CN102694189B - 基于电镀光聚合物的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于电镀光聚合物的燃料电池，具体地，一种燃料电池部件包括第一流体分配层、第二流体分配层、盖层、第三流体分配层和一对流体扩散介质层。单独的层是聚合物的、被机械地整合、并由辐射敏感材料形成。第一流体分配层、第二流体分配层、盖层、第三流体分配层和所述一对扩散介质层涂有导电材料。一对燃料电池部件可以其间具有膜电极组件的方式布置成堆叠，以形成燃料电池。

Description

基于电镀光聚合物的燃料电池

技术领域

本发明涉及一种燃料电池部件，且更具体地涉及一种用辐射敏感材料制造燃料电池部件的方法。

背景技术

已提出将燃料电池作为用于电动车辆和各种其他应用的清洁、高效并且环境负责的功率源。单独的燃料电池可串联堆叠到一起，以形成用于各种应用的燃料电池组。燃料电池组能够供应足够给车辆提供动力的电量。尤其地，燃料电池组已被确定为用于现代汽车的传统内燃发动机的潜在替代物。

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；以及一对电极，包括阴极和阳极。电解质膜被夹在电极之间，以形成膜电极组件(MEA)。MEA通常设置在诸如碳纤维纸的多孔扩散介质(DM)之间，这便于诸如氢到阳极和氧到阴极的反应物的输送。在电化学燃料电池反应中，氢在阳极中被催化地氧化，以产生自由自由质子和电子。质子通过电解质转到阴极。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作为电流被引导至阴极。质子在阴极中与氧和电子反应，以产生水。

理想的是，由辐射敏感材料制造燃料电池和相关的燃料电池部件。在受让人的共同未决的美国专利申请No.12/339,308中描述了由辐射敏感材料形成的结构诸如微桁架结构，该美国专利申请的全部公开在此以参考的方式并入。在受让人的共同未决的美国专利申请No.12/341,062、12/341,105、12/603,147、12/466,646、12/466,405和12/603,120中还描述了辐射固化的燃料电池部件的形成，所述美国专利申请的全部公开内容在此以参考的方式并入。

由辐射敏感材料形成的已知的燃料电池在扩散介质特征上具有比流场特征上的导电电镀相对更薄的导电电镀。通常还在相应的电镀过程之间执行其他制造过程，以便形成辐射固化燃料电池的额外特征。这些额外过程步骤是不合需要的并增加制造复杂性。

存在对由辐射敏感材料制成的燃料电池部件以及用于以最少的工过程步骤制造燃料电池部件的方法的持续需求，所述燃料电池部件将扩散介质和双极板集成到单个部件中。期望地，燃料电池部件和方法便于连续的过程步骤序列，允许在单个步骤中的所有未固化的辐射敏感材料的去除，并允许用于燃料电池部件的扩散介质和流场的单个电镀过程。

发明内容

根据本发明，令人惊讶地发现了一种由辐射敏感材料制成的燃料电池部件和一种用于以最少量的过程步骤制造该燃料电池部件的相关方法，所述燃料电池部件将扩散介质和双极板结合成单个部件，而所述相关方法便于连续的过程序列，允许在单个步骤中的所有未固化的辐射敏感材料的去除，并允许用于燃料电池部件的扩散介质和流场的单个电镀过程。

在第一实施例中，燃料电池部件包括具有第一表面和第二表面的导电衬底。第一表面与第二表面设置在导电衬底的相反侧上。第一流体分配层具有设置在导电衬底的第一表面上的多个第一通道和多个第二通道。第二流体分配层设置在导电衬底的第二表面上。盖层设置在第一流体分配层上。第一流体分配层的第一通道被盖层覆盖。第一流体分配层的第二通道没有被盖层覆盖。第三流体分配层设置在盖层上。盖层将第一流体分配层的第一通道与第三流体分配层分开。第一流体分配层的第二通道与第三流体分配层流体连通。提供一对扩散介质层，并且该对扩散介质层包括第一扩散介质层和第二扩散介质层。第一扩散介质层设置在第三流体分配层上。第二扩散介质层设置在第二流体分配层上。

在另一实施例中，燃料电池包括具有设置在其间的膜电极组件的一对燃料电池部件。

在另一实施例中，一种用于制造燃料电池部件的方法包括步骤：提供具有第一表面和第二表面的导电衬底，第一表面和第二表面设置在导电衬底的相反侧上；将多层辐射敏感材料设置在导电衬底的第一表面和第二表面上；在导电衬底的第一表面上形成具有多个第一通道和多个第二通道的第一流体分配层；在导电衬底的第二表面上形成第二流体分配层；在第一流体分配层上形成盖层，第一流体分配层的第一通道被盖层覆盖，而第一流体分配层的第二通道没有被盖层覆盖；在盖层上形成第三流体分配层，盖层将第一流体分配层的第一通道与第三流体分配层分开，第一流体分配层的第二通道与第三流体分配层流体连通；以及形成包括第一扩散介质层和第二扩散介质层的一对扩散介质层，第一扩散介质层形成在第三流体分配层上，而第二扩散介质层形成在第二流体分配层上。通过选择性地使所述多层辐射敏感材料暴露于来自至少一个辐射源的多个辐射束执行形成第一流体分配层、第二流体分配层、盖层、第三流体分配层和所述一对扩散介质层的步骤。

