專利名稱：組合子密封墊和膜支撐件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，且更具體地涉及通過光敏聚合制造的燃料電池子密封墊 (subgasket)0
背景技術(shù)：
燃料電池已經(jīng)作為一種用于電動(dòng)車輛和各種其它應(yīng)用的清潔、高效和環(huán)保的動(dòng)力 源提出。分立燃料電池可以串聯(lián)地堆疊在一起以形成燃料電池堆。燃料電池堆能夠供應(yīng)足 以給車輛提供動(dòng)力的電量。具體地，燃料電池堆已經(jīng)被認(rèn)為是在現(xiàn)代機(jī)動(dòng)車中使用的常規(guī) 內(nèi)燃機(jī)的可能替代。一種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(gè)基本部 件電解質(zhì)膜；和一對(duì)電極，所述電極包括陰極和陽極。電解質(zhì)膜夾在所述電極之間以形成 膜電極組件(MEA)。MEA通常設(shè)置在多孔擴(kuò)散介質(zhì)(DM)(如，碳纖維紙)之間，所述DM利于 反應(yīng)物的輸送，例如將氫氣輸送到陽極和將氧氣(通常來自于空氣)輸送到陰極。在電化 學(xué)燃料電池反應(yīng)中，氫氣在陽極催化氧化，以產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰 極。來自于陽極的電子不能穿過電解質(zhì)膜，且相反作為電流被引導(dǎo)通過電負(fù)載(例如，電動(dòng) 馬達(dá))到達(dá)陰極。質(zhì)子與陰極中的氧和電子反應(yīng)，產(chǎn)生水。電解質(zhì)膜通常由離聚物層形成。典型的離聚物是全氟磺酸(PFSA)聚合物，例如， 可從E. I.du Pont de Nemours and Company商業(yè)獲得的Nafion 。燃料電池的電極通常 由細(xì)分的催化劑形成。催化劑可為催化支持用于燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的氫的氧化和氧的還 原中的至少一種的任何電催化劑。催化劑通常是貴金屬，例如鉬或其它鉬族金屬。催化劑 通常設(shè)置在碳載體(例如碳黑顆粒)上且散置在離聚物中。電解質(zhì)膜、電極和DM設(shè)置在一對(duì)燃料電池板之間且例如用密封墊進(jìn)行密封，密封 墊提供基本不透流體的密封。電解質(zhì)膜也通常聯(lián)接有屏障膜或子密封墊，以提供內(nèi)部增強(qiáng) 和將供應(yīng)給燃料電池堆的氫氣和空氣分離。子密封墊通常疊置電解質(zhì)膜的邊緣且以二次操 作形成，通過將一片聚合物片材切削且用壓縮和粘結(jié)劑中的至少一個(gè)將所述片材與電解質(zhì) 膜結(jié)合。典型的子密封墊和用于將子密封墊聯(lián)接到電解質(zhì)膜的裝置在受讓者的同在審查中 的美國申請(qǐng)序列No. 11/972,211中描述，所述申請(qǐng)的全部內(nèi)容通過參考引入本文。然而，已 知的是，難以確保形成子密封墊的聚合物片材與電解質(zhì)膜的適當(dāng)對(duì)齊。在形成子密封墊期 間形成的過多聚合物片材也不能再次使用，從而導(dǎo)致材料的不希望浪費(fèi)。子密封墊疊置在 電解質(zhì)膜邊緣處還可以在燃料電池堆內(nèi)產(chǎn)生不希望的應(yīng)力上升(stress riser)。持續(xù)需要一種最小化制造浪費(fèi)、成本有效且利于電解質(zhì)膜與子密封墊在燃料電池 內(nèi)對(duì)齊的子密封墊和制造子密封墊的方法。期望所述子密封墊是機(jī)械穩(wěn)定的且防止在子密 封墊和電解質(zhì)膜之間的接合部處形成燃料電池內(nèi)的應(yīng)力上升。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，令人驚奇地發(fā)現(xiàn)一種最小化制造浪費(fèi)、成本有效、利于電解質(zhì)膜與子密封墊對(duì)齊在燃料電池內(nèi)、是機(jī)械穩(wěn)定的且防止在子密封墊和電解質(zhì)膜之間的接合部處形 成燃料電池內(nèi)的應(yīng)力上升的膜電極組件和制造膜電極組件的方法。在第一實(shí)施例中，一種用于燃料電池的膜電極組件，包括環(huán)繞多孔膜支撐區(qū)域的 基本不透流體進(jìn)料區(qū)域。所述進(jìn)料區(qū)域和所述膜支撐區(qū)域中的至少一個(gè)通過輻射固化結(jié)構(gòu) 至少部分地形成。在另一個(gè)實(shí)施例中，一種燃料電池包括膜電極組件。膜支撐區(qū)域用離聚物浸透 (imbibe)以形成電解質(zhì)膜。一對(duì)電極設(shè)置在電解質(zhì)膜的相對(duì)側(cè)上。所述燃料電池包括一對(duì) 氣體擴(kuò)散介質(zhì)。每個(gè)氣體擴(kuò)散介質(zhì)設(shè)置在一個(gè)電極上。子密封墊、電解質(zhì)膜、電極和氣體擴(kuò) 散介質(zhì)設(shè)置在一對(duì)導(dǎo)電燃料電池板之間。在又一實(shí)施例中，一種制造用于燃料電池的膜電極組件的方法，包括步驟提供一 定體積的輻射敏感材料和至少一個(gè)輻射源；將第一掩模放置在所述至少一個(gè)輻射源和所述 輻射敏感材料之間，所述第一掩模具有至少一個(gè)孔；使得所述輻射敏感材料暴露于多個(gè)輻 射束以形成具有多孔輻射固化結(jié)構(gòu)的膜支撐區(qū)域和環(huán)繞所述膜支撐區(qū)域的進(jìn)料區(qū)域；和將 所述輻射敏感材料的未固化體積從膜電極組件去除。
