專利名稱：通過基于光聚合物的過程形成的擴散介質(zhì)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池，更具體地涉及通過光致聚合作用制造的燃料電池擴散介質(zhì)。
背景技術：
燃料電池作為一種用于電動車輛和各種其它應用的清潔、高效且環(huán)保的能源而被 推薦。單獨的燃料電池可被串聯(lián)堆疊而形成用于各種應用的燃料電池堆。燃料電池堆能夠 提供一定量的足夠的電力以向車輛提供動力。特別是，燃料電池堆已經(jīng)被認為是現(xiàn)代汽車 中使用的傳統(tǒng)內(nèi)燃機的潛在替代品。一種類型的燃料電池是聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池。PEM燃料電池包括三個 基本部件電解質(zhì)膜；和一對電極，包括陰極和陽極。電解質(zhì)膜被夾在電極之間從而形成膜 電極組件(MEA)。MEA通常布置在多孔擴散介質(zhì)之間，該多孔擴散介質(zhì)有利于反應物的輸 送，例如氫到陽極的輸送和氧到陰極的輸送。多孔擴散介質(zhì)有時被稱為氣體擴散介質(zhì)或氣 體擴散層。在電化學燃料電池反應中，氫在陰極被催化氧化，以產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子 穿過電解質(zhì)到達陰極。來自陽極的電子不能穿過電解質(zhì)膜，而是通過諸如電動機的電負載 以電流的形式被引導到陰極。質(zhì)子與陰極中的氧和電子反應，以產(chǎn)生水。還已知的是在PEM燃料電池中使用諸如甲醇的其它反應物。甲醇可被催化氧化以 形成二氧化碳。由甲醇的氧化得到的質(zhì)子被運送經(jīng)過電解質(zhì)膜，到達陰極，在陰極處，它們 與通常來自空氣的氧反應，以產(chǎn)生水。與氫PEM燃料電池一樣，電子作為電流被運送通過外 部負載，例如電動機，從陽極到達陰極。擴散介質(zhì)通常由適于在燃料電池中執(zhí)行多種功能的多孔材料形成。已知的是通過 碳紙制造擴散介質(zhì)，例如可從托雷工業(yè)公司(Toray Industries Inc.)以商業(yè)方式購買到 的TGP-H-030。碳紙通常適于將反應物、氣態(tài)物或其它物體分布到燃料電池的電極。擴散介 質(zhì)還傳導電子和將MEA處產(chǎn)生的熱傳遞到冷卻劑。對于燃料電池的水管理，擴散介質(zhì)將電 化學燃料電池反應所生產(chǎn)的水傳輸離開PEM。擴散介質(zhì)的水管理能力對于燃料電池性能的 任何優(yōu)化都是至關重要的。擴散介質(zhì)可進一步包括微孔層，該微孔層在電極和擴散介質(zhì)之 間提供過渡層并且有利于將水從PEM移除。雅克布森(Jacobsen)等人在材料學報55，(2007) 6724-6733中的“由自傳播聚 合物波導管形成的微型桁架結(jié)構(gòu)的壓縮行為”中已經(jīng)描繪了多孔材料的替代性類型，該文 獻的全部內(nèi)容通過引用合并于此。雅克布森在美國專利7，382，959中披露了產(chǎn)生具有有 序微桁架結(jié)構(gòu)的聚合物材料的方法和系統(tǒng)，該專利的全部內(nèi)容通過引用合并于此。該系統(tǒng) 包括選擇為產(chǎn)生平行光束的至少一個平行光源；具有適于被平行光束聚合的光單體的蓄 池；和掩膜，該掩膜具有至少一個孔且被定位在至少一個平行光源和蓄池之間。該至少一個 孔適于將平行光束的一部分引導到光單體中，以通過光單體的體積的一部分形成至少一個 聚合物波導管。由該方法和系統(tǒng)生產(chǎn)的微桁架材料進一步公開在雅克布森的美國專利申請 11/801,908中，該專利申請的全部內(nèi)容通過引用合并于此。暴露于輻射且通過形成聚合物波導管而導致光的自聚焦或自束縛的聚合物材料還被描述在可維斯基(Kewitsch)等人的 美國專利6，274，288中，該專利的全部內(nèi)容通過引用合并于此。仍然需要用于制造燃料電池擴散介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和方法，該結(jié)構(gòu)和方法優(yōu)化燃料電池 的壽命、最小化工具成本、最小化生產(chǎn)成本并且最小化開發(fā)時間。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種制造燃料電池擴散介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和燃方法，該結(jié)構(gòu)和方法優(yōu) 化燃料電池壽命、最小化工具成本、最小化生產(chǎn)成本并且最小化開發(fā)時間。在第一實施例中，燃料電池的擴散介質(zhì)層包括布置在一對導電柵格之間的導電微 桁架結(jié)構(gòu)。所述微桁架結(jié)構(gòu)和所述柵格中的至少一個由輻射敏感材料形成。在另一實施例中，燃料電池包括其間布置有膜電極組件的一對擴散介質(zhì)層。擴散 介質(zhì)層和膜電極組件布置在一對導電燃料電池板之間，以完成燃料電池。