通过基于光聚合物的过程形成的扩散介质的制作方法

专利名称：通过基于光聚合物的过程形成的扩散介质的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，更具体地涉及通过光致聚合作用制造的燃料电池扩散介质。
背景技术：
燃料电池作为一种用于电动车辆和各种其它应用的清洁、高效且环保的能源而被 推荐。单独的燃料电池可被串联堆叠而形成用于各种应用的燃料电池堆。燃料电池堆能够 提供一定量的足够的电力以向车辆提供动力。特别是，燃料电池堆已经被认为是现代汽车 中使用的传统内燃机的潜在替代品。一种类型的燃料电池是聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池包括三个 基本部件电解质膜；和一对电极，包括阴极和阳极。电解质膜被夹在电极之间从而形成膜 电极组件(MEA)。MEA通常布置在多孔扩散介质之间，该多孔扩散介质有利于反应物的输 送，例如氢到阳极的输送和氧到阴极的输送。多孔扩散介质有时被称为气体扩散介质或气 体扩散层。在电化学燃料电池反应中，氢在阴极被催化氧化，以产生自由质子和电子。质子 穿过电解质到达阴极。来自阳极的电子不能穿过电解质膜，而是通过诸如电动机的电负载 以电流的形式被引导到阴极。质子与阴极中的氧和电子反应，以产生水。还已知的是在PEM燃料电池中使用诸如甲醇的其它反应物。甲醇可被催化氧化以 形成二氧化碳。由甲醇的氧化得到的质子被运送经过电解质膜，到达阴极，在阴极处，它们 与通常来自空气的氧反应，以产生水。与氢PEM燃料电池一样，电子作为电流被运送通过外 部负载，例如电动机，从阳极到达阴极。扩散介质通常由适于在燃料电池中执行多种功能的多孔材料形成。已知的是通过 碳纸制造扩散介质，例如可从托雷工业公司(Toray Industries Inc.)以商业方式购买到 的TGP-H-030。碳纸通常适于将反应物、气态物或其它物体分布到燃料电池的电极。扩散介 质还传导电子和将MEA处产生的热传递到冷却剂。对于燃料电池的水管理，扩散介质将电 化学燃料电池反应所生产的水传输离开PEM。扩散介质的水管理能力对于燃料电池性能的 任何优化都是至关重要的。扩散介质可进一步包括微孔层，该微孔层在电极和扩散介质之 间提供过渡层并且有利于将水从PEM移除。雅克布森(Jacobsen)等人在材料学报55，(2007) 6724-6733中的“由自传播聚 合物波导管形成的微型桁架结构的压缩行为”中已经描绘了多孔材料的替代性类型，该文 献的全部内容通过引用合并于此。雅克布森在美国专利7，382，959中披露了产生具有有 序微桁架结构的聚合物材料的方法和系统，该专利的全部内容通过引用合并于此。该系统 包括选择为产生平行光束的至少一个平行光源；具有适于被平行光束聚合的光单体的蓄 池；和掩膜，该掩膜具有至少一个孔且被定位在至少一个平行光源和蓄池之间。该至少一个 孔适于将平行光束的一部分引导到光单体中，以通过光单体的体积的一部分形成至少一个 聚合物波导管。由该方法和系统生产的微桁架材料进一步公开在雅克布森的美国专利申请 11/801,908中，该专利申请的全部内容通过引用合并于此。暴露于辐射且通过形成聚合物波导管而导致光的自聚焦或自束缚的聚合物材料还被描述在可维斯基(Kewitsch)等人的 美国专利6，274，288中，该专利的全部内容通过引用合并于此。仍然需要用于制造燃料电池扩散介质的结构和方法，该结构和方法优化燃料电池 的寿命、最小化工具成本、最小化生产成本并且最小化开发时间。

发明内容
根据本发明，提供一种制造燃料电池扩散介质的结构和燃方法，该结构和方法优 化燃料电池寿命、最小化工具成本、最小化生产成本并且最小化开发时间。在第一实施例中，燃料电池的扩散介质层包括布置在一对导电栅格之间的导电微 桁架结构。所述微桁架结构和所述栅格中的至少一个由辐射敏感材料形成。在另一实施例中，燃料电池包括其间布置有膜电极组件的一对扩散介质层。扩散 介质层和膜电极组件布置在一对导电燃料电池板之间，以完成燃料电池。