本發(fā)明的上述以及其它優(yōu)勢對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說從將從以下詳細(xì)說明尤其是 結(jié)合本文所述的附圖顯而易見。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的帶有組合子密封墊和膜支撐件的PEM燃料電池堆的示意 性分解透視圖，示出了僅兩個(gè)電池；圖2是圖1所示的組合子密封墊和膜支撐件的示意性透視圖，示出了設(shè)置在其上 的部分電極；圖3是圖1和2所示的膜支撐件的放大局部圖，示出了總體上由圖2中的截面線
3-3所示的具有用離聚物浸透的多孔結(jié)構(gòu)的膜支撐件；和圖4是圖1和2所示的子密封墊的放大局部圖，示出了總體上由圖2中的截面線
4-4所示的具有多個(gè)內(nèi)部肋部的進(jìn)料區(qū)域；和
圖5示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例的子密封墊。
具體實(shí)施例方式以下詳細(xì)說明和附圖描述并圖示本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例。所述說明和附圖用于使得 本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，且不意在以任何方式限制本發(fā)明的范圍。關(guān)于所 公開的方法，所示步驟僅僅本質(zhì)上是示例性的，因而不是必要或關(guān)鍵的。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的PEM燃料電池堆2。為了簡單起見，在圖1中僅僅圖示和 描述了兩電池的堆(即，一個(gè)雙極板)，應(yīng)當(dāng)理解的是，典型燃料電池堆將具有許多更多的 這種燃料電池和雙極板。燃料電池堆2包括具有組合子密封墊和膜支撐件的至少一個(gè)MEA3。所述至少一個(gè)MEA3從由被子密封墊6支撐的電解質(zhì)膜4形成。電解質(zhì)膜4均夾在一對(duì)電極7之間。雖 然為了簡單起見示出了催化劑涂層膜(CCM)設(shè)計(jì)的MEA3，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，燃料電池堆2 可根據(jù)期望采用催化劑涂層擴(kuò)散介質(zhì)(CCDM)設(shè)計(jì)。
導(dǎo)電雙極板8將MEA3分離。電解質(zhì)膜4、電極7和雙極板8在一對(duì)夾板10和一對(duì) 單極端板14之間堆疊在一起。夾板10從端板14例如通過密封墊或介電涂層(未示出) 電絕緣。單極端板14和雙極板8包括用于分配反應(yīng)物(例如氫氣和氧氣/空氣)給電極 7的活性區(qū)域16。雙極板8和單極端板14還可包括配置成分配反應(yīng)物給電極7的多個(gè)流 動(dòng)通道(未示出)。燃料電池堆2可包括不導(dǎo)電密封墊18以在燃料電池堆2的部件之間提供密封和 電絕緣。然而，如果子密封墊6充分密封和電絕緣燃料電池堆2，應(yīng)當(dāng)理解如果期望可不采 用密封墊18。多孔氣體擴(kuò)散介質(zhì)20(例如，碳或石墨擴(kuò)散紙)鄰接在電解質(zhì)膜4周圍設(shè)置 的電極7。氣體擴(kuò)散介質(zhì)20設(shè)置在電解質(zhì)膜4和雙極板8之間，以及在電解質(zhì)膜4和單極 端板14之間。子密封墊6、雙極板8、單極端板14和密封墊18均包括陰極供應(yīng)孔22和陰極排出 孔24、冷卻劑供應(yīng)孔25和冷卻劑排出孔27、以及陽極供應(yīng)孔26和陽極排出孔28。燃料電 池堆2的供應(yīng)歧管和排出歧管通過將子密封墊6、雙極板8、單極端板14和密封墊18中的 相應(yīng)孔22、24、25、26、27、28對(duì)齊而形成。氫氣經(jīng)由陽極入口管道30供應(yīng)給陽極供應(yīng)歧管。 氧氣/空氣經(jīng)由陰極入口管道32供應(yīng)給燃料電池堆2的陰極供應(yīng)歧管。陽極出口管道34 和陰極出口管道36也分別設(shè)置用于陽極排出歧管和陰極排出歧管。冷卻劑入口管道38設(shè) 置用于供應(yīng)液體冷卻劑給冷卻劑供應(yīng)歧管。冷卻劑出口管道40設(shè)置用于從冷卻劑排出歧 管去除冷卻劑。應(yīng)當(dāng)理解的是，圖1中各個(gè)入口 30、32、38和出口 34、36、40的配置是用于 圖示目的，且可以根據(jù)期望選擇其它配置。圖2示出了具有根據(jù)本發(fā)明的密封墊6的MEA3。MEA4包括環(huán)繞多孔膜支撐區(qū)域 204的基本不透流體進(jìn)料區(qū)域202。所述進(jìn)料區(qū)域202和所述膜支撐區(qū)域204中的至少一 個(gè)通過輻射固化結(jié)構(gòu)206至少部分地形成。本發(fā)明的輻射固化結(jié)構(gòu)206由輻射敏感材料形 成，例如在受讓者的同在審查中的美國專利申請(qǐng)No. 12/339，308中描述，所述申請(qǐng)的全部 內(nèi)容通過參考引入本文。