CN111937201A - 制造用于电化学电池的部件的方法以及电化学电池和电池堆 - Google Patents

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Abstract

通过增材制造工艺形成用于电化学电池的部件。可以重复增材制造工艺以生产燃料电池堆。

Description

制造用于电化学电池的部件的方法以及电化学电池和电池堆
技术领域
装置和方法涉及通过增材制造或3D打印技术生产一种或多种电化学电池、电池部件。部件可以包括可以一起形成双极板组件和/或膜电极组件(MEA)的一个或多个隔板或任意MEA部件。该方法可以包括：使用掺杂的、浸渍的或涂覆的聚合物向部件提供导电性能，以及施加电磁或其他能量来源来诱导焊接，用于沿三个维度生产更坚固且电各向同性的结构。
背景技术
电化学电池(如，燃料电池)通过化学反应产生电力。燃料电池中的一个常见反应由氢和氧之间的反应组成，从而产生水并释放电荷。通常，各电池仅产生少量电压。为了提高电压以有效工作，将电池串联在燃料电池堆中。
燃料电池通常包括至少一个MEA，并且在存在两个MEA的情况下，存在至少一个可以分隔这两个MEA的双极板组件。MEA可以包括多个层，其中，层的数量取决于待构造的MEA。在一个实施方式中，MEA可以是5层MEA，其包括夹在阳极催化剂层和阴极催化剂层之间的聚合物电解质膜。各催化剂层的外表面由气体扩散层界定。
双极板组件通常包括阳极隔板和阴极隔板。双极板组件位于两个MEA之间。双极板组件的功能是将燃料(例如，氢和氧)递送至相邻MEA，为MEAS提供机械支撑，并且还可以具有冷却MEA的功能。阳极隔板和阴极隔板可以连接在一起以形成封闭的冷却通道。
MEA可以与双极板组件交替以产生燃料电池堆。在一些情况下，存在许多MEA，其与许多双极板组件交替，以产生燃料电池堆，使该电池堆可以产生足够电能以进行有效工作。
隔板通常由导电金属、碳或聚合物复合材料制成。隔板提供从一个MEA到相邻MEA的导电。如上所述，隔板可以包括通道，以提供介质(例如燃料和氧气的反应物)来进料给反应以及冷却流体。MEA和隔板可以一起形成电池。隔板为电池提供结构支撑。
隔板可以由固体石墨块加工而成，其具有电学性质各向同性的优点。然而，该工艺昂贵且费时。
隔板还可以通过将材料(例如，石墨薄片)添加至模具中的聚合物而产生。不利的是，石墨薄片通常仅沿x-y平面取向，而不会沿z方向穿过层进行取向，所以隔板并不是电各向同性的。可以将金属粉末加入材料中，但是这会增加重量，并且使得隔板更重。现有技术的设计可以使用具有高石墨填料含量的聚合物，最终会降低材料的可模塑性能。
通常，隔板通过冲压或模塑工艺制成，并且金属板通常由冲压制成，聚合板通常由模塑制成。该工艺涉及昂贵的工具加工，并且除非进行昂贵重新装配(retooling)，否则仅限于产生单板设计。因此，除非创造新的工具，否则制造商通常仅限于制造单一形状或大小的燃料电池。燃料电池通常使用的标准形状/尺寸是正方形或矩形，在某些情况下，例如车辆中，该形状/尺寸不太适合可用空间。
现有技术燃料电池还需要许多垫片以使得多个流体通道密封。每个垫片都增加了燃料电池的成本，并且每个垫片代表了燃料电池的故障模式。
现有技术的燃料电池还需要笨重的夹持机构以使密封件有效并降低MEA部件和隔板之间的电阻。
有利的是具有一种用于制造电化学电池的方法，而没有与现有技术方法有关的缺点。
发明内容
一种制造电化学电池部件的方法，所述方法可包括如下步骤：提供用于生产3D物体的增材制造设备，该增材制造设备包括：支撑平台，其具有用于在支撑平台上产生三维物体的构建区域；以及可移动沉积装置，用于在该构建区域上沉积可流动的导电材料；用加热装置将导电材料加热至高于第一温度，从而为沉积装置提供可流动的导电材料，该可流动材料在低于第二温度时凝固；移动可移动沉积装置以将可流动导电材料依次沉积在支撑平台的构建区域上，从而产生用于电化学电池的部件，该部件具有至少一个用于介质传输的通道。
该方法的另一个方面可以是：导电材料是碳载热塑性材料或热固性材料。
该方法的另一方面可以是：碳载热塑性材料是碳涂覆热塑性纤丝。
该方法的另一方面可以是：通道的横截面面积随着沉积而变化。
另一方面可以是：该方法包括使用设备以在部件中打印多个通道以及与通道连通的一个或多个歧管。
另一方面可以是：该方法包括活化步骤，以使导电材料固化。
该方法的另一方面可以是：将通道打印成曲折通道，该曲折通道沿着一个部件面的长度，在该部件面上从一侧横行到该面的相对侧。
该方法的另一方面可以是：将部件打印成包括在曲折通道一个末端处且与曲折通道流体连通的第一开口、以及在曲折通道另一末端处且与曲折通道流体连通的第二开口。
该方法的另一方面可以是：将部件打印成包括阳极隔板、阴极隔板和/或双极板。
该方法的另一方面可以是：将双极板打印成在板的相对侧上包括两个活性表面，其中，一个活性表面面对阳极电极电池，并且相对侧面对阴极电极电池。
该方法的另一方面可以是：将所述部件打印成包括阳极隔板，该阳极隔板具有打印在阳极隔板的一侧上的阳极隔板曲折通道，并且还包括：在阳极隔板周围添加电绝缘材料，将膜电极组件置于阳极隔板上，在膜电极组件和电绝缘材料上用初始可流动的沉积材料打印阴极隔板，其中，所述阴极隔板在第一侧上打印有第一阴极板曲折通道，在第二侧上打印有第二阴极板曲折通道。
该方法的另一方面可以包括：向阳极隔板、阴极隔板、电绝缘材料或膜电极组件中的一个或多个施加能量。
该方法的另一方面可以是：能量导致阳极隔板变得可流动，从而使膜电极组件嵌入阳极隔板中。
此外，一种制造燃料电池堆的方法包括：提供用于生产3D物体的增材制造设备，该增材制造设备包括：用于在其上支撑三维物体制造的支撑平台；将导电材料加热至高于第一温度，从而为沉积机构提供可流动的导电材料，该可流动材料在低于第二温度时凝固；根据数据文件逐层沉积可流动材料，以产生支撑在支撑平台上的第一隔板，所述第一隔板沉积成具有至少一个通道以使介质从中传输通过；将膜电极组件置于所沉积的第一隔板上，与所述第一隔板的至少一个通道接触；使得非导电材料位于膜电极组件未延伸的第一隔板上；在层上沉积可流动材料层，以产生第二隔板，该第二隔板在面对膜电极组件的一侧上具有至少一个通道，并且在与由沉积材料形成的膜电极组件相对的一侧上具有由沉积材料产生的至少一个通道，其中，这两种通道都用于传输介质；以及在沉积时将能量施加到一层或多层各单独层。
该方法的另一个方面可以是：该能量是热量，所述热量至少添加到非导电材料中以使其软化，从而使膜电极组件至少部分嵌入其中。
该方法的另一个方面可以是：导电材料是碳涂覆热塑性纤丝。
该方法的另一个方面可以是：在沉积时将等离子体或微波能量施加至各单独层。
该方法的另一个方面可以是：沉积至少一个通道，以包括多个曲折通道，该曲折通道沿着第一隔板面的长度，在第一隔板面上从一侧横行到该面的相对侧。
该方法的另一个方面可以是：第一隔板进行沉积以包括在多个曲折通道的一个末端处且与多个曲折通道流体连通的第一开口、以及在曲折通道另一末端处且与曲折通道流体连通的第二开口。
该方法的另一个方面可以是：打印在第一和第二隔板中的一个或多个歧管以可变的横截面进行打印，以改变歧管中流体的流动速率。
该方法的另一个方面可以是：使紧固件保持器嵌入第一隔板或第二隔板中。
该方法的另一个方面可以是：使传感器嵌入第一隔板或第二隔板中。
该方法的另一个方面可以包括：使渗透屏障位于面对膜电极组件的一侧上的至少一个通道和与膜电极组件相对一侧上的至少一个通道之间的第二隔板中。
制造电化学电池的方法可以包括：用增材制造设备打印电化学电池的部件。
附图说明
图1显示可用于生产本公开结构的3D打印或熔融纤丝制造设备的一个实施方式的透视图；
图2描绘了阳极隔板的一个实施方式的初始层的一个实施方式，所述阳极隔板在图1的设备上进行打印；
图3描绘了所打印的阳极隔板的一个实施方式，所述阳极隔板在图1的设备上进行打印；
图3A描绘了沿图3中线3-3的横截面的一个实施方式；
图4描绘了电绝缘材料的一个实施方式，所述电绝缘材料位于或打印在所打印的阳极隔板上；
图5描绘了膜电极组件的一个实施方式，所述膜电极组件位于或打印在所打印的阳极隔板和电绝缘材料上；
图6描绘了图5的膜电极组件的一个实施方式，所述膜电极组件安装在所打印的阳极隔板和电绝缘材料上；
图6A描绘了具有气体扩散层的膜电极组件的一个实施方式；
图7描绘了进行打印的阴极隔板的初始层的一个实施方式；
图7A描绘了添加至阴极隔板的渗透层的一个实施方式；
图8描绘了所打印的阴极隔板的另一层的一个实施方式，所述阴极隔板在图1的设备上进行打印；
图9描绘了所打印的阴极隔板的另一层的一个实施方式，所述阴极隔板在图1的设备上进行打印；
图10描绘了用于电化学电池的外部歧管的一个实施方式；
图11描绘了内部歧管横截面形状的实施方式；
图12描绘了外部流体歧管的一个实施方式；并且
图13描绘了所打印的具有歧管的框架的另一实施方式，其中，所述框架容纳电化学电池的部件。
发明详述
应当理解，除非明确相反地指出，否则本文公开的实施方式可以采取各种替代的取向和步骤顺序。还应当理解，附图中所示的以及以下说明书中描述的特定装置和工艺仅仅是本发明构思的示例性实施方式。因此，与所公开的实施方式有关的特定尺寸、方向或其它物理特性不应被认为是限制性的。
在一个实施方式中，燃料电池部件和/或一个或多个燃料电池通过增材制造工艺生产。本文所述的结构和方法主要涉及通过增材制造方法来生产燃料电池。然而，可以理解的是，可以使用该方法选择性地制造一个或多个燃料电池部件的全部或部分，所述部件可以是单个或组合的。此外，一个或多个燃料电池的全部或部分可以使用该方法制造。以下将描述用于制造燃料电池部件的方法，所述燃料电池部件也可以是燃料电池的一部分。
现参考图1，示意性描绘了该方法的一个实施方式。燃料电池部件可以使用熔融纤丝制造(FFF)设备20和工艺来生产。虽然描述并描绘了FFF设备20和工艺，但是可以使用其它增材制造设备和工艺。所述工艺包括但不限于：熔融沉积模塑、选择性激光烧结、选择性激光熔化、电子束熔化和物体分层制造。
FFF通过一层一层地铺设或沉积熔融或可流动材料来形成结构，这些材料粘结在一起形成3D结构。在如图1所示的FFF设备20的一个实施方式中，固体纤丝22形式的材料在室温下从线圈(未显示)经由辊24或其它前进装置进料至加热器或加热元件26，所述加热器或加热元件26将材料改变为熔融或可流动形式。该改变发生的温度可以是第一温度。材料为固体的温度可以是第二温度，其中，第二温度低于第一温度。随后，材料通过沉积装置或机构(例如，喷嘴)28挤出到基底或平台30上。来自纤丝26的材料在本文中将被称为材料26。
材料26可以是热塑性的，在室温下为固体，但当受热时变得可流动。在一个实施方式中，材料26是碳掺杂或浸渍热塑性材料。在另一实施方式中，材料26可以是：例如，碳涂覆纤丝，如可购自德克萨斯州卡城(College Station,TX)77845的易升腾材料公司(Essentium Materials)的那些，5880Imperial Loop Dr#10。也可以使用热固性材料26。材料还可以是例如固体氧化物或陶瓷材料。