在進一步的實施例中，一種制造燃料電池的擴散介質(zhì)層的方法包括下列步驟提 供基片；向所述基片上施加第一輻射敏感材料、第二輻射敏感材料和第三輻射敏感材料，所 述第二輻射敏感材料布置在所述第一輻射敏感材料和所述第三輻射敏感材料之間；將掩膜 放置在至少一個輻射源與所述第一、第二、和第三輻射敏感材料之間，所述掩膜沿一個平面 延伸，且具有形成在其內(nèi)的多個基本輻射透射孔；將所述第一、第二和第三輻射敏感材料通 過所述掩膜中的輻射透射孔暴露于多個至少部分不平行的(decollimated)輻射線束，從 而使一對柵格形成在所述第一和第三輻射敏感材料中；和將所述第一、第二和第三輻射敏 感材料通過所述掩膜中的輻射透射孔暴露于多個平行的(collimated)輻射線束，從而在 所述一對柵格之間的所述第二輻射敏感材料中形成微桁架結(jié)構(gòu)。方案1、一種用于燃料電池的擴散介質(zhì)層，包括布置在一對導電柵格之間的導電微 桁架結(jié)構(gòu)，所述微桁架結(jié)構(gòu)和所述柵格中的至少一個由輻射敏感材料形成。方案2、如方案1所述的擴散介質(zhì)層，其中所述微桁架結(jié)構(gòu)包括沿第一方向延伸的 多個第一桁架元件、沿第二方向延伸的多個第二桁架元件和沿第三方向延伸的多個第三桁 架元件。方案3、如方案2所述的擴散介質(zhì)層，其中所述第一、第二和第三桁架元件在多個 節(jié)點處彼此交疊，以形成基本連續(xù)的三維自支撐結(jié)構(gòu)。方案4、如方案3所述的擴散介質(zhì)層，其中所述節(jié)點的至少一部分形成為與所述柵 格中的一個相鄰。方案5、如方案2所述的擴散介質(zhì)層，其中偏置桁架元件布置為與所述第一、第二 和第三桁架元件中的至少一個相鄰，以形成銳角拐角。方案6、如方案1所述的擴散介質(zhì)層，其中所述柵格中的至少一個包括沿第一方向 延伸的多個第一壁和沿第二方向延伸的多個第二壁，其中所述第一壁和所述第二壁形成多 個四邊形開口。方案7、如方案5所述的擴散介質(zhì)層，其中所述柵格中的至少一個包括沿第三方向 延伸的多個第三壁，其中所述第一壁、所述第二壁和所述第三壁形成多個三角形開口和多 個六邊形開口，所述三角形開口比所述六邊形開口小。方案8、如方案1所述的擴散介質(zhì)層，其中所述柵格中的至少一個具有基本平坦的表面。方案9、如方案1所述的擴散介質(zhì)層，其中所述微桁架結(jié)構(gòu)和所述柵格中的至少一 個具有導電涂層。方案10、如方案8所述的擴散介質(zhì)層，其中所述導電涂層是金屬和陶瓷中的一種。方案11、如方案1所述的擴散介質(zhì)層，其中所述微桁架結(jié)構(gòu)和所述柵格中的至少 一個被碳化。方案12、如方案1所述的擴散介質(zhì)層，其中所述微桁架結(jié)構(gòu)具有空間化改變的傳 質(zhì)阻力。方案13、一種燃料電池，包括膜電極組件，該膜電極組件具有布置在一對電極之間的電解質(zhì)膜；一對擴散介質(zhì)層，所述膜電極組件置于所述一對擴散介質(zhì)層之間，所述擴散介質(zhì) 層中的至少一個包括布置在一對導電柵格之間的導電微桁架結(jié)構(gòu)，所述微桁架結(jié)構(gòu)和所述 柵格中的至少一個由輻射敏感材料形成；和—對導電燃料電池板，其中所述膜電極組件和所述擴散介質(zhì)層布置在所述燃料電 池板之間。方案14、一種制造燃料電池的擴散介質(zhì)層的方法，包括下列步驟提供基片；向所述基片上施加第一輻射敏感材料、第二輻射敏感材料和第三輻射敏感材料， 所述第二輻射敏感材料布置在所述第一輻射敏感材料和所述第三輻射敏感材料之間；將掩膜放置在至少一個輻射源與所述第一、第二、和第三輻射敏感材料之間，所述 掩膜沿一個平面延伸且具有形成在其內(nèi)的多個基本輻射透射的孔；使所述第一、第二和第三輻射敏感材料通過所述掩膜中的輻射透射孔暴露于多個 至少部分不平行的輻射線束，從而使一對柵格形成在所述第一和第三輻射敏感材料中；和使所述第一、第二和第三輻射敏感材料通過所述掩膜中的輻射透射孔暴露于多個 平行的輻射線束，從而在所述一對柵格之間的所述第二輻射敏感材料中形成微桁架結(jié)構(gòu)。方案15、如方案14所述的方法，進一步包括在使所述第一、第二和第三輻射敏感 材料暴露于至少部分不平行的和平行的輻射線束的步驟之后，將所述第一、第二和第三輻 射敏感材料的未固化體積移除，其中所述第一、第二和第三輻射敏感材料中的至少一個在 移除所述未固化體積之前被至少部分固化。方案16、如方案14所述的方法，進一步包括用導電材料涂覆所述一對柵格和所述 微桁架結(jié)構(gòu)中的至少一個。方案17、如方案14所述的方法，進一步包括將所述一對柵格和所述微桁架結(jié)構(gòu)碳 化的步驟。方案18、如方案14所述的方法，其中所述第一和第三輻射敏感材料的固化速率比 所述第二輻射敏感材料的固化速率快。方案19、如方案14所述的方法，其中第一種輻射固化所述第一和第三輻射敏感材 料，而第二種輻射固化所述第二輻射敏感材料。方案20、如方案14所述的方法，進一步包括在形成所述微桁架結(jié)構(gòu)期間將至少一 個輻射源旋轉(zhuǎn)出平面，以提供布置為與所述微桁架結(jié)構(gòu)的第一桁架元件、第二桁架元件和