密封墊6可從具有進(jìn)料區(qū)域202和所述膜支撐區(qū)域204的片材200形成。片材可 為輻射固化聚合物或根據(jù)期望由其它合適材料制成。進(jìn)料區(qū)域202可為基本不透流體的。 短語“基本不透流體”在此定義為指的是流體流從進(jìn)料區(qū)域202的靠近第一電極7的一側(cè) 基本不可滲透到進(jìn)料區(qū)域202的靠近第二電極7的另一側(cè)。膜支撐區(qū)域204是多孔的且與 進(jìn)料區(qū)域202整體形成。膜支撐區(qū)域204可包括多孔輻射固化結(jié)構(gòu)206。多孔輻射固化結(jié) 構(gòu)206可包括例如聚合物篩(例如，其中形成有多個(gè)豎直孔的聚合物樣式)和微桁架結(jié)構(gòu) 中的至少一種。也可以根據(jù)期望采用其它合適的多孔輻射固化結(jié)構(gòu)206。在另一個(gè)實(shí)施例中，膜支撐區(qū)域204可由多孔層(例如EPTFE層)形成。圖示性 地，多孔層可沉浸在液體輻射敏感材料中，且進(jìn)料區(qū)域202暴露于輻射以從得到的輻射固 化結(jié)構(gòu)206形成固態(tài)子密封墊6。如圖3更清楚地所示，膜支撐區(qū)域204的輻射固化結(jié)構(gòu)206可具有微桁架結(jié)構(gòu)。輻射固化結(jié)構(gòu)206可用離聚物208浸透以形成電解質(zhì)膜。離聚物208可為全氟磺酸(PFSA) 聚合物，但是也可以使用包括碳?xì)浠衔镫x聚物的其它離聚物材料(例如磺化聚醚醚酮、 芳基酮和聚苯并咪唑)。電極7設(shè)置在由膜支撐區(qū)域204支撐的電解質(zhì)膜4的相對(duì)側(cè)上。如圖3和4所示，輻射固化結(jié)構(gòu)206可包括沿第一方向延伸的多個(gè)第一桁架元件300、沿第二方向延伸的多個(gè)第二桁架元件302和沿第三方向延伸的多個(gè)第三桁架元件 304。當(dāng)例如由液體光敏單體形成時(shí)，第一、第二和第三桁架元件300、302、304可通過自動(dòng) 傳播聚合物桁架波導(dǎo)體限定。第一、第二和第三桁架元件300、302、304在多個(gè)節(jié)點(diǎn)306處 彼此互穿。應(yīng)當(dāng)理解的是，第一、第二和第三桁架元件300、302、304可不彼此互穿，或者可 以根據(jù)期望間歇性地在多個(gè)節(jié)點(diǎn)306處彼此互穿，以形成基本連續(xù)的三維自支撐輻射固化 結(jié)構(gòu)206。雖然具有多個(gè)第一桁架元件300、多個(gè)第二桁架元件302和多個(gè)第三桁架元件304 的微桁架結(jié)構(gòu)可具有上述3折結(jié)構(gòu)對(duì)稱(3-fold architectural symmetry)，但是技術(shù)人員 將理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可使用其它結(jié)構(gòu)，例如4折對(duì)稱和6折對(duì)稱。例如，可選擇具體 結(jié)構(gòu)以增加微桁架結(jié)構(gòu)連通性并減少微析架結(jié)構(gòu)206在負(fù)載下對(duì)彎曲和翹曲的易受性。根 據(jù)期望，所選擇結(jié)構(gòu)可以是對(duì)稱或不對(duì)稱的。也可以選擇結(jié)構(gòu)以優(yōu)化微桁架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和 剛度。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)理解，可根據(jù)期望采用微桁架結(jié)構(gòu)的其它結(jié)構(gòu)。/^Mtiitlff Ιβ π I^J ^ Jacobsen ^^ "Compressionbehavior of micro-scale truss structures formed from self-propagatingpolymer waveguidesActa Materiallia 55，(2007)6724-6733中描述，所述文獻(xiàn)全部內(nèi)容通過參考引入本文。形成有 序微桁架結(jié)構(gòu)206的一種方法和系統(tǒng)在Jacobsen的美國專利No. 7，382，959中公開，所述 專利全部內(nèi)容通過參考引入本文。通過所述方法和系統(tǒng)制造的微桁架結(jié)構(gòu)還由Jacobsen 在美國專利申請(qǐng)No. 11/801,908中公開，所述申請(qǐng)全部內(nèi)容通過參考引入本文。通過暴露 于光形成且由于聚合物波導(dǎo)體的光自聚焦或自捕獲引起的其它合適微結(jié)構(gòu)也由Kewitsch 等在美國專利No. 6，274，288中公開，所述專利全部內(nèi)容通過參考引入本文。子密封墊6的進(jìn)料區(qū)域202具有在其中形成的至少一個(gè)供應(yīng)孔22、25、26和至少 一個(gè)排出孔24、27、28。進(jìn)料區(qū)域202是基本不透流體的以防止供應(yīng)給燃料電池堆2的氫氣 和氧氣反應(yīng)物交叉穿過(crossover)。例如，進(jìn)料區(qū)域202可形成為輻射固化材料的基本固 態(tài)平面片材210。在圖2和4所示的另一個(gè)實(shí)施例中，膜支撐區(qū)域204的輻射固化結(jié)構(gòu)206 可延伸到進(jìn)料區(qū)域202中。