在进一步的实施例中，一种制造燃料电池的扩散介质层的方法包括下列步骤提 供基片；向所述基片上施加第一辐射敏感材料、第二辐射敏感材料和第三辐射敏感材料，所 述第二辐射敏感材料布置在所述第一辐射敏感材料和所述第三辐射敏感材料之间；将掩膜 放置在至少一个辐射源与所述第一、第二、和第三辐射敏感材料之间，所述掩膜沿一个平面 延伸，且具有形成在其内的多个基本辐射透射孔；将所述第一、第二和第三辐射敏感材料通 过所述掩膜中的辐射透射孔暴露于多个至少部分不平行的(decollimated)辐射线束，从 而使一对栅格形成在所述第一和第三辐射敏感材料中；和将所述第一、第二和第三辐射敏 感材料通过所述掩膜中的辐射透射孔暴露于多个平行的(collimated)辐射线束，从而在 所述一对栅格之间的所述第二辐射敏感材料中形成微桁架结构。方案1、一种用于燃料电池的扩散介质层，包括布置在一对导电栅格之间的导电微 桁架结构，所述微桁架结构和所述栅格中的至少一个由辐射敏感材料形成。方案2、如方案1所述的扩散介质层，其中所述微桁架结构包括沿第一方向延伸的 多个第一桁架元件、沿第二方向延伸的多个第二桁架元件和沿第三方向延伸的多个第三桁 架元件。方案3、如方案2所述的扩散介质层，其中所述第一、第二和第三桁架元件在多个 节点处彼此交叠，以形成基本连续的三维自支撑结构。方案4、如方案3所述的扩散介质层，其中所述节点的至少一部分形成为与所述栅 格中的一个相邻。方案5、如方案2所述的扩散介质层，其中偏置桁架元件布置为与所述第一、第二 和第三桁架元件中的至少一个相邻，以形成锐角拐角。方案6、如方案1所述的扩散介质层，其中所述栅格中的至少一个包括沿第一方向 延伸的多个第一壁和沿第二方向延伸的多个第二壁，其中所述第一壁和所述第二壁形成多 个四边形开口。方案7、如方案5所述的扩散介质层，其中所述栅格中的至少一个包括沿第三方向 延伸的多个第三壁，其中所述第一壁、所述第二壁和所述第三壁形成多个三角形开口和多 个六边形开口，所述三角形开口比所述六边形开口小。方案8、如方案1所述的扩散介质层，其中所述栅格中的至少一个具有基本平坦的表面。方案9、如方案1所述的扩散介质层，其中所述微桁架结构和所述栅格中的至少一 个具有导电涂层。方案10、如方案8所述的扩散介质层，其中所述导电涂层是金属和陶瓷中的一种。方案11、如方案1所述的扩散介质层，其中所述微桁架结构和所述栅格中的至少 一个被碳化。方案12、如方案1所述的扩散介质层，其中所述微桁架结构具有空间化改变的传 质阻力。方案13、一种燃料电池，包括膜电极组件，该膜电极组件具有布置在一对电极之间的电解质膜；一对扩散介质层，所述膜电极组件置于所述一对扩散介质层之间，所述扩散介质 层中的至少一个包括布置在一对导电栅格之间的导电微桁架结构，所述微桁架结构和所述 栅格中的至少一个由辐射敏感材料形成；和—对导电燃料电池板，其中所述膜电极组件和所述扩散介质层布置在所述燃料电 池板之间。方案14、一种制造燃料电池的扩散介质层的方法，包括下列步骤提供基片；向所述基片上施加第一辐射敏感材料、第二辐射敏感材料和第三辐射敏感材料， 所述第二辐射敏感材料布置在所述第一辐射敏感材料和所述第三辐射敏感材料之间；将掩膜放置在至少一个辐射源与所述第一、第二、和第三辐射敏感材料之间，所述 掩膜沿一个平面延伸且具有形成在其内的多个基本辐射透射的孔；使所述第一、第二和第三辐射敏感材料通过所述掩膜中的辐射透射孔暴露于多个 至少部分不平行的辐射线束，从而使一对栅格形成在所述第一和第三辐射敏感材料中；和使所述第一、第二和第三辐射敏感材料通过所述掩膜中的辐射透射孔暴露于多个 平行的辐射线束，从而在所述一对栅格之间的所述第二辐射敏感材料中形成微桁架结构。方案15、如方案14所述的方法，进一步包括在使所述第一、第二和第三辐射敏感 材料暴露于至少部分不平行的和平行的辐射线束的步骤之后，将所述第一、第二和第三辐 射敏感材料的未固化体积移除，其中所述第一、第二和第三辐射敏感材料中的至少一个在 移除所述未固化体积之前被至少部分固化。方案16、如方案14所述的方法，进一步包括用导电材料涂覆所述一对栅格和所述 微桁架结构中的至少一个。方案17、如方案14所述的方法，进一步包括将所述一对栅格和所述微桁架结构碳 化的步骤。方案18、如方案14所述的方法，其中所述第一和第三辐射敏感材料的固化速率比 所述第二辐射敏感材料的固化速率快。方案19、如方案14所述的方法，其中第一种辐射固化所述第一和第三辐射敏感材 料，而第二种辐射固化所述第二辐射敏感材料。方案20、如方案14所述的方法，进一步包括在形成所述微桁架结构期间将至少一 个辐射源旋转出平面，以提供布置为与所述微桁架结构的第一桁架元件、第二桁架元件和
5第三桁架元件中的至少一个相邻的至少一个偏置桁架元件。


通过下面的详细描述，本发明的上述以及其它优点对于本领域技术人员将变得明 显，特别是参考这里描述的附图进行考虑的时候。图1为根据本发明的燃料电池的示意性分解立体图；图2为根据本发明的一个实施例的扩散介质层的局部侧视立体图；图3为图2所示的扩散介质层的局部俯视立体图；图4为图2所示的扩散介质层的局部侧视立体图；图5为根据本发明的另一实施例的扩散介质层的局部侧视立体图，其具有多个偏 置的桁架元件；图6为图5所示的扩散介质层的放大局部立体图，进一步示出了锐角拐角；图7为根据本发明的方法布置在辐射敏感材料上的掩膜的示意性侧视剖视图；图8为图7所示的掩膜和辐射敏感材料的示意性侧视剖视图，其进一步示出了暴 露于至少部分不平行的辐射线束的辐射敏感材料；图9为图7和图8所示的掩膜和辐射敏感材料的示意性侧视剖视图，其进一步示 出了暴露于平行辐射线束；和图10为图7、图8和图9所示的掩膜和辐射敏感材料的示意性侧视剖视图，其进一 步示出了根据本发明的偏置桁架元件的形成。
具体实施例方式下面的详细描述和附图描述和描绘了本发明的各个实施例。该描述和附图用于使 本领域技术人员能够制造和使用本发明，而并非旨在以任何方式限制本发明的范围。对于 公开的方法，所给出的步骤实质上仅为示例性的，因此并不是必须的或者关键性的。图1示出根据本发明的PEM燃料电池堆2。为了简化，图1仅描绘和描述了两个电 池的堆(即一个双极板)，应该理解的是，典型的燃料电池堆2将具有很多这种电池和双极 板。燃料电池堆2包括至少一个膜电极组件(MEA) 3。MEA3可由被子衬垫6支撑的电解质 膜4形成。电解质膜4被夹在一对电极7之间。尽管为了简化的目的而示出了具有催化剂 涂覆膜设计的MEA3，应该理解的是，根据需要，燃料电池堆2可采用涂覆催化剂的扩散介质 (CCDM)设计。导电双极板8分隔MEA3。电解质膜4、电极7和双极板8堆叠在一起，介于一对夹 持板10和一对单极端板14之间。夹持板10与单极端板14例如通过衬垫或介电涂层(未 示出)而电绝缘。单极端板14和双极板8包括活性区域16，用于将诸如氢气和氧气/空气 的反应物分布到电极7。双极板8和单极端板14可进一步包括被配置为将反应物分布到电 极7的多个流动通道(未示出)。燃料电池堆2可包括非导电性衬垫18，以在燃料电池堆 2的部件之间提供密封和电绝缘。然而，如果子衬垫6足够密封和电绝缘燃料电池堆2，应 该认识到的是可以按照需要而不采用衬垫18。根据本发明的燃料电池堆2包括至少部分地由辐射敏感材料形成的多孔导电性 扩散介质层20。由辐射敏感材料形成诸如扩散介质层20的辐射固化结构例如在受让人的
6共同待审的美国专利申请12/339，308中被描述，该专利申请的全部内容通过引用合并于 此。多孔扩散介质层20抵接被布置为与电解质膜4相邻的电极7，并且被配置为将燃 料电池反应物分布于电极7上。扩散介质层20布置在电极7和双极板8之间，并且在电解 质膜4和单极端板14之间。本领域技术人员应该认识到，根据需要，扩散介质层20还可具 有布置在扩散介质层20和电极7之间的微孔层(未示出)。MEA3、双极板8、单极端板14和衬垫18每个都包括阴极供料孔22和阴极排放孔 24、冷却剂供应孔25和冷却剂排放孔27以及阳极供料孔26和阳极排放孔28。燃料电池堆 2的供料岐管和排放岐管通过将子衬垫6、双极板8、单极端板14和衬垫18中的各自的孔 22、24、25、26、27、28对准而形成。氢气通过阳极入口导管30被提供到阳极供料岐管。氧气 /空气通过阴极入口导管32被提供到燃料电池堆2的阴极供料岐管。阳极出口导管34和 阴极出口导管36也被提供分别用于阳极排放岐管和阴极排放岐管。冷却剂入口导管38被 提供用于将液体冷却剂提供到冷却剂供料岐管。冷却剂出口导管40被提供用于从冷却剂 排放岐管移除冷却剂。应该理解的是，图1中的各种入口 30、32、38和出口 34、36、40的配 置用于说明的目的，按照需要也可选择其它配置。如图2-4所示，扩散介质层20包括布置在一对栅格202、204之间的微桁架结构 200。扩散介质层20为多孔和导电性的。微桁架结构200和栅格202、204中的至少一个由 辐射敏感材料形成。根据本发明的形成微桁架结构200和栅格202、204中的至少一个所采 用的辐射敏感材料包括可辐射固化材料和可辐射分解材料。