解码高压电堆密封关键工艺

燃料电池电堆是由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。单体电池电极连接时，必须要有严格的密封，密封不良会导致氢气泄露，降低氢的使用率，影响燃料电池的效率，严重时会导致电池无法工作，影响电池寿命。高压高功率密度燃料电池具有产气压力大的特点，因此对气体密封的要求更为严格。

目前国内电堆封装主要采用螺杆贯穿式和钢条捆绑式两种封装方式。螺杆贯穿式电堆封装技术相对成熟，但封装工艺还存在较大欠缺，导致电堆产品的质量可靠性不高，间接造成燃料电池的生产经济性不高。

笔者认为，通过对金属双极板板间密封结构加载应变仿真与密封结构优化，形成结构紧凑、可靠性高的板间密封设计方案；同时通过对不同密封填料材料物性测试与材料筛选，筛选出适用的板间密封填充材料，对于提高电堆密封性十分重要。

从密封结构来看，质子交换膜燃料电池为多层结构，每一层中均包含能够独立进行电化学反应的物质输送流道，为了防止反应物氢气、空气及冷却液泄露，层与层之间设计有相应的密封结构，密封结构的可靠性直接决定了燃料电池的使用寿命。

从密封材料来看，目前行业内的燃料电池密封材料一般以硅橡胶或氟橡胶为主。密封方式主要采用双极板与膜电极挤压橡胶密封材料，形成接触密封。由于装机后没有相对运动，属于典型的静密封。

图1质子交换膜燃料电池电堆和密封

采用预制成形（密封垫片）密封是指在双极板上安装橡胶密封垫片并与膜电极组边框进行挤压密封。

其中PEM将延伸出来并通过粘接剂与边框粘接，形成带有加强边框的MEA。密封垫片安装在双极板上，通过双极板挤压边框形成接触密封。由于两次面需要对称挤压，形成对称的载荷，否则边框容易产生变形，进而影响气密性和发电效率。因此，也有将其中一面密封垫片设计成平面，另一侧密封垫为凸面，从而防止装配滑移的出现。

由于MEA需要安装边框，需要一定的控制精度，目前仍然通过手工来完成，未来自动化难度较大。因此，直接采用橡胶硫化边框，可以同时实现边框与密封两种功能，可以有效提高生产效率，降低成本，采用整体橡胶边框密封。由于密封边框与MEA是一体成型的，省去了装配粘合塑料边框的步骤，同时，边框通过精确的硫化成型，可以与上下两块双极板配合，形成密封。

液态密封胶因其具有流动性可以流入到非常复杂的表面结构中,而且密封性好,不容易产生界面泄漏。

液态密封胶主要有2种：就地成型垫圈（FIPG）和固化装配垫圈（CIPG）。

就地成型垫圈（FIPG，Formed-In-PlaceGasket），FIPG是在法兰面上涂敷液态密封胶,在密封胶还没有固化时装配起来,然后随着胶的固化而起到密封作用。由于密封胶液体能够自由流平,FIPG对法兰面的精度要求不高。

固化装配垫圈（CIPG，Cured-In-PlaceGasket），CIPG是将液态密封胶涂敷于法兰的一面并通过各种手段使其固化（例如：加热、紫外线照射、湿气等），然后装配法兰从而起到密封作用。由于这类密封胶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垫圈所需要的模具。表1列出了常用橡塑密封材料的主要特性及使用范围。

表1常用橡塑密封材料的主要特性及使用范围

综上所述，对金属双极板板间初始密封结构进行建模仿真，分析密封结构的装配加载变形、内压加载变形、密封面和支撑面接触力分布和弹塑性变形、压力波动和振动条件下密封可靠性分析、绝缘可靠性、密封可重复使用性能。通过上述模型分析结果，形成密封结构优化方案，并通过模型迭代分析优化结构方案。

探索降低密封结构厚度，提高密封可靠性的电堆密封设计方案，关键技术在于多层复合材料的密封建立条件与可靠性分析方法。笔者建议，通过文献调研或实验验证的手段，分析材料透气性、耐酸碱性、抗老化、抗压强度、弹性模量等材料参数，了解填充工艺，筛选适用的密封填充材料。