在這種情況下，輻射固化結(jié)構(gòu)206設(shè)置在一對(duì)基本固態(tài)平面片 材210之間以形成中空的但基本不透流體的進(jìn)料區(qū)域202。輻射固化結(jié)構(gòu)206可替代地設(shè) 置靠近至少一個(gè)基本固態(tài)平面片材210以形成基本不透流體的進(jìn)料區(qū)域202。本領(lǐng)域技術(shù) 人員將理解，中空進(jìn)料區(qū)域202的形成在燃料電池2操作期間可利于進(jìn)料區(qū)域202的壓縮。 中空進(jìn)料區(qū)域202也可提供足以防止進(jìn)料區(qū)域202不希望地變形到例如在雙極板8和單極 板14的非活性區(qū)域中形成的流動(dòng)通道內(nèi)的彎曲強(qiáng)度。在某些說明性實(shí)施例中，中空進(jìn)料區(qū)域202內(nèi)的微桁架結(jié)構(gòu)206的聚合物可用金 屬氧化物或陶瓷涂層，以提供期望水平的彎曲強(qiáng)度。例如，陶瓷輻射固化結(jié)構(gòu)206和制備陶 瓷輻射固化結(jié)構(gòu)206的方法由Gross等在美國專利申請(qǐng)序列No. 12/074，727中公開，所述 申請(qǐng)全部內(nèi)容通過參考引入本文。金屬層(例如非電鍍鎳)可添加到該對(duì)基本固態(tài)平面片 材210以提供彎曲剛度同時(shí)仍允許壓縮。還應(yīng)當(dāng)理解的是，進(jìn)料區(qū)域202可根據(jù)期望包括 在該對(duì)固態(tài)平面片材210之間的其它結(jié)構(gòu)，例如內(nèi)部肋部和類似輻射固化結(jié)構(gòu)。例如，輻射 固化結(jié)構(gòu)206或其它結(jié)構(gòu)可填充平面片材210之間的進(jìn)料區(qū)域202。根據(jù)本發(fā)明的子密封墊6可形成為在其長度上具有大致恒定厚度。在另一個(gè)實(shí)施例中，膜支撐區(qū)域204的平均厚度可小于進(jìn)料區(qū)域202的平均厚度。膜支撐區(qū)域204的較小厚度可利于用離聚物208浸透膜支撐區(qū)域204。應(yīng)當(dāng)理解的是，離聚物208的厚度可根 據(jù)期望大于下層膜支撐區(qū)域204的厚度。在又一實(shí)施例中，靠近膜支撐區(qū)域204設(shè)置的進(jìn) 料區(qū)域202的第一區(qū)域可具有第一厚度，第一厚度與膜支撐區(qū)域204的平均厚度大致相同。 從而防止通常與電解質(zhì)膜4和子密封墊6的接合部相關(guān)的應(yīng)力上升。從膜支撐區(qū)域204隔 開的進(jìn)料區(qū)域202的第二區(qū)域可具有第二厚度，第二厚度大于膜支撐區(qū)域204的平均厚度。 進(jìn)料區(qū)域202的厚度例如在移動(dòng)遠(yuǎn)離膜支撐區(qū)域204的方向可逐漸增加。作為非限制性示 例，進(jìn)料區(qū)域202可漸縮至膜支撐區(qū)域204的厚度。進(jìn)料區(qū)域202的厚度增加也可以根據(jù) 期望是間歇性的或大致恒定的。從膜支撐區(qū)域204隔開的進(jìn)料區(qū)域202的較大厚度可導(dǎo)致 在燃料電池堆2操作期間當(dāng)壓縮時(shí)燃料電池堆2的優(yōu)化密封。在圖5中示出了本發(fā)明的又一實(shí)施例。為了清楚起見，與圖1-4類似的結(jié)構(gòu)具有 相同附圖標(biāo)記和單引號(hào)(’)。輻射固化結(jié)構(gòu)206’可包括第一、第二和第三桁架元件300’、 302’、304’，而沒有相交節(jié)點(diǎn)306。輻射固化結(jié)構(gòu)206’也可具有一對(duì)輻射固化柵格500，輻 射固化結(jié)構(gòu)206’在輻射固化柵格500之間形成。應(yīng)當(dāng)理解的是，具有不相交的第一、第二 和第三桁架元件300’、302’、304’的輻射固化結(jié)構(gòu)206’可有助于輻射固化結(jié)構(gòu)206’在垂 直于柵格500的方向上的期望柔性。本發(fā)明包括用于制造具有膜支撐區(qū)域204的子密封墊6的方法。所述方法首先包 括步驟提供一定體積的輻射敏感材料和至少一個(gè)輻射源。根據(jù)本發(fā)明的輻射敏感材料包 括輻射固化材料和輻射分解材料。術(shù)語“輻射固化材料”在本文定義為通過暴露于輻射而 被引發(fā)、聚合和交聯(lián)中的至少一種的任何材料。應(yīng)當(dāng)理解的是，在通過暴露于輻射而引發(fā)之 后，也可以采用溫度增加來至少部分完成輻射固化材料的聚合或交聯(lián)。術(shù)語“輻射分解材 料”在本文定義為通過暴露于輻射而展現(xiàn)聚合物骨架的分開和去交聯(lián)中的至少一種的任何 材料。作為非限制性示例，輻射分解材料可制成通過輻射分解材料的聚合物骨架的交聯(lián)充 分?jǐn)嚅_和/或分開而可被溶劑溶解。作為非限制性示例，輻射固化材料可包括液體光敏單體和基本固態(tài)輻射固化聚合 物中的一種。液體光敏單體可在貯存器中提供，貯存器配置用于在其上放置掩模。液體光敏 單體可包括在暴露于UV輻射時(shí)經(jīng)由自由徑向聚合過程來聚合的單體(例如在Jacobsen的 美國專利No. 