CN111370731A - 一种膜电极边框、膜电极组件及其制备方法以及燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种膜电极边框、膜电极组件及其制备方法以及燃料电池。主要采用的技术方案为：一种膜电极边框包括边框主体；其中，边框主体上设置有用于连通发电区域的燃料流道和氧化剂流道；其中，当边框主体封装在膜电极上时：边框主体具有相对设置的第一侧和第二侧，燃料流道位于边框主体的第一侧上、氧化剂流道位于边框主体的第二侧上。一种膜电极组件包括膜电极和上述的膜电极边框。本发明主要用于通过将用于连通发电区域的燃料流道、氧化剂流道设置在用于封装膜电极的膜电极边框上，以克服将燃料和氧化剂流道设置在石墨双极板上存在的加工耗时长的问题、设置在金属双极板上导致双极板两侧不同流体的流道不能同时满足需求的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池技术领域，特别是涉及一种膜电极边框、膜电极组件及其制备方法以及燃料电池。
背景技术
燃料电池是将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。燃料电池通常由多个电池单元构成；每个电池单元包括质子交换膜与它两侧的阴极和阳极构成膜电极组件(MEA)，通过与双极板串联组装，形成燃料电池电堆。
在燃料电池工作时，燃料(即，氢气)和氧化剂(即，空气或氧气)分别通过双极板上的入口、入口连接通道、入口分配区进入膜两侧的电极反应活性区(即，发电区域)，然后通过出口汇合区、出口连接通道到双极板上的出口。为了保证燃料电池的高效率、长期地正常工作，需要合理地设置好燃料和氧化剂的流场，使得在发电区域的气体流量分布均匀。
现有技术中，燃料和氧化剂的流场，包括入口、入口连接通道、进口分配区、发电区域、出口汇合区、出口连接通道及出口均设置在双极板上。
但是，本发明的发明人发现现有这种将燃料和氧化剂的流道均设置在双极板上的技术至少存在如下问题：
对于石墨双极板，需要在石墨双极板的两面精雕加工出燃料和氧化剂两种不同流体的流场，需要耗费大量的工时。
对于金属双极板，采用冲压成形的金属双极板一面凹下去另一面必凸出，导致金属双极板两侧不同流体的入出口连接通道和分配区流场不能同时满足需求；例如，为了使得流体的流量分布均匀，通常在一侧冲压出多个凸起的小圆柱体构成分配区，则会在另一侧出现凹进的小圆柱体，这样另一侧流体就会有部分滞留在凹进的小圆柱体内，不利于另一侧流体的流动。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种膜电极边框、膜电极组件及其制备方法以及燃料电池，主要目的在于通过将用于连通发电区域的燃料流道、氧化剂流道设置在用于封装膜电极的膜电极边框上，以克服将燃料流道、氧化剂流道设置在双极板上存在的上述问题。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明的实施例提供一种膜电极边框，其中，所述膜电极边框包括：
边框主体，所述边框主体上设置有用于连通发电区域的燃料流道和氧化剂流道；
其中，当所述边框主体封装在膜电极上时：所述边框主体具有相对设置的第一侧和第二侧，所述燃料流道位于所述边框主体的第一侧上、所述氧化剂流道位于所述边框主体的第二侧上。
优选的，所述边框主体包括：
第一边框，所述燃料流道设置在所述第一边框上；
第二边框，所述氧化剂流道设置在所述第二边框上；
其中，所述第一边框和第二边框为分体式结构；或
所述第一边框和第二边框为一体式边框结构；优选的，所述第一边框为靠近所述一体式边框结构的一端设置，所述第二边框靠近所述一体式边框结构的另一端设置。
优选的，所述燃料流道包括燃料入口流道和燃料出口流道；其中，所述燃料入口流道和燃料出口流道分别与发电区域连通；
优选的，所述燃料入口流道包括燃料入口和至少一条燃料入口连接通路；其中，所述燃料入口连接通路的一端与燃料入口连通，另一端用于连通发电区域；进一步优选的，所述燃料入口流道还包括燃料入口分配区；其中，所述燃料入口连接通路和发电区域之间通过所述燃料入口分配区连通；进一步优选的，所述燃料入口连接通路为设置在所述边框主体上的凹进的通道；进一步优选的，所述燃料入口分配区包括设置在所述边框主体上的多个凸点；
优选的，所述燃料出口流道包括燃料出口和至少一条燃料出口连接通路；其中，所述燃料出口连接通路的一端与燃料出口连通，另一端用于连通发电区域；进一步优选的，所述燃料出口流道还包括燃料出口汇流区；其中，所述燃料出口连接通路和发电区域之间通过所述燃料出口汇流区连通；进一步优选的，所述燃料出口连接通路为设置在所述边框主体上的凹进的通道；进一步优选的，所述燃料出口汇流区包括设置在所述边框主体上的多个凸点。
优选的，所述氧化剂流道包括氧化剂入口流道和氧化剂出口流道；其中，所述氧化剂入口流道和氧化剂出口流道分别与发电区域连通；
优选的，所述氧化剂入口流道包括氧化剂入口和至少一条氧化剂入口连接通路；其中，所述氧化剂入口连接通路的一端与氧化剂入口连通，另一端用于连通发电区域；进一步优选的，所述氧化剂入口流道还包括氧化剂入口分配区；其中，所述氧化剂入口连接通路和发电区域之间通过所述氧化剂入口分配区连通；进一步优选的，所述氧化剂入口连接通路为设置在所述边框主体上的凹进的通道；进一步优选的，所述氧化剂入口分配区包括设置在所述边框主体上的多个凸点；
优选的，所述氧化剂出口流道包括氧化剂出口和至少一条氧化剂出口连接通路；其中，所述氧化剂出口连接通路的一端与氧化剂出口连通，另一端用于连通发电区域；进一步优选的，所述氧化剂出口流道还包括氧化剂出口汇流区；其中，所述氧化剂出口连接通路和发电区域之间通过所述氧化剂出口汇流区连通；进一步优选的，所述氧化剂出口连接通路为设置在所述边框主体上的凹进的通道；进一步优选的，所述氧化剂出口汇流区包括设置在所述边框主体上的多个凸点。
优选的，所述边框主体的材质为有机高分子材料；优选的，所述边框主体的材质选用热固性弹性体材料或热塑性弹性体材料；进一步优选的，所述热固性弹性材料为硅橡胶或三元乙丙橡胶；进一步优选的，所述热塑性弹性材料为PEN、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺中的任一种。
优选的，所述边框主体上还设置有冷却液入口、冷却液出口。
另一方面，本发明实施例还提供上述任一项所述的膜电极边框的制备方法，其中，包括如下步骤：
采用模压的方法成型出设置有燃料流道和氧化剂流道的边框主体；或采用注塑的方法直接在膜电极上成型出封装所述膜电极、且设置有燃料流道和氧化剂流道的边框主体；
优选的，采用模压的方式成型出的边框主体包括设置有燃料流道的第一边框和设置有氧化剂流道的第二边框；
进一步优选的，所述第一边框和第二边框为分体式结构；或第一边框和第二边框为一体式边框结构。
再一方面，本发明实施例还提供一种膜电极组件，其中，所述膜电极组件包括：
膜电极；
膜电极边框，所述膜电极边框封装所述膜电极；其中，所述膜电极边框为上述任一项所述的膜电极边框。
再一方面，上述的膜电极组件的制备方法，包括如下步骤：
先制备出膜电极边框的边框主体、再将所述边框主体封装在所述膜电极上，得到膜电极组件；优选的，采用模压的方法成型出设置有燃料流道和氧化剂流道的边框主体；或