沉积装置28可安装在一个或多个可移动臂32或轨道上，完全在计算机34的控制下，沿x-y平面在平台30上移动以沉积材料26的层，并沿z方向垂直地移动以在之前沉积的层上添加层。或者，基底或平台30可以在计算机控制下移动，或者沉积机构和平台两者可以在计算机控制下移动，从而在x、y和z平面中移动。还可以控制沉积装置的速度(例如，通过计算机34)，包括停止和开始沉积，从而形成所有类型的3D结构。
待制造的所需结构可以限定于计算机辅助设计(CAD)文件或通过计算机34可读取的其它文件中，并且可以按需尽可能精细的细节逐层限定结构。这些层可以包括燃料电池的各部件(例如，每一层是一个部件)，或者各部件可以包括多个层。
虽然本说明书从打印阳极隔板36开始，但是所述工艺并不限于从该隔板36开始。相反，如以上可以理解的，可以以任意顺序打印燃料电池的任意部件。然而，更成本有效且更简单的是基本从燃料电池的一端按顺序打印至燃料电池的另一端，以使所有或大部分燃料电池部件可以打印在一起。也可以打印双极板，所述双极板包括：面对阳极电极电池的一个表面和面对阴极电极电池的另一表面。
图2描绘了图1的设备，其中，已经开始打印阳极隔板36的一个实施方式。阳极隔板36可以具有正方形或矩形周缘或形状，但是所述设备和方法不限于该形状。相反，优选以除了正方形或矩形的形状打印阳极隔板36，因为其允许该隔板36以及任意得到的燃料电池堆适应车辆或其他储存装置的非常规形状。
图2描绘了可能是材料22的初始沉积或基底层可能包括一层或多层阳极隔板36。基底层中可以提供或不提供流体通道，这将在下面进一步详细描述。在所示实施方式中，并未提供通道，所以基底层可以具有平面上表面38和平面下表面40。
在初始沉积步骤中，可以建立阳极隔板36的轮廓或周缘42。由图2可见，阳极隔板36的周缘42并不是正方形或矩形的。相反，图2中的隔板36具有一个不规则形状的实施方式。此外，经由沉积方法，可以使一个或多个反应物供应端口44和/或出口端口46首先位于隔板36中。
图3描绘了通过增材工艺打印的完成的阳极隔板36的一个实施方式。在该实施方式中，已经进一步限定了隔板36的形状，并且还进一步限定了供应端口/出口端口44、46。进一步限定是指端口44、46从板36的一侧穿过板36延伸到板36的另一侧。端口44、46的深度由通过打印工艺添加至板36的材料22的量来限定。如图3A所示，端口44、46的横截面可以是圆形的，或者可以是除了圆形之外的其它形状。在打印过程中，各端口44、46的形状可以改变，因此各单独端口44、46的形状可以改变，或者板36中的多个端口44、46的形状可以相对于彼此改变。
此外，在增材打印工艺期间，在打印了基底层之后，可以在板36中打印一个或多个通道48。更具体地说，如图3所示，多个通道48可以在板36的一侧或面52上从一个端口44、46延伸到另一端口44、46。通道48可以至少在面52的中心区域50上延伸或蜿蜒。通道48可以在三个侧面上是封闭的，并且具有开放的顶侧。可以在面52中直接形成或打印通道48，并且通道48可以包括面52中的沟槽或连续凹陷。
虽然附图中描绘了通道48的方向、数量、形状和长度的一个实施方式，但是该方法不限于这些方向、数量、形状和长度。例如，在面52上可以同时打印不同宽度、深度、尺寸和形状的通道48。当然，在进行该打印的同时，打印板36和/或端口44、46。
通道48可以运载介质，例如，反应物、冷却流体和燃料电池反应的产物。虽然单独通道48被描绘为彼此分离，但是其可以经由端口44、46流体连通。
可以将关于层/板、通道和端口的所有前述信息存储在计算机34中的或与计算机34连通的上述数据文件或单独的数据文件中。
气体扩散层(GDL)可以打印在阳极隔板36上。可以使用与用于打印阳极隔板36相同或不同的材料22来打印气体扩散层。GDL并未显示于图中。
GDL本质上用作电极，会促进反应物在催化剂层上的扩散。GDL的表面积和孔隙率允许反应物从阳极隔板36和阴极隔板(下文描述)中的通道转移至膜的催化剂区域。
可以将关于GDL的材料、形状、尺寸和特征位置的信息存储在计算机34中的或与计算机34连通的上述数据文件或单独的数据文件中。
在一个实施方式中，GDL可以包括碳纤维垫或纸张，其用作气体扩散层并且其上具有催化剂颗粒。在一个实施方式中，可以通过FFF设备20打印或沉积具有或不具有催化剂的碳纤维垫或纸张。如果所沉积材料中不含催化剂，则可以在第二步骤之后施加催化剂。
图4描绘了使电绝缘材料54位于阳极隔板36上。在所示实施方式中，材料54直接位于阳极隔板36的面52上以及板36的周缘42周围。周缘42可以包括如下区域：该区域包括端口44、46，并且在一些情况下，可以包括端口44、46的内侧，例如进入中心区域50的一部分。优选地，材料54在其位置、尺寸和形状上是连续且均匀的。电绝缘材料54具有预定厚度，并且在其内边缘58内侧形成槽腔(pocket)56。换言之，电绝缘材料54可以从阳极隔板36的周缘42出发在板36上延伸，其中，其可以围绕端口44、46延伸并超过端口44、46，到达端口44、46内侧的预定位置。电绝缘材料54的连续内边缘58限定了阳极隔板36的面54的暴露区域60的边界，在暴露区域中没有电绝缘材料54。
电绝缘材料54使阳极隔板36与阴极隔板绝缘。如果反应中产生的阳极电子能够参与同一电池的阴极反应，则会导致短路。因此，电子将不会行进至电池之外进行工作。
如果可以使用具有延伸到电池边缘的电绝缘膜的MEA，则可能不必使用如上所述的电绝缘材料54。
电绝缘材料54还具有外边缘部分62。外边缘部分62可以跟随阳极隔板36的周缘42并与之对齐。
如图5所示，可以将关于电绝缘材料54的材料、形状、尺寸和特征位置的信息存储在计算机34中的或与计算机34连通的上述数据文件或单独的数据文件中。
反应物供应端口和出口端口74、76可以位于电绝缘材料54中。材料54中的端口74、76优选与阳极隔板36中的端口44、46对准且匹配。至少这些端口44、46、74、76一起形成反应物供应和出口歧管78、80。
电绝缘材料54形成了膜电极组件或MEA 64的框架。如图5示意性显示，可以将MEA64手动或自动放置在阳极隔板36的暴露面60上的框架内。位于电绝缘材料框架54的阳极隔板36上的MEA 64的一个实施方式显示于图6中。即，MEA 64的面66与阳极隔板36的面60直接接触，而MEA 64的周缘42与电绝缘材料54直接接触。
MEA 64是燃料电池的核心部件，其有助于产生分离电子所需的电化学反应。在MEA64的阳极侧，燃料(氢气、甲醇等)被催化分解为质子、电子和其他反应产物。质子扩散通过膜，并在阴极侧与氧化剂(氧或空气)相遇，氧化剂与质子结合，同时接收从燃料中分离出的电子。各侧上的催化剂都可以进行反应，而MEA 64则允许质子通过，同时保持气体分离。依次方式，保持电池电势，并从产生电能的电池中汲取电流。
典型的MEA 64由聚合物电解质膜以及施加至阳极和阴极侧的催化剂层组成。这通常被称为三层MEA。如果MEA中包括两个气体扩散层，则通常被称为5层MEA 64'。在一些情况下，MEA 64可以设置有具有与隔板相同尺寸和形状的塑料框架(未显示)。该塑料框架可防止电池之间的电短路。可以理解，这样的框架可以消除对电绝缘材料的需求。
图6A描绘了5层MEA 64'的一个实施方式，具有气体扩散层65A、65B。不同于与MEA64’集成，气体扩散层65A、65B可以例如通过粘结分别直接附着至隔板(例如，阳极隔板36)上。可以例如以与上述相同的方式，用与上述相同的材料，通过打印来形成气体扩散层65A、65B。然后可以使MEA64’的其它层附着至气体扩散层65A、65B。
现参考图7，示意性描绘了打印过程中另一层的开始。在图7中，已铺设了阴极隔板68的初始层。该层直接位于电绝缘材料54和MEA64上，并且与之直接接触。即，阴极隔板68的中心区域70的初始层直接在MEA64的阴极侧上，并且与之直接接触，而阴极隔板68的外边缘区域72直接在电绝缘材料54上，并且与之直接接触。
经由打印工艺，可以将一个或多个反应物供应端口和/或出口端口82、84限定于板68中。端口82、84优选与端口74、76对准且匹配，由此延伸歧管78、80。
此外，可以在板68中打印一个或多个MEA侧通道86。更具体地说，如图7所示，多个MEA侧通道86可以在板68的一侧或面88上从一个端口82、84延伸到另一端口82、84。MEA侧通道86可以至少在面88的中心区域90上延伸或蜿蜒。MEA侧通道86可以在三个侧面上是封闭的，并且具有开放的顶侧。可以在面88中直接形成或打印MEA侧通道86，并且MEA侧通道86可以包括面88中的沟槽或连续凹陷。
虽然附图中描绘了通道86的方向、数量、形状和长度的一个实施方式，但是该方法不限于这些方向、数量、形状和长度。例如，在面88上可以同时打印不同宽度、深度、尺寸和形状的通道86。当然，在进行该打印的同时，打印板68和/或端口82、84。
增材打印工艺将一层或多层添加至阴极隔板68，使得MEA侧通道86进一步限定有侧壁和底部。
图7A描绘了一个替代性实施方式，其中，渗透屏障位于板68中。渗透屏障可以位于通道86和冷却剂通道92(在下文中描述)之间的板68中。渗透屏障可以是例如金属箔或金属板69。虽然建议将金属用于板69，但是可以使用具有功能相似特性的其它材料。板69可以是以整体式、一件式以及集成方式形成。渗透屏障阻挡或防止气体(如通道86中的氢气)渗透到冷却剂通道92中。
现在参见图8，该过程可以在阴极隔板68的一层或多层中另外打印一个或多个冷却剂通道92。冷却剂通道92可以在部分形成的板68的面94上延伸。通道92可以至少在部分形成的板68的中心区域96上延伸或蜿蜒。
随着打印工艺继续，进一步形成并限定通道92。通道92可具有任意横截面区域，包括在单个通道内或在相邻或不相邻通道内恒定或可变的横截面区域。通道92与冷却剂端口98连通。在所示实施方式中，通道92可以具有圆形横截面区域。因此，打印工艺包括：打印凹形下壁、圆形侧壁和凹形上壁，直至在板68内通道92完全封闭。
如图9所示，将其它打印层添加至阴极隔板68，从而形成阴极隔板68的双极板侧100。
可以将气体扩散层(GDL)(未显示)打印至阴极隔板68的双极板侧102上。可以使用与用于打印阴极隔板68相同或不同的材料来打印气体扩散层。
在一个实施方式中，GDL可以包括碳纤维垫或纸张，其用作气体扩散层并且其上具有催化剂颗粒。在一个实施方式中，可以通过FFF设备打印或沉积具有或不具有催化剂的碳纤维垫或纸张。如果所沉积材料中不含催化剂，则可以在第二步骤之后施加催化剂。
图9描绘了通过增材工艺打印的完成的阴极隔板68的一个实施方式。在该实施方式中，已经进一步限定了板68的形状，并且还进一步限定了供应端口/出口端口82、84以及冷却剂端口98。进一步限定是指端口82、84、98从板68的一侧穿过板68延伸到板68的另一侧。端口82、84、98的深度由通过打印工艺添加至板68的材料的量来限定。端口82、84、98的横截面可以是圆形的，或者可以是除了圆形之外的其它形状。在打印过程中，各端口82、84、98的形状可以改变，因此各单独端口82、84、98的形状可以改变，或者板68中的多个端口82、84、98的形状可以相对于彼此改变。
通过端口82、84、98限定阴极隔板68的双极板侧(与MEA侧相对)。此外，可以将一个或多个双极板侧通道100打印至阴极隔板68中。更具体地说，如图9所示，多个双极板侧通道100可以在板68的双极板侧102上从一个端口82、84延伸到另一端口82、84。双极板侧通道100可以至少在侧102的中心区域104上延伸或蜿蜒。双极板侧通道100可以在三个侧面上是封闭的，并且具有开放的顶侧。可以在侧102中直接形成或打印双极板侧通道100，并且双极板侧通道100可以包括沟槽或连续凹陷。
虽然附图中描绘了通道100的方向、数量、形状和长度的一个实施方式，但是该方法不限于这些方向、数量、形状和长度。例如，在侧102上可以同时打印不同宽度、深度、尺寸和形状的通道100。当然，在进行该打印的同时，打印板68和/或端口82、84。
在该工艺的实施方式中，板36、68中的任一者可以具有以不同宽度打印在板36、68不同位置或区域处的一个或多个通道48、86、92、100。各种尺寸和形状的通道可影响、调节和/或改变燃料电池中所发生反应的速率。
此外，在相同或不同实施方式中，一个或多个端口44、46、74、76、98的横截面区域可以改变。即，一个或多个端口44、46、74、76、98可以具有不同的形状和/或尺寸。改变横截面区域可以影响、调节和/或改变通过电池的流体流动速率或压力，这会改变电池中所发生反应的速率。
图11示意性显示了一个这样的实施方式。虽然图11描绘了形成歧管的端口的一个实施方式，但是可以使用其它形状、尺寸、数量等。例如，当上文所述组件组合以形成燃料电池时，端口44、46、74、76、98将会对准以形成相应的流体歧管。在多个燃料电池组合的情况下，堆叠的燃料电池中的流体歧管可以变长，以使得通过歧管的流体流动在电池堆和歧管的不同部分处是不同的通过经由打印工艺来改变端口44、46、74、76、98以及歧管的横截面区域，可以将歧管的流体性能(例如，速度和/或压力)调节至所需性能。即，在燃料电池堆的开始处，一个歧管可以具有X的横截面区域，而在燃料电池堆的末端处，同一歧管具有Y的横截面区域，其中，Y小于X。在这种情况下，物理学教导了，Y横截面区域中的流体比X横截面区域中的流体更快/更迅速。因此，可以通过上述工艺获得一种调节或定制沿着燃料电池歧管的流体流动的简单、经济且可靠的方式。
例如，对于可能需要额外冷却的电池而言，可以将歧管设计成以更快的速率将冷却剂引导至电池中以去除更多的热量。还可以理解，特定电池的冷却剂通道可以修改成具有不同的横截面，从而可以进行更多(或更少)的冷却。歧管和冷却通道还可以通过其它特征进行修改，例如，包括内部结构以产生所需的流体流动动力学(例如，湍流)特征或效果。
在另一实施方式中，如图10所示，板36、68或层中的一个或多个外部的歧管管道106可以由非导电材料打印。可以理解，外部歧管管道106可具有与位于电池或层内的歧管不同的冷却特性，因为管道106不受层或管中热量的直接影响。在与对层进行打印的同时或不同时间，可以打印管道106。管道106可以与层一起打印，或者分别进行打印、随后连接。管道106可以替代内部端口/歧管或对其进行补充。
如同上述歧管一样，管道106的横截面区域可以在其长度上变化，从而可以按需定制在其内流动的流体的性能。例如，在如图10中所示实施方式中，已经打印了第一外部歧管管道108，使其从顶部到底部逐渐变细，而且打印了第二外部歧管管道110，使其从底部到顶部逐渐变细。
在一个实施方式中，FFF设备20可以包括能量发射装置112，用于将能量向进行沉积的或已经沉积的材料22分配，从而加热材料22、或导致材料22进行加热。该装置112示意性显示于图1中。虽然仅在图1上显示，但是装置112可以在本文的任意或所有步骤/图中使用。能量发射装置112可以与FFF设备20相关联，或者可以与FFF设备20分别进行定位或与FFF设备20断开。
在任意情况下，沉积的材料22可以在延长的时间段中保持熔融状态，或者如果凝固则重新熔化以确保沉积材料的各个区段和/或相邻区段的粘结。在一个实施方式中，分散的能量可以是热能，例如红外辐射、等离子体能量或微波电磁能量。在一个实施方式中，发射装置112将等离子体束发射到沉积的材料22上，温热、加热或维持沉积的材料22的熔融状态。在另一实施方式中，发射装置112发射会被纤丝中的碳吸收的微波辐射，并加热沉积的材料22。在另一实施方式中，发射装置112可以连续发射红外辐射以使构建区域维持在预定温度，从而将沉积的材料22维持在半流动状态。
可以在使材料22沉积时发射能量。或者，在已经沉积了各完成的层之后以及使下一层沉积至下层上之前，可以发射能量。在另一实施方式中，可以用另一种装置照射各层，例如通过将部分打印的结构放置在微波室中，然后在其上沉积下一层，以确保将下一层会沉积在仍熔融或可流动的材料上，以改进各层之间的粘结。在另一实施方式中，在已经制造了任意层之后，可以通过能量发射装置或另一设备来辐照整个层以产生层间粘结。再加热、再熔化和再凝固过程使得沿着沉积材料22的区段、在x-y平面中单层的区段之间以及在z方向上的层之间产生了更牢固的粘结。该改进的粘结可以导致层的结构完整性得以改进，并且整个层以及沿z方向的层之间的导电性得以改进。
例如，在将MEA放置在阳极隔板36上之前，可以对容纳MEA的阳极隔板36上的区域50或MEA本身进行加热，以使MEA的气体扩散层的一些碳纤维以一定深度沉入或嵌入阳极隔板36中，从而减小气体扩散层和阳极隔板36之间的电阻。气体扩散层不应嵌入太深，以防止反应物通过气体扩散层的孔扩散至催化剂颗粒。在另一实施方式中，可以使用相同的过程，并且阳极或阴极层具有气体扩散层。换言之，阳极层或阴极层之一、或容纳其的隔板的区域可以进行加热，以允许气体扩散层的嵌入。
在任意上述步骤中，可以将涂层(未显示)施加至部分或完全形成的通道或端口上。涂层本质上可以是亲水的或疏水的，以有助于水管理或介质分配。喷雾器(未显示)可以与FFA设备20相关，从而在材料上进行喷雾并且在必要时使其就位固化。
在另一实施方式中，在任意上述步骤中，可以在任意层或板36、68上打印定位特征(未显示)。定位特征可以是打印图案或凸起特征。定位特征可以由FFF设备20(例如计算机34)使用，以了解该电池的后续层、板或其他特征应相对于在先层进行定位。
可以使用自动视觉系统(未显示)对任意层或层部分进行拍照或以其他方式成像，以确保质量控制。自动化系统可以连接至计算机34，以在该层未正确放置或未对准时停止该过程。
在另一实施方式中，可以使用活化步骤。该活化步骤可以用于固化导电材料22。活化步骤本质上可以是热的和/或化学的。例如，活化步骤可包括：使材料22暴露于另一物质(例如水或湿气)以促进固化。该步骤还可以包括：使导电材料22与另一材料混合以促进导电材料22的固化。混合可以在沉积导电材料22时或之后的某个时间发生。固化也可以通过辐照来实现，例如通过被引导至导电材料22的等离子体或微波能量或紫外光或红外光。活化或固化步骤可以促进导电材料22自身或与相邻结构的粘结或连接。
使用上述FFF设备20生产的燃料电池可以与其它燃料电池连接以形成燃料电池堆。可以通过使用本领域中已知的附着硬件使燃料电池手动附着或紧固(secure)在一起，将单独制造的燃料电池组装成燃料电池堆。
燃料电池通常是逆流或并流的，逆流或并流描述了反应物以哪种方式流动通过电池表面。例如，在并流电池中，氢气和氧气在电池的同一侧或末端进入，并在电池的同一侧或末端离开。氢可以流动通过一个电池面，而氧流动通过相对的电池面。在逆流电池中，氢进入电池中氧流出的一侧，反之亦然。氢可以流动通过一个电池面，而氧流动通过相对的电池面。对于传统制造，设计是固定的并流或逆流——由于反应物在电池堆的末端进入歧管，因此无法进行改变。
本装置和方法不仅允许打印，而且可以引导歧管106进入板中，使得一个电池可以是并流的，而相邻电池可以是逆流。图12中示意性显示了一个示例。图12显示了在电池114的第一末端部分118上具有进口116的第一电池114。流体流动可以通过电池面120到达出口124，出口124与电池114的第二末端部分126上的进口116相对。
至少一个通道122中的第二电池128直接位于邻近第一电池114。第二电池128可以具有与第一电池出口124相邻的进口130。例如，进口130可以在第二电池128的末端部分132处。末端部分132可以例如与末端部分126直接相邻。
两个电池114、128外部的歧管134可将第二电池进口130连接到第一电池进口116。可以理解，歧管可以在内部延伸穿过一个或两个电池114、128。因此，使用上述增材工艺，可以在直接相邻的电池中轻松创建并流/逆流设置。
回到图11，其显示了另一可能特征。该特征包括：位于阳极隔板36、电绝缘材料54和/或阴极隔板68中的至少一个中的至少一个紧固件保持器136。
在图11中，阳极隔板36中描绘了两个紧固件保持器136，并且阴极隔板68中描绘了两个紧固件保持器136。虽然板36、68的某些位置中描绘了紧固件保持器136，但是也允许其它位置。图11描绘了在板36、38的角落部分138中的紧固件保持器136。这些角落部分138可以在板36、68中没有通道或其他开口的地方，以免干扰它们。此外，虽然板36、68中描绘了两个紧固件保持器136，但是也允许更多或更少的数量。
当打印板36、68时，紧固件保持器136优选设置在板36、68中。紧固件保持器136可以是插入板36、68中的单独结构，或者其可以由产生板36、68的相同打印工艺、在该工艺期间制造，或者其可以单独进行打印、然后插入板36、68中。在任意情况下，优选紧固件保持器136不可移动地紧固或固定至板36或68上。
在一个实施方式中，紧固件保持器136可以是用于紧固件的插座(receptacle)或连接件。在图11中，紧固件保持器136可以是例如具有开口140的结构，开口140用于将紧固件142容纳于其中。如果紧固件142带有螺纹，则开口140周围的或限定开口140的区域可以具有螺纹，使得紧固件142可以紧固至紧固件保持器136。
仅作为一个示例，紧固件保持器136可以是例如六角螺母，其已经通过上述打印工艺部分地套印至板36、68之一中。优选地，打印工艺并未阻塞螺母中的开口140，而是打印工艺已经使螺母紧固，使得不易从板36、68上取下螺母。
在另一实施方式中(未显示)，紧固件保持器可以是例如卡扣配件的一半。如上所述，卡扣配合半体可以例如通过打印设置在板36、68之一上。紧固件可以是例如卡扣配件的另一半。
端盖或盖144可以至少部分位于一个或多个板36、68上。可以通过与紧固件保持器136连接的紧固件142将端盖紧固至板36、68。在一个实施方式中，紧固件142可以与端盖144连接，或者延伸到端盖144中，从而与紧固件保持器136接合。