7，382，959和美國專利申請(qǐng)序列No. 11/801，908所述的)和基本固態(tài)輻射敏 感聚合物。光敏單體可包括任何合適的自由徑向光敏聚合物材料，例如氨基甲酸乙酯(聚 氨基甲酸乙酯)、丙烯酸酯、異丁烯酸酯和陽離子聚合物(例如光固化環(huán)氧樹脂)。也可以 采用其它合適的光敏單體。合適的基本固態(tài)輻射固化聚合物可包括負(fù)性抗蝕聚合物。負(fù)性抗蝕聚合物經(jīng)受光 引發(fā)過程，所述光引發(fā)過程通過例如聚合或縮聚導(dǎo)致負(fù)性抗蝕聚合物的固化。在基本同時(shí) 發(fā)生聚合或縮聚反應(yīng)時(shí)，該過程稱為“光固化”。當(dāng)由光引發(fā)過程僅僅產(chǎn)生反應(yīng)物且需要隨 后的步驟(例如加熱)來產(chǎn)生聚合或縮聚時(shí)，該過程稱為“光引發(fā)”。應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管固 化后熱處理對(duì)于完成聚合步驟可能是必要的，但是在引發(fā)輻射暴露期間也可生成在負(fù)性抗 蝕聚合物中大致穩(wěn)定的輻射固化特征?；竟虘B(tài)輻射固化聚合物能夠經(jīng)受僅僅引發(fā)過程， 且由于內(nèi)在穩(wěn)定性和在固態(tài)輻射固化聚合物中的化學(xué)物的有限擴(kuò)散速率，也可以在更靠后 進(jìn)行固化過程，而不會(huì)引起顯著的特征降級(jí)。應(yīng)當(dāng)理解的是，大多數(shù)光引發(fā)聚合物在引發(fā)過程起初開始固化過程，但是在暴露溫度下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)如此慢，使得在將負(fù)性抗蝕聚合物加熱至期望固化溫度之前可發(fā)生很少(如果有的話)的聚合或縮聚。一種具體的負(fù)性抗蝕聚合物是從Newton, Massachusetts的Microchem Corporation可商業(yè)獲得的環(huán)氧樹脂基SU-82000 負(fù)性抗蝕聚合物。SU-82000 負(fù)性抗蝕 聚合物可通過UV輻射固化。應(yīng)當(dāng)理解的是，可以采用其它基本固態(tài)輻射固化聚合物。例 如，類似上述光敏單體，所選擇的輻射固化聚合物可根據(jù)期望使用UV輻射之外的波長的輻 射來固化。輻射固化聚合物也可以選擇具有比例如液體光敏單體更慢的固化速率，以防止 在較快固化層暴露于輻射源時(shí)較慢固化層中出現(xiàn)的特征。作為非限制性示例，輻射分解材料可包括正性抗蝕聚合物。正性抗蝕聚合物始于 交聯(lián)聚合物，但可包括光引發(fā)劑，在暴露于具體輻射時(shí)，光引發(fā)劑產(chǎn)生化學(xué)物，所述化學(xué)物 通過斷開交聯(lián)和分開聚合物骨架中的至少一種來分解聚合物。所述分解使得正性抗蝕聚合 物可溶解在已經(jīng)暴露于輻射的區(qū)域中。正性抗蝕聚合物保持固化的區(qū)域被遮掩而不是暴露 (在上述負(fù)性抗蝕聚合物就是如此)。在某些實(shí)施例中，正性抗蝕聚合物對(duì)輻射(例如，紫 外或電子束)敏感，而不需要光引發(fā)劑。例如，正性抗蝕聚合物可自身被輻射破壞且剩余的 分開的鏈可溶解在溶劑中。根據(jù)期望也可以采用其它類型的正性抗蝕聚合物。固化和分解輻射敏感材料之一所采用的輻射可包括例如來自于Mercury弧光燈 的UV束。輻射可根據(jù)期望是電磁輻射或顆粒輻射。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，也可以采用具有其 它波長(例如，紅外、可見光和X射線輻射)和來自于其它源(例如，白熾燈和激光器)的輻 射。也可以采用顆粒輻射，例如來自于陰極射線源的電子束。還應(yīng)當(dāng)理解的是，根據(jù)期望， 輻射可以是準(zhǔn)直的、部分準(zhǔn)直的或非準(zhǔn)直的。輻射通常經(jīng)由在其中形成有孔或開口的至少一個(gè)掩模導(dǎo)向輻射敏感材料，輻射可 通過所述孔或開口接觸輻射敏感材料。掩?？啥ㄐ螢榕c期望表面相符。掩模可根據(jù)期望沿 單個(gè)平面或多個(gè)平面延伸。例如，掩模可具有多個(gè)高度以形成具有多個(gè)厚度的進(jìn)料區(qū)域202 和膜支撐區(qū)域204中的至少一個(gè)。在另一個(gè)示例中，孔可為在其它形式的不透明或輻射阻 擋材料中形成的基本滲透輻射的孔。在具體實(shí)施例中，掩?？蓮牟Ａ矫婊騇ylar片材形 成，且利于將輻射束相對(duì)于掩?；蛳聦踊滓砸欢ń嵌葘?dǎo)向。掩?？稍诒┞吨竽米卟⒈?清潔以便再次使用。在掩模中形成的孔或開口具有提供輻射束的形狀，以便形成具有期望 截面形狀的聚合物結(jié)構(gòu)。所述方法還包括步驟將第一掩模放置在所述至少一個(gè)輻射源和所述輻射敏感材 料之間。所述第一掩模沿單個(gè)平面延伸具有至少一個(gè)孔，來自于輻射源的輻射可通過所述 至少一個(gè)孔。所述輻射敏感材料暴露于多個(gè)輻射束以形成具有輻射固化結(jié)構(gòu)206的膜支撐 區(qū)域204。所述輻射敏感材料也暴露于多個(gè)輻射束以形成環(huán)繞所述膜支撐區(qū)域204的進(jìn)料 區(qū)域202。技術(shù)人員可根據(jù)期望選擇合適的掩模材料、孔和開口尺寸和形狀、以及得到的結(jié) 構(gòu)構(gòu)造。暴露于輻射可以例如一連串短暴露間歇性地進(jìn)行或者以較長的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行以 提供期望結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在一個(gè)實(shí)施例中，進(jìn)料區(qū)域202除了期望形成供應(yīng)和排出孔22、24、25、 26、27、28的那些區(qū)域之外完全暴露于輻射。完全暴露于輻射得到進(jìn)料區(qū)域202中的基本固 態(tài)不透流體片材210。例如，第一掩?？膳渲贸赏耆┞哆M(jìn)料區(qū)域202的表面且提供進(jìn)料區(qū) 域202中的基本固態(tài)平面片材210?？蛇x擇暴露持續(xù)時(shí)間以提供片材210的期望厚度。進(jìn) 料區(qū)域202的期望厚度也可以通過隨后暴露或者通過使用例如高度變化的掩模而改變。
膜支撐區(qū)域204可如上所述暴露于輻射束以形成多孔輻射固化結(jié)構(gòu)206。例如，輻 射束可包括從所述至少一個(gè)輻射源朝第一掩模的所述至少一個(gè)孔導(dǎo)向的第一輻射束、第二輻 射束和第三輻射束。所述第一、第二和第三輻射束分別在輻射敏感材料的一部分體積中形成 聚合物波導(dǎo)體的第一、第二和第三波導(dǎo)體。第一輻射束相對(duì)于所述單個(gè)平面以第一角度導(dǎo)向， 第二輻射束相對(duì)于所述單個(gè)平面以第二角度導(dǎo)向，第二角度不同于第一角度，第三輻射束相 對(duì)于所述單個(gè)平面以第三角度導(dǎo)向，第三角度不同于第一角度和第二角度。第一聚合物桁架 元件300相對(duì)于所述單個(gè)平面形成第四角度，第四角度對(duì)應(yīng)于第一角度，第二聚合物桁架元 件302相對(duì)于所述單個(gè)平面形成第五角度，第五角度對(duì)應(yīng)于第二角度，第三聚合物桁架元件 304相對(duì)于所述單個(gè)平面形成第六角度，第六角度對(duì)應(yīng)于第三角度。第一、第二和第三聚合物 桁架元件300、302、304在節(jié)點(diǎn)306處彼此相交以形成輻射固化結(jié)構(gòu)206。所述方法還包括步驟在制造之后，將所述輻射敏感材料的未固化體積從帶有子 密封墊6的MEA3去除。應(yīng)當(dāng)理解的是，術(shù)語“未固化輻射敏感材料”也可包括在本發(fā)明的 范圍內(nèi)的分解的輻射敏感材料。如果輻射敏感材料是液體光敏單體，輻射敏感材料可排出 并收集以再次使用。MEA3可例如用合適的溶劑沖洗，且溶劑被排出以去除殘余未固化輻射 敏感材料。也可以采用用于從子密封墊6去除輻射敏感材料的未固化體積的其它方法。在另一個(gè)實(shí)施例中，可使得膜支撐區(qū)域204的輻射固化結(jié)構(gòu)206延伸到進(jìn)料區(qū)域 202中，如圖4所示。例如，形成聚合物桁架波導(dǎo)體的帶有多個(gè)孔的第一掩模的部分可延伸 跨過進(jìn)料區(qū)域202。應(yīng)當(dāng)理解的是，進(jìn)料區(qū)域202的至少一部分可根據(jù)期望用輻射固化結(jié)構(gòu) 206形成。如果使得輻射固化結(jié)構(gòu)206延伸到進(jìn)料區(qū)域202中，那么所述方法還包括步驟 將進(jìn)料區(qū)域202的表面暴露于多個(gè)輻射束以使得進(jìn)料區(qū)域202變成基本不透流體的。進(jìn)料 區(qū)域202的表面暴露在輻射固化結(jié)構(gòu)206頂部上形成一對(duì)基本固態(tài)平面片材210。從而，進(jìn) 料區(qū)域202中的微桁架結(jié)構(gòu)206可設(shè)置在平面片材210之間，使得進(jìn)料區(qū)域202是基本不 透流體的。使得內(nèi)部具有輻射固化結(jié)構(gòu)206的進(jìn)料區(qū)域202的表面暴露的步驟還可包括步 驟在將輻射敏感材料暴露于多個(gè)輻射束以形成輻射固化結(jié)構(gòu)206的步驟之后，將至少一 個(gè)第二掩模放置在所述至少一個(gè)輻射源和輻射敏感材料之間。第二掩模具有至少一個(gè)孔。 第二掩?？煽拷M(jìn)料區(qū)域202的每個(gè)表面放置，以完全將進(jìn)料區(qū)域暴露給來自于輻射源的 輻射。從而，第二掩?？捎糜谛纬稍搶?duì)平面片材210，該對(duì)平面片材210夾持MEA3的進(jìn)料區(qū) 域202中的輻射固化結(jié)構(gòu)206。MEA3還可以被處理以制備用于組裝在燃料電池堆2中的MEA3。例如，離聚物208 可應(yīng)用于膜支撐區(qū)域204以形成電解質(zhì)膜4。應(yīng)用離聚物208的步驟可包括例如以直線涂 層操作來滾涂離聚物208以用離聚物208浸透膜支撐區(qū)域204。離聚物208也可以散布在 膜支撐區(qū)域204上且通過施加壓力嵌入膜支撐區(qū)域204中。離聚物208還可通過噴涂應(yīng)用 至期望厚度。在又一非限制性示例中，離聚物208可注射模制到膜支撐區(qū)域204中。本領(lǐng) 域技術(shù)人員可根據(jù)期望選擇其它合適的方法以將離聚物208應(yīng)用于膜支撐區(qū)域204。繼續(xù)參考圖4，應(yīng)當(dāng)理解的是，如果在MEA3的制造期間形成中空進(jìn)料區(qū)域202，離聚物208的應(yīng)用也可以密封中空進(jìn)料區(qū)域202。從而，離聚物208可利于形成在例如內(nèi)部具 有輻射固化結(jié)構(gòu)206的基本不透流體的進(jìn)料區(qū)域202?；静煌噶黧w的進(jìn)料區(qū)域202防止 活性電解質(zhì)膜4的一側(cè)交叉滲漏到另一側(cè)。
