專利名稱：通過基于光聚合物的過程形成的隔板的制作方法
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隔板。
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，燃料電池堆已經被認為是現(xiàn)代汽車 中使用的傳統(tǒng)內燃機的潛在替代品。一種類型的燃料電池是聚合物電解質膜(PEM)燃料電池。PEM燃料電池包括三個 基本部件電解質膜；和一對電極，包括陰極和陽極。電解質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之間，該多孔擴散介質有利于反應物的輸 送，例如氫到陽極的輸送和氧到陰極的輸送。多孔擴散介質有時被稱為氣體擴散介質或氣 體擴散層。在電化學燃料電池反應中，氫在陰極被催化氧化，以產生自由質子和電子。質子 穿過電解質到達陰極。來自陽極的電子不能穿過電解質膜，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。質子與陰極中的氧和電子反應，以產生水。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子被運送經過電解質膜，到達陰極，在陰極處，它們 與通常來自空氣的氧反應，以產生水。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。電解質膜通常由離聚物層形成。典型的離聚物為全氟磺化酸(PFSA)聚合物，例如 可從E.I du Pont de Nemours and Company買至Ij的Nafion 。燃料電池的電極通常由磨 碎的催化劑形成。該催化劑可為催化地支撐燃料電池電化學反應的氫或甲醇的氧化以及氧 的還原的任何電催化劑。該催化劑通常為貴金屬，例如鉬或另一鉬族金屬。催化劑通常布 置在諸如碳黑粒子的碳支撐體上，并且被分散到離聚物中。電解質膜、電極和DM布置在一對燃料電池隔板之間，且例如通過提供基本流體緊 密封的襯墊被密封。每個隔板可具有形成在其內的多個通道，用于將反應物和冷卻劑分布 到燃料電池。隔板通常通過成形金屬片的傳統(tǒng)工藝形成，例如沖壓、機加工、模制或通過光 刻掩膜進行光蝕刻。在雙極隔板的情況下，雙極隔板通常由一對隨后被結合到一起的單極 板形成。還已知的是由復合材料形成隔板，例如石墨復合物或石墨填充的聚合物。不期望 的是，已知的形成隔板的方法是昂貴且費時的。還已知的是，例如通過使用網狀金屬發(fā)泡材料根據(jù)傳統(tǒng)的氣泡工藝來制造用于燃 料電池的隔板。然而，傳統(tǒng)的發(fā)泡過程產生不一致且隨機(無序的)的三維微觀結構。確 實存在某些產生有序的三維微觀結構的技術，例如立體平面印刷技術；但是，這些技術通常 依賴于上下一層接一層的方案，而這不允許進行產品體積的測量。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構的壓縮行為”中描述了輻射固化結構，該文獻的全部內容通
3過引用合并于此。雅克布森在美國專利7，382，959中披露了產生輻射固化結構的方法和系 統(tǒng)，該專利的全部內容通過引用合并于此。該系統(tǒng)包括被選擇以產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。雅克布森的美國專利 申請11/801，908中進一步公開了輻射固化結構，該專利申請的全部內容通過引用合并于 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在可 維斯基(Kewitsch)等人的美國專利6，274，288中被描述，該專利的全部內容通過引用合并 于此。仍然需要用于制造燃料電池隔板的結構和方法，該結構和方法優(yōu)化燃料電池的壽 命、最小化工具成本、最小化生產成本并且最小化開發(fā)時間。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明，令人驚奇地發(fā)現(xiàn)一種制造隔板的結構和方法，該結構和方法優(yōu)化燃 料電池壽命、最小化工具成本、最小化生產成本并且最小化開發(fā)時間。在第一實施例中，一種用于燃料電池的隔板包括導電基片，在該導電基片附近布
