燃料电池单元及其制造方法、以及燃料电池系统

技术领域

本申请总体上涉及燃料电池技术，且尤其涉及燃料电池单元及其制造方法、以及燃料电池系统。

背景技术

利用燃料与氧化剂的电化学反应发电的燃料电池系统被日益广泛地用来提供电力，尤其是在电动车辆领域中。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种广泛应用的燃料电池系统，其采用氢气为燃料，氧气为氧化剂。在质子交换膜燃料电池运行期间，氢气和空气被分别供给到质子交换膜燃料电池的阳极和阴极。进入阳极的氢分子被阳极的阳极催化层吸附并离化为氢离子和电子，氢离子经由质子交换膜转移到阴极的阴极催化层，电子则通过外电路流向阴极以形成电流。进入阴极的空气中的氧气在阴极通过与氢离子和电子相结合成产物水。只有在质子交换膜上的含水量、且直接影响质子交换膜上的含水量的阳极催化层和阴极催化层上的含水量处于合适的水平时，才能确保良好的质子传导能力和供电效率。

目前已知用于增加在质子交换膜上的含水量的阴极加湿装置，阴极加湿装置用于向即将进入阴极的空气添加水汽，所述水汽就来自于阴极的电化学反应中产生的水，以实现对阴极的电化学反应中产生的水的循环利用。但是，仍需要进一步改进用于增加在质子交换膜上的含水量的手段。

发明内容

本申请旨在提供燃料电池单元及其制造方法、以及燃料电池系统，以至少克服使用阴极加湿装置所带来的以下缺陷：

阴极加湿装置降低了燃料电池系统的体积能量密度；

阴极加湿装置将水汽添加到空气和氢气中会分别增大向质子交换膜燃料电池提供空气和氢气的能耗，从而导致燃料电池系统的能量转换效率降低；

阴极加湿装置的制造成本非常高昂；以及

阴极加湿装置没有考虑到以下技术问题：在质子交换膜燃料电池的工作期间，在阴极的电化学反应更加剧烈且产生更多产物水的部位靠近于阴极出口，所以阴极的靠近于阴极出口的部位易于出现水淹现象而相反地阴极的靠近于阴极入口的部位又易于干涸，造成阴极、尤其阴极催化层、更尤其质子交换膜上的含水量分布不均。

由此，根据本申请的一个方面，提供了一种燃料电池单元，包括：阴极气体扩散层；阴极微孔层，所述阴极微孔层具有直接邻接于所述阴极气体扩散层的第一主表面、相反于所述第一主表面的第二主表面、和在所述第一主表面和所述第二主表面之间的主体；以及直接邻接于所述第二主表面的阴极催化层；其中，所述主体的一部分具有亲水性，而所述主体的其余部分具有疏水性，以及其中，所述主体的所述一部分在所述主体内部沿着所述主体的厚度方向延伸至所述第二主表面，以接触于所述阴极催化层，且所述主体的所述一部分在所述第二主表面上形成分形几何图案，所述主体的所述一部分被配置成在所述燃料电池单元的运行期间在阴极产生水的状态下吸收所述水的至少一部分。

可选地，所述第二主表面包括周边且具有宽度方向，所述周边包括平行于所述宽度方向延伸且相对布置的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边靠近于所述阴极的入口，所述第二侧边靠近于所述阴极的出口，所述分形几何图案在所述第二主表面上分布的面积密度从所述第二侧边朝向所述第一侧边逐渐增加或在所述第二侧边与所述第一侧边之间均匀设置。

可选地，所述分形几何图案包括L-system分形图案和Sierpinski分形图案中的一种。

可选地，所述分形几何图案还包括补充图案，所述补充图案与所述L-system分形图案和所述Sierpinski分形图案中的所述一种的靠近于第二侧边的节段交叉设置，以增加在靠近于第二侧边处的所述分形几何图案的面积密度。