在應(yīng)用于MEA3時(shí)，電極7也可以應(yīng)用于電解質(zhì)膜4的表面。例如，所述方法 可包括步驟用催化劑墨涂層電解質(zhì)膜4的表面，催化劑墨例如在Zuber等的美國專利 No. 6，156，449中所述，所述專利的全部內(nèi)容通過參考引入本文。將催化劑墨涂層到電解質(zhì) 膜4上的步驟可包括將催化劑墨噴涂、浸漬、涂刷、滾動(dòng)傳送、狹縫模具式涂層、凹版涂布、 Meyer桿涂層和印刷到電解質(zhì)膜4上中的至少一種。應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明可等同地包括步 驟根據(jù)期望將擴(kuò)散介質(zhì)20用催化劑墨涂層以形成電極7。干燥催化劑墨以形成電極7通常在高溫下進(jìn)行，所述高溫被選擇以驅(qū)走催化劑墨 中的任何溶劑而不會(huì)使得在催化劑墨成分中存在的任何離聚物、碳顆粒和催化劑熱降級(jí)。 在具體實(shí)施例中，干燥催化劑墨的步驟包括用紅外干燥器干燥催化劑墨。作為非限制性示 例，催化劑墨可在約300° F的溫度下干燥高達(dá)約4分鐘。也可以采用其它合適的干燥溫 度、干燥時(shí)間和干燥催化劑墨的方式。應(yīng)當(dāng)理解的是，通過制造具有膜支撐區(qū)域204的子密封墊6，將防止與電解質(zhì)膜4 的不對(duì)齊和定位偏差。子密封墊6也能夠在不同區(qū)域中形成為具有不同厚度，而沒有在常 規(guī)制造過程中通常發(fā)生的廢棄材料。具有膜支撐區(qū)域204的子密封墊6的成本受到用于制 造的材料的限制，且在液體光敏單體的情況下，液體光敏單體的主體在制造子密封墊6之 后可以再次使用。也改進(jìn)了設(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)期望容易地選擇膜支撐區(qū)域204和 MEA3的各個(gè)其它區(qū)域的厚度。另外，在膜支撐區(qū)域204用離聚物208浸透時(shí)，膜支撐區(qū)域 204與子密封墊6整體形成提供了電解質(zhì)膜4與子密封墊6的內(nèi)在對(duì)齊。雖然為了說明本發(fā)明已經(jīng)示出了某些代表性實(shí)施例和細(xì)節(jié)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員 將理解，在不偏離由所附權(quán)利要求進(jìn)一步描述的本發(fā)明的范圍的情況下可作出各種變化。
權(quán)利要求
一種用于燃料電池的膜電極組件，包括環(huán)繞多孔膜支撐區(qū)域的基本不透流體進(jìn)料區(qū)域，所述進(jìn)料區(qū)域和所述膜支撐區(qū)域中的至少一個(gè)通過輻射固化結(jié)構(gòu)至少部分地形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極組件，其中，所述膜支撐區(qū)域用離聚物浸透以形成電解質(zhì)膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膜電極組件，還包括設(shè)置在電解質(zhì)膜的相對(duì)側(cè)上的一對(duì)電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極組件，其中，所述輻射固化結(jié)構(gòu)包括微桁架結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極組件，其中，所述進(jìn)料區(qū)域具有在其中形成的至少一 個(gè)入口孔和至 少一個(gè)出口孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極組件，其中，進(jìn)料區(qū)域是基本固態(tài)的平面片材。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極組件，其中，所述膜支撐區(qū)域的多孔輻射固化結(jié)構(gòu)延 伸到進(jìn)料區(qū)域中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的膜電極組件，其中，延伸到進(jìn)料區(qū)域中的多孔輻射固化結(jié)構(gòu) 設(shè)置在一對(duì)基本固態(tài)的平面片材之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極組件，其中，靠近膜支撐區(qū)域設(shè)置的進(jìn)料區(qū)域的第一 區(qū)域具有與膜支撐區(qū)域的平均厚度大致相同的第一厚度，且其中，從膜支撐區(qū)域間隔開的 進(jìn)料區(qū)域的第二區(qū)域具有比膜支撐區(qū)域的平均厚度更大的第二厚度。