采用注塑的方式在膜电极上成型出封装所述膜电极、且设置有燃料流道和氧化剂流道的边框主体，使所述边框主体与膜电极形成一体式结构；优选的，将膜电极固定在注塑模具中，然后注入边框主体的原料，冷却后，得到膜电极组件。
再一方面，本发明实施例还提供一种燃料电池，其中，所述燃料电池包括：
膜电极组件，所述膜电极组件为上述的膜电极组件；
双极板，所述双极板上设置有发电区域；
其中，所述膜电极组件上的燃料流道和氧化剂流道分别与所述发电区域连通。
与现有技术相比，本发明的膜电极边框、膜电极组件及其制备方法以及燃料电池至少具有下列有益效果：
本发明实施例提供的膜电极边框、膜电极组件及燃料电池通过在膜电极边框上设置燃料流道和氧化剂流道，且在膜电极边框的边框主体封装在膜电极上时，边框主体具有相对设置的第一侧和第二侧，燃料流道位于边框主体的第一侧上、氧化剂流道位于边框主体的第二侧上；上述设置不仅能克服将燃料流道、氧化剂流道设置在双极板上存在的加工耗时长、以及导致双极板两侧不同流体的流道不能同时满足需求的问题；而且还使得膜电极的燃料侧和氧化剂侧都能形成所需的互不干涉的流场；此外，能够很容易地优化燃料和氧化剂的流场，使得在发电区域的气体流量分布均匀。
本发明实施例提供的膜电极边框及膜电极组件的制备方法，通过模压的方法成型出膜电极边框，再将膜电极边框直接粘结于膜电极上封装膜电极形成膜电极组件；或者，通过注塑的方法直接使膜电极边框与膜电极一体成型出膜电极组件。由此可见，本发明实施例提供的膜电极边框及膜电极组件的制备方法简单、制备效率高，适合大规模量生产。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1A是本发明的实施例提供的一种膜电极边框的第一边框的结构示意图；
图1B是本发明的实施例提供的一种膜电极边框的第二边框的结构示意图；
图2是本发明的实施例提供的一种膜电极组件的结构示意图；
图3A是本发明的实施例提供的另一种膜电极边框的第一边框的结构示意图；
图3B是本发明的实施例提供的另一种膜电极边框的第二边框的结构示意图；
图4是本发明的实施例提供的另一种膜电极组件的结构示意图；
图5A是本发明的实施例提供的又一种膜电极边框的第一边框的结构示意图；
图5B是本发明的实施例提供的又一种膜电极边框的第二边框的结构示意图；
图6是本发明的实施例提供的又一种膜电极组件的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
实施例1
本实施例提供一种膜电极边框，用于封装膜电极；其中，膜电极边框包括边框主体；边框主体上设置有用于连通发电区域的燃料流道和氧化剂流道；并且，当边框主体封装在膜电极上时：边框主体具有相对设置的第一侧和第二侧，燃料流道位于边框主体的第一侧上、氧化剂流道位于边框主体的第二侧上。
本实施例提供的膜电极边框通过设置燃料流道和氧化剂流道，且在膜电极边框的边框主体封装在膜电极上时，边框主体具有相对设置的第一侧和第二侧，燃料流道位于边框主体的第一侧上、氧化剂流道位于边框主体的第二侧上；上述设置不仅能克服将燃料流道、氧化剂流道设置在双极板上存在的加工耗时长、以及导致双极板两侧不同流体的流道不能同时满足需求的问题；而且还使得膜电极的燃料侧和氧化剂侧都能形成所需的互不干涉的流场；此外，能够很容易地优化燃料和氧化剂的流场，使得在发电区域的气体流量分布均匀。
实施例2
较佳地，本实施例提供一种膜电极边框，与上一实施例相比，如图1A、图1B、图3A、图3B、图5A及图5B所示，本实施例进一步对膜电极边框进行如下设计：
