CN101887955B - 通过基于光聚合物的过程形成的隔板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过基于光聚合物的过程形成的隔板，具体提供一种用于燃料电池的隔板，该隔板包括具有布置在其上的辐射固化第一流场层的基片。本发明还提供一种用于制造隔板的方法。该方法包括下列步骤：提供基片；向所述基片上施加第一辐射敏感材料；将第一掩膜放置在第一辐射源与所述第一辐射敏感材料之间，所述第一掩膜具有多个基本辐射透射的孔；和使所述第一辐射敏感材料暴露于多个第一辐射线束，以形成与所述基片相邻的辐射固化第一流场层。本发明还提供一种具有所述隔板的燃料电池。

Description

通过基于光聚合物的过程形成的隔板

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隔板。

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。

电解质膜通常由离聚物层形成。典型的离聚物为全氟磺化酸(PFSA)聚合物，例如可从E.I du Pont de Nemours and Company买到的Nafion

。燃料电池的电极通常由磨碎的催化剂形成。该催化剂可为催化地支撑燃料电池电化学反应的氢或甲醇的氧化以及氧的还原的任何电催化剂。该催化剂通常为贵金属，例如铂或另一铂族金属。催化剂通常布置在诸如碳黑粒子的碳支撑体上，并且被分散到离聚物中。

电解质膜、电极和DM布置在一对燃料电池隔板之间，且例如通过提供基本流体紧密封的衬垫被密封。每个隔板可具有形成在其内的多个通道，用于将反应物和冷却剂分布到燃料电池。隔板通常通过成形金属片的传统工艺形成，例如冲压、机加工、模制或通过光刻掩膜进行光蚀刻。在双极隔板的情况下，双极隔板通常由一对随后被结合到一起的单极板形成。还已知的是由复合材料形成隔板，例如石墨复合物或石墨填充的聚合物。不期望的是，已知的形成隔板的方法是昂贵且费时的。

还已知的是，例如通过使用网状金属发泡材料根据传统的气泡工艺来制造用于燃料电池的隔板。然而，传统的发泡过程产生不一致且随机(无序的)的三维微观结构。确实存在某些产生有序的三维微观结构的技术，例如立体平面印刷技术；但是，这些技术通常依赖于上下一层接一层的方案，而这不允许进行产品体积的测量。

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”中描述了辐射固化结构，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中披露了产生辐射固化结构的方法和系统，该专利的全部内容通过引用合并于此。该系统包括：被选择以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。雅克布森的美国专利申请11/801,908中进一步公开了辐射固化结构，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在可维斯基(Kewitsch)等人的美国专利6,274,288中被描述，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隔板的结构和方法，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，令人惊奇地发现一种制造隔板的结构和方法，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，一种用于燃料电池的隔板包括导电基片，在该导电基片附近布置有辐射固化第一流场层。

在另一实施例中，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。所述膜电极组件置于一对扩散介质层之间。燃料电池还包括一对隔板，所述膜电极组件和所述扩散介质层布置在所述一对隔板之间。所述隔板中的至少一个具有被布置为与辐射固化流场层相邻的基片。

在进一步的实施例中，一种制造燃料电池的隔板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；将第一掩膜放置在第一辐射源与所述第一辐射敏感材料之间，所述第一掩膜具有多个基本辐射透射的孔；和将所述第一辐射敏感材料暴露于多个第一辐射线束，以形成与所述基片相邻的辐射固化第一流场层。

方案1、一种用于燃料电池的隔板，包括：

基片，该基片上布置有辐射固化第一流场层。

方案2、如方案1所述的隔板，进一步包括辐射固化第二流场层，所述基片布置在所述第一和第二流场层之间。

方案3、如方案2所述的隔板，其中所述第一和第二流场层具有多个辐射固化反应物流动通道。

方案4、如方案3所述的隔板，其中所述反应物流动通道包括沿第一方向延伸的多个第一通道壁。

方案5、如方案4所述的隔板，其中所述反应物流动通道包括沿另一方向延伸的多个第二通道壁，其中所述第一和第二通道壁在多个结合点处彼此交叠。

方案6、如方案5所述的隔板，其中所述第一和第二通道壁与所述基片协作以形成多个冷却剂通道。

方案7、如方案5所述的隔板，其中所述第一和第二流场层中的至少一个包括多个支撑带，所述支撑带布置在所述第一和第二通道壁中的至少一个与所述基片之间，所述支撑带防止所述第一和第二通道壁中的至少一个弯曲。