图11还显示了至少一个传感器146。在所示实施方式中，至少一个传感器146A位于阳极隔板36中，至少一个传感器146B位于电绝缘层54中，并且至少一个传感器146C位于阴极隔板68中。
虽然图11显示了传感器146A-C在板/层36、54、68的一个位置中，但是传感器不限于这些位置。此外，虽然仅一个传感器146A-C位于各板/层36、54中，但是允许另外的传感器。
如图11所示，在上述打印工艺期间，传感器146A-C可以嵌入在其各自的板/层36、54、68中。仅作为示例，可以看出，传感器146A可能在最初形成阳极隔板36时嵌入。然而，传感器146B可能在其完成的一半时已经嵌入电绝缘层54中。最后，传感器146C可能在接近完成时已经嵌入阴极隔板68中。
传感器146A-C可以相同，可以不同，或者可以是传感器类型的组合。仅作为示例，传感器146A-C可以是例如热电偶或电池电压传感器。在任意情况下，都可以嵌入传感器以监控条件，所述条件包括但不限于：温度、电池电压、湿度和/或化学物质浓度。
传感器146A-C可以是有线的或无线的，从而将其感测到的数据或条件提供给控制器(未显示)。在其中传感器146A-C可以是有线的实施方式中，用于传感器146A-C的线可以从板36或68、或电绝缘材料54延伸。然后，可以使这些线连接至控制器。
现参考图13，描绘了打印框架148的另一实施方式。图13描绘了完成的打印框架148，然而，基于上述说明，可以理解框架148可以以上述方式以层或部分的方式进行打印。
框架148可以具有多边形的周缘150，但是可以使用其它形状，例如装配在特定车辆区域内所需的形状。
框架148可限定至少一个歧管区域。在图13中的所示实施方式中，显示了第一歧管区域和第二歧管区域152、154。两个歧管区域152、154在框架154的相对侧上并且被中央开口156隔开。显示了两个歧管区域152、154，但是可以存在更多或更少数量的歧管区域。歧管区域152、154可以具有相同尺寸和形状，但是也允许其它设计。
图中的各歧管区域152、154描绘了三个流体开口158，但是可以使用更多或更少数量的流体开口158。流体开口158具有相同的尺寸和形状，但是此处同样可以使用不同尺寸和形状的开口158。此外，流体开口158可以随着其延伸穿过框架148而改变。例如，通过打印工艺，各个流体开口158的横截面区域可以改变，从而改变通过各流体开口158的流量。
中央开口156也可以由打印工艺形成。中央开口156可以是多边形的，但是也允许其他形状。优选地，中央开口156具有互补形状的插入件160。
插入件160可以包括阳极隔板36′和阴极隔板68′。装填件(primes)与板36'和68'一起使用，以指定板36'、68'可以与板36、68相同或不同。作为一种可能不同的示例，板36′和68′可以具有不同的冷却流体通道。
板36′、68′可以与框架148同时打印，或者它们可以分开打印并随后连接。在任意情况下，板36’、68’优选与框架148连接。其可以经由发射装置112或类似结构进行连接，使得板36′、68′和/或框架148彼此熔化。另外地或可替代地，设备20可以对材料进行打印以连接板36′、68′和框架148。期望将板36’、68’连接在一起，从而在其之间提供电通路。还期望使插入件160和框架148之间的任何相交处密封，从而防止反应物气体流动通过框架148和插入件160组件。
板36’、68’可以由框架148支撑。在如图13所示的实施方式中，板36′、68′可以置于围绕中央开口156的凸缘162上。框架148可以限定厚度，凸缘162仅占据其一小部分。凸缘162可完全围绕中央开口或仅中央开口156的选定区域延伸。
板36’、68’可以具有冷却流体通道164。通道164可以在打印板36′、68′时形成。在图14所示的实施方式中，通道164可以限定在各板36′、68′的外表面166上。图中的通道164被描绘为开放通道164，因为来自另一框架(未显示)的互补板36'、68'位于板通道164的上方和下方，其使开放通道164封闭。通道164也可以嵌入板36′、68′中，并且因此在打印板164时由板164封闭。
使用增材制造工艺来生产双极板、燃料电池和燃料电池堆具有超越现有技术的多个优点。例如，MEA部件、双极板、燃料电池和/或电池堆的几何形状或设计可以改变而无需重新装配。这允许燃料电池部件、以及由此生产的燃料电池本身具有非标准形状。因此，燃料电池可以位于车辆内的非传统空间中，从而更有效地利用车辆空间。
另外，燃料电池部件可以相对于彼此进行打印以形成燃料电池，而无需用于使燃料电池或电池堆密封的垫片和夹持机构。这显著减少了燃料电池的故障模式，并且降低了燃料电池的成本、重量和复杂性。
本文公开的方法或工艺使用增材制造来生产在全部三个维度上具有基本相同结构完整性、强度和导电性的燃料电池部件和/或燃料电池。此外，本文所公开的方法使用增材制造来生产燃料电池和燃料电池堆。通过以统一方式打印燃料电池堆的部件，可以减少或消除垫片以及压缩工艺和设备。此外，通过使用增材制造来生产燃料电池部件，其减少了制造和燃料电池堆组装期间过多部件处理的需要。此外，所打印的部件明显变轻，并且可以根据尺寸和形状进行定制。
根据专利法规的规定，已经以认为代表其优选实施方式的方式对本发明进行了描述。然而，应当理解，该描述和本发明的实施方式不应以限制方式进行理解，并且本发明可以在不背离所附权利要求限定的本发明真正精神和范围的情况下，以不同于具体显示和描述的其它方式进行实施。此外，应理解，任何改变和修改将被本领域技术人员理解为等同于所附权利要求中记载的一个或多个要素，并且应在法律允许的最大范围内由该权利要求所覆盖。