可选地，所述分形几何图案不延伸至所述周边。

可选地，所述阴极气体扩散层的一部分具有亲水性，而所述阴极气体扩散层的其余部分具有疏水性，所述阴极气体扩散层的所述一部分沿着所述厚度方向在第二主表面上的投影至少部分地与所述分形几何图案重合。

可选地，所述主体的所述一部分沿着所述厚度方向不延伸至所述第一主表面，以不接触于所述阴极气体扩散层，或其中，所述主体的所述一部分沿着所述厚度方向延伸至所述第一主表面，以接触于所述阴极气体扩散层。

可选地，所述燃料电池单元还包括相反于所述微孔层地直接邻接于所述阴极气体扩散层的双极板，所述双极板的面向所述阴极气体扩散层的一侧设有阴极流场，所述阴极流场沿着所述厚度方向在所述第二主表面上的投影至少部分地与所述分形几何图案重合。

根据本申请的另一方面，提供了一种燃料电池单元的制造方法，包括以下步骤：提供阴极气体扩散层；提供阴极微孔层，所述阴极微孔层具有直接邻接于所述气体扩散层的第一主表面、相反于所述第一主表面的第二主表面、和在所述第一主表面和所述第二主表面之间的主体；以及提供直接邻接于所述第二主表面的阴极催化层；其中，所述主体的一部分具有亲水性，而所述主体的其余部分具有疏水性，以及其中，所述主体的所述一部分在所述主体内部沿着所述主体的厚度方向延伸至所述第二主表面，以接触于所述阴极催化层，且所述主体的所述一部分在所述第二主表面上形成分形几何图案，所述主体的所述一部分被配置成在所述燃料电池单元的运行期间在阴极产生水的状态下吸收所述水的至少一部分。

可选地，其中，提供阴极微孔层包括以下步骤：将第一掩蔽模板放置在所述阴极气体扩散层上，所述第一掩蔽模板的几何结构与所述主体的所述一部分的几何结构相同；在所述第一掩蔽模板暴露出的所述阴极气体扩散层上涂布具有疏水性的浆料，以形成所述主体的所述其余部分；以及移除所述第一掩蔽模板且将第二掩蔽模板放置在所述主体的所述其余部分上，以掩蔽所述主体的所述其余部分且暴露与所述主体的所述一部分的几何结构对应的空隙，在所述空隙中填充具有亲水性的浆料。

可选地，其中，提供阴极微孔层包括以下步骤：在所述阴极气体扩散层上以第一厚度涂布具有疏水性的第一浆料，以形成所述主体的所述其余部分的第一层；将第一掩蔽模板放置在所述第一层上，所述第一掩蔽模板的几何结构与所述主体的所述一部分的几何结构相同；在所述第一掩蔽模板暴露出的第一层上以第二厚度涂布所述第一浆料，以形成所述主体的所述其余部分的第二层；以及移除所述第一掩蔽模板且将第二掩蔽模板放置在第二层上，以掩蔽所述第二层且暴露与所述主体的所述一部分的几何结构对应的空隙，在所述空隙中填充具有亲水性的第二浆料。

根据本申请的另一方面，提供了一种燃料电池系统，其包括多个电气连接的上述燃料电池单元。

附图说明

下面将结合附图来更彻底地理解并认识本申请的上述和其它方面。应当注意的是，附图仅为示意性的，并非按比例绘制。在附图中：

图1是根据本申请的一个实施方式的燃料电池系统的简化分解图；

图2是根据本申请的一个实施方式的图1的燃料电池系统的其中一个燃料电池单元的示意性剖视图；

图3A和图3B是图2的燃料电池单元的各种阴极微孔层的平面图；

图4是根据本申请的另一实施方式的图1的燃料电池系统的其中一个燃料电池单元的示意性剖视图；以及

图5是根据本申请的一个实施方式的燃料电池单元的制造方法的流程图。

具体实施方式

下面结合示例详细描述本申请的一些可选实施方式。本领域技术人员应理解到的是，这些实施方式仅是示例性的，并不意味着对本申请形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。应理解到，附图中各部件的尺寸、比例关系以及部件的数目均不作为对本申请的限制。因此，在附图中，为了清楚起见，本申请的示例性燃料电池系统及其燃料电池单元的各部件的尺寸可能被夸大。