本发明还提供如下方案：

1. 一种燃料电池部件，包括：

导电衬底，其具有第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面设置在所述导电衬底的相反侧上；

第一流体分配层，其设置在所述导电衬底的所述第一表面上，所述第一流体分配层具有多个第一通道和多个第二通道；

第二流体分配层，其设置在所述导电衬底的所述第二表面上；

盖层，其设置在所述第一流体分配层的至少一部分上，所述第一流体分配层的所述第一通道被所述盖层覆盖，而所述第一流体分配层的所述第二通道没有被所述盖层覆盖；

设置在所述盖层上的第三流体分配层，所述盖层将所述第一流体分配层的所述第一通道与所述第三流体分配层分开，所述第一流体分配层的所述第二通道与所述第三流体分配层流体连通；以及

设置在所述第三流体分配层上的第一扩散介质层和设置在所述第二流体分配层上的第二扩散介质层。

2. 根据方案1所述的燃料电池部件，其中所述第一流体分配层包括从所述导电衬底的所述第一表面向外延伸的多个第一聚合物肋，所述第一流体分配层的所述第一通道由所述第一聚合物肋之间的第一跨距限定，而所述第一流体分配层的所述第二通道由所述第一聚合物肋之间的第二跨距限定。

3. 根据方案2所述的燃料电池部件，其中所述盖层包括多个聚合物盖段，所述盖段桥接所述第一聚合物肋之间的所述第一跨距。

4. 根据方案3所述的燃料电池部件，其中所述第三流体分配层具有设置在所述盖层上的多个第一通道和多个第二通道，所述盖层将所述第一流体分配层的所述第一通道与所述第三流体分配层的所述第一通道分开，所述第一流体分配层的所述第二通道与所述第三流体分配层的所述第二通道流体连通，并且其中所述第三流体分配层包括从所述聚合物盖段向外延伸的多个第三聚合物肋，所述第三聚合物肋形成所述第三流体分配层的第一通道和第二通道。

5. 根据方案1所述的燃料电池部件，其中所述第二流体分配层包括从所述导电衬底的所述第二表面向外延伸的多个第二聚合物肋，所述第二聚合物肋形成所述第二流体分配层的通道。

6. 根据方案1所述的燃料电池部件，其中所述第二流体分配层由聚合物微桁架网络形成。

7. 根据方案1所述的燃料电池部件，其中所述第二流体分配层包括多个通道。

8. 根据方案1所述的燃料电池部件，其中所述第一扩散介质层与所述第二扩散介质层中的每个由具有多个第一壁和与所述第一壁相交的多个第二壁的聚合物栅格形成。

9. 根据方案1所述的燃料电池部件，还包括沉积在所述导电衬底、所述第一流体分配层、所述第二流体分配层、所述第三流体分配层、所述盖层和所述第一扩散介质层与所述第二扩散介质层中的每一个上的导电涂层。

10. 根据方案9所述的燃料电池部件，其中所述导电涂层没有形成在所述第一流体分配层的所述第一通道中的每个的内表面、覆盖所述第一流体分配层的所述第一通道每个的所述盖层的内表面、和与所述盖层的所述内表面相对的所述导电衬底的表面上。

11. 根据方案1所述的燃料电池部件，其中所述导电衬底为不锈钢箔。

12. 根据方案1所述的燃料电池部件，其中所述第一流体分配层、所述第二流体分配层、所述第三流体分配层、所述盖层和所述一对扩散介质层通过光致聚合作用形成。

13. 根据方案1所述的燃料电池部件，其中所述导电衬底包括具有反应物入口和出口与冷却剂入口与出口的一对集管，所述第一流体分配层、所述第二流体分配层、所述第三流体分配层、所述盖层、所述第一扩散介质层和所述第二扩散介质层设置在所述集管之间。

14. 根据方案13所述的燃料电池部件，其中所述第一流体分配层构造成分配所述第一流体分配层的所述第一通道中的冷却剂和所述第一流体分配层的所述第二通道中的阴极反应物，所述第二流体分配层构造成分配阳极反应物，而所述第三分配层构造成分配阴极反应物。

15. 根据方案14所述的燃料电池部件，还包括邻近所述第一扩散介质层与所述第二扩散介质层中的至少一个设置的膜电极组件。

16. 根据方案15所述的燃料电池部件，其中微孔层设置在所述第一扩散介质层和所述第二扩散介质层中的所述至少一个与所述膜电极组件之间。

17. 根据方案15所述的燃料电池部件，其中所述导电衬底包括一对集管，所述第一流体分配层、所述第二流体分配层、所述第三流体分配层、所述盖层、所述第一扩散介质层和所述第二扩散介质层设置在所述集管之间。

