CN116670870A - 用于燃料电池堆的气体扩散法 - Google Patents

Abstract

本文公开了管理在阴极和阳极中的一个或多个的活性区域上流体扩散的各方面，各方面包括通过以下步骤在MEA(20)内有效流体分布的方法：用密封垫圈(50)形成流体约束空间，该密封垫圈设置在燃料电池的阳极和阴极中的至少一个上，该垫圈配置有与流体容纳空间流体连通的至少一个入口(140)和穿过垫圈(50)与流体容纳空间流体连通的至少一个出口(145)；插入具有两个端壁和两个侧壁的大致平面的矩形多孔气体扩散层(40)，其被配置为配合形成至少一个入口充气室(186)以及一个出口充气室(188)，入口充气室围绕气体扩散层(40)的至少一个边缘和流体约束空间的环形壁形成，并且，沿着入口充气室(186)的流体流动的阻力与在气体扩散插入件上的流体流动的阻力相平衡，该气体扩散插入件被配置为促使流体在插入件的宽度上大致均匀地传输到被配置为流体连接到出口(145)的出口充气室(188)。

Description

用于燃料电池堆的气体扩散法

相关申请的交叉引用

该PCT申请要求2021年1月11日提交的英国专利序号2100325.6以及2021年1月11日提交的美国临时专利申请序号63/136.067的优先权，其中每篇的公开内容通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开一般涉及用于燃料电池和燃料电池堆的气体扩散。

背景技术

燃料电池是一种通过化学反应产生电的装置。每个燃料电池具有两个电极，分别称为阳极和阴极。产生电的反应发生在电极上。

当排列成彼此相邻的燃料电池堆时，燃料电池具有最大的效用，其中共享歧管和流体燃料进出。

图1图示了传统燃料电池10的主要部件。部件包括MEA“膜电极组件”20，其被配置为具有阳极侧22和阴极侧24以及分别面向阴极和阳极中的每一个的气体扩散层“GDL”。可以提供框架或再成形边缘23以在组装期间提高结构完整性。燃料电池通过传输电子产生电。在阳极侧，催化剂促进电子从氢分裂，从而形成质子和电子。质子穿过MEA并与阴极侧的氧形成水，并且电子在MEA周围流动，产生电。燃料电池的效率与两个过程直接相关。第一，GDL被配置为在阳极和阴极上均匀且扩散地散布流体，以在尽可能多的MEA表面上催化反应。第二，水需要在保水性(保持膜导电性所需)和水释放之间保持平衡，以保持MEA的孔隙打开，从而使氢气和氧气能够扩散到电极中。

在燃料电池堆中，如果堆中的一个或多个电池在标称范围外运行，则堆的效率会发生变化。如果性能变化导致过度使用燃料，则这种使用会导致效率降低。如果单个电池以不同的方式扩散气态流体燃料，并且该差异大于标称变化，则电池的有效面积由于死区而减小，死区导致效率降低。

由单个燃料电池形成燃料电池堆是一个乏味的过程，自动化可以提高效率。然而，在组装过程中，非常轻的部件很容易脱落，导致变化或错位，所有这些都导致了燃料电池部件的上述低效率或甚至泄漏。因此，需要消除这种变化和错位以提高燃料电池堆的效率。

发明内容

本文公开了示例性实施的各方面，其提供了提高的效率并减少了每个燃料电池中气体扩散插入件的移动，从而减少了组件的变化和流体流动的变化。

每个燃料电池由一对隔板封闭。这些隔板与密封垫圈接合以封闭电池，并且可以向电池的部件(例如GDL)提供压缩。在某些情况下，这些隔板是单极的，这意味着给定的板只与一个燃料电池接合，因此所需的隔板数量为每个电池2个。在其他实施方式中，可以使用双极隔板。在这种情况下，隔板在两个相邻电池之间共享，接触第一电池的阳极侧和相邻电池的阴极侧。在使用双极板的布置中，n个燃料电池的布置需要n+1个隔板。本领域技术人员将理解，所描述的发明适用于单极和双极架构。