本实施例中的边框主体包括第一边框1和第二边框11。其中，燃料流道设置在第一边框1上；氧化剂流道设置在第二边框11上。
在此，对于第一边框1、第二边框11可以有以下几种结构：
(1)第一边框1、第二边框11为分体式结构；即，第一边框1、第二边框11为两个边框。当用该种结构的边框主体封装膜电极时，只需将膜电极放置在第一边框1和第二边框11之间，然后，使第一边框1和第二边框11连接(优选，热压贴合)在一起(参见1A、图1B、图2所示)。
(2)第一边框1和第二边框11为一体式边框结构；具体地，第一边框为靠近一体式边框结构的一端设置，第二边框靠近一体式边框结构的另一端设置。当用该种结构的边框主体封装膜电极时，用一体式边框结构封装膜电极，且封装后，燃料流道位于膜电极的一侧，氧化剂流道位于膜电极的另一侧(参见图3A、图3B、图4所示)。
(3)第一边框1、第二边框11与膜电极一体成型，参见图5A、图5B及图6所示。
实施例3
较佳地，本实施例提供一种膜电极边框，与上述实施例相比，如图1A、图3A、图5A所示，本实施例的膜电极边框上设置的燃料流道设置成如下：
设置在膜电极边框(第一边框1)上的燃料流道包括燃料入口流道、燃料出口流道；其中，燃料入口流道和燃料出口流道分别与发电区域连通。
其中，燃料入口流道包括燃料入口3和至少一条燃料入口连接通路4；其中，燃料入口连接通路4的一端与燃料入口3连通，另一端用于连通发电区域。进一步优选的，燃料入口流道还包括燃料入口分配区5；其中，燃料入口连接通路4和发电区域之间通过燃料入口分配区5连通。进一步优选的，燃料入口连接通路4为设置在边框主体(即，第一边框1)上的凹进的通道；进一步优选的，燃料入口分配区5包括设置在边框主体(即，第一边框1)上的多个凸点。
其中，燃料出口流道包括燃料出口8和至少一条燃料出口连接通路7；其中，燃料出口连接通路7的一端与燃料出口8连通，另一端用于连通发电区域。进一步优选的，燃料出口流道还包括燃料出口汇流区6；其中，燃料出口连接通路7和发电区域之间通过燃料出口汇流区6连通；进一步优选的，燃料出口连接通路7为设置在边框主体(即，第一边框1)上的凹进的通道。进一步优选的，燃料出口汇流区6包括设置在边框主体(即，第一边框1)上的多个凸点。
较佳地，燃料入口流道位于第一边框1上的靠近上端的位置处、燃料出口流道位于第一边框1上的靠近下端的位置处。
实施例4
较佳地，本实施例提供一种膜电极边框，与上述实施例相比，如图1B、图3B、图5B所示，本实施例的膜电极边框上设置的氧化剂流道设置成如下：
设置在膜电极边框(即，第二边框11)上的氧化剂流道包括氧化剂入口流道和氧化剂出口流道；其中，氧化剂入口流道和氧化剂出口流道分别与发电区域连通。
其中，氧化剂入口流道包括氧化剂入口13和至少一条氧化剂入口连接通路14；其中，氧化剂入口连接通路14的一端与氧化剂入口13连通，另一端用于连通发电区域。进一步优选的，氧化剂入口流道还包括氧化剂入口分配区15；其中，氧化剂入口连接通路14和发电区域之间通过氧化剂入口分配区15连通。进一步优选的，氧化剂入口连接通路14为设置在边框主体(即，第二边框12)上的凹进的通道。进一步优选的，氧化剂入口分配15区包括设置在边框主体上的多个凸点。
其中，氧化剂出口流道包括氧化剂出口18和至少一条氧化剂出口连接通路17；其中，氧化剂出口连接通路18的一端与氧化剂出口18连通，另一端用于连通发电区域。进一步优选的，氧化剂出口流道还包括氧化剂出口汇流区16；其中，氧化剂出口连接通路18和发电区域之间通过氧化剂出口汇流区16连通。进一步优选的，氧化剂出口连接通路18为设置在边框主体(第二边框11)上的凹进的通道。进一步优选的，氧化剂出口汇流区16包括设置在边框主体(第二边框11)上的多个凸点。