术语“可辐射固化材料”在这 里被定义为通过暴露于辐射而能够实现被引发(initiated)、聚合(polymerized)和交联 (crosslinked)中的至少一种的任何材料。应该认识到，在暴露到辐射而被引发之后，可以 对可辐射固化材料的至少局部完全聚合或交联的进行增加温度。术语“可辐射分解材料”在 这里被定义为通过暴露于辐射而表现出聚合物主链分离和去交联中的至少一种。在一个非 限制性示例中，可辐射分解材料可通过可辐射分解材料的交联键的充分断裂和/或聚合物 主链的分离而被制作为溶液可溶的。在非限制性示例中，可辐射固化材料可包括液体光单体和基本为固体的可辐射 固化聚合物中的一种。液体光单体可为雅克布森在美国专利7，382，959和美国专利申请 11/801，908中描述的单体。合适的光单体的非限制性示例包括当暴露于UV辐射(波长在 约250纳米和约400纳米之间)时通过自由基聚合而被聚合的单体。光单体可包括任何合 适的自由基聚合材料，例如聚氨基橡胶(聚氨基甲酸酯)、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯和诸如 光固化环氧树脂的阳离子聚合物。其它合适的光单体也可被采用。合适的基本为固体的可辐射固化聚合物可包括负抗蚀性聚合物。负抗蚀性聚合物 经历例如通过聚合或缩聚作用而导致负抗蚀性聚合物固化或光引发的过程。在聚合或缩聚 反应基本同时发生时，该过程称为“光固化”。在由光引发过程仅产生反应物品并且需要诸 如加热等后续步骤以产生聚合或缩聚时，该过程称为“光引发”。应该认识到，即使可能需要 后固化热处理以完结聚合步骤，在初始的辐射暴露期间也可在负性抗光蚀聚合物中产生基 本稳定的可辐射固化特征。基本为固体的辐射敏感聚合物仅经历引发过程，并且由于固体 辐射敏感聚合物内的固有稳定性和化学物品的受限的扩散速度，固化过程也可以在很晚之 后执行，而不会有明显的特征退化。应该认识到，大多数被光引发的聚合物在引发过程的初始即开始固化过程，但在暴露温度下的反应运动很慢，使得在将负抗蚀性聚合物加热到期 望的固化温度之前，即使有聚合或缩聚发生，也是很少。一种具体的负抗蚀性聚合物是基于环氧树脂的SU-82000 负抗蚀性聚合物，其可 从位于马萨诸塞州牛顿郡的微化学公司买到。SU-8 2000 负抗蚀性聚合物可被UV辐射固 化。应该认识到，也可采用其它的基本为固体的可辐射固化聚合物。例如，类似于上述的光 单体，被选择的可辐射固化聚合物按照需要可由波长不同于UV辐射的辐射固化。可辐射固 化聚合物还可被选择为例如具有比液体光单体慢的固化速率，以通过将较快固化层暴露于 辐射源而防止在较慢固化层上出现特征。在一个非限制性示例中，可辐射分解材料可包括负抗蚀性聚合物。负抗蚀性聚合 物开始时作为被交联的聚合物，但可包含光引发剂，该光引发剂在暴露于特定辐射时通过 至少将交联键断裂或将聚合物主链分离而产生将聚合物分解的化学物品。该分解使得正抗 蚀性聚合物能够溶于已经被暴露于辐射的区域中。正抗蚀性聚合物保持固化的区域被掩盖 而不被暴露，如上面描述的负抗蚀性聚合物的情况一样。在一些实施例中，正抗蚀性聚合物 对诸如紫外线或电子束的辐射敏感，而不需要光引发剂。例如，正抗蚀性聚合物自身被辐射 损坏，而剩余的被分离的链变得可溶于溶液中。根据需要，可采用其它类型的正抗蚀性聚合 物。被采用以固化或分解辐射敏感材料的辐射可包括例如来自水银弧光灯的UV光 束。根据需要，辐射可为电磁辐射或粒子辐射。本领域技术人员理解，也可采用其它波长的 辐射，例如红外、可见光、X辐射，和来自其它源的辐射，例如白炽灯和激光。也可采用诸如 来自阴极辐射源的电子束的粒子辐射。还应该理解的是按照需要辐射可为平行的、部分平 行的或者不平行的。辐射通常通过具有其上形成有孔或开口的至少一个掩膜710(图7至图10所示) 被引导到辐射敏感材料，通过掩膜710，辐射可接触辐射敏感材料。辐射暴露可来自诸如激 光的单平行光束。孔可例如为形成在不透明或阻挡辐射的材料中的基本上辐射透射的孔。 掩膜710例如可由玻璃板或迈拉片形成，并且有助于以相对于掩膜或者下层辐射敏感材料 成一定角度来引导辐射线束。掩膜710可在暴露之后被拿开并且清洁，用于重复使用。形 成在掩膜710上的孔或开口具有提供辐射线束以形成具有期望的截面形状的聚合物结构 的形状。孔可基本为圆形，以产生椭圆形截面形状，其可根据与扩散介质层20内的热膨胀 系数(CTE)之间的差而较好地调节。