质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种高效的电化学装置,由于其功率密度和能量转化效率高等特点,被视为替代汽车燃油发动机最具发展潜力的动力设备。PEMFC在运行过程中,温度和湿度的变化以及密封件的形状会影响密封面的接触应力分布,进而影响电池的密封性能。本文基于Persson粗糙表面接触间隙渗透理论,以螺栓封装的典型PEMFC电堆为例,综合分析湿度和温度变化下电堆整体的密封泄漏情况。以泄漏率最小为优化目标,优化密封件的截面几何形状,大幅度提升了电池的密封性能。首先详细介绍了粗糙表面接触间隙渗透理论的相关内容,结合PEMFC电堆在封装载荷作用下的结构特点,设计了密封面泄漏率的计算流程。接着对电池在不同湿度和温度下密封性能进行有限元分析,结果表明密封件阳极的一侧的泄漏率要大于阴极一侧,湿度对电堆泄漏率的影响极其微小,可忽略不计。常温下电堆中各层电池的泄漏率从靠近端板处到电堆的中间逐渐增大,最大泄漏率出现在电堆的中间位置,比靠近端板处的电池的泄漏率高出35%。最后对工作温度下电堆的密封性能分析发现,电堆整体的温度场呈非均匀分布,且内外温差达13℃,密封件表面的温度场分布较均匀,平均温度在79.8℃左右。温度越高、温差越大,电堆泄漏情况越严重,对比常温下电堆的泄漏情况,稳态工作时电堆各层电池的泄漏率比常温时高,最大泄漏率出现在电堆的中间位置,比常温时高出19%。基于PEMFC密封性能的分析结果,以泄漏率最小为优化目标,利用Isight内置的多岛遗传算法,联合Abaqus和Matlab泄漏率计算程序展开对密封件的截面形状的优化设计,得到了密封件横截面的最佳形状,并且将该二维优化结果拓展到三维电池密封结构设计中,优化后密封结构的泄漏率减少26.7%,电池的密封性能得到了明显的提升。