较佳地，氧化剂入口流道位于第二边框11上的靠近上端的位置处、氧化剂出口流道位于第二边框11上的靠近下端的位置处。
在此，上述实施例中的边框主体的材质为有机高分子材料；优选的，边框主体的材质选用热固性弹性体材料(如，硅橡胶或三元乙丙橡胶)或热塑性弹性体材料(如，PEN、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺中的任一种)。在此，若边框主体的材质选用热固性弹性材料时，则边框主体选用模压成型的方法制成，在将边框主体通过热压贴合的方式封装膜电极。若边框主体的材质选用热塑性弹性材料时，则边框主体与膜电极一起注塑形成膜电极组件。
实施例5
本实施例提供一种膜电极边框的制备方法，用于制备出实施例1-实施例4任一实施例所述的膜电极边框，具体制备方案有以下几种：
第一种：采用模压的方式成型出边框主体，且边框主体中的第一边框和第二边框为分体式结构，具体地，第一边框参见如1A所示，第二边框参见图1B所示。具体制备步骤参见实施例6中的制备方案1的步骤(1)、(2)。
第二种：采用模压的方式成型出边框主体，且边框主体中的第一边框和第二边框为一体式结构(图3A所示的第一边框、图3B所示的第二边框是一体式边框结构的两个部分)，所述一体式边框结构的一部分上设置有燃料流道，另一部分上设置氧化剂流道。具体制备步骤参见实施例6中的制备方案2的步骤(1)、(2)。
第三种，采用注塑的方法直接在膜电极上成型出封装膜电极、且设置有燃料流道和氧化剂流道的边框主体。具体参见下面实施例6中的制备方案3。
以上三种制备方案的制备效率高，适合大规模生产。
实施例6
另一方面，本实施例提供一种膜电极组件，如图2、图4及图6所示，膜电极组件包括：膜电极2和膜电极边框。其中，膜电极边框为实施例1-实施例4任一实施例所述的膜电极边框。
在此，根据有边框主体所选用原料的不同，可以采用模压方法或者注塑方法制备膜电极边框及膜电极组件。其中，对于模压方法：可以将燃料流道侧的流场和氧化剂流道侧的流场分别模压成形为两片边框，即，第一边框和第二边框，然后将膜电极嵌入到两片边框中；也可以将燃料侧的流场和氧化剂的流场一次模压成形在一片边框上(即，第一边框和第二边框为一体式边框结构)，然后将膜电极的各部件粘接在边框上。对于注塑方法：将膜电极固定在设有燃料流道侧的流场和氧化剂流道的流场的注塑模具中，然后注入液态的或者熔融的边框材料，渗入到膜电极边缘，冷却后和膜电极成为一体。
下面通过具体实施方案详细介绍本实施例的膜电极组件的制备方法：
制备方案1
图1A为膜电极边框的第一边框1(燃料流道边框)、图1B为膜电极边框的第二边框11(氧化剂流道边框)。第一边框1上至少含有燃料入口3、燃料入口连接通路4，燃料入口分配区5、燃料出口汇流区6、燃料出口连接通路7、燃料出口8。第二边框11上至少含有氧化剂入口13、氧化剂入口连接通路14、氧化剂入口分配区15、氧化剂出口汇流区16、氧化剂出口连接通路17、氧化剂出口18。燃料入口连接通路4、燃料出口连接通路7、氧化剂入口连接通路14、氧化剂出口连接通路17均是由一条或者几条凹进的通路组成。燃料入口分配区5、燃料出口汇流区6、氧化剂入口分配区15及氧化剂出口汇流区16均是由多个凸点组成。膜电极边框上的入出口流道(燃料入口流道、燃料出口流道、氧化剂入口流道、氧化剂出口流道)和与之配合的双极板的发电区域流道，两侧分别构成燃料和氧化剂的从入口到出口的整个流场。