本文公开了示例性实施的各方面，其通过在气体扩散插入件或层周围形成入口和出口充气室(plenum)来提高效率并减少气体扩散插入件的移动，该充气室有效地引导流体流动通过扩散插入件的较大部分，从而导致至少氢燃料在与其邻近的阳极的较大部分上流动。

本文公开了示例性实施的各方面，其通过在气体扩散插入件或层周围形成入口和出口充气室来提高效率并减少气体扩散插入件的移动，该充气室包括具有有效流体分布的膜电极组件(MEA)，该膜电极组件配置有离子转移膜和与气体扩散组件流体连通的阳极和阴极中的至少一个，气体扩散组件具有形成流体容纳空间的密封垫圈、第一界面、穿过垫圈与流体容纳空间流体连通的至少一个入口、穿过垫圈与流体容纳空间流体连通的至少一个出口、具有两个端壁的大致平面矩形多孔气体扩散插入件(40)，以及两个侧壁，其被配置为装配在流体容纳空间内，并由此第一界面可相对于离子转移膜密封，并且围绕气体扩散插入件的至少一个边缘和空腔的环形壁形成至少一个入口充气室。沿着入口充气室的流体流动的阻力与在气体扩散插入件上的流体流动的阻力平衡，该气体扩散插入物被配置为促使流体在插入件的宽度上大致均匀地传输到被配置为流体连接到出口的出口充气室。

在某些情况下，MEA还包括围绕气体扩散插入件的至少一个边缘和流体容纳空间的环形壁形成的至少一个出口充气室。

在某些情况下，垫圈形成矩形流体容纳空间。在一些情况下，MEA进一步地，入口充气室在GDL的端部和垫圈的入口端部之间。在某些情况下，出口充气室位于GDL的端部和垫圈的出口端部之间。

在某些情况下，流体容纳空间是大体上矩形的，并配置有延伸到流体容纳空间中并将GDL部分密封在密封垫圈上的入口捕获部(catch)。在一些情况下，流体容纳空间是大体上矩形的，并配置有延伸到流体容纳空间中并将GDL部分密封在密封垫圈上的出口捕获部。

本文公开了示例性实施的各方面，其通过在气体扩散插入件或层周围形成入口和出口充气室来提高效率并减少气体扩散插入件的移动，该充气室包括具有有效流体分布的膜电极组件(MEA)，该膜电极组件配置有离子转移膜和与气体扩散组件流体连通的阳极和阴极中的至少一个，气体扩散组件具有形成流体容纳空间的密封垫圈、第一界面、穿过垫圈与流体容纳空间流体连通的至少一个入口、穿过垫圈与流体容纳空间流体连通的至少一个出口、具有两个端壁的大致平面矩形多孔气体扩散插入件(40)，以及两个侧壁，其被配置为装配在流体容纳空间内，并由此第一界面可相对于离子转移膜密封，并且围绕气体扩散插入件的至少一个边缘和空腔的环形壁形成至少一个入口充气室。沿着入口充气室的流体流动的阻力与在气体扩散插入件上的流体流动的阻力平衡，该气体扩散插入物被配置为促使流体在插入件的宽度上大致均匀地传输到被配置为流体连接到出口的出口充气室。

在某些情况下，入口端壁纵槽(gallery)和侧向入口壁纵槽流体连接，形成入口充气室。在一些情况下，出口端壁纵槽和侧向出口壁纵槽流体连接，形成出口充气室。在一些情况下，入口捕获部和出口捕获部协作以在燃料电池堆中从一个电池到另一个电池一致地定位GDL。

在上述示例中的一些情况下，端壁入口纵槽与矩形GDL端壁的比例在约1:1至约1:5、约1:1至约1:4.5、约1:1至约1:4、约1:1至约1:3.5、约1:1至约1:3、约1:1至约1:2.5、约1:1至约1:2、约1:1至约1:1.5和约1:1至约1:0之间。

在上述示例中的一些情况下，端壁出口纵槽与矩形GDL端壁的比例在约1:1至约1:5、约1:1至约1:4.5、约1:1至约1:4、约1:1至约1:3.5、约1:1至约1:3、约1:1至约1:2.5、约1:1至约1:2、约1:1至约1:1.5和约1:1至约1:0之间。

在上述示例中的一些情况下，侧壁入口纵槽与矩形GDL侧壁(256)的比例在约1:1至约1:5、约1:1至约1:4.5、约1:1至约1:4、约1:1至约1:3.5、约1:1至约1:3、约1:1至约1:2.5、约1:1至约1:2、约1:1至约1:1.5和约1:1至约1:0之间。

在上述示例中的一些实例中，侧向出口壁纵槽与矩形GDL侧壁(256)的比例在约1:1至约1:5、约1:1至约1:4.5、约1:1至约1:4、约1:1至约1:3.5、约1:1至约1:3、约1:1至约1:2.5、约1:1至约1:2、约1:1至约1:1.5和约1:1至约1:0之间。

本文公开了在MEA内有效流体分配的方法的各方面，包括用密封垫圈形成流体约束空间，该密封垫圈设置在燃料电池的阳极和阴极中的至少一个上，该垫圈配置有与流体容纳空间流体连通的至少一个入口和穿过垫圈与流体容纳空间流体连通的至少一个出口；插入具有两个端壁和两个侧壁的大致平面的矩形多孔气体扩散层，该气体扩散层被配置为配合形成至少一个入口充气室以及一个出口充气室，入口充气室围绕气体扩散层的至少一个边缘和流体约束空间的环形壁形成；并且，其中沿着入口充气室的流体流动的阻力与在气体扩散插入件上的流体流动的阻力相平衡，该气体扩散插入件被配置为促使流体在插入件的宽度上大致均匀地传输到被配置为流体连接到出口的出口充气室。

附图说明

当结合附图阅读时，可以进一步理解本申请。为了说明主题，在附图中示出了主题的示例性方面；然而，当前公开的附图不一定是按比例的，而是强调说明本发明的原理。在附图中，在不同视图中，相同的附图标记表示相应的部分。

图1显示了典型单极燃料电池的主要部件的侧剖组装图；

图2A显示了根据本公开的方面的燃料电池的侧剖组装图；

图2B显示了根据本公开的方面的燃料电池堆；

图2C显示了图2B的一部分的放大视图；

图3显示了根据本公开的方面的燃料电池阳极侧的俯视图，示出了流体流动；

图4A显示了由垫圈形成的体积的俯视图；

图4B显示了根据本公开的方面的燃料电池阳极侧的部分分解俯视图；

图4C显示了GDL移动时图4A中图的部分分解俯视图的俯视图；

图5显示了根据本公开的方面的燃料电池阳极侧的俯视图，示出了流体流动；

图6显示了根据本公开的具有成形垫圈和矩形GDL的示例的各方面；

图7和图8显示了矩形密封垫圈中矩形GDL的示例的各方面；和

图9至图14显示了成形密封垫圈中矩形GDL的示例的方面。

现在将参考附图详细描述本公开的示例的附加方面，其中，除非另有规定，否则相同的附图标记通篇指代相同的元件。

具体实施方式

燃料电池是多层夹层件(一般见图1和2A)。图2A至2C显示了配置有阳极和阴极的MEA 20，阳极22和阴极24中的每一个都配置为接收GDL 40和密封垫圈。第一密封垫圈50具有流体入口，并且第二密封垫圈50’具有流体出口。入口和出口被配置为响应于燃料电池和燃料电池堆的控制器(未示出)操作以受控的方式提供流体。一个电池的夹层件在每一侧都配套有导电隔板60，这些导电隔板60也被称为流体流场板，并且由导电、不透流体的材料形成，通过该材料可以进行电接触。一旦形成夹层件，流体容纳空间或体积“V”被构造在MEA的阳极侧和阴极侧的每一侧上，其被配置为保持GDL。