18. 一种燃料电池，包括：

以堆布置的一对燃料电池部件，燃料电池部件中的每个包括：具有第一表面和第二表面的导电衬底，所述第一表面和所述第二表面设置在所述导电衬底的相反侧上；设置在所述导电衬底的所述第一表面上的第一流体分配层，所述第一流体分配层具有多个第一通道和多个第二通道；设置在所述所述导电衬底的所述第二表面上的第二流体分配层；盖层，其设置在所述第一流体分配层的至少一部分上，所述第一流体分配层的所述第一通道被所述盖层覆盖，而所述第一流体分配层的所述第二通道没有被所述盖层覆盖；设置在所述盖层上的第三流体分配层，所述盖层将所述第一流体分配层的所述第一通道与所述第三流体分配层分开，所述第一流体分配层的所述第二通道与所述第三流体分配层流体连通；和设置在所述第三流体分配层上的第一扩散介质层与设置在所述第二流体分配层上的第二扩散介质层；以及

膜电极组件，其设置在所述一对燃料电池部件之间。

19. 一种用于制造燃料电池部件的方法，所述方法包括步骤：

提供具有第一表面和第二表面的导电衬底，所述第一表面和所述第二表面设置在所述导电衬底的相反侧上；

将多层辐射敏感材料设置在所述导电衬底的所述第一表面和所述第二表面上；

在所述导电衬底的所述第一表面上形成具有多个第一通道和多个第二通道的第一流体分配层；

在所述导电衬底的所述第二表面上形成第二流体分配层；

在所述第一流体分配层上形成盖层，所述第一流体分配层的所述第一通道被所述盖层覆盖，而所述第一流体分配层的所述第二通道没有被所述盖层覆盖；

在所述盖层上形成第三流体分配层，所述盖层将所述第一流体分配层的所述第一通道与所述第三流体分配层分开，所述第一流体分配层的所述第二通道与所述第三流体分配层流体连通；以及

形成包括第一扩散介质层与第二扩散介质层的一对扩散介质层，所述第一扩散介质层形成在所述第三流体分配层上，而所述第二扩散介质层形成在所述第二流体分配层上，

其中通过选择性地使所述多层辐射敏感材料暴露于来自至少一个辐射源的多个辐射束形成所述第一流体分配层、所述第二流体分配层、所述盖层、所述第三流体分配层和所述一对扩散介质层。

20. 根据方案19所述的方法，还包括步骤：

去除所述辐射敏感材料的未固化的部分；以及

通过具有单个电镀厚度的导电涂层电镀所述辐射敏感材料的固化部分的至少一部分。

附图说明

特别地当根据在此描述的附图考虑时，本发明的以上以及其他的优点将通过以下的详细说明对本领域的技术人员将变得显而易见。

图1是根据本发明的一个实施例的燃料电池的侧向剖视立面图，示出具有设置在其间的膜电极组件的一对燃料电池部件；

图2是根据本发明的一个实施例的燃料电池部件的局部顶视透视图；

图3是由圆圈3标识的图2所图示的燃料电池部件的局部放大透视图；

图4是由圆圈4标识的图2所图示的燃料电池部件的局部底部平面图；

图5是图4所图示并沿剖面线5-5的燃料电池部件的侧向剖视立面图；

图6是图5所图示的并由圆圈6、7标识的燃料电池部件的局部放大平面图；

图7是图6所图示的燃料电池部件的局部放大平面图，其中在燃料电池部件上具有另外的导电材料的电镀；以及

图8A-8H是图示根据本发明的一个实施例的燃料电池部件的逐步制造的透视图。

具体实施方式

以下的详细说明和附图描述并图示了本发明的各种实施例。说明和附图用于使得本领域的技术人员能够作出和使用本发明，并且不意于以任何方式限制本发明的范围。关于公开的方法，介绍的步骤的顺序本质上是示例性的，并因此不是必需的或关键的。

如图1所示，本发明包括燃料电池部件2。燃料电池部件2具有导电衬底4。导电衬底4具有第一表面6和第二表面8。第一表面6与第二表面8设置在导电衬底4的相反侧上。在特定的说明性实施例中，导电衬底4为不锈钢箔。熟练技工可按照需要为导电衬底4选择其他合适的材料。

燃料电池部件2具有第一流体分配层10、第二流体分配层12、盖层14、第三流体分配层16和一对扩散介质层18、20。该对扩散介质层18、20包括第一扩散介质层18和第二扩散介质层20。多个燃料电池部件2可以以堆叠形成设置，其中其间设置有膜电极组件22，以形成燃料电池24。燃料电池24还可包括在每个膜电极组件22与相邻的燃料电池部件2之间的微孔层27。

例如，如受让人的共同未决的美国专利申请No.12/341,062、12/341,105、12/603,147、12/466,646、12/466,405和12/603,120所描述地，第一流体分配层10、第二流体分配层12、第三流体分配层16、盖层14和所述一对扩散介质层18、20由一种或多种辐射敏感材料形成。在一个特定的实施例中，第一流体分配层10、第二流体分配层12、第三流体分配层16、盖层14和该对扩散介质层18、20通过可辐射固化的材料的光致聚合作用制造。

