燃料電池電堆是由多個單體電池以串聯(lián)方式層疊組合而成。單體電池電極連接時，必須要有嚴(yán)格的密封，密封不良會導(dǎo)致氫氣泄露，降低氫的使用率，影響燃料電池的效率，嚴(yán)重時會導(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，因此對氣體密封的要求更為嚴(yán)格。

目前國內(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)濟性不高。

筆者認(rèn)為，通過對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)計方案；同時通過對不同密封填料材料物性測試與材料篩選，篩選出適用的板間密封填充材料，對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立進行電化學(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。由于裝機后沒有相對運動，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。由于兩次面需要對稱擠壓，形成對稱的載荷，否則邊框容易產(chǎn)生變形，進而影響氣密性和發(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，未來自動化難度較大。因此，直接采用橡膠硫化邊框，可以同時實現(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，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，對金屬雙極板板間初始密封結(jié)構(gòu)進行建模仿真，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、壓力波動和振動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，通過文獻調(diào)研或?qū)嶒烌炞C的手段，分析材料透氣性、耐酸堿性、抗老化、抗壓強度、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。