专利名称：采用集流控制方式的塑料小板燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种塑料薄片燃料电池，更具体地说，本发明涉及由多层薄片构成、具有集流控制结构的燃料电池以及制造和使用这种集流控制电池的方法。利用本发明原理的一个具体实例是一种氢-空气/O2燃料电池，它将多复合隔板作为一个流动控制芯，外加金属或其他导电型的表面薄片使其具有集流器的功能，此多复合隔板由粘结着的塑料薄片构成。这些塑料薄片上分别构成微通道区与反应气体区、冷却区以及增湿区。本发明中典型的集流控制塑料薄片电池的正常工作温度范围在50～150℃之间，用于静止和移动燃料电池站的电池在开环或闭环组态下输出功率均在0.25-1.0kW/kg(0.5-1.0kW/L)数量级。在整个燃料电池叠层中，集流控制薄片和隔板可根据其在电池叠层中的不同位置来调整以满足变化的温度和湿度的需要。本发明的背景技术燃料电池将氢气或碳酸盐燃料直接转化成电能，在理论上已显示出巨大的应用前景，但由于技术上的问题和经济上的考虑，商业上仍未大量使用。在氢-空气/O2燃料电池领域，电池的比能量，也就是每千克的输出功率千瓦一直较低，电池的使用寿命也较短。现有的技术水平使燃料电池在使用过程中常常因为催化剂或电解膜部分被毒化而比能量降低，而且由于电池内部燃料气体分布不均匀产生局部过热导致电池失效之类的情况时有发生。
其中最重要和最有希望用于静止和移动电站的一类燃料电池是低温H2/O2燃料电池，在电池的电极之间有一两边都镀覆了一层贵金属催化剂的固体高分子聚合物质子交换膜。这些燃料电池以H2作为燃料，或直接提供氢或在电池内部通过电解等化学反应产生氢，例如采用金属氢化物或改性的碳氢化合物产生氢。氧化剂是O2或适合的空气。水被用来冷却和增湿膜，以防止膜过度干燥而失去功效或开裂和拉伸引起结构破坏。通常，阳极一边由于以下一些因素最先干燥从阳极到阴极的电渗析作用；气体的供应量高于电化学反应速率；阴极一边的空气或氧气气流带走了通过交换膜来自氢气阳极边的水和水蒸汽。因而，燃料电池叠层中的燃料气体需要被增湿以降低脱水效应。冷却水可散去电池中电化学催化缓慢燃烧产生的过量热量。在一些设计中，冷却水被用来增湿反应物气体。
现已有一些适合的电极薄膜件(电极膜组合件)可用于这种低温燃料电池。一种是新泽西州Belleview市的氢能源公司生产的，它用DuPont NAFION牌的全氟磺化碳氢化合物作交换膜，并在膜上镀覆铂作催化剂。另外一种是Dow Chemical提供的已在美国专利US5,316,869报道的全氟磺化高分子聚合物，它可承受的电流密度为4000 amps/s.f.，对应的单体电池电压超过0.5V，电池叠层比能量超过2kW/s.f.。
目前燃料电池叠层通常的设计方式是Ballard燃料电池叠层，它具有35个活性电化学室，19个热控制室，和14个反应物增湿室，在许多1/4英寸厚的石墨电极板之间使用镀铂的NAFION-117电极膜。据报道，这种燃料电池叠层总体积超过0.5立方英尺，重量94磅，输出功率3kW。
然而，石墨电极板必须具有一定的厚度才能保持结构完整和防止反应物渗透。也就是说，由于石墨相对于H2和O2是一个多孔的物质，它至少需要0.060英寸的厚度，才能将反应物的渗透控制在允许的范围之内。此外，石墨较脆，当电池叠层结构紧密时，石墨层容易开裂。石墨电极热传导和导电性差，容易引起局部过热和断路。同时它很难制造，特别是其中的气体分布通道很难加工。这种燃料电池叠层的输出功率相对较低，在0.03kW/lb数量级。在上面引用的例子中，非活性的冷却室和增湿室的数量几乎和活性电化学室的数量相同。这实际上就使电池叠层中密封材料的数目增大了一倍，因而降低了电池叠层的可靠性和性能。
前面提到的美国专利US 5,316,869没有提供改善石墨电极燃料电池叠层设计的办法，它涉及的只是电池叠层外部闭环系统的微处理器控制。
因而，有必要对燃料电池的设计及制造和使用燃料电池的方法进行改进，以克服现有技术中存在的问题。
发明概述本发明的目的在于改进由多个单体电池叠层成的燃料电池叠层，每个单体电池包含一系列相互连接的塑料、陶瓷、和金属薄片，以具有集流控制(Integrated Fluid Management，IFM)功能。本发明还涉及燃料电池叠层设计、制作、薄片成型、用薄片装配和粘结成单元极隔板(分电池叠层)的方法以及利用集流控制技术和本发明的金属和塑料薄片制作的燃料电池叠层的使用方法。
更进一步地说，本发明介绍的技术不仅适合以H2和空气/O2作燃料的质子交换膜燃料电池(这是最恰当的)，同样适用于熔融碳酸盐和固体氧化物型碱性燃料电池以及和燃料电池一起使用的重整炉。诸如NH3/O2、H2/Cl2、H2/Br2、CH3OH/O2等各类其他燃料/氧化剂组合也能使用，其中的O2包括空气。应当明白，这里所说的燃料电池不仅包括一个或多个单体电池，而且包括末端都与电流集流板相连的电池组，每个单体电池包含一个与适当电极膜相接触的双极隔板。
本发明中的燃料电池由一个或多个单体电池叠层成，每个单体电池依次包含一对双极隔板，其间插入一电极膜组合件(EMA)。隔板可以是单极(用于两边电极板)，也可以是双极，其一边是阳极(H2)，另一边是阴极(O2)。本发明中每个单极或双极隔板依次带有一个流动控制芯组合件(FMCA)，夹于一对微孔筛网薄片(MSP)之间。每个流动控制芯组合件和微孔筛网薄片由相互接触的多层薄片制成，最好粘结成一个单一的整体。微孔筛网薄片作为电流集流器，将电子传输到边缘导体(电桥、接头、弹簧夹、边缘接线、折叠的导电电桥、边缘汇流条等)和内部汇流条上，它由金属或导电塑料等导电材料构成。微孔筛网薄片可以设计成具有窗框结构，凹进或插入的中间部分由四周的框架固定。在汇流条实例中，窗框框架是塑料或陶瓷等非金属材料，而中间部分是导电性的，如导电塑料、金属、石墨、含金属石墨纸等。取名微孔筛网薄片，就意味着它是片状结构，允许分布的气流通过，如其上有很多小孔和通道的纺织或无纺片状材料。
流动控制芯组合件由多层薄片构成，薄片最好是不导电的塑料、陶瓷或其他适合的材料，其上有大量交错的微槽作为流动分布通道，这些通道最好借助模压成型形成贯通结构和部分深度结构，也可通过注射成型、激光烧蚀或切削、镂刻、溶剂侵蚀、压、冲或其他压制方法形成贯通结构和部分深度结构。相邻的薄片要具有配位的部分深度结构(即半通道)，一旦粘结在一起，就能为气体、冷却剂、和水蒸汽提供流动通道，从横截面上看，通道通常是圆形或椭圆形，否则，由于它们是连续的、正弦曲线形、和分枝形的结构，这些通道是不能构造出的。薄片集流控制回路是由贯通结构和部分深度结构决定的。这些结构的组合用于建立具有流动区、停闭、集流管、通孔(vias)、通孔基底(via bases)、通道、滤器、测量管口、混料器、气流分割器、分流器、导带，支柱(islands)，NACA口，和附壁效应的流动控制回路。制作流动控制芯组合件最好的材料是塑料，因而本发明涉及塑料薄片燃料电池。这些塑料流动控制芯组合件和微孔筛网簿片窗框薄片或其组合也可通过激光蚀刻法制作，用激光束撞击单体或预聚物，通过光致聚合作用将单体转化成一个牢固的结构，并一层一层增加。这项技术可用于单独的薄片的制作，也可用于制作整个流动控制芯组合件，这样就不需要将单个的薄片粘结在一起，但是在制作过程中微槽和通道必须建于流动控制芯组合件内部。
当两个单极隔板与处于其间的一个电极膜组合件组合时，就构成了一个电化学电池。将这些电池排成一列，用粘结或夹紧固定的办法将其组合在一起，并在电池之间有选择的添加密封材料，就形成了一个燃料电池叠层，即一个完整的燃料电池。
在典型的例子中，所有燃料电池叠层中构成一个单独电池隔板组件所需薄片的数量在3-10片之间，最好在4-7片。电极膜组合件被放在两个相邻的极隔板之间，最好是嵌入阴极和阳极的凹槽中。现有最好的电极膜组合件由2-17mil厚的全氟磺化膜构成，膜的两边涂覆了一层以溶剂形式混合的超细铂黑和碳黑，又外罩了一层10mil厚的带有Teflon憎水粘合剂的、孔隙率为65％的石墨纸。
以下，我们只利用一个双极氢气/空气或氧气燃料电池来介绍本发明中IFMT燃料电池的原理，这个电池使用铂黑/NAFION制备的电极膜组合件，操作温度范围在70-115℃之间。
本发明中塑料薄片设计的一个重要特点是大大改进了气体和电解膜的温度和湿度控制，使本发明中薄片构成的燃料电池的输出功率同现有技术水平相比，有了很大地提高。在一个最佳的实例中，表面导电(集流器)薄片由金属制作，通常是铝、铜、不锈钢、铌或钛，而流动控制芯板由塑料制作，通常是诸如聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯乙烯、polyplefin、PVC、尼龙或共聚物、三元共聚物等填充塑料或纯塑料。金属薄片使表面具有导电性，通向边缘导电电桥或导电汇流桥。金属表面薄片包覆或夹在流动控制塑料芯板两边。金属集流器薄片在装配进双极隔板之后，最好在装配之前进行渗氮等处理，以提高其耐蚀性能。
薄片制成以后，用适当的组合粘结剂将它们层层粘结在一起，加热加压后形成极隔板组。然后，将电极膜组合件嵌入隔板上所选的特殊的膜凹处和窗框凹处，形成单独的电化学电池，然后将多个电化学电池叠层合在一起形成燃料电池叠层。整个电池叠层需在一定压力下压合以提高密封性，如借助螺拴、螺母、和恒压装置以及必要的密封材料形成一个完全统一的燃料电池叠层。
可利用的固体多孔的高聚物质子交换膜有很多，通常的磺化氟碳化合物膜是由Dow Chemical公司、Aaahi Chemical公司、Gore或DuPont公司生产的，目前最好的是duPont公司的NAFION。膜的两边镀覆了一层贵金属催化剂，如Pd、Pt、Rh、Ru和贵金属氧化物或它们的化合物。新泽西Belleview的H能源公司生产的膜是这种类型中最好。电极膜组合件中其他类型的膜有多孔的碳或石墨薄片，或镀覆催化剂的聚咪唑膜。
虽然一种具体类型的膜和制造商能改善电池的某些性能，本发明不依靠任何一种类型的膜或电极膜组合件。本发明的集流控制技术、塑料薄片方法适用于一大类燃料电池，并由此改善了电池性能。
对燃料电池的外部构造而言，塑料薄片技术提供了各式各样的微型通道设计，因而气体的分布与流动更加有效，不存在燃料和氧气缺乏的现象，具有更优良的热交换和增湿控制，电流的输出更加平稳。
本发明中集流控制塑料薄片技术的一个重大优点就是它能使燃料电池的生产自动化，利用高效的光蚀刻、侵蚀、压、镂刻、或冲工艺将通常4-40mil厚的薄金属片和塑料片制成薄片。镂刻、模压成型、注射成型、或数控磨最适宜用来制造塑料流动控制芯组合件。
集流控制薄片技术一个明显的工业适用性和技术优势是它在用光蚀刻法进行隔板组设计时，对塑料和金属薄片都能作出迅速的变化。一个单独的工厂能够进行多种型号燃料电池的设计，而不需通常生产中所需的很高的支出。这就是说，即使生产很少量的不同型号的燃料电池，也是经济可行的。此外，资本投资明显减少，因为生产设备仅限于光刻、掩模、侵蚀、或冲压设备。
根据光刻“印刷”工艺的例子，隔板的多层薄片能被精确地设计成一个大的形式，照相似的模压并从连续的金属、塑料、或导电塑料卷中冲压、镂刻、或模压成板。另外一种也是目前最好的方式是，集流器金属片用保护层作光刻掩模，蚀刻形成流动控制微槽，光刻掩模层可用化学法或物理法去除，然后清洗薄片。塑料控制芯薄片是用塑料薄片模压成型的。塑料控制芯薄片成型的替代方法是滚轮镂刻、注射成型、或冲压。最好的镂刻和压制成型方法是在金属上光刻，正如以上介绍的用负的掩模代替正的掩模，反之亦然。
做好的薄片装配形成隔板，放入具有一定压力的烘箱中，在一定的温度和压力下，按照一定的形式，层与层之间相互粘结起来，形成一个整体的复合隔通板组件，它的表面导电，内部有复杂的塑料控制芯微通道，包括在不同水平相互正交的通道，不同的气体、水、或其他冷却剂就通过这些通道流动。层间粘合用的粘结剂助剂、如粘接剂、溶剂、或胶水被涂在塑料薄片和金属薄片的表面以利于粘结和密封。如果需要，由具体的金属和塑料芯决定具体选用的粘结剂助剂。
金属表面薄片要用特殊的化学方法处理，形成一钝化或耐蚀导电层。在最佳的实例中，将钛微孔筛网薄片放入高温氮气气氛中，氮与钛发生反应，使所有暴露在外的表面包括内部气体和水的通道，形成了一层钝化、防腐、并导电的氮化钛层。
薄片极隔板的设计和生产能在一条连续的生产线上完成，类似于一条PC板生产线。电极膜组合件插在两个单独的双极隔板之间，将单体电池叠层合在一起，然后加上最外部的端板，就形成了一个完整的燃料电池叠层，这个电池叠层要用螺栓和螺母或其他恒压装置紧合在一起，使其具有气密性。连接电流引线、反应物气体、和冷却水，引入气体或液体燃料，这个燃料电池就算完成了。
在本发明通常的4板IFMT双极隔板组件中，有4块不同的薄片，其中薄片1和4与一个电桥连接，而板2和3之间互不相同。这4块薄片按顺序依次是1、阳极金属微孔筛网薄片(提供从电极膜组合件出来的电流导体)；2、阳极流动区塑料薄片(提供阳极流动区分布，阳极反应物增湿和阴极水循环)；
3、阴极流动区塑料薄片(提供隔板、电池散热控制，阴极流动区分布，阴极反应物增湿和阳极水循环)；4、阴极金属微孔筛网薄片(提供进入电极膜组合件的电流导体)。
在沿边的导电实例中，两个微孔筛网集流动薄片被连接在至少一个边缘电桥上，以确保电子由阳极流向阴极。
电流电桥允许通过的最大电流可用一个或多个电流片迭加并电焊在一起来提高，以确保通过隔板的导电性。
在汇流条实例中，两个微孔筛网集流动薄片被连接在至少一个，最好是两个汇流条上，横着通过流动控制芯隔板，使电子能从阳极流向阴极。至少有一个，最好两个与阳极和阴极电焊在一起的汇流条处于塑料芯薄片中，确保通过隔板的导电性。
我们可通过一个例子来详细介绍薄片的制作过程，并以此来证明在电池层层粘结的过程中，没有微通道坍塌和填满的现象发生。