在此，膜电极，是含有阳极气体扩散层、阳极催化层、电解质膜、阴极催化层和阴极气体扩散层。其中阳极催化层、电解质膜、阴极催化层组合在一起称为CCM。
上述的膜电极组件的制备步骤，具体为：
(1)将设计好的至少含有燃料入口3、燃料入口连接通路4、燃料入口分配区5、燃料出口汇流区6、燃料出口连接通路7、燃料出口8的边框，同时考虑膜电极的质子交换膜23、阳极催化层22及阳极气体扩散层21所占空间，制作成模具。将三元乙丙橡胶放入模具中在80℃预压成形成第一边框1(燃料流道边框)。
(2)将设计好的至少含有氧化剂入口13、氧化剂入口连接通路14、氧化剂入口分配区15、氧化剂出口汇流区16、氧化剂出口连接通路17、氧化剂出口18的边框，同时考虑膜电极的质子交换膜23、阴极催化层25及阴极气体扩散层24所占空间，制作成模具。将三元乙丙橡胶放入模具中在80℃预压成形第二边框11(氧化剂流道边框)。
(3)如图2所示，将膜电极2置于中间，膜电极阳极侧放上步骤(1)制备的第一边框1，膜电极阴极侧放上步骤(1)制备的第二边框11。必要时，在两片边框的贴合处涂上胶黏剂。然后，放在热压机上在130℃热压8分钟(温度和时间和三元乙丙橡胶的组成、过氧化物硫化剂的种类和用量等有关)，得到膜电极组件。
制备方案2
图3A、图3B分别为同一边框的两侧，即，一体式边框结构包括两部分，一部分为设置燃料流道的第一边框(燃料流道侧)、另一部分为设置氧化剂流道的第二边框(氧化剂流道侧)。膜电极边框是一次模压成形。由于双极板上的气体流路不同，膜电极边框上的入口连接通路和出口连接通路总宽度应与之配合。边框的燃料流道侧至少含有燃料入口3、燃料入口连接通路4、燃料出口连接通路7、燃料出口8。边框的氧化剂流道侧至少含有氧化剂入口13、氧化剂入口连接通路14、氧化剂出口连接通路17、氧化剂出口18。边框两侧的入口连接通路和出口连接通路是由一条或者几条凹进的通路组成。膜电极边框上的入出口流道(燃料入口流道、燃料出口流道、氧化剂入口流道、氧化剂出口流道)和与之配合的双极板的发电区域流道，两侧分别构成燃料和氧化剂的从入口到出口的整个流场。
上述的膜电极组件的制备步骤，具体为：
(1)将设计好的在一侧至少含有燃料入口3、燃料入口连接通路4、燃料出口连接通7路、燃料出口8，另一侧至少含有氧化剂入口13、氧化剂入口连接通路14、氧化剂出口连接通路17、氧化剂出口18的边框，同时考虑膜电极的阳极气体扩散层21、阳极催化层22、质子交换膜23、阴极催化层25、阴极气体扩散层24所占空间，注意一侧的碳纸小，CCM层和另一侧碳纸较大，制作成模具，将固体硅橡胶放入模具中预压成形，得到边框主体。
(2)如图4所示，先在上述制备的边框主体的放置面积稍小的阳极气体扩散层21，然后放置CCM26和阴极气体扩散层24，热压后，膜电极2和边框材料1成为一体，得到膜电极组件。
制备方案3
图5A、图5B分别为同一边框的两侧，即，一体式边框结构包括两部分，一部分为设置燃料流道的第一边框(燃料流道侧)、另一部分为设置氧化剂流道的第二边框(氧化剂流道侧)。膜电极边框为一次性注塑成形。边框的燃料流道侧至少含有燃料入口3、燃料入口连接通路4、燃料入口分配区5、燃料出口汇流区6、燃料出口连接通路7、燃料出口8。边框的氧化剂流道侧至少含有氧化剂入口13、氧化剂入口连接通路14、氧化剂入口分配区15、氧化剂出口汇流区16、氧化剂出口连接通路17、氧化剂出口18。边框两侧的入口连接通路和出口连接通路是由一条或者几条凹进的通路组成，入口分配区和出口汇流区是由多个凸点组成。膜电极边框上的入出口流道(燃料入口流道、燃料出口流道、氧化剂入口流道、氧化剂出口流道)和与之配合的双极板的发电区域流道，两侧分别构成燃料和氧化剂的从入口到出口的整个流场。
上述的膜电极组件的制备步骤，具体为：
(1)将设计好的在一侧至少含有燃料入口3、燃料入口连接通路4、燃料入口分配区5、燃料出口汇流区6、燃料出口连接通7路、燃料出口8，另一侧至少含有氧化剂入口13、氧化剂入口连接通路14、氧化剂入口分配区15、氧化剂出口汇流区16、氧化剂出口连接通路17、氧化剂出口18的边框，同时考虑膜电极的阳极气体扩散层21、阳极催化层22、质子交换膜23、阴极催化层25、阴极气体扩散层24所占空间，制作成模具。
(2)将膜电极2定位放置在模具中，注射入液态硅橡胶或者熔融的热塑性的PEN，如图6所示，注射入的液态有机高分子渗透入膜电极(形成渗透层27)的碳纸多孔层，冷却后有机高分子边框1和膜电极2紧紧地在一起，得到膜电极组件。
实施例7
再一方面，本实施例提供一种燃料电池，本实施例中的燃料电池包括：膜电极组件和双极板。其中，膜电极组件为实施例6所述的膜电极组件；双极板上设置有发电区域；其中，膜电极组件上的燃料流道和氧化剂流道分别与发电区域连通(具体地，双极板包括阳极单板和阴极单板；燃料流道与阳极单板上的发电区域连通，氧化剂流道与阴极单板上的发电区域连通)。
综上，本发明实施例提供的一种膜电极边框、膜电极组件及其制备方法以及燃料电池通过将燃料流道、氧化剂流道设置在封装膜电极的膜电极边框上，不仅能克服将燃料流道、氧化剂流道设置在双极板上存在的加工耗时长、以及导致双极板两侧不同流体的流道不能同时满足需求的问题；而且还使得膜电极的燃料侧和氧化剂侧都能形成所需的互不干涉的流场；此外，能够很容易地优化燃料和氧化剂的流场，使得在发电区域的气体流量分布均匀。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种膜电极边框，其特征在于，所述膜电极边框包括：
边框主体，所述边框主体上设置有用于连通发电区域的燃料流道和氧化剂流道；
其中，当所述边框主体封装在膜电极上时：所述边框主体具有相对设置的第一侧和第二侧，所述燃料流道位于所述边框主体的第一侧上、所述氧化剂流道位于所述边框主体的第二侧上。
2.根据权利要求1所述的膜电极边框，其特征在于，所述边框主体包括：
第一边框，所述燃料流道设置在所述第一边框上；
第二边框，所述氧化剂流道设置在所述第二边框上；
其中，所述第一边框和第二边框为分体式结构；或
所述第一边框和第二边框为一体式边框结构；优选的，所述第一边框靠近所述一体式边框结构的一端设置，所述第二边框靠近所述一体式边框结构的另一端设置。
3.根据权利要求1所述的膜电极边框，其特征在于，所述燃料流道包括燃料入口流道和燃料出口流道；其中，所述燃料入口流道和燃料出口流道分别与发电区域连通；
优选的，所述燃料入口流道包括燃料入口和至少一条燃料入口连接通路；其中，所述燃料入口连接通路的一端与燃料入口连通，另一端用于连通发电区域；进一步优选的，所述燃料入口流道还包括燃料入口分配区；其中，所述燃料入口连接通路和发电区域之间通过所述燃料入口分配区连通；进一步优选的，所述燃料入口连接通路为设置在所述边框主体上的凹进的通道；进一步优选的，所述燃料入口分配区包括设置在所述边框主体上的多个凸点；
优选的，所述燃料出口流道包括燃料出口和至少一条燃料出口连接通路；其中，所述燃料出口连接通路的一端与燃料出口连通，另一端用于连通发电区域；进一步优选的，所述燃料出口流道还包括燃料出口汇流区；其中，所述燃料出口连接通路和发电区域之间通过所述燃料出口汇流区连通；进一步优选的，所述燃料出口连接通路为设置在所述边框主体上的凹进的通道；进一步优选的，所述燃料出口汇流区包括设置在所述边框主体上的多个凸点。