方案8、如方案7所述的隔板，其中所述第一和第二流场层中的至少一个包括提供所述支撑带的微桁架结构。

方案9、如方案2所述的隔板，其中所述第一和第二流场层中的至少一个具有导电涂层。

方案10、如方案9所述的隔板，其中所述基片是导电的或者不导电的。

方案11、如方案10所述的隔板，其中所述不导电的基片具有形成在其中的多个导电通路。

方案12、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；和

一对隔板，所述膜电极组件和所述扩散介质层布置在所述一对隔板之间，其中所述隔板中的至少一个具有其上布置有辐射固化流场层的基片。

方案13、一种制造燃料电池的隔板的方法，该方法包括下列步骤：

提供基片；

向所述基片上施加第一辐射敏感材料；

将第一掩膜放置在第一辐射源与所述第一辐射敏感材料之间，所述第一掩膜具有多个基本辐射透射的孔；和

使所述第一辐射敏感材料暴露于多个第一辐射线束，以形成与所述基片相邻的辐射固化第一流场层。

方案14、如方案13所述的方法，进一步包括下列步骤：

在所述第一辐射敏感材料的相反侧向所述基片上施加第二辐射敏感材料；

将第二掩膜放置在第二辐射源与所述第二辐射敏感材料之间，所述第二掩膜具有多个基本辐射透射的孔；和

使所述第二辐射敏感材料暴露于多个第二辐射线束，以形成与所述基片相邻的辐射固化第二流场层。

方案15、如方案14所述的方法，进一步包括向所述第一流场层和所述第二流场层中的至少一个涂覆导电涂层。

方案16、如方案14所述的方法，进一步包括将所述第一流场层和所述第二流场层中的至少一个瓷化。

方案17、如方案14所述的方法，其中所述多个第一和第二辐射线束包括沿第一方向延伸以形成多个第一辐射固化壁的多个第一辐射片和沿第二方向延伸以形成多个第二辐射固化壁的多个第二辐射片。

方案18、如方案14所述的方法，进一步包括在使所述第一和第二辐射敏感材料暴露于所述多个第一和第二辐射线束之后，移除所述第一和第二辐射敏感材料中的至少一个的未固化体积。

方案19、如方案18所述的方法，进一步包括使用溶剂对所述第一和第二辐射敏感流场层中的至少一个进行冲洗，以将所述第一和第二辐射敏感材料中的至少一个的未固化体积移除。

方案20、如方案14所述的方法，进一步包括在使所述第一和第二辐射敏感材料暴露于所述多个第一和第二辐射线束之后，加热所述第一和第二辐射敏感材料中的至少一个，其中所述加热有利于所述第一和第二辐射敏感材料中的至少一个的聚合和/或交联。

附图说明

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隔板的示意性局部侧视剖视图；和

图3为示出用于制造图1和图2所示的隔板的方法的过程流程框图。

具体实施方式

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。对于所公开的方法，其中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示出具有催化剂涂覆膜(CCM)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。

导电隔板8布置在MEA3之间。电解质膜4、电极7和隔板8可堆叠在一起，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(未示出)或绝缘涂层(未示出)而电绝缘。单极端板14和隔板8包括流场16，用于将诸如氢气和氧气/空气的反应物分布到电极7。隔板8和单极端板14的流场16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206、208(示出在图2中)。

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根据需要而省略衬垫18。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和隔板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、隔板8、单极端板14和衬垫18中的每个包括阴极供料孔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、隔板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的配置为用于说明的目的，根据需要也可选择其它配置。

如图2所示，根据本发明的隔板8通过诸如光致聚合作用的过程至少部分地由辐射敏感材料形成。由辐射敏感材料形成诸如隔板8的辐射固化结构例如在受让人的共同待审美国专利申请12/339,308中被描述，该专利申请的全部容通过引用合并于此。

隔板8包括基片200，辐射固化的第一流场层202布置为与基片200相邻。基片200还可具有被布置为与其相邻的辐射固化的第二流场层204。基片200可布置在第一流场层202和第二流场层204之间，以便为隔板8提供双极性配置。应该理解的是，具有基片200且仅辐射固化第一流场层202被布置为与基片200相邻的单极隔板8也在本发明的范围内。