在上述两个双极隔板的例子中，薄片1和薄片4每个大约12mil厚，薄片2和薄片3每个分别是35和45mil厚。将这些薄片层层粘合在一起并压紧到一定程度，整个双极隔板的厚度大约是100mil。
在并入安放电极膜组合件的窗框凹陷例子中，阳极凹陷和阴极凹陷的深度是11mil深，用以容纳11mil厚的电极膜组合件石墨纸电极。整个电极膜组合件的厚度在一定程度上决定于石墨纸电极、催化剂浆和膜的厚度，一般在26-30mil数量级。最好的Dupont生产的NAFION膜，两边镀覆有分散着铂黑催化剂的碳黑，厚度大约是4-5mil，膜外部石墨/特氟隆纸层的厚度大约是11mil。石墨纸大约有65％的孔洞，使反应物气体具有良好和均匀的分布。在阳极一边，电子通过石墨纸离开电解膜上的催化反应点到达隔板上的导带溢出，作为燃料电池的输出。电子经由阴极从外电路返回。在阴极一边，电子通过石墨纸从隔板上的导带到达电解膜的催化反应点。
燃料电池的多个双极隔板组的两个末端是由阳极或阴极单极隔板构成的末端板，此板也具有电极集流器的功能。对于单极阳极隔板，我们用一个阳极微孔筛网(薄片1)；一个阳极流动区薄片(薄片2)；以及单侧的阴极薄片，也就是带有阴极流动区回路封闭端(面)的阴极流动区薄片(薄片3)的冷却回路。对于单极阴极隔板，我们用一个单侧薄片，也就是带有阳极流动区封闭端(面)的阳极流动区薄片(薄片2)；一个阴极流动区薄片(薄片3)；以及一个阴极微孔筛网薄片(薄片4)。在边缘导电和汇流条导引的实例中，末端板将电能输向外部载荷。这两个实例都用了相同设计和组成的末端板。
在另一个不需将反应物气体增湿的例子中，使用了一个4板双极隔板组，薄片的顺序如下1、阳极金属微孔筛网薄片(提供从电极膜组合件出来的电流导体)；2、阳极塑料流动区薄片(提供阳极流动区分布和阴极水循环)；3、阴极塑料流动区薄片(提供隔板、电池散热控制，阴极流动区分布和阳极水循环)；4、阴极金属微孔筛网薄片(提供进入电极膜组合件的电流导体)。
以上两个4板组合，电流的传输都是利用前面描述的边缘导电和汇流条导电机理完成的。
组合隔板(多个薄片组件)大约100mil厚，重3-6oz(85-170grams)，这取决于所用极板和材料的厚度和数量。在一个燃料电池叠层中，通常是每千瓦10个隔板。制好的双极隔板与电极膜组合件交替装配在螺栓上，使其对齐和压紧。在螺栓上装配后，装上厚度约为1.5英寸的施压端板，拧紧螺栓，施加的压力为50-200psi，形成一个单一完整的燃料电池叠层。电池在1-65psi的操作压力下，能很容易地获得70-150安培的电流，电池的电压由电池叠层的数量决定。为了密封相邻的隔板组件，将相互连接、高度在1-2mil的密封脊(横截面通常是三角形)蚀刻，挤压，或模塑在包围着多个集管和流动区的密封面(外表面)上，以至这个密封脊与相邻隔板组的对应密封脊或适合的末端板充分闭锁。
本发明中IFMT薄片设计的燃料电池能附带一个重整炉以提供H2，例如利用一个欠氧化炉和蒸汽经由蒸汽转化过程来制备H2、O2、和CO2。其他任何一种欠碳重整炉都能用来与本发明中IFMT薄片电池相结合。
本发明中薄片的一个关键特点是将气体和水的分布通道联合使用，这些通道由对应的半通道组成。其中半通道的每对坐标相反的吻合表面(即毗彼薄片的彼此面对且彼此接触的吻合表面要对准)，传输集管也同样按此种方式形成。可以但最好极板外围形成密封脊，有利于相邻电池叠层件的密封。
使PEM电池具有高效、大功率输出的关键是正确的热平衡和水化作用，这由均匀的气体流动控制。现有的PEM燃料电池存在热控制和水平衡能力差，石墨的延展性和导电性低，有限的可测量性和反应物过量消耗等问题。在PEM燃料电池中正确的热控制十分关键。最好的膜的最大使用温度范围在90-98℃，高于这一温度，就会破坏离子移动的孔结构，而使膜永久损坏。同石墨PEM电池中每4-5个隔板连接一个热交换器相比，本发明中的IFMT塑料薄片燃料电池具有集成在每个双极隔板中的热交换器，因而我们的燃料电池叠层很容易做成一个很大的型号，因为热交换器随之增大。针对不同类型的膜和燃料电池以及电池叠层内单体电池的位置，我们能随意设计热交换器，所以我们能使用高性能的电极膜组合件，产生高的比能量。
关于水平衡，集成在每个隔板中的增湿系统维持了更好的水平衡，因为每个增湿系统是不同的，以满足燃料电池中阳极和阴极边的不同需要。阳极边的水可通过膜利用电渗析压送和干的反应物气流去除。阴极一边，由电渗析抽送和反应生成的水都可通过干的空气/O2气流去除。
同石墨PEM燃料电池相比，本发明中的金属、塑料IFMT复合隔板导电性提高30多倍。因而减少了在高电流密度下燃料电池叠层的I2R损失。这些损失降低了电池应有的电压和功率。复合隔板较低的内阻使电流分布更加均匀，因而减少了电池中局部过热和断路现象的发生。石墨隔板在一定压力下才能密封，但压力以某种非线性方式影响着石墨的电阻。石墨的这种特性使石墨燃料电池很难有均匀地输出。相反，复合隔板具有优良的热交换和导电性，减少了局部过热和断路的现象。
石墨对H2、O2和空气来说是多孔性的，这降低了石墨燃料电池的化学效率，因为一些H2被无效地消耗，甚至导致一些破坏性的氧化反应。为克服石墨的多孔问题，常常使用一些不导电的塑料粘合剂，这进一步降低了隔板的导电性。另一种常常用来减少石墨板孔隙的方法是增加板的厚度，但这对热传导和电导带来不利影响。
当燃料电池进行必要的密封以防止气体泄漏时，常处于压紧状态，如在1-60psi，此时石墨隔板也容易破裂。这严重制约了燃料电池叠层中单体电池的数量和尺寸。当电池叠层内部一个或多个隔板发生泄漏时，电流就不能输出或大大降低。而复合金属/塑料薄片，由于延展性好，不会出现这种问题。
更进一步讲，本发明的一个重要优势是本发明中的集流控制技术允许改变电池叠层内薄片设计，以具有更好的热交换性能。这就是说，在一个没冷却的电池叠层中部，单体电池所处的热环境不同，因而不需要与处于电池叠层边缘的单体电池相同的增湿系统。薄片的设计，能根据相关阳极、阴极冷却剂、和增湿微通道的设计而随意变化，它在叠层内的位置要能满足叠层内不同的梯度变化。同样，叠层也能被设计成各种形式，以适应不同外部环境，如用在北极地区的设计不同于用在热带的，用在海下的设计不同于用在空中的。
这种设计灵活性的优点，即改变隔板的每个区(阳极、阴极、热交换、和增湿)中微通道的形状、长度、和宽度以及在叠层内从隔板到隔板(电池到电池)逐个调整以适应叠层内不同环境和梯度变化的能力，必然会很容易增大电池的输出功率，如高于50-100kW数量级。
串联/并联的蛇形通道设计，使反应物气体的分布更加均匀。这对改善以空气为氧化剂电池的阴极性能十分重要，因为O2是在空气在通道中传输时被消耗的。在现在的通道设计中，由于O2在电化学反应中被消耗，因此空气进入时富氧，离开是O2被耗尽。H2在电池中发生了同样的消耗过程，这增加了有关H2杂质的浓度。在本发明中，较短的并行通道束、设计和重新设计不同形状通道的能力、以及渐变的通道宽度都能改善阴极的动力学过程，而它是目前燃料电池中的重要限制因素。在本发明中，流动流量被分配到一系列平行的通道中，在这些通道中能够得到精确的压力降。通过增加平行通道的数量，由于流动流速降低，压力降降低，并且由于路径长度变短，通道壁的摩擦作用减小。
尽管目前本发明中最好的方式是使用窗框薄片，这种薄片具有在镀覆催化剂/碳黑的膜上加碳纸的电极膜组合件以提供具有任意气体分布通道的高孔隙率的薄板，但在本发明的另一个重要的实例中，是利用无碳纸的膜，其中的超细微孔是在窗框的“窗格板区域”侵蚀而成的，使其具有同样的气体分布功能。在生产窗框薄片时，窗格板区域限于位于外板边缘内部的板的中部适当的部分。(在薄片制作过程中，除了一些将窗格板部分连在一起的薄电桥外，定义窗格板区域的边线可直接形成。电桥后来被切除，移去窗格板或让其脱落，就形成了窗框薄片。)在相邻两个薄片之间一大块薄片膜的压力下，开放区域能容纳碳纤维纸。在另外一个实例中，不去除窗格板区域的材料，而是在窗格板区域通过形成超细孔建立一个“窗屏”区，孔的数量大约在5,000-10,000/平方英寸。然后将无纸碳膜压在相邻的两个隔板之间。
本发明的目的和优点之一就是提供一种改善燃料电池设计以及制造和使用的方法，更详细地说，就是利用集流控制技术设计氢氧或空气型塑料薄片燃料电池，同现有的石墨燃料电池相比，本发明在成本和性能上能改善3倍或更多一些。
本发明中改进的燃料电池叠层具有使用了塑料薄片隔板的优点，在通过模压成型、注射成型、镂刻、侵蚀、激光蚀刻、或切削或冲压，在这些薄片上构成特殊的气体和水的分布微通道。
本发明的另一个目的是提供改进的双极和单极复合隔板以及制造方法，它的优点是它由外部包有导电的微孔筛网集流器薄片的塑料流动控制薄片构成，微孔筛网集流器由金属或导电塑料制成。
发明中集流控制薄片的另一个优点是由其构成的双极和单极隔板通过使用一个或多个边缘导电电桥和/或直接导电金属汇流条显示出更好的电流集流功能。
本发明的另一个目的是提供一个由多个叠合的隔板组件制造燃料电池的整体流水线，包括一系列单个的金属电流集流板的光刻；然后通过侵蚀(化学磨)、打击或冲压形成一些特殊形状，并选择性地对金属集流器薄片进行表面处理使其具有抗氧化性；接着是塑料流动控制芯板的模压、侵蚀、冲压或注射成型；然后将金属薄片和塑料薄片装配成隔板组件，再在一定的温度和压力下将复合单极或双极隔板组低温层层粘结起来，这种流水线具有成本低、容易制造和快速改变设计以满足功率输出需要等优点。
本发明的另一个优点是在燃料电池的设计中，特别是在由塑料、导电塑料、塑料和金属、复合薄片装配成单极或双极的隔板(单体电池)以及由多个单体电池装配成燃料电池叠层的设计中使用了集流控制，这改善了燃料和氧化剂气体的湿度以及与膜接触的分布，有利于热交换和湿度控制，抑制了由于脱水造成的膜退化和局部过热。
本发明的另一个目的和优点是提供了光刻和化学切削的工具，用于加工利用集流控制原理的模压或注射成型的塑料薄片。本发明中塑料薄片的集流控制设计能通过合适的塑料板加工技术而快速生产是本发明的另一个优点，这些技术包括注射成型、冲压、溶剂、或等离子侵蚀以及在适当单体或预聚物池中的激光蚀刻。本发明的另一个目的是为具有密封脊的燃料电池隔板组提供模压或注射成型的塑料薄片，密封脊的优点是能使两个极隔板之间的电极膜组合件具有良好的封闭性，两个极隔板形成电池后在一定的压力下紧合就制成了燃料电池叠层。
本发明的另一个优点是集流控制设计原理允许对薄片极隔板进行快速设计、重设计或修改，这包括在由多个塑料、复合或导电塑料薄片粘合成一个完整结构的薄片极隔板内部集成的反应物增湿系统、热控制系统、以及反应物流量和分布控制系统。本发明的另一个目的是提供在一个燃料电池叠层内部多变的集流控制薄片极隔板设计，这种结构的优点是在一个电池叠层内部使用多个不同的薄片和极隔板能满足电池叠层内部各个位置上不同热环境和湿度的需要。其他仍有很多目的和优势将在本发明介绍、附图、和权利要求范围中体现出来。
附图的简要说明这里我们将参照附图对本发明做更详细地介绍，各图的小标题被集中列在下面。
整体燃料电池、隔板、和薄片
图1是横贯一个燃料电池叠层的剖视图，这个燃料电池叠层利用了塑料/导电集流控制薄片极隔板，体现了本发明的原理，特别适合以H2和空气/O2做燃料。
图2A和2B是本发明中一个冷却但没增湿(图2A)和一个增湿而且冷却(2B)的燃料电池IFMT薄片隔板的剖视图，它反映了所用大量薄片多种变化的可能性。
图3是电极膜组合件结构的横截面图，其中一部分被分解开来。
图4A是本发明中具有增湿和热控制的集成双极隔板的流动路线图。
图4B是本发明中具有热控制的集成双极隔板的流动路线图。
图5是本发明中具有集成的增湿和热控制系统的燃料电池PEM电化学过程示意图。
图6A和6B是在金属上通过化学侵蚀形成的单水平深度和通道与通过塑料的模压或注射成型形成的多水平深度和通道的对比图。
图7金属导电塑料或金属化的塑料集流器的平面示意图，上端的阴极部分与下端的边缘导电电桥相连，其上的板孔是小条形的。
图8A-D是金属集流器微孔筛网薄片上通常的但不是全部的孔形。图8A是六边形的，图8B是椭圆形的，图8C是交替变换的T字形的，图8D是交替变换的交错人字形的；边缘导电双极隔板图9是一个燃料电池叠层中2个单体电池小组的等比例分解图，它由边缘导电双极隔板制成，带有窗框以及本发明中的集成增湿、热交换、和反应物流动区控制系统，示于图10和图11A-G中。
图10是一个4板复合边缘导电双极隔板的等比例分解图，带有窗框以及本发明中用于IFMT燃料电池隔板的集成增湿、热交换、和反应物流动区控制系统。
图11A-G是图10中一个4板边缘导电隔板实例中一系列详细的平面图，其中图11A-C描绘的是一个双微孔筛网薄片，阳极微孔筛网的正面在底端，阴极微孔筛网的背面在顶端(板1和板4)，由一个单独的电桥连接。
图11A是一个带有窗框的一个单独电桥的双微孔筛网薄片的正视图，插图详细描绘了通常微孔筛网小孔的式样。
图11B是图11A中的双微孔筛网薄片及其对应的剖视图。
图11C是没有窗框的双微孔筛网薄片及其对应的剖视图。
图11D和11E分别是塑料阳极流动区薄片(板2)的正面和背面。
图11F和11G分别是塑料阴极流动区薄片(板3)的正面和背面。
图12是一个燃料电池叠层中2个单体电池小组的等比例分解图，它由边缘导电双极隔板制成，带有窗框以及本发明中的集成热交换和反应物流动区控制系统，示于图10和图11A-G中。
图13是一个4板复合边缘导电双极隔板的等比例分解图，带有窗框以及本发明中用于IFMT燃料电池隔板的集成热交换和反应物流动区控制系统。
图14A-G是图13中一个4板边缘导电隔板实例中一系列详细的平面图，其中图14A-C是一个双微孔筛网薄片，阳极微孔筛网的正面在底端，阴极微孔筛网的背面在顶端(板1和板4)，由一个单独的电桥连接。插图详细描绘了通常微孔筛网小孔的式样。
图14A是一个带有窗框的一个单独电桥的双微孔筛网薄片的正视图。
图14B是图14A中的双微孔筛网薄片及其对应的剖视图。