第一流体分配层10具有多个第一通道26和多个第二通道28。多个第一通道26与多个第二通道28设置在导电衬底4的第一表面6上。第二流体分配层12设置在导电衬底4的第二表面8上。盖层14设置在第一流体分配层10上。第一流体分配层10的第一通道26被盖层14覆盖。第一流体分配层10的第二通道28没有被盖层14覆盖。第三流体分配层16设置在盖层14上。第三分配层16具有多个第一通道30和多个第二通道32。盖层14将第一流体分配层10的第一通道26与第三流体分配层16的第一通道30分开。第一流体分配层10的第二通道28与第三流体分配层16的第二通道32流体连通。在特定的实施例中，由于相应通道的失对准，所以第三流体分配层16的第一通道30和第二通道32的全部与未被盖的第一流体分配层10的第二通道28流体连通。第一扩散介质层18设置在第三流体分配层16上。第二扩散介质层20设置在第二流体分配层12上。

说明性地，第一流体分配层10具有从导电衬底4的第一表面6向外延伸的多个第一聚合物肋34。第一聚合物肋34可与第一表面6大致垂直，或者相对于第一表面6成角度（倾斜）。第一通道26由第一聚合物肋34之间的第一跨距限定。第二通道28由第一聚合物肋34之间的第二跨距限定。第一和第二跨距可横过第一流体分配层10交替，或者可按照需要设置成其他布置。盖层14包括桥接第一聚合物肋34之间的第一跨距的多个聚合物盖段36。第一聚合物肋34之间的第二跨距即使当盖层14设置在第一流体分配层10上时也保持暴露。

第三流体分配层16包括多个第三聚合物肋38。第三聚合物肋38从聚合物盖段36向外延伸。第三聚合物肋38可与聚合物盖段36的表面大致垂直，或者相对于聚合物盖段36的表面成角度（倾斜）。第三聚合物肋38限定第三流体分配层16的多个第一通道30和多个第二通道32。

如图1所示，燃料电池部件2的第二流体分配层12可包括多个第二聚合物肋40。第二聚合物肋40从导电衬底4的第二表面8向外延伸。第二聚合物肋40可与第二表面8大致垂直，或者相对于第二表面8成角度（倾斜）。第二聚合物肋40形成第二流体分配层12的多个通道42。在图2-7所图示的替代性实施例中，第二流体分配层12可包括聚合物微桁架网络44。第二聚合物肋40可与聚合物微桁架网络44结合使用，例如以控制第二流体分配层12的顺从性。类似的聚合物微桁架网络44还可与各种第一聚合物肋34、第二聚合物肋38和第三聚合物肋40结合采用，以形成第一流体分配层10、第二流体分配层12和第三流体分配层16的流场。

应理解的是，根据本发明的所述一对扩散介质层18、20中的每个扩散介质层由与底层的第一、第二和第三流体分配层10、12、16一样的聚合物制成。如图2-7所示，第一扩散介质层18与第二扩散介质层20中的至少一个扩散介质层可被形成为聚合物栅格。聚合物栅格可具有多个规则隔开的第一壁46和多个规则隔开的第二壁48。在某些示例中，第一壁46与第二壁48中的至少一个没有规则地隔开，但相对于彼此具有变化的间距。第一壁46可设置成与第二壁48大致正交。在其他示例中，第一壁46不与第二壁48正交，并且可形成菱形孔隙。用于形成多孔扩散介质层18、20的其他聚合物结构和几何形状也在本发明的范围内。

重新参考图1，燃料电池部件2还包括导电涂层50。导电涂层50可由在燃料电池24的操作条件下具有足够的耐蚀性的任何导电材料形成。导电涂层50说明性地沉积在导电衬底4、第一流体分配层10、第二流体分配层12、第三流体分配层16、盖层14和所述一对扩散介质层18、20中的每一个上。沉积在导电衬底4、第一流体分配层10、第二流体分配层12、第三流体分配层16、盖层14和所述一对扩散介质层18、20中的每一个上，导电涂层50便于通过燃料电池部件2的厚度的传导性。在特定的实施例中，导电涂层50没有形成在第一通道26中的每个第一通道的内表面、覆盖每个第一通道26的盖层14的内表面、和导电衬底4的与盖层14的内表面相对的表面上。第一通道26从而可用于冷却剂通过燃料电池部件2的输送，并大致与导电涂层50绝缘。应意识到的是，在盖层14阻塞冷却剂从第一通道26泄露到第三流体分配层16中的情况下，第一流体分配层10的未被盖的第二通道28提供到衬底4的开放路径，以允许通过燃料电池部件2的传导。还应意识到的是，可有利地在单个沉积步骤中沉积导电涂层50。

参考图8A-8H，导电衬底4可包括一对集管100、102，具有阴极反应物入口104与阳极反应物入口106、阴极反应物出口108与阳极反应物出口110和冷却剂入口112与冷却剂出口114。第一流体分配层10、第二流体分配层12、第三流体分配层16、盖层14和扩散介质层18、20设置在集管100、102之间。

在图8B和8C说明性地描绘的一个特定的实施例中，燃料电池部件2构造成分配第一流体分配层10的第一通道26中的冷却剂。例如，冷却剂可通过第一流体分配层10的第一通道26从冷却剂入口112分配至冷却剂出口114。作为非限制性示例，诸如来自加压氧源的空气或氧的阴极反应物可分配在第一流体分配层10的第二通道28中。第一流体分配层10从而可作为燃料电池部件2内不连续的冷却剂分配层。