基片200可由允许在其上形成聚合结构的任何材料形成。根据需要，基片200可为导电性的或非导电性的。在一个示例中，基片200由金属或在典型的光致聚合条件下不会明显退化的导电复合材料形成。在具体示例中，基片200由不锈钢片形成。不锈钢片例如可被设置为螺旋钢带、机架装载钢带或独立坯料。在某些实施例中，基片200为基本平坦的。

基片200可以替代性地由非导电性材料形成，其具有孔眼或通路，而在孔眼或通路中布置有导电材料。例如，导电通路可通过在基片200上沉积导电涂层(图2所示)而被提供。

基片200可进一步设置有用于粘接到第一和第二流场层202、204的涂层(未示出)或表面处理。在一个非限制示例中，基片200可具有在隔板8的制造期间适于与未固化聚合物材料粘接的涂层。根据需要，基片200还可设置有在其上形成的纹理或图案。基片200的表面可通过例如压雕、喷砂等而造成纹理，以增加基片200和第一和第二流场层202、204之间进行粘接的可用表面积。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。

在特定实施例中，基片200可具有在其中形成的通孔(未示出)。所述通孔可有利于排出在隔板8制造期间采用的剩余的液体辐射敏感材料和溶剂，或者移除剩余的固体辐射敏感材料。所述通孔还可提供典型的终端产品特征，例如端口和头部孔22、24、25、26、27、28，例如在申请人的共同待审美国专利申请11/762,845中描述的那样，该专利申请的全部内容通过引用合并于此。所述通孔可在将第一和第二流场层202、204施加到基片200之前，通过例如机械穿孔或激光切割而形成。其它用于形成通孔的合适的方法也可被采用。

第一流场层202具有多个辐射固化第一反应物流动通道206。第二流场层204具有多个辐射固化第二反应物流动通道208。第一和第二反应物流动通道206、208可由沿第一方向延伸的多个第一通道壁210限定。第一和第二反应物流动通道206、208也可由沿第二方向延伸的多个第二通道壁212限定。第一和第二通道壁210、212中的每个可进一步例如沿隔板8的长度延伸，以有利于将反应物流体运输通过隔板8的流场16。本领域技术人员应该认识到，第一和第二通道壁210、212根据需要可沿隔板8的长度以线性、螺旋形或另一合适的方式中的至少一种延伸。第一和第二通道壁210、212可在多个结合点214处彼此交叠。根据需要，结合点214可被布置为与基片200和第一和第二流场层202、204中的一个的相反表面中的一个相邻。

说明性地，第一和第二通道壁210、212可与基片200协作以形成多个冷却剂通道216。冷却剂通道216有利于在其工作期间来控制燃料电池堆2的温度。与第一和第二反应物流动通道206、208类似，冷却剂通道216可沿隔板8的长度延伸。在一个非限制性示例中，第一和第二通道壁210、212可形成基本为V形的冷却剂通道216。在某些实施例中，第一和第二冷却剂流动通道206、208由第一和第二通道壁210、212形成。应该认识到，将第一和第二冷却剂流动通道206、208和冷却剂通道216形成为开放的V形可使得在隔板8制造期间使用的剩余辐射敏感材料能够被再利用。

第一和第二流场层202、204可包括多个被分隔开的支撑带218。支撑带218布置在第一和第二通道壁210、212中的至少一个与基片200之间。支撑带218例如可沿第一和第二通道壁210、212的长度被分隔开。支撑带218在燃料电池堆2组装期间该燃料电池2被压缩时防止第一和第二通道壁210、212中的至少一个弯曲。特别是，分隔开的支撑带218可有利于反应物流动通过流场16和防止在典型的燃料电池工作条件下第一和第二通道壁210、212的不希望的弯曲。支撑带218可进一步适于将电流传送到燃料电池堆2中。

在一个实施例中，支撑带218可通过布置在第一和第二通道壁210、212中的至少一个和基片200之间的微桁架结构而被提供。微桁架结构可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、沿第三方向延伸的多个第三桁架元件和沿第四方向延伸的多个第四桁架元件。第一、第二、第三和第四桁架元件在多个节点处彼此交叠。应该认识到，第一、第二、第三和第四桁架元件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处彼此交叠。第一、第二、第三和第四桁架元件形成连续的三维自支撑细胞结构，从而允许燃料电池反应物流通穿过。

尽管具有多个第一桁架元件、多个第二桁架元件、多个第三桁架元件和多个第四桁架元件的微桁架结构可具有上述的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，例如3层交叠和6层交叠。例如，可选择特定的结构以增加微桁架结构的连接性和减小微桁架结构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的或者不对称的。结构还可被选择以优化微桁架结构的强度和刚度。本领域普通技术人员应该进一步理解的是根据需要可采用微桁架结构的其它结构。

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的示例性结构。例如，多个第一桁架元件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。多个第三桁架元件可由多个第三自传播聚合物桁架波导管限定。多个第四桁架元件可由多个第四自传播聚合物桁架波导管限定。第一、第二、第三和第四波导管可由例如在光致聚合作用下呈现出折射率漂移的流体光单体形成。可替代地，应该认识到，微桁架结构可由不是形成聚合物波导管的折射率漂移的材料形成，例如通过这里描述的基本为固体的辐射敏感材料的受控辐射暴露。还可根据需要采用用于形成微桁架结构的其它合适的方法。

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，例如通过下面中的至少一种：1)选择聚合物桁架元件相对于彼此的角度和图案；2)调节所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可由于燃料电池堆2的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。

第一和第二流场层202、204至少部分由辐射敏感材料形成。被采用来形成第一和第二流场层202、204中的至少一个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、聚合和交联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解和去交联中的至少一种的任何材料。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/或聚合物主链的分解而被制作为可溶于溶液。

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辐射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来产生聚合或缩聚时，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成聚合步骤，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^TM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^TM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，所选择的可辐射固化聚合物根据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正抗蚀性聚合物。正抗蚀性聚合物开始时作为被交联的聚合物，但可包括光引发剂，该光引发剂在暴露于特定辐射时通过至少使交联键断裂或使聚合物主链分解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，而剩余的被分解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射线，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。还应该理解的是根据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被引导到辐射敏感材料，通过该掩膜，辐射可接触辐射敏感材料。孔可例如为形成在不透射或阻挡辐射的涂层上的基本上对辐射透射的孔。掩膜例如可由冕玻璃、派热克斯玻璃和诸如迈拉片的聚对苯二甲酸乙二酯形成，并且以相对于掩膜或者下层基片200成一定角度来引导辐射线束。掩膜可在暴露之后被拿开并且清洁，用于重复使用。还可采用具有不同图案和不同种类的多个孔的多个掩膜。在某些实施例中，掩膜作为辐射源的整体部分而被提供。孔可具有向辐射固化元件提供期望的截面形状的形状。例如，孔可基本为圆形，以产生椭圆形截面形状。本领域技术人员可根据需要选择合适的掩膜材料、孔的尺寸和形状以所得到的结构配置。

在一个描绘性实施例中，掩膜表面具有直径约10微米的多个孔眼。在另一实施例中，孔为长槽，其提供辐射片以使第一和第二通道壁210、212中的至少一个形成为具有基本为矩形的截面形状。辐射片因此被采用以形成隔板8的反应物流动通道206、208和冷却剂特定216中的至少一个。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、孔和开口的尺寸和形状，以及最终的结构配置。

应该理解的是，第一和第二流场层202、204可由在被固化时导电的辐射敏感材料形成。在特定实施例中，第一和第二流场层202、204中的至少一个具有导电涂层220。例如，第一和第二流场层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。金属涂层可通过多个电镀步骤形成。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第一和第二流场层202、204和相邻的扩散介质层20之间的接触阻抗的为Au或Pd保护涂层的第三层，从而可形成金属涂层。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涂层220涂覆在第一和第二流场层202、204中的至少一个上的其它方法。

在某些实施例中，导电涂层220包括选自由例如钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、铹(lr)、铂(Pt)、锇(Os)组成的集合中的贵金属及其合金。在特定实施例中，导电涂层220为金(Au)。在另一特定实施例中，导电涂层220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，导电涂层220可包括上面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，导电涂层220可被沉积在第一和第二流场层202、204中的至少一个上。也可采用基于溶液的电镀技术，其包括将第一和第二流场层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涂层220并且后续燃烧泥浆粉末以形成涂层。考虑到视线和所选择的沉积技术的非视线特性之间的差别，本领域技术人员可选择一种以上的沉积技术。在某些实施例中，导电材料可基本均匀地沉积在第一和第二流场层202、204的内、外表面上。可根据需要选择涂覆导电涂层220的合适厚度和方法。

还应该认识到，在采用微桁架结构的实施例中，导电涂层220可被用于至少部分地填充微桁架结构的一部分。所得到的隔板8的刚度和强度从而可被优化。

在某些描绘性的实施例中，第一和第二流场层202、204中的至少一个可被转换为金属氧化物或陶瓷，以提供期望水平的弯曲强度。例如，陶瓷微结构和用于制备陶瓷微结构的方法在格拉斯等人的美国专利申请12/074,727中被公开，该专利申请的全部内容通过引用合并于此。

现在参见图3，本发明包括用于制造隔板8的方法300。方法300首先包括在步骤302提供基片200；在步骤304将第一辐射敏感材料施加到基片；在步骤308将第一掩膜放置在第一辐射源和第一辐射敏感材料之间；在步骤310使第一辐射敏感材料暴露于来自第一辐射源的多个第一辐射线束；以及在步骤312使第一辐射敏感材料固化，以形成与基片200相邻的辐射固化的第一流场层202。

在希望制造具有双极性配置的隔板8时，方法300进一步包括在步骤306将第二辐射敏感材料施加到基片200上的与第一辐射敏感材料相反的侧面；在步骤308将第二掩膜放置在第二辐射源和第二辐射敏感材料之间；在步骤310使第二辐射敏感材料暴露于多个第二辐射线束；以及在步骤312使第二辐射敏感材料固化，以形成与基片200相邻的辐射固化的第二流场层204。

分别由第一和第二辐射源产生的多个第一和第二辐射线束可包括沿第一方向延伸的多个第一辐射片和沿第二方向延伸的多个第二辐射片中的至少一个。第一辐射片和第二辐射片中的至少一个可为沿期望的平面延伸的基本连续的辐射层的形式。应该认识到，第一辐射片形成多个第一辐射固化通道壁210，而第二辐射片形成多个第二辐射固化通道壁212。

在另一实施例中，第一流场层202和第二流场层204中的至少一个可被涂覆有导电涂层220。在某些实施例中，方法300可包括：在使第一和第二辐射敏感材料暴露于多个第一和第二辐射线束之后，移除第一和第二辐射敏感材料中的至少一个的未固化体积。应该认识到，在本发明的范围内，术语“未固化的辐射敏感材料”也可包括被分解的辐射敏感材料。例如，第一和第二辐射敏感材料中的至少一个的未固化体积可在向第一和第二流场层202、204中的至少一个涂覆导电涂层220之前被移除。在一个非限制性示例中，移除第一和第二辐射敏感材料的未固化体积的步骤可包括用溶剂冲洗第一和第二流场层202、204中的至少一个。本领域普通技术人员应该认识到，合适的溶剂在移除第一和第二辐射敏感材料的未固化体积的步骤中基本上不会使暴露出的辐射固化的第一和第二流场层202、204退化。

在进一步的实施例中，在使第一和第二辐射敏感材料暴露于多个第一和第二辐射线束之后，第一和第二辐射敏感材料中的至少一个可被加热。该加热可有利于第一辐射敏感材料和第二辐射敏感材料中的至少一个的聚合和/或交联。根据需要可选择合适的温度和加热时间。

令人惊奇地发现，采用辐射固化的第一和第二流场层202、204节约了在汽车或其它应用中使用的诸如用于便携装置的微型燃料电池的燃料电池中的隔板8的生产成本。本发明的隔板8采用高度有序的结构，其与传统的金属发泡部件相比，提供更均匀的压缩并且增加了使用寿命。本制造方案还比传统的形成隔板8的方法更便宜，并且能够显著减少制造量身定做的隔板8的研制周期。特别是，可通过替换燃料电池堆2中的传统隔板8而减少生产成本。而且未预料到的是采用根据本发明的隔板8可使燃料电池堆2的高度最小化，从而提供期望的紧凑型配置。

尽管为了说明本发明的目的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应该清楚的是，在不脱离进一步由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。

Claims (20)

1.一种用于燃料电池的隔板，包括：

基片，该基片上布置有辐射固化第一流场层，

其中所述第一流场层具有多个辐射固化反应物流动通道，其中所述反应物流动通道包括沿第一方向延伸的多个第一通道壁和沿另一方向延伸的多个第二通道壁；

其中所述第一流场层包括多个支撑带，所述支撑带布置在所述第一和第二通道壁中的至少一个与所述基片之间，所述支撑带防止所述第一和第二通道壁中的至少一个弯曲；以及

所述第一流场层包括提供所述支撑带的微桁架结构。

2.如权利要求1所述的隔板，进一步包括辐射固化第二流场层，所述基片布置在所述第一和第二流场层之间。

3.如权利要求2所述的隔板，其中所述第二流场层具有多个辐射固化反应物流动通道。

4.如权利要求3所述的隔板，其中所述反应物流动通道包括沿第一方向延伸的多个第一通道壁。

5.如权利要求4所述的隔板，其中所述反应物流动通道包括沿另一方向延伸的多个第二通道壁，其中所述第一和第二通道壁在多个结合点处彼此交叠。

6.如权利要求5所述的隔板，其中所述第一和第二通道壁与所述基片协作以形成多个冷却剂通道。

7.如权利要求5所述的隔板，其中所述第二流场层包括多个支撑带，所述支撑带布置在所述第一和第二通道壁中的至少一个与所述基片之间，所述支撑带防止所述第一和第二通道壁中的至少一个弯曲。

8.如权利要求7所述的隔板，其中所述第二流场层包括提供所述支撑带的微桁架结构。

9.如权利要求2所述的隔板，其中所述第一和第二流场层中的至少一个具有导电涂层。

10.如权利要求9所述的隔板，其中所述基片是导电的或者不导电的。

11.如权利要求10所述的隔板，其中所述不导电的基片具有形成在其中的多个导电通路。

12.一种燃料电池，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；和

一对如权利要求1所述的隔板，所述膜电极组件和所述扩散介质层布置在所述一对隔板之间，其中所述隔板中的至少一个具有其上布置有辐射固化流场层的基片。

13.一种制造如权利要求1所述的用于燃料电池的隔板的方法，该方法包括下列步骤：

提供基片；

向所述基片上施加第一辐射敏感材料；

将第一掩膜放置在第一辐射源与所述第一辐射敏感材料之间，所述第一掩膜具有多个基本辐射透射的孔；和

使所述第一辐射敏感材料暴露于多个第一辐射线束，以形成与所述基片相邻的辐射固化第一流场层。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括下列步骤：

在所述第一辐射敏感材料的相反侧向所述基片上施加第二辐射敏感材料；

将第二掩膜放置在第二辐射源与所述第二辐射敏感材料之间，所述第二掩膜具有多个基本辐射透射的孔；和

使所述第二辐射敏感材料暴露于多个第二辐射线束，以形成与所述基片相邻的辐射固化第二流场层。

15.如权利要求14所述的方法，进一步包括向所述第一流场层和所述第二流场层中的至少一个涂覆导电涂层。

16.如权利要求14所述的方法，进一步包括将所述第一流场层和所述第二流场层中的至少一个瓷化。

17.如权利要求14所述的方法，其中所述多个第一和第二辐射线束包括沿第一方向延伸以形成多个第一辐射固化壁的多个第一辐射片和沿第二方向延伸以形成多个第二辐射固化壁的多个第二辐射片。

18.如权利要求14所述的方法，进一步包括在使所述第一和第二辐射敏感材料暴露于所述多个第一和第二辐射线束之后，移除所述第一和第二辐射敏感材料中的至少一个的未固化体积。

19.如权利要求18所述的方法，进一步包括使用溶剂对所述第一和第二辐射敏感流场层中的至少一个进行冲洗，以将所述第一和第二辐射敏感材料中的至少一个的未固化体积移除。

20.如权利要求14所述的方法，进一步包括在使所述第一和第二辐射敏感材料暴露于所述多个第一和第二辐射线束之后，加热所述第一和第二辐射敏感材料中的至少一个，其中所述加热有利于所述第一和第二辐射敏感材料中的至少一个的聚合和/或交联。

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