图14C是没有窗框的双微孔筛网薄片及其对应的剖视图。
图14D和14E分别是塑料阳极流动区薄片(板2)的正面和背面。
图14F和14G分别是塑料阴极流动区薄片(板3)的正面和背面。
图15是一个具有多个电流电桥和/或分接的微孔筛网薄片的平面图。
图16是一个4板复合边缘导电双极隔板的等比例分解图，带有窗框、4个边缘导电电流电桥以及本发明中用于IFMT燃料电池隔板的集成增湿、热交换和反应物流动区控制系统。
汇流条导通的双极隔板图17是一个燃料电池叠层中2个单体电池小组的等比例分解图，它由汇流条导通的双极隔板制成，带有窗框以及本发明中的集成热交换和反应物流动区控制系统，示于图19A-G中。
图18是一个4板复合汇流条导通的双极隔板的等比例分解图，带有本发明中用于IFMT燃料电池隔板的集成增湿、热交换和反应物流动区控制系统。
图19A-G是图18中一个4板汇流条导通隔板实例中一系列详细的平面图，其中
图19A是在较低的右侧阳极(左边)和阴极(右边)的集流器微孔筛网薄片(板1和板4)；图19B是阳极流动区薄片(板2)和位于其上的阳极集流器微孔筛网(板1)易碎部分的平面图；图19C和19D分别是塑料阳极流动区薄片(板2)的正面和背面；图19E和19F分别是塑料阴极流动区薄片(板3)的正面和背面；图19G是阴极流动区薄片(板3)和阴极集流器微孔筛网(板4)易碎部分的平面图；图20是一个燃料电池叠层中2个单体电池小组的等比例分解图，它由汇流条导通的双极隔板制成，带有本发明中的集成热交换和反应物流动区控制系统，示于图22A-G中；图21是一个4板复合汇流条导通的双极隔板的等比例分解图，带有本发明中用于一个IFMT燃料电池隔板的集成热交换和反应物流动区控制系统。
图22A-G是图21中一个4板汇流条导通隔板实例中详细的平面图，其中图22A是完全相同的阳极和阴极集流器微孔筛网薄片(板1和板4)；图22B是阳极流动区薄片(板2)和阳极集流器微孔筛网(板1)易碎部分的平面图22C和22D分别是塑料阳极流动区薄片(板2)的正面(22C)和背面(22D)；图22E和22F分别是塑料阴极流动区薄片(板3)的正面和背面；图22G是阴极流动区薄片(板3)和阴极集流器微孔筛网(板4)易碎部分的平面图；边缘和中间导通图图23A-23D是被用于有关图16中隔板内中心塑料薄片边缘导电的金属微孔筛网集流动，延23-23截面多种变化交替的结构。
图24A和24B是图18中用于隔板组的导通汇流条延24-24截面的两种交替变化的结构。
薄片、双极隔板、和电池制造过程图25是连续金属薄片制造方法的流程图，板中的构造特点通过深度和直通上的侵蚀形成。
图26是连续塑料薄片制造方法的流程图，板中的结构特点通过压缩成型形成并且复合双极隔板通过将板层层粘合起来制成。
图27是快速对单个薄片设计进行不同光刻工艺以符合本发明的IFMT原理的流程图。
本发明的最佳实施例下面详细的叙述将通过例子来解释本发明，但其并不是对本发明原理的限制。这个详述将能很清晰地使技术熟练的人制造和使用本发明，并介绍了一些本发明的实例、修改、变化、替代和使用，包括我们目前认为是实施本发明的最好方式。
图1是本发明中一个燃料电池叠层的横截面示意图，燃料电池叠层使用了多个多层双极隔板2A、B、C和一对阳极和阴极单极末端板3、4。质子交换电极膜组合件(电极膜组合件)5A、B、C、和D被放在所示的两个隔板之间。空气和/或O2经过集管系统6进入；H2和/或其他燃料经过集管7进入；而冷却/增湿水经8进入，经9流出。
图2A和2B是复合双极隔板2结构的剖视图，在图2A中，隔板由粘合在一起的金属和塑料或陶瓷薄片12形成，没有增湿系统，在图2B中隔板由同样的薄片13形成，具有增湿系统15。这个图也阐明了通过对金属薄片深度侵蚀(即形成结构)和直通侵蚀(形成直通结构)的不同结合，用来构成一个隔板所用数量和型号的范围很宽。塑料薄片的结构是通过模压或注射成型形成的。例如图2A示出了如下一个4板构形12-1是阳极微孔筛网集流器，12-2是阳极流动区薄片，12-3是阴极流动区薄片，12-4是阴极微孔筛网集流器。金属阳极微孔筛网薄片12-1被电焊到导电电桥14，而14又被电焊到阴极微孔筛网集流器12-4上。阳极流动区薄片由塑料或陶瓷构成，并为阳极活性反应区提供蛇形通道。阴极流动区薄片由塑料或陶瓷构成，并为冷却水热交换器和阴极活性反应区提供蛇形通道。
同样，图2B示出了如下一个4板构形13-1是阳极微孔筛网集流器，13-2是阳极流动区薄片，13-3是阴极流动区薄片，13-4是阴极微孔筛网集流器。金属阳极微孔筛网薄片13-1被电焊到导电电桥14，而14又被电焊到阴极微孔筛网集流器13-4上。阳极流动区薄片由塑料或陶瓷构成，并为氢气增湿流动区、阴极增湿水流动区以及阳极活性反应区环提供形通道。阴极流动区薄片由塑料或陶瓷构成，并为冷却水热交换器、阳极水流动区、空气增湿流动区、以及阴极活性反应区提供蛇形通道。
图3是本发明中所用型号的电极膜组合件(电极膜组合件)H1构造的部分分解图。电极膜组合件H1与图1中的电极膜组合件5(5A-D)对应。一块电极膜组合件是由一片石墨阳极电极H3、阳极催化剂层H4、电解膜H2、阴极催化剂层H6、以及一片石墨阴极电极H5的叠层构成。在通常的电极膜组合件构造中，电极、催化剂层、和电解膜被层层粘合在一起，形成一个离子导电的复合机构。
电极用石墨纸制造，通常使用的石墨纸是Toray TGP-H090型的。在与电解膜层层粘合在一起之前，电极上要镀覆一层复合铂催化剂。通常催化剂是铂黑、碳黑和憎水剂的混合物。碳黑是VulcanXC-72R型的，通常被用来悬浮铂黑。Teflon(特氟隆)用来使电极具有憎水性。Dupont Teflon PTFE悬浮液TFE027是常被用来处理电极的憎水剂。Dupont Nafion是用在PEM燃料电池中的标准电解膜。用Naflon高聚物的5％的溶液处理电极，有利于层层粘合阳极和阴极电极组，分别是H8和H7(从H2处分解)。层层粘合以后，再用预定的温度和压力下处理，使电极组H8和H7以及膜H2有机地结合在一起。
双极隔板示意图图4A是用于具有集成增湿和热控制的集流控制隔板的单体电池流动流程示意图。示意图画出电化学反应电池的中心线D32。中心线经过电解膜D2的中心。隔板的阳极边在左边，标着阳极，描绘出与阳极流动区薄片的结构。隔板的阴极边在右边，标着阴极，描绘出与阴极流动区薄片的结构。示意图清晰地显示出7个流动控制装置被集成在一个粘合的复合隔板中。7个流动控制装置是阴极增湿水的蛇形通道D10流动区，氢气增湿的蛇形通道D18流动区，阳极活性反应区蛇形通道D21流动区，阳极增湿水蛇形通道D14，冷却水蛇形通道D6热交换区，阴极增湿蛇形通道D26流动区，以及阴极活性反应区的蛇形通道D29流动区。这些装置用一系列内部集管连接起来。这种机械流动和热交换的集成是本发明的一个关键因素。
通过电解膜D2的逆流增湿流D1是本发明的一个关键因素，它被代表分子水流动的方向箭头清晰地表示出来。逆流增湿是用阳极边上的水(被称作阴极水)增湿阴极空气(氧气)来完成的。同样，阴极边上的水(被称作阳极水)被用来增湿阳极氢气。在集流控制燃料电池中，电解膜作为增湿膜和固体电解质，起到双重功效的作用。
电解膜D2对水化质子来说是离子导通的。在正常的运行中，在阳极上形成的质子D3通过膜被电渗析到阴极。在大功率输出中，被渗析穿过膜的质子携带着一个或更多的与之相连的水分子而引起阳极膜干燥。对阳极氢气增湿可减缓这个问题。
因为空气中仅有20％的氧气，其余78％是氮气，所以阴极空气也需要增湿。为了补偿空气中组分较低的氧气，阴极通道的横截面要比对应纯氧设计中的大。而为了维持合理的压力降，大的横截面就需要有更高的流动流速。高的空气流速使阴极容易干燥，这可通过阴极空气增湿来减缓。
增湿量的控制是通过改变阳极活性反应区对氢气增湿面的面积比以及阴极活性反应区对空气(O2)增湿面的面积比来实现的。通常的阳极和阴极面积比是15％-24％增湿面对活性反应区。
干燥的氢气进入氢气进口D16，通过内部集管和回路流向阳极增湿蛇形通道进口D17，在通过阳极蛇形通道D18流动时接收水蒸汽(成为水化的)，流出阳极蛇形通道出口D19，通过内部的汇集和分流集管到达阳极活性反应区蛇形通道进口D20，在通过阳极活性反应区蛇形通道D21时，氢气被氧化产生质子和电子，通过阳极活性反应区蛇形通道出口D22离开活性反应区，流过内部的汇流集管，被消耗的氢气通过氢气出口D23最后离开。
干燥的空气(氧气)进入空气(氧气)进口D24，通过内部集管和回路流向阴极增湿蛇形通道进口D25，在阴极增湿蛇形通道D26中流动时接收水蒸汽(成为水化的)，流出阴极增湿蛇形通道出口D27，通过内部汇集和分流集管到达阴极活性反应区蛇形通道进口D28，在通过阴极活性反应区蛇形通道D29时，空气(氧气)被电子还原和质子反应生产水，通过阴极活性反应区蛇形通道出口D30离开活性反应区，流过内部的汇流集管，被消耗的空气(氧气)和生成水通过空气(氧气)出口D31最后离开。
冷却和增湿水进入冷却水进口D4，通过内部集管流向冷却水蛇形通道进口D5，在通过冷却水蛇形通道流动时吸收电化学反应生成的热，流出冷却水蛇形通道出口D7，进入内部集管，到达增湿水流入集管连接处D8，送入两条增湿水路线中。热水从增湿水流入集管连接处D8通过内部集管到达阴极增湿水蛇形通道进口D9，在流进阴极增湿水蛇形通道D10时，一小部分质子在渗析作用下穿过电解膜D2去增湿阴极空气(氧气)，流出阴极增湿水蛇形通道出口D11，通过内部集管和冷却水出口D12最后离开。
同样，热水从增湿水流入集管连接处D8通过内部集管到达阳极增湿水蛇形通道进口D13，在流进阳极增湿水蛇形通道D14时，一小部分质子在渗析作用下穿过电解膜D2去增湿阳极氢气，流出阳极增湿水蛇形通道出口D15，通过内部集管和冷却水出口D12最后离开。
图4B是具有集成热交换控制(唯一)的集流控制隔板的流动路线图。示意图画出电化学反应电池的中心线E18。中心线经过电解膜El的中心。隔板的阳极边在左边，标着阳极，描绘出与阳极流动区薄片结构。隔板的阴极边在右边，标着阴极，描绘出与阴极流动区薄片结构。示意图清晰地显示出三个流动控制装置被集成在一个的粘合单一装置复合隔板中。三个流动控制装置是阳极活性反应区蛇形通道E10流动区，冷却水蛇形通道E5热交换区，以及阴极和阴极活性反应区的蛇形通道E15流动区。这些装置用一系列内部分散和汇流集管连接起来。这种机械、流动和热交换的集成是本发明的一个关键因素。
电解膜E1对水化质子来说是离子导通的。在正常的运行中，在阳极上形成的质子E2通过膜被电渗析到阴极。在大功率输出中，被渗析穿过膜的质子携带着一个或更多的与之相连的水分子而引起阳极膜干燥。在小功率输出时，水分子从阴极到阳极的返回扩散可减缓这个问题。在大功率输出时，可通过在外部增湿氢气来减缓这个问题。在大功率输出过程中产生的阴极干燥，也可通过外部增湿阴极空气来减缓。
氢气进入氢气进口E8，通过内部分流集管和回路流向阳极活性反应区蛇形通道进口E9，在通过阳极活性反应区蛇形通道E10时，氢气被氧化产生质子和电子，通过阳极活性反应区蛇形通道出口E11离开活性反应区，流过内部的汇流集管，被消耗的氢气通过氢气出口E12最后离开。
空气(氧气)进入空气(氧气)进口E13，通过内部分流集管和回路流向阴极活性反应区蛇形通道进口E14，在通过阴极活性反应区蛇形通道E15时，空气(氧气)被电子还原并和质子反应生产水，通过阴极活性反应区蛇形通道出口E16离开活性反应区，流过内部的汇流集管，被消耗的空气(氧气)和生成水通过空气(氧气)出口E17最后离开。
冷却和增湿水进入冷却水进口E3，通过内部集管流向冷却水蛇形通道进口E4，在通过冷却水蛇形通道流动时吸收电化学反应生成的热，流出冷却水蛇形通道出口E5，进入内部集管，到达增湿水流入集管连接处E6，流进内部集管并通过冷却水出口E7最后离开。
图5描述的是具有集成增湿和热控制的燃料电池中总的电化学燃料电池运行过程。图5的中心部分是总的燃料电池的电化学过程，可参阅图3的H1。在阳极边上的H2被催化氧化，产生两个电子(在方向箭头的末端用2e-表示)和两个水化质子(在膜中用H+/H2O表示)。电子被石墨电极从阳极催化活性点导出，石墨电极与金属微孔筛网薄片连接。在电渗析作用下，水化质子通过湿的电解膜(在膜中用H+/H2O表示)到达阴极催化活性点，在这里它们与O2和两个电子(用2e-表示)结合，生成水(H2O)。图5的上半部分和下半部分描述的是逆流增湿机理，它是本发明中的一个重要组成部分。电解膜具有固体电解质和增湿膜双重功效的作用。上半部分示出的是在阴极边上的氧气被阳极边上的水增湿。相反地，在阳极边上的氢气被阴极边上的水增湿。
薄片图例介绍图6A是在金属薄片16上由化学、等离子侵蚀或电弧、高压流等相关技术磨蚀而成的单一水平深度结构17和直通通道18的对比图。图6B示出的是用镂刻、模压、或注射成型的塑料薄片上的不同水平深度结构20、21、和直通通道22。化学(溶剂)侵蚀或前面提到的磨蚀或等离子技术也可用于塑料。薄片上的深度结构通常被设计到薄片厚度的60％。直通通道18可通过在薄片两边同时侵蚀深度结构17来形成。侵蚀产生的圆形底部造成侵蚀形成的直通通道有一个残余的尖点23。尖点对通过其中的流动流动特性产生很大的影响，在设计侵蚀的薄片装置时，必须考虑这一影响。
图6B示出的是由模压成型的薄片的结构，它更接近于矩形，并略受脱模时的影响。这种结构具有变化和预先选择的深度20、21。在模压成型薄片中获得的多种深度的结构，减少了常规方法中为营造这种深度结构而必需的薄片数量，因而大大降低了生产成本和设计的复杂性。由于没有残余尖点，分析流动的模型更简化了。
图7是具有槽形流动区式样Z1和Z2的微孔筛网集流器的平面图。小槽的位置与塑料流动控制芯片中的槽和通道同位。在很多燃料电池叠层的设计中，槽形流动区式样Z1和Z2是最好的设计方式。
图8A-D是金属集流器微孔筛网薄片上通常的但不是全部的孔形。图8A是六边形的，图8B是椭圆形的，图8C是T字形的，图8D是交替变换的交错人字形的；这些式样是通过在薄金属板上化学磨削，冲压或扎穿的方法制成。微孔筛网通常具有65％均匀分布的孔洞。孔的尺寸通常是8-20mil，而隔条通常是4-10mil。图8A中的六边形主轴和小轴与下面的蛇形通道对齐是微孔筛网薄片最好的设计方式。六边形能使孔和隔条的尺寸比达到最佳设计。在另一个实例中，x-met(按图案裂开成开孔再展平的薄片)也是很有用的。
薄片隔板图形详述有两大类金属/塑料复合隔板，一类带有一个或多个电流电桥的边缘导电隔板，另一类是依靠一个或多个汇流条直接导通的隔板。这两大类将先从边缘导电方式开始，依次在下面介绍。
边缘导电集成增湿热控制隔板图9是一个燃料电池叠层内部一个单体电池的等比例分解图，燃料电池叠层含有两个隔板F2A和F2B，F2B夹在电极膜组合件F3A和电极膜组合件F3B之间，F2B属于叠层中下一个单体电池。在这个图上，只有双极隔板的H2(阳极)一边是可以看见的，但在下面讨论的，有被掩盖(阴极)一边上与之同位的空气(氧气)区。双极隔板上大的矩形区是覆盖在电极膜组合件上电化学活性反应区上的导电屏，F4A代表阳极一边，F4C(被掩盖)代表阴极一边。在活性反应区上面和下面的小矩形区分别是阴极水增湿区F6和阳极氢气增湿流动区F5，这些将在下面做更详细地介绍。
电极膜组合件F3A和F3B包括镀有催化剂的区域F7A和F7C，它们与对应的活性反应区F4A、F4C同位。反应物和冷却水集管明显位于边缘空白处。氢气燃料通过氢气流入集管F9进入，流经氢气增湿流动区F5，通过阳极活性反应区F4A并经由氢气流出集管F8离开。空气(氧气)通过空气(氧气)流入集管进入，流经空气(氧气)增湿流动区F14，通过阴极活性反应区F4C并经由空气(氧气)流出集管F12离开。用于增湿和热交换的水通过水流入集管F11，流经内部的一个热交换器，分流通过阴极水增湿区F6和阳极水增湿区F5。水通过水流出集管F10离开。集管穿过双极隔板F2和电极膜组合件F3。压紧用的螺栓孔F16在双极隔板和电极膜组合件的边缘空白处十分明显。
图10是本发明中一个能增湿的复合4板双极IFMT隔板F2的等比例分解图，它包含有三种不同类型的板，板F17-1和F17-4是相同形状的导电的集流器微孔筛网薄片。尽管这两块板的形状可以不同，但最好是相同的，导电材料可以是金属、导电塑料、导电陶瓷、或表面通过电镀或真空沉积而金属化了的陶瓷或塑料。电流通过一个或多个边缘电流电桥F18在两个塑料芯片之间传输，图中F18被部分截开。微孔筛网薄片边缘四周可用阳极微孔筛网密封面F23密封，F23可以包括反应物和水的集管F93周围的密封脊(没有示出)。密封脊(没有示出)也可被选用用来密封活性反应区和增湿区四周。
薄片F17-1是阳极集流器微孔筛网，它含有重复的通过侵蚀、冲孔、或其他方式形成的孔、沟或槽的式样。薄片F17-2是塑料或陶瓷材料的阳极流动区薄片，它含有模塑的深度结构和直通通道。薄片F17-2包含了定义氢气增湿流动区F5，阳极活性反应区F21以及阴极水增湿区F6的结构。薄片F17-2的背面形成了薄片F17-3上热控制回路F20的封闭端(面)(the close out)。薄片F17-3是塑料和陶瓷材料的阴极流动区薄片，它含有模塑的深度结构和直通通道。薄片F17-3包含定义热控制热交换器F20，空气(氧气)增湿流动区F14，阴极活性反应区F22以及阳极水增湿区F15的结构。空气(氧气)增湿流动区F14，阴极活性反应区F22以及阳极水增湿区F15在薄片F17-3的背面。
在所有从F17-2到F17-3的板中，横向边界通道或集管F93以及压紧用的螺栓孔F16都与图9中电极膜组合件上的同位。
图11A-G示出的是每个薄片正面的一系列平面图以及图10所示按照本发明集流控制原理制作的4板双极隔板上直通通道和深度结构的一个具体实例。板的排列方向按图10所示方向，图中所指的“正面”是指从图10的阳极(最前端)一边看板的前面，而所指的“背面”是当板颠倒过来后图10中看不见的一面。这就是说，这些图都是“原图”或板的正视图。薄片1和4除了使用密封脊时有所不同外，在本质上是完全一样的。图11A-11C示出的是将薄片1的正面和薄片4的背面用电流电桥F18连接起来的平面图。画在下面的阳极薄片集流器微孔筛网F17-1和画在上面的阴极薄片集流器微孔筛网F17-4被电流电桥F18被连接起来。阳极和阴极集流器微孔筛网薄片上被构造了称作微孔筛网(以交叉线阴影显示)的直通通道。该直通通道有图7和图8中描述的多种形状和尺寸。
如图11A所示，阳极集流器微孔筛网薄片F17-1上的结构规定了阴极水增湿区F6，阳极活性反应区F4A以及氢气增湿流动区F5。一个带有选用密封脊的密封面F23围绕着活性反应区和增湿区F19。阳极流动区薄片F17-2的分散和汇流集管的封闭端(面)由阳极微孔筛网集管的封闭端(面)F25形成。阴极集流器微孔筛网薄片F17-4上的结构规定了空气(氧气)增湿流动区F14，阴极活性反应区F4C以及阳极水增湿区F15。一个带有选用密封脊的密封面F24围绕着活性反应区和增湿区F19。阴极流动区薄片F17-3的分散和汇流集管的封闭端(面)由阴极微孔筛网集管的封闭端(面)F26形成。
图11B是通常的带有窗屏凹陷的金属微孔筛网集流器薄片的平面图及其对应的剖视图。阳极集流器微孔筛网凹陷处F31，阴极集流器微孔筛网凹陷处F90，横向边界通道或集管F93，阳极微孔筛网密封面F23，阴极微孔筛网密封面F24，阳极微孔筛网集管封闭端(面)F25以及阴极微孔筛网集管封闭端(面)F16都在平面图和剖视图中描述出来。窗屏凹陷处F31和F90的深度要设计成与阳极和阴极流动区薄片F17-2和F17-3上的凹陷深度配位。
图11C是没有窗屏凹陷的金属微孔筛网集流器薄片的平面图及其对应的剖视图。横向边界通道或集管F93，阳极微孔筛网密封面F23，阴极微孔筛网密封面F24，阳极微孔筛网集管封闭端(面)F25以及阴极微孔筛网集管封闭端(面)F16都在平面图和剖视图中描述出来。
图11D是塑料阳极流动区薄片的正面F17-2-Front。这个薄片同时具有直通通道和深度结构。主要的直通通道是压紧用的螺栓孔F16，横向集管，氢气的流出集管F8，氢气流入集管F9，水流入集管F10，水流出集管F11，空气(氧气)流出集管F12以及空气(氧气)流入集管F13。其他的直通通道是经由F32的氢气进口，经由F35的氢气出口，经由F44的阴极增湿水进口以及经由F41的阴极增湿水出口。在阳极流动区薄片正面上的主要深度结构是氢气增湿蛇形通道F36，阳极活性反应区蛇形通道F39以及阴极增湿水蛇形通道F43。这些结构要设计成使流动流速和通道的压力降达到最佳值。
阳极的氢气燃料经由F32流过氢气进口进入增湿区，通过氢气分流集管进口F33进入氢气分流集管F27并经过氢气蛇形通道进口F34被分流到两个氢气蛇形通道F36。氢气被从与氢气增湿蛇形通道F36相接触的电解膜渗透过来的水增湿。被增湿的氢气通过氢气蛇形通道出口F37离开增湿区，进入氢气汇流集管F28，并流经阳极活性反应区分流集管F29，通过阳极活性反应区蛇形通道进口F38流进阳极活性反应区蛇形通道F39。在活性反应区内，氢气在电极膜组合件的阳极边上被催化氧化，产生电子和质子。电子通过石墨电极从阳极催化活性点流出。从石墨电极上出来的电子被阳极集流器微孔筛网F17-1汇集并通过复合双极隔板被边缘导体F18输出。
被消耗的氢气经由阳极活性反应区蛇形通道出口F40离开活性反应区并流进氢气汇流集管F31，最后经由F35通过氢气出口离开。
用于阴极(空气，氧气)增湿的热水经由F44通过阴极增湿水进口进入，通过阴极增湿水蛇形通道进口F45流进阴极增湿水蛇形通道F43，经过阴极增湿水蛇形通道出口F42出来，并经由F41通过阴极增湿水出口离开。部分流过蛇形通道的热水在电渗析作用下穿过电解膜去增湿阴极空气(氧气)。
阳极集流器微孔筛网薄片F17-1被粘合到阳极流动区薄片F17-2上并形成了氢气分流集管F27的集管封闭端(面)。
选用的阳极微孔筛网凹陷F31能容纳与图F11B中阳极微孔筛网凹陷F31相应的阳极集流器微孔筛网薄片F17-1。阳极集流器微孔筛网薄片凹陷F31的深度要能放置阳极集流器微孔筛网薄片F17-1的表面，使它与阳极流动区薄片F17-2平齐或使它形成一个能容纳电极膜组合件中的石墨纸电极的凹处。
图11E是塑料阳极流动区薄片的背面F17-2-Back。这个薄片具有贯通和深度两种结构。主要的直通通道是压紧用的螺栓孔F16，横向集管，氢气的流出集管F8，氢气流入集管F9，水流入集管F10，水流出集管F11，空气(氧气)流出集管F12以及空气(氧气)流入集管F13。其他的直通通道是经由F32的氢气进口，经由F35的氢气出口，经由F44的阴极增湿水进口以及经由F41的阴极增湿水出口。主要深度结构是氢气进口通道F47，氢气出口通道F50，空气(氧气)出口通道F53以及穿越基座的空气(氧气)出口F55。阳极流动区薄片F17-2的大部分表面被用作阴极流动区薄片F17-3上冷却水通道的一个封闭端(面)。
氢气从氢气流入集管F9，通过氢气进口通道进口F48，流进氢气进口通道F47，经过氢气进口通道出口F46，最后经由F32进入氢气进口。氢气经由F32通过氢气进口，从图11D中阳极流动区薄片的背面流向正面。被消耗的氢气通过阳极流动区薄片流回，经由F35通过氢气出口，进入氢气出口通道进口F49，通过氢气出口通道F50和氢气出口通道出口F51，最后进入氢气流出集管F8离开。
被消耗的空气(氧气)经由F55通过空气(氧气)出口、空气(氧气)出口通道进口F54、空气(氧气)出口通道F53、空气(氧气)出口通道出口F52、从阴极增湿和活性反应区离开，最后流进空气(氧气)流出集管。
图11F是塑料阴极流动区薄片F17-3-Front的正面。这个薄片具有贯通和深度两种结构。主要的直通通道是压紧用的螺栓孔F16，横向集管，氢气的流出集管F8，氢气流入集管F9，水流入集管F10，水流出集管F11，空气(氧气)流出集管F12以及空气(氧气)流入集管F13。其他的直通通道是经由F60的空气(氧气)进口，经由F61的空气(氧气)出口，经由F58的阳极增湿水进口以及经由F57的阳极增湿水出口。主要深度结构是冷却水蛇形通道F62，增湿水流入集管F64，以及增湿水流出集管F63。
冷却水通过水流入集管F10、冷却水通道进口F65、冷却水通道F66进入，最后通过冷却水蛇形通道进口F67进入冷却水蛇形通道F62。在冷却水蛇形通道流动时，冷却水吸收电化学反应生成的热。热水通过冷却水蛇形通道出口F68离开并流进增湿水流入集管连接处F69，进入增湿水流入集管F64，并经由F56通过增湿水阴极出口F70和阴极水增湿进口或经由F58通过增湿水阳极出口F71和阳极水增湿进口最后离开。热水由于具有高的扩散能力而被用作增湿水。
空气(氧气)从空气(氧气)流入集管F13进入阴极，流进空气(氧气)进口通道进口F72，通过空气(氧气)进口通道F73，进入空气(氧气)进口通道出口F74，并经由F60通过空气(氧气)进口流到阴极增湿和活性反应区通道。空气(氧气)在流过空气(氧气)增湿通道时被增湿并在图11G中描述的阴极活性反应区被消耗。被消耗的空气(氧气)和生成水经由空气(氧气)出口F61离开，F61通过阳极流动区薄片F17-2上的空气(氧气)出口通道与空气(氧气)流出集管F12相连。
图11G是塑料阴极流动区薄片F17-3-Back的背面。这个薄片具有贯通和深度两种结构。主要的直通通道是压紧用的螺栓孔F16，横向集管，氢气的流出集管F8，氢气流入集管F9，水流入集管F10，水流出集管F11，空气(氧气)流出集管F12以及空气(氧气)流入集管F13。其他的直通通道是经由F60的空气(氧气)进口，经由F61的空气(氧气)出口，经由F58的阳极增湿水进口以及经由F59的阴极增湿水出口。在阴极流动区薄片上的主要深度结构是空气(氧气)增湿蛇形通道F80，阴极活性反应区蛇形通道F86以及阳极增湿水蛇形通道F77。
在阴极的空气(氧气)经由F60通过空气(氧气)进口进入增湿区，通过空气(氧气)分流集管进口F78进入空气(氧气)分流集管F79并通过空气(氧气)蛇形通道进口F80被分流进入到两个空气(氧气)蛇形通道F81中。空气(氧气)被从与空气(氧气)增湿蛇形通道F81相接触的电解膜渗透过来的水增湿。被增湿的空气(氧气)通过空气(氧气)蛇形通道出口F82离开增湿区，进入空气(氧气)增湿汇流集管F83，并流经阴极活性反应区分流集管F84，通过阴极活性反应区蛇形通道进口F85流进阴极活性反应区蛇形通道F86。在活性反应区内，氧气接收在阳极产生的电子和质子被催化还原生成水。电子经由电流电桥F18从阳极流向阴极，进入阴极集流器微孔筛网17-4，通过电极膜组合件上的阴极石墨电极最后到达阴极催化反应活性点，在这里电子与阳极产生的质子和氧气发生反应，产生多余热量和生成水。被消耗的空气(氧气)和生成水经由阴极活性反应区蛇形通道出口F87离开活性反应区并流进空气(氧气)汇流集管F88，通过空气(氧气)汇流集管出口F89，最后经由F61通过空气(氧气)出口离开。
用于阳极(氢气)增湿的热水经由F58通过阳极增湿水进口进入，通过阳极增湿水蛇形通道进口F76，流入阳极增湿水蛇形通道F77，通过阳极增湿水蛇形通道出口流出，并经由F59通过阳极增湿水出口离开。部分流过蛇形通道的热水在电渗析作用下穿过电解膜来增湿阳极氢气。
薄片F17-3被粘合到带有一个选用的集流器微孔筛网凹陷F90的薄片F17-4上，并形成了空气(氧气)增湿分流集管F79、空气(氧气)增湿汇流集管F83、阴极活性反应区分流集管F84、以及阴极活性反应区汇流集管的封闭端(面)。
阴极集流器微孔筛网薄片凹陷F90的深度要能放置阴极集流器微孔筛网薄片F17-4，使它与阴极流动区薄片F17-3的表面平齐或形成一个能容纳图9中电极膜组合件F3的石墨纸电极的凹处。
边缘导电集成热控制图12是一个燃料电池叠层内部一个单体电池的等比例分解图，燃料电池叠层含有夹着电极膜组合件G3A的隔板G2A和G2B，并和电池叠层中与之相邻的下一个单体电池的电极膜组合件G3B相接触。在这个图上，只有双极隔板的2(阳极)一边是可以看见的，但在下面讨论的，有被掩盖(阴极)一边上与之同位的空气(氧气)区。大的矩形区G4A是电池的活性反应区，G4A代表阳极一边，G4C代表阴极一边。
电极膜组合件G3A和G3B包括镀有催化剂的区域G7A和G7C，它们与对应的活性反应区G4A、G4C同位。反应物和冷却水集管明显位于边缘空白处。氢气燃料经由氢气流入集管G7进入，流过阳极活性反应区G4A并经由氢气流出集管G6离开。空气(氧气)经由空气(氧气)流入集管G10进入，流过阴极活性反应区F4C并经由空气(氧气)流出集管G11离开。用于热交换的冷却水通过水流入集管G9进入，流经内部的一个热交换器并通过水流出集管G8离开。横向的反应物和冷却水进口和流出集管G6、G7、G9、G11、G10、以及G12穿过双极隔板F2和电极膜组合件3。压紧用的螺栓孔G12在双极隔板和电极膜组合件的边缘空白处十分明显。
图13是本发明中一个4板双极IFMT隔板G2的等比例分解图，它包含有三种不同类型的板，板G13-1和G13-4是完全相同的集流器微孔筛网薄片，被图中用部分虚线表示的电流电桥G14连接在一起。薄片G13-2是塑料或陶瓷材料的阳极流动区薄片，它含有模塑的深度结构和直通通道。薄片G13-2包含了定义阳极活性反应区G16的结构。薄片G13-2的背面形成了用于薄片G13-3上热控制回路G17的封闭端(面)(the close out)。薄片G13-3是塑料和陶瓷材料的阴极流动区薄片，它含有模塑的深度结构和直通通道。薄片G13-3包含了定义热控制热交换器G17、阴极活性反应区G18的结构。阴极活性反应区G18在薄片FG13-3的背面。微孔筛网薄片G13-1和G13-2边缘四周要密封。密封脊(没有示出)也可被选用用来密封活性反应区G4A和G4C四周。
在所有从G13-2到G13-3的板中，横向边界通道即集管G15以及压紧用的螺栓孔G12都与图12中电极膜组合件上的同位。
图14A-G示出的是每个薄片正面的一系列平面图以及图13中按照本发明集流控制原理制作的4板双极隔板上深度结构和直通通道的一个具体实例。板的排列方向与正/反面与图F11A-G的序列相同。
图14A是阳极和阴极集流器微孔筛网薄片G13-1和G13-4的平面图，阳极薄片集流器微孔筛网在下面，阴极薄片集流器微孔筛网在上面。微孔筛网的直通通道具有图8中描述的多种形状和尺寸。阳极集流器微孔筛网薄片具有定义阳极活性反应区G4A的结构。一个带有选用密封脊G60(示于剖视图)的密封面G19围绕着活性反应区G4A。阳极流动区薄片G13-2的分散和汇流集管的封闭端(面)由阳极微孔筛网集管的封闭端(面)G21形成。
阴极集流器微孔筛网薄片G13-4上的结构规定了阴极活性反应区G4C。一个带有选用密封脊的密封面G22围绕着活性反应区G4C。阴极流动区薄片G13-3的分散和汇流集管的封闭端(面)由阴极微孔筛网集管的封闭端(面)G22形成。
图14B是带有窗屏凹陷的金属微孔筛网集流器薄片的平面图，右侧是剖视图。两个薄片G13-1和G13-2被电流电桥G14连接起来。阳极集流器微孔筛网凹陷G25、阴极集流器微孔筛网凹陷G59、横向边界通道或集管G15、阳极微孔筛网密封面G19、阴极微孔筛网密封面G20、阳极微孔筛网集管封闭端(面)G21、以及阴极微孔筛网集管封闭端(面)G22都在平面和剖视图中描述出来。窗屏凹陷G25和G59的深度要设计成与阳极和阴极流动区薄片G13-2和G13-3上的凹陷深度配位。
图14C是没有窗屏凹陷的金属微孔筛网集流器薄片的平面图及其对应的剖视图。两个薄片G13-1和G13-4通过电流电桥G14连接起来。横向边界通道或集管G15，阳极微孔筛网密封面G19，阴极微孔筛网密封面G20，阳极微孔筛网集管封闭端(面)G21，以及阴极微孔筛网集管封闭端(面)G22都在平面图和剖视图中描述出来。
图14D是塑料阳极流动区薄片的正面G13-2-Front。这个薄片具有贯通和深度两种结构。主要的直通通道是压紧用的螺栓孔G12，横向集管，氢气的流出集管G6，氢气流入集管G7，水流入集管G8，水流出集管G9，空气(氧气)流出集管G11，以及空气(氧气)流入集管G10。其他的直通通道是经由G26的氢气进口，经由G28的氢气出口。在阳极流动区薄片正面上的主要深度结构是阳极活性反应区蛇形通道G31，阳极活性反应区分流集管G23和阳极活性反应区汇流集管G24。这些结构要设计成使流动流速和通道的压力降达到最佳值。
阳极的氢气燃料经由G26通过氢气进口进入，流经阳极活性反应面分流集管进口G27，进入阳极活性反应区分流集管G23，通过阳极活性反应区蛇形通道进口G30进入阳极活性反应区蛇形通道G31。在活性反应区内，氢气在电极膜组合件的阳极侧上被催化氧化而产生电子和质子。通过电解膜，质子从阳极催化区到达阴极。电子则通过石墨电极从阴极催化区移去。石墨电极的电子则由阳极集电微孔筛网GB-1汇集，并由接头或桥G14传导到阴极微孔筛网G13-4。
废氢通过阳极活性反应区蛇形通道出口G32，通过活性反应区汇流集管出口G29流入阳极活性反应区汇流集管G24，最后通过氢出口通路G28排出。
将薄片G13-1粘到阳极电流集电器微孔筛网凹陷处G25中，并形成阳极活性反应区分流集管G23和阳极活性反应区汇流集管G24的集管密闭出口。
阳极电流集电器微孔筛网区G25的厚度可设计成使阳极微孔筛网薄片G13-1的表面与阳极流动区薄片G13-2齐平，或者使它嵌入并形成凹槽，此凹槽可以容纳电极膜组件的石墨纸电极。
图14E所示为塑料阳极流动区薄片的背面G13-2-Back。该薄片既有纵向也有深度结构。其主要穿式结构有模压系杆孔G12，横向集管；氢流出集管G6，氢流入集管G7，进水集管G9，出水集管G8，空气(氧气)流出集管G11，和空气(氧气)流入集管G10。别的穿式结构有氢入口G28和氢出口G26。其主要深度结构有氢进气通道G34，氢流出通道G37。阳极流动区薄片G13-2的大部分表面被用作阳极流动区薄片G13-3的冷却水通道的封闭端(面)。
氢从氢流入集管G7通过氢进气通道入口G35流入氢进气通道G34，通过氢进气通道出口G33，最后流入氢入口G26。氢气通过氢入口G26从阳极流动区薄片的后部流向前部图14D。来自活性区的废氢通过阳极流动区薄片由氢出口G28流回到氢流出通道入口G36，通过氢流出通道G37和氢流出通道出口G38，最后流入氢流出集管G6中。
图14F所示为塑料阴极流动区薄片的正面G13-3-Front。该薄片既有纵向也有深度结构。其主要穿式结构有压紧用的系杆孔G12，横向集管；氢流出集管G6，氢流入集管G7，进水集管G9，出水集管G8，空气(氧气)流出集管G11，和空气(氧气)流入集管G10。别的穿式结构有空气(氧气)入口G44和空气(氧气)出口G45。其主要深度结构有冷却水蛇形通道G46，空气(氧气)流入和流出通道G50和G40。
冷却水从冷却水进水集管G9进入，流入冷却水蛇形通道G46。流过冷却水蛇形通道G46时，冷却水获得热，该热是电化学反应的副产物。热水从冷却水蛇形通道出口G48流出，最后从冷却水出水集管G8离开。
空气(氧气)从空气(氧气)流入集管G10流过空气(氧气)进气通道入口G49，进入空气(氧气)进气通道G50，通过空气(氧气)进气通道出口G51，最后通过底座G42进入空气(氧气)入口，该底座与图14D中的阴极流动区薄片G13-3上的空气(氧气)入口G44相通。空气(氧气)入口G44将空气(氧气)带到阴极活性反应区流动区。
废空气(氧气)从阴极活性反应区通过G45(图14G)经过空气(氧气)出口通过底座口G28排入空气(氧气)出口，进入空气(氧气)流出通道入口G36，经过空气(氧气)流出通道G37，通过空气(氧气)流出通道出口G38，最后从空气(氧气)流出集管G6。
图14G所示为塑料阴极流动区薄片G13-3-Back的后侧。该薄片既有纵向也有深度结构。其主要穿式结构有压紧用的系杆孔G12，横向集管；氢流出集管G6，氢流入集管G7，进水集管G9，出水集管G8，空气(氧气)流出集管G11，和空气(氧气)流入集管G10。别的穿式结构有空气(氧气)入口G44和空气(氧气)出口G45。阴极流动区薄片的主要深度结构有阴极活性反应区分流集管G53，阴极活性反应区汇流集管G57，和阴极活性反应区蛇形通道G55。
阴极的空气(氧气)经过空气(氧气)入口G44，通过阴极分流集管入口G52，流入阴极分流集管G53并经过阴极活性反应区蛇形通道入口G54分配到阴极活性反应区蛇形通道G55，进入润湿区。在活性反应区内，氧气被催化还原，从阳极得到质子和电子以产生水。电子通过电桥G14从阳极流到阴极，进入阴极集电器微孔筛网13-4，经过电极膜组合件上的阴极石墨电极，最后进入阴极催化部位，在此处电子与阳极产生的质子以及氧气反应产生过剩的热和产物水。废空气(氧气)和产物水通过阴极活性反应区蛇形通道出口G56离开阴极活性区，并流入阴极活性反应区汇流集管G57，经过空气(氧气)汇流集管出口G58最后通过与图14F的阴极流动区薄片13-3-Front上的空气(氧气)出口通道G40以及空气(氧气)流出集管G11相通的空气(氧气)出口G45流出。
图15是分别具有电桥F18和多个电流片的阳极(底部)和阴极(顶部)集电器微孔筛网薄片F17-1和F17-4的平面图。阳极集电器微孔筛网薄片的结构定义了阴极水润湿区域F6，阳极活性反应区F4A，和氢气润湿流动区F5。三个电流传导片F94从薄片F17-1的边缘伸出。这些电流片与薄片F17-4上的三个相应的电流片配位并通过电焊，微钎焊，焊接或用导电粘合剂粘结连接起来。预先选定作为给定焊缝所需要的载流要求的函数的电桥的数目。F95是可选的。
阴极集电器微孔筛网薄片F17-4的结构定义了空气(氧气)润湿流动区F14，阳极活性反应区F4C，和阳极水润湿区域F15。三个电流传导片F94从薄片F17-4的边缘伸出。这些电流片与薄片F17-1上的三个相应的电流片配位并通过电焊，微钎焊，焊接或用导电粘合剂粘结连接起来。
正如图14A所示的单桥方式那样，反应物和冷却水的集管F93和系杆孔F16同样处于外围位置。
图16是本发明的包括三种不同形状的板的一4片润湿的双极IFMT隔板F2的等比例分解图，板F17-1和F17-4是完全相同的如上所述的集电器微孔筛网板。电流通过电桥F18和三个相连的电流片F94从两塑料芯片F17-2和F17-3的周围传导。
板F17-1是阳极集电器微孔筛网板，由重复样式的穿蚀孔或冲孔组成。片F17-2是塑料或陶瓷阳极流动区薄片，由模塑的横向和纵向部件组成。F17-3是塑料或陶瓷阴极流动区薄片，由模塑的横向和纵向部件组成。片F17-4是阴极集电器微孔筛网，由重复样式的穿蚀孔或冲孔组成。
汇流条传导和湿度和热集成控制图17是单电池A1的叠层内部的等比例分解图，该叠层包括夹有一电极膜组合件A3A的隔板A2A和A2B，并且与相邻电池的电极膜组合件A3B相接触。板的顺序和视图如上所述。微孔筛网A4A表示阳极侧，A4C表示阴极侧，他们通过下面详细描述的内部汇流条相连。阳极氢润湿流动区A5和阴极水润湿区域A6置于隔板中，下面更详细描述。
电极膜组合件A3A和A3B包括与相应的活性反应区A4A，A4C配位的催化剂涂敷区A7A和A7C。边界上的反应器和冷却水集管很明显。氢燃料从氢入口集管A9进入，流经氢润湿流动区A5，经过阳极活性反应区A4A，从氢流出集管A8流走。空气(氧气)从空气(氧气)流入集管进入，流经空气(氧气)润湿流动区A14，经过阴极活性反应区A4C，从空气(氧气)流出集管A12流走。用来润湿和热控制的水由进水集管A11进入，流经一内部热交换器，分流并流经阴极水润湿区A6和阳极水润湿区A5。水经出水集管A10流走。集管通过双极隔板A2和电极膜组合件A3。双极隔板和电极膜组合件的边界上的压紧用的系杆孔A16很明显。
图18是本发明的包括三种不同类型的板的4片润湿的双极IFMT隔板A2的等比例分解图，板A17-1和A17-4是完全相同的集电器微孔筛网薄片。电流由一个或几个内部汇流条A18通过两塑料芯片A17-2和A17-3传导。虽然只描绘了两长方形截面的汇流条，但是不管是在筛网区域内还是在其外部，均可以使用任何数目、几何截面、和取向的汇流条。借助塑料芯片A17-2和A17-3实现围绕微孔筛网薄片的边缘密封，该塑料芯片可以包括在反应物和水的集管周围，在活性反应区A21，A22周围，以及在润湿区域A5，A6，A14，A15，和A19周围的密封脊(未示出)。
两金属集电器微孔筛网薄片A17-1(阳极)和A17-4(阴极)是相同的。薄片A17-2是塑料或陶瓷阳极流动区薄片，由模塑的横向和穿式结构组成。薄片A17-2包含定义氢润湿流动区A5，阳极活性反应区流动区A21，和阴极水润湿区域A6的结构。薄片A17-2的正面构成薄片A17-3的热控制回路A20的封闭端(面)。薄片A17-3是塑料或陶瓷阴极流动区薄片，由模塑的纵向和深度结构组成。薄片A17-3包含定义用于热控制热交换器A20，空气(氧气)润湿流动区A14，阴极活性反应区A22和阳极水润湿区域A15的结构。空气(氧气)润湿流动区A14，阴极活性反应区A22和阳极水润湿区域A15在薄片A17-3的正面上。
从A17-2至A17-3所有的薄片上，横向贯穿边界的通道即集管A93和压紧用的系杆孔A16都与图17中的电极膜组合件A3的那些同位。
图19A-G是根据本发明集流控制原则的一系列平面图，从每个薄片的正面显示图18的4片双极隔板的纵向和深度结构的一个实施方案的细节。应该说明的是薄片的顺序如图18所示，而且使用与上面边界传导实施方案相同的约定。
薄片1和4基本相同，只是在使用密封脊时，图19A的左侧显示的是A17-1的薄片1的正面，右侧显示的是A17-4的薄片4的背面。阳极集电器微孔筛网薄片的结构定义了阴极水润湿区域A6，阳极活性反应区A4，和氢润湿流动区A5。具有可选的密封脊的一密封表面A23环绕活性反应区和润湿区域A19。阳极流动区薄片A17-2的分流和汇流集管的集管封闭端(面)是通过阳极微孔筛网集管封闭端(面)A25形成的。
阴极集电器微孔筛网薄片A17-4结构定义了空气(氧气)润湿流动区A14，阴极活性反应区A4C，和阳极水润湿区A15。具有可选的密封脊的密封表面A24环绕活性反应区和润湿区A19。阳极流动区薄片A17-3的分流和汇流集管的集管封闭端(面)是通过阴极微孔筛网集管封闭端(面)A26形成的。
图19B是塑料阳极流动区薄片A17-2-Front的平面图，阳极集电器微孔筛网薄片A17-1的部分叠置在右下角以显示其位置和取向。薄片A17-1粘结在阳极集电器微孔筛网凹陷A31中并形成氢分流集管A27，氢汇流集管A28，阳极活性反应区分流集管A29，和阳极活性反应区汇流集管A30的集管封闭端(面)。两条汇流条A18电粘结在阳极集电器微孔筛网薄片上。
阳极集电器微孔筛网区域A31可以与薄片的其余部分处于同一平面以使阳极集电器微孔筛网薄片A17-1的表面与阳极流动区薄片A17-2的表面平齐，或者将其嵌入以形成一接收电极膜组合件的石墨纸电极的凹陷。
图19C所示为塑料阳极流动区薄片的正面A17-2-Front。该薄片既有纵向也有深度结构。其主要穿式结构有压紧用的系杆孔A16，横向集管；氢流出集管A8，氢流入集管A9，进水集管A10，出水集管A11，空气(氧气)流出集管A12，和空气(氧气)流入集管A13。别的穿式结构有氢入口A32和氢出口A35，阴极润湿水入口A44，和阴极润湿水出口A41。阳极流动区薄片的正面的主要深度结构有氢润湿蛇形通道A36，阳极活性反应区蛇形通道A39，和阴极润湿水蛇形通道A43。这些结构的设计优化了设备的流速和压力降。
阳极氢燃料经氢入口A32，进入润湿区域，经氢分流集管入口A33进入氢分流集管A27，经过氢气蛇形通道入口A34分流到两条氢气蛇形通道A36。氢气经过与氢气润湿蛇形通道A36相接触的渗水的电解膜时被润湿。被润湿的氢气经氢气蛇形通道出口A37离开，进入氢气汇流集管A28，然后进入阳极活性反应区分流集管A29，经阳极活性反应区蛇形通道入口A38流进阳极活性反应区蛇形通道A39。在活性反应区内，氢气在电极膜组合件的阳极侧被催化氧化以产生电子和质子。质子从阳极催化处穿越电解膜运动到阴极。电子经石墨电极从阳极催化处流出。石墨电极上的电子被阳极集电器微孔筛网A17-1汇集起来并由汇流条A18传导通过复合双极隔板。
废氢经阳极活性反应区蛇形通道出口A40离开活性反应区并流进氢气汇流集管A31，最后经氢气出口A35流出。
用来润湿阴极(空气，氧气)的热水经阴极润湿水入口A44进入，经阴极润湿水蛇形通道入口A45流进阴极润湿水蛇形通道A43，经阴极润湿水蛇形通道出口A42流出，并经阴极润湿水出口A41离开。部分流经蛇形通道的热水渗透过电解膜以润湿阴极空气(氧气)。
图19D所示为塑料阳极流动区薄片的背面A17-2-Back。该薄片既有纵向也有深度结构。其主要穿式结构有压紧用的系杆孔A16，横向集管；氢流出集管A8，氢流入集管A9，进水集管A10，出水集管A11，空气(氧气)流出集管A12，和空气(氧气)流入集管A13。别的穿式结构有氢入口A32和氢出口A35，阴极润湿水入口A44，和阴极润湿水出口A41。阳极流动区薄片的前侧的主要深度结构有氢流入通道A47，氢流出通道A50，空气(氧气)流出通道A53，和通过底座A55的空气(氧气)出口。阳极流动区薄片A17-2的大部分表面被用作阴极流动区薄片A17-3上的冷却水通道的封闭端(面)。
氢气从氢气流入集管A9流经氢气流入通道入口A48，进入氢气流入通道A47，经氢气进气通道出口A46，最后经A32进入氢气入口。氢气经氢气入口A32从阳极流动区薄片(图19C)的背面流到正面。活性反应区的废氢从阳极流动区薄片经氢气出口A35流回背面，进入氢气流出通道入口A49，经氢气流出通道A50和氢气流出通道出口A51，最后流出进入到氢气流出集管A8。
废空气(氧气)从阴极润湿和活性反应区(图19F)排出，通过底座口A55经空气(氧气)流出通道入口A54，空气(氧气)流出通道A53，空气(氧气)流出通道A52，最后流进空气(氧气)流出集管。
电流通过两条汇流条A18传导通过阳极流动区薄片。
图19E所示为塑料阴极流动区薄片的正面A17-3-Front。该薄片既有纵向也有深度结构。其主要穿式结构有压紧用的系杆孔A16，横向集管；氢流出集管A8，氢流入集管A9，进水集管A10，出水集管A11，空气(氧气)流出集管A12，和空气(氧气)流入集管A13。别的穿式结构有空气(氧气)入口A60，空气(氧气)出口A61，阳极润湿水入口A58，和阳极润湿水出口A57。其主要深度结构有冷却水蛇形通道A62，润湿水进水集管A64和润湿水出水集管A63。
冷却水经进水集管A10进入，经冷却水通道入口A65，冷却水通道A66，最后经冷却水蛇形通道入口A67进入冷却水蛇形通道A62。流经冷却水蛇形通道时，冷却水吸收电化学反应的副产物——热。热水经冷却水蛇形通道出口A68离开，流进润湿水进水集管接头A69，进入润湿水进水集管A64，最后经润湿水阴极出口A70和阴极水润湿入口A56，或润湿水阳极出口A71和阳极水润湿入口A58流出。用热水来润湿是因为其高扩散活性。
空气(氧气)从空气(氧气)流入集管A13进入阴极，流进空气(氧气)进入通道入口A72，流经空气(氧气)进入通道A73，进入空气(氧气)进入通道A74，经空气(氧气)入口A60流到阴极润湿通道和活性反应区通道。空气(氧气)在流经空气(氧气)润湿通道时被润湿，在图19F所示的活性反应区被消耗掉。废空气(氧气)和产物水经与空气(氧气)流出集管A12相连的出口A61，经阳极流动区薄片A17-2上的空气(氧气)流出通道离开。
电流通过两条汇流条A18传导通过阴极流动区薄片。
图19F所示为塑料阴极流动区薄片的背面A17-2-Back。该薄片既有纵向也有深度结构。其主要穿式结构有压紧用的系杆孔A16，横向集管；氢流出集管A8，氢流入集管A9，进水集管A10，出水集管A11，空气(氧气)流出集管A12，和空气(氧气)流入集管A13。别的穿式结构有空气(氧气)入口A60，空气(氧气)出口A61，阳极润湿水入口A58，和阳极润湿水出口A59。阴极流动区薄片上的主要深度结构有空气(氧气)润湿蛇形通道A80，阴极活性反应区蛇形通道A86，和阳极润湿水蛇形通道A77。
阴极的空气(氧气)经空气(氧气)入口A60进入润湿区域，经空气(氧气)分流集管入口A78流进空气(氧气)分流集管A79，并经空气(氧气)蛇形通道入口A80被分流到两条空气(氧气)蛇形通道A81。空气(氧气)经过与空气(氧气)润湿蛇形通道A81相接触的渗水的电解膜时被润湿。被润湿的空气(氧气)经空气(氧气)蛇形通道出口A82离开润湿区域，进入空气(氧气)润湿汇流集管A83，然后进入阴极活性反应区分流集管A84，经阴极活性反应区蛇形通道入口A85流进阴极活性反应区蛇形通道A86。在活性反应区内，氧气被催化还原，从阳极接收电子和质子以产生水。电子通过汇流条A18从阳极传导到阴极，进入阴极集电器微孔筛网17-4，经电极膜组合件上的阴极石墨电极最后会合在阴极催化处，在此处电子与阳极产生的质子和氧气反应产生过量的热和产物水。废空气(氧气)和产物水通过阴极活性反应区蛇形通道出口A87离开活性反应区，流进空气(氧气)汇流集管A88，经空气(氧气)汇流集管出口A89最后经空气(氧气)A61流出。
用来润湿阳极(氢)的热水经阳极润湿水入口A58进入，经阳极润湿水蛇形通道入口A76流进阳极润湿水蛇形通道A77，经阳极润湿水蛇形通道出口A75流出，并经阳极润湿水出口A59离开。部分流经蛇形通道的热水渗透过电解膜以润湿阳极氢。
汇流条A18(顶端和底端)从板上伸出以接触微孔筛网汇集板A17-4，这一点在图19G中可以看出，图19G是塑料阴极流动区薄片A17-3-Back的平面图，其右下角为阴极集电器微孔筛网薄片A17-4的一部分。薄片A17-4被粘在阴极集电器微孔筛网凹陷A90中并成为空气(氧气)润湿分流集管A79，空气(氧气)润湿分流集管A83，阴极活性反应区分流集管A84和阴极活性反应区汇流集管A88的封闭端(面)。两汇流条A18被粘在阴极集电器微孔筛网薄片A17-4上以提供良好的电连接。
阴极集电器微孔筛网区域A90既可以选择使阴极集电器微孔筛网薄片A17-4的表面与阴极流动区薄片A17-3的表面平齐，也可以将其嵌入以形成一个接受图17中的电极膜组合件A3的石墨纸电极的凹陷。
汇流条传导综合热控制下面通过实施例，但并不限制本发明的原则的方式，叙述说明本发明的汇流条直通传导的实现。这一叙述将清楚地使得本领域的熟练技术人员能够制造和使用本发明，这一叙述描述了本发明的几种实施方案，调整，变化，替换和使用，包括目前我认为的本发明的最佳实施方式。
图20是单电池B1的叠层的内部的等比例分解图，该叠层包括夹有一电极膜组合件B3A、隔板B2B、和B2B，并且与相邻电池的电极膜组合件B3B相接触。在此视图中，只有双极隔板的H2(阳极)侧是可见的，但如下所示，在隐藏(阴极)侧有与之配位的氧气区。大的长方形区域B4A是电池的活性反应区，B4A表示阳极侧，B4C表示阴极侧。
电极膜组合件B3A和B3B包括与相应的活性反应区B4A和B4C配位的催化剂涂敷区域B7A和B7C。边界上的反应物和冷却水集管很明显。氢燃料从氢入口集管B7进入，流经阳极活性反应区B4A，从氢流出集管B6流走。空气(氧气)从空气(氧气)流入集管B10进入，流经阴极活性反应区A4C，从空气(氧气)流出集管B11流走。用来控制热的冷却水由进水集管B9进入，流经内部热交换器，经出水集管B8流走。横向的反应物的流入和流出集管和冷却水进水集管和出水集管B6，B7，B9，B11，B10，和B12通过双极隔板B2和电极膜组合件B3。双极隔板和电极膜组合件的边界上的压紧用的系杆孔A16很明显。
图21是本发明的包括三种不同类型的薄片的4片润湿的双极IFMT隔板B2的等比例分解图，板B13-1和B13-4是完全相同的集电器微孔筛网薄片。电流借助一个或几个内部汇流条B14穿越两塑料芯片B13-2和B13-3传导。虽然只描绘了两条长方形截面的汇流条，但是不管是在筛网区域内还是在其外部，均可以使用任何数目，任何几何截面和取向的汇流条。借助塑料芯片B13-2和B13-3实现围绕微孔筛网薄片的边缘密封，该芯片可以包括在反应物和水的集管周围，以及在活性反应区B4A和B4C周围的密封脊(未示出)。
两块金属集电器微孔筛网薄片B13-1和B13-4是相同的。薄片B13-1是阴极集电器微孔筛网薄片，由重复样式的穿蚀或冲击孔组成。薄片B13-2塑料或陶瓷阳极流动区薄片，由模塑的横向和穿式结构组成。薄片B13-2包含定义阳极活性反应区流动区B16的结构。薄片B13-2的正面形成薄片B13-3的热控制回路B17的封闭端面。薄片B13-3是塑料或陶瓷阴极流动区薄片，由模塑的纵向和深度结构组成。薄片B13-3包含定义热控制热交换器B17和阴极活性反应区流动区B18的结构。阴极活性反应区流动区B18在薄片B13-3的正面。
从B13-2至B13-3所有薄片上，横向贯穿边界的通道或集管B15和压紧用的系杆孔B12是与图20中的电极膜组合件B3的那些配位的。
图22A-G是根据本发明集流控制原则的一系列平面图，从每个薄片的前部显示图21的4片双极隔板的纵向和深度结构的一个实施方案的细节的一个系列。每片的progression如上所示，图22A的左侧显示的是薄片1(阳极B13-1)的前部，右侧显示的是薄片4(阴极B13-4)的后部。阳极集电器微孔筛网薄片B13-1具有定义阳极活性反应区B4A的结构。具有可选的密封脊的一密封表面B19环绕活性反应区B4A。阳极流动区薄片B13-2的分流和汇流集管的集管封闭端是通过阳极微孔筛网集管封闭端B21形成的。阴极集电器微孔筛网薄片B13-4的形貌定义了阴极活性反应区B4C。阳极流动区薄片B13-3的分流和汇流集管的集管封闭端(面)是通过阴极微孔筛网集管封闭端(面)B22形成的。
图22B是塑料阳极流动区薄片的正面B13-2-Front平面图，阳极集电器微孔筛网薄片B13-1的部分叠置在右下角。薄片B13-1粘结在一阳极集电器微孔筛网凹陷B25中并形成阳极活性反应区分流集管B23和阳极活性反应区汇流集管B24的集管封闭端(面)。两条汇流条B14电粘结在阳极集电器微孔筛网薄片上以形成良好的电连接。
选择阳极集电器微孔筛网凹陷B25使阳极微孔筛网薄片B13-1的表面与阳极流动区薄片片B13-2的表面平齐，也可以将其嵌入以形成一个接受电极膜组合件的石墨纸电极的凹陷。
图22C所示为塑料阳极流动区薄片的正面B13-2-Front。该薄片既有纵向也有深度结构。其主要穿式结构有压紧用的系杆孔B12，横向集管；氢流出集管B6，氢流入集管B7，进水集管B8，出水集管B9，空气(氧气)流出集管B11，和空气(氧气)流入集管B10。别的穿式结构有氢入口B26和氢出口B28。阳极流动区薄片的正面的主要深度结构有阳极活性反应区蛇形通道B31，阳极活性反应区分流集管B23和阳极活性反应区汇流集管B24。这些结构的设计优化了设备的流速和压力降。
阳极氢燃料经氢入口B26进入，经阳极活性反应区分流集管入口B27，进入阳极活性反应区分流集管B23，经阳极活性反应区蛇形通道入口B30流进阳极活性反应区蛇形通道B31。在活性反应区内，氢气在电极膜组合件的阳极侧被催化氧化以产生电子和质子。质子从阳极催化处穿过电解膜运动到阴极。电子经石墨电极从阳极催化处流出。石墨电极上的电子被阳极集电器微孔筛网B13-1汇集起来并由汇流条B14传导经过复合双极隔板。
废氢经阳极活性反应区蛇形通道出口B32离开活性反应区并流进阳极活性反应区汇流集管B24，经阳极活性反应区汇流集管出口B29，最后经氢气出口B28流出。
图22D所示为塑料阳极流动区薄片的背面B13-2-Back。该薄片既有纵向也有深度结构。其主要穿式结构有压紧用的系杆孔B12，横向集管；氢流出集管B6，氢流入集管B7，进水集管B9，出水集管B8，空气(氧气)流出集管B11，和空气(氧气)流入集管B10。别的穿式结构有氢入口B28和氢出口B26。其主要深度结构有氢流入通道B34，氢流出通道B37，空气(氧气)流出通道B40，和通过底座的空气(氧气)出口B43，空气(氧气)流入通道B50，和空气(氧气)通过底座的入口B42。阳极流动区薄片B13-2的大部分表面被用作阴极流动区薄片B13-3上的冷却水通道的封闭端(面)。
氢气从氢气流入集管B7流经氢气流入通道入口B35，进入氢气流入通道B34，经氢气进气通道出口B33，最后进入氢气入口B26。氢气从图22D的阳极流动区薄片的背面流到正面，通过氢气入口B26。活性反应区的废氢从阳极流动区薄片通过氢气出口B28流回，进入氢气流出通道入口B36，经氢气流出通道B37和氢气流出通道出口B38，最后流出进入到氢气流出集管B6。
空气(氧气)从空气(氧气)流入集管B10流经空气(氧气)流入通道入口B49，进入空气(氧气)流入集管B50，经空气(氧气)流入通道出口B51，最后通过与图22E中的阴极流动区薄片B13-3上的空气(氧气)入口B44相通的底座中的口B42进入空气(氧气)入口。空气(氧气)入口B44将空气(氧气)带到阴极活性反应区。
废空气(氧气)从阴极活性反应区经空气(氧气)出口B45(图22E)排出，通过底座中的口B43进入空气(氧气)出口，进入空气(氧气)流出通道入口B41，空气(氧气)流出通道B40，经过空气(氧气)流出通道出口B39，最后经空气(氧气)流出集管B11流出。
电流借助两条汇流条B14传导通过阳极流动区薄片。
图22F所示为塑料阴极流动区薄片的正面B13-3-Front。该薄片既有纵向也有深度结构。其主要穿式结构有压紧用的系杆孔B12，横向集管；氢流出集管B6，氢流入集管B7，进水集管B9，出水集管B8，空气(氧气)流出集管B11，和空气(氧气)流入集管B10。别的穿式结构有空气(氧气)入口B44，空气(氧气)出口B45。其主要深度结构有冷却水蛇形通道B46。
凉水经冷却水进水集管B9进入，流过冷却水蛇形通道入口B47进入冷却水蛇形通道B46。流经冷却水蛇形通道B46时，冷却水吸收电化学反应的副产物——热。热水经冷却水蛇形通道出口B48流出，最后经冷却水出水集管B8离开。
空气(氧气)经与通过底座的空气(氧气)入口B42和图22D中的阳极流动区薄片B13-2-Back上的空气(氧气)流入集管B10相通的空气(氧气)入口B44流到阴极流动区薄片B13-3。废空气(氧气)和产物水经与通过底座B43的空气(氧气)出口B43相通的空气(氧气)出口B45和图22D中的阳极流动区薄片B13-2上的空气(氧气)流出集管B11离开阴极流动区活性反应区。
电流借助两条汇流条B14传导通过阴极流动区薄片。
图22G所示为是塑料阴极流动区薄片的背面B13-3-Back，并且示出了阴极集电器微孔筛网薄片B13-4的一部分(该部分示于右下角)。该薄片既有纵向也有深度结构。其主要穿式结构有压紧用的系杆孔B12，横向集管；氢流出集管B6，氢流入集管B7，进水集管B9，出水集管B8，空气(氧气)流出集管B11，和空气(氧气)流入集管B10。别的穿式结构有空气(氧气)入口B44，空气(氧气)出口B45。阴极流动区薄片上的主要深度结构有阴极活性反应区分流集管B53阴极活性反应区汇流集管B57和阴极活性反应区蛇形通道B55。
阴极的空气(氧气)经空气(氧气)入口B44进入润湿区域，经空气(氧气)分流集管入口B52流进空气(氧气)分流集管B53，并经阴极活性反应区蛇形通道入口B54被分流到阴极活性反应区蛇形通道B55。在活性反应区内，氧气被催化还原，从阳极接收电子和质子以产生水。电子通过汇流条B14从阳极传导进阴极集电器微孔筛网17-4，经电极膜组合件上的阴极石墨电极最后会合在阴极催化处，在此处电子与阳极产生的质子和氧气反应产生过量的热和产物水。废空气(氧气)和产物水通过阴极活性反应区蛇形通道出口B58离开活性反应区，流进阴极活性反应区汇流集管B57，经空气(氧气)汇流集管出口B58最后经与通过底座的空气(氧气)出口B43和图22D中的阳极流动区薄片上的空气(氧气)流出集管B11相通的空气(氧气)B45流出。
薄片B13-4被粘在阴极集电器微孔筛网凹陷B59中并成为空气(氧气)活性反应区分流集管B53，空气(氧气)活性反应区汇流集管B57的封闭端(面)。两汇流条B14被粘在阳极集电器微孔筛网薄片上以提供良好的电流连接。阴极集电器微孔筛网区域B59既可以选择使其阴极集电器微孔筛网薄片B13-4的表面与阴极流动区薄片B13-3的表面放置平齐，也可以将其嵌入以形成一个接受图20中的电极膜组件B3的石墨纸电极的凹陷。
边缘和直通传导剖视图图23A-D显示了沿图16的剖面线23-23的几种边缘传导的变换构造。图23A显示了图16的实施方案，其中阳极微孔筛网F17-1和阴极微孔筛网F17-4通过电桥F18连接起来，并被折叠起来粘在薄片F17-2和F17-3之间形成BSP。关于图16前面已经描述了不同深度的构槽，通孔和封闭端(面)的形貌(以及相关的薄片图)，所以此处或图23B-D中不再重复。
图23B显示了阳极微孔筛网F17-1和阴极微孔筛网薄片F17-4上的嵌片F94，它们在底部弯曲后合在一起并借助例如钎焊，焊接，电焊，导电胶粘剂，滚转压制等方式焊接或粘接。图23C显示了嵌片F94的搭接并在F96处粘结在一起。这种形式的接触也可以是薄片将F1701的嵌片F94压入薄片F17-4的嵌片F94和两芯片的底部之间缝隙的压配合。图23D所示为两条边缘汇流条的或带F97在顶部和底部F98处点焊或粘接的一个例子。
图24A和B为汇流条传导的不同实施方案沿图18中线24-24的剖面图。图24A显示了其中微孔筛网A17-1和A17-4分别插在芯板A17-2和A17-3的凹陷A95中。前面结合图18和相应的薄片图描述了不同的深度结构，贯穿结构和封闭端(面)。图24B所示为周边与芯片的周边配位的微孔筛网。
组合双极隔板制造过程图25是一流程图，描述了薄片生产过程中的主要步骤，包括通过化学铣削(蚀刻)形成薄片结构。虽然这一流程主要用于下面实施例中叙述的金属微孔筛网薄片，但是塑料芯片的金属模具也是用这种方法生产的。另外，这一方法被用于通过化学铣削，通常是用溶剂生产塑料芯片本身。其步骤如下A.薄片原料检测对新进的金属薄片原料或压模原料C1进行检测(C2)以确认材料类型，轧制硬度，轧制厚度，表面均一性和相关的供料信息。
B.薄片原料的清洁和干燥借助自动机器打磨，脱脂和化学清洗，清洁和干燥(C3)薄片原料以便应用光刻胶，这一操作去除金属上的残余轧制油脂或油污或塑料上的污物和静电吸附的污染物。脱脂后，在室温下用稀释的蚀刻溶液对薄片进行温和的化学清洁以除去氧化物和表面不纯物质。对钛而言清洗液为3-9％的HF和10-18％的HNO3。对别的金属如不锈钢或铝而言，用室温下30～45玻美度的氯化铁作为清洗液。对塑料而言，可以使用合适的塑料溶剂。在强制对流干燥机中干燥塑料作为涂布光刻胶前的最后步骤。
根据光刻胶是湿还是干，分别采用如下涂布光刻胶的步骤C-1和C-2，或C-3。
C-1.湿法涂布光刻胶湿法涂布光刻胶由于光刻胶层的薄度允许对细节的最精细的分辨。湿法涂布光刻胶(C4)通常使用浸渍槽。小的薄片可以用为半导体工业制造的旋转涂敷机旋转涂敷。
C-2.涂层炉湿涂层在炉C5中烘烤(固化)以形成硬的弹性层。
C-3.干法涂布光刻胶干膜光刻胶用于对公差要求不严的地方。就燃料电池隔板而言，通常使用干膜涂层。用加热的滚压机使干膜保护层与衬板剥离并粘接(C6)，该滚压机和印刷线路板工业所用的类似。滚压过程自动地将衬板从光刻层上剥离下来。典型干膜光刻胶材料是duPont公司生产的2mil的“Riston 4620”。
D.光敏掩膜紫外爆光薄片用紫外接触曝光机曝光(C7)。要多加小心以使原图两侧均精确定位。可以使用掩膜上的定位目标来辅助这一过程。
E.图像冲洗将爆光的薄片通过冲洗溶液和烘烤炉(C8)。湿法涂层在烃显影剂中冲洗，显影剂除去未固化的涂层。常用的显影剂是Great Western Chemicals生产的“Stoddard’s Solution”，件号GW 325，和从Van Waters and Rogers得到的Butyl Acetate，件号CAS 104-46-4。湿法冲洗使用室温下饱和浓度的这些溶液。冲洗后将剩下的湿涂层重新烘烤以形成弹性层。干法冲洗使用的duPont的“Liquid Developer Concentrate”，件号D-4000，在80°F使用1.5％的溶液。
F.喷蚀槽化学处理冲洗好的薄片放在喷蚀槽中蚀刻(C9)。由于较高的蚀刻速率(这会导致较高的生产速率)，优选喷蚀槽而不是浸渍蚀刻器。有时用浸渍剂器得到的分辨率可以比用喷蚀器得到的高。蚀刻过程对蚀刻液的浓度，传送带的速度，喷涂压力和操作温度特别敏感。对这些参数的操作反馈(C11)是通过在加工过程中的连续检测(C10)得到的。通常改变线速度以得到所希望的蚀刻结果。既可以使用氯化铁作为蚀刻剂也可以使用HF/硝酸溶液作为蚀刻剂。氯化铁蚀刻剂用于铜、铝、和不锈钢，HF/硝酸用于钛。对钛而言，蚀刻剂浓度为3～10％HF和10-l8％HNO3。蚀刻钛的温度范围为80～130°F。对别的金属而言，通常氯化铁的浓度为30～45玻美度，蚀刻温度维持在80～130°F范围内。根据所用的不同金属，可以控制特定的浓度和温度条件。线速度是所用蚀刻槽的数目的函数。通常蚀刻器是由通用传送机与多个独立的蚀刻槽改装成的。典型的蚀刻器可以从Schmid Systems，Inc of Maumee，OH和Atotech Chemcut of state College，PA买到。通过最后一个蚀刻槽后，薄片在串联冲洗器中冲洗。该串联冲洗器在检测前除去多余的蚀刻剂。
G.加工过程中的检测在C10工序对薄片进行检测以便为蚀刻操作反馈蚀刻速度和线速度信息。加工过程中的检测通常是目测进行的。
H.剥离涂层用烃类剥离剂在200°F剥离湿法光敏涂层C12。一种合适的剥离剂为Alpha metals of Carson，CA生产的“ChemStrip”，件号PC 1822。用商品剥离溶液离干法光敏涂层。如ArdroxofLa Mirada，CA生产的“Ardox”，件号PC 4055。Ardox被稀释到1～3％并在130°F下使用。剥离后，薄片用串联冲洗器清洗干净。
I.最后的检测(13)通过测量和与临界尺寸——在CAD设计过程中选取的薄片检测信息(C30)进行比较，进行最后的目测。反回这一信息以控制蚀刻设计操作。完成最后检测后，对加工好的金属薄片进行J-1或J-2操作。
J-1.氮化炉将加工好的钛薄片放在真空炉中进行氮化(C14)，将隔板装入抽真空至10-6Torr的真空炉中。往炉中充入干燥的N2至压力为1 Psig。重复这一循环。一旦达到最后的1 Psig压力，立即将炉子加热到1200～1625°F约20～90分钟。该特定时间和温度取决于所希望的氮化钛厚度。冷却炉子、恢复压力，加工好的产品氮化的(钝化的)薄片可以与塑料芯流动控制薄片一起装配生产复合隔板了。
J-2.氮化炉支路除钛外，别的金属不氮化。
K.金属微孔筛网母片放入加工缓冲隔离装置中做好的金属微孔筛网母片按类型或按组放在一起在缓冲隔离装置中排队。注意轧制原料通常是4-25密尔厚(视薄片设计要求而定)36英寸宽的钛，空白薄片为6英寸×8英寸，因此在上面叙述的连续进料过程中，薄片是按6片排列的，也就是说在片材宽度方向排列有6片薄片。
必须注意的是这一操作可用于成形塑料芯片压制模具或压花模具。
图26是描述目前优选的生产塑料流动控制薄片和与金属微孔筛网薄片层压形成完整的双极复合隔板的方法流程图A.模压加工对新进的塑料薄片原料(C17)进行检测以确认材料类型、轧制硬度、轧制厚度、表面均一性和相关的供料信息。检测后，塑料片原料模压成型(C18)形成深度和穿式结构。模压模压成型能够形成深度和宽度无限变化的深度结构。
B.塑料薄片整形器用塑料薄片整形器给塑料母薄片整形(C19)。剪、锯、刀和打孔器是常用的塑料片整形方法。
C.粘合剂粘接助剂使用操作使用粘合剂粘接助剂C20来协助无渗漏粘接。粘接助剂的特定性能依赖于被粘接的塑料的类型。粘接助剂可以是溶剂，环氧胶或接触粘合剂。根据所用塑料薄片，粘接助剂可以采用喷涂或丝网印刷法施用。
粘接助剂涂在薄片的配合面上，但必须防止流到深度结构中，否则会引起流动通道的部分或完全堵塞。这要求精确控制粘接助剂的粘度和施用厚度。粘度和厚度参数随不同的塑料/粘接助剂组合面变化，这在本领域是熟知的。
D.金属薄片的整形金属微孔筛网薄片母片C16用金属薄片整形器C21整形。剪或锯是金属薄片的常用整形方法。
E.叠层操作将金属和塑料薄片按水平方向排列(按适当的顺序)，然后按顺序垂直叠放在热台板上(C22)。薄片的定位孔(不同数目的压紧螺栓孔)对准定位销以精确校准薄片。以使薄片的配合结构相关联，以形成通路，平台，集管和管路。用这种方法，在底板和顶板之间一个粘接叠层中一次可以层叠高达100个复合双极隔板以进行层压。
F.层压粘接将装配好的薄片叠层装入加热的层压机中进行粘接C23。不同的金属、塑料和粘接助剂组合要求不同的粘接计划。粘接条件根据特定的施压和温度的具体计划而定。通常粘接温度在150℃至300℃之间。必须精确控制粘接压力和温度以免在得到防漏粘接的同时使内部通道的过度变形。
G.性能检验和/或渗漏检查对粘接好的隔板进行渗漏检查，C24，用一试验装置往通道、集管和通路中施加内压以确证粘接完整性，即，设有边缘泄漏或内部管路短路。
H.最后的修饰操作辅助设备，如操作架和薄片顺序号(形成于薄片的边缘)在最后的修饰操作C25中除去(切除)以生成具有上述复杂的内部微通道的复合粘接薄片隔板。
图27说明了为前面描述的图25和26中的照相平板印刷干法或湿法蚀刻薄片准备薄片设计原图的过程。其步骤如下A.薄片图案薄片装配图是在计算机上用自动画图CAD系统C27制作的。测量图案的净尺寸。每片薄片的两侧最后均以平面图画出其正面和反面。这些图案均用电子系统转移到薄片掩模原图生成CAD系统C29上。根据CAD图案，产生薄片检测数据C30。这些检测数据由需要在原图产生和生产过程中证实的临界尺寸组成。在生产过程中原图和薄片均被检测。
B.掩膜原图的产生掩模原图CAD系统C29中的薄片CAD图案被转移到每片薄片的光制模掩模上。将蚀刻因素均应用到每幅图案的每个结构上。蚀刻因素将光刻掩模的宽度调整到结构的宽度以补偿在每片薄片的化学蚀刻过程(用来抛光)中产生的底层蚀刻。这要求缩小光刻掩模中的通道的尺寸，以补偿底层要求蚀刻。蚀刻因素依赖于金属的类型、化学蚀刻设备的类型、蚀刻速度、所用蚀刻剂的类型和强度。在产生掩模的过程中添加生产辅助标志。生产辅助标志包括帮助叠层和粘接操作的对准目标，薄片号和操作架。
C.原图摄影测图用自动摄影测图仪C31在胶片上按1倍放大画出薄片原图。
D.正检测用在薄片CAD画图操作产生的检测数据对完成的原图进行视频检测C32。检查后将顶(前)和底(后)薄片的原图按精确对准结合起来形成薄片原图C33。
将薄片原图用于生产金属微孔筛网薄片的化学蚀刻操作，也可用于制作模压模具。
应该理解的是，在本发明的范围内，本领域的普通技术人员可以做出许多改进而不脱离本发明的精神。因此我们希望后面的权利要求定义的我们的发明范围在现有技术允许的情况下尽可能宽，且必要的时候参考说明书。
权利要求书按照条约第19条的修改33.一种燃料电池叠层，包括有效组合a)多个电池，包括按叠层排列的双极隔板和膜电极装配件；在所述的叠层的一端一与所述的膜电极装配件相接触的阳极隔板端板；在所述的叠层的另一端与所述的膜电极装配件相接触的阴极隔板端板；b)所述双极隔板，和所述的阳极和阴极隔板包括如权利要求18所述的芯片；和c)所述电池在加压下按顺序装配以形成一有效电池。
34.根据权利要求33所述的燃料电池叠层，其中所述的构件包括至少一微通道冷却场区域。
35.根据权利要求34所述的燃料电池叠层，其中所述的构件包括至少一个燃料和氧化剂的微通道润湿场，该润湿场与所述的冷却场相通以提供给所述的润湿场加热的流体。
36.根据权利要求35所述的燃料电池叠层，其中所述的场在长度，微通道截面尺寸和蛇形构型上是根据以氢气为燃料，以空气/氧气作为氧化剂定做的。
37.根据权利要求36所述的燃料电池叠层，其中所述隔板包括不导电的塑料芯片和陶瓷层压在选自Ti，Al，Cu，W，铌，不锈钢，合金，层压件，镀层板及其复合材料的扩散粘结的电流收集微孔筛网薄片隔板之间。
权利要求
1.一种生产燃料电池隔板的方法，其特征在于包括如下步骤以片状原料形成许多种不同的专用薄片，这些薄片具有选自微通道，通路，和集管的配位结构，所述结构一起至少形成一个与膜电极组合件相接触的供氧化剂或燃料消耗的活性反应区场；将所述的薄片逐层叠起来，使所述的专用薄片结构匹配的相邻薄片的对应的结构精确对准，以为所述的氧化剂或燃料提供连续的循环路径；以及粘结所述的对准的薄片以形成一个具有内部微通道并与它的集管连通的整体隔板。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述的片状原料是金属；和所述的成型步骤包括蚀刻形成所述结构的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述蚀刻成型包括深度蚀刻和贯穿蚀刻的结合。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述的贯穿蚀刻包括对从所述片状原料的两侧选定的区域进行深度蚀刻到大于片状原料厚度50％的深度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述的金属选自Ti，A1，Cu，W，铌，不锈钢，合金，层压件，镀层板，及其复合材料。
6.根据权利要求2所述的方法，其中用光刻保护层涂敷所述的片状金属原料以定义其上的结构。
7.根据权利要求2所述的方法，包括如下步骤粘结后钝化所述的隔板。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述粘结是在加热加压下的扩散粘结。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述的金属是Ti；和所述的钝化包括在升高的温度下暴露在氮气中。
10. 一种极性燃料电池隔板组合件，其特征在于按运行组合包括至少一种选自具有第一表面和第二表面的陶瓷或塑料薄片材料的芯片；每块芯片至少有一个表面形成流动分流结构，所述的结构至少选自场，封闭端(面)，导流板，通路底座，平台，计量孔，通道，通路，混合器，过滤器，附壁效应回路，分流器，和集管中的一种；所述的结构在薄片与薄片之间是配位的，以便提供至少一个微通道反应物流动区区域；所述的芯片被粘结在选定的集电器薄片上以形成一单极末端集电器，再粘结到另一芯片上，或再粘结到至少另一芯片和至少另一集电器上以形成一个整体的双极隔板，以与一个电解膜组合件联合形成一燃料电池叠层。
11.根据权利要求10所述的极性燃料电池隔板组合件，其中所述的集电器薄片选自金属，导电塑料，导电陶瓷，金属化塑料，金属化陶瓷，或其复合材料。
12.根据权利要求11所述的极性燃料电池隔板组合件，其中至少部分所述的结构形成至少一个用于热控制的冷却场。
13.根据权利要求10所述的极性燃料电池隔板组合件，其中至少一个所述的结构形成至少一个燃料或氧化剂的润湿场。
14.根据权利要求12所述的极性燃料电池隔板组合件，其中至少一个所述的结构形成至少一个燃料或氧化剂的润湿场。
15.根据权利要求14所述的极性燃料电池隔板组合件，其中所述的冷却场与至少一个所述的润湿场相通以给所述的润湿场提供加热的润湿流动。
16.根据权利要求10所述的极性燃料电池隔板组合件，其中所述的结构是通过深度成型和贯穿成型相结合形成的。
17.根据权利要求11所述的极性燃料电池隔板组合件，其中所述的芯片排列在一对隔开的微孔筛网汇集薄片中间，或排列在一微孔筛网汇集薄片和一端板之间，且借助于选自电桥，导电嵌片，弹簧夹，边缘跳线，折叠导电电桥，边缘汇流条，内部汇流条，或其组合，使所述的微孔筛网薄片对和所述的微孔筛网和端板组合相互之间电相通。
18.根据权利要求17所述的极性燃料电池隔板组合件，其中所述的芯片是塑料的，所述的内部的结构是通过选自模压，压纹，冲孔，片状原料的压塑和注塑的压制技术形成的。
19.根据权利要求18所述的极性燃料电池隔板组合件，其中所述结构的每一侧均至少形成有一些所述的结构。
20.根据权利要求19所述的极性燃料电池隔板组合件，其中所述的芯片包括至少一对相互粘结的薄片，其中的第一薄片是阳极流动流动薄片而另一薄片包括一阴极流动区薄片。
21.根据权利要求20所述的极性燃料电池隔板组合件，包括粘结在所述芯片上的一对微孔筛网薄片，所述一对微孔筛网薄片包括第一阳极微孔筛网薄片和第二阴极微孔筛网薄片。
22.根据权利要求21所述的极性燃料电池隔板组合件，其中所述的微孔筛网薄片包括其上有孔的区域，所述的孔选自园孔，六角孔，狭孔，T形孔，V形孔，方孔，菱形孔，三角孔，椭圆形孔，和NACA结构。
23.一种用于极性燃料电池隔板组合件的薄片，其特征在于包括选自陶瓷，塑料，金属，导电塑料，导电陶瓷，金属化塑料，金属化陶瓷，或其复合材料的薄片材料，每片所述的薄片材料均具有第一表面和第二表面。所述薄片的至少一个表面形成流动分流结构，所述的结构至少选自场，计量孔，通道，通路，通路底座，平台，混合器，过滤器，导流板，分流器，附壁效应回路，和集管中的一种；所述结构与燃料电池隔板中的另一薄片或电解膜组合件合作提供至少一个微通道反应物流动区区域；
24.根据权利要求23所述的薄片，其中所述的薄片材料选自金属，导电塑料，导电陶瓷，金属化塑料，金属化陶瓷，或其复合材料，且所述流动区区域中的所述结构包括形成微孔筛网集电器薄片的贯穿结构。
25.根据权利要求24所述的薄片，其中所述的薄片材料选自不导电塑料或不导电陶瓷，且包括其内形成有一选自阳极流动区薄片和一阴极流动区薄片的芯片的结构。
26.根据权利要求25所述的薄片，其中所述的结构包括至少形成一个微通道冷却场结构。
27.根据权利要求26所述的薄片，其中所述的结构包括至少形成一个微通道润湿场的结构。
28.根据权利要求27所述的薄片，其中所述的冷却场和所述的润湿场相通以提供反应气体的逆流润湿。
29.根据权利要求28所述的薄片，其中所述的反应物流动区区域在多个薄片的外表面内，所述多个薄片形成一个芯，且所述的冷却剂场是在其内部，且使其大部分区域与所述的反应物流动区区域配位。
30.根据权利要求29所述的薄片，其中一薄片在所述的第一表面上包括至少一个反应物流动区区域且在所述的第二表面上包括所述的冷却场。
31.根据权利要求30所述的薄片，其中所述的第一表面包括至少一个润湿微通道区域。
32.根据权利要求23所述的薄片，其中所述的微通道在长度，截面尺寸，和蛇形构型上均是根据反应流动的组成和粘度定做的。
33.一种燃料电池叠层，其特征在于按运行组合包括a)多个电池，包括按叠层排列的双极隔板和膜电极组合件；在所述的叠层的一端与所述的膜电极组合件相接触的阳极隔板端板；在所述的叠层的另一端与所述的膜电极组合件相接触的阴极隔板端板；b) 所述双极隔板，和所述的阳极和阴极隔板包括如权利要求18所述的芯片；和c) 所述电池在加压下按顺序装配以形成工作电池。
34.根据权利要求33所述的燃料电池叠层，其中所述的结构包括至少一微通道冷却场区域。
35.根据权利要求34所述的燃料电池叠层，其中所述的结构包括至少一个燃料和氧化剂的微通道润湿场，该润湿场与所述的冷却场相通以给所述的润湿场提供加热的流动。
36.根据权利要求35所述的燃料电池叠层，其中所述的场在长度，微通道截面尺寸，和蛇形构型上是根据以氢气为燃料，以空气/氧气作为氧化剂定做的。
37.根据权利要求36所述的燃料电池叠层，其中包括所述的不导电的塑料芯片或陶瓷芯片层压在选自Ti，Al，Cu，W，铌，不锈钢，合金，层压件，镀层板，及其复合材料的扩散粘结的集电器微孔筛网薄片隔板之间。
38.根据权利要求37所述的燃料电池叠层，其中所述膜电极组合件选自涂敷有PEM的碳素纸和无碳素纸PEM，和所述隔板包括一与所述的涂敷有PEM的碳素纸相接触的窗框薄片或一与所述的无碳素纸PEM相接触的纱窗薄片。
39.一种为燃料电池隔板生产薄片的方法，其特征在于按任何作业顺序包括如下步骤提供具有第一表面和第二表面的片状材料；至少在所述片状材料的至少一个表面上形成部分的和贯通的流体分流结构，所述的结构至少选自微通道场，计量孔，通道，通路，分流器，封闭端(面)，通路底座，平台，混合器，过滤器，附壁效应回路，导流板，和集管中的一种；和调整所述微通道结构的位置以与集电器，相邻芯片，端板，和电极膜组合件配位以便为所述燃料电池提供至少一个微通道反应物流动区区域。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述的成型步骤包括在所述片状材料的两面上的结构成型。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述的成型步骤包括在第一表面上形成所述的微通道反应物流动区和在所述的第二表面上形成一微通道冷却场，至少所述冷却场区域的一部分与所述的反应场区域重叠。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述的成型步骤包括在所述的第一表面上形成至少一个微通道润湿场。
43.根据权利要求39所述的方法，其中所述的形成步骤包括根据反应流动的组成和粘度定做所述的微通道长度，截面尺寸，和通道构型。
44.根据权利要求43所述的方法，还包括以下步骤按照相平板印刷设计至少一种具有多种微通道图案的模具图案；按所述的模具图案往金属片材上涂敷保护层；蚀刻所述的片材以为所述的微通道型式形成一模具；和用所述的模具在所述的薄片上形成所述的结构。
45.根据权利要求39所述的方法，其中所述的薄片材料选自塑料和陶瓷，微孔筛网汇集薄片的导电材料选自金属，导电塑料，导电陶瓷，表面金属化的塑料，表面金属化的陶瓷，或其复合材料。
46.根据权利要求45所述的方法，还包括以下步骤按照相平板印刷设计至少一种具有多种微通道图案的模具图案；按所述的模具图案往金属片材上涂敷保护层；蚀刻所述的片材以为所述的微通道型式形成一模具；和用所述的模具在所述的薄片上形成所述的结构。
全文摘要
本发明涉及由多个单体电池叠层成的燃料电池组,每个单体电池包含相互联系的单极和双极隔板,集流板由夹在金属或导电陶瓷或导电塑料材料的微孔薄片之间的相互联系的不导电的塑料或陶瓷板层层粘合而成,电极膜组合件在相邻的隔板之间。复合隔板的金属和塑料薄片都由具有直通通道和深度结构的片状材料制成,这些结构通过侵蚀、压制、冲压、铸造、镂刻等技术形成。具有对应结构的两个相邻薄片结合在完整的薄片/燃料电池叠层内形成具有集流和热控制功能的蛇形通道。
文档编号H01M8/24GK1184559SQ96193935
公开日1998年6月10日 申请日期1996年5月17日 优先权日1995年5月17日
发明者小雷吉纳德·G·斯比尔, 耶罗德·E·富兰克林, 威廉姆·A·海斯, 大卫·E·杨克 申请人:H动力公司