? ?? 盡管PEM電解堆與燃料電池電堆在結(jié)構(gòu)、內(nèi)部環(huán)境等存在較大的相似性，如數(shù)百單元堆疊、高氧氣含量、高濕度、酸性環(huán)境等，但對密封來講，PEM電解堆存在更大的挑戰(zhàn)性，其陽極更高電位（1.5-2.0V甚至更高）、大量液態(tài)水（數(shù)十至數(shù)百倍反應(yīng)水量）、更大的組裝力，均對密封方式、材質(zhì)和結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。

一、主流廠商密封壓力

表1 國內(nèi)外主流廠商陰極氫側(cè)操作壓力

二、密封原理及要求

三、密封材質(zhì)

????? PEM電解堆密封通常屬于靜力學(xué)密封中的墊密封，在壓緊力作用下，墊片自身產(chǎn)生彈性和塑性變形，填塞密封面間間隙，達(dá)到密封的目的。在密封領(lǐng)域，如表2所示，可用于密封的材料眾多，但PEM電解堆對密封材質(zhì)有較高要求：

• ??? 絕緣

• ??? 高耐氧化，長時間處于高電位及氧氣環(huán)境；

• ??? 高耐酸性，PEM堆中pH通常在1-4左右；

• ??? 耐溫性＞120℃以上；

• ??? 耐水解，長期處于飽和水氣環(huán)境；

• ??? 溶出物對膜及催化劑影響小；

• ??? 密封性及耐疲勞性，PEM堆運行時熱膨脹及壓力變化；

表2 密封材料分類

??? 當(dāng)前在PEM中采用的墊片類型主要有硅橡膠、氟橡膠、三元乙丙橡膠、聚四氟乙烯及相應(yīng)改性墊片。其中，硅橡膠在燃料電池中應(yīng)用廣泛，具有改性方便、成本低、易于粘接等優(yōu)勢，但其主鏈Si-O-Si及側(cè)鏈Si-CH₃容易斷裂，在水中穩(wěn)定性不足。氟橡膠穩(wěn)定性、機械性能都較為優(yōu)異，是較為理想的PEM電解堆材料，當(dāng)然現(xiàn)在也存在粘接困難、成型工藝復(fù)雜、成本高等問題，限制了其大范圍的使用。三元乙丙橡膠在機械性能與耐老化方面稍遜氟橡膠，但成型工藝較為簡單，在各廠商中有廣泛應(yīng)用。聚四氟乙烯屬于塑料密封墊片，性質(zhì)穩(wěn)定，一般需設(shè)計造型或配合接觸面造型來實現(xiàn)密封。如下表3所示。

表3 氟塑料密封圈的種類、工作條件及應(yīng)用特點

四、主流廠商密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

• ?? （1）橡膠墊片+底涂膠+溝槽

• 

圖1 密封結(jié)構(gòu)一

關(guān)鍵設(shè)計點：橡膠墊壓縮量、壓縮率、填充率；

??????????????????????? 底涂膠涂覆厚度與寬度；

?????????????????????? ?底涂膠定位精度及粘附力。

• ?? （2）橡膠墊+底涂膠+限位塊

圖2 密封結(jié)構(gòu)二

關(guān)鍵設(shè)計點：橡膠墊壓縮量、壓縮率；

??????????????????????? 底涂膠涂覆厚度與寬度；

??????????????????????? 底涂膠定位精度及粘附力；

??????????? 限位塊高度。

• ?? （3）一體注塑橡膠+溝槽

• 

圖3 密封結(jié)構(gòu)三

關(guān)鍵設(shè)計點：橡膠墊壓縮量、壓縮率；

??????? ? ? ? ? ? ? ? ? 橡膠注塑工藝。

• ?? （4）一體注塑橡膠+限位塊

圖4 密封結(jié)構(gòu)四

關(guān)鍵設(shè)計點：橡膠墊壓縮量、壓縮率；

??????? ? ? ? ? ? ? ? ? 橡膠注塑工藝；

????? ? ? ? ? ? ? ? ??? 限位塊高度。

• ?? （5）塑料墊片+止水線

圖5 密封結(jié)構(gòu)五

關(guān)鍵設(shè)計點：塑料墊片機械性能；

??? ? ? ? ? ? ?? ????? 止水線結(jié)構(gòu)；

?????? ? ? ? ? ? ?? ?? 止水線與塑料墊片高度匹配。

圖6 雙峰式密封結(jié)構(gòu)

表4中各種不同造型橡膠墊片，

表4 橡膠墊片的造型、特點和應(yīng)用

也可以采用一種密封方式多級串聯(lián)或多種密封方式并用的組合密封方式（圖7），總之，設(shè)計密封結(jié)構(gòu)時應(yīng)綜合考慮密封效果、工藝難度、裝配難度、成本及維修的方便性等。

圖7 組合密封

??注：由于作者水平有限，僅代表個人觀點，如有錯誤請多指正。

原文始發(fā)于微信公眾號（PEM水電解）：【干貨】PEM電解堆高壓密封技術(shù)詳解