另外，在下文中，为了简要起见，对于相关领域普通技术人员已知的燃料电池系统及其燃料电池单元的有些部件可能不作详细讨论，但在适当情况下，这些部件应当被视为说明书的一部分。

还应当理解，一个部件“直接邻接于”另一部件意味着所述一个部件与另一部件之间没有其他的部件；而一个部件“邻接于”另一部件意味着所述一个部件与另一部件之间可以有或没有其他的部件。

燃料电池系统、例如质子交换膜燃料电池可以用于车辆中以提供电力，从而驱动车辆电机来提供动力或者使得车载系统执行各种功能。

图1示意性地示出了根据本申请的一个实施方式的燃料电池系统1(以下简称为电池系统)。首先，电池系统1包括多个电气连接的燃料电池单元2(以下简称为电池单元)，每个电池单元2包括膜电极(MEA)和例如由金属、导电塑料和复合材料、或石墨制成的双极板4。

一方面，膜电极包括例如由全氟磺酸离子聚合物制成的质子交换膜6(PEM)(如图2所示)、阴极8、以及阳极10。另一方面，双极板4包括阴极板部11和阳极板部12，阴极板部11用于支撑所述多个电池单元2中的一个电池单元的阴极8，且阳极板部12用于支撑与所述多个电池单元2中的所述一个电池单元相邻的另一个电池单元的阳极10。

具体地，阴极8包括：阴极气体扩散层5(GDL)；直接邻接于阴极气体扩散层5的阴极微孔层7(MPL)；以及相反于阴极气体扩散层5地直接邻接于阴极微孔层7的阴极催化层15(CL)。类似地，阳极10包括：阳极气体扩散层14；直接邻接于阳极气体扩散层14的阳极微孔层9；以及相反于阳极气体扩散层14地直接邻接于阳极微孔层9的阳极催化层16(如图2所示)。

质子交换膜6相反于阴极微孔层7地邻接于阴极催化层15以及相反于阳极微孔层9地邻接于阳极催化层16，以位于阴极8和阳极10之间。一般而言，阴极/阳极催化层15、16可以包括承载在碳粒上且与离聚物混合的细分的催化剂粒子，催化剂粒子通常为以纳米级别分散的铂-钌等。

阴极/阳极气体扩散层5、14用于支撑阴极/阳极催化层15、16、用于传递电化学反应所使用的气体(例如，氢气和含有氧气的空气)、用于传递电化学反应产生的产物(例如，产物水)、以及用于传导电化学反应产生的电流。因此，阴极/阳极气体扩散层5、14需要由多孔导电材料、例如碳纸(或碳布)制成。阴极/阳极气体扩散层5、14的制造方法包括如下步骤：首先，将碳纸(或碳布)多次浸入聚四氟乙烯(PTFE)中，以进行疏水处理；然后，将浸有聚四氟乙烯的碳纸加热，以使聚四氟乙烯烧结。阴极/阳极气体扩散层5、14的厚度可以根据具体应用情况进行选择，例如，在100-500微米之间、例如在200-300微米之间。

由于作为阴极/阳极气体扩散层5、14的碳纸(或碳布)的材料表面凹凸不平，易于产生较高的电阻且不利于阴极/阳极气体扩散层5、14传递气体和产物，为了平整碳纸(或碳布)的材料表面，可以在阴极/阳极气体扩散层5、14上设置阴极/阳极微孔层7、9，阴极/阳极微孔层7、9的制造方法包括在制造阴极/阳极气体扩散层5、14之后，将炭黑与聚四氟乙烯乳液配制成浆料，通过丝网印刷、空气喷涂、静电喷涂、超声喷涂、浸渍涂布、刮涂法、辊压法等方式将所述浆料涂布到碳纸(或碳布)上，从而在阴极/阳极气体扩散层5、14上形成平整的阴极/阳极气体扩散层5、14，以减小阴极/阳极气体扩散层5、14与阴极/阳极催化层15、16之间的接触电阻，改善气体与产物的分配。阴极/阳极微孔层7、9的厚度可以根据具体应用情况进行选择，例如，在5-50微米之间。

一个双极板4的阳极板部12相反于阳极微孔层9地直接邻接于阳极气体扩散层14，所述一个双极板4的阳极板部12的面向阳极气体扩散层14的一侧设有阳极流场(如图1的阳极板部12上的微孔示意性示出)，阳极流场与阳极气体扩散层14一起限定氢气(燃料)通道，以用于引导氢气进入阳极10。

当进入阳极10的氢分子经由阳极气体扩散层14被阳极催化层16吸附并离化为氢离子和电子时，质子交换膜6传导氢离子并且基本上阻挡不同于氢离子的其他物质(例如，氢气和含有氧气的空气)，以使得氢离子经由质子交换膜6转移到阴极8的阴极催化层15，电子则通过外电路流向阴极8以形成电流，空气中的氧气进而在阴极8与氢离子和电子相结合成产物水。在一定条件下，随着温度升高和质子交换膜6上的含水量增加，质子交换膜6传导质子的能力增加。

例如，氢气以例如350bar直至700bar的压力存储在压缩气体存储器18中。来自压缩气体存储器18的氢气通过高压管线20以进入减压器22，减压器22用于将氢气的压力降低至大约10bar至20bar，以进入中压管线24。中压管线24中的氢气进一步进入引射器26，引射器26用于将氢气的压力降低至大约1bar至3bar之间，以通过第一供入管线28从阳极流道的阳极入口进入氢气通道。在流经氢气通道之后，没有在阳极10上进行的电化学反应中消耗的氢气通过第一排放管线30从阳极流道的阳极出口排出，以离开电池单元2。

结合地参考图1和图2，另一个双极板4的阴极板部11相反于阴极微孔层7地直接邻接于阴极气体扩散层5，另一个双极板4的阴极板部11的面向阴极气体扩散层5的一侧设有阴极流场11a，阴极流场11a与阴极气体扩散层5一起限定空气(空气中的氧气作为氧化剂)通道，以用于引导空气进入阴极8。

气体输送装置34(例如，通风机或者空气压缩机)将来自环境的空气通过第二供入管线36从阴极流场11a的阴极入口11b进入空气通道。在流经空气通道之后，空气中的氧气在阴极8与氢离子和电子相结合成的产物水和含有没有在阴极8上被消耗的氧气的空气通过第二排放管线38从阴极流场11a的阴极出口11c排出，以离开电池单元2。

可选地，可以在气体输送装置34处设置阴极加湿装置33，以向即将进入阴极8的空气添加水汽，以直接加湿阴极气体扩散层5，从而在电池单元2处于低湿度的条件下辅助将阴极催化层15和质子交换膜6的含水量维持在适当水平。在这种情况下，来自阴极加湿装置33的水汽也可以与产物水和含有没有在阴极8上被消耗的氧气的空气一起通过第二排放管线38从阴极出口11c排出。例如，所述水汽就来自于产物水，以实现对产物水的循环利用，即，第二排放管线38随后将连通于阴极加湿装置33。

图2示意性地示出了根据本申请的一个实施方式的一个电池单元2的主要部件及其特征。更具体地，阳极微孔层9具有直接邻接于阳极气体扩散层14的第一主表面9a、相反于第一主表面9a的第二主表面9b、和在第一主表面9a和第二主表面9b之间的主体9c。阳极催化层16直接邻接于阳极微孔层9的第二主表面9b。阴极微孔层7具有直接邻接于阴极气体扩散层5的第一主表面7a、相反于第一主表面7a的第二主表面7b、和在第一主表面7a和第二主表面7b之间的主体7c。阴极催化层15直接邻接于阴极微孔层7的第二主表面7b。