Claims (26)

1.一种制造电化学电池部件的方法，所述方法包括：
a.提供用于生产3D物体的增材制造设备，该增材制造设备包括：支撑平台，其具有用于在支撑平台上产生三维物体的构建区域；以及可移动沉积装置，用于在该构建区域上沉积可流动的导电材料；
b.用加热装置将导电材料加热至高于第一温度，从而为沉积装置提供可流动的导电材料，该可流动材料在低于第二温度时凝固；
c.移动可移动沉积装置以将可流动导电材料依次沉积在支撑平台的构建区域上，从而产生用于电化学电池的部件，该部件具有至少一个用于介质传输的通道。
2.如权利要求1所述的方法，其中，导电材料是碳载热塑性材料或热固性材料。
3.如权利要求2所述的方法，其中，碳载热塑性材料是碳涂覆热塑性纤丝。
4.如权利要求1所述的方法，其中，通道的横截面区域随着沉积而变化。
5.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：使用设备以在部件中打印多个通道以及与通道连通的一个或多个歧管。
6.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括活化步骤，以使导电材料固化。
7.如权利要求1所述的方法，其中，将通道打印成曲折通道，该曲折通道沿着一个部件面的长度，在该部件面上从一侧横行到该面的相对侧。
8.如权利要求7所述的方法，其中，将部件打印成包括在曲折通道一个末端处且与曲折通道流体连通的第一开口、以及在曲折通道另一末端处且与曲折通道流体连通的第二开口。
9.如权利要求1所述的方法，其中，将部件打印成包括阳极隔板、阴极隔板和/或双极板。
10.如权利要求9所述的方法，其中，将所述双极板打印成在板的相对侧上包括两个活性表面，其中，一个活性表面面对阳极电极电池，并且相对侧面对阴极电极电池。
11.如权利要求7所述的方法，其中，将所述部件打印成包括阳极隔板，该阳极隔板具有打印在阳极隔板的一侧上的阳极隔板曲折通道，并且还包括：
在阳极隔板周围添加电绝缘材料，
将膜电极组件放置在阳极隔板上，
在膜电极组件和电绝缘材料上用初始可流动的沉积材料打印阴极隔板，
其中，所述阴极隔板在第一侧上打印有第一阴极板曲折通道，在第二侧上打印有第二阴极板曲折通道。
12.如权利要求11所述的方法，所述方法还包括：向阳极隔板、阴极隔板、电绝缘材料或膜电极组件中的一个或多个施加能量。
13.如权利要求12所述的方法，其中，能量导致阳极隔板变得可流动，从而使膜电极组件嵌入阳极隔板中。
14.如权利要求7所述的方法，其中，打印在阳极隔板和阴极隔板中的一个或多个歧管以可变的横截面进行打印，以改变歧管中流体的流动速率。
15.如权利要求7所述的方法，其中，至少一个气体扩散层打印在阳极或阴极隔板中的至少一个上，并且，膜电极组件定位成与最后的至少一个气体扩散层直接接触。
16.一种制造燃料电池堆的方法，所述方法包括：
a.提供用于生产3D物体的增材制造设备，该增材制造设备包括：支撑平台，其用于在其上支撑三维物体的制造；
b.将导电材料加热至高于第一温度，从而为沉积机构提供可流动的导电材料，该可流动材料在低于第二温度时凝固；
c.根据数据文件逐层沉积可流动材料，以产生支撑在支撑平台上的第一隔板，所述第一隔板沉积成具有至少一个通道以使介质从中传输通过；
d.将膜电极组件置于所沉积的第一隔板上，与所述第一隔板的至少一个通道接触；
e.使得非导电材料位于膜电极组件未延伸的第一隔板上；
f.在层上沉积可流动材料层，以产生第二隔板，该第二隔板在面对膜电极组件的一侧上具有至少一个通道，并且在与由沉积材料形成的膜电极组件相对的一侧上具有由沉积材料产生的至少一个通道，其中，这两种通道都用于传输介质；以及
g.在沉积时将能量施加到一层或多层各单独层。
17.如权利要求14所述的方法，其中，所述能量是热量，所述热量添加到至少非导电材料中以使其软化，从而使膜电极组件至少部分嵌入其中。
18.如权利要求15所述的方法，其中，导电材料是碳涂覆热塑性纤丝。
19.如权利要求15所述的方法，其中，在沉积时将等离子体或微波能量施加至各单独层。
20.如权利要求15所述的方法，其中，沉积至少一个通道，以包括多个曲折通道，该曲折通道沿着第一隔板面的长度，在该第一隔板面上从一侧横行到该面的相对侧。
21.如权利要求15所述的方法，其中，第一隔板进行沉积以包括在多个曲折通道一个末端处且与多个曲折通道流体连通的第一开口、以及在曲折通道另一末端处且与曲折通道流体连通的第二开口。
22.如权利要求15所述的方法，其中，打印在第一和第二隔板中的一个或多个歧管以可变的横截面进行打印，以改变歧管中流体的流动速率。
23.如权利要求15所述的方法，其中，使紧固件保持器嵌入第一隔板或第二隔板中。
24.如权利要求15所述的方法，其中，使传感器嵌入第一隔板或第二隔板中。
25.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括：使渗透屏障位于面对膜电极组件的一侧上的至少一个通道和与膜电极组件相对的一侧上的至少一个通道之间的第二隔板中。
26.一种制造电化学电池的方法，其包括：
用增材制造设备打印电化学电池的部件。
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