CN101841045A - 组合子密封垫和膜支撑件 - Google Patents

组合子密封垫和膜支撑件 Download PDF

Info

Publication number
CN101841045A
CN101841045A CN200910262240A CN200910262240A CN101841045A CN 101841045 A CN101841045 A CN 101841045A CN 200910262240 A CN200910262240 A CN 200910262240A CN 200910262240 A CN200910262240 A CN 200910262240A CN 101841045 A CN101841045 A CN 101841045A
Authority
CN
China
Prior art keywords
radiation
feed zone
zone
angle
electrode assembly
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN200910262240A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101841045B (zh
Inventor
G·W·弗利
Y·-H·赖
J·A·罗克
K·E·纽曼
P·刘
A·J·雅各布森
W·B·卡特
P·D·布鲁尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of CN101841045A publication Critical patent/CN101841045A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101841045B publication Critical patent/CN101841045B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C67/00—Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00
    • B29C67/20—Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00 for porous or cellular articles, e.g. of foam plastics, coarse-pored
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H01M8/0284—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0286—Processes for forming seals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及组合子密封垫和膜支撑件。提供用于燃料电池的组合子密封垫和膜支撑件。组合子密封垫和膜支撑件包括环绕多孔膜支撑区域的基本不透流体进料区域。所述膜支撑区域与进料区域整体地形成。所述进料区域和所述膜支撑区域中的至少一个通过辐射固化结构至少部分地形成。还提供用于制造燃料电池的子密封垫和膜支撑件的方法。

Description

组合子密封垫和膜支撑件
技术领域
本发明涉及燃料电池，且更具体地涉及通过光敏聚合制造的燃料电池子密封垫(subgasket)。
背景技术
燃料电池已经作为一种用于电动车辆和各种其它应用的清洁、高效和环保的动力源提出。分立燃料电池可以串联地堆叠在一起以形成燃料电池堆。燃料电池堆能够供应足以给车辆提供动力的电量。具体地，燃料电池堆已经被认为是在现代机动车中使用的常规内燃机的可能替代。
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，所述电极包括阴极和阳极。电解质膜夹在所述电极之间以形成膜电极组件(MEA)。MEA通常设置在多孔扩散介质(DM)(如，碳纤维纸)之间，所述DM利于反应物的输送，例如将氢气输送到阳极和将氧气(通常来自于空气)输送到阴极。在电化学燃料电池反应中，氢气在阳极催化氧化，以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。来自于阳极的电子不能穿过电解质膜，且相反作为电流被引导通过电负载(例如，电动马达)到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应，产生水。
电解质膜通常由离聚物层形成。典型的离聚物是全氟磺酸(PFSA)聚合物，例如，可从E.I.du Pont de Nemours and Company商业获得的燃料电池的电极通常由细分的催化剂形成。催化剂可为催化支持用于燃料电池电化学反应的氢的氧化和氧的还原中的至少一种的任何电催化剂。催化剂通常是贵金属，例如铂或其它铂族金属。催化剂通常设置在碳载体(例如碳黑颗粒)上且散置在离聚物中。
电解质膜、电极和DM设置在一对燃料电池板之间且例如用密封垫进行密封，密封垫提供基本不透流体的密封。电解质膜也通常联接有屏障膜或子密封垫，以提供内部增强和将供应给燃料电池堆的氢气和空气分离。子密封垫通常叠置电解质膜的边缘且以二次操作形成，通过将一片聚合物片材切削且用压缩和粘结剂中的至少一个将所述片材与电解质膜结合。典型的子密封垫和用于将子密封垫联接到电解质膜的装置在受让者的同在审查中的美国申请序列No.11/972,211中描述，所述申请的全部内容通过参考引入本文。然而，已知的是，难以确保形成子密封垫的聚合物片材与电解质膜的适当对齐。在形成子密封垫期间形成的过多聚合物片材也不能再次使用，从而导致材料的不希望浪费。子密封垫叠置在电解质膜边缘处还可以在燃料电池堆内产生不希望的应力上升(stress riser)。
持续需要一种最小化制造浪费、成本有效且利于电解质膜与子密封垫在燃料电池内对齐的子密封垫和制造子密封垫的方法。期望所述子密封垫是机械稳定的且防止在子密封垫和电解质膜之间的接合部处形成燃料电池内的应力上升。
发明内容
根据本发明，令人惊奇地发现一种最小化制造浪费、成本有效、利于电解质膜与子密封垫对齐在燃料电池内、是机械稳定的且防止在子密封垫和电解质膜之间的接合部处形成燃料电池内的应力上升的膜电极组件和制造膜电极组件的方法。
在第一实施例中，一种用于燃料电池的膜电极组件，包括环绕多孔膜支撑区域的基本不透流体进料区域。所述进料区域和所述膜支撑区域中的至少一个通过辐射固化结构至少部分地形成。
在另一个实施例中，一种燃料电池包括膜电极组件。膜支撑区域用离聚物浸透(imbibe)以形成电解质膜。一对电极设置在电解质膜的相对侧上。所述燃料电池包括一对气体扩散介质。每个气体扩散介质设置在一个电极上。子密封垫、电解质膜、电极和气体扩散介质设置在一对导电燃料电池板之间。
在又一实施例中，一种制造用于燃料电池的膜电极组件的方法，包括步骤：提供一定体积的辐射敏感材料和至少一个辐射源；将第一掩模放置在所述至少一个辐射源和所述辐射敏感材料之间，所述第一掩模具有至少一个孔；使得所述辐射敏感材料暴露于多个辐射束以形成具有多孔辐射固化结构的膜支撑区域和环绕所述膜支撑区域的进料区域；和将所述辐射敏感材料的未固化体积从膜电极组件去除。
附图说明
本发明的上述以及其它优势对本领域技术人员来说从将从以下详细说明尤其是结合本文所述的附图显而易见。
图1示出了根据本发明的带有组合子密封垫和膜支撑件的PEM燃料电池堆的示意性分解透视图，示出了仅两个电池；
图2是图1所示的组合子密封垫和膜支撑件的示意性透视图，示出了设置在其上的部分电极；
图3是图1和2所示的膜支撑件的放大局部图，示出了总体上由图2中的截面线3-3所示的具有用离聚物浸透的多孔结构的膜支撑件；和
图4是图1和2所示的子密封垫的放大局部图，示出了总体上由图2中的截面线4-4所示的具有多个内部肋部的进料区域；和
图5示出了本发明的另一实施例的子密封垫。
具体实施方式
以下详细说明和附图描述并图示本发明的各个实施例。所述说明和附图用于使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，且不意在以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法，所示步骤仅仅本质上是示例性的，因而不是必要或关键的。
图1示出了根据本发明的PEM燃料电池堆2。为了简单起见，在图1中仅仅图示和描述了两电池的堆(即，一个双极板)，应当理解的是，典型燃料电池堆将具有许多更多的这种燃料电池和双极板。
燃料电池堆2包括具有组合子密封垫和膜支撑件的至少一个MEA3。所述至少一个MEA3从由被子密封垫6支撑的电解质膜4形成。电解质膜4均夹在一对电极7之间。虽然为了简单起见示出了催化剂涂层膜(CCM)设计的MEA3，但是应当理解的是，燃料电池堆2可根据期望采用催化剂涂层扩散介质(CCDM)设计。
导电双极板8将MEA3分离。电解质膜4、电极7和双极板8在一对夹板10和一对单极端板14之间堆叠在一起。夹板10从端板14例如通过密封垫或介电涂层(未示出)电绝缘。单极端板14和双极板8包括用于分配反应物(例如氢气和氧气/空气)给电极7的活性区域16。双极板8和单极端板14还可包括配置成分配反应物给电极7的多个流动通道(未示出)。
燃料电池堆2可包括不导电密封垫18以在燃料电池堆2的部件之间提供密封和电绝缘。然而，如果子密封垫6充分密封和电绝缘燃料电池堆2，应当理解如果期望可不采用密封垫18。多孔气体扩散介质20(例如，碳或石墨扩散纸)邻接在电解质膜4周围设置的电极7。气体扩散介质20设置在电解质膜4和双极板8之间，以及在电解质膜4和单极端板14之间。
子密封垫6、双极板8、单极端板14和密封垫18均包括阴极供应孔22和阴极排出孔24、冷却剂供应孔25和冷却剂排出孔27、以及阳极供应孔26和阳极排出孔28。燃料电池堆2的供应歧管和排出歧管通过将子密封垫6、双极板8、单极端板14和密封垫18中的相应孔22、24、25、26、27、28对齐而形成。氢气经由阳极入口管道30供应给阳极供应歧管。氧气/空气经由阴极入口管道32供应给燃料电池堆2的阴极供应歧管。阳极出口管道34和阴极出口管道36也分别设置用于阳极排出歧管和阴极排出歧管。冷却剂入口管道38设置用于供应液体冷却剂给冷却剂供应歧管。冷却剂出口管道40设置用于从冷却剂排出歧管去除冷却剂。应当理解的是，图1中各个入口30、32、38和出口34、36、40的配置是用于图示目的，且可以根据期望选择其它配置。
图2示出了具有根据本发明的密封垫6的MEA3。MEA4包括环绕多孔膜支撑区域204的基本不透流体进料区域202。所述进料区域202和所述膜支撑区域204中的至少一个通过辐射固化结构206至少部分地形成。本发明的辐射固化结构206由辐射敏感材料形成，例如在受让者的同在审查中的美国专利申请No.12/339,308中描述，所述申请的全部内容通过参考引入本文。
密封垫6可从具有进料区域202和所述膜支撑区域204的片材200形成。片材可为辐射固化聚合物或根据期望由其它合适材料制成。进料区域202可为基本不透流体的。短语“基本不透流体”在此定义为指的是流体流从进料区域202的靠近第一电极7的一侧基本不可渗透到进料区域202的靠近第二电极7的另一侧。膜支撑区域204是多孔的且与进料区域202整体形成。膜支撑区域204可包括多孔辐射固化结构206。多孔辐射固化结构206可包括例如聚合物筛(例如，其中形成有多个竖直孔的聚合物样式)和微桁架结构中的至少一种。也可以根据期望采用其它合适的多孔辐射固化结构206。
在另一个实施例中，膜支撑区域204可由多孔层(例如EPTFE层)形成。图示性地，多孔层可沉浸在液体辐射敏感材料中，且进料区域202暴露于辐射以从得到的辐射固化结构206形成固态子密封垫6。
如图3更清楚地所示，膜支撑区域204的辐射固化结构206可具有微桁架结构。辐射固化结构206可用离聚物208浸透以形成电解质膜。离聚物208可为全氟磺酸(PFSA)聚合物，但是也可以使用包括碳氢化合物离聚物的其它离聚物材料(例如磺化聚醚醚酮、芳基酮和聚苯并咪唑)。电极7设置在由膜支撑区域204支撑的电解质膜4的相对侧上。
如图3和4所示，辐射固化结构206可包括沿第一方向延伸的多个第一桁架元件300、沿第二方向延伸的多个第二桁架元件302和沿第三方向延伸的多个第三桁架元件304。当例如由液体光敏单体形成时，第一、第二和第三桁架元件300、302、304可通过自动传播聚合物桁架波导体限定。第一、第二和第三桁架元件300、302、304在多个节点306处彼此互穿。应当理解的是，第一、第二和第三桁架元件300、302、304可不彼此互穿，或者可以根据期望间歇性地在多个节点306处彼此互穿，以形成基本连续的三维自支撑辐射固化结构206。
虽然具有多个第一桁架元件300、多个第二桁架元件302和多个第三桁架元件304的微桁架结构可具有上述3折结构对称(3-fold architectural symmetry)，但是技术人员将理解，在本发明的范围内可使用其它结构，例如4折对称和6折对称。例如，可选择具体结构以增加微桁架结构连通性并减少微桁架结构206在负载下对弯曲和翘曲的易受性。根据期望，所选择结构可以是对称或不对称的。也可以选择结构以优化微桁架结构的强度和刚度。本领域技术人员还应当理解，可根据期望采用微桁架结构的其它结构。
示例性微桁架结构由Jacobsen等在“Compressionbehavior of micro-scale truss structures formed from self-propagatingpolymer waveguides”，Acta Materiallia 55，(2007)6724-6733中描述，所述文献全部内容通过参考引入本文。形成有序微桁架结构206的一种方法和系统在Jacobsen的美国专利No.7,382,959中公开，所述专利全部内容通过参考引入本文。通过所述方法和系统制造的微桁架结构还由Jacobsen在美国专利申请No.11/801,908中公开，所述申请全部内容通过参考引入本文。通过暴露于光形成且由于聚合物波导体的光自聚焦或自捕获引起的其它合适微结构也由Kewitsch等在美国专利No.6,274,288中公开，所述专利全部内容通过参考引入本文。
子密封垫6的进料区域202具有在其中形成的至少一个供应孔22、25、26和至少一个排出孔24、27、28。进料区域202是基本不透流体的以防止供应给燃料电池堆2的氢气和氧气反应物交叉穿过(crossover)。例如，进料区域202可形成为辐射固化材料的基本固态平面片材210。在图2和4所示的另一个实施例中，膜支撑区域204的辐射固化结构206可延伸到进料区域202中。在这种情况下，辐射固化结构206设置在一对基本固态平面片材210之间以形成中空的但基本不透流体的进料区域202。辐射固化结构206可替代地设置靠近至少一个基本固态平面片材210以形成基本不透流体的进料区域202。本领域技术人员将理解，中空进料区域202的形成在燃料电池2操作期间可利于进料区域202的压缩。中空进料区域202也可提供足以防止进料区域202不希望地变形到例如在双极板8和单极板14的非活性区域中形成的流动通道内的弯曲强度。
在某些说明性实施例中，中空进料区域202内的微桁架结构206的聚合物可用金属氧化物或陶瓷涂层，以提供期望水平的弯曲强度。例如，陶瓷辐射固化结构206和制备陶瓷辐射固化结构206的方法由Gross等在美国专利申请序列No.12/074,727中公开，所述申请全部内容通过参考引入本文。金属层(例如非电镀镍)可添加到该对基本固态平面片材210以提供弯曲刚度同时仍允许压缩。还应当理解的是，进料区域202可根据期望包括在该对固态平面片材210之间的其它结构，例如内部肋部和类似辐射固化结构。例如，辐射固化结构206或其它结构可填充平面片材210之间的进料区域202。
根据本发明的子密封垫6可形成为在其长度上具有大致恒定厚度。在另一个实施例中，膜支撑区域204的平均厚度可小于进料区域202的平均厚度。膜支撑区域204的较小厚度可利于用离聚物208浸透膜支撑区域204。应当理解的是，离聚物208的厚度可根据期望大于下层膜支撑区域204的厚度。在又一实施例中，靠近膜支撑区域204设置的进料区域202的第一区域可具有第一厚度，第一厚度与膜支撑区域204的平均厚度大致相同。从而防止通常与电解质膜4和子密封垫6的接合部相关的应力上升。从膜支撑区域204隔开的进料区域202的第二区域可具有第二厚度，第二厚度大于膜支撑区域204的平均厚度。进料区域202的厚度例如在移动远离膜支撑区域204的方向可逐渐增加。作为非限制性示例，进料区域202可渐缩至膜支撑区域204的厚度。进料区域202的厚度增加也可以根据期望是间歇性的或大致恒定的。从膜支撑区域204隔开的进料区域202的较大厚度可导致在燃料电池堆2操作期间当压缩时燃料电池堆2的优化密封。
在图5中示出了本发明的又一实施例。为了清楚起见，与图1-4类似的结构具有相同附图标记和单引号(’)。辐射固化结构206’可包括第一、第二和第三桁架元件300’、302’、304’，而没有相交节点306。辐射固化结构206’也可具有一对辐射固化栅格500，辐射固化结构206’在辐射固化栅格500之间形成。应当理解的是，具有不相交的第一、第二和第三桁架元件300’、302’、304’的辐射固化结构206’可有助于辐射固化结构206’在垂直于栅格500的方向上的期望柔性。
本发明包括用于制造具有膜支撑区域204的子密封垫6的方法。所述方法首先包括步骤：提供一定体积的辐射敏感材料和至少一个辐射源。根据本发明的辐射敏感材料包括辐射固化材料和辐射分解材料。术语“辐射固化材料”在本文定义为通过暴露于辐射而被引发、聚合和交联中的至少一种的任何材料。应当理解的是，在通过暴露于辐射而引发之后，也可以采用温度增加来至少部分完成辐射固化材料的聚合或交联。术语“辐射分解材料”在本文定义为通过暴露于辐射而展现聚合物骨架的分开和去交联中的至少一种的任何材料。作为非限制性示例，辐射分解材料可制成通过辐射分解材料的聚合物骨架的交联充分断开和/或分开而可被溶剂溶解。
作为非限制性示例，辐射固化材料可包括液体光敏单体和基本固态辐射固化聚合物中的一种。液体光敏单体可在贮存器中提供，贮存器配置用于在其上放置掩模。液体光敏单体可包括在暴露于UV辐射时经由自由径向聚合过程来聚合的单体(例如在Jacobsen的美国专利No.7,382,959和美国专利申请序列No.11/801,908所述的)和基本固态辐射敏感聚合物。光敏单体可包括任何合适的自由径向光敏聚合物材料，例如氨基甲酸乙酯(聚氨基甲酸乙酯)、丙烯酸酯、异丁烯酸酯和阳离子聚合物(例如光固化环氧树脂)。也可以采用其它合适的光敏单体。
合适的基本固态辐射固化聚合物可包括负性抗蚀聚合物。负性抗蚀聚合物经受光引发过程，所述光引发过程通过例如聚合或缩聚导致负性抗蚀聚合物的固化。在基本同时发生聚合或缩聚反应时，该过程称为“光固化”。当由光引发过程仅仅产生反应物且需要随后的步骤(例如加热)来产生聚合或缩聚时，该过程称为“光引发”。应当理解的是，尽管固化后热处理对于完成聚合步骤可能是必要的，但是在引发辐射暴露期间也可生成在负性抗蚀聚合物中大致稳定的辐射固化特征。基本固态辐射固化聚合物能够经受仅仅引发过程，且由于内在稳定性和在固态辐射固化聚合物中的化学物的有限扩散速率，也可以在更靠后进行固化过程，而不会引起显著的特征降级。应当理解的是，大多数光引发聚合物在引发过程起初开始固化过程，但是在暴露温度下的反应动力学如此慢，使得在将负性抗蚀聚合物加热至期望固化温度之前可发生很少(如果有的话)的聚合或缩聚。
一种具体的负性抗蚀聚合物是从Newton，Massachusetts的Microchem Corporation可商业获得的环氧树脂基SU-82000TM负性抗蚀聚合物。SU-82000TM负性抗蚀聚合物可通过UV辐射固化。应当理解的是，可以采用其它基本固态辐射固化聚合物。例如，类似上述光敏单体，所选择的辐射固化聚合物可根据期望使用UV辐射之外的波长的辐射来固化。辐射固化聚合物也可以选择具有比例如液体光敏单体更慢的固化速率，以防止在较快固化层暴露于辐射源时较慢固化层中出现的特征。
作为非限制性示例，辐射分解材料可包括正性抗蚀聚合物。正性抗蚀聚合物始于交联聚合物，但可包括光引发剂，在暴露于具体辐射时，光引发剂产生化学物，所述化学物通过断开交联和分开聚合物骨架中的至少一种来分解聚合物。所述分解使得正性抗蚀聚合物可溶解在已经暴露于辐射的区域中。正性抗蚀聚合物保持固化的区域被遮掩而不是暴露(在上述负性抗蚀聚合物就是如此)。在某些实施例中，正性抗蚀聚合物对辐射(例如，紫外或电子束)敏感，而不需要光引发剂。例如，正性抗蚀聚合物可自身被辐射破坏且剩余的分开的链可溶解在溶剂中。根据期望也可以采用其它类型的正性抗蚀聚合物。
固化和分解辐射敏感材料之一所采用的辐射可包括例如来自于Mercury弧光灯的UV束。辐射可根据期望是电磁辐射或颗粒辐射。技术人员应当理解，也可以采用具有其它波长(例如，红外、可见光和X射线辐射)和来自于其它源(例如，白炽灯和激光器)的辐射。也可以采用颗粒辐射，例如来自于阴极射线源的电子束。还应当理解的是，根据期望，辐射可以是准直的、部分准直的或非准直的。
辐射通常经由在其中形成有孔或开口的至少一个掩模导向辐射敏感材料，辐射可通过所述孔或开口接触辐射敏感材料。掩模可定形为与期望表面相符。掩模可根据期望沿单个平面或多个平面延伸。例如，掩模可具有多个高度以形成具有多个厚度的进料区域202和膜支撑区域204中的至少一个。在另一个示例中，孔可为在其它形式的不透明或辐射阻挡材料中形成的基本渗透辐射的孔。在具体实施例中，掩模可从玻璃平面或Mylar片材形成，且利于将辐射束相对于掩模或下层基底以一定角度导向。掩模可在暴露之后拿走并被清洁以便再次使用。在掩模中形成的孔或开口具有提供辐射束的形状，以便形成具有期望截面形状的聚合物结构。
所述方法还包括步骤：将第一掩模放置在所述至少一个辐射源和所述辐射敏感材料之间。所述第一掩模沿单个平面延伸具有至少一个孔，来自于辐射源的辐射可通过所述至少一个孔。所述辐射敏感材料暴露于多个辐射束以形成具有辐射固化结构206的膜支撑区域204。所述辐射敏感材料也暴露于多个辐射束以形成环绕所述膜支撑区域204的进料区域202。技术人员可根据期望选择合适的掩模材料、孔和开口尺寸和形状、以及得到的结构构造。
暴露于辐射可以例如一连串短暴露间歇性地进行或者以较长的持续时间进行以提供期望结构设计。在一个实施例中，进料区域202除了期望形成供应和排出孔22、24、25、26、27、28的那些区域之外完全暴露于辐射。完全暴露于辐射得到进料区域202中的基本固态不透流体片材210。例如，第一掩模可配置成完全暴露进料区域202的表面且提供进料区域202中的基本固态平面片材210。可选择暴露持续时间以提供片材210的期望厚度。进料区域202的期望厚度也可以通过随后暴露或者通过使用例如高度变化的掩模而改变。
膜支撑区域204可如上所述暴露于辐射束以形成多孔辐射固化结构206。例如，辐射束可包括从所述至少一个辐射源朝第一掩模的所述至少一个孔导向的第一辐射束、第二辐射束和第三辐射束。所述第一、第二和第三辐射束分别在辐射敏感材料的一部分体积中形成聚合物波导体的第一、第二和第三波导体。第一辐射束相对于所述单个平面以第一角度导向，第二辐射束相对于所述单个平面以第二角度导向，第二角度不同于第一角度，第三辐射束相对于所述单个平面以第三角度导向，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相对于所述单个平面形成第四角度，第四角度对应于第一角度，第二聚合物桁架元件302相对于所述单个平面形成第五角度，第五角度对应于第二角度，第三聚合物桁架元件304相对于所述单个平面形成第六角度，第六角度对应于第三角度。第一、第二和第三聚合物桁架元件300、302、304在节点306处彼此相交以形成辐射固化结构206。
所述方法还包括步骤：在制造之后，将所述辐射敏感材料的未固化体积从带有子密封垫6的MEA3去除。应当理解的是，术语“未固化辐射敏感材料”也可包括在本发明的范围内的分解的辐射敏感材料。如果辐射敏感材料是液体光敏单体，辐射敏感材料可排出并收集以再次使用。MEA3可例如用合适的溶剂冲洗，且溶剂被排出以去除残余未固化辐射敏感材料。也可以采用用于从子密封垫6去除辐射敏感材料的未固化体积的其它方法。
在另一个实施例中，可使得膜支撑区域204的辐射固化结构206延伸到进料区域202中，如图4所示。例如，形成聚合物桁架波导体的带有多个孔的第一掩模的部分可延伸跨过进料区域202。应当理解的是，进料区域202的至少一部分可根据期望用辐射固化结构206形成。如果使得辐射固化结构206延伸到进料区域202中，那么所述方法还包括步骤：将进料区域202的表面暴露于多个辐射束以使得进料区域202变成基本不透流体的。进料区域202的表面暴露在辐射固化结构206顶部上形成一对基本固态平面片材210。从而，进料区域202中的微桁架结构206可设置在平面片材210之间，使得进料区域202是基本不透流体的。
使得内部具有辐射固化结构206的进料区域202的表面暴露的步骤还可包括步骤：在将辐射敏感材料暴露于多个辐射束以形成辐射固化结构206的步骤之后，将至少一个第二掩模放置在所述至少一个辐射源和辐射敏感材料之间。第二掩模具有至少一个孔。第二掩模可靠近进料区域202的每个表面放置，以完全将进料区域暴露给来自于辐射源的辐射。从而，第二掩模可用于形成该对平面片材210，该对平面片材210夹持MEA3的进料区域202中的辐射固化结构206。
MEA3还可以被处理以制备用于组装在燃料电池堆2中的MEA3。例如，离聚物208可应用于膜支撑区域204以形成电解质膜4。应用离聚物208的步骤可包括例如以直线涂层操作来滚涂离聚物208以用离聚物208浸透膜支撑区域204。离聚物208也可以散布在膜支撑区域204上且通过施加压力嵌入膜支撑区域204中。离聚物208还可通过喷涂应用至期望厚度。在又一非限制性示例中，离聚物208可注射模制到膜支撑区域204中。本领域技术人员可根据期望选择其它合适的方法以将离聚物208应用于膜支撑区域204。
继续参考图4，应当理解的是，如果在MEA3的制造期间形成中空进料区域202，离聚物208的应用也可以密封中空进料区域202。从而，离聚物208可利于形成在例如内部具有辐射固化结构206的基本不透流体的进料区域202。基本不透流体的进料区域202防止活性电解质膜4的一侧交叉渗漏到另一侧。
在应用于MEA3时，电极7也可以应用于电解质膜4的表面。例如，所述方法可包括步骤：用催化剂墨涂层电解质膜4的表面，催化剂墨例如在Zuber等的美国专利No.6,156,449中所述，所述专利的全部内容通过参考引入本文。将催化剂墨涂层到电解质膜4上的步骤可包括将催化剂墨喷涂、浸渍、涂刷、滚动传送、狭缝模具式涂层、凹版涂布、Meyer杆涂层和印刷到电解质膜4上中的至少一种。应当理解的是，本发明可等同地包括步骤：根据期望将扩散介质20用催化剂墨涂层以形成电极7。
干燥催化剂墨以形成电极7通常在高温下进行，所述高温被选择以驱走催化剂墨中的任何溶剂而不会使得在催化剂墨成分中存在的任何离聚物、碳颗粒和催化剂热降级。在具体实施例中，干燥催化剂墨的步骤包括用红外干燥器干燥催化剂墨。作为非限制性示例，催化剂墨可在约300°F的温度下干燥高达约4分钟。也可以采用其它合适的干燥温度、干燥时间和干燥催化剂墨的方式。
应当理解的是，通过制造具有膜支撑区域204的子密封垫6，将防止与电解质膜4的不对齐和定位偏差。子密封垫6也能够在不同区域中形成为具有不同厚度，而没有在常规制造过程中通常发生的废弃材料。具有膜支撑区域204的子密封垫6的成本受到用于制造的材料的限制，且在液体光敏单体的情况下，液体光敏单体的主体在制造子密封垫6之后可以再次使用。也改进了设计灵活性，因为可以根据期望容易地选择膜支撑区域204和MEA3的各个其它区域的厚度。另外，在膜支撑区域204用离聚物208浸透时，膜支撑区域204与子密封垫6整体形成提供了电解质膜4与子密封垫6的内在对齐。
虽然为了说明本发明已经示出了某些代表性实施例和细节，但是本领域技术人员将理解，在不偏离由所附权利要求进一步描述的本发明的范围的情况下可作出各种变化。

Claims (20)

1.一种用于燃料电池的膜电极组件，包括：
环绕多孔膜支撑区域的基本不透流体进料区域，所述进料区域和所述膜支撑区域中的至少一个通过辐射固化结构至少部分地形成。
2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述膜支撑区域用离聚物浸透以形成电解质膜。
3.根据权利要求2所述的膜电极组件，还包括设置在电解质膜的相对侧上的一对电极。
4.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述辐射固化结构包括微桁架结构。
5.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述进料区域具有在其中形成的至少一个入口孔和至少一个出口孔。
6.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，进料区域是基本固态的平面片材。
7.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述膜支撑区域的多孔辐射固化结构延伸到进料区域中。
8.根据权利要求7所述的膜电极组件，其中，延伸到进料区域中的多孔辐射固化结构设置在一对基本固态的平面片材之间。
9.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，靠近膜支撑区域设置的进料区域的第一区域具有与膜支撑区域的平均厚度大致相同的第一厚度，且其中，从膜支撑区域间隔开的进料区域的第二区域具有比膜支撑区域的平均厚度更大的第二厚度。
10.一种燃料电池，包括：
膜电极组件，所述膜电极组件具有：环绕多孔膜支撑区域的基本不透流体进料区域，所述进料区域和所述膜支撑区域中的至少一个通过辐射固化结构至少部分地形成，膜支撑区域用离聚物浸透以形成电解质膜；设置在电解质膜的相对侧上的一对电极；
一对气体扩散介质，每个气体扩散介质设置在一个电极上；和
一对导电燃料电池板，其中，子密封垫、电解质膜、电极和气体扩散介质设置在所述燃料电池板之间。
11.一种制造用于燃料电池的膜电极组件的方法，所述方法包括步骤：
提供一定体积的辐射敏感材料和至少一个辐射源；
将第一掩模放置在所述至少一个辐射源和所述辐射敏感材料之间，所述第一掩模具有至少一个孔；
使得所述辐射敏感材料暴露于多个辐射束以形成具有多孔辐射固化结构的膜支撑区域和环绕所述膜支撑区域的进料区域；和
将所述辐射敏感材料的未固化体积从膜电极组件去除。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述辐射敏感材料是液体光敏单体和基本固态辐射敏感聚合物之一。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，进料区域是基本不透流体的。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述辐射束包括从所述至少一个辐射源朝所述至少一个孔导向的第一辐射束、第二辐射束和第三辐射束，以分别在辐射敏感材料的一部分体积中形成第一、第二和第三聚合物桁架元件，其中，第一辐射束相对于所述单个平面以第一角度导向，第二辐射束相对于所述单个平面以第二角度导向，第二角度不同于第一角度，第三辐射束相对于所述单个平面以第三角度导向，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对于所述单个平面形成第四角度，第四角度对应于第一角度，第二聚合物桁架元件相对于所述单个平面形成第五角度，第五角度对应于第二角度，第三聚合物桁架元件相对于所述单个平面形成第六角度，第六角度对应于第三角度，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结构。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，第一掩模的所述至少一个孔在进料区域中提供基本固态的平面片材，其中，所述进料区域具有在其中形成的至少一个入口孔和至少一个出口孔。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，使得所述膜支撑区域的辐射固化结构延伸到进料区域中。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括步骤：在将辐射敏感材料暴露于多个辐射束以形成多孔辐射固化结构的步骤之后，将第二掩模放置在所述至少一个辐射源和辐射敏感材料之间，第二掩模具有靠近进料区域的至少一个孔。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括步骤：将进料区域的至少一个表面暴露于多个辐射束以形成至少一个基本固态的平面片材，进料区域的多孔辐射固化结构靠近所述基本固态的平面片材设置。
19.根据权利要求11所述的方法，还包括步骤：将离聚物应用于膜支撑区域以形成电解质膜。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括步骤：用催化剂墨涂层电解质膜的表面和干燥催化剂墨以在电解质膜上形成一对电极。
CN2009102622408A 2008-12-22 2009-12-22 组合子密封垫和膜支撑件 Expired - Fee Related CN101841045B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/341,105 US8389177B2 (en) 2008-12-22 2008-12-22 Combined subgasket and membrane support
US12/341105 2008-12-22

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101841045A true CN101841045A (zh) 2010-09-22
CN101841045B CN101841045B (zh) 2013-05-29

Family

ID=42266594

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2009102622408A Expired - Fee Related CN101841045B (zh) 2008-12-22 2009-12-22 组合子密封垫和膜支撑件

Country Status (3)

Country Link
US (2) US8389177B2 (zh)
CN (1) CN101841045B (zh)
DE (1) DE102009058511B4 (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102694189A (zh) * 2011-03-22 2012-09-26 通用汽车环球科技运作有限责任公司 基于电镀光聚合物的燃料电池
CN103682393A (zh) * 2012-09-12 2014-03-26 通用汽车环球科技运作有限责任公司 包括涂覆子垫圈的燃料电池膜-子垫圈组件，以及包括燃料电池膜-子垫圈组件的燃料电池组件和燃料电池堆
CN104051772A (zh) * 2013-03-15 2014-09-17 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于冲压板燃料电池的密封设计
CN105034530A (zh) * 2014-04-17 2015-11-11 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于制造很小或没有残余应力的弯曲夹层结构的低能量工艺
CN105073630B (zh) * 2013-03-13 2017-12-22 Hrl实验室有限责任公司 具有面内材料性质变化的微桁架材料
CN107534176A (zh) * 2015-04-15 2018-01-02 洛克希德马丁尖端能量存储有限公司 减少液流电池内的寄生反应

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR876M (zh) 1960-10-12 1961-10-16
US8092957B2 (en) * 2009-05-15 2012-01-10 GM Global Technology Operations LLC Diffusion media formed by photopolymer based processes
US8465825B1 (en) 2009-05-29 2013-06-18 Hrl Laboratories, Llc Micro-truss based composite friction-and-wear apparatus and methods of manufacturing the same
US8155496B1 (en) 2009-06-01 2012-04-10 Hrl Laboratories, Llc Composite truss armor
TW201219949A (en) * 2010-11-12 2012-05-16 J Touch Corp presenting three-dimensional image no matter the display device is rotated as horizontal or vertical
US8546064B2 (en) 2011-03-22 2013-10-01 GM Global Technology Operations LLC Method to produce a fuel cell flowfield with photopolymer walls
US8609298B2 (en) 2011-08-16 2013-12-17 GM Global Technologies Operations LLC Form and fill subgasket
US8828613B2 (en) 2012-03-29 2014-09-09 GM Global Technology Operations LLC Membrane electrode assemblies and fuel-cell systems with surface-modified electrocatalysts and methods for electrocatalyst surface modification
US8679697B1 (en) 2012-08-30 2014-03-25 GM Global Technology Operations LLC Compressible fuel cell subgasket with integrated seal
US10710326B1 (en) 2013-11-26 2020-07-14 Hrl Laboratories, Llc Open cellular sandwich structures having sealed edges and methods of manufacturing the same
US10427336B2 (en) 2014-11-20 2019-10-01 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Periodic structured composite and articles therefrom
US9968977B2 (en) 2015-07-06 2018-05-15 GM Global Technology Operations LLC Method of shaping a component
US10203169B2 (en) * 2017-06-12 2019-02-12 Microsoft Technology Licensing, Llc Thermal management devices, systems and methods
US10942010B1 (en) * 2017-07-27 2021-03-09 Hrl Laboratories, Llc Architected armor
US11148375B1 (en) 2017-08-29 2021-10-19 Hrl Laboratories, Llc Method of repairing sandwich structure and repaired sandwich structure
US20220140362A1 (en) * 2020-10-30 2022-05-05 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc Support members for fuel cell fluid flow networks
WO2023219648A1 (en) 2022-05-09 2023-11-16 Lockheed Martin Energy, Llc Flow battery with a dynamic fluidic network

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6054230A (en) * 1994-12-07 2000-04-25 Japan Gore-Tex, Inc. Ion exchange and electrode assembly for an electrochemical cell
US6274288B1 (en) * 1995-06-12 2001-08-14 California Institute Of Technology Self-trapping and self-focusing of optical beams in photopolymers
AU3116397A (en) * 1996-04-30 1997-11-19 W.L. Gore & Associates, Inc. Integral ion-exchange composite membranes
DE19837669A1 (de) * 1998-08-20 2000-03-09 Degussa Katalysatorschicht für Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen
GB0304709D0 (en) * 2003-03-01 2003-04-02 Univ Aberdeen Photo-catalytic fuel cell
US20060240312A1 (en) * 2005-04-25 2006-10-26 Tao Xie Diffusion media, fuel cells, and fuel cell powered systems
ITMI20052509A1 (it) * 2005-12-28 2007-06-29 Solvay Solexis Spa Assemblati per dispositivi elettrochimici
US7972741B2 (en) * 2006-05-23 2011-07-05 GM Global Technology Operations LLC Diffusion media for seal support for improved fuel cell design
US7382959B1 (en) * 2006-10-13 2008-06-03 Hrl Laboratories, Llc Optically oriented three-dimensional polymer microstructures
US7687132B1 (en) * 2008-03-05 2010-03-30 Hrl Laboratories, Llc Ceramic microtruss

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102694189A (zh) * 2011-03-22 2012-09-26 通用汽车环球科技运作有限责任公司 基于电镀光聚合物的燃料电池
CN102694189B (zh) * 2011-03-22 2014-09-10 通用汽车环球科技运作有限责任公司 基于电镀光聚合物的燃料电池
CN103682393A (zh) * 2012-09-12 2014-03-26 通用汽车环球科技运作有限责任公司 包括涂覆子垫圈的燃料电池膜-子垫圈组件，以及包括燃料电池膜-子垫圈组件的燃料电池组件和燃料电池堆
CN103682393B (zh) * 2012-09-12 2016-08-24 通用汽车环球科技运作有限责任公司 包括涂覆子垫圈的燃料电池膜-子垫圈组件，以及包括燃料电池膜-子垫圈组件的燃料电池组件和燃料电池堆
CN105073630B (zh) * 2013-03-13 2017-12-22 Hrl实验室有限责任公司 具有面内材料性质变化的微桁架材料
CN104051772A (zh) * 2013-03-15 2014-09-17 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于冲压板燃料电池的密封设计
CN104051772B (zh) * 2013-03-15 2017-01-04 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于冲压板燃料电池的密封设计
CN105034530A (zh) * 2014-04-17 2015-11-11 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于制造很小或没有残余应力的弯曲夹层结构的低能量工艺
CN107534176A (zh) * 2015-04-15 2018-01-02 洛克希德马丁尖端能量存储有限公司 减少液流电池内的寄生反应
CN107534176B (zh) * 2015-04-15 2020-12-11 洛克希德马丁能量有限公司 减少液流电池内的寄生反应

Also Published As

Publication number Publication date
CN101841045B (zh) 2013-05-29
DE102009058511A1 (de) 2010-09-02
US8389177B2 (en) 2013-03-05
US8580454B2 (en) 2013-11-12
US20100159294A1 (en) 2010-06-24
DE102009058511B4 (de) 2017-01-05
US20130202989A1 (en) 2013-08-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101841045B (zh) 组合子密封垫和膜支撑件
CN101814614B (zh) 使用基于光敏聚合物的过程来制造燃料电池
KR100621491B1 (ko) 고체 고분자 전해질막, 상기 막을 이용한 고체 고분자형연료 전지 및 그 제조 방법
US6921598B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell and method of manufacturing the same
JP4971972B2 (ja) 燃料電池用分離板、その製造方法及びその分離板を有する燃料電池
CN101887980B (zh) 通过基于光聚合物的过程形成的扩散介质
EP2550700B1 (en) Fuel cell layer, fuel cell system and method for fabricating the fuel cell layer
CN102148391B (zh) 微桁架水蒸汽传输装置
CN101036254A (zh) 具有疏水性和亲水性的扩散介质
CN101887955B (zh) 通过基于光聚合物的过程形成的隔板
US7749631B2 (en) Fuel cell separator plate coating
CN101821891A (zh) 燃料电池堆及燃料电池系统
CN101496198A (zh) 扩散介质、燃料电池和燃料电池供能的系统
CN1697222A (zh) 燃料电池
KR100619193B1 (ko) 연료 전지 및 연료 전지용 세퍼레이터
CN1612389A (zh) 燃料电池
JP2004207082A (ja) 燃料電池および燃料電池用セパレータ
JP5710351B2 (ja) 燃料電池用電解質膜・電極構造体
KR20230115366A (ko) 연료전지 장치
KR20230115365A (ko) 연료전지 장치
KR20230097258A (ko) 연료전지 장치
JP2024053505A (ja) 固体高分子型燃料電池（ｐｅｍｆｃ）の単位セルおよびその製造方法
KR20230013702A (ko) 연료전지 장치
JP2019096413A (ja) 燃料電池の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20130529

Termination date: 20201222

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee