专利名称：微桁架水蒸汽传输装置的制作方法
技术领域：
本公开涉及燃料电池部件，尤其涉及通过光聚作用制造的水蒸汽传输装置。
背景技术：
燃料电池已经被提出为用于电动车辆及多种其它应用的一种清洁、有效和环保的 能源。单独的燃料电池可串联堆叠在一起形成用于多种应用的燃料电池堆。燃料电池堆能 够供应足以驱动车辆的电量。特别地，燃料电池堆已经被认为可能替代现代汽车中使用的 传统内燃机。一种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。电解质膜夹在电极之间形成膜电极组件 (MEA)0 MEA通常布置在多孔扩散介质(DM)之间，例如碳纤维纸，便于反应物的传输，例如氢 气到阳极，氧气到阴极。在电化学燃料电池反应中，氧气在阳极中被催化氧化产生自由质子 和电子。质子通过电解质到阴极。阳极的电子无法通过电解质膜，而是通过电力负载(例如 电机)作为电流到达阴极。质子与阴极中的氧气和电子反应产生水。如本领域所公知的，燃料电池堆中的膜为了有效的性能必须具有一定的相对温 度(RH)。常常进行测量以将膜水合作用保持在最优化质子穿过电解质膜的期望范围内。 在通常的方法中，至少一种反应物在被引导至燃料电池之前被引导至膜湿润器或水蒸汽 传输(WVT)装置。例如，在Goebel等人共同享有的美国专利No. 7，036，466、Sennoun等 人共同享有的美国专利申请公开No. 2006/0029837及R)rte共同享有的美国专利申请 公开No. 2005/0260469中描述了燃料电池的湿润，这些文献的内容都通过参考包含于本 文。WVT装置通常用于湿润被引导至燃料电池堆的阴极的空气。Tanihara等人的美国专 利No. 7，156，379 (该篇文献的内容通过参考包含于本文)和Siimanuki等人的美国专利 No. 6,471, 195 (该篇文献的内容通过参考包含于本文)中图示和描述了空气湿润器的实例。 WVT装置可在燃料电池堆的外部或形成在燃料电池堆内。zhang等人共享的美国专利申请公开No. 2008/0001313中公开了一种典型的膜 湿润器型WTV装置，该篇文献的内容通过参考包含于本文。膜湿润器包括基本上平面的第 一板和基本上平面的第二板，其中第一板具有形成在其中的至少一个基本上线性的流动通 道，第二板具有形成在其中的至少一个基本上线性的流动通道。第一和第二板的流动通道 分别便于第一和第二气体从其中流动通过。扩散介质布置在在第一与第二板之间，并适于 允许水蒸汽从其传输通过。膜也布置在第一板与第二板之间，并适于允许水蒸汽从其传输 通过。第一气体中的水蒸汽传输通过扩散介质和膜至第二气体。对于具有水蒸汽传输装置的燃料电池系统持续有如下需要保持机械强度及有关 水蒸汽传输装置的膜的蠕变、热膨胀和湿膨胀的稳定性。期望地，水蒸汽传输装置具有在水 蒸汽传输装置操作期间足以吸收膜膨胀的通过平面刚度。
发明内容
根据本公开，令人惊喜地公开了一种具有水蒸汽传输装置，其保持机械强度及有 关水蒸汽传输装置的膜的蠕变、热膨胀和湿膨胀的稳定性，并具有在水蒸汽传输装置操作 期间足以吸收膜膨胀的通过平面刚度。在一个实施例中，燃料电池系统包括燃料电池，该燃料电池具有布置在一对电极 之间的电解质膜、一对扩散介质层及一对导电燃料电池板，所述电极构造成接收湿润流体。 所述电极构造成从与其流体连通的水蒸汽传输装置接收湿润流体。所述水蒸汽传输装置包 括湿流区域层，所述湿流区域层具有布置在一对细微桁架结构之间的粗微桁架结构。所述 湿流区域层的粗和细微桁架结构由辐射敏感材料形成。干流区域层具有布置在一对细微桁 架结构之间的粗微桁架结构。所述干流区域层的粗和细微桁架结构由辐射敏感材料形成。 膜布置在所述湿流区域层与所述干流区域层之间，并且适于允许水蒸汽从湿流体从其传输 通过至干流体，以形成湿润流体。本发明还提供了以下方案 1. 一种燃料电池系统，包括
