CN114695931A - 膜电极组件和质子交换膜燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种膜电极组件和质子交换膜燃料电池，涉及燃料电池技术领域，其中的膜电极组件中，膜电极阴阳两极边框分设于催化剂涂层膜的两侧，阴极或阳极区域内，边框包围气体扩散层，边框的内侧边缘的形状与极板上边缘处的第一条蜿蜒流道的形状相同，且以极板边缘处的第一条蜿蜒流道两侧的两条脊中，靠近极板边缘处的一条脊为极板外侧脊，另一条脊为极板内侧脊，则装配状态下，边框的内侧边缘与极板外侧脊的内侧边缘重合。质子交换膜燃料电池包括前述膜电极组件。本发明缓解了现有技术中蜿蜒流道双极板燃料电池中，膜电极边框内边缘形状为直线型，而内侧脊和外侧脊的宽度不同，导致气体分配不均匀，影响燃料电池的性能和寿命的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种膜电极组件和质子交换膜燃料电池。
背景技术
燃料电池是将氢气和氧气的化学能通过电化学反应的方式直接转换为电能的能量转换装置。具有能量转化效率高、零排放、工作噪声低、使用寿命长等优点，可被广泛应用在交通、航天、便携式电源及备用电源等领域。
质子交换膜燃料电池由阳极板、膜电极组件、边框、阴极板组成，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电化学反应产生的电子在外电路定向移动产生电能。膜电极活化区包含质子交换膜、阴/阳极电催化层和气体扩散层，是燃料电池发生电化学反应的场所。双极板活化区的作用主要是：传输反应气体，导电和导热，其中反应气体流场设计要求流场板能够均匀分配燃料与氧化剂，均匀分布电流密度，并且能够使反应生成的水顺利排出。双极板对于单个质子交换膜燃料电池而言，理论的极限电压为1.23V，在一定的工作负载下，其输出电压在0.5-1V。在实际应用中，往往需要将多个单燃料电池串联成堆才能满足用户的需求；燃料电池堆是由多个单燃料电池以串联的形式层叠组合而成，其中每一片单燃料电池性能的好坏直接影响整个电堆的性能发挥，而反应气体在流道中分配的均匀性影响每一片单燃料电池的性能，因此保证反应气体均匀分配在每条流道中至关重要。
对于蜿蜒流道双极板来说，极板边缘处的第一条气体流道，其两侧的脊宽不同，靠近边缘处的脊宽大于另一侧的脊宽，以极板边缘处的第一条蜿蜒流道两侧的两条脊中，靠近极板边缘处的一条脊为外侧脊，另一条脊为内侧脊，则：膜电极和蜿蜒流道双极板匹配时，当反应气体进入到第一条流道中，由于传统膜电极边框接触极板的边框内边缘形状为直线型，而内侧脊和外侧脊的宽度不同，导致气体分配不均匀，具体的：外侧脊分配到的反应气体量大于内侧脊所分配到的反应气体量，从而影响膜电极总成上涂有催化剂涂层的质子交换膜(下称催化剂涂层膜)的反应，影响燃料电池的性能和寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种膜电极组件和质子交换膜燃料电池，以缓解现有技术中采用蜿蜒流道双极板的燃料电池中，传统膜电极边框接触极板的内边缘形状为直线型，而内侧脊和外侧脊的宽度不同，导致气体分配不均匀，影响燃料电池的性能和寿命的技术问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种膜电极组件，该膜电极组件应用于采用蜿蜒流道双极板的燃料电池，包括阳极边框、催化剂涂层膜、阴极边框、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层；
沿所述膜电极组件的厚度方向：所述阳极边框和所述阴极边框分设于所述催化剂涂层膜的两侧；所述阳极气体扩散层设置于所述催化剂涂层膜的设置有所述阳极边框的一侧，所述阴极气体扩散层设置于所述催化剂涂层膜的另一侧；沿垂直于所述膜电极组件的厚度的方向：所述阳极边框包围所述阳极气体扩散层；所述阴极边框包围所述阴极气体扩散层；其中：
所述阳极边框的内侧边缘的形状与阳极板上边缘处的第一条蜿蜒流道的形状相同，且以阳极板边缘处的第一条蜿蜒流道两侧的两条脊中，靠近阳极板边缘处的一条脊为阳极板外侧脊，另一条脊为阳极板内侧脊，则：装配状态下，所述阳极边框的内侧边缘与所述阳极板外侧脊的内侧边缘重合；
所述阴极边框的内侧边缘的形状与阴极板上边缘处的第一条蜿蜒流道的形状相同，且以阴极板边缘处的第一条蜿蜒流道两侧的两条脊中，靠近阴极板边缘处的一条脊为阴极板外侧脊，另一条脊为阴极板内侧脊，则：装配状态下，所述阴极边框的内侧边缘与所述阴极板外侧脊的内侧边缘重合。
在可选的实施方式中，所述阳极边框包括阳极外层边框和阳极内层边框，所述阴极边框包括阴极外层边框和阴极内层边框；
沿所述膜电极组件的厚度方向：所述阳极外层边框设置于所述阳极内层边框的远离所述催化剂涂层膜的一侧；所述阴极外层边框设置于所述阴极内层边框的远离所述催化剂涂层膜的一侧；沿垂直于所述膜电极组件的厚度的方向：所述阳极外层边框和所述阳极内层边框均包围所述阳极气体扩散层；所述阴极外层边框和所述阴极内层边框均包围所述阴极气体扩散层；其中：
所述阳极内层边框的内侧边缘的形状与阳极板上边缘处的第一条蜿蜒流道的形状相同，且装配状态下，所述阳极内层边框的内侧边缘与所述阳极板外侧脊的内侧边缘重合，所述阳极外层边框的内侧边缘与所述阳极板外侧脊的外侧边缘重合；所述阴极内层边框的内侧边缘的形状与阴极板上边缘处的第一条蜿蜒流道的形状相同，且装配状态下，所述阴极内层边框的内侧边缘与所述阴极板外侧脊的内侧边缘重合，所述阴极外层边框的内侧边缘与所述阴极板外侧脊的外侧边缘重合。
在可选的实施方式中，沿所述膜电极组件的厚度方向：所述阳极气体扩散层粘接于所述阳极内层边框的远离所述催化剂涂层膜的一侧表面，所述阴极气体扩散层粘接于所述阴极内层边框的远离所述催化剂涂层膜的一侧表面；
沿垂直于所述膜电极组件的厚度的方向：所述阳极气体扩散层粘接于所述阳极内层边框的内侧表面且与所述阳极外层边框的内侧表面接触，所述阴极气体扩散层粘接于所述阴极内层边框的内侧表面且与所述阴极外层边框的内侧表面接触。
在可选的实施方式中，所述阳极外层边框和所述阳极内层边框为一体式结构，所述阳极外层边框的内边缘连接于所述阳极内层边框的外边缘；所述阴极外层边框和所述阴极内层边框为一体式结构，所述阴极外层边框的内边缘连接于所述阴极内层边框的外边缘。
在可选的实施方式中，所述阳极外层边框和所述阳极内层边框为分体结构，且所述阴极外层边框和所述阴极内层边框为分体结构。
在可选的实施方式中，在所述阳极外层边框的边部和所述阴极外层边框的边部均设置有空气歧管口、冷却液歧管口和燃料气歧管口。
在可选的实施方式中，在所述阳极外层边框的边部和所述阴极外层边框的边部均设置有膜电极定位孔。
在可选的实施方式中，在所述阳极内层边框的边部和所述阴极内层边框的边部均设置有空气歧管口、冷却液歧管口和燃料气歧管口；在所述阳极内层边框的边部和所述阴极内层边框的边部均设置有膜电极定位孔。
第二方面，本发明实施例提供一种质子交换膜燃料电池，包括采用蜿蜒流道的阴极板、采用蜿蜒流道的阳极板和前述实施方式中任一项所述的膜电极组件；其中，沿所述膜电极组件的厚度方向：
所述阳极板固定于所述阳极边框的远离所述催化剂涂层膜的一侧；所述阳极边框的内侧边缘与所述阳极板外侧脊的内侧边缘重合；
所述阴极板固定于所述阴极边框的远离所述催化剂涂层膜的一侧；所述阴极边框的内侧边缘与所述阴极板外侧脊的内侧边缘重合。
在可选的实施方式中，所述阳极边框的边部通过密封胶线密封连接于所述阳极板，所述阴极边框的边部通过密封胶线密封连接于所述阴极板。
本发明实施例能够实现如下有益效果：
第一方面，本发明实施例提供一种膜电极组件，该膜电极组件应用于采用蜿蜒流道双极板的燃料电池，包括阳极边框、催化剂涂层膜、阴极边框、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层；