置有輻射固化第一流場層。在另一實施例中，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 電極之間的電解質膜。所述膜電極組件置于一對擴散介質層之間。燃料電池還包括一對隔 板，所述膜電極組件和所述擴散介質層布置在所述一對隔板之間。所述隔板中的至少一個 具有被布置為與輻射固化流場層相鄰的基片。在進一步的實施例中，一種制造燃料電池的隔板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；將第一掩膜放置在第一輻射源與所述第一輻射敏感 材料之間，所述第一掩膜具有多個基本輻射透射的孔；和將所述第一輻射敏感材料暴露于 多個第一輻射線束，以形成與所述基片相鄰的輻射固化第一流場層。方案1、一種用于燃料電池的隔板，包括基片，該基片上布置有輻射固化第一流場層。方案2、如方案1所述的隔板，進一步包括輻射固化第二流場層，所述基片布置在 所述第一和第二流場層之間。方案3、如方案2所述的隔板，其中所述第一和第二流場層具有多個輻射固化反應 物流動通道。方案4、如方案3所述的隔板，其中所述反應物流動通道包括沿第一方向延伸的多 個第一通道壁。方案5、如方案4所述的隔板，其中所述反應物流動通道包括沿另一方向延伸的多 個第二通道壁，其中所述第一和第二通道壁在多個結合點處彼此交疊。方案6、如方案5所述的隔板，其中所述第一和第二通道壁與所述基片協(xié)作以形成 多個冷卻劑通道。方案7、如方案5所述的隔板，其中所述第一和第二流場層中的至少一個包括多個 支撐帶，所述支撐帶布置在所述第一和第二通道壁中的至少一個與所述基片之間，所述支撐帶防止所述第一和第二通道壁中的至少一個彎曲。方案8、如方案7所述的隔板，其中所述第一和第二流場層中的至少一個包括提供 所述支撐帶的微桁架結構。方案9、如方案2所述的隔板，其中所述第一和第二流場層中的至少一個具有導電涂層。方案10、如方案9所述的隔板，其中所述基片是導電的或者不導電的。方案11、如方案10所述的隔板，其中所述不導電的基片具有形成在其中的多個導 電通路。方案12、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膜；一對擴散介質層，所述膜電極組件置于所述一對擴散介質層之間；和一對隔板，所述膜電極組件和所述擴散介質層布置在所述一對隔板之間，其中所 述隔板中的至少一個具有其上布置有輻射固化流場層的基片。方案13、一種制造燃料電池的隔板的方法，該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；將第一掩膜放置在第一輻射源與所述第一輻射敏感材料之間，所述第一掩膜具有 多個基本輻射透射的孔；和使所述第一輻射敏感材料暴露于多個第一輻射線束，以形成與所述基片相鄰的輻 射固化第一流場層。方案14、如方案13所述的方法，進一步包括下列步驟在所述第一輻射敏感材料的相反側向所述基片上施加第二輻射敏感材料；將第二掩膜放置在第二輻射源與所述第二輻射敏感材料之間，所述第二掩膜具有 多個基本輻射透射的孔；和使所述第二輻射敏感材料暴露于多個第二輻射線束，以形成與所述基片相鄰的輻 射固化第二流場層。方案15、如方案14所述的方法，進一步包括向所述第一流場層和所述第二流場層 中的至少一個涂覆導電涂層。方案16、如方案14所述的方法，進一步包括將所述第一流場層和所述第二流場層 中的至少一個瓷化。方案17、如方案14所述的方法，其中所述多個第一和第二輻射線束包括沿第一方 向延伸以形成多個第一輻射固化壁的多個第一輻射片和沿第二方向延伸以形成多個第二 輻射固化壁的多個第二輻射片。方案18、如方案14所述的方法，進一步包括在使所述第一和第二輻射敏感材料暴 露于所述多個第一和第二輻射線束之后，移除所述第一和第二輻射敏感材料中的至少一個 的未固化體積。方案19、如方案18所述的方法，進一步包括使用溶劑對所述第一和第二輻射敏感 流場層中的至少一個進行沖洗，以將所述第一和第二輻射敏感材料中的至少一個的未固化 體積移除。
方案20、如方案14所述的方法，進一步包括在使所述第一和第二輻射敏感材料 暴露于所述多個第一和第二輻射線束之后，加熱所述第一和第二輻射敏感材料中的至少一 個，其中所述加熱有利于所述第一和第二輻射敏感材料中的至少一個的聚合和/或交聯(lián)。


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)明的一個實施例的隔板的示意性局部側視剖視圖；和圖3為示出用于制造圖1和圖2所示的隔板的方法的過程流程框圖。