可以理解的是，由于阴极气体扩散层5和阴极微孔层7在两者交界处逐渐完成从阴极气体扩散层5至阴极微孔层7的过渡，所以第一主表面7a可以指刚开始过渡至阴极微孔层7且最靠近于阴极气体扩散层5的第一端面。

更具体地，阴极微孔层7的主体7c的一部分具有亲水性且在下文中被称为亲水部分39，而阴极微孔层7的主体7c的其余部分具有疏水性且在下文中被称为疏水部分40。一方面，亲水部分39在主体7c内部沿着主体7c的厚度方向延伸至第二主表面7b，以接触于阴极催化层15，厚度方向也垂直于第一主表面7a和第二主表面7b，且亲水部分39在第二主表面7b上形成分形几何图案(下文将参考图3A和图3B详细描述)。另一方面，疏水部分40中存在可供产物水穿过的众多空隙。当在电池单元2的运行期间在阴极8产生产物水时，亲水部分39借助于毛细作用力吸收产物水的至少一部分，以使得亲水部分39的单位体积内的含水量保持均匀。

在电池单元2的运行期间，在一般情况下，阴极8的电化学反应更加剧烈且产生更多产物水的部位靠近于阴极出口11c，所以阴极8的靠近于阴极出口11c的部位易于含水量较高而出现水淹现象，相反地阴极8的靠近于阴极入口11b的部位又易于含水量较低而干涸；但是，在特别情况下，由于阴极8的靠近于阴极出口11c的部位的温度较高且与阴极8的靠近于阴极入口11b的部位之间的温差较大，造成阴极8的靠近于阴极出口11c的部位所具有的产物水被大量蒸发(即，水蒸汽较多且液态水较少)，因此阴极8的位于阴极入口11b和阴极出口11c之间的中间部位是最湿润的。无论哪种情况，都会造成阴极8、尤其阴极催化层15、更尤其质子交换膜6上的含水量以不利的方式不均匀分布，影响电池单元2的供电效率。亲水部分39的分形几何图案配置可以防止上述情况发生，因为亲水部分39可以在电池单元2处于低湿度的条件下优先于疏水部分40吸收产物水且使得亲水部分39所吸收的产物水在第二主表面7b上以可调节的方式分布，再向阴极催化层15且因此质子交换膜6优化地供给亲水部分39所吸收的产物水。另外，在电池单元2处于高湿度、即高电流密度的条件下，产物水中的过量部分仍然可以通过疏水部分40中的空隙排出。换言之，亲水部分39的分形几何图案配置的主要作用是让产物水从高浓度区域向低浓度区域传输，在上述一般情况下，产物水从阴极8的靠近于阴极出口11c的部位向阴极8的靠近于阴极入口11b的部位返流，而在上述特别情况下，产物水从阴极8的中间部分向阴极8的靠近于阴极出口11c的部位和阴极8的靠近于阴极入口11b的部位扩散。

图3A和图3B示意性地示出了电池单元2的各种阴极微孔层7的平面图，以示出作为示例的两种分形几何图案。

首先，第二主表面7b包括周边且具有宽度方向，所述周边包括平行于宽度方向延伸且相对布置的第一侧边42和第二侧边44、以及垂直于宽度方向延伸且相对布置的第三侧边46和第四侧边48。结合图2可知，第一侧边42靠近于阴极入口11b，而第二侧边44靠近于阴极出口11c，因此，阴极微孔层7的靠近于第一侧边42的部位可能比阴极微孔层7的靠近于第二侧边44的部位更加干燥。

概括而言，分形的概念是法国数学家芒德勃罗在20世纪70年代提出的，原意为不规则、支离破碎等。分形几何学是一门以非规则几何形态为研究对象的几何学，自然界普遍存在的不规则形态都具有分形的特点，分形几何图案从整体上看是处处不规则的，从局部看又会发现，局部形态和整体形态又具有相似性，即：分形几何图案具有自相似性的层次结构，可通过迭代过程产生。分形几何图案的复杂程度以分形几何图案的阶数作为评定标准，阶数越大，分形几何图案的复杂程度越高；反之，阶数越小，分形几何图案的复杂程度越低。理想的分形几何图案可以在有限面积内具有无限长度。当前已经定义多种分形几何图案，包括但不限于L-system分形曲线图案和Sierpinski分形图案等，这些分形几何图案均适于形成在第二主表面7b上。

在图3A中，分形几何图案的示例被示出为L-system分形图案，L-system分形图案的阶数可以根据具体情况设置为一阶或多阶。例如，如图3A所示的二阶L-system分形图案形成这样的树形结构，树形结构的多个一阶树枝图案45b朝向于第一侧边42倾斜、在所述多个一阶树枝图案45b之一的一侧的多个二阶树枝图案45c垂直于宽度方向延伸、以及在所述多个一阶树枝图案45b之一的另一侧的多个二阶树枝图案45d平行于宽度方向延伸，以使得L-system分形图案最大限度地在第二主表面7b上分布。可选地，L-system分形图案在第二主表面7b上分布的面积密度可以从第二侧边44朝向第一侧边42逐渐增加，以使得在阴极微孔层7的靠近于第二侧边44的部位处的产物水的至少一部分可以更多且更快速地转移至阴极微孔层7的靠近于第一侧边42的部位处，从而使得更易于干涸的阴极催化层15且尤其质子交换膜6的靠近于阴极入口11b的部位被及时润湿。替代性地，L-system分形图案在第二主表面7b上分布的面积密度可以在第二侧边44与第一侧边42之间均匀设置，以使得在阴极微孔层7的靠近于第二侧边44的部位处的产物水的至少一部分可以在第二主表面7b上均匀地分布，以将产物水的所述至一部分均匀地供给到阴极催化层15且尤其质子交换膜6。

在一些实施例中，L-system分形图案包括多个节段。可以理解的是，L-system分形图案的面积密度的逐渐增加或均匀设置可以通过在L-system分形图案的靠近于第二侧边44的节段41处设置与所述节段41交叉的树根图案45a、和/或增加或减少树枝图案来实现，除此之外，也可以通过使得树根图案45a、树枝图案的延伸长度和宽度发生变化来实现。例如，树根图案45a作为L-system分形图案的补充图案，可以是三角形的，所述三角形的底边平行于第二侧边44延伸，且L-system分形图案的所述节段41延伸至所述三角形内，以与所述三角形的底边上的垂线相重合，这样，可以增加在靠近于第二侧边44处的L-system分形图案的面积密度，有利于实现产物水在第二主表面7b上的均匀分布。

还应注意到，图3A中示出的L-system分形图案和可选的树根图案45a的结合利用了分形和仿生的概念，以使得亲水部分39中的水的流动类似于树根从地下吸收水分供给树枝。树枝的设计基于分形和仿生概念，树根也可以根据实际情况进行设计，以将更多的水吸收到作为主要树枝的树干上。虽然在图3A中示出的L-system分形图案以三角形为组成单位，但是各树枝的密度和间距也可以根据实际情况进行选择。

在图3B中，分形几何图案的示例被示出为Sierpinski分形图案，Sierpinski分形图案的阶数可以根据具体情况设置为一阶或多阶。如图3B所示的四阶Sierpinski分形图案由三线段分形生成且在第二主表面7b上被倒置，换言之，Sierpinski分形图案的分形开始的节段47a靠近于第一侧边42，且Serpinski分形图案的分形结束的节段47b靠近于第二侧边44。与L-system分形图案类似的，Sierpinski分形图案在第二主表面7b上分布的面积密度可以从第二侧边44朝向第一侧边42逐渐增加，或者Sierpinski分形图案在第二主表面7b上分布的面积密度可以在第二侧边44与第一侧边42之间均匀设置。可以理解的是，面积密度的逐渐增加或均匀设置可以通过使得所述三线段的延伸长度和宽度发生变化来实现。

需要注意的是，在本申请中，可以在第二侧边44与第一侧边42之间等面积地划分第二主表面7b，以生成多个单位区域，其中，所述多个单位区域的纵向侧边平行于第二侧边44和第一侧边42，且所述多个单位区域的纵向侧边的长度可以等于第二侧边44或第一侧边42的长度。分形几何图案在第二主表面7b上分布的面积密度可以指在第二主表面7b的其中一个单位区域内的分形几何图案的面积相对于单位区域的面积的百分比。

另外，与L-system分形图案类似的，可以在Sierpinski分形图案的靠近于第二侧边44的节段47b处设置与节段47b交叉的补充图案(图3B中未示出)，补充图案用于增加在靠近于第二侧边44处的Sierpinski分形图案的面积密度，且补充图案的配置方式可以参考图3A中示出的L-system分形图案的补充图案(树根图案45a)的配置方式，可以是三角形或其它形状，所述补充图案可以包括沿平行于第二侧边44延伸的部分。

分形几何图案的目的是为了将亲水部分39所吸收的产物水以可调节的方式供给到阴极催化层15，如在图3A和图3B中的指示产物水在分形几何图案中流向的箭头所示，其中，图3A中的箭头指示产物水在L-system分形图案的树根图案45a和一阶树枝图案45b中的流向，在一阶树枝图案45b中流动的产物水会继续流向二阶树枝图案45c，以及其中，图3B中的箭头指示产物水在Sierpinski分形图案中的总体流向。因此，所述分形几何图案不延伸至第二主表面7b的周边，以有助于将亲水部分39所吸收的产物水保持在阴极微孔层7内。

可以理解的是，只要亲水部分39能够将所吸收的产物水以可调节的方式供给到阴极催化层15，分形几何图案的图案设计并不受限于以上实施方式。分形几何图案的面积与第二主表面7b的除了分形几何图案之外的其余区域的面积可以根据具体应用情况进行选择。

返回至图2，阴极微孔层7的主体7c具有沿着厚度方向的第一间距L和第二间距H，第一间距L在第一主表面7a(即，第一端面)与亲水部分39的靠近于第一主表面7a的第二端面(图2中的虚线所示)之间，且第二间距H在第二端面与第二主表面7b之间。例如，第一间距L与第二间距H的比例可以根据具体应用情况进行选择。可选地，亲水部分39可以被分为在第二主表面7b上分别形成、即投影出分形几何图案的多段，所述多段的分别在垂直于所述多段截取的截面中的至少一个可以呈喇叭形，换言之，这些截面中的至少一个39a具有在第二端面上的第一截面宽度和在第二主表面7b上的第二截面宽度，第一截面宽度小于第二截面宽度。可以理解的是，第一截面宽度等于第二截面宽度也是可行的。

可选地，第一间距L可以大于零，在这种情况下，亲水部分39沿着厚度方向不延伸至第一主表面7a，以不接触于阴极气体扩散层5。因此，第一主表面7a可以形成屏障，以防止在电池单元2处于低湿度、即低电流密度的条件下，质子交换膜6和阴极催化层15中的水经由亲水部分39被传递至阴极气体扩散层5，进而不被期望地吸收至阴极流场11a中。

可选地，如图4所示，第一间距L可以等于零，在这种情况下，亲水部分39沿着厚度方向延伸至第一主表面7a，以接触于阴极气体扩散层5且简化亲水部分39的制造过程。

进一步如图4所示，与阴极微孔层7类似的，阴极气体扩散层5的一部分50具有亲水性，而所述阴极气体扩散层5的其余部分52具有疏水性，所述阴极气体扩散层5的所述一部分50沿着厚度方向在第二主表面7b上的投影至少部分地与分形几何图案重合，以使得阴极微孔层7和阴极气体扩散层5共同向阴极催化层15且因此质子交换膜6以可调节的方式供给由阴极微孔层7的亲水部分39和阴极气体扩散层5的所述一部分50所吸收的产物水。换言之，适用于阴极微孔层7的分形几何图案的配置方式也可以同样适用于配置阴极气体扩散层5。

如图2和图4所示，阴极流场11a沿着厚度方向在第二主表面7b上的投影至少部分地与分形几何图案重合，以有利于在电池单元2处于高湿度的条件下使得经由分形几何图案所吸收的产物水的过量部分进入阴极流场11a，以被第二排放管线38排出。

可以理解的是，可以选择性地参考阴极微孔层7对阳极微孔层9、尤其阳极微孔层9的主体7c进行相同配置，以及选择性参考阴极气体扩散层5对阳极气体扩散层14进行相同配置。

图5示意性地示出了根据本申请的一个实施方式的电池单元2的制造方法，所述方法包括以下步骤：

S1.提供阴极气体扩散层5；

S2.提供阴极微孔层7，阴极微孔层7具有直接邻接于气体扩散层的第一主表面7a、相反于第一主表面7a的第二主表面7b、和在第一主表面7a和第二主表面7b之间的主体7c；以及

S3.提供直接邻接于第二主表面7b的阴极催化层15；

其中，所述主体7c的一部分具有亲水性且在下文中被称为亲水部分39，而所述主体7c的其余部分40具有疏水性且被称为疏水部分40，以及

其中，所述主体7c的所述一部分39沿着垂直于第一主表面7a和第二主表面7b的厚度方向延伸至第二主表面7b，以接触于所述阴极催化层15，且所述主体7c的所述一部分39在第二主表面7b上形成分形几何图案，当在电池单元2的运行期间在阴极8产生水时，所述主体7c的所述一部分39吸收所述水的至少一部分，以使得所述主体7c的所述一部分39的含水量保持均匀。

由此可见，本申请中提供的电池单元2的制造方法旨在提供本申请中提供的电池单元2，因此在本文中描述的电池单元2的制造方法的特征和电池单元2的特征可以相互对应、结合、以及互换。

在第一间距L等于零的情况下，提供阴极微孔层7包括以下步骤：

将第一掩蔽模板放置在阴极气体扩散层5上，第一掩蔽模板的几何结构与亲水部分39的几何结构相同；

在阴极气体扩散层5上涂布具有疏水性的浆料，以形成疏水部分40；以及

移除第一掩蔽模板且将第二掩蔽模板放置在所述阴极气体扩散层5上，以掩蔽疏水部分40且暴露与亲水部分39的几何结构对应的空隙，在空隙中填充具有亲水性的浆料。

在第一间距L大于零的情况下，提供阴极微孔层7包括以下步骤：

在所述阴极气体扩散层5上以与第一间距L相等的第一厚度涂布具有疏水性的第一浆料，以形成疏水部分40的第一层；

将第一掩蔽模板放置在第一层上，第一掩蔽模板的几何结构与亲水部分39的几何结构相同，以掩蔽后续需要形成亲水部分39的部位，换言之，第一掩蔽模板沿着厚度方向在第一层上的投影与分形几何图案相同；

在第一层上以与第二间距H相等的第二厚度涂布第一浆料，以形成疏水部分40的第二层；以及

移除第一掩蔽模板且将第二掩蔽模板放置在第二层上，以掩蔽第二层且暴露与亲水部分39的几何结构对应的空隙，在所述空隙中填充具有亲水性的第二浆料。

可以理解的是，由第一掩蔽模板的主表面形成的图案与由第二掩蔽模板的主表面以镂空方式形成的图案是相同的，即，第一掩蔽模板的主表面与第二掩蔽模板的主表面互补。并且，第一浆料和第二浆料可以采用已知的方式配置，以分别具有疏水性和亲水性。

以上结合具体实施方式对本申请进行了详细描述。显然，以上描述以及在附图中示出的实施方式均应被理解为是示例性的，而不构成对本申请的限制。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本申请的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本申请的范围。