沿膜电极组件的厚度方向：阳极边框和阴极边框分设于催化剂涂层膜的两侧；阳极气体扩散层设置于催化剂涂层膜的设置有阳极边框的一侧，阴极气体扩散层设置于催化剂涂层膜的另一侧；沿垂直于膜电极组件的厚度的方向：阳极边框包围阳极气体扩散层；阴极边框包围阴极气体扩散层；其中：
阳极边框的内侧边缘的形状与阳极板上边缘处的第一条蜿蜒流道的形状相同，且以阳极板边缘处的第一条蜿蜒流道两侧的两条脊中，靠近阳极板边缘处的一条脊为阳极板外侧脊，另一条脊为阳极板内侧脊，则：装配状态下，阳极边框的内侧边缘与阳极板外侧脊的内侧边缘重合；
阴极边框的内侧边缘的形状与阴极板上边缘处的第一条蜿蜒流道的形状相同，且以阴极板边缘处的第一条蜿蜒流道两侧的两条脊中，靠近阴极板边缘处的一条脊为阴极板外侧脊，另一条脊为阴极板内侧脊，则：装配状态下，阴极边框的内侧边缘与阴极板外侧脊的内侧边缘重合。
在质子交换膜燃料电池中，气体扩散层(Gas Diffusion Layer，简称GDL)主要作用是为参与反应的气体和生成的水提供传输通道、支撑催化剂，GDL由基底层和微孔层组成，其中基底层材料大多是多孔炭纸或碳布，微孔层通常由导电炭黑和憎水剂构成。
采用本实施例提供的膜电极组件装配成的燃料电池中，与现有技术相比，由膜电极边框遮挡阴极板或阳极板上的外侧脊，使阴极板或阳极板上的外侧脊与膜电极组件接触的部位不再是GDL或者催化剂涂层膜，而是膜电极边框，从而，当反应气体进入到第一条蜿蜒流道中，由于靠近极板上的外侧脊不与GDL或催化剂涂层膜接触而直接与膜电极边框接触，所以不会出现反应气体向外侧脊扩散的情况，即不会出现气体分配不均匀的情况。
综上，本实施例缓解了现有技术中，采用蜿蜒流道双极板的燃料电池中，传统膜电极边框接触极板的内边缘形状为直线型，而内侧脊和外侧脊的宽度不同，导致气体分配不均匀，具体的：外侧脊分配到的反应气体量大于内侧脊所分配到的反应气体量，从而影响膜电极总成上涂有催化剂涂层的质子交换膜的反应，影响燃料电池的性能和寿命的技术问题。
本发明实施例的第二方面还提供一种质子交换膜燃料电池，包括采用蜿蜒流道的阴极板、采用蜿蜒流道的阳极板和前述实施方式中任一项的膜电极组件；其中，沿膜电极组件的厚度方向：阳极板固定于阳极边框的远离催化剂涂层膜的一侧；阳极边框的内侧边缘与阳极板外侧脊的内侧边缘重合；阴极板固定于阴极边框的远离催化剂涂层膜的一侧；阴极边框的内侧边缘与阴极板外侧脊的内侧边缘重合。
由于本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池包括第一方面提供的膜电极组件，因而，本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池能够达到第一方面提供的膜电极组件能够达到的所有有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为采用蜿蜒流道的阳极板或阴极板的俯视图；
图2为本发明实施例提供的膜电极组件的以阳极侧为上阴极侧为下的俯视图；
图3为图2示出的膜电极组件的厚度方向上的剖视图；
图4为本实施例中，膜电极组件阴极或阳极外层边框与内层边框为分体结构情况下，阳极内层边框或阴极内层边框的俯视图；
图5为本实施例中，膜电极组件阴极或阳极外层边框与内层边框为分体结构情况下，阳极外层边框或阴极外层边框的俯视图。
图标：101-空气歧管口；102-冷却液歧管口；103-燃料气歧管口；104-膜电极定位孔；105-极板定位孔；1-阳极边框；11-阳极外层边框；12-阳极内层边框；2-催化剂涂层膜；3-阴极边框；31-阴极外层边框；32-阴极内层边框；4-阳极气体扩散层；5-阴极气体扩散层；100-第一条蜿蜒流道；110-阳极板外侧脊；120-阳极板内侧脊；130-阴极板外侧脊；140-阴极板内侧脊。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例提供一种膜电极组件，参照图2和图3，结合图1，该膜电极组件应用于采用蜿蜒流道双极板的燃料电池，包括阳极边框1、催化剂涂层膜2、阴极边框3、阳极气体扩散层4和阴极气体扩散层5。