第三分配层16还构造成分配第一通道30和第二通道32中的阴极反应物。第一流体分配层10的第二通道28与第三流体分配层16的第二通道32彼此开放并有效地结合，以形成用于阴极反应物通过燃料电池部件2的分配的较大的单体通道。尤其地在第三流体分配层16的第一通道30和第二通道32与第一流体分配层10的第一通道26和第二通道28未对准的情况下，第三流体分配层16的第一通道30还可对第一流体分配层10的第二通道28开放。第三流体分配层16的第一通道30和第二通道32与第一流体分配层10的第二通道28有效地结合，以便阴极反应物的分配。作为非限制性示例，第二流体分配层12可构造成分配阳极反应物例如来自加压氢源的氢。

应意识到的是，如果在燃料电池24的操作期间存在无意的冷却剂泄露，则如在上文所描述地，冷却剂在导电衬底4的阴极侧上通过第一通道26的分配可影响导电衬底4的阳极侧的不期望的污染。然而，第一流体分配层10的第二通道28和第三流体分配层16的第一通道30与第二通道32中的阳极反应物的分配、和第二流体分配层12的流动通道42中的阴极反应物的分配同样在本发明的范围内分配。

本发明还包括用于制造燃料电池部件2的方法。尽管在图8A-8H中序贯地示出了方法的步骤，但应理解的是，形成燃料电池部件2的各种聚合物结构的制造可大致同时执行，例如，如在受让人的共同未决的美国专利申请No.12/339,308中所描述。

如图8A-8B所示，方法首先包括提供具有第一表面6和第二表面8的导电衬底4的步骤。例如，导电衬底4可以是从不锈钢卷获得的不锈钢箔。具有孔洞的塑料膜，其随后用导电材料50电镀以使塑料膜通过厚度导电，并且还是非多孔的，可替代性地被采用。例如可利用切割、冲压、冲裁、冲孔或利用其它众所周知的方法处理导电衬底4的卷，以形成阴极反应物入口104与阳极反应物入口106、阴极反应物出口108与阳极反应物出口110和冷却剂入口112与冷却剂出口114。用于燃料电池部件2的其他期望特征诸如堆健康监测器(SHM)或电池电压监测(CVM)片116、定位销(未示出)和对准标记(未示出)可在导电衬底4的周边或边缘处形成在导电衬底4中。

然后可将多个辐射敏感材料层层压在导电衬底4的第一表面6和第二表面8上。辐射敏感材料层可对辐射类型和辐射强度中的至少一个具有不同的敏感度，例如，如在受让人的共同未决的美国专利申请No.12/339,308中所描述。可在沿图案线118切割卷之前或之后处理辐射敏感材料层，以便为燃料电池部件2的制造提供导电衬底4单独的板。

如图8所图示地，然后通过将辐射敏感材料中的一种辐射敏感材料选择地暴露到例如来自一个或多个辐射源的多个辐射束，在导电衬底4的第一表面6上形成具有多个第一通道26和多个第二通道28的第一流体分配层10。第一通道26与第二通道28从导电衬底4的冷却剂入口112延伸至冷却剂出口114。第二通道28可具有横过其形成的至少一个流动堵塞壁120，以便产生用于冷却剂的终端（dead-end）路径。流动堵塞壁120尤其地在第二通道28中设置在冷却剂入口112处，以影响冷却剂进入第二通道28的任何流动。冷却剂入口12在第一集管100处的尺寸可较宽，以适应在冷却剂入口112处由流动阻塞壁120产生的有限的流动面积。额外于减小燃料电池部件2的冷却剂体积外，流动阻塞壁120向底层的导电衬底4提供通过第一流体分配层10的额外传导路径。应意识到的是，流动阻塞壁120还因此可形成在沿燃料电池部件2的任意处例如在燃料电池部件2的馈送区域(feeder area)和有效区域（active area）中。

第一通道26可在沿导电衬底4的长度从冷却剂入口112到冷却剂出口114的布置中与第二通道28交替。第一通道26构造成通过燃料电池部件2分配冷却剂。应意识到的是，第一通道26从而在燃料电池部件2中有效地形成冷却剂流场。冷却剂如图8B所示可沿通过第一通道26横过燃料电池部件2的弯曲路径，或者可按照需要沿其他合适的路径。而不传送冷却剂的第二通道28构造成分配阴极反应物，例如如图8D所示，并形成燃料电池部件2的阴极反应物流场的一部分。

流场构型可包括绕导电衬底4的周边的壁。如图8B所示，该壁还围绕阴极反应物入口104与阳极反应物入口106和阴极反应物出口108与阳极反应物出口110设置。作为非限制性示例，该壁由与第一流体分配层10的第一通道26与第二通道28相同的可辐射固化的材料形成。在第一流体分配层10的形成之后，可例如通过用合适的溶剂冲洗来去除过量的未固化的辐射敏感材料量。替代地，可在接近用于燃料电池部件2的制造方法的完成的单个步骤中进行过量辐射敏感材料的去除。

