠自由流平,FIPG對(duì)法蘭面的精度要求不高。

固化裝配墊圈（CIPG，Cured-In-PlaceGasket），CIPG是將液態(tài)密封膠涂敷于法蘭的一面并通過各種手段使其固化（例如：加熱、紫外線照射、濕氣等），然后裝配法蘭從而起到密封作用。由于這類密封膠是直接涂敷于部件表面然后再固化的，所以它不需要通常模塑墊圈所需要的模具。表1列出了常用橡塑密封材料的主要特性及使用范圍。

表1常用橡塑密封材料的主要特性及使用范圍

綜上所述，對(duì)金屬雙極板板間初始密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，分析密封結(jié)構(gòu)的裝配加載變形、內(nèi)壓加載變形、密封面和支撐面接觸力分布和彈塑性變形、壓力波動(dòng)和振動(dòng)條件下密封可靠性分析、絕緣可靠性、密封可重復(fù)使用性能。通過上述模型分析結(jié)果，形成密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并通過模型迭代分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案。

探索降低密封結(jié)構(gòu)厚度，提高密封可靠性的電堆密封設(shè)計(jì)方案，關(guān)鍵技術(shù)在于多層復(fù)合材料的密封建立條件與可靠性分析方法。筆者建議，通過文獻(xiàn)調(diào)研或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證的手段，分析材料透氣性、耐酸堿性、抗老化、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等材料參數(shù)，了解填充工藝，篩選適用的密封填充材料。