具体地，沿膜电极组件的厚度方向：阳极边框1和阴极边框3分设于催化剂涂层膜2的两侧；阳极气体扩散层4设置于催化剂涂层膜2的设置有阳极边框1的一侧，阴极气体扩散层5设置于催化剂涂层膜2的另一侧。
沿垂直于膜电极组件的厚度的方向：阳极边框1包围阳极气体扩散层4；阴极边框3包围阴极气体扩散层5；其中：阳极边框1的内侧边缘的形状与阳极板上边缘处的第一条蜿蜒流道100的形状相同，且以阳极板边缘处的第一条蜿蜒流道100两侧的两条脊中，靠近阳极板边缘处的一条脊为阳极板外侧脊110，另一条脊为阳极板内侧脊120，则：装配状态下，阳极边框1的内侧边缘与阳极板外侧脊110的内侧边缘重合；阴极边框3的内侧边缘的形状与阴极板上边缘处的第一条蜿蜒流道100的形状相同，且以阴极板边缘处的第一条蜿蜒流道100两侧的两条脊中，靠近阴极板边缘处的一条脊为阴极板外侧脊130，另一条脊为阴极板内侧脊140，则：装配状态下，阴极边框3的内侧边缘与阴极板外侧脊130的内侧边缘重合。
在质子交换膜燃料电池中，气体扩散层(Gas Diffusion Layer，简称GDL)主要作用是为参与反应的气体和生成的水提供传输通道、支撑催化剂，GDL由基底层和微孔层组成，其中基底层材料大多是多孔炭纸或碳布，微孔层通常由导电炭黑和憎水剂构成。
采用本实施例提供的膜电极组件装配成的燃料电池中，与现有技术相比，由膜电极边框遮挡阴极板或阳极板上的外侧脊，使阴极板或阳极板上的外侧脊与膜电极组件接触的部位不再是GDL或者催化剂涂层膜，而是膜电极边框，从而，当反应气体进入到第一条蜿蜒流道100中，由于靠近极板上的外侧脊不与GDL或催化剂涂层膜接触而直接与膜电极边框接触，所以不会出现反应气体向外侧脊扩散的情况，即不会出现气体分配不均匀的情况。
综上，本实施例缓解了现有技术中，采用蜿蜒流道双极板的燃料电池中，传统膜电极边框接触极板的内边缘形状为直线型，而内侧脊和外侧脊的宽度不同，导致气体分配不均匀，具体的：外侧脊分配到的反应气体量大于内侧脊所分配到的反应气体量，从而影响膜电极总成上涂有催化剂涂层的质子交换膜的反应，影响燃料电池的性能和寿命的技术问题。
继续参照图2和图3，本实施例中，阳极边框1包括阳极外层边框11和阳极内层边框12，阴极边框3包括阴极外层边框31和阴极内层边框32。
沿膜电极组件的厚度方向：阳极外层边框11设置于阳极内层边框12的远离催化剂涂层膜2的一侧；阴极外层边框31设置于阴极内层边框32的远离催化剂涂层膜2的一侧。
沿垂直于膜电极组件的厚度的方向：阳极外层边框11和阳极内层边框12均包围阳极气体扩散层4；阴极外层边框31和阴极内层边框32均包围阴极气体扩散层5；其中：阳极内层边框12的内侧边缘的形状与阳极板上边缘处的第一条蜿蜒流道100的形状相同，且装配状态下，阳极内层边框12的内侧边缘与阳极板外侧脊110的内侧边缘重合，阳极外层边框11的内侧边缘与阳极板外侧脊110的外侧边缘重合；阴极内层边框32的内侧边缘的形状与阴极板上边缘处的第一条蜿蜒流道100的形状相同，且装配状态下，阴极内层边框32的内侧边缘与阴极板外侧脊130的内侧边缘重合，阴极外层边框31的内侧边缘与阴极板外侧脊130的外侧边缘重合。
其中，为便于装配，较佳地，沿膜电极组件的厚度方向：阳极气体扩散层4粘接于阳极内层边框12的远离催化剂涂层膜2的一侧表面，阴极气体扩散层5粘接于阴极内层边框32的远离催化剂涂层膜2的一侧表面。沿垂直于膜电极组件的厚度的方向：阳极气体扩散层4粘接于阳极内层边框12的内侧表面且与阳极外层边框11的内侧表面接触，阴极气体扩散层5粘接于阴极内层边框32的内侧表面且与阴极外层边框31的内侧表面接触。