燃料电池，其具有布置在一对电极之间的电解质膜、一对扩散介质层及一对导电燃料 电池板，所述电极构造成接收湿润流体；以及
与所述燃料电池流体连通的水蒸汽传输装置，所述水蒸汽传输装置包括湿流区域层、 干流区域层和布置在所述湿流区域层与所述干流区域层之间的膜，其中所述湿流区域层具 有布置在一对细微桁架结构之间的粗微桁架结构，所述湿流区域层由辐射敏感材料形成， 并且适于促进湿流体从其中流动通过，所述干流区域层具有布置在一对细微桁架结构之间 的粗微桁架结构，所述干流区域层由辐射敏感材料形成，并且适于促进干流体从其中流动 通过，所述膜适于允许水蒸汽通过其中从所述湿流体传输至所述干流体。2.如方案1的燃料电池系统，其中每个微桁架结构都包括沿着第一方向延伸的 多个第一桁架元件、沿着第二方向延伸的多个第二桁架元件和沿着第三方向延伸的多个第 三桁架元件。3.如方案1的燃料电池系统，其中所述微桁架结构的空间密度低于所述湿流区 域层和所述干流区域层中的至少一个内的流动通道的空间密度。4.如方案1的燃料电池系统，其中所述湿流区域层和所述干流区域层中的至少 一个内的流动通道包括沿着一个方向延伸的多个第一通道壁。5.如方案4的燃料电池系统，其中所述湿流区域层和所述干流区域层中的至少 一个内的流动通道包括沿着另一个方向延伸的多个第二通道壁，其中所述第一通道壁与第 二通道壁在多个结合点互相贯通以形成所述流动通道。6.如方案1的燃料电池系统，其中所述湿流区域层和所述干流区域层中的至少 一个包括一对网栅，所述网栅之一布置在所述微桁架结构中的一个与所述膜之间。7.如方案6的燃料电池系统，其中每个网栅都包括沿着第一方向延伸的多个第
一壁和沿着第二方向延伸的多个第二壁。8.如方案1的燃料电池系统，其中所述湿流区域层和所述干流区域层中的至少 一个的外围边缘具有密封件。9.如方案8的燃料电池系统，其中所述密封件通过在所述微桁架的一部分吸收
4弹性体来形成。10.如方案8的燃料电池系统，其中所述密封件通过在所述外围边缘模制弹性体 来形成。11.如方案1的燃料电池系统，其中所述湿流区域层和所述干流区域层中的至少 一个包括布置在所述微桁架结构之间的多个间隔开的支撑系带，所述支撑系带适于支撑形 成流动通道的至少一个壁。12.如方案1的燃料电池系统，其中所述湿流区域层和所述干流区域层中的至少 一个的至少一部分被进行金属化、陶瓷化和碳化中的一种。
从下面的详细描述，特别是考虑这里描述的附图时，本领域的技术人员可容易地 清楚本公开的上述以及其它优点。图1为根据本公开的水蒸汽传输装置的示意性透视图2A-2B分别为水蒸汽传输装置沿图1中截面线A-A和B-B的局部截面图，为示意性 目的示出了一对湿流区域之间的一个干流区域；以及
图3A-3B分别为水蒸汽传输装置沿图1中截面线A-A和B-B的局部截面图，进一步示 出了布置在微桁架结构与膜之间的支撑网栅。
具体实施例方式下面的详细说明和附图描述和示出了本发明的多种实施方式。其说明和附图用于 使本领域的技术人员能够制造和使用本发明，不意欲以任何方式限制本发明的范围。如图1中所示，本公开包括燃料电池系统，该系统具有构造成接收湿流体4的流动 和干流体6的流动的水蒸汽传输装置2。湿流体4可包括其中具有一定量水(通常为水蒸 汽的形式)的任意流体。例如，湿流体4可包括湿空气。干流体6可包括比湿流体4中具有 的水量少的任意流体。水蒸汽传输装置2进一步构造成将水蒸汽从湿流体4传输至干流体 6，并形成湿润流体8的流动。水蒸汽传输装置2与燃料电池(未示出)流体连通，并构造成 给其提供湿润的反应物。例如，水蒸汽传输装置2可向燃料电池提供如下至少一种湿润流 向阴极提供湿润空气流和向阳极提供湿润氢气流。使用水蒸汽传输装置2的其它湿润和除 湿方法也在本公开的范围内。现在参考图2A-2B，示出了根据本公开一个实施例的水蒸汽传输装置2。水蒸汽传 输装置2包括至少一个湿流区域层10和至少一个干流区域层12。湿流区域层10构造成与 湿流体4的流动流体连通。干流区域层12构造成与干流体6的流动流体连通。为简便起 见，图2A-2B和3A-;3B示出了一对湿流区域层10，其间布置一个干流区域层12。但是，应当 清楚，在本公开的范围内还可使用具有多个湿流区域层10和多个干流区域层12 (例如，交 替地堆叠布置)的水蒸汽传输装置2。湿流区域层10包括布置在一对细微桁架结构16之间的粗微桁架结构14。湿流区 域层10的结构由对辐射敏感的材料形成，并构造成便于湿流体4从其中流动通过。同样， 干流区域层12包括布置在一对细微桁架结构16之间的粗微桁架结构14。干流区域层12 也由对辐射敏感的材料形成，并构造成便于干流体6从其中流动通过。
粗微桁架结构14具有构造成便于流体从其中流动通过并支撑细微桁架结构16的 孔径尺寸。粗微桁架结构14具有大于约250微米、特别是大于约500微米的平均孔径尺寸。 细微桁架结构16具有构造成支撑膜22的孔径尺寸。细微桁架结构16的孔径尺寸也可选 择成便于流体(例如水)的毛细作用。细微桁架结构16具有小于约250微米、特别是小于约 100微米的孔径尺寸。湿流区域层10和干流区域层12中的至少一个还可包括多个流动通道15。应当 理解，湿流区域层10和干流区域层12各自的流动通道15可根据需要相对于彼此布置成交 叉流动或相逆流动，例如彼此不平行。例如，湿流区域层10可构造成沿第一方向引导湿流 体4的流动，干流区域层12可构造成沿第二方向引导干流体6的流动，其中第一方向不同 于第二方向。粗微桁架结构14的空间密度可调节为提供用于引导流体流动的流动通道15 并排出水蒸汽传输装置2中的水滴，同时还提供用于最小化跨过水蒸汽传输装置2的总压 降的充分敞开区域。例如，流动通道15可通过缺失粗微桁架结构14中的桁架来形成。在 另一实施例中，流动通道15通过多个通道壁形成，如下面进一步所描述的。受让人共同受让的美国专利申请No. 12/339，308中描述了辐射固化结构(例如干 湿流区域层10和12、粗微桁架结构14和细微桁架结构16)的形成，该篇文献的内容通过参 考包含于本文。特别地，Jacobsen 等人在"Compression behavior of micro-scale truss structures formed from self-propagating polymer waveguides，，Acda Materialia 55， (2007) 6724-6733中描述了辐射固化微桁架结构，该篇文献的内容通过参考包含于本文。 Jacobsen在美国专利No. 7，382，959中公开了产生辐射固化结构的一种特别方法和系统， 该篇文献的内容通过参考包含于本文。所述系统包括至少一个平行光源，其选择成产生平 行光束；容器，其具有适于通过平行光束而聚合的光致单体；和掩模，其具有至少一个孔， 并位于所述至少一个平行光源与所述容器之间。所述至少一个孔弓I导一部分平行光束进入 所述光致单体，以形成通过光致单体的一部分体积的至少一个聚合物波导管。Jacobsen在 美国专利申请No. 11/801,908中公开了其它辐射固化结构，该篇文献的内容通过参考包含于本 文。Kewitsch等人在美国专利No. 6，274，288中也公开了一种聚合物材料，其被暴露于辐射，并 通过形成聚合物波导管导致光的自聚焦或自捕获，该篇文献的内容通过参考包含于本文。辐射固化的湿流和干流区域层10、12由对辐射敏感的材料形成。根据本公开的辐 射敏感材料包括可辐射固化材料和可辐射离解材料。术语“可辐射固化材料”这里定义为通 过暴露于辐射而发生被促发、聚合和交联中的至少一种的任意材料。应当清楚，在开始暴露 于辐射之后，也可通过提高温度来至少部分地完成可辐射固化材料的聚合或交联。术语“可 辐射离解材料”这里定义为通过暴露于辐射而展现聚合物主链的断裂和断联的至少一种的 任意材料。作为非限制性例子，可通过能够溶解充分破坏交联和/或断裂可辐射离解材料 的聚合物主链的溶剂来制造可辐射离解材料。作为非限制性例子，可辐射固化材料可包括液态光致单体和基本上固态的辐射可 固化聚合物中的一种。液态光致单体可为Jacobsen在美国专利No. 7，382，959和美国专利 申请No. 11/801，908中描述的单体。适当的光致单体的其它非限制性实例包括在暴露于UV 辐射(例如，波长在约250 nm与约400 nm之间)时通过自由基聚合作用而聚合的单体。光 致单体可包括任意适当的自由基光聚合物材料(例如聚氨酯橡胶(聚氨基甲酸酯)、丙烯酸 脂、甲基丙烯酸酯)和阳离子催化聚合物(例如，光固化环氧树脂)。适当的液态光致单体可在光聚合作用时展现折射率的变化，例如，以提供自传播波导管。根据需要，还可使用其它 光致单体。适当的基本固态可辐射固化材料可包括负阻聚合物。负阻聚合物经过光引发工 艺，导致负阻聚合物通过例如聚合作用或缩聚作用而固化。当聚合或缩聚反应在基本相同 时间发生时，该工艺称为“光固化”。在只有反应物通过光引发工艺产生，并且需要后续步骤 (例如加热)以产生聚合作用或缩聚使用时，该工艺称为“光引发”。应当清楚，即使完成聚合 步骤必需后固化热处理，也可于初始辐射暴露期间在负光阻聚合物中产生基本上稳定的辐 射固化特征。基本上固态的可辐射固化材料可仅仅经过引发工艺，并且由于固态可辐射固 化聚合物内化学物种的固有稳定性和有限扩散比，也可很晚地执行固化工艺，而没有显著 的特性退化。应当清楚，大多光引发聚合物在引发工艺开始时开始固化工艺，但是暴露温度 的反应动力学非常慢，以致在将负阻聚合物加热至期望固化温度之前即使需要，也很少发 生聚合作用或缩聚使作用。一种特别的负阴聚合物是可商业上从马萨诸塞州牛顿市的Microchem Corporation获得的环氧基SU-8 2000 负阻聚合物。SU-8 2000 负阻聚合物可通过UV辐 射而固化。应当清楚，可使用其它基本上固态的可辐射固化聚合物。作为非限制性例子，可辐射离解材料可包括正阻聚合物。正阻聚合物开始作为交 联聚合物，但是可含有在暴露于特定辐射时产生分解聚合物的化学物种的光引发剂，其中 所述化学物种通过破坏交联和离解聚合物主链中的至少一种来分解聚合物。所述分解使正 阻聚合物溶解在已经暴露于辐射的区域内。正阻聚合物保持未分解的区域被掩盖，而不是 被暴露，如同上述负阻聚合物的情形。在某些实施例中，正阻聚合物对辐射敏感，例如，紫外 线或电子束，无需光引发剂。例如，正阻聚合物本身可被辐射损坏，残余离解的变得溶解在 溶液中。根据需要，可使用其它类型的正阻聚合物。湿流区域层10和干流区域层12中的至少一个的流动通道15可包括沿着一个方 向延伸的多个第一通道壁24。第一通道壁M可沿着湿流区域层10和干流区域城12中至 少一个的长度延伸。流动通道15还可包括多个第二通道壁26，也沿着湿流区域层10和干 流区域城12中至少一个的长度延伸。第一和第二通道壁MJ6间隔开，如图2A-;3B中所示。 在另一实施例中，第一和第二通道壁对、26可在多个结合点(未示出)互相贯通。作为非限 制性例子，第一和第二通道壁MJ6可形成基本V形的流动通道15。应当清楚，流动通道 15形成为打开的V形可允许例如制造湿流区域层10和干流区域层12期间使用的过量辐射 敏感材料的回收。所述结合点可根据需要布置在夹着流动通道15的任一细微桁架结构16 附近。湿流区域层10和干流区域城12还可包括多个间隔开的支撑系带30，分别便于湿 流体4和干流体6的流动，但是湿流区域层10和干流区域城12在典型的燃料电池操作条 件下会阻止第一和第二通道壁对、26的不期望挠曲。与形成微桁架结构16的桁架元件相 似，如这里进一步描述的，支撑系带30可根据需要具有椭圆形截面形状或其它截面形状。 但是，应当理解，支撑系带30的截面积可大于周围桁架元件的截面积，以便于第一和第二 通道壁对、26的支撑。支撑系带30还可根据需要连续地或间隔地交叉。例如，支撑系带30可布置在第 一和第二通道壁对、26中的至少一个与至少一个细微桁架结构16之间。支撑系带30还可布置在细微桁架结构16之间。至少一个支撑系带30可与细微桁架结构16附近的另一 支撑系带30交叉。特别地，支撑系带30可设计成为了刚度而与相邻的细微桁架结构16交 叉，以避免第一和第二通道壁对、26的不期望挠曲和裂缝。在另一实例中，支撑系带30的 空间密度可低于相邻细微桁架结构16的空间密度。应当清楚，可最大化湿流区域城10和 干流区域城12的细微桁架结构16的空间密度，以给布置在其间的膜22提供基本上均勻的 支撑。在特定实施例中，湿流区域层10和干流区域层12中的至少一个可具有高达约5. 0 mm的厚度，特别是高达2. 0 mm，最特别是高达1. 0 mm。在某些实例中，湿流区域层10和干 流区域层12中的至少一个的厚度在约0. 05 mm与1. 0 mm之间。湿流区域层10和干流区 域层12也可选择其它适当的厚度。膜22布置在湿流区域层10与干流区域层12之间。例如，膜22可作为布置在湿 流区域层10与干流区域层12之间的隔离层。在另一实例中，膜22由被湿流区域层10和 干流区域层12中至少一个的细微桁架结构16吸收的材料形成。膜22允许水蒸汽从湿流 体6传输至干流体4以形成湿润流体8。在某些实施例中，膜具有从10微米到约100微米 的厚度，更特别地从约25微米到约75微米，最特别地约50微米。作为非限制性例子，形 成膜22的材料可包括全氟磺酸基聚合物(PFSA)、纤维素、壳聚糖(CS)、聚酰胺、聚丙烯酰胺 (PAM)、多芳基化合物、聚丙烯腈(PAN)、聚苯并咪唑(PBI)、聚醚(PEI)、聚醚砜(PES)、聚酰 亚胺(PI)、聚苯砜(PPSU)、聚苯乙烯、聚砜(PS)、聚亚安酯、聚乙烯(乙烯醇)(PVA)、藻酸钠 (SA)、磺化聚醚醚酮(SPEEK)及其组合物和混合物。适于形成膜22的各种材料在暴露于水 蒸汽时会膨胀。例如，在水蒸汽传输装置2操作期间，用于膜22的材料会展现从约0%的体 积膨胀到约300%的体积膨胀。本领域的技术人员可根据需要选择用于膜22的适当厚度和 材料。本公开的粗微桁架结构14和细微桁架结构16的每个都包括沿着第一方向延伸的 多个第一桁架元件、沿着第二方向延伸的多个第二桁架元件、及沿着第三方向延伸的多个 第三桁架元件。第一、第二和第三桁架元件可在多个节点互相贯通。应当清楚，第一、第二 和第三桁架元件可不互相贯通，或者可根据需要在断续的基础上在多个节点互相贯通。第 一、第二和第三桁架元件形成连续的三维自支撑蜂窝结构。虽然具有多个第一桁架元件、多个第二桁架元件和多个第三桁架元件的粗和细微 桁架结构14、16可具有上述3重结构对称，但是本领域的技术人员应当清楚，在本公开的范 围内，粗和细微桁架结构14、16可使用其它结构，例如4重对称和6重对称。例如，可选择特 定的结构以最大化粗和细微桁架结构14、16的连通性，并最小化对粗和细微桁架结构14、 16在负载下弯曲和弯折的易感性。选择的结构可根据需要是对称的或不对称的。结构还可 被选择以优化粗和细微桁架结构14、16的强度和硬度。本领域的技术人员还应当理解，粗 和细微桁架结构14、16可根据需要使用其它结构。Jacobsen在美国专利No. 7，382，959和美国专利申请No. 11/801, 908中描述了用 于粗和细微桁架结构14、16的示例性结构。例如，所述多个第一桁架元件可通过多个第一 自传播聚合物桁架波导管来限定。所述多个第二桁架元件可通过多个第二自传播聚合物桁 架波导管来限定。所述多个第三桁架元件可通过多个第三自传播聚合物桁架波导管来限 定。根据需要，可使用其它的适当方法形成粗和细微桁架结构14、16。
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本领域的技术人员应当清楚，可根据需要通过下列方法之一设计特殊的粗和细微 桁架结构14、16 :1)选择聚合物桁架元件相对于彼此的角度和图案；2)调节产生的蜂窝结 构的包装或相对密度；和3)选择聚合物桁架元件的截面形状和尺寸。特别地，具有椭圆形 桁架截面形状的聚合物桁架元件可阻止有关热膨胀系数差异的退化。根据需要，还可使用 其它截面形状。现在参考图3A和;3B，水蒸汽传输装置2还可包括布置在湿流区域层10和干流区 域层12中至少一个内的一对网栅32。网栅32布置在一个细微桁架结构16与膜22之间。 与粗和细微桁架结构14、16相同，网栅32由辐射固化材料形成。例如，网栅32构造成有下 列至少一项功能支撑膜22或阻止膜22的退化，其中由于膜22与微桁架结构16的桁架元 件的末端接触，可能会发生膜22的退化。作为非限制性例子，网栅32的表面可基本上为平 面。在特定实施例中，网栅32可具有从约50微米到约400微米的厚度，更特别地约100微 米到200微米，最特别地约150微米。本领域技术人员可根据需要选择其它适当厚度的网 栅32。网栅32可替换细微桁架结构16，使得湿流区域层10和干流区域层12中的至少一 个只包括粗微桁架结构14和网栅32。网栅32具有形成在其中的多个开口 34。开口 34便于反应物分布和水移动通过湿 流和干流区域层10、12。例如，网栅32可由沿着第一方向延伸的多个第一壁36和沿着第 二方向延伸的多个第二壁38形成。第一和第二壁36、38可交叉形成网栅32中的多个开口 34。第一和第二壁36、38可形成具有四边形(例如方形、矩形或菱形)形状的开口 34。应当 清楚，根据需要，可选择其它形状的开口 34。如图2A和2B中所示，水蒸汽传输装置2可包括至少一个密封件42，该密封在水蒸 汽传输装置2的外围边缘提供充分的流体密封。例如，密封件42可布置在湿流区域层10 和干流区域层12中至少一个的外围边缘。密封件42由弹性材料形成，其为水蒸汽传输装 置2的部件的堆叠提供令人满意的顺应表面。适当的弹性材料包括在暴露于水蒸汽传输装 置2操作条件(例如暴露于湿气)时不显著地退化的材料。作为非限制性例子，弹性材料可 包括硅或聚氨酯。根据需要，可给密封件42选择其它适当的弹性材料。在一个实例中，密封件42通过在湿流区域层10和干流区域层12中至少一个的一 部分上吸收弹性材料来形成。在特定实施例中，弹性材料为液态弹性体，其通过液态弹性体 的例如丝网印刷述应用至湿流区域层10和干流区域层12中至少一个的期望部分。微桁架 结构16的孔径尺寸可选择成例如在应用液态弹性体时提供毛细响应。应当清楚，在湿流区 域层10和干流区域层12吸收弹性材料包括在粗微桁架结构14、细微桁架结构16、间隔开 的支撑系带30和网栅32中的至少一个的一部分吸收弹性材料。为了在湿流区域层10和 干流区域层12上吸收弹性材料，粗微桁架结构14上期望弹性材料产生浸入的区域必须足 够地细，以阻止弹性材料脱离粗微桁架结构14并进入相邻细微桁架结构16的不期望浸入。在另一实例中，密封件42通过绕着湿流区域层10和干流区域层12中至少一个的 外围边缘模制一层弹性材料来形成。本领域的技术人员应当清楚，根据需要，可使用其它方 法形成水蒸汽运输装置2的密封件42。应当理解，在制造辐射固化的湿流区域层10和干流区域层12中的至少一个之后， 湿流区域层10和干流区域层12中的至少一个可进一步被处理，以提高其强度和环境抗性。 作为非限制性例子，可金属化、陶瓷化和碳化水蒸汽传输装置2的至少一部分。
在一个实施例中，可通过使用金属涂层电镀湿流区域层10和干流区域层12中的 至少一个的一部分来金属化水蒸汽传输装置2的至少一部分。例如，金属涂层可充分地耐 氧化、耐还原和抗酸。金属涂层可包括从下列金属中选择的贵金属例如，钌(Ru)、铑ah)、 钯(Pd)、银(Ag)、铹(Lr)、钼(Pt)和锇(Os)及其合金。在特定实施例中，金属涂层为金 (Au)0在另一特定实施例中，金属涂层为钽(Ta)。其它适当的金属涂层可包括镍(Ni)合金， 例如镍(Ni)与铬(Cr)或镍(Ni)与钴(Co)的合金。本领域的技术人员应当认识到，金属涂 层可包括上述金属的混合物或合金。根据需要，也可使用其它金属。金属涂层可通过电子束蒸发、磁控溅射、物理气相淀积、化学气相沉积法、原子层 沉积，电沉积法、化学镀沉积、火焰喷射沉积，刷电镀中或其它类似工艺中的至少一种镀在 水蒸汽传输装置2上。还可使用包括将湿流区域层10和干流区域层12中至少一个的至少 一部分浸在电镀槽中的基于电镀技术的方案。还可使用先应用浆粉形式的金属然后烧制浆 粉以形成金属涂层的方法。本领域的技术人员可选择不只一种镀层方案，以考虑所选择的 镀层技术特征的视线内与视线外之间的差异。在某些实施例中，金属涂层可充分均勻地镀 在辐射固化结构的内表面及外表面上。根据需要，可选择用于金属化湿流区域层10和干流 区域层12的至少一个的至少一部分的适当方法。本领域的技术人员应当理解，根据需要，可碳化湿流区域层10和干流区域层12的 至少一个的至少一部分。Jacobsen在美国专利申请No. 11/870，379中公开了开放蜂窝式碳 结构和由聚合物模板材料制造开放蜂窝式碳结构的方法，该篇文献的内容通过参考包含于 本文。还可使用用于碳化湿流区域层10和干流区域层12的至少一个的至少一部分的其它 适当方法。应当清楚，通过以适当的金属氧化物或陶瓷涂覆湿流区域层10和干流区域层12 的至少一个的至少一部分可陶瓷化蒸汽传输装置2的至少一部分。在某些示意性实施例 中，可通过金属氧化物或陶瓷涂覆湿流区域层10和干流区域层12的至少一个的至少一部 分，以提供期望水平的弯曲强度。Gross在美国专利申请No. 12/074，727中公开了用于陶瓷 化辐射固化结构的适当陶瓷结构和方法，该篇文献的内容通过参考包含于本文。还可使用 用于陶瓷化湿流区域层10和干流区域层12的至少一个的至少一部分的其它适当方法。与商业上可获得的材料相比，控制穿过湿流区域层10和干流区域层12的厚度及 横贯面积图案中多孔孔的能力允许性能最优化。通过如本文所述结合流量分配、密封、传输 和膜支撑功能，还最小化了水蒸汽传输装置2的复杂性，特别是有关水蒸汽传输装置2的结 构部件的数量。还令人^(喜地发现，本公开的水蒸汽传输装置2保持了机械强度及有关水蒸汽传 输装置2操作期间膜22的蠕变、热膨胀和湿膨胀的稳定性。期望地，本公开的水蒸汽传输 装置2在水蒸汽传输装置2操作期间展现了足以便于膜22的膨胀的通过平面刚度。尽管为示出本发明目的已经给出了某些示意性实施例和细节，本领域的技术人员 可清楚，在不脱离由所附权利要求进一步描述的本公开范围的情况下，可进行各种改变。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括燃料电池，其具有布置在一对电极之间的电解质膜、一对扩散介质层及一对导电燃料 电池板，所述电极构造成接收湿润流体；以及与所述燃料电池流体连通的水蒸汽传输装置，所述水蒸汽传输装置包括湿流区域层、 干流区域层和布置在所述湿流区域层与所述干流区域层之间的膜，其中所述湿流区域层具 有布置在一对细微桁架结构之间的粗微桁架结构，所述湿流区域层由辐射敏感材料形成， 并且适于促进湿流体从其中流动通过，所述干流区域层具有布置在一对细微桁架结构之间 的粗微桁架结构，所述干流区域层由辐射敏感材料形成，并且适于促进干流体从其中流动 通过，所述膜适于允许水蒸汽通过其中从所述湿流体传输至所述干流体。
2.如权利要求1的燃料电池系统，其中每个微桁架结构都包括沿着第一方向延伸的多 个第一桁架元件、沿着第二方向延伸的多个第二桁架元件和沿着第三方向延伸的多个第三 桁架元件。
3.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述微桁架结构的空间密度低于所述湿流区域 层和所述干流区域层中的至少一个内的流动通道的空间密度。
4.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述湿流区域层和所述干流区域层中的至少一 个内的流动通道包括沿着一个方向延伸的多个第一通道壁。
5.如权利要求4的燃料电池系统，其中所述湿流区域层和所述干流区域层中的至少一 个内的流动通道包括沿着另一个方向延伸的多个第二通道壁，其中所述第一通道壁与第二 通道壁在多个结合点互相贯通以形成所述流动通道。
6.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述湿流区域层和所述干流区域层中的至少一 个包括一对网栅，所述网栅之一布置在所述微桁架结构中的一个与所述膜之间。
7.如权利要求6的燃料电池系统，其中每个网栅都包括沿着第一方向延伸的多个第一 壁和沿着第二方向延伸的多个第二壁。
8.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述湿流区域层和所述干流区域层中的至少一 个的外围边缘具有密封件。
9.如权利要求8的燃料电池系统，其中所述密封件通过在所述微桁架的一部分吸收弹 性体来形成。
10.如权利要求8的燃料电池系统，其中所述密封件通过在所述外围边缘模制弹性体 来形成。
全文摘要
本发明涉及微桁架水蒸汽传输装置。具体地，一种燃料电池系统，包括具有湿流区域层的水蒸汽传输装置，所述湿流区域层具有布置一对细微桁架结构之间的粗微桁架结构。所述湿流区域层的粗和细微桁架结构由辐射敏感材料形成。干流区域层具有布置在一对细微桁架结构之间的粗微桁架结构。所述干流区域层的粗和细微桁架结构由辐射敏感材料形成。膜布置在所述湿流区域层与所述干流区域层之间，并且适于允许水蒸汽从湿流体从其传输通过至干流体，以形成湿润流体。
文档编号H01M8/04GK102148391SQ201110034948
公开日2011年8月10日 申请日期2011年2月9日 优先权日2010年2月8日
发明者W. 弗利 G., A. 洛克 J., 赖 Y-H. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司