在一个描绘性实施例中，掩膜710的表面具有直径约10微米的多个孔眼。暴露 于辐射可被执行为例如间歇性的一连串短时间暴露，或者长时间暴露以提供期望的结构设 计。本领域技术人员可根据需要选择合适的掩膜材料、孔以及开口尺寸和形状，以及最终的 结构配置。扩散介质层20的微桁架结构200可包括沿第一方向延伸的多个第一桁架元件 205、沿第二方向延伸的多个第二桁架元件207、沿第三方向延伸的多个第三桁架元件209 和沿第四方向延伸的多个第四桁架元件211。第一、第二、第三和第四桁架元件205、207、 209、211可在多个节点212处彼此交叠。应该认识到，第一、第二、第三和第四桁架元件205、 207、209、211根据需要可以不彼此交叠，或者可以在间歇性基础上在多个节点212处彼此 交叠。节点212还可例如被选择性地形成为与栅格202、204中的一个相邻。第一、第二、第三和第四桁架元件205、207、209、211形成连续的三维自支撑细胞结构。尽管具有多个第一桁架元件205、多个第二桁架元件207、多个第三桁架元件209 和多个第四桁架元件211的微桁架结构200可具有上述的4层交叠对称性结构，本领域技 术人员应该认识到在本发明范围内可采用其它结构的微桁架结构200，例如3层对称和6层 对称。例如，可选择特定的结构以增加微桁架结构200的连接性和减小微桁架结构200在 负载下对弯曲和扭曲的灵敏性。根据需要，所选择的结构可为对称性的或者不对称的。结 构还可被选择为优化微桁架结构200的强度和刚度。本领域普通技术人员应该进一步理解 根据需要可采用微桁架结构200的其它结构。雅克布森在美国专利7，382，959和美国专利申请11/801，908中描述了微桁架结 构200的示例性结构。例如，多个第一桁架元件205可由多个第一自传播聚合物桁架波导 管限定。多个第二桁架元件207可由多个第二自传播聚合物桁架波导管限定。多个第三桁 架元件209可由多个第三自传播聚合物桁架波导管限定。根据需要，可采用其它合适的方 法形成微桁架结构200。本领域普通技术人员应该认识到根据需要可设计出特定的微桁架结构200，例如 通过下面中的至少一种1)选择聚合物桁架元件205、207、209相对于彼此的角度和图案； 2)调节得到的细胞结构的填充物，或相对密度；和3)选择聚合物桁架元件205、207、209的 截面形状和尺寸。特别是，具有椭圆形桁架截面形状的聚合物桁架元件205、207、209可由 于热膨胀系数之差而防止退化。根据需要还可采用其它截面形状。本发明的栅格202、204可具有利于将扩散介质层20堆叠在MEA3和双极板8之间 的表面。在一个非限制性示例中，栅格202、204的表面可为基本平坦的。栅格202、204进 一步具有形成在其中的多个开口 213。开口 213有利于反应物的分布和水移动通过扩散介 质层20。描绘的是，栅格202、204可由沿第一方向延伸的多个第一壁214和沿第二方向延 伸的多个第二壁216形成。第一和第二壁214、216可交叉，以在栅格202、204中形成多个 开口 213。第一和第二壁214、216可形成具有四边形形状的开口 213，例如四方形、矩形或 菱形。应该认识到，根据需要也可选择开口 213的其它形状。扩散介质层20是导电的。扩散介质层20可涂覆有导电材料。在一个非限制性示 例中，微桁架结构200和栅格202、204中的至少一个可被电镀以具有基本抗氧化、抗还原和 抗酸性的金属涂层。导电材料可包括选自由例如钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、铹(lr)、 钼(Pt)、锇(0s)组成的组中的贵金属及其合金。在特定实施例中，导电材料为金(Au)。在 其它特定实施例中，导电材料为钽(Ta)。另一合适的金属涂层可包括镍(Ni)合金。例如镍 铬(Cr)合金或镍钴(Co)合金。本领域普通技术人员应该认识到，导电材料可包括上述列 出的金属的混合物或合金。根据需要，也可采用其它导电金属和材料。通过电子束蒸发、磁控溅射、物理蒸汽沉积、化学蒸汽沉积、原子层沉积、电解沉 积、非电解沉积、火焰喷镀沉积、刷镀和其它类似过程中的一种，导电金属可被沉积在微桁 架结构200和栅格202、204中的至少一个上。也可采用基于溶液的电镀技术，其包括将微 桁架结构200和栅格202、204中的至少一个浸泡在电镀槽中。也可使用泥浆粉末形式的导 电材料并且后续燃烧泥浆粉末以形成涂层。本领域技术人员可选择一种以上的沉积技术， 以考虑视线和选择的沉积技术的非视线特性之间的差别。在某些实施例中，导电材料可基 本均勻地沉积在微桁架结构200和栅格202、204的内、外表面上。可根据需要选择将导电材料涂覆在扩散介质层20的微桁架结构200和栅格202、204上的合适的方法和导电材料