4.根据权利要求1所述的膜电极边框，其特征在于，所述氧化剂流道包括氧化剂入口流道和氧化剂出口流道；其中，所述氧化剂入口流道和氧化剂出口流道分别与发电区域连通；
优选的，所述氧化剂入口流道包括氧化剂入口和至少一条氧化剂入口连接通路；其中，所述氧化剂入口连接通路的一端与氧化剂入口连通，另一端用于连通发电区域；进一步优选的，所述氧化剂入口流道还包括氧化剂入口分配区；其中，所述氧化剂入口连接通路和发电区域之间通过所述氧化剂入口分配区连通；进一步优选的，所述氧化剂入口连接通路为设置在所述边框主体上的凹进的通道；进一步优选的，所述氧化剂入口分配区包括设置在所述边框主体上的多个凸点；
优选的，所述氧化剂出口流道包括氧化剂出口和至少一条氧化剂出口连接通路；其中，所述氧化剂出口连接通路的一端与氧化剂出口连通，另一端用于连通发电区域；进一步优选的，所述氧化剂出口流道还包括氧化剂出口汇流区；其中，所述氧化剂出口连接通路和发电区域之间通过所述氧化剂出口汇流区连通；进一步优选的，所述氧化剂出口连接通路为设置在所述边框主体上的凹进的通道；进一步优选的，所述氧化剂出口汇流区包括设置在所述边框主体上的多个凸点。
5.根据权利要求1所述的膜电极边框，其特征在于，所述边框主体的材质为有机高分子材料；
优选的，所述边框主体的材质选用热固性弹性体材料或热塑性弹性体材料；进一步优选的，所述热固性弹性材料为硅橡胶或三元乙丙橡胶；进一步优选的，所述热塑性弹性材料为PEN、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺中的任一种。
6.根据权利要求1-5任一项所述的膜电极边框，其特征在于，
所述边框主体上还设置有冷却液入口、冷却液出口。
7.权利要求1-6任一项所述的膜电极边框的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用模压的方法成型出设置有燃料流道和氧化剂流道的边框主体；或采用注塑的方法直接在膜电极上成型出封装所述膜电极、且设置有燃料流道和氧化剂流道的边框主体；
优选的，采用模压的方式成型出的边框主体包括设置有燃料流道的第一边框和设置有氧化剂流道的第二边框；
进一步优选的，所述第一边框和第二边框为分体式结构；或第一边框和第二边框为一体式边框结构。
8.一种膜电极组件，其特征在于，所述膜电极组件包括：
膜电极；
膜电极边框，所述膜电极边框封装所述膜电极；其中，所述膜电极边框为权利要求1-6任一项所述的膜电极边框。
9.权利要求8所述的膜电极组件的制备方法，包括如下步骤：
先制备出膜电极边框的边框主体、再将所述边框主体封装在所述膜电极上，得到膜电极组件；优选的，采用模压的方法成型出设置有燃料流道和氧化剂流道的边框主体；或
采用注塑的方式在膜电极上成型出封装所述膜电极、且设置有燃料流道和氧化剂流道的边框主体，使所述边框主体与膜电极形成一体式结构；优选的，将膜电极固定在注塑模具中，然后注入边框主体的原料，冷却后，得到膜电极组件。
10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括：
膜电极组件，所述膜电极组件为权利要求8所述的膜电极组件；
双极板，所述双极板上设置有发电区域；
其中，所述膜电极组件上的燃料流道和氧化剂流道分别与所述发电区域连通。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200703 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |