一种燃料电池气体扩散层和燃料电池的制作方法

本实用新型涉及燃料电池领域，特别是涉及一种燃料电池气体扩散层和燃料电池。

背景技术：

随着世界人口不断增加以及发展中国家的工业化进程加快，环境污染和能源危机的问题愈演愈烈，大力发展新能源技术已经成为人类社会的共识。质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其效率高、能量密度大、工作温度低、启动速度快等优点在汽车等移动设备领域有着广泛的应用。

尽管质子交换膜燃料电池作为车用动力已经开始实现早期的商业化发展，但是必须经受高电流、冷启动、变工况、空气污染与杂质等复杂工况和严酷环境的考验，其中燃料电池水管理将是其提高性能、功率密度以及耐久性的主要方式和挑战。

气体扩散层是引导反应气进入催化层发生反应，同时将产物水排出的关键组件，是水管理的重要对象。尤其在高电流密度条件下，扩散层内的水淹问题更为严重。

目前，为了提高气体扩散层的排水性能，报道的方法有在气体扩散层中加工圆柱形通孔，但是这种方法会引起水聚集在打孔部位淹没催化剂从而降低催化剂利用率，同时也不利于对催化剂的保护；还有方法是气体扩散层由多层结构构成，其中上层结构中加工圆柱形通孔，为水气的纵向传输提供快速通道，但是这种气体扩散层的制备复杂，且没有对孔做充分利用。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供一种燃料电池气体扩散层和燃料电池，旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种燃料电池气体扩散层，包括本体，所述本体的上表面分布有至少一个凹槽，所述凹槽的横截面积沿所述本体的厚度方向自上而下逐渐变小。

进一步地，所述凹槽的底部靠近所述本体的下表面。

进一步地，所述凹槽为锥形槽。

进一步地，所述锥形槽的顶点在所述本体的下表面上。

进一步地，所述锥形槽的锥角为20°～160°。

进一步地，所述凹槽由阶梯孔形成。

进一步地，所述本体为单层的碳纤维层。

进一步地，所述凹槽的表面设有疏水涂层。

进一步地，所述凹槽为多个形状相同的凹槽，均匀分布在所述本体上。

本实用新型还提供一种燃料电池，包括上述任一种燃料电池气体扩散层。

(三)有益效果

本实用新型提供的燃料电池气体扩散层加工制作简单，仅需在气体扩散层本体上开设凹槽，且凹槽的横截面积沿本体的厚度方向自上而下逐渐变小，这样可同时提高气体扩散层横向和纵向的水气输运能力，防止水淹现象的出现，使气体扩散层下方的催化剂不被水淹而影响利用率，而且凹槽与通孔相比，具有不完全通透性，从而保护催化剂不被气流破坏，提高催化剂利用率。因此，包括本实用新型提供的气体扩散层的燃料电池，其在性能、可靠性和寿命各方面均有所提高。

附图说明

图1为本实用新型提供的燃料电池气体扩散层的第一个优选实施例的纵截面示意图；

图2为本实用新型提供的燃料电池气体扩散层的第二个优选实施例的纵截面示意图；

图3为本实用新型提供的燃料电池气体扩散层的第三个优选实施例的纵截面示意图；

图中，1-本体；2-凹槽；3-疏水涂层；4-锥形槽；5-阶梯孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

图1示出了本实用新型提供的燃料电池气体扩散层的第一个优选实施例。如图1所示，该燃料电池气体扩散层包括本体1，本体1的上表面分布有至少一个凹槽2，凹槽2的横截面积沿本体1的厚度方向自上而下逐渐变小。

其中，本体1可以为现有的任意型号的气体扩散层，凹槽2的个数至少为一个，本实施例中以1个为例进行说明，但并不用于限制本实用新型的保护范围。

本实施例中，凹槽2的横截面积沿本体1的厚度方向自上而下逐渐变小，与相同体积的圆柱形孔相比，侧面积更大，这样可同时提高气体扩散层横向和纵向的水气输运能力，防止水淹现象的出现，使气体扩散层下方的催化剂不易被水淹，而且凹槽2与通孔相比，具有不完全通透性，从而保护催化剂不被气流破坏，提高催化剂利用率。

进一步地，本实施例中凹槽2的底部靠近本体1的下表面。凹槽2的深度越深，供水气传输的面积越大，但要保证凹槽2不会贯穿本体1，否则容易引起水聚集淹没催化剂。

进一步地，本实施例中本体1为单层的碳纤维层。既可实现气体扩散层良好的水气传输效果，又加工制作简单，方便实用。

进一步地，本实施例中凹槽2的表面设有疏水涂层3。疏水涂层3可以起到增强排水的作用，避免水淹。疏水涂层3的材料可以为聚四氟乙烯或其它疏水性涂料。

图2示出了本实用新型提供的燃料电池气体扩散层的第二个优选实施例。如图2所示，该燃料电池气体扩散层包括本体1，本体1的上表面分布有至少一个锥形槽4。本实施例中以5个为例进行说明，但并不用于限制本实用新型的保护范围。

进一步地，本实施例中锥形槽4的顶点在本体1的下表面上。此时锥形槽4的深度与本体1的厚度相同，在本体1不被贯穿的前提下已经达到上限，有效地提高气体扩散层横向和纵向的水气输运能力，防止水淹现象的出现，同时保护催化剂不被气流破坏，提高催化剂利用率。

进一步地，本实施例中锥形槽4的锥角为30°。过小的锥角会使得锥形槽的体积过小，加工难度大且效果不大，而过大的锥角会使得锥形槽的体积过大，加工难度大且使得需要输运的水量过多而影响水的排出，同时易造成本体的破损，故在20°～160°范围内较好。

进一步地，本实施例中5个锥形槽4的形状相同，均匀分布在本体1上。锥形槽4形状相同且均匀分布，使得气体扩散层在进行水气传输时较为均匀，传输效果更好。

进一步地，本实施例中本体1为单层的碳纤维层。既可实现气体扩散层良好的水气传输效果，又加工制作简单，方便实用。

进一步地，本实施例中锥形槽4的表面设有疏水涂层3。疏水涂层3可以起到增强排水的作用，避免水淹。疏水涂层3的材料可以为聚四氟乙烯或其它疏水性涂料。

图3示出了本实用新型提供的燃料电池气体扩散层的第三个优选实施例。其与第一个优选实施例的区别在于凹槽2由阶梯孔5形成。阶梯孔5可以扩大水气传输面积，提升气体扩散层的水气运输能力。

本实用新型还提供一种燃料电池，包括上述三个优选实施例中的任一种燃料电池气体扩散层，当然也可以为其它任一种属于本实用新型保护范围之内的燃料电池气体扩散层。本实用新型的燃料电池性能好，可靠性和寿命均高于现有的燃料电池。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。