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。對于所公 開的方法，其中給出的步驟實質上僅為示例性的，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 膜4形成。電解質膜4被夾在一對電極7之間。盡管為了簡化的目的示出具有催化劑涂覆 膜(CCM)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(CCDM)設計。導電隔板8布置在MEA3之間。電解質膜4、電極7和隔板8可堆疊在一起，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(未示出) 或絕緣涂層(未示出)而電絕緣。單極端板14和隔板8包括流場16，用于將諸如氫氣和氧 氣/空氣的反應物分布到電極7。隔板8和單極端板14的流場16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206、208(示出在圖2中)。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根據(jù)需 要而省略襯墊18。多孔擴散介質層20抵接被布置為與電解質膜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。擴散介質層20布置在電極7和隔板8之間，并且 在電解質膜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，擴散介質層20 還可具有布置在擴散介質層20和電極7之間的微孔層(未示出)。MEA3、隔板8、單極端板14和襯墊18中的每個包括陰極供料孔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、隔板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 為用于說明的目的，根據(jù)需要也可選擇其它配置。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的隔板8通過諸如光致聚合作用的過程至少部分地由輻 射敏感材料形成。由輻射敏感材料形成諸如隔板8的輻射固化結構例如在受讓人的共同待 審美國專利申請12/339，308中被描述，該專利申請的全部容通過引用合并于此。隔板8包括基片200，輻射固化的第一流場層202布置為與基片200相鄰?；?200還可具有被布置為與其相鄰的輻射固化的第二流場層204。基片200可布置在第一流 場層202和第二流場層204之間，以便為隔板8提供雙極性配置。應該理解的是，具有基片 200且僅輻射固化第一流場層202被布置為與基片200相鄰的單極隔板8也在本發(fā)明的范 圍內。基片200可由允許在其上形成聚合結構的任何材料形成。根據(jù)需要，基片200可 為導電性的或非導電性的。在一個示例中，基片200由金屬或在典型的光致聚合條件下不 會明顯退化的導電復合材料形成。在具體示例中，基片200由不銹鋼片形成。不銹鋼片例 如可被設置為螺旋鋼帶、機架裝載鋼帶或獨立坯料。在某些實施例中，基片200為基本平坦 的。基片200可以替代性地由非導電性材料形成，其具有孔眼或通路，而在孔眼或通 路中布置有導電材料。例如，導電通路可通過在基片200上沉積導電涂層(圖2所示)而 被提供。基片200可進一步設置有用于粘接到第一和第二流場層202、204的涂層(未示 出)或表面處理。在一個非限制示例中，基片200可具有在隔板8的制造期間適于與未固化 聚合物材料粘接的涂層。根據(jù)需要，基片200還可設置有在其上形成的紋理或圖案。基片 200的表面可通過例如壓雕、噴砂等而造成紋理，以增加基片200和第一和第二流場層202、 204之間進行粘接的可用表面積。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。在特定實施例中，基片200可具有在其中形成的通孔(未示出)。所述通孔可有利 于排出在隔板8制造期間采用的剩余的液體輻射敏感材料和溶劑，或者移除剩余的固體輻 射敏感材料。所述通孔還可提供典型的終端產品特征，例如端口和頭部孔22、24、25、26、27、 28，例如在申請人的共同待審美國專利申請11/762,845中描述的那樣，該專利申請的全部 內容通過引用合并于此。所述通孔可在將第一和第二流場層202、204施加到基片200之前， 通過例如機械穿孔或激光切割而形成。其它用于形成通孔的合適的方法也可被采用。第一流場層202具有多個輻射固化第一反應物流動通道206。第二流場層204具 有多個輻射固化第二反應物流動通道208。第一和第二反應物流動通道206、208可由沿第 一方向延伸的多個第一通道壁210限定。第一和第二反應物流動通道206、208也可由沿第 二方向延伸的多個第二通道壁212限定。第一和第二通道壁210、212中的每個可進一步例 如沿隔板8的長度延伸，以有利于將反應物流體運輸通過隔板8的流場16。本領域技術人 員應該認識到，第一和第二通道壁210、212根據(jù)需要可沿隔板8的長度以線性、螺旋形或另 一合適的方式中的至少一種延伸。第一和第二通道壁210、212可在多個結合點214處彼此 交疊。根據(jù)需要，結合點214可被布置為與基片200和第一和第二流場層202、204中的一 個的相反表面中的一個相鄰。
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說明性地，第一和第二通道壁210、212可與基片200協(xié)作以形成多個冷卻劑通道 216。冷卻劑通道216有利于在其工作期間來控制燃料電池堆2的溫度。與第一和第二反 應物流動通道206、208類似，冷卻劑通道216可沿隔板8的長度延伸。在一個非限制性示 例中，第一和第二通道壁210、212可形成基本為V形的冷卻劑通道216。在某些實施例中， 第一和第二冷卻劑流動通道206、208由第一和第二通道壁210、212形成。應該認識到，將 第一和第二冷卻劑流動通道206、208和冷卻劑通道216形成為開放的V形可使得在隔板8 制造期間使用的剩余輻射敏感材料能夠被再利用。第一和第二流場層202、204可包括多個被分隔開的支撐帶218。支撐帶218布置 在第一和第二通道壁210、212中的至少一個與基片200之間。支撐帶218例如可沿第一和 第二通道壁210、212的長度被分隔開。支撐帶218在燃料電池堆2組裝期間該燃料電池2 被壓縮時防止第一和第二通道壁210、212中的至少一個彎曲。特別是，分隔開的支撐帶218 可有利于反應物流動通過流場16和防止在典型的燃料電池工作條件下第一和第二通道壁 210,212的不希望的彎曲。支撐帶218可進一步適于將電流傳送到燃料電池堆2中。在一個實施例中，支撐帶218可通過布置在第一和第二通道壁210、212中的至少 一個和基片200之間的微桁架結構而被提供。微桁架結構可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、沿第三方向延伸的多個第三桁架元件 和沿第四方向延伸的多個第四桁架元件。第一、第二、第三和第四桁架元件在多個節(jié)點處彼 此交疊。應該認識到，第一、第二、第三和第四桁架元件根據(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)點處彼此交疊。第一、第二、第三和第四桁架元件形成連續(xù)的三維 自支撐細胞結構，從而允許燃料電池反應物流通穿過。
盡管具有多個第一桁架元件、多個第二桁架元件、多個第三桁架元件和多個第四 桁架元件的微桁架結構可具有上述的4層交疊對稱性結構，本領域技術人員應該認識到在 本發(fā)明范圍內可采用其它結構的微桁架結構，例如3層交疊和6層交疊。例如，可選擇特定 的結構以增加微桁架結構的連接性和減小微桁架結構在負載下對彎曲和扭曲的靈敏性。根 據(jù)需要，所選擇的結構可為對稱的或者不對稱的。結構還可被選擇以優(yōu)化微桁架結構的強 度和剛度。本領域普通技術人員應該進一步理解的是根據(jù)需要可采用微桁架結構的其它結 構。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 構的示例性結構。例如，多個第一桁架元件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。多個第三桁架元件可由多個 第三自傳播聚合物桁架波導管限定。多個第四桁架元件可由多個第四自傳播聚合物桁架波 導管限定。第一、第二、第三和第四波導管可由例如在光致聚合作用下呈現(xiàn)出折射率漂移的 流體光單體形成?？商娲?，應該認識到，微桁架結構可由不是形成聚合物波導管的折射率 漂移的材料形成，例如通過這里描述的基本為固體的輻射敏感材料的受控輻射暴露。還可 根據(jù)需要采用用于形成微桁架結構的其它合適的方法。