第一界面70形成在阳极22、GDL 40和第一密封垫圈50之间。第二界面75形成在阴极24、GDL 40和第二密封垫圈50之间。

GDL 40是一种多孔扩散器材料，其被配置为帮助从MEA阳极和阴极表面(在某些情况下，其至少一侧上可能具有凹槽或通道)转移以支持跨MEA扩散以及平面内扩散(即，平行于GDL(40)的平面)，从而提供阳极流体在MEA的整个活性阳极表面上的良好传输，以及阴极流体在MEA的阴极表面上上的良好传输。矩形GDL是昂贵GDL材料的最有效和最具成本效益的使用。任何切口或延伸的翼片都会导致昂贵的废品(一般参见授予Benson的美国专利8,323,846)。

当多个燃料电池30被放置成燃料电池堆100时，形成了公共燃料供给歧管120，并形成了公共出口歧管125，其中流体130经由燃料供给歧管120供给到每个燃料电池的入口，并且由未用燃料、产生的水、氮气或其他污染物135组成的排气通过公共出口歧管125移出。图2C显示了堆中几个燃料电池以及燃料供给歧管和出口歧管的放大局部视图。燃料流体被显示为被输送150A至150N到每个燃料电池堆中。排气的移出显示为通过出口歧管135。

通过GDL并在活性阳极上的有效流体流动如图3所示。该图示出了操作的方面，并不旨在作为结构装置的示例。用于阳极垫圈50的流体入口140和流体出口145各自与充气室连通，充气室实质上是围绕GDL40形成的间隙，由此流入燃料电池142的流体作为气流“GF”在阳极表面上迁移，并通过流体出口排出147。

图4A显示了由垫圈形成的体积“V”。图4A和4B显示了燃料电池150阳极侧的俯视图(为了简化图示，移除了导电板)。图4A显示了一种理想状态，其中矩形GDL完全位于由垫圈形成的矩形容器内。然而，理论上可能的不一定实际可行。图4C图示了在运行不良的燃料电池的燃料电池堆中，对燃料电池的削弱影响以及随之而来的对效率的影响。

操作目标是通过GDL将阳极完全均匀地浸入氢气中。如果GDL 40被放置在垫圈50和GDL之间形成的充气室160的中心，则效率应该非常高。图4A和4B显示了以垫圈入口端52为中心的流体入口140和以垫圈出口端54为中心的出口。如果GDL 40与第一侧壁56和第二侧壁58保持等距，则在每个侧壁56/58下方，围绕充气室的流体流动的压力阻力相等，并且使得沿着充气室的侧向流动与GDL的流体流动的阻力平衡。GDL的流动阻力应小于沿着充气室的路径，从而使活性阳极22表面上的扩散最大化，从而避免死区“DZ”，并支持高效率的操作。然而，如图4B所示，如果GDL未设置并保持在与壁相距的预定位置，则充气室的一部分会收缩，不再均匀地供应流体，流体也不会均匀地扩散到GDL中，从而导致一个或多个死区“DZ”，死区是其中沿充气室(或纵槽)向下流动的阻力小于流入GDL的阻力从而导致流体绕过而不流入GDL的区域。我们已经观察到，在组装过程中，堆中燃料电池的一个不小的部分将具有一个或多个旋转的GDL，因此该电池的效率降低。此外，堆中效率低下的燃料电池不仅产生更少的电力，而且需要更多的氢气来净化。这个“最薄弱的环节”会导致燃料损失，而这些燃料被浪费在净化过程中。燃料损失导致能量效率损失。利用带有切口或凸片的复杂GDL配置将GDL定位在充气室中的配置会导致产品成本上升并造成浪费。

图5显示了一个矩形GDL，它最大限度地减少或消除了参考图4B所述的定位变化。在该实施方式中，矩形GDL 40紧密地装配在侧向壁上，每个侧向壁56/58在GDL的侧向壁和垫圈之间形成部分密封区域。边缘之间的紧密配合或过盈配合充分。在堆组装期间GDL材料的一些压缩可以有助于形成这种部分密封。