的厚度。在特别描绘的实施例中，导电材料可以以多个电镀步骤被涂覆在微桁架结构200 和栅格202、204的至少一个上。例如，可通过施加非电解镍基第一层之后，施加用于抗腐蚀 的NiCr或Cr第二层以及施加用于最小化扩散介质20和双极板8之间的接触阻抗的为Au 或Pd保护涂层的第三层，从而可形成导电涂层。例如，第一层和第二层可电镀到其上，第三 层通过物理蒸汽沉积被施加到受限覆盖范围上。根据需要还可采用用于将导电材料涂覆在 扩散介质层20上的其它方法。应该认识到，导电材料还可为金属氧化物或陶瓷。在某些描 绘的实施例中，微桁架结构200和栅格202、204中的至少一个可被涂覆有金属氧化物或陶 瓷，以提供期望水平的弯曲强度和导电性。合适的陶瓷微桁架结构200和用于制备陶瓷微 桁架结构200的方法公开在格拉斯等的美国专利申请12/074，727中，其整个公开内容通过 引用合并于此。本领域普通技术人员应该理解的是，由辐射敏感材料形成的扩散介质层20可被 碳化以使扩散介质层20导电。开细胞碳微结构和由聚合物样板材料制造开细胞碳微结构 的方法公开在雅克布森的美国专利申请11/870，379中，其整个公开内容通过引用合并于 此。也可使用用于碳化形成的扩散介质层20的其它合适的方法。在进一步的实施例中，微桁架结构200和栅格202、204中的至少一个可由在被固 化时导电的辐射敏感材料形成。在辐射敏感材料导电时，可不在扩散介质层20的微桁架结 构200和栅格202、204中的至少一个上采用导电材料涂层。本领域技术人员可根据需要选择用于扩散介质层20的合适的尺寸。在一个非限 制性示例中，扩散介质层20的厚度可在约50微米至约250微米之间，特别是在约100微 米和200微米之间，更特别为约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中的至少一个和栅格202、204的第一和第二壁214、216可具有高达约50 微米的厚度，特别是高达约35微米的厚度，更特别是高达约20微米的厚度。也可选择微桁 架结构200和栅格202、204的其它合适的尺寸，以优化燃料电池堆2的性能。根据本发明的扩散介质层20，特别是微桁架结构200，可进一步具有空间化改变 的传质阻力(spatially varying masstransport resistance)，用于控制燃料电池堆2中 的水管理。空间化改变的传质阻力可通过调节由辐射敏感材料形成的扩散介质层20的极 性、弯曲度、孔径尺寸和厚度而获得。空间化改变的传质阻力例如可如伯尔尼的美国专利申 请11/778，741中所述的那样被选择，该专利申请的全部公开内容通过引用被合并于此。扩 散介质层20可由具有不同传质阻力的多个部分形成，例如上游部分和下游部分。上游部分 可具有防止燃料电池堆2干燥的结构，下游部分可具有防止燃料电池堆2注水的结构。应 该认识到，空间化改变的传质阻力可通过上述的由辐射敏感材料形成扩散介质层20而被 选择。本发明的可替代实施例示出在图5至图6中。为了清楚的目的，与图1至图4相似 的结构具有同样的附图标记和前缀符号(‘)或者双前缀符号(“)。扩散介质层20'可包 括具有多个偏置桁架元件500的微桁架结构200'。偏置桁架元件500可至少部分被布置 为与第一、第二和第三桁架元件205' ,207' ,209'中的一个相邻。如图6所示，偏置桁架 元件500可形成为与偏置桁架元件500所相邻的第一、第二和第三桁架元件205' ,207'、