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構，例如通 過下面中的至少一種1)選擇聚合物桁架元件相對于彼此的角度和圖案；2)調節(jié)所得到的 細胞結構的填充物，或相對密度；和3)選擇聚合物桁架元件的截面形狀和尺寸。特別是，具 有橢圓形桁架截面形狀的聚合物桁架元件可由于燃料電池堆2的熱膨脹系數(shù)之差而防止退化。根據(jù)需要還可采用其它截面形狀。第一和第二流場層202、204至少部分由輻射敏感材料形成。被采用來形成第一和 第二流場層202、204中的至少一個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實現(xiàn)被引發(fā)、聚合和交 聯(lián)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)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)出聚合物主鏈分解和去交聯(lián)中的至少一種的任何材料。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 分解而被制作為可溶于溶液。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輻射時通過自由基 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)過程僅產生反應物品并且需要諸 如加熱等后續(xù)步驟來產生聚合或縮聚時，該過程稱為“光引發(fā)”。應該認識到，即使可能需要 后固化熱處理以完成聚合步驟，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歷引發(fā)過程，并且由于固體 輻射敏感聚合物的固有穩(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，所選擇的可輻射固化聚合物根據(jù)需要可由波長不同于UV輻射的輻射固化?？奢椛涔?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正抗蝕性聚合物。正抗蝕性聚合 物開始時作為被交聯(lián)的聚合物，但可包括光引發(fā)劑，該光引發(fā)劑在暴露于特定輻射時通過 至少使交聯(lián)鍵斷裂或使聚合物主鏈分解而產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，而剩余的被分解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射線，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。還應該理解的是根據(jù)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被引導到輻射敏感材料， 通過該掩膜，輻射可接觸輻射敏感材料?？卓衫鐬樾纬稍诓煌干浠蜃钃踺椛涞耐繉由系?基本上對輻射透射的孔。掩膜例如可由冕玻璃、派熱克斯玻璃和諸如邁拉片的聚對苯二甲 酸乙二酯形成，并且以相對于掩膜或者下層基片200成一定角度來引導輻射線束。掩膜可 在暴露之后被拿開并且清潔，用于重復使用。還可采用具有不同圖案和不同種類的多個孔 的多個掩膜。在某些實施例中，掩膜作為輻射源的整體部分而被提供。孔可具有向輻射固 化元件提供期望的截面形狀的形狀。例如，孔可基本為圓形，以產生橢圓形截面形狀。本領 域技術人員可根據(jù)需要選擇合適的掩膜材料、孔的尺寸和形狀以所得到的結構配置。在一個描繪性實施例中，掩膜表面具有直徑約10微米的多個孔眼。在另一實施例 中，孔為長槽，其提供輻射片以使第一和第二通道壁210、212中的至少一個形成為具有基 本為矩形的截面形狀。輻射片因此被采用以形成隔板8的反應物流動通道206、208和冷卻 劑特定216中的至少一個。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構設計。本領域技術人員可根據(jù)需要選擇合適的掩膜材料、孔 和開口的尺寸和形狀，以及最終的結構配置。應該理解的是，第一和第二流場層202、204可由在被固化時導電的輻射敏感材料 形成。