在本实施例的一些可选实施方式中，阳极外层边框11和阳极内层边框12为一体式结构，阳极外层边框11的内边缘连接于阳极内层边框12的外边缘；阴极外层边框31和阴极内层边框32为一体式结构，阴极外层边框31的内边缘连接于阴极内层边框32的外边缘。在本实施例的一些可选实施方式中，阳极外层边框11和阳极内层边框12为分体结构，且阴极外层边框31和阴极内层边框32为分体结构。
参照图4和图5，无论上述一体式结构还是上述分体式结构，在阳极外层边框11的边部和阴极外层边框31的边部均设置有空气歧管口101、冷却液歧管口102和燃料气歧管口103；作为将膜电极组件与双极板进行安装的安装结构，较佳地，在阳极外层边框11的边部和阴极外层边框31的边部均设置有膜电极定位孔104，对应的，如图1所示，在阳极板或阴极板的边部设置与膜电极定位孔104对应的极板定位孔105。
为提高膜电极组件整体的强度和膜电极边框的密封性，从而保证燃料电池具有良好性能且具有较长使用寿命，本实施例中，优选采用上述分体结构设置阳极外层边框11和阳极内层边框12以及阴极外层边框31和阴极内层边框32；进一步地，参照图4，在阳极内层边框12的边部和阴极内层边框32的边部均设置有空气歧管口101、冷却液歧管口102和燃料气歧管口103；参照图5，在阳极内层边框12的边部和阴极内层边框32的边部均设置有膜电极定位孔104。
实施例二
本实施例提供一种质子交换膜燃料电池，该质子交换膜燃料电池包括采用蜿蜒流道的阴极板、采用蜿蜒流道的阳极板和实施例一中任一可选实施方式提供的膜电极组件。
其中，沿膜电极组件的厚度方向：阳极板固定于阳极边框1的远离催化剂涂层膜2的一侧；阳极边框1的内侧边缘与阳极板外侧脊110的内侧边缘重合；阴极板固定于阴极边框3的远离催化剂涂层膜2的一侧；阴极边框3的内侧边缘与阴极板外侧脊130的内侧边缘重合。
本实施例可选的实施方式中，阳极边框1的边部通过密封胶线密封连接于阳极板，阴极边框3的边部通过密封胶线密封连接于阴极板。
由于本实施例提供的质子交换膜燃料电池包括实施例一中描述的膜电极组件，因而，本实施例提供的质子交换膜燃料电池能够达到实施例一中膜电极组件能够达到的所有有益效果，其具体结构和能够达到的效果可参考实施例一中各可选或优选的实施方式获得。
最后应说明的是：本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可；本说明书中的以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种膜电极组件，应用于采用蜿蜒流道双极板的燃料电池，其特征在于，
包括阳极边框(1)、催化剂涂层膜(2)、阴极边框(3)、阳极气体扩散层(4)和阴极气体扩散层(5)；
沿所述膜电极组件的厚度方向：所述阳极边框(1)和所述阴极边框(3)分设于所述催化剂涂层膜(2)的两侧；所述阳极气体扩散层(4)设置于所述催化剂涂层膜(2)的设置有所述阳极边框(1)的一侧，所述阴极气体扩散层(5)设置于所述催化剂涂层膜(2)的另一侧；沿垂直于所述膜电极组件的厚度的方向：所述阳极边框(1)包围所述阳极气体扩散层(4)；所述阴极边框(3)包围所述阴极气体扩散层(5)；其中：
所述阳极边框(1)的内侧边缘的形状与阳极板上边缘处的第一条蜿蜒流道(100)的形状相同，且以阳极板边缘处的第一条蜿蜒流道(100)两侧的两条脊中，靠近阳极板边缘处的一条脊为阳极板外侧脊(110)，另一条脊为阳极板内侧脊(120)，则：装配状态下，所述阳极边框(1)的内侧边缘与所述阳极板外侧脊(110)的内侧边缘重合；
所述阴极边框(3)的内侧边缘的形状与阴极板上边缘处的第一条蜿蜒流道(100)的形状相同，且以阴极板边缘处的第一条蜿蜒流道(100)两侧的两条脊中，靠近阴极板边缘处的一条脊为阴极板外侧脊(130)，另一条脊为阴极板内侧脊(140)，则：装配状态下，所述阴极边框(3)的内侧边缘与所述阴极板外侧脊(130)的内侧边缘重合。
2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，