通常，对于平面燃料电池，MEA 40被制造为夹在电极层之间的薄聚合物层，在任一侧上，分别形成阳极面和阴极面。MEA的面优选地包括由外围区域(或框架(23))围绕的中心活性区域，该外围区域被加强以允许形成进入口和离开口以及其他歧管，降低了对MEA的结构完整性的损坏风险。在这种增强的外围区域中，MEA不太容易受到来自各种应变的损坏，并且比电极的薄活性区域更有效地受到力。在使用这种增强的MEA的情况下，优选的是，充气室位于MEA的增强的外围区域之上，以帮助避免当燃料电池在组装期间被压缩时由于缺乏对MEA的中心活性区域的支撑而可能在MEA中发生结构失效的任何风险。

定位不需要与出口和入口端壁52/54等距。通过将入口140和出口145设置在对角处，流体在更大面积的GDL上流动。入口充气室186形成为与入口140流体连接。出口充气室188形成为与出口145流体连接。然而，尽管这种布置解决了导致堆内燃料电池不均匀运行的可变性问题，但它确实导致了每个电池中的死区“DZ”，这进而降低了效率，如前所述。虽然参考图5描述的实施方式提高了重复放置GDL的能力，但它自身也有一些损失。图6图示了由图5实施方式引起的死区与由图4A和4B实施方式产生的旋转缺陷之间的折衷。

在图6中，形成了入口纵槽或充气室以及出口充气室或纵槽。GDL 40扩散器应在平面下方和平面内均匀扩散。在某些情况下，GDL被形成为具有轴向依赖的渗透性。因此，一个平面内方向上的流体传输速率可以不同于另一个平面方向上的气体传输速率。在这种情况下，扩散器片可以有利地定向，使得在充气室之间或从入口140到GDL片的中心区域的最有效和均匀的气体传输得以实现。在一些情况下，GDL材料可以具有提供这种轴向依赖性的纤维(例如编织垫)的取向，并且纤维可以优选地在跨电池方向上取向，以帮助氢传输到GDL的中心。为了支持GDL材料上的最佳扩散速率，在燃料电池的组装过程中，即当所有堆板被压缩在一起以形成燃料电池组件时，不应显著地压碎或压缩GDL材料。优选地，密封垫圈材料50被选择为比GDL材料更硬(可压缩性更低)。一种非排他性的示例材料是由东丽(Toray)制造的TGP-H级碳纤维纸的气体扩散介质。在一些情况下，垫圈的厚度在100至400微米的范围内，并且GDL的厚度在150至500微米的范围内。在一些情况下，密封垫圈的厚度为225微米，GDL片的厚度为300微米，并且被配置为压缩至少75微米，以在组装时密封电池并在没有显著压缩的情况下将GDL保持在适当位置。在某些情况下，显著压缩是不大于5％的压缩。在某些情况下，显著压缩是不大于10％的压缩。在某些情况下，显著压缩是不大于15％的压缩。在某些情况下，显著压缩是不大于20％的压缩。在一些情况下，显著压缩是指对加压流体流的阻力，其增加了GDL对压力流的阻力，使得压缩导致超过阈值百分比的死区。在某些情况下，该阈值大于2％。在某些情况下，该阈值大于3％。在某些情况下，该阈值大于4％。在某些情况下，该阈值大于5％。在某些情况下，该阈值大于6％。在某些情况下，该阈值大于7％。在某些情况下，该阈值大于8％。在某些情况下，该阈值大于9％。在某些情况下，该阈值大于10％。

尽管GDL是一种多孔材料，配置为在其中提供流体流动和扩散，但它提供了足够的结构，以在其自身和垫圈的内环壁之间形成隔板。图6示出了具有成形密封垫202的燃料电池200，该成形密封垫与矩形GDL 40协作以最小化死区和/或定位矩形GDL。为了公开的目的，密封垫圈具有不间断的环形壁，该环形壁被配置为形成体积“V”。