在特定實施例中，第一和第二流場層202、204中的至少一個具有導電涂層220。例 如，第一和第二流場層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。金屬涂層可通過多個電鍍步驟形成。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第一和第二流場層202、204 和相鄰的擴散介質層20之間的接觸阻抗的為Au或Pd保護涂層的第三層，從而可形成金屬 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涂層220涂覆在第一和第二流場層202、204中的至少 一個上的其它方法。在某些實施例中，導電涂層220包括選自由例如釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、銀 (Ag)、鐒(Ir)、鉬(Pt)、鋨(Os)組成的集合中的貴金屬及其合金。在特定實施例中，導電涂 層220為金(Au)。在另一特定實施例中，導電涂層220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， 導電涂層220可包括上面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，導電涂層220可被沉積在 第一和第二流場層202、204中的至少一個上。也可采用基于溶液的電鍍技術，其包括將第 一和第二流場層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涂 層220并且后續(xù)燃燒泥漿粉末以形成涂層?？紤]到視線和所選擇的沉積技術的非視線特性之間的差別，本領域技術人員可選擇一種以上的沉積技術。在某些實施例中，導電材料可基 本均勻地沉積在第一和第二流場層202、204的內、外表面上?？筛鶕?jù)需要選擇涂覆導電涂 層220的合適厚度和方法。還應該認識到，在采用微桁架結構的實施例中，導電涂層220可被用于至少部分 地填充微桁架結構的一部分。所得到的隔板8的剛度和強度從而可被優(yōu)化。在某些描繪性的實施例中，第一和第二流場層202、204中的至少一個可被轉換為 金屬氧化物或陶瓷，以提供期望水平的彎曲強度。例如，陶瓷微結構和用于制備陶瓷微結構 的方法在格拉斯等人的美國專利申請12/074，727中被公開，該專利申請的全部內容通過 引用合并于此。現(xiàn)在參見圖3，本發(fā)明包括用于制造隔板8的方法300。方法300首先包括在步驟 302提供基片200 ；在步驟304將第一輻射敏感材料施加到基片；在步驟308將第一掩膜放 置在第一輻射源和第一輻射敏感材料之間；在步驟310使第一輻射敏感材料暴露于來自第 一輻射源的多個第一輻射線束；以及在步驟312使第一輻射敏感材料固化，以形成與基片 200相鄰的輻射固化的第一流場層202。在希望制造具有雙極性配置的隔板8時，方法300進一步包括在步驟306將第二 輻射敏感材料施加到基片200上的與第一輻射敏感材料相反的側面；在步驟308將第二掩 膜放置在第二輻射源和第二輻射敏感材料之間；在步驟310使第二輻射敏感材料暴露于多 個第二輻射線束；以及在步驟312使第二輻射敏感材料固化，以形成與基片200相鄰的輻射 固化的第二流場層204。分別由第一和第二輻射源產生的多個第一和第二輻射線束可包括沿第一方向延 伸的多個第一輻射片和沿第二方向延伸的多個第二輻射片中的至少一個。第一輻射片和第 二輻射片中的至少一個可為沿期望的平面延伸的基本連續(xù)的輻射層的形式。應該認識到， 第一輻射片形成多個第一輻射固化通道壁210，而第二輻射片形成多個第二輻射固化通道 壁 212。在另一實施例中，第一流場層202和第二流場層204中的至少一個可被涂覆有導 電涂層220。在某些實施例中，方法300可包括在使第一和第二輻射敏感材料暴露于多個 第一和第二輻射線束之后，移除第一和第二輻射敏感材料中的至少一個的未固化體積。應 該認識到，在本發(fā)明的范圍內，術語“未固化的輻射敏感材料”也可包括被分解的輻射敏感 材料。例如，第一和第二輻射敏感材料中的至少一個的未固化體積可在向第一和第二流場 層202、204中的至少一個涂覆導電涂層220之前被移除。在一個非限制性示例中，移除第 一和第二輻射敏感材料的未固化體積的步驟可包括用溶劑沖洗第一和第二流場層202、204 中的至少一個。