10209'中的一个成锐角拐角600。锐角拐角600可形成在燃料电池堆2工作期间，有利于移 除水的芯吸路径。扩散介质层20'的栅格202' ,204'可进一步由多个第三壁502形成。第一、第二 和第三壁214' ,216'、502可交叉，以形成多个第一开口 213'和多个第二开口 213〃。尽 管由多个第一壁214、214'和多个第二壁216、216'形成的开口 213、213‘ ,213"基本为 四边形，本领域技术人员应该理解的是开口 213、213' ,213"也可采用其它形状。例如，第 一开口 213'可具有基本三角形形状，第二开口 213"可具有利于将反应物分布到燃料电 池堆2的尺寸。在特定实施例中，第一开口 213'具有比第二开口 213"较小的平均直径。 例如，第一开口 213'的平均直径可小于约50微米，特别是小于约40微米，更特别是小于 约30微米。在另一实施例中，第二开口 213"的平均直径可小于约115微米，特别是小于约 100微米，更特别是小于约85微米。根据需要，可为开口 213、213' ,213"选择其它合适的 形状和尺寸。本发明进一步包括用于制造扩散介质层20的方法。如图7-10所示，该方法包括 提供将要在其上形成扩散介质层20的基片700的步骤。基片700可由允许在其上形成聚 合结构的任何材料形成。基片700可为非导电性的，例如塑料，或者可为导电性的，例如不 锈钢。基片700可具有孔眼或通路，其有利于在制造扩散介质层20之后移除多余的未固化 辐射敏感材料。应该认识到，在本发明范围内，术语“未固化辐射敏感材料”也可包括被分 离的辐射敏感材料。基片700可进一步被提供具有能粘接到扩散介质层20和从扩散介质层20剥离的 涂层或表面处理。在一个非限制示例中，基片700可具有适于与未固化辐射敏感材料粘接 的涂层。表面处理可进一步利于将固化的聚合物从基片700剥离。特别是，通常布置在平 坦表面或静止基板702上的基片700的后侧在扩散介质层20制造期间可具有一涂层，以防 止不希望的杂质或基片700被电镀。静止基板702可为例如具有利于压力释放的多孔真空 夹盘。本领域技术人员可根据需要选择合适的表面处理，包括涂层。该方法进一步包括步骤将第一辐射敏感材料704、第二辐射敏感材料706和第三 辐射敏感材料708施加到基片700上。第二辐射敏感材料706布置在第一辐射敏感材料704 和第三辐射敏感材料708之间。根据需要，第一、第二和第三辐射敏感材料704、706、708可 一次施加一个，或者可预先被层叠随后被施加到基片700。掩膜710布置在至少一个辐射 源712和第一、第二和第三辐射敏感材料704、706、708之间。掩膜710可例如被成形为与 期望的形状一致。在某些实施例中，掩膜710可具有多个高度，以形成具有不同厚度的扩散 介质层20。第二和第三辐射敏感材料704、706、708通过掩膜710中的辐射透射孔被同时暴露 于多个至少部分不平行的辐射线束。至少部分不平行的辐射线束例如可通过移动平行光束 而被提供。从而形成在第一和第三辐射敏感材料704、708中栅格202、204对。第一、第二 和第三辐射敏感材料704、706、708随后通过掩膜710上的辐射透射孔被同时暴露于多个平 行辐射线束。微桁架结构200从而形成在第二辐射敏感材料706上位于栅格202、204对之 间。应该理解的是，根据本方法形成微桁架结构200和栅格202、204有利于微桁架结构200 与栅格202、204的适当对准。并且，应该理解的是，微桁架结构200和栅格202、204的形成 都可通过将辐射线束从至少部分不平行改变为平行而以同一掩膜710形成。
本领域普通技术人员应该理解的是，可通过向第一和第三辐射敏感材料704、708 提供比第二辐射敏感材料706较快的固化速率而有利于由第二辐射敏感材料706形成微桁 架结构200和由第一和第三辐射敏感材料704、708形成栅格202、204。在可替代实施例中， 第一、第二和第三辐射敏感材料704、706、708可被选择为使第一种辐射固化第一和第三辐 射敏感材料704、708，第二种辐射固化第二辐射敏感材料706。根据需要，可选择用于引发、 聚合和使辐射敏感材料交联中的一个的合适的辐射敏感材料。本发明的方法进一步包括在将第一、第二和第三辐射敏感材料704、706、708暴 露于至少部分不平行和平行的辐射线束的步骤之后，还包括移除第一、第二和第三辐射敏 感材料704、706、708的未固化体积的步骤。本发明的方法可进一步包括在暴露期间或在诸 如加热的二次固化步骤中固化暴露的材料的步骤。如上所述的那样，根据需要，微桁架结构 200和栅格202、204的至少一个随后可被涂覆有导电材料、涂覆有金属氧化物或陶瓷，并且 被碳化。在另外的步骤中，具有微桁架结构200和栅格202、204的扩散介质层20可从基片 700移除。