成形密封垫圈202形成有两个入口台阶壁220A和220B。这些台阶壁在平面内相隔90度定位，并使体积“V”的一部分移位以形成入口捕获部221。在垫圈的相对角部处形成两个出口台阶壁222A和222B。这些台阶壁在平面内相隔约90度定位，并使体积“V”的一部分移位以形成出口捕获部223。在垫圈中形成的捕获部一致且可预测地定位GDL；所述定位被配置为在多个燃料电池上形成基本上相同尺寸的入口和出口充气室，其使用相同尺寸的垫圈和由相同材料形成的相同GDL。从燃料电池到燃料电池的充气室的任何变化将限于当部件被夹在一起时垫圈和/或GDL的变形的变化。我们的经验和测试表明，这种变化可以忽略不计，不会对通过充气室的一致预定流体流动或通过GDL的扩散产生不利影响。

尽管图6图示了与GDL的长度或宽度相比的入口纵槽长度和出口纵槽长度，但该图并不旨在限制纵槽与GDL之比。图7-14图示了我们已经试验过的一些附加实施。提供每一个百分比比例差异的说明将过于繁琐。因此，这些附图并没有设定限制，而是代表了入口和出口纵槽与GDL长度或宽度的比值范围。其选择可取决于构造GDL的材料、纵槽宽度和/或形状或燃料电池的操作条件。本领域技术人员(本领域普通技术人员)将理解的是，本公开的范围是用于限制死区并且在某些情况下限制活性区中的死区并且因此具有一致的高操作效率的对沿纵槽向下的压力的阻力和对跨越GDL的压力的阻力之间的平衡。关于图6-14，这些效率是由矩形GDL的组装简单性和成本效益提供的，这消除了使用成形GDL产生的浪费。

图7和图8图示了密封垫圈中的矩形GDL。图8提供了多个入口和出口。图7中所示的示例性垫圈/GDL组合250具有密封垫圈252，该密封垫圈252是矩形的，没有成形的内部环形壁以捕获配置有两个端壁254和两个侧壁256的矩形GDL。矩形的入口端壁纵槽204对应于入口充气室186，该入口充气室形成为流体连接到入口140，但不延伸到侧向入口壁。在该示例中，出口端壁纵槽208对应于出口充气室188，该出口充气室形成为流体连接到出口145，但不延伸到侧向出口壁。

图8中所示的示例性垫圈/GDL组合260具有密封垫圈262，该密封垫圈262也是矩形的，没有成形的捕获部，并且入口端壁纵槽204对应于入口充气室186，该充气室186流体连接到多个入口140和140’，但不延伸到侧向入口壁。在该示例中，出口端壁纵槽208对应于出口充气室188，该出口充气室188流体连接到多个出口145和145’，但不延伸到侧向出口壁。增加多个入口和出口提供了降低梯度的陡度或形成多个分压梯度中的一种，这些分压梯度共同作用以促使流体均匀地扩散通过GDL。

图9和图10图示了入口和出口充气室，其具有比图6所示的更短的侧向入口壁纵槽206和更短的出口侧壁纵槽210。图9和图10所示的图示具有改进的定位稳定性。图9中所示的示例性垫圈/GDL形成充气室265提供了成形的密封垫圈267，该密封垫圈267具有在平面内相隔90度的台阶壁，并使体积“V”的一部分移位以形成入口捕获部221。在成形的密封件的相对的角部处提供了出口捕获部223。参考图6示例，捕获部起到记录符(describer)的作用。图10与图9的不同之处在于，它提供了多个入口140和140’以及多个出口145和145’。

如图11所示，示例性垫圈/GDL组合275具有密封垫圈277，该密封垫圈277成形有由台阶壁220A和220B形成的入口捕获部221，其捕获并定位GDL 40的角部。在成形的密封垫圈275的对角处，来自出口端壁纵槽208中的一个的一部分的突起224形成直的出口屏障225，其有效地密封抵靠GDL 40并且与入口捕获部协作到x轴和y轴中的一个中的位置。