参考图8C，通过将辐射敏感材料层中的一层选择地暴露到来自一个或多个辐射源的多个辐射束，在第一流体分配层10上形成盖层14。第一流体分配层10的第一通道26被盖层14覆盖，而第一流体分配层10的第二通道28没有被盖层14覆盖。例如，盖层14形成在第一通道26中的每个的顶上。流动阻塞壁120同样地被盖层14覆盖。尽管没有完全覆盖第二流动通道28，但盖层14还可提供第二流动通道28附加的桥接，以便支撑随后增加的第三流体分配层16(在图8D中示出)。与第一流体分配层10的制造一样，可在该步骤或者在用于燃料电池部件2的制造方法随后的步骤期间从盖层14去除过量的辐射敏感材料。

如图8D所图示，然后例如通过将辐射敏感材料层中的一层选择地暴露于来自至少一个辐射源的多个辐射束，在盖层14上形成第三流体分配层16。第一密封124还形成在导电衬底4的周边处并围绕冷却剂入口112与冷却剂出口114和阳极反应物入口106与阳极反应物出口110。作为非限制性示例，第一密封124可由与第三流体分配层16相同的可辐射固化的材料形成。在另一非限制性示例中，第一密封124被应用为分立的聚合物衬垫。

第三流体分配层16具有多个第一通道30和多个第二通道32，所述多个第一通道30和多个第二通道32中的每个通道构造成将阴极反应物从阴极反应物入口104分配至阴极反应物出口108。第三流体分配层16的第一通道30与第二通道32和第一流体分配层10的第二通道28从而形成燃料电池部件2的阴极流场。第一通道30与第二通道32例如如图8D所示可呈现2：1的分支（branching）。然而，熟练技工应明白还可采用其他的流动路径构造。

盖层14将第一流体分配层10的第一通道26与可透过的第三流体分配层16分开。例如，盖层14可将第一流体分配层的第一通道26与第三流体分配层16的第一通道30与第二通道32分开。同样地，盖层14允许第一流体分配层10的第二通道28与第三流体分配层16、例如第三流体分配层16的第一通道30与第二通道32之间的流体连通。与第一流体分配层10和盖层14的制造一样，可在该步骤或者在用于燃料电池部件2的制造方法随后的步骤期间从第三流体分配层16去除过量的辐射敏感材料。

参考图8E，在导电衬底4的第二表面8上形成第二流体分配层12。还在导电衬底4的周边处并围绕冷却剂入口112与冷却剂出口114和阴极反应物入口104与阴极反应物出口108形成第二密封126。从而制造燃料电池部件2的阳极流场。与第一流体分配层10、盖层14和第三流体分配层16的制造一样，可在该步骤或者在用于燃料电池部件2的制造方法随后的步骤期间从第二流体分配层12去除过量的辐射敏感材料。然而，由于在施用扩散介质层18、20的随后步骤会另外使过量的辐射敏感材料的去除更困难，所以可能尤其有利的是，在阳极流场的制造之后，从图8B-8E所图示的所有步骤进行过量的辐射敏感材料的去除。

在过量的辐射敏感材料的去除之后，可用亲水性涂层、疏水性涂层或两者的组合处理第二流体分配层12和第三流体分配层16中的至少一个。其他处理诸如表面纹饰应用等也在本发明的范围内。

如图8F和8G所图示，例如通过将辐射敏感材料层中的多个层选择地暴露到来自至少一个辐射源的多个辐射束，可在导电衬底4的相对侧上形成所述一对多孔扩散介质层18、20。作为非限制性示例，扩散介质层18、20可以是薄的板条状或栅格状聚合物结构。在特定的实施例中，第一扩散介质层18形成在第三流体分配层16上，而第二扩散介质层20形成在第二流体分配层12上。扩散介质层18、20构造成承载横跨第三流体分配层16和第二流体分配层12的通道30、32、42的压缩负载。第三密封128和第四密封130还可与多孔扩散介质层18、20一起形成，或者按照需要应用为分立的聚合物衬垫。如果第三密封128和第四密封130应用为分立的衬垫，则应意识到的是，在将第三密封128和第四密封130应用于多孔扩散介质层18、20之前来形成多孔扩散介质层18、20。如果第三密封128和第四密封130形成为扩散介质层18、20的一部分，则没有分立的应用。各种密封在合适的情况下还可组合，以便限制燃料电池部件2中分立密封的数量。

应意识到的是，除盖层14之外，导电衬底4、第一流体分配层10、第二流体分配层12、第三流体分配层16和所述一对扩散介质层18、20的相应对准对于本发明的燃料电池部件2不是特别关键的。这是因为仅盖层14需要尤其地相对于第一流体分配层10对准，以便盖住第一流体分配层的所选择的通道。与制造方法相关的难度因此得以最小化。