5第三桁架元件中的至少一個相鄰的至少一個偏置桁架元件。


通過下面的詳細描述，本發(fā)明的上述以及其它優(yōu)點對于本領域技術人員將變得明 顯，特別是參考這里描述的附圖進行考慮的時候。圖1為根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的示意性分解立體圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的擴散介質(zhì)層的局部側(cè)視立體圖；圖3為圖2所示的擴散介質(zhì)層的局部俯視立體圖；圖4為圖2所示的擴散介質(zhì)層的局部側(cè)視立體圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的擴散介質(zhì)層的局部側(cè)視立體圖，其具有多個偏 置的桁架元件；圖6為圖5所示的擴散介質(zhì)層的放大局部立體圖，進一步示出了銳角拐角；圖7為根據(jù)本發(fā)明的方法布置在輻射敏感材料上的掩膜的示意性側(cè)視剖視圖；圖8為圖7所示的掩膜和輻射敏感材料的示意性側(cè)視剖視圖，其進一步示出了暴 露于至少部分不平行的輻射線束的輻射敏感材料；圖9為圖7和圖8所示的掩膜和輻射敏感材料的示意性側(cè)視剖視圖，其進一步示 出了暴露于平行輻射線束；和圖10為圖7、圖8和圖9所示的掩膜和輻射敏感材料的示意性側(cè)視剖視圖，其進一 步示出了根據(jù)本發(fā)明的偏置桁架元件的形成。
具體實施例方式下面的詳細描述和附圖描述和描繪了本發(fā)明的各個實施例。該描述和附圖用于使 本領域技術人員能夠制造和使用本發(fā)明，而并非旨在以任何方式限制本發(fā)明的范圍。對于 公開的方法，所給出的步驟實質(zhì)上僅為示例性的，因此并不是必須的或者關鍵性的。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的PEM燃料電池堆2。為了簡化，圖1僅描繪和描述了兩個電 池的堆(即一個雙極板)，應該理解的是，典型的燃料電池堆2將具有很多這種電池和雙極 板。燃料電池堆2包括至少一個膜電極組件(MEA) 3。MEA3可由被子襯墊6支撐的電解質(zhì) 膜4形成。電解質(zhì)膜4被夾在一對電極7之間。盡管為了簡化的目的而示出了具有催化劑 涂覆膜設計的MEA3，應該理解的是，根據(jù)需要，燃料電池堆2可采用涂覆催化劑的擴散介質(zhì) (CCDM)設計。導電雙極板8分隔MEA3。電解質(zhì)膜4、電極7和雙極板8堆疊在一起，介于一對夾 持板10和一對單極端板14之間。夾持板10與單極端板14例如通過襯墊或介電涂層(未 示出)而電絕緣。單極端板14和雙極板8包括活性區(qū)域16，用于將諸如氫氣和氧氣/空氣 的反應物分布到電極7。雙極板8和單極端板14可進一步包括被配置為將反應物分布到電 極7的多個流動通道(未示出)。燃料電池堆2可包括非導電性襯墊18，以在燃料電池堆 2的部件之間提供密封和電絕緣。然而，如果子襯墊6足夠密封和電絕緣燃料電池堆2，應 該認識到的是可以按照需要而不采用襯墊18。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池堆2包括至少部分地由輻射敏感材料形成的多孔導電性 擴散介質(zhì)層20。由輻射敏感材料形成諸如擴散介質(zhì)層20的輻射固化結(jié)構(gòu)例如在受讓人的
6共同待審的美國專利申請12/339，308中被描述，該專利申請的全部內(nèi)容通過引用合并于 此。多孔擴散介質(zhì)層20抵接被布置為與電解質(zhì)膜4相鄰的電極7，并且被配置為將燃 料電池反應物分布于電極7上。擴散介質(zhì)層20布置在電極7和雙極板8之間，并且在電解 質(zhì)膜4和單極端板14之間。本領域技術人員應該認識到，根據(jù)需要，擴散介質(zhì)層20還可具 有布置在擴散介質(zhì)層20和電極7之間的微孔層(未示出)。MEA3、雙極板8、單極端板14和襯墊18每個都包括陰極供料孔22和陰極排放孔 24、冷卻劑供應孔25和冷卻劑排放孔27以及陽極供料孔26和陽極排放孔28。燃料電池堆 2的供料岐管和排放岐管通過將子襯墊6、雙極板8、單極端板14和襯墊18中的各自的孔 22、24、25、26、27、28對準而形成。氫氣通過陽極入口導管30被提供到陽極供料岐管。氧氣 /空氣通過陰極入口導管32被提供到燃料電池堆2的陰極供料岐管。陽極出口導管34和 陰極出口導管36也被提供分別用于陽極排放岐管和陰極排放岐管。冷卻劑入口導管38被 提供用于將液體冷卻劑提供到冷卻劑供料岐管。冷卻劑出口導管40被提供用于從冷卻劑 排放岐管移除冷卻劑。應該理解的是，圖1中的各種入口 30、32、38和出口 34、36、40的配 置用于說明的目的，按照需要也可選擇其它配置。如圖2-4所示，擴散介質(zhì)層20包括布置在一對柵格202、204之間的微桁架結(jié)構(gòu) 200。