本領域普通技術人員應該認識到，合適的溶劑在移除第一和第二輻射敏感 材料的未固化體積的步驟中基本上不會使暴露出的輻射固化的第一和第二流場層202、204 退化。在進一步的實施例中，在使第一和第二輻射敏感材料暴露于多個第一和第二輻射 線束之后，第一和第二輻射敏感材料中的至少一個可被加熱。該加熱可有利于第一輻射敏 感材料和第二輻射敏感材料中的至少一個的聚合和/或交聯(lián)。根據(jù)需要可選擇合適的溫度 和加熱時間。令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，采用輻射固化的第一和第二流場層202、204節(jié)約了在汽車或其它應用中使用的諸如用于便攜裝置的微型燃料電池的燃料電池中的隔板8的生產成本。本 發(fā)明的隔板8采用高度有序的結構，其與傳統(tǒng)的金屬發(fā)泡部件相比，提供更均勻的壓縮并 且增加了使用壽命。本制造方案還比傳統(tǒng)的形成隔板8的方法更便宜，并且能夠顯著減少 制造量身定做的隔板8的研制周期。特別是，可通過替換燃料電池堆2中的傳統(tǒng)隔板8而 減少生產成本。而且未預料到的是采用根據(jù)本發(fā)明的隔板8可使燃料電池堆2的高度最小 化，從而提供期望的緊湊型配置。 盡管為了說明本發(fā)明的目的已經示出了某些代表性實施例和細節(jié)，但是本領域技 術人員應該清楚的是，在不脫離進一步由后面的所附權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。
權利要求
一種用于燃料電池的隔板，包括基片，該基片上布置有輻射固化第一流場層。
2.如權利要求1所述的隔板，進一步包括輻射固化第二流場層，所述基片布置在所述 第一和第二流場層之間。
3.如權利要求2所述的隔板，其中所述第一和第二流場層具有多個輻射固化反應物流 動通道。
4.如權利要求3所述的隔板，其中所述反應物流動通道包括沿第一方向延伸的多個第一通道壁。
5.如權利要求4所述的隔板，其中所述反應物流動通道包括沿另一方向延伸的多個第 二通道壁，其中所述第一和第二通道壁在多個結合點處彼此交疊。
6.如權利要求5所述的隔板，其中所述第一和第二通道壁與所述基片協(xié)作以形成多個 冷卻劑通道。
7.如權利要求5所述的隔板，其中所述第一和第二流場層中的至少一個包括多個支撐 帶，所述支撐帶布置在所述第一和第二通道壁中的至少一個與所述基片之間，所述支撐帶 防止所述第一和第二通道壁中的至少一個彎曲。
8.如權利要求7所述的隔板，其中所述第一和第二流場層中的至少一個包括提供所述 支撐帶的微桁架結構。
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膜； 一對擴散介質層，所述膜電極組件置于所述一對擴散介質層之間；和 一對隔板，所述膜電極組件和所述擴散介質層布置在所述一對隔板之間，其中所述隔 板中的至少一個具有其上布置有輻射固化流場層的基片。
10.一種制造燃料電池的隔板的方法，該方法包括下列步驟 提供基片；向所述基片上施加第一輻射敏感材料；將第一掩膜放置在第一輻射源與所述第一輻射敏感材料之間，所述第一掩膜具有多個 基本輻射透射的孔；和使所述第一輻射敏感材料暴露于多個第一輻射線束，以形成與所述基片相鄰的輻射固 化第一流場層。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過基于光聚合物的過程形成的隔板，具體提供一種用于燃料電池的隔板，該隔板包括具有布置在其上的輻射固化第一流場層的基片。本發(fā)明還提供一種用于制造隔板的方法。該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；將第一掩膜放置在第一輻射源與所述第一輻射敏感材料之間，所述第一掩膜具有多個基本輻射透射的孔；和使所述第一輻射敏感材料暴露于多個第一輻射線束，以形成與所述基片相鄰的輻射固化第一流場層。本發(fā)明還提供一種具有所述隔板的燃料電池。
文檔編號H01M8/10GK101887955SQ201010180250
公開日2010年11月17日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權日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, W·B·卡特, Y-H·賴 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司