该方法还包括通过导电涂层50电镀具有第一流体分配层10、第二流体分配层12、盖层14和第三流体分配层16的导电衬底4的两侧的步骤。可在扩散介质层18、20的施用步骤之前或之后进行电镀步骤。如果在施用扩散介质层18、20的步骤之前进行电镀步骤，则可在施用扩散介质层18、20之后执行另一电镀步骤。其他电镀步骤可允许以比在初始的电镀步骤期间施用的导电涂层50的厚度小的厚度在扩散介质层18、20上电镀导电涂层50。还可能合乎需要的是，扩散介质层18、20不是过分的传导，因为扩散介质层18、20内的热梯度可便于燃料电池部件2中的水管理。例如，热梯度可驱动使作为蒸汽的水向阴极与阳极流场移动的水蒸汽分压力梯度。替代地，应意识到的是，第一流体分配层10、第二流体分配层12、盖层14、第三流体分配层16和扩散介质层18、20中全部的电镀可有利地在一个电镀步骤中执行，从而降低燃料电池部件2的制造复杂性。

在采用微孔层27的情况下，例如为了为膜电极组件22提供机械支撑，接下来可将微孔层27施用于扩散介质层18、20。微孔层27可以是疏水的，以便进一步便于膜电极组件22的电极的水管理。还可将微孔层27施用在邻近燃料电池部件2的集管100、102的隧道区域中，以便提供密封支撑。

现在参考图8H，膜电极组件22，包括夹在一对电极(未示出)之间的聚合物电解质膜132和子衬垫138，然后可施用于燃料电池部件2。膜电极组件22的部件可单独地或作为整体部件一起沉积在扩散介质层18、20或微孔层27上。

在图8B-8H所图示的方法形成为从导电衬底4的卷开始的连续过程的情况下，单独的燃料电池部件2可从卷切割并堆叠以形成根据本发明的燃料电池24。

熟练的技工应意识到的是，其他考虑可支配燃料电池部件2的总体设计。例如，各种流动通道26、28、30、32、42可沿着弯曲路径，以便影响扩散介质层18、20的裁剪。同样地，板条状或栅格状扩散介质层18、20可成角度（倾斜），以便影响跨膜电极组件22的彼此对准。

在一个实施例中，阴极反应物和阳极反应物的流动构型可与冷却剂通过燃料电池部件2的流动构型交叉流动。在另一实施例中，在冷却剂与阴极反应物同向流动的情况下，阳极反应物流动可与阴极反应物流动反向流动。还可采用多个阴极反应物入口104与阴极反应物出口108、阳极反应物入口106与阳极反应物出口110和冷却剂入口112与冷却剂出口114，以在常规流动布置的情况下维持横过燃料电池部件2的低的压降。可按照需要采用反应物与冷却剂交叉流动、反向流动和同向流动的其他布置。

有利地发现，扩散介质层18、20与第一流体分配层10、第二流体分配层12和第三流体分配层16的机械结合消除了否则在现有技术的燃料电池中经历的接触阻值损失，所述现有技术的燃料电池由在压缩下放置的机械地分立部件形成。此外，在使用基于碳纤维的扩散介质层时所通常采用的制造序列通过本发明的燃料电池部件2和相关方法的使用被消除。燃料电池部件2和相关的方法提高设计灵活性并使工具需求最少。

尽管为了说明本发明已示出了某些代表性的实施例和细节，但对本领域的技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的在以下所附的权利要求中进一步描述的范围的情况下可作出各种变化。

Claims (20)

1.一种燃料电池部件，包括：

导电衬底，其具有第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面设置在所述导电衬底的相反侧上；

第一流体分配层，其设置在所述导电衬底的所述第一表面上，所述第一流体分配层具有多个第一通道和多个第二通道；

第二流体分配层，其设置在所述导电衬底的所述第二表面上；

盖层，其设置在所述第一流体分配层的至少一部分上，所述第一流体分配层的所述第一通道被所述盖层覆盖，而所述第一流体分配层的所述第二通道没有被所述盖层覆盖；

设置在所述盖层上的第三流体分配层，所述盖层将所述第一流体分配层的所述第一通道与所述第三流体分配层分开，所述第一流体分配层的所述第二通道与所述第三流体分配层流体连通；以及

设置在所述第三流体分配层上的第一扩散介质层和设置在所述第二流体分配层上的第二扩散介质层。

2.根据权利要求1所述的燃料电池部件，其中所述第一流体分配层包括从所述导电衬底的所述第一表面向外延伸的多个第一聚合物肋，所述第一流体分配层的所述第一通道由所述第一聚合物肋之间的第一跨距限定，而所述第一流体分配层的所述第二通道由所述第一聚合物肋之间的第二跨距限定。

3.根据权利要求2所述的燃料电池部件，其中所述盖层包括多个聚合物盖段，所述盖段桥接所述第一聚合物肋之间的所述第一跨距。

4.根据权利要求3所述的燃料电池部件，其中所述第三流体分配层具有设置在所述盖层上的多个第一通道和多个第二通道，所述盖层将所述第一流体分配层的所述第一通道与所述第三流体分配层的所述第一通道分开，所述第一流体分配层的所述第二通道与所述第三流体分配层的所述第二通道流体连通，并且其中所述第三流体分配层包括从所述聚合物盖段向外延伸的多个第三聚合物肋，所述第三聚合物肋形成所述第三流体分配层的第一通道和第二通道。

5.根据权利要求1所述的燃料电池部件，其中所述第二流体分配层包括从所述导电衬底的所述第二表面向外延伸的多个第二聚合物肋，所述第二聚合物肋形成所述第二流体分配层的通道。