擴散介質(zhì)層20為多孔和導電性的。微桁架結(jié)構(gòu)200和柵格202、204中的至少一個由 輻射敏感材料形成。根據(jù)本發(fā)明的形成微桁架結(jié)構(gòu)200和柵格202、204中的至少一個所采 用的輻射敏感材料包括可輻射固化材料和可輻射分解材料。術語“可輻射固化材料”在這 里被定義為通過暴露于輻射而能夠?qū)崿F(xiàn)被引發(fā)(initiated)、聚合(polymerized)和交聯(lián) (crosslinked)中的至少一種的任何材料。應該認識到，在暴露到輻射而被引發(fā)之后，可以 對可輻射固化材料的至少局部完全聚合或交聯(lián)的進行增加溫度。術語“可輻射分解材料”在 這里被定義為通過暴露于輻射而表現(xiàn)出聚合物主鏈分離和去交聯(lián)中的至少一種。在一個非 限制性示例中，可輻射分解材料可通過可輻射分解材料的交聯(lián)鍵的充分斷裂和/或聚合物 主鏈的分離而被制作為溶液可溶的。在非限制性示例中，可輻射固化材料可包括液體光單體和基本為固體的可輻射 固化聚合物中的一種。液體光單體可為雅克布森在美國專利7，382，959和美國專利申請 11/801，908中描述的單體。合適的光單體的非限制性示例包括當暴露于UV輻射(波長在 約250納米和約400納米之間)時通過自由基聚合而被聚合的單體。光單體可包括任何合 適的自由基聚合材料，例如聚氨基橡膠(聚氨基甲酸酯)、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯和諸如 光固化環(huán)氧樹脂的陽離子聚合物。其它合適的光單體也可被采用。合適的基本為固體的可輻射固化聚合物可包括負抗蝕性聚合物。負抗蝕性聚合物 經(jīng)歷例如通過聚合或縮聚作用而導致負抗蝕性聚合物固化或光引發(fā)的過程。在聚合或縮聚 反應基本同時發(fā)生時，該過程稱為“光固化”。在由光引發(fā)過程僅產(chǎn)生反應物品并且需要諸 如加熱等后續(xù)步驟以產(chǎn)生聚合或縮聚時，該過程稱為“光引發(fā)”。應該認識到，即使可能需要 后固化熱處理以完結(jié)聚合步驟，在初始的輻射暴露期間也可在負性抗光蝕聚合物中產(chǎn)生基 本穩(wěn)定的可輻射固化特征?；緸楣腆w的輻射敏感聚合物僅經(jīng)歷引發(fā)過程，并且由于固體 輻射敏感聚合物內(nèi)的固有穩(wěn)定性和化學物品的受限的擴散速度，固化過程也可以在很晚之 后執(zhí)行，而不會有明顯的特征退化。應該認識到，大多數(shù)被光引發(fā)的聚合物在引發(fā)過程的初始即開始固化過程，但在暴露溫度下的反應運動很慢，使得在將負抗蝕性聚合物加熱到期 望的固化溫度之前，即使有聚合或縮聚發(fā)生，也是很少。一種具體的負抗蝕性聚合物是基于環(huán)氧樹脂的SU-82000 負抗蝕性聚合物，其可 從位于馬薩諸塞州牛頓郡的微化學公司買到。SU-8 2000 負抗蝕性聚合物可被UV輻射固 化。應該認識到，也可采用其它的基本為固體的可輻射固化聚合物。例如，類似于上述的光 單體，被選擇的可輻射固化聚合物按照需要可由波長不同于UV輻射的輻射固化。可輻射固 化聚合物還可被選擇為例如具有比液體光單體慢的固化速率，以通過將較快固化層暴露于 輻射源而防止在較慢固化層上出現(xiàn)特征。在一個非限制性示例中，可輻射分解材料可包括負抗蝕性聚合物。負抗蝕性聚合 物開始時作為被交聯(lián)的聚合物，但可包含光引發(fā)劑，該光引發(fā)劑在暴露于特定輻射時通過 至少將交聯(lián)鍵斷裂或?qū)⒕酆衔镏麈湻蛛x而產(chǎn)生將聚合物分解的化學物品。該分解使得正抗 蝕性聚合物能夠溶于已經(jīng)被暴露于輻射的區(qū)域中。正抗蝕性聚合物保持固化的區(qū)域被掩蓋 而不被暴露，如上面描述的負抗蝕性聚合物的情況一樣。在一些實施例中，正抗蝕性聚合物 對諸如紫外線或電子束的輻射敏感，而不需要光引發(fā)劑。例如，正抗蝕性聚合物自身被輻射 損壞，而剩余的被分離的鏈變得可溶于溶液中。根據(jù)需要，可采用其它類型的正抗蝕性聚合 物。被采用以固化或分解輻射敏感材料的輻射可包括例如來自水銀弧光燈的UV光 束。根據(jù)需要，輻射可為電磁輻射或粒子輻射。本領域技術人員理解，也可采用其它波長的 輻射，例如紅外、可見光、X輻射，和來自其它源的輻射，例如白熾燈和激光。也可采用諸如 來自陰極輻射源的電子束的粒子輻射。還應該理解的是按照需要輻射可為平行的、部分平 行的或者不平行的。輻射通常通過具有其上形成有孔或開口的至少一個掩膜710(圖7至圖10所示) 被引導到輻射敏感材料，通過掩膜710，輻射可接觸輻射敏感材料。輻射暴露可來自諸如激 光的單平行光束。孔可例如為形成在不透明或阻擋輻射的材料中的基本上輻射透射的孔。 掩膜710例如可由玻璃板或邁拉片形成，并且有助于以相對于掩膜或者下層輻射敏感材料 成一定角度來引導輻射線束。掩膜710可在暴露之后被拿開并且清潔，用于重復使用。形 成在掩膜710上的孔或開口具有提供輻射線束以形成具有期望的截面形狀的聚合物結(jié)構(gòu) 的形狀。