所述阳极边框(1)包括阳极外层边框(11)和阳极内层边框(12)，所述阴极边框(3)包括阴极外层边框(31)和阴极内层边框(32)；
沿所述膜电极组件的厚度方向：所述阳极外层边框(11)设置于所述阳极内层边框(12)的远离所述催化剂涂层膜(2)的一侧；所述阴极外层边框(31)设置于所述阴极内层边框(32)的远离所述催化剂涂层膜(2)的一侧；沿垂直于所述膜电极组件的厚度的方向：所述阳极外层边框(11)和所述阳极内层边框(12)均包围所述阳极气体扩散层(4)；所述阴极外层边框(31)和所述阴极内层边框(32)均包围所述阴极气体扩散层(5)；其中：
所述阳极内层边框(12)的内侧边缘的形状与阳极板上边缘处的第一条蜿蜒流道(100)的形状相同，且装配状态下，所述阳极内层边框(12)的内侧边缘与所述阳极板外侧脊(110)的内侧边缘重合，所述阳极外层边框(11)的内侧边缘与所述阳极板外侧脊(110)的外侧边缘重合；
所述阴极内层边框(32)的内侧边缘的形状与阴极板上边缘处的第一条蜿蜒流道(100)的形状相同，且装配状态下，所述阴极内层边框(32)的内侧边缘与所述阴极板外侧脊(130)的内侧边缘重合，所述阴极外层边框(31)的内侧边缘与所述阴极板外侧脊(130)的外侧边缘重合。
3.根据权利要求2所述的膜电极组件，其特征在于，
沿所述膜电极组件的厚度方向：所述阳极气体扩散层(4)粘接于所述阳极内层边框(12)的远离所述催化剂涂层膜(2)的一侧表面，所述阴极气体扩散层(5)粘接于所述阴极内层边框(32)的远离所述催化剂涂层膜(2)的一侧表面；
沿垂直于所述膜电极组件的厚度的方向：所述阳极气体扩散层(4)粘接于所述阳极内层边框(12)的内侧表面且与所述阳极外层边框(11)的内侧表面接触，所述阴极气体扩散层(5)粘接于所述阴极内层边框(32)的内侧表面且与所述阴极外层边框(31)的内侧表面接触。
4.根据权利要求2所述的膜电极组件，其特征在于，所述阳极外层边框(11)和所述阳极内层边框(12)为一体式结构，所述阳极外层边框(11)的内边缘连接于所述阳极内层边框(12)的外边缘；所述阴极外层边框(31)和所述阴极内层边框(32)为一体式结构，所述阴极外层边框(31)的内边缘连接于所述阴极内层边框(32)的外边缘。
5.根据权利要求2所述的膜电极组件，其特征在于，所述阳极外层边框(11)和所述阳极内层边框(12)为分体结构，且所述阴极外层边框(31)和所述阴极内层边框(32)为分体结构。
6.根据权利要求4或5所述的膜电极组件，其特征在于，在所述阳极外层边框(11)的边部和所述阴极外层边框(31)的边部均设置有空气歧管口(101)、冷却液歧管口(102)和燃料气歧管口(103)。
7.根据权利要求4或5所述的膜电极组件，其特征在于，在所述阳极外层边框(11)的边部和所述阴极外层边框(31)的边部均设置有膜电极定位孔(104)。
8.根据权利要求5所述的膜电极组件，其特征在于，
在所述阳极内层边框(12)的边部和所述阴极内层边框(32)的边部均设置有空气歧管口(101)、冷却液歧管口(102)和燃料气歧管口(103)；
在所述阳极内层边框(12)的边部和所述阴极内层边框(32)的边部均设置有膜电极定位孔(104)。
9.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括采用蜿蜒流道的阴极板、采用蜿蜒流道的阳极板和权利要求1至8中任一项所述的膜电极组件；其中，沿所述膜电极组件的厚度方向：
所述阳极板固定于所述阳极边框(1)的远离所述催化剂涂层膜(2)的一侧；所述阳极边框(1)的内侧边缘与所述阳极板外侧脊(110)的内侧边缘重合；
所述阴极板固定于所述阴极边框(3)的远离所述催化剂涂层膜(2)的一侧；所述阴极边框(3)的内侧边缘与所述阴极板外侧脊(130)的内侧边缘重合。