10.一種燃料電池，包括膜電極組件，所述膜電極組件具有環(huán)繞多孔膜支撐區(qū)域的基本不透流體進(jìn)料區(qū)域，所 述進(jìn)料區(qū)域和所述膜支撐區(qū)域中的至少一個(gè)通過輻射固化結(jié)構(gòu)至少部分地形成，膜支撐區(qū) 域用離聚物浸透以形成電解質(zhì)膜；設(shè)置在電解質(zhì)膜的相對(duì)側(cè)上的一對(duì)電極； 一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)，每個(gè)氣體擴(kuò)散介質(zhì)設(shè)置在一個(gè)電極上；和 一對(duì)導(dǎo)電燃料電池板，其中，子密封墊、電解質(zhì)膜、電極和氣體擴(kuò)散介質(zhì)設(shè)置在所述燃 料電池板之間。
11.一種制造用于燃料電池的膜電極組件的方法，所述方法包括步驟 提供一定體積的輻射敏感材料和至少一個(gè)輻射源；將第一掩模放置在所述至少一個(gè)輻射源和所述輻射敏感材料之間，所述第一掩模具有 至少一個(gè)孔；使得所述輻射敏感材料暴露于多個(gè)輻射束以形成具有多孔輻射固化結(jié)構(gòu)的膜支撐區(qū) 域和環(huán)繞所述膜支撐區(qū)域的進(jìn)料區(qū)域；和將所述輻射敏感材料的未固化體積從膜電極組件去除。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述輻射敏感材料是液體光敏單體和基本固 態(tài)輻射敏感聚合物之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，進(jìn)料區(qū)域是基本不透流體的。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述輻射束包括從所述至少一個(gè)輻射源朝所 述至少一個(gè)孔導(dǎo)向的第一輻射束、第二輻射束和第三輻射束，以分別在輻射敏感材料的一 部分體積中形成第一、第二和第三聚合物桁架元件，其中，第一輻射束相對(duì)于所述單個(gè)平面 以第一角度導(dǎo)向，第二輻射束相對(duì)于所述單個(gè)平面以第二角度導(dǎo)向，第二角度不同于第一角度，第三輻射束相對(duì)于所述單個(gè)平面以第三角度導(dǎo)向，第三角度不同于第一角度和第二角度，第一聚合物桁架元件相對(duì)于所述單個(gè)平面形成第四角度，第四角度對(duì)應(yīng)于第一角度， 第二聚合物桁架元件相對(duì)于所述單個(gè)平面形成第五角度，第五角度對(duì)應(yīng)于第二角度，第三 聚合物桁架元件相對(duì)于所述單個(gè)平面形成第六角度，第六角度對(duì)應(yīng)于第三角度，其中第一、 第二和第三聚合物桁架元件彼此相交以形成微桁架結(jié)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，第一掩模的所述至少一個(gè)孔在進(jìn)料區(qū)域中提 供基本固態(tài)的平面片材，其中，所述進(jìn)料區(qū)域具有在其中形成的至少一個(gè)入口孔和至少一 個(gè)出口孔。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，使得所述膜支撐區(qū)域的輻射固化結(jié)構(gòu)延伸到 進(jìn)料區(qū)域中。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括步驟在將輻射敏感材料暴露于多個(gè)輻射束 以形成多孔輻射固化結(jié)構(gòu)的步驟之后，將第二掩模放置在所述至少一 射源和輻射敏感 材料之間，第二掩模具有靠近進(jìn)料區(qū)域的至少一個(gè)孔。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括步驟將進(jìn)料區(qū)域的至少一個(gè)表面暴露于多 個(gè)輻射束以形成至少一個(gè)基本固態(tài)的平面片材，進(jìn)料區(qū)域的多孔輻射固化結(jié)構(gòu)靠近所述基 本固態(tài)的平面片材設(shè)置。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括步驟將離聚物應(yīng)用于膜支撐區(qū)域以形成電 解質(zhì)膜。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括步驟用催化劑墨涂層電解質(zhì)膜的表面和干 燥催化劑墨以在電解質(zhì)膜上形成一對(duì)電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及組合子密封墊和膜支撐件。提供用于燃料電池的組合子密封墊和膜支撐件。組合子密封墊和膜支撐件包括環(huán)繞多孔膜支撐區(qū)域的基本不透流體進(jìn)料區(qū)域。所述膜支撐區(qū)域與進(jìn)料區(qū)域整體地形成。所述進(jìn)料區(qū)域和所述膜支撐區(qū)域中的至少一個(gè)通過輻射固化結(jié)構(gòu)至少部分地形成。還提供用于制造燃料電池的子密封墊和膜支撐件的方法。
文檔編號(hào)H01M4/88GK101841045SQ200910262240
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者A·J·雅各布森, G·W·弗利, J·A·羅克, K·E·紐曼, P·D·布魯爾, P·劉, W·B·卡特, Y·-H·賴 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司