孔可基本為圓形，以產(chǎn)生橢圓形截面形狀，其可根據(jù)與擴散介質(zhì)層20內(nèi)的熱膨脹 系數(shù)(CTE)之間的差而較好地調(diào)節(jié)。在一個描繪性實施例中，掩膜710的表面具有直徑約10微米的多個孔眼。暴露 于輻射可被執(zhí)行為例如間歇性的一連串短時間暴露，或者長時間暴露以提供期望的結(jié)構(gòu)設 計。本領域技術人員可根據(jù)需要選擇合適的掩膜材料、孔以及開口尺寸和形狀，以及最終的 結(jié)構(gòu)配置。擴散介質(zhì)層20的微桁架結(jié)構(gòu)200可包括沿第一方向延伸的多個第一桁架元件 205、沿第二方向延伸的多個第二桁架元件207、沿第三方向延伸的多個第三桁架元件209 和沿第四方向延伸的多個第四桁架元件211。第一、第二、第三和第四桁架元件205、207、 209、211可在多個節(jié)點212處彼此交疊。應該認識到，第一、第二、第三和第四桁架元件205、 207、209、211根據(jù)需要可以不彼此交疊，或者可以在間歇性基礎上在多個節(jié)點212處彼此 交疊。節(jié)點212還可例如被選擇性地形成為與柵格202、204中的一個相鄰。第一、第二、第三和第四桁架元件205、207、209、211形成連續(xù)的三維自支撐細胞結(jié)構(gòu)。盡管具有多個第一桁架元件205、多個第二桁架元件207、多個第三桁架元件209 和多個第四桁架元件211的微桁架結(jié)構(gòu)200可具有上述的4層交疊對稱性結(jié)構(gòu)，本領域技 術人員應該認識到在本發(fā)明范圍內(nèi)可采用其它結(jié)構(gòu)的微桁架結(jié)構(gòu)200，例如3層對稱和6層 對稱。例如，可選擇特定的結(jié)構(gòu)以增加微桁架結(jié)構(gòu)200的連接性和減小微桁架結(jié)構(gòu)200在 負載下對彎曲和扭曲的靈敏性。根據(jù)需要，所選擇的結(jié)構(gòu)可為對稱性的或者不對稱的。結(jié) 構(gòu)還可被選擇為優(yōu)化微桁架結(jié)構(gòu)200的強度和剛度。本領域普通技術人員應該進一步理解 根據(jù)需要可采用微桁架結(jié)構(gòu)200的其它結(jié)構(gòu)。雅克布森在美國專利7，382，959和美國專利申請11/801，908中描述了微桁架結(jié) 構(gòu)200的示例性結(jié)構(gòu)。例如，多個第一桁架元件205可由多個第一自傳播聚合物桁架波導 管限定。多個第二桁架元件207可由多個第二自傳播聚合物桁架波導管限定。多個第三桁 架元件209可由多個第三自傳播聚合物桁架波導管限定。根據(jù)需要，可采用其它合適的方 法形成微桁架結(jié)構(gòu)200。本領域普通技術人員應該認識到根據(jù)需要可設計出特定的微桁架結(jié)構(gòu)200，例如 通過下面中的至少一種1)選擇聚合物桁架元件205、207、209相對于彼此的角度和圖案； 2)調(diào)節(jié)得到的細胞結(jié)構(gòu)的填充物，或相對密度；和3)選擇聚合物桁架元件205、207、209的 截面形狀和尺寸。特別是，具有橢圓形桁架截面形狀的聚合物桁架元件205、207、209可由 于熱膨脹系數(shù)之差而防止退化。根據(jù)需要還可采用其它截面形狀。本發(fā)明的柵格202、204可具有利于將擴散介質(zhì)層20堆疊在MEA3和雙極板8之間 的表面。在一個非限制性示例中，柵格202、204的表面可為基本平坦的。柵格202、204進 一步具有形成在其中的多個開口 213。開口 213有利于反應物的分布和水移動通過擴散介 質(zhì)層20。描繪的是，柵格202、204可由沿第一方向延伸的多個第一壁214和沿第二方向延 伸的多個第二壁216形成。第一和第二壁214、216可交叉，以在柵格202、204中形成多個 開口 213。第一和第二壁214、216可形成具有四邊形形狀的開口 213，例如四方形、矩形或 菱形。應該認識到，根據(jù)需要也可選擇開口 213的其它形狀。擴散介質(zhì)層20是導電的。擴散介質(zhì)層20可涂覆有導電材料。在一個非限制性示 例中，微桁架結(jié)構(gòu)200和柵格202、204中的至少一個可被電鍍以具有基本抗氧化、抗還原和 抗酸性的金屬涂層。導電材料可包括選自由例如釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、銀(Ag)、鐒(lr)、 鉬(Pt)、鋨(0s)組成的組中的貴金屬及其合金。在特定實施例中，導電材料為金(Au)。在 其它特定實施例中，導電材料為鉭(Ta)。另一合適的金屬涂層可包括鎳(Ni)合金。例如鎳 鉻(Cr)合金或鎳鈷(Co)合金。本領域普通技術人員應該認識到，導電材料可包括上述列 出的金屬的混合物或合金。根據(jù)需要，也可采用其它導電金屬和材料。通過電子束蒸發(fā)、磁控濺射、物理蒸汽沉積、化學蒸汽沉積、原子層沉積、電解沉 積、非電解沉積、火焰噴鍍沉積、刷鍍和其它類似過程中的一種，導電金屬可被沉積在微桁 架結(jié)構(gòu)200和柵格202、204中的至少一個上。也可采用基于溶液的電鍍技術，其包括將微 桁架結(jié)構(gòu)200和柵格202、204中的至少一個浸泡在電鍍槽中。也可使用泥漿粉末形式的導 電材料并且后續(xù)燃燒泥漿粉末以形成涂層。本領域技術人員可選擇一種以上的沉積技術， 以考慮視線和選擇的沉積技術的非視線特性之間的差別。在某些實施例中，導電材料可基 本均勻地沉積在微桁架結(jié)構(gòu)200和柵格202、204的內(nèi)、外表面上。可根據(jù)需要選擇將導電材料涂覆在擴散介質(zhì)層20的微桁架結(jié)構(gòu)200和柵格202、204上的合適的方法和導電材料
的厚度。在特別描繪的實施例中，導電材料可以以多個電鍍步驟被涂覆在微桁架結(jié)構(gòu)200 和柵格202、204的至少一個上。例如，可通過施加非電解鎳基第一層之后，施加用于抗腐蝕 的NiCr或Cr第二層以及施加用于最小化擴散介質(zhì)20和雙極板8之間的接觸阻抗的為Au 或Pd保護涂層的第三層，從而可形成導電涂層。例如，第一層和第二層可電鍍到其上，第三 層通過物理蒸汽沉積被施加到受限覆蓋范圍上。根據(jù)需要還可采用用于將導電材料涂覆在 擴散介質(zhì)層20上的其它方法。應該認識到，導電材料還可為金屬氧化物或陶瓷。在某些描 繪的實施例中，微桁架結(jié)構(gòu)200和柵格202、204中的至少一個可被涂覆有金屬氧化物或陶 瓷，以提供期望水平的彎曲強度和導電性。合適的陶瓷微桁架結(jié)構(gòu)200和用于制備陶瓷微 桁架結(jié)構(gòu)200的方法公開在格拉斯等的美國專利申請12/074，727中，其整個公開內(nèi)容通過 引用合并于此。本領域普通技術人員應該理解的是，由輻射敏感材料形成的擴散介質(zhì)層20可被 碳化以使擴散介質(zhì)層20導電。開細胞碳微結(jié)構(gòu)和由聚合物樣板材料制造開細胞碳微結(jié)構(gòu) 的方法公開在雅克布森的美國專利申請11/870，379中，其整個公開內(nèi)容通過引用合并于 此。也可使用用于碳化形成的擴散介質(zhì)層20的其它合適的方法。在進一步的實施例中，微桁架結(jié)構(gòu)200和柵格202、204中的至少一個可由在被固 化時導電的輻射敏感材料形成。在輻射敏感材料導電時，可不在擴散介質(zhì)層20的微桁架結(jié) 構(gòu)200和柵格202、204中的至少一個上采用導電材料涂層。本領域技術人員可根據(jù)需要選擇用于擴散介質(zhì)層20的合適的尺寸。在一個非限 制性示例中，擴散介質(zhì)層20的厚度可在約50微米至約250微米之間，特別是在約100微 米和200微米之間，更特別為約150微米。微桁架200的第一、第二、第三和第四桁架元件 205、207、209、211中的至少一個和柵格202、204的第一和第二壁214、216可具有高達約50 微米的厚度，特別是高達約35微米的厚度，更特別是高達約20微米的厚度。也可選擇微桁 架結(jié)構(gòu)200和柵格202、204的其它合適的尺寸，以優(yōu)化燃料電池堆2的性能。根據(jù)本發(fā)明的擴散介質(zhì)層20，特別是微桁架結(jié)構(gòu)200，可進一步具有空間化改變 的傳質(zhì)阻力(spatially varying masstransport resistance)，用于控制燃料電池堆2中 的水管理?？臻g化改變的傳質(zhì)阻力可通過調(diào)節(jié)由輻射敏感材料形成的擴散介質(zhì)層20的極 性、彎曲度、孔徑尺寸和厚度而獲得?？臻g化改變的傳質(zhì)阻力例如可如伯爾尼的美國專利申 請11/778，741中所述的那樣被選擇，該專利申請的全部公開內(nèi)容通過引用被合并于此。擴 散介質(zhì)層20可由具有不同傳質(zhì)阻力的多個部分形成，例如上游部分和下游部分。上游部分 可具有防止燃料電池堆2干燥的結(jié)構(gòu)，下游部分可具有防止燃料電池堆2注水的結(jié)構(gòu)。應 該認識到，空間化改變的傳質(zhì)阻力可通過上述的由輻射敏感材料形成擴散介質(zhì)層20而被 選擇。本發(fā)明的可替代實施例示出在圖5至圖6中。為了清楚的目的，與圖1至圖4相似 的結(jié)構(gòu)具有同樣的附圖標記和前綴符號(‘)或者雙前綴符號(“)。擴散介質(zhì)層20'可包 括具有多個偏置桁架元件500的微桁架結(jié)構(gòu)200'。偏置桁架元件500可至少部分被布置 為與第一、第二和第三桁架元件205' ,207' ,209'中的一個相鄰。如圖6所示，偏置桁架 元件500可形成為與偏置桁架元件500所相鄰的第一、第二和第三桁架元件205' ,207'、
10209'中的一個成銳角拐角600。銳角拐角600可形成在燃料電池堆2工作期間，有利于移 除水的芯吸路徑。擴散介質(zhì)層20'的柵格202' ,204'可進一步由多個第三壁502形成。第一、第二 和第三壁214' ,216'、502可交叉，以形成多個第一開口 213'和多個第二開口 213〃。盡 管由多個第一壁214、214'和多個第二壁216、216'形成的開口 213、213‘ ,213"基本為 四邊形，本領域技術人員應該理解的是開口 213、213' ,213"也可采用其它形狀。例如，第 一開口 213'可具有基本三角形形狀，第二開口 213"可具有利于將反應物分布到燃料電 池堆2的尺寸。在特定實施例中，第一開口 213'具有比第二開口 213"較小的平均直徑。 例如，第一開口 213'的平均直徑可小于約50微米，特別是小于約40微米，更特別是小于 約30微米。在另一實施例中，第二開口 213"的平均直徑可小于約115微米，特別是小于約 100微米，更特別是小于約85微米。根據(jù)需要，可為開口 213、213' ,213"選擇其它合適的 形狀和尺寸。本發(fā)明進一步包括用于制造擴散介質(zhì)層20的方法。如圖7-10所示，該方法包括 提供將要在其上形成擴散介質(zhì)層20的基片700的步驟?；?00可由允許在其上形成聚 合結(jié)構(gòu)的任何材料形成?；?00可為非導電性的，例如塑料，或者可為導電性的，例如不 銹鋼?；?00可具有孔眼或通路，其有利于在制造擴散介質(zhì)層20之后移除多余的未固化 輻射敏感材料。應該認識到，在本發(fā)明范圍內(nèi)，術語“未固化輻射敏感材料”也可包括被分 離的輻射敏感材料?；?00可進一步被提供具有能粘接到擴散介質(zhì)層20和從擴散介質(zhì)層20剝離的 涂層或表面處理。在一個非限制示例中，基片700可具有適于與未固化輻射敏感材料粘接 的涂層。表面處理可進一步利于將固化的聚合物從基片700剝離。特別是，通常布置在平 坦表面或靜止基板702上的基片700的后側(cè)在擴散介質(zhì)層20制造期間可具有一涂層，以防 止不希望的雜質(zhì)或基片700被電鍍。靜止基板702可為例如具有利于壓力釋放的多孔真空 夾盤。本領域技術人員可根據(jù)需要選擇合適的表面處理，包括涂層。該方法進一步包括步驟將第一輻射敏感材料704、第二輻射敏感材料706和第三 輻射敏感材料708施加到基片700上。第二輻射敏感材料706布置在第一輻射敏感材料704 和第三輻射敏感材料708之間。根據(jù)需要，第一、第二和第三輻射敏感材料704、706、708可 一次施加一個，或者可預先被層疊隨后被施加到基片700。掩膜710布置在至少一個輻射 源712和第一、第二和第三輻射敏感材料704、706、708之間。掩膜710可例如被成形為與 期望的形狀一致。在某些實施例中，掩膜710可具有多個高度，以形成具有不同厚度的擴散 介質(zhì)層20。第二和第三輻射敏感材料704、706、708通過掩膜710中的輻射透射孔被同時暴露 于多個至少部分不平行的輻射線束。至少部分不平行的輻射線束例如可通過移動平行光束 而被提供。從而形成在第一和第三輻射敏感材料704、708中柵格202、204對。第一、第二 和第三輻射敏感材料704、706、708隨后通過掩膜710上的輻射透射孔被同時暴露于多個平 行輻射線束。微桁架結(jié)構(gòu)200從而形成在第二輻射敏感材料706上位于柵格202、204對之 間。應該理解的是，根據(jù)本方法形成微桁架結(jié)構(gòu)200和柵格202、204有利于微桁架結(jié)構(gòu)200 與柵格202、204的適當對準。并且，應該理解的是，微桁架結(jié)構(gòu)200和柵格202、204的形成 都可通過將輻射線束從至少部分不平行改變?yōu)槠叫卸酝谎谀?10形成。
本領域普通技術人員應該理解的是，可通過向第一和第三輻射敏感材料704、708 提供比第二輻射敏感材料706較快的固化速率而有利于由第二輻射敏感材料706形成微桁 架結(jié)構(gòu)200和由第一和第三輻射敏感材料704、708形成柵格202、204。在可替代實施例中， 第一、第二和第三輻射敏感材料704、706、708可被選擇為使第一種輻射固化第一和第三輻 射敏感材料704、708，第二種輻射固化第二輻射敏感材料706。根據(jù)需要，可選擇用于引發(fā)、 聚合和使輻射敏感材料交聯(lián)中的一個的合適的輻射敏感材料。本發(fā)明的方法進一步包括在將第一、第二和第三輻射敏感材料704、706、708暴 露于至少部分不平行和平行的輻射線束的步驟之后，還包括移除第一、第二和第三輻射敏 感材料704、706、708的未固化體積的步驟。本發(fā)明的方法可進一步包括在暴露期間或在諸 如加熱的二次固化步驟中固化暴露的材料的步驟。如上所述的那樣，根據(jù)需要，微桁架結(jié)構(gòu) 200和柵格202、204的至少一個隨后可被涂覆有導電材料、涂覆有金屬氧化物或陶瓷，并且 被碳化。在另外的步驟中，具有微桁架結(jié)構(gòu)200和柵格202、204的擴散介質(zhì)層20可從基片 700移除。根據(jù)需要，涂層可為相對薄的層以在移除基片700之前保持尺寸，或者可為重的 可延展涂層。隨后可在微桁架結(jié)構(gòu)200和柵格202、204的具有選擇的導電材料的表面上施 加修整涂層。在另一實施例中，該方法包括在形成微桁架結(jié)構(gòu)200期間將至少一個輻射源712 旋轉(zhuǎn)出平面的步驟。布置為與第一桁架元件205、第二桁架元件207、第三桁架元件209和 第四桁架元件211相鄰的至少一個偏置桁架元件500從而被形成。同樣，用于在燃料電池 堆2工作期間將水從MEA3芯吸出去的銳角拐角600也通過偏置桁架元件500的形成而形 成。令人驚奇的發(fā)現(xiàn)的是，由輻射敏感材料形成的柵格202、204和微桁架結(jié)構(gòu)200的 采用節(jié)約了在燃料電池堆2中使用的擴散介質(zhì)層20的生產(chǎn)成本。本制造方案還比傳統(tǒng)的 形成方法便宜，允許通過顯著減少的研制周期制造出的擴散介質(zhì)層20具有不同的配置，包 括空間化變化的傳質(zhì)阻力。特別是，可通過替換傳統(tǒng)的碳紙擴散介質(zhì)而減少生產(chǎn)成本。盡管為了解釋本發(fā)明的目的已經(jīng)示出了某些代表性實施例和細節(jié)，但本領域技術 人員應該清楚的是，在不脫離進一步由在后面的所附權(quán)利要求中描述的本發(fā)明的范圍的情 況下可作出各種改變。
權(quán)利要求
一種用于燃料電池的擴散介質(zhì)層，包括布置在一對導電柵格之間的導電微桁架結(jié)構(gòu)，所述微桁架結(jié)構(gòu)和所述柵格中的至少一個由輻射敏感材料形成。
2.如權(quán)利要求1所述的擴散介質(zhì)層，其中所述微桁架結(jié)構(gòu)包括沿第一方向延伸的多個 第一桁架元件、沿第二方向延伸的多個第二桁架元件和沿第三方向延伸的多個第三桁架元 件。
3.如權(quán)利要求2所述的擴散介質(zhì)層，其中所述第一、第二和第三桁架元件在多個節(jié)點 處彼此交疊，以形成基本連續(xù)的三維自支撐結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的擴散介質(zhì)層，其中所述節(jié)點的至少一部分形成為與所述柵格中 的一個相鄰。
5.如權(quán)利要求2所述的擴散介質(zhì)層，其中偏置桁架元件布置為與所述第一、第二和第 三桁架元件中的至少一個相鄰，以形成銳角拐角。
6.如權(quán)利要求1所述的擴散介質(zhì)層，其中所述柵格中的至少一個包括沿第一方向延伸 的多個第一壁和沿第二方向延伸的多個第二壁，其中所述第一壁和所述第二壁形成多個四 邊形開口。
7.如權(quán)利要求5所述的擴散介質(zhì)層，其中所述柵格中的至少一個包括沿第三方向延伸 的多個第三壁，其中所述第一壁、所述第二壁和所述第三壁形成多個三角形開口和多個六 邊形開口，所述三角形開口比所述六邊形開口小。
8.如權(quán)利要求1所述的擴散介質(zhì)層，其中所述柵格中的至少一個具有基本平坦的表面。
9.一種燃料電池，包括膜電極組件，該膜電極組件具有布置在一對電極之間的電解質(zhì)膜；一對擴散介質(zhì)層，所述膜電極組件置于所述一對擴散介質(zhì)層之間，所述擴散介質(zhì)層中 的至少一個包括布置在一對導電柵格之間的導電微桁架結(jié)構(gòu)，所述微桁架結(jié)構(gòu)和所述柵格 中的至少一個由輻射敏感材料形成；和一對導電燃料電池板，其中所述膜電極組件和所述擴散介質(zhì)層布置在所述燃料電池板 之間。
10.一種制造燃料電池的擴散介質(zhì)層的方法，包括下列步驟提供基片；向所述基片上施加第一輻射敏感材料、第二輻射敏感材料和第三輻射敏感材料，所述 第二輻射敏感材料布置在所述第一輻射敏感材料和所述第三輻射敏感材料之間；將掩膜放置在至少一個輻射源與所述第一、第二、和第三輻射敏感材料之間，所述掩膜 沿一個平面延伸且具有形成在其內(nèi)的多個基本輻射透射的孔；使所述第一、第二和第三輻射敏感材料通過所述掩膜中的輻射透射孔暴露于多個至少 部分不平行的輻射線束，從而使一對柵格形成在所述第一和第三輻射敏感材料中；和使所述第一、第二和第三輻射敏感材料通過所述掩膜中的輻射透射孔暴露于多個平行 的輻射線束，從而在所述一對柵格之間的所述第二輻射敏感材料中形成微桁架結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過基于光聚合物的過程形成的擴散介質(zhì)，具體提供一種用于燃料電池的擴散介質(zhì)層，該擴散介質(zhì)層包括布置在一對導電柵格之間的導電微桁架結(jié)構(gòu)。微桁架結(jié)構(gòu)和柵格中的至少一個由輻射敏感材料形成。本發(fā)明還提供一種具有擴散介質(zhì)層的燃料電池和用于制造擴散介質(zhì)層的方法。
文檔編號H01M8/10GK101887980SQ201010180368
公開日2010年11月17日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者A·J·雅各布森, G·W·弗利, J·A·洛克, K·E·紐曼, P·D·布魯爾, R·E·多蒂, W·B·卡特, Y-H·賴 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司