图12和13公开了锥形入口和出口充气室。图12中所示的示例性垫圈/GDL组合280具有密封垫圈282，密封垫圈282成形有成角度或锥形的入口侧向壁纵槽206和出口侧壁纵槽210。在该示例中，既没有入口端壁纵槽204，也没有出口端壁纵槽206。相反，入口140流体连接到入口侧向壁通道206，并且出口流体连接到出口侧向壁通道208。在这种配置中，矩形GDL在每一端都是正的。

图13所示的示例性垫圈/GDL组合285具有密封垫圈287，该密封垫圈287与成角度或锥形的入口端壁纵槽204、侧向壁纵槽206、出口端壁208和出口侧向壁纵槽210形成充气室。在该示例中，入口供给到端壁和侧向壁纵槽中，形成入口捕获部221以密封矩形GDL的第一角。出口捕获部223形成为密封矩形GDL的从第一角对角定向的第二角。在该示例中，死区可以被最小化。然而，矩形GDL在组装过程中移动的潜力(以及其对堆中燃料电池之间的效率和一致性的影响)高于参考图6-12描述的示例的潜力。然而，在适当的情况和组装控制下，本示例可以在活性区域中具有较小的死区。

图14所示的示例性垫圈/GDL组合290具有形成入口和出口充气室的密封垫圈292。入口140流体连接到入口充气室186，其是从入口端壁纵槽204横跨到两个成角度的侧向壁纵槽206B和206A的流体连接区域。侧向壁纵槽通过延伸的垫圈区域295密封，该延伸的垫圈区域295通常是第一侧向壁56和第二侧向壁58的延伸部分，所述侧向壁密封矩形GDL 40的边缘。出口145流体连接到出口充气室188，该充气室188是从出口端壁纵槽208横跨到两个成角度的侧向壁纵槽210B和210A的流体连接区域。侧向壁纵槽通过延伸的垫圈区域295密封，该延伸的垫圈区域295通常是第一侧向壁56和第二侧向壁58的延伸部分，所述侧向壁密封矩形GDL 40的边缘。

如示例性图所示，在密封垫圈和矩形GDL的环形壁之间形成的入口和/或出口纵槽的比例并非限制性的。

端壁入口纵槽(204)与矩形GDL端壁(254)的比例在约1:1至约1:5、约1:1至约1:4.5、约1:1至约1:4、约1:1至约1:3.5、约1:1至约1:3、约1:1至约1:2.5、约1:1至约1:2、约1:1至约1:1.5和约1:1至约1:0之间。端壁出口纵槽(206)与矩形GDL端壁(254)的比例在约1:1至约1:5、约1:1至约1:4.5、约1:1至约1:4、约1:1至约1:3.5、约1:1至约1:3、约1:1至约1:2.5、约1:1至约1:2、约1:1至约1:1.5和约1:1至约1:0之间。侧向入口壁纵槽(206)与矩形GDL端壁(256)的比例在约1:1至约1:5、约1:1至约1:4.5、约1:1至约1:4、约1:1至约1:3.5、约1:1至约1:3、约1:1至约1:2.5、约1:1至约1:2、约1:1至约1:1.5和约1:1至约1:0之间。侧向出口壁纵槽(210)与矩形GDL侧壁(256)的比例约1:1至约1:5、约1:1至约1:4.5、约1:1至约1:4、约1:1至约1:3.5、约1:1至约1:3、约1:1至约1:2.5、约1:1至约1:2、约1:1至约1:1.5和约1:1至约1:0之间。

应理解的是，上述说明性方面是示例性的，并不相互限制。

虽然已经结合各个附图的各个方面描述了本公开，但本领域技术人员将理解，在不偏离其宽泛的发明概念的情况下，可以对上述方面进行改变。因此，应当理解，本公开不限于所公开的方面，并且其旨在覆盖如权利要求所限定的本公开的精神和范围内的修改。

以上在单独方面的上下文中描述的本公开的特征可以在单个方面中组合提供。相反，在单个方面的上下文中描述的本公开的各种特征也可以单独提供或以任何子组合提供。最后，虽然一个方面可以被描述为一系列步骤的一部分或更一般的结构的一部分，但每个所述步骤本身也可以被认为是独立的方面，可以与其他方面相结合。

除非本文另有说明，否则本文中对数值范围的表述仅旨在作为单独提及落入该范围内的每个单独数值的简写方法，并且每个单独数值都被纳入说明书中，就好像它在本文中单独表述一样。本文描述的所有方法都可以以任何合适的顺序执行，除非本文另有指示或与上下文明显矛盾。

除非另有说明，否则当呈现列表时，应理解该列表的每个单独元素以及该列表的每一个组合都是单独的实施方式。例如，以“A、B或C”表示的实施方式列表应解释为包括实施方式“A”、“B”、“C”、“A或B”、”A或C“、”B或C“或“A、B、或C”。

Claims (9)

1.一种具有有效流体分布的膜电极组件(MEA)，其包括：

离子转移膜(20)；阳极(22)和阴极(24)中的一个；

气体扩散组件，所述气体扩散组件包括：

密封垫圈(50/50’)，其形成具有体积“V”的流体容纳空间；

第一界面(70)；

至少一个入口(140)，其穿过所述垫圈与所述流体容纳空间流体连通；

至少一个出口(145)，其穿过所述垫圈与所述流体容纳空间流体连通；

大致平面的矩形多孔气体扩散层(GDL)(40)，其具有两个端壁和两个侧壁，被配置为装配在所述流体容纳空间内；由此所述第一界面可相对于所述离子转移膜密封；

至少一个入口充气室(186)，其围绕所述GDL的至少一个边缘和所述流体容纳空间的环形壁形成；和

至少一个出口充气室(188)，其围绕所述气体扩散插入件GDL的至少一个边缘和所述流体容纳空间的环形壁形成；

其中入口捕获部(221)和出口捕获部(223)设置在所述垫圈的彼此对角相对的角部处，以定位所述GDL；和

其中每个捕获部具有在与所述GDL的平面内彼此成90度定位的两个台阶壁，

每个捕获部使体积V的一部分移位；和

每个捕获部将所述GDL部分地密封在所述密封垫圈上。

2.根据权利要求1所述的膜电极组件(MEA)，其中所述入口充气室(186)在GDL的端部(254)和所述垫圈的入口端部(52)之间。

3.根据权利要求1所述的膜电极组件(MEA)，其中所述出口充气室(188)在GDL的端部(254)和所述垫圈的出口端部(54)之间。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的膜电极组件(MEA)，其中入口端壁纵槽(204)和侧向入口壁纵槽(206)流体连接，形成所述入口充气室(186)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的膜电极组件(MEA)，其中出口端壁纵槽(208)和侧向出口壁纵槽(210)流体连接，形成所述出口充气室(188)。

6.根据任一项前述权利要求所述的膜电极组件(MEA)，其中端壁入口纵槽与矩形GDL端壁的比例在1:1-1:5、1:1-1:4.5、1:1-1.4、1:1-1:3.5、1:1-1:3、1:1-1:2.5、1:1-1:2、1:1-1:1.5和1:1-1:0之间。

7.根据任一项前述权利要求所述的膜电极组件(MEA)，其中端壁出口纵槽与矩形GDL端壁的比例在1:1-1:5、1:1-1:4.5、1:1-1.4、1:1-1:3.5、1:1-1:3、1:1-1:2.5、1:1-1:2、1:1-1:1.5和1:1-1:0之间。

8.根据任一项前述权利要求所述的膜电极组件(MEA)，其中所述侧向壁入口纵槽与矩形GDL侧壁(256)的比例在1:1-1:5、1:1-1:4.5、1:1-1.4、1:1-1:3.5、1:1-1:3、1:1-1:2.5、1:1-1:2、1:1-1:1.5和1:1-1:0之间。

9.根据任一项前述权利要求所述的膜电极组件(MEA)，其中所述侧向出口壁纵槽与矩形GDL侧壁(256)的比例在1:1-1:5、1:1-1:4.5、1:1-1.4、1:1-1:3.5、1:1-1:3、1:1-1:2.5、1:1-1:2、1:1-1:1.5和1:1-1:0之间。