根据需要，涂层可为相对薄的层以在移除基片700之前保持尺寸，或者可为重的 可延展涂层。随后可在微桁架结构200和栅格202、204的具有选择的导电材料的表面上施 加修整涂层。在另一实施例中，该方法包括在形成微桁架结构200期间将至少一个辐射源712 旋转出平面的步骤。布置为与第一桁架元件205、第二桁架元件207、第三桁架元件209和 第四桁架元件211相邻的至少一个偏置桁架元件500从而被形成。同样，用于在燃料电池 堆2工作期间将水从MEA3芯吸出去的锐角拐角600也通过偏置桁架元件500的形成而形 成。令人惊奇的发现的是，由辐射敏感材料形成的栅格202、204和微桁架结构200的 采用节约了在燃料电池堆2中使用的扩散介质层20的生产成本。本制造方案还比传统的 形成方法便宜，允许通过显著减少的研制周期制造出的扩散介质层20具有不同的配置，包 括空间化变化的传质阻力。特别是，可通过替换传统的碳纸扩散介质而减少生产成本。尽管为了解释本发明的目的已经示出了某些代表性实施例和细节，但本领域技术 人员应该清楚的是，在不脱离进一步由在后面的所附权利要求中描述的本发明的范围的情 况下可作出各种改变。
权利要求
一种用于燃料电池的扩散介质层，包括布置在一对导电栅格之间的导电微桁架结构，所述微桁架结构和所述栅格中的至少一个由辐射敏感材料形成。
2.如权利要求1所述的扩散介质层，其中所述微桁架结构包括沿第一方向延伸的多个 第一桁架元件、沿第二方向延伸的多个第二桁架元件和沿第三方向延伸的多个第三桁架元 件。
3.如权利要求2所述的扩散介质层，其中所述第一、第二和第三桁架元件在多个节点 处彼此交叠，以形成基本连续的三维自支撑结构。
4.如权利要求3所述的扩散介质层，其中所述节点的至少一部分形成为与所述栅格中 的一个相邻。
5.如权利要求2所述的扩散介质层，其中偏置桁架元件布置为与所述第一、第二和第 三桁架元件中的至少一个相邻，以形成锐角拐角。
6.如权利要求1所述的扩散介质层，其中所述栅格中的至少一个包括沿第一方向延伸 的多个第一壁和沿第二方向延伸的多个第二壁，其中所述第一壁和所述第二壁形成多个四 边形开口。
7.如权利要求5所述的扩散介质层，其中所述栅格中的至少一个包括沿第三方向延伸 的多个第三壁，其中所述第一壁、所述第二壁和所述第三壁形成多个三角形开口和多个六 边形开口，所述三角形开口比所述六边形开口小。
8.如权利要求1所述的扩散介质层，其中所述栅格中的至少一个具有基本平坦的表面。
9.一种燃料电池，包括膜电极组件，该膜电极组件具有布置在一对电极之间的电解质膜；一对扩散介质层，所述膜电极组件置于所述一对扩散介质层之间，所述扩散介质层中 的至少一个包括布置在一对导电栅格之间的导电微桁架结构，所述微桁架结构和所述栅格 中的至少一个由辐射敏感材料形成；和一对导电燃料电池板，其中所述膜电极组件和所述扩散介质层布置在所述燃料电池板 之间。
10.一种制造燃料电池的扩散介质层的方法，包括下列步骤提供基片；向所述基片上施加第一辐射敏感材料、第二辐射敏感材料和第三辐射敏感材料，所述 第二辐射敏感材料布置在所述第一辐射敏感材料和所述第三辐射敏感材料之间；将掩膜放置在至少一个辐射源与所述第一、第二、和第三辐射敏感材料之间，所述掩膜 沿一个平面延伸且具有形成在其内的多个基本辐射透射的孔；使所述第一、第二和第三辐射敏感材料通过所述掩膜中的辐射透射孔暴露于多个至少 部分不平行的辐射线束，从而使一对栅格形成在所述第一和第三辐射敏感材料中；和使所述第一、第二和第三辐射敏感材料通过所述掩膜中的辐射透射孔暴露于多个平行 的辐射线束，从而在所述一对栅格之间的所述第二辐射敏感材料中形成微桁架结构。
全文摘要
本发明涉及通过基于光聚合物的过程形成的扩散介质，具体提供一种用于燃料电池的扩散介质层，该扩散介质层包括布置在一对导电栅格之间的导电微桁架结构。微桁架结构和栅格中的至少一个由辐射敏感材料形成。本发明还提供一种具有扩散介质层的燃料电池和用于制造扩散介质层的方法。
文档编号H01M8/10GK101887980SQ201010180368
公开日2010年11月17日 申请日期2010年5月14日 优先权日2009年5月15日
发明者A·J·雅各布森, G·W·弗利, J·A·洛克, K·E·纽曼, P·D·布鲁尔, R·E·多蒂, W·B·卡特, Y-H·赖 申请人:通用汽车环球科技运作公司