10.根据权利要求9所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述阳极边框(1)的边部通过密封胶线密封连接于所述阳极板，所述阴极边框(3)的边部通过密封胶线密封连接于所述阴极板。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080038609A1 (en) * | 2004-08-09 | 2008-02-14 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel Cell Having Fuel and Oxidation Gas Channels of Different Cross-Sections |
| DE102016205043A1 (de) * | 2016-03-24 | 2017-09-28 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brennstoffzellenstapel |
| CN210866380U (zh) * | 2019-08-14 | 2020-06-26 | 未势能源科技有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池单体和质子交换膜燃料电池电堆 |
| CN111883797A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-11-03 | 同济大学 | 一种一体化燃料电池单电池及燃料电池电池堆 |
| CN211980786U (zh) * | 2020-05-27 | 2020-11-20 | 未势能源科技有限公司 | 膜电极组件和具有它的燃料单电池 |
-
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080038609A1 (en) * | 2004-08-09 | 2008-02-14 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel Cell Having Fuel and Oxidation Gas Channels of Different Cross-Sections |
| DE102016205043A1 (de) * | 2016-03-24 | 2017-09-28 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brennstoffzellenstapel |
| CN210866380U (zh) * | 2019-08-14 | 2020-06-26 | 未势能源科技有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池单体和质子交换膜燃料电池电堆 |
| CN111883797A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-11-03 | 同济大学 | 一种一体化燃料电池单电池及燃料电池电池堆 |
| CN211980786U (zh) * | 2020-05-27 | 2020-11-20 | 未势能源科技有限公司 | 膜电极组件和具有它的燃料单电池 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117543025A (zh) * | 2024-01-09 | 2024-02-09 | 武汉海亿新能源科技有限公司 | 一种氢燃料电池阳极板脊梯度化设计方法及其结构 |
| CN117543025B (zh) * | 2024-01-09 | 2024-03-29 | 武汉海亿新能源科技有限公司 | 一种氢燃料电池阳极板脊梯度化设计方法及其结构 |
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