6.根据权利要求1所述的燃料电池部件，其中所述第二流体分配层由聚合物微桁架网络形成。

7.根据权利要求1所述的燃料电池部件，其中所述第二流体分配层包括多个通道。

8.根据权利要求1所述的燃料电池部件，其中所述第一扩散介质层与所述第二扩散介质层中的每个由具有多个第一壁和与所述第一壁相交的多个第二壁的聚合物栅格形成。

9.根据权利要求1所述的燃料电池部件，还包括沉积在所述导电衬底、所述第一流体分配层、所述第二流体分配层、所述第三流体分配层、所述盖层和所述第一扩散介质层与所述第二扩散介质层中的每一个上的导电涂层。

10.根据权利要求9所述的燃料电池部件，其中所述导电涂层没有形成在所述第一流体分配层的所述第一通道中的每个的内表面、覆盖所述第一流体分配层的所述第一通道每个的所述盖层的内表面、和与所述盖层的所述内表面相对的所述导电衬底的表面上。

11.根据权利要求1所述的燃料电池部件，其中所述导电衬底为不锈钢箔。

12.根据权利要求1所述的燃料电池部件，其中所述第一流体分配层、所述第二流体分配层、所述第三流体分配层、所述盖层和所述第一扩散介质层和第二扩散介质层通过光致聚合作用形成。

13.根据权利要求1所述的燃料电池部件，其中所述导电衬底包括具有反应物入口和出口与冷却剂入口与出口的一对集管，所述第一流体分配层、所述第二流体分配层、所述第三流体分配层、所述盖层、所述第一扩散介质层和所述第二扩散介质层设置在所述集管之间。

14.根据权利要求13所述的燃料电池部件，其中所述第一流体分配层构造成分配所述第一流体分配层的所述第一通道中的冷却剂和所述第一流体分配层的所述第二通道中的阴极反应物，所述第二流体分配层构造成分配阳极反应物，而所述第三流体分配层构造成分配阴极反应物。

15.根据权利要求14所述的燃料电池部件，还包括邻近所述第一扩散介质层与所述第二扩散介质层中的至少一个设置的膜电极组件。

16.根据权利要求15所述的燃料电池部件，其中微孔层设置在所述第一扩散介质层和所述第二扩散介质层中的所述至少一个与所述膜电极组件之间。

17.根据权利要求15所述的燃料电池部件，其中所述导电衬底包括一对集管，所述第一流体分配层、所述第二流体分配层、所述第三流体分配层、所述盖层、所述第一扩散介质层和所述第二扩散介质层设置在所述集管之间。

18.一种燃料电池，包括：

以堆布置的一对燃料电池部件，燃料电池部件中的每个包括：具有第一表面和第二表面的导电衬底，所述第一表面和所述第二表面设置在所述导电衬底的相反侧上；设置在所述导电衬底的所述第一表面上的第一流体分配层，所述第一流体分配层具有多个第一通道和多个第二通道；设置在所述所述导电衬底的所述第二表面上的第二流体分配层；盖层，其设置在所述第一流体分配层的至少一部分上，所述第一流体分配层的所述第一通道被所述盖层覆盖，而所述第一流体分配层的所述第二通道没有被所述盖层覆盖；设置在所述盖层上的第三流体分配层，所述盖层将所述第一流体分配层的所述第一通道与所述第三流体分配层分开，所述第一流体分配层的所述第二通道与所述第三流体分配层流体连通；和设置在所述第三流体分配层上的第一扩散介质层与设置在所述第二流体分配层上的第二扩散介质层；以及

膜电极组件，其设置在所述一对燃料电池部件之间。

19.一种用于制造燃料电池部件的方法，所述方法包括步骤：

提供具有第一表面和第二表面的导电衬底，所述第一表面和所述第二表面设置在所述导电衬底的相反侧上；

将多层辐射敏感材料设置在所述导电衬底的所述第一表面和所述第二表面上；

在所述导电衬底的所述第一表面上形成具有多个第一通道和多个第二通道的第一流体分配层；

在所述导电衬底的所述第二表面上形成第二流体分配层；

在所述第一流体分配层上形成盖层，所述第一流体分配层的所述第一通道被所述盖层覆盖，而所述第一流体分配层的所述第二通道没有被所述盖层覆盖；

在所述盖层上形成第三流体分配层，所述盖层将所述第一流体分配层的所述第一通道与所述第三流体分配层分开，所述第一流体分配层的所述第二通道与所述第三流体分配层流体连通；以及

形成包括第一扩散介质层与第二扩散介质层的一对扩散介质层，所述第一扩散介质层形成在所述第三流体分配层上，而所述第二扩散介质层形成在所述第二流体分配层上，

其中通过选择性地使所述多层辐射敏感材料暴露于来自至少一个辐射源的多个辐射束形成所述第一流体分配层、所述第二流体分配层、所述盖层、所述第三流体分配层和所述一对扩散介质层。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括步骤：

去除所述辐射敏感材料的未固化的部分；以及

通过具有单个电镀厚度的导电涂层电镀所述辐射敏感材料的固化部分的至少一部分。