CN1164296A - 使用集成流体控制薄层技术的燃料电池 - Google Patents

Abstract

包括叠层分隔器/隔膜电极组件单元的燃料电池叠层，其中分隔器包括一系列堆叠的薄板，薄板上分别配置有蛇形微通道反应气润湿区，作用区和冷却区。单独薄板堆叠，并且部件与相邻的薄板相应的部件精确地对齐接触，并连接形成一整体分隔器。后连接处理包括纯化，如氮化。最好的薄板材料是4-25密耳厚的钛，其上的部件，蛇形通道，凸起，分隔，通路，管道及孔，以化学或激光蚀刻，切割，压或模压成型，最好是深度和贯穿蚀刻相结合。薄板的生产过程是连续的和快速的。通过使用以CAD为基础的薄板设计和光刻，可在部件设计上快速改变，以适应各种热管理和润湿技术。这种集成流体控制技术薄板设计的100单元H₂-O₂/空气PEM燃料电池叠层将有0.75千瓦/千克级的输出，要比现有石墨板PEM叠层电池高3-6倍。

Description

使用集成流体控制薄层技术的燃料电池

本发明涉及燃料电池，特别是涉及一种由运用集成流体控制技术(IFMT)的薄板叠放构成的燃料电池，以及这种集成流体控制电池的制造和使用方法。使用本发明原理的一个具体实施例是一种氢-空气/氧(hydrogen-air/O₂)燃料电池，它使用多个分隔器，这些分隔器由钛，铌，铜，不锈钢，铝或塑料制成的板连接形成，分隔器分别配置有反应气体的微通道，制冷和润湿区，此种电池在约50到150℃范围内工作，以开或闭合回路的构形用于固定或移动式发电时有0.25-1.04瓦/千克及0.5-1.0千瓦/升级的输出。集成流体控制(IFM)薄板及分隔器的设计可在燃料电池叠层中调整，以适应每一电池的变化的热控制及湿度需求。

直接将氢或碳燃料转化为电的燃料电池理论上是大有希望的，但因技术上和经济上的原因还未广泛地在商业上应用。在氢-空气/氧气燃料电池的领域，能量密度，也就是每磅产生的千瓦能量比较有限，并且寿命也短得不尽人意，现有技术中燃料电池在使用一段过程后就会因催化剂式电解液隔膜沾污使得能量下降，以及燃料气内部供给不畅而使得热量集中，造成电池损坏和类似的其它后果。

重要的一类用于固定和移动发电的有前途的燃料电池是使用每边涂敷有贵金属催化剂的固体聚合质子交换隔膜的低温氢气/氧气(H₂/O₂)燃料电池，其隔膜位于燃料电池电极或电导体分隔器之间。这些燃料电池使用氢气(H₂)作为燃料，氢气或者直接提供，或者通过化学反应在电池中产生，如电解或从金属氢化物中产生。氧化剂是氧气或空气，水用于冷却及用于润湿隔膜，防止其因变干燥而失效或结构变脆弱直到破裂。典型地，阳极因各种原因首先变干，包括从阳极到阴极的电渗传送，超过电化学反应速率的供气，阴极面上的空气或氧气流吹除了从氢阳极穿过隔膜的反应生成的水和水蒸气。因此，燃料气要在燃料电池叠层中润湿，以减轻干燥效应。冷却水带走电池中催化剂催化的电化学反应的缓慢燃烧所产生的多余热量，并在叠层外部进行热交换。在某些设计中，冷却水也用于润湿反应气体。

有几种合适的电极隔膜组件(EMA)可用于低温燃料电池。一种是来自新泽西拜而维的氢能公司(H Power Corp of Bellville，NewJersey)的产品，在聚合物膜上涂铂催化剂，如杜邦(du Pont)NAFION牌全氟磺化(perflourosulfonated)的碳氢化合物作为隔膜。另外，东化学公司(Dow Chemical)在美国专利5,316,869中提供的全氟磺化的聚合物可以使得电流密度达到4000安培/平方英尺，电池电压超过0.5伏/每个单元，其电池叠层能量密度超过2千瓦/平方英尺。

目前可用的典型的电池叠层设计是由35个电化学反应单元、19个热管理单元，及14个反应物湿润单元组成的Ballard燃料电池叠层，反应物湿润单元使用涂铂的以0.25英寸厚的石墨平板层叠的NAFION 117电极隔膜组件。电池叠层体积为0.5立方英尺，重94磅，使用氢气和氧气并有3千瓦的输出。

然而，石墨板必须相对较厚，以保证结构的的完整性及防止反应物混合，这是因为电池叠层必须被置于压力下，以使池内和池间密封，防止反应物泄漏，而这易造成石墨板破碎和开裂。因石墨有低的导热和导电性，造成过热点和死点。石墨板还不易制造，尤其是气体分配通道难以制出。输出相对较低，在0.5千瓦/磅的量级上。在上面的例子中，冷却或湿润的非反应单元的单元数几乎等于反应的单元数。这实际上使需要的密封垫片加倍，因而降低了电池叠层的可靠性和性能。

前述的美国专利5,316,869也未提供石墨板电池叠层设计的解决方案，因为它只涉及到电池叠层外部闭路循环系统的微处理器控制。

所以，需要提供一种克服背景技术中问题的改进的燃料电池的设计，生产和使用方法。

本发明的目的包括，提供一种改进的燃料电池的设计，制造和使用方法，特别是氢气和氧气或空气型燃料电池，它可较现有石墨电池性能提高3倍或更高。

其它的目的和优点包括：

提供一种基于多板及叠层技术的改进的燃料电池的制造技术，其平板上特别布置有由蚀刻，激光烧蚀或切割，冲压，冲孔或模压生成的气和水的配给微通道；

提供一种燃料电池制造的集成工艺，包括各平板的光刻，随后在加热和加压情况下蚀刻，模压，冲压，冲孔，焊接，硬焊或软焊叠层板，使部件成形，并在平板和/或极分隔器组件上涂敷防氧化剂。

在燃料电池叠层设计中提供集成流体控制技术(IFMT)，特别是对于平板装配成单极或双极分隔器(单独单元)的设计，及多单元装成叠层的设计，以改进燃料和氧化气的润湿及配给，在其与隔膜接触时，能对热及湿度进行控制，以防止因干燥引起的热点及隔膜剥蚀。

对于燃料电池分隔器组件提供了光刻和蚀刻成形的平板，组件有特殊的边密封，使得可以密封分隔器之间的电极隔膜组件，以形成单元，单元在压力下紧固以形成燃料电池叠层；

提供燃料电池叠层中可变的集成流体控制平板极分隔器设计，以适应叠层位置内不同的热环境和湿度的需求；

其它目的在说明书，附图及发明的权利要求书中说明。

本发明直接用于改进多单元构成的燃料电池叠层，每一单元包括一系列内部相关的集成流体控制(IFM)平板。本发明也包括使平板成为极分隔膜模块(半电池叠层组件)的设计，制造，特性化，组装和连接的方法，及应用集成流体控制技术平板的燃料电池叠层的使用方法。虽然特别公开了本发明的技术适用于使用氢气和氧气/气体作为燃料的质子交换分隔膜(PEM)燃料电池，但本发明的技术同样也可适用于碱，固体氧化物及熔碳型燃料电池，以及与燃料电池有关的改进。可使用各种各样的其他燃料/氧化剂组合，如H₂/Cl₂；NH₃/O₂；H₂/X₂(X是卤素)；CH₃OH/O₂及其他类似的组合。

本发明的燃料电池由一个或多个单元构成，每一单元依次由一对夹有一个电极隔膜组件(EMA)的双极分隔器构成。分隔器可以是单极(对于端平板)或双极，一面是阳极(H₂)面，另一面是阴极(O₂)面。本发明的每一极分隔器组件由多个薄板依次安装构成。平板最好由金属，塑料，陶瓷或其它适用的材料制成，在其中刻有大量复杂密纹流体配给通道，通道最好由蚀刻，但也可由激光烧蚀，模压，冲孔或冲压工艺形成，成为全深或半深通道。相邻具有相应的半深部(如半通道)的平板相合焊接，生成气，冷却液和蒸气的配给通道，它典型地成圆形或椭圆形截面。由于其连续，弯曲及分枝的构形，用其他方法不能制造出来。

当两单极分隔器与在中间的电极隔膜组件组装后，它就形成了电化学单元。单元成直线排列，当通过焊接或夹紧装置固定在一起时，就构成了燃料电池叠层，也就是最终的燃料电池，在单元与单元之间可选装密封垫。

在典型的例子中，构成整个燃料电池叠层的单独单元极分隔器子组件的平板数量可以是3-10片，最好4-7片。EMA置于相邻极分隔器之间，最好插在阳极和阴极的凹槽中。现有的优选的EMA包括一2-17密耳厚的全氟磺隔膜，两边涂敷有溶解于溶剂中的细微铂黑及碳黑的混合物，并且两边覆盖有10密耳厚的  特氟隆疏水粘合剂的65％开孔石黑纸。

本发明的集成流体控制燃料电池的原理将只根据例子来描述，所参考的是双极氢/空气或氧气燃料电池，使用的是铂黑/NAFION EMA，但也可适用于其它燃料/氧化剂组合，它们可以是液体，气体或其结合，工作温度在50-150℃范围内。

本发明平板设计的一个重要特点是，气体和电解液隔膜的湿度和热量管理显著改善，与现有技术相比，本发明的平极构成的燃料电池的能量输出显著改进。在一个最佳实施例中，电池板由金属制造，典型地是铝，铜，不锈钢，铌或钛。薄板成型后，通过特殊的加热和压力过程接合在一起(如，导电胶粘合，扩散焊，焊接，钎焊或软焊)，形成一极分隔器子部件，然后，如果需要，进行防腐涂敷或处理。然后EMA被插入到分隔器平板中被称作凹槽窗框的可选隔膜凹槽中，形成单独的电化学单元，许多单元层叠在一起形成燃料电池叠层。然后整个部件在压力下连接以加强密封，如通过连接拉杆，螺母及恒压装置，以形成一单一整体燃料电池叠层。

可使用各种固体多孔聚合物质子交换隔膜，典型的是来自DowChemical，Asahi Chemical，Gore或duPont公司的氟磺化的隔膜，现在最好是duPont的NAFION。隔膜两边涂敷有贵金属催化剂，如钯，铂，铑，钌，贵金属氧化物或其混合，并与石墨纸电极接合在一起。这种类型的较好的电极隔膜部件可来自新泽西Bellville的H Power公司。可用的其它类型EMA包括碳或石墨多孔薄板，或涂敷催化剂的聚酰亚胺吡咯(polyimidazole)隔膜。

尽管某特定隔膜类型及其制造商可能要在其性能上有所改进，但本发明并不依赖于任何一种类型的隔膜或EMA。用于本发明的集成流体控制技术(IFMT)的薄板也可广泛适用于各种类型的燃料电池，并且将会改进其性能。

对于任何外部构形的燃料电池，薄板技术可使得形成各种微通道设计，而以其优秀的热交换和湿度控制，使得气体配给更加有效，不会缺乏燃料或氧气，并且电输出更加稳定。

本发明的IFM薄板技术的一种重要优点是，燃料电池的制造可自动化，以及在薄板材料上使用光刻和蚀刻或模压技术。分隔器子组件的设计可快速改变。一个工厂就可支持各种范围的燃料电池的设计，而不需要常规的生产经济所需的高产量。也就是，少量的各种不同设计的燃料电池也可进行生产，并且仍然经济上可行。除此之外，资金的投入也可实质性地及明显地减小，因为生产设备近乎是现成的光刻，掩蔽，及蚀刻或模压设备。

举例来说，分隔器的多个平板在大尺寸下可精确设计，用照相的方法进行处理，由连续的金属或导电塑料片材卷中冲压出薄板。另一种方法，并且是现在最好的方式，将薄板以保护膜遮蔽进行光刻，蚀刻形成流体控制微槽，用化学或物理的方法去除光刻胶掩模层，清洗薄板。完成的薄板然后组装形成分隔器，置于有挤压杆的真空炉中，在热和压力作用下通过金属扩散焊接将其连接在一起，形成一内部有交错微通道的单一分隔器平板子组件，通道在不同高度互相正交，通道可流通各种气体和水或其它冷却液。然后将分隔器平板置于氮气环境升温，使氮与钛起反应，使其所有暴露的表面上形成一层钝化或抗蚀的及导电的氮化钛层，包括气体和水的通道的内部。薄板分隔器设计和生产可在一条连续的生产线上完成，类似于微机主板生产线。然后再在热和压力下将整个多薄板夹层连接起来(如，扩散、钎焊，焊接或软焊)，形成整体分隔器。隔膜电极组件然后再插入到各极分隔器薄板之间，然后将分隔器叠置，加入端板形成完整的燃料电池叠层，再用连接拉杆，螺母及恒压装置将其压在一起，以保证反应物的密封。装上导线，反应气和冷却水，通入气体和冷却水，电池即可工作。

在本发明中典型的七薄板分隔器子组件中，按顺序其薄板是：

1.窗框薄板(以容纳EMA)

2.阳极流场隔离(flow field spacer)板；

3.阳极流场(分布)薄板；

4.冷却薄板；

5.阴极流场(分布)薄板；

6.阴极流场隔离板；

7.窗框薄板(以容纳相邻电池的EMA)。

有6种不同板，板1和7是相同的，板2-6每一个都不相同。蚀刻及平板设计的详细情况，在这里以例子的方式描述出来，可以清楚地看出，在压力连接中，微通道没有塌陷。在上述双极分隔器的例子中，板1，2，6和7每一个有12密耳左右厚(连接前)，板3-5每一个有20密耳左右厚。扩散焊接使得板稍微有点压缩，其最终形成的整体双极分隔器叠层总厚度约为100密耳。相对窗框平板(1号双极分隔器的阳极窗面及相对的2号双极分隔器阴极窗面)总凹槽深度在20密耳左右量级。EMA有26密耳左右厚度，可稍微有些偏差。两边涂敷有微扩散铂黑催化剂的碳黑的NAFION隔膜的厚度约为4-5密耳，其外部每边石墨/特氟隆纸层约厚10密耳。这些仔细地安装在窗框中，并且，在压力下极分隔器密封，EMA压入20密耳深的窗槽中。石墨纸有65％的开孔，以使气体能更好地及均匀地配给。在阳极面，石墨纸将电子从隔膜电极上的催化反应区导引向分隔器平板的接点，作为燃料电池的输出。电子通过外部电路从阴极流回。在阴极面，石墨纸将电子从分隔器板处导向EMA处的催化反应区。

燃料电池多双极分隔器叠层在其每个端面必须以一阳极及一阴极单极分隔器端板作为终结，端板还作为电流收集器。对于单极阳极分隔器，使用上面的薄板1-4，对于阴极分隔器，使用薄板4-7。然后单极分隔器薄板再用厚点的(4-20密耳)坚固端板盖住，再用压力拉杆部件压紧。

另一不需要气体润湿的例子，使用4个双极分隔器部件，其薄板顺序如下：

1.阳极流场(分布)薄板；

2.冷却导管薄板；

3.闭合薄板；阳极面是整体的，阴极面有管道(微槽)；及

4.阴极流场(分布)薄板；

除此之外，在每边也可使用窗框薄板，其中插入EMA作为一6薄板双极分隔器子组件。需要注意，可以使用双面垫片代替窗框薄板。因此，依是否使用可选的窗框薄板，润湿的双极分隔器可包括5或7片薄板，对于非润湿型的双极分隔器包括4或6片薄板，后者包括两窗框薄板。钛特别有用，因为它在适合的压力和温度下可变形在一起，形成一扩散连接(变形)型自动连接。

组装好的分隔器(多薄板子组件)厚度在100密耳左右，重量在4-8盎司(110-300克)，依平板及材料的数目和厚度而定。在燃料电池叠层中使用约10分隔器/千瓦。拉杆组装后，要用1.5英寸厚的端压板，整个燃料电池叠层组件由螺丝拉杆施加200磅/平方英寸的压力，形成整体燃料电池叠层。电池叠层工作在1-65磅/平方英寸的压力下，较容易达到70-150安培的输出。为密封相邻的分隔器子组件，在窗框薄板(外表面)蚀刻或压出高度在1-2密耳左右的联锁密封脊(截面一般成三角形)，因此，密封脊将与相邻分隔器子组件窗口板密封联锁，或在可能的情况下与相应的端压板密封联锁。

本发明IFM平板设计的燃料电池也可包括任何可适用的碳氢重整装置(reformer)部分，通过利用欠氧燃烧器加蒸气来产生氢气，氧气和二氧化碳的蒸气转移处理提供氢气。

本发明的一个关键特征是蚀刻气水配给通道的结合，其由一副对应相配合的板面上半槽相对齐对合而形成(也就是叠层中相邻的平板相配合并相互接触)，供给管道也相似地蚀刻而成。可选的及最好是在板的四周蚀刻出密封脊以辅助相邻室的密封。

PEM电池高效工作的关键是适当的热平衡和水合作用，而这可通过均匀的气流来控制。

现有的PEM燃料电池暴露出很差的热管理和水平衡问题，低的石墨导电性和可延展性，有限的可测量性及反应物消耗。现有的隔膜最高工作温度在90-98℃，所以PEM电池中正确的热管理是关键，因为高于此温度会损坏微孔结构，造成隔膜永久损坏。由于本发明的燃料电池在每一双极分隔器中集成有热交换部分，与石墨PEM电池中每4-5个分隔器之间有一个热交换部分相比，本发明的叠层可很容易地扩大尺寸，因为发热和控制(热交换)会随面积而增大。因为我们可以根据每种隔膜及燃料调节热控制，及叠层中内部单元的位置，我们可使用更高性能的EMA，产生更高的能量密度。

关于水平衡，每一分隔器中集成湿润，维持更好的水平衡，因为它们可以独立地变化，以适应燃料电池阳极和阴极面的不同需求。通过穿过隔膜电渗透和反应气体干燥，从阳极面除水。来自电渗透传送和反应水产生而在阴极面上聚集的水由空气/氧气气流干燥去除。

与石墨PEM电池相比，本发明的金属薄板的导电性约高出30倍，因此减小了高电流密度下叠层中的I²R的损失。这些损失降低了从叠层中可获得的电压和功率。金属分隔器的低内阻可使得电流分布更均匀，减小了电池中的热集中和临界热点。石墨分隔器是在压力下密封，但压力会以非线性的形式影响石墨的电阻。这一特性使得难以制出具有均匀输出的石墨电池。与之相比，金属分隔器有优良的热和电导性，可消除热集中及临界热点。石墨对于H₂，O₂和空气来说是多孔的，这会减少石墨叠层的化学效率，因为一些H₂会在非生产的直接氧化中被消耗。

石墨隔膜在压力下形成防止气体泄漏所必要的密封时也会开裂，此种电池工作在25-60磅/平方英寸压力下。开裂的趋势严重地限制了叠层中单元的数量和尺寸，叠层中一个或多个分隔器产生泄漏，电输出就会被危及或显著减小。金属薄板因其延展性不会产生这些问题。

而且，本发明重要的一点是，本发明IFM技术允许改变内叠层薄板设计以实现更好的热管理。也就是，一未致冷叠层中部的单元的热环境与其两端或接近两端的单元的不同，因此湿度需求也不同。薄板设计、即相关的阳极，阴极，冷却液及湿度微通道设计可容易地改变，并确定叠层内位置，以适于叠层中各种梯度。同样，叠层也可设计得适于各种外部环境，北极的设计就不同于热带的，水下的就不同于空间中的设计。

这种设计的灵活性，有能力修整分隔器的每个区域(阳极、阴极、热交换和润湿)中的微通道的布局和通道长度与宽度、以及在叠层内从分隔器到分隔器(从单元到单元)逐步地和单独地进行这种修整，来适应叠层内环境和梯度-导致容易得到较高的电能输出，如大于50-100千瓦。

串行/并行的蛇管设计使得反应气体分布更均匀。当以空气工作，随空气通过通道氧气不断消耗时，这一点对于显著改善阴极性能尤为重要。在现有的通道设计中，空气进入时富氧，出去时氧气被消耗，因为氧气在电化学反应中被消耗。同样的消耗作用对于氢气也一样。在我们的发明中，并行有较短的通道，并能将通道设计和再设计成不同的结构和宽度，改进了阴极的动力学特性，这也是现有燃料电池主要受限制的地方。在本发明中，流动被分成一系列并行通路，其中可得到准确的压降。通过增加并行通路的数量，压降可以随流率下降而更低，并且由于更短的通道长度，通道壁的摩擦效应就会减小。

虽然本发明现有的最好的模式使用具有涂敷有催化剂/碳黑并带有石墨纸的隔膜，以提供有随机气体分布通道的高度多孔板的窗框薄板，本发明另一个重要的替代实施例是使用一无碳纸(carbon-paper-less)薄板，其中微孔通过窗框的“窗单元区”的蚀刻来实现，它产生同样的气体配给功能。在生产窗框薄板时，窗框区被确定在平板的中部区域，它位于外部平板边缘的内部。(确定窗单元区域的线可在薄板制造中通过蚀刻作出，少数固定窗单元的薄桥除外。桥可随后切掉，窗单元被去除，或去掉，以完成窗框薄板)当在相邻薄板间加压整块隔膜时，开口区域接触碳纤维纸。在另一个实施例中，代替去除窗单元区材料，通过微细蚀刻，在窗单元区建立“窗屏”区，每平方英寸有5000-10,000个孔。然后涂敷催化剂的石墨无纸隔膜被压在相邻分隔器平板间。

附图简述：

发明将参照附图详细描述，在这里：

图1是利用本发明原理，特别是适用于使用H₂和空气/O₂的双极分隔器的燃料电池叠层的简要剖视图；

图2A和2B是本发明的制冷，非润湿(图2A)和润湿及制冷的燃料电池IFMT薄板分隔器的简要剖视图，它示出使用不同数目薄板的各种可能变化；

图3是用于本发明IFMT燃料电池的2单元子组件的等距部件分解图；

图4是用于本发明IFMT燃料电池的6-7个分隔器薄板的等距部件分解图；

图5-10是图4的6-7个薄板分隔器的详图；

图5A是窗框或窗屏(第1阳极和第7阴极)密封薄板的前面及其镜像和后边；

图6A和6B阳极流场分隔薄板(薄板2)的前面和后面示意图；

图7A和7B是阳极流场薄板(薄板3)的前面和后面示意图；

图8A和8B是冷却薄板的前面和后面示意图，8A是阳极面及8B是阴极面(薄板4)；

图9A和9B是阴极流场薄板(薄板5)的前和后面示意图；

图10A和10B是阴极流场分隔薄板(薄板6)的前和后面示意图；

图11是两相邻对合的双极分隔器及隔膜间的流体的入、出路线图，它示出了水，热和反应气体的传送情况；

图12是本发明PEM IFMT薄板燃料电池的电化学反应简图；

图13是测试本发明的2单元H₂/O₂燃料电池电压对电流密度的曲线图；

图14是测试本发明的2单元H₂/空气燃料电池电压对电流密度的曲线图；

图15是连续薄板制造过程的流程图，其特征由深度及通蚀刻成型；

图16是将本发明的薄板连接成整体分隔器的工艺流程图；及

图17是使用本发明IFMT原理的单独薄板设计的，适于快速产生光刻布置图的工艺流程图；

实现本发明的最佳实施例：

下面以实施例的方式详细描述本发明，但本发明的原理并不仅限于此。该描述将清楚地使所属领域的熟练人员能实现和使用本发明，并且描述了本发明的几个具体实现，适用，变化，替换及使用，包括我们现在相信是完成本发明的最佳模式。

图1示出了本发明燃料电池叠层1的简要(简图)剖视图，它使用了多个多薄板双极分隔器2A，B，C，及一对阴极和阳极单极端分隔器，分别是3，4。质子交换电极隔膜组件(EMA)5A，B，C及D如图所示被置于分隔器之间。空气和或O₂通过管道系统6输入，H₂和/或其它燃料通过管道7输入，冷却和润湿水从管道8输入，管道9输出。

图2是双极分隔器2的一个具体实施例的构造剖视简图，对于图2A的非润湿形，由薄板10连接而成，对于图2B的润湿形，由薄板30连接而成。图2也示出了各种数量的平板，可通过各种深度蚀刻(或深度成型)与贯穿蚀刻(贯穿成型)的结合来构造分隔器。例如，图2A示出了如下7平板构型：10A是窗框或窗屏薄板，10B是阳极流场薄板(最好是一对薄板，一阳极分隔薄板及其右侧的阳极流场薄板)；10C是闭合薄板；10D是冷却流场薄板，它可是贯穿蚀刻的或有通过在相对面上深度蚀刻但长度方向上不互通(它们通过贯穿蚀刻互通)的不同蛇形管道的多个冷却剂通道；10F是对应于10B的阴极流场薄板；10G是象10A一样的窗框或窗单元薄板。图2A下部示出了5个平板分组；10-1和10-5是窗框或窗屏薄板；10-2是从阳极面深度蚀刻的单独薄板；10-3是单一的冷却薄板；及10-4是与10-2相似的阴极薄板。因此，叠层构型可从5块薄板变化到10块薄板，在后一种情况下，10B和/或10F是2块薄板，而10D可以是3块薄板。

相似地，图2B范围可从3或4到20薄板，依所希望的薄板构型，示出了7个(30-1到30-7)，薄板构形在很大程度上取决于材料及制造条件，或取决于燃料电池或隔膜的类型，但所有薄板构形都可使用本发明的IFMT原理。因此，30-4示出的是单个薄板，它也可是3个薄板，两个贯穿蚀刻薄板，一个中间隔断或闭合薄板。

图3是由夹着两EMA 5A，5B的分隔器2A(或20A)，2B(或20B)，及2C(或20C)构成的叠层内部中两单元15A，15B的等距离部件分解图。在此图中，只有双极分隔器的H₂(阳极)面可见，但正如下部所示的，在隐藏的(阴极)面，有对应的O₂区。大的区域25A是电池反应区，25A对应阳极面，25C对应阴极面。分隔器中35是阳极润湿区，40是阴极润湿区，下面将详细描述。

EMA 5A和5B包括催化剂涂敷区28A和28C，与反应区25A，25C相对应。区域37、42没有涂敷催化剂，分别与阳极和阴极润湿区35，40相对应。薄板和EMA的边缘有校准孔和管道通道。

图4是本发明7薄板湿式型IFMT双极分隔器20的等距部件分解图，它包括6种不同类型的薄板，薄板30-1和30-7是一样的窗框或窗屏薄板(窗框已示出)，围绕着切口，反应区25，润湿区35、40以及围绕着横向贯穿蚀刻的反应气和冷却液管道，可有密封脊(未示出)，密封脊可模压或蚀刻在薄板上。

薄板30-2是阳极流场分隔膜，它有贯穿蚀刻通道和通路，及深度蚀刻管道和凸起。在所有薄板30-2到30-7中，横向贯穿蚀刻边缘通道或管道都与薄板30-1的相对应。薄板30-3是阳极流场薄板，它有与薄板30-2贯穿蚀刻通道相对应的深度蚀刻通道。薄板30-4是冷却板，在其阳极面的一半反应区中显示出有多条并行深度蚀刻蛇形冷却通道。非可见的正面有阴极冷却通道，也是深度蚀刻的，覆盖在另一半反应区上的。薄板30-5是阴极流场薄板，在正面上有深度蚀刻通道，在图4中不可见，但与薄板30-3相同。薄板30-6是阴极流场分隔膜，它有与板30-5对应的贯穿蚀刻通道，贯穿蚀刻通路，及与薄板30-2相同的深度蚀刻凸起。薄板30-7是阴极窗框(或窗屏)薄板，在其正面有与薄板30-1一样的密封脊。

图5至图10是一系列平面图，显示了依照本发明IFM原理的图4的7薄板双极分隔器的贯穿及深度蚀刻特征的一种实施例的每块板的表面细节。应注意到，板的递增顺序如图4所示，符号A表示从图4中阳极面看到的板的前面。B面是图4中各板不可见的一面。所有示图都是布置图或正向视图。除了使用密封脊时，薄板1和7基本相同，图5是薄板1的前面及薄板7的后面，而图5的镜像可以是薄板1的后面及薄板7的前面。图5示出了使用垫片将双极分隔器密封到EMA上的实施例。在不使用垫片的场合，阳极薄板的前面可以有单脊，它与阴极薄板后面的两脊间的槽对齐并互锁定。图5示出了阳极密封薄板30-1及阴极密封薄板30-7，也称作窗框或窗屏薄板的阳极面表面。此表面可有1-2密耳的密封脊，环绕着内部管道通路(圆角矩形)及流动区。此板的主要特征是三个大矩形区。这些矩形区空间可容纳压入的隔膜电极组件的石墨纸。矩形25是阳极反应区流动域开口(或屏域)。左上角矩形35是燃料(氢气)湿润流动域。右上角矩形40是阴极润温水流区开口。横向贯穿蚀刻的反应气管道(12，14，16，18)及冷却液管道(22，24)被安排穿过薄板的上部，下部和两侧边。最小的管道用于燃料(氢气)，12是输入管道，14是输出管道。两中等尺寸的管道用于冷却水和湿润回路，22A，22C，24A输入，24C输出。两大的管道用于空气(氧气)，16输入，18A，18B输出。

密封脊可在环绕每一横向管道及口(切口或屏25，35，40)位置27。管道及流动区密封脊可在薄板连接处理过程中模压成型。另一种密封脊的成型处理方法是二次深度蚀刻成型。第一次蚀刻出管道，区域，对齐和拉杆孔。第二次蚀刻出脊。

图5也描述出了贯穿蚀刻的叠层对齐孔32及贯穿拉杆连接孔34。叠层孔用于在连接处理中准确对齐薄板。此板的背面是不带密封脊的前面的镜象，而不论其使用密封脊或是垫片。薄板30-7的前面是图5的镜象，并且薄板30-7的背面是图5，带或不带上面所述的相互配合的密封脊。

图6示出了阳极流区分隔薄板，贯穿蚀刻的系列并行燃料(氢气)流区44，燃料(氢气)润湿区46，及用于在隔膜阴极面润湿O₂的阴极水区49。这些通道被设计得使装置的流率及压降为最佳。此图也描述出了用于燃料(氢)，空气(氧)及冷却水的输入和输出的连续贯穿蚀刻的横向管道，分别是12，14，16，18，22和24。

此图还示出了本发明的一个重要方面，深度蚀刻的凸起50相对于贯穿蚀刻的通道52(在这一薄板上)凸起，并由分隔42相互连在一起。如图6B所示，凸起不可见，但通道52和分隔54可见。凸起仅在后面图(图6B)被深度蚀刻去掉，而在前面保留。深度蚀刻接近于全板厚度的60％。贯穿蚀刻是通过适当的遮蔽，从薄板的两面深度蚀刻而成。深度蚀刻仅是从一面。对于润湿区46和48也是一样。图6B后面也绘有连续的贯穿蚀刻流动区通道52，及各种管道，对齐孔及连接拉杆孔，此板未示出H₂，O₂及水的进出管道。

图7A绘出了阳极流区薄板的前面，它有一系列的深度蚀刻并行通道，形成氢气反应区流域44，氢气润湿区46及在区49中的阴极水通道91。这些通道52及分隔54与图6A，B中阳极流区隔膜的流区通道及分隔精确对齐及配合。在此薄板上也示出了进入和离开氢气润湿流区46的深度蚀刻配给通道扩展段56。(使H₂流入此区，也可参见图8A。)H₂从横向进口12流入配给管道60(图8A)，进入入口通道61(图7A和7B)，到达H₂润湿通道62(图7A)，氢气润湿区46由3组并行蛇形通道组成。氢气可以近100％的润度通过出口通道63(图7A，7B)离开该区，进入出口收集管道64(图8A)，到达方形通道65(图7B和图8A)，并且回到阳极反应区44的氢气配给入口管道66。在此反应区中有6组并行蛇形管道67。此区域中剩余的H₂通过延伸段68，从那里通过排出管69流出到横向出口14。管道和通道被设计得氢气在流动域里配给均匀。通道61，63按一定的尺寸制成，使之起到计量孔的作用。配给及收集管道的设计使得压降及流率可被精确控制。在系列板中(图7B和8A)的通道61，63，65及管道可以叠置得容易区分出薄板间流路。

图7B绘出了阳极流区薄板的背面，它有贯穿蚀刻的计量孔(通路)61，用于调节从横向H₂燃料入口12和深度蚀刻管道60(图8A)进入H₂(阳极)润湿区46(图7A)的燃料(氢)流。通孔(通路)63是到深度蚀刻管道64(图8A)的出口，深度蚀刻管道64通过方形入料孔(通路)65与反应区44的入口管道66相连。H₂输出通过深度蚀刻管道69连接至横向输出口14。

在图7B中，阴极冷却水在横孔(管道)22C进入，并且热水从通路70，72输出至润湿区49(图7A)，然后通过通路72，73从区49流出到管道74(图8A)并输出到横向管道24C。类似地，空气/O2从横向管道16进入到深度蚀刻配给管道77，并通过深度蚀刻管道78下到阴极反应区98(图9B和10A)。用完的空气由排出管道79收集，并且通过横向管道孔18A和18B流出。

图8A绘出了阳极和阴极冷却薄板的前面，它有两组深度蚀刻的蛇形冷却液管道81，每组三条管道，覆盖反应流区的一半面积，以控制热载荷的一半。水通过口22C进入蛇管81并由管道83流出。然后热水流过通路70，71(见图7B)进入到阴极水区49(见图7A)。水分子扩散通过隔膜，润湿隔膜另一面的氧气。水通过通道72，73(图7A，7B)排出，并由管道74收集并通过横管通路24C排出叠层。

此板也示出了空气/O₂入口管道76及空气配给管道77和78，它们通过贯穿蚀刻连接在一起，如图8B所示。同样地，剩余气体收集管道79在此薄板中是贯穿蚀刻的(图4中薄板30-4)，但在薄板7B的正面，所有三管仅是深度蚀刻的。

图8B绘出了阳极和阴极冷却板的背面，其背面是阴极边，特征相同，只是没有深度蚀刻的H₂配给管道60，64，也没有通路65。因为这是阴极边，水入口是22A，蛇管是80，热水收集管道是82，出水口管道是75。管道82通过热水通路84，85与阳极水区48相连，水通过通孔86、87流出区域48进入管道75。蛇管80控制反应区44的另一半热载荷。

图9A绘出了阴极流区薄板的前面，它有深度蚀刻O₂进入分配管道78，排出收集管道79，还有H₂(12入；14出)，O₂(16入；18出)，水(22A，C入；24A，C出)的贯穿蚀刻横向管道。还有一列对于O₂进入到O₂润湿区47(图9B)的O₂入口通道88，以及一列从O₂润温区输出的通道90。润湿的O₂的进入管道与O₂阴极反应区通道92(图9B)相连，而剩余的O₂通过通道96(图9B)排出到排出收集管道79并输出到O₂横管18A，18B。

图9B绘出了阴极流区薄板的背面(图4的薄板30-5)，它与阳极流区薄板(图4的薄板30-3)前面相同，只是在O₂润湿区47中的O₂蛇管89及在阴极O₂反应区98中的O₂蛇管94较短，这是由于与氢气相比空气/O₂的粘度增加了。注意对于H₂的三条蛇管，氧气的蛇管有18条。O₂从横向入口16进入入口管道76(图8A)，再由入口通道88(图9A和9B)，进入到区域47，并由通道90输出到配给管道77，78(图8A)，并从那里通过通道96(图9B)进入阴极反应区98蛇管。消耗完的空气/O₂通过通道100输出到排出收集管道79(图9A)，并从那里输出到横向管道出口18A，18B。如上所述的，区域47，48及49由深度蚀刻出通道及中间隔离。

图10A绘出了阴极流区分隔膜的前面，它有如上所述的贯穿蚀刻通道流区47，48和98。此平板与阳极流区分隔膜(图4中薄板30-2)相同，除了蛇管被设计得对于O₂而言压降最小及流率最大。

图10B绘出了阴极流区分隔膜(图4的薄板30-6)的后面，它与阳极隔膜(图4中的30-2)的前面相同，其中深度蚀刻而成的凸起50支持阴极反应区98中相邻贯穿蚀刻通道94之间，阳极水区48的通道93之间的和O₂润湿区47的氧气通道89之间的表面102。所述表面，通道及凸起以前述的形式成型。

图11示出通过一对分隔器的氢气，氧气和润湿和冷却水的通路，第一分隔器的阳极面被标以“阳极”，而叠层中下一分隔器的阴极面被标以“阴极”，在此两者之间有一可透水的EMA 5。部件标号以图3和5-10中的编排。通过横管12进入的氢气首先在润湿区46的氢气润湿通道52中被热水分子润湿，热水分子是从阳极水通道93(在区或48的阴极面)扩散穿过润湿隔膜区37到达区域46的通道52中的。润湿的氢气然后通过反应电极隔膜区28的反应区44中的通道67，余量的氢气及润温水通过出口管道14排出。

阳极水通过进口横管22A进入，在蛇管热交换器80中加热，吸取来自反应区28的通道80内的反应的H₂和O₂的一半热量，并且把热水从区域48的通道93传送到隔膜37，相应地，阴极水来自管道22C，在热交换器81的蛇管内得到热量，并且把热水从区域49的管道91传送到隔膜42，而这些热水扩散穿过管道或隔膜，并由来自隔膜另一边的区域47内的管道89的阴极空气带走。

阴极空气通过进口横管16进来，在区域47的管道89中被区域49中管道91中的热阴极水变为蒸气或分子穿过隔膜区42而润湿。润湿的阴极空气然后通过反应区98中的通道94，并且消耗掉O₂的空气及反应产生的水通过管道18A，B排出。

综合效果是润湿用的水蒸气从阴极穿过隔膜的第一区域以润湿隔膜阳极面的H₂，而水蒸气从阳极面穿过隔膜第二区域以润湿来自阴极面的阴极空气。隔膜第三区域是反应区，在这儿进行反应，而每边的水用于带走一半的热量，并且在这一区域产生的水是从阳极边流向阴极边。

图12的中部描绘了燃料电池的整个工作情况，在这里，阳极面的H₂被催化氧化，在石墨电极(阳极)上产生两个电子(以2e-示出)由此产生的两个水合质子扩散，并被电渗透作用泵浦过湿的电解隔膜(在隔膜上以H+/H₂O示出)，到达阴极催化区，在这里它们与O₂及两个电子(以2e-示出)结合生成H₂O。图12上部及下部描绘出了对流的湿润机制，这是本发明的中心要素。电解隔膜起电解及润湿隔膜的双重作用。上部分示出了在阴极边的氧气被阳极边的水润湿。相反阳极边的氢气被阴极边的水润湿。

图13-14是一采用本发明原理的IFMT薄板的实际试验燃料电池叠层的电池电压输出对电流密度的图。在两次试验中，使用了中图4-10的7薄板分隔器的2单元电池。反应总面积为129平方厘米。使用了来自HPower公司的涂敷有有铂黑的碳黑的NA FION隔膜电极部件。工作参数是：T＝95℃；P H₂/O₂＝15/25磅/平方英寸；燃料H₂和O₂；如图13所示，电池电压对电流密度在50mA/cm²，0.9伏及830mA/cm²，0.4V之间基本上是线性的。电池以此比率工作8小时。试验被终止是由于时间的限制，而非因为电池失效。

图14示出了同样电池以H₂和空气工作在25/30磅/平方英寸压力，95℃下的结果。其输出在0.9V，10mA/cm²与0.4V，460mA/cm²之间也基本成线性。电池以此比率工作8小时。试验因时间限制而终止，而非因燃料电池叠层失效。

图15是一流程图，它示出薄板制造过程中的主要步骤，包括化学铣(蚀刻)特性成型，这些步骤如下：

A.薄板原料检验：对进来的薄板原料进行检验，以检查金属类型，滚压硬度，滚压厚度，表面均匀度，相关供应商的情况。

B.薄板原料的清洁和干燥，为使用光刻胶，通过清洗，除油及使自动机械化学清洗以清洁析料。这一过程除去原料板滚压过程中残余的油脂和油污。去油后，薄板在室温下通过稀释的蚀刻剂进行温和的化学清洁以除去氧化物及表面杂质。对钛的清洁溶剂是3％-9％的HF和10％-18％的HNO₃。对于其它金属，30-45度Baume氯化铁在室温下作清洗溶剂。在使用光刻胶前的最后步骤是用干燥器强制干燥。

根据光刻胶是湿的还是干的，光刻胶可采用如下步骤C-1和C-2或步骤C-3进行施加。

C-1·施加光刻胶的湿处理：由于光刻胶层可很薄，所以光刻胶湿处理可达到细节的最好清晰度。湿光刻胶通常由浸泡箱施加，135。小的薄板可利用半导体工业用的旋压涂敷机旋压涂敷。

C-2·光刻胶烘烤：湿的光刻胶在烘烤中被烘干(固化)，以形成硬的弹性层。

C-3·施加光刻胶的干处理：干的光刻胶可用于要求不高的地方。燃料电池分隔器是干光刻胶的典型应用。干光刻胶从背板上剥下，并用热滚压施加上，139。滚压相似于印刷电路工业所使用的。滚压自动从光刻胶上剥掉后背材料。典型的干光刻胶材料是杜邦公司制造的2密耳“Riston 4620”。

D.光刻胶掩模UV(紫外)曝光：薄板利用接触UV曝光机曝光，140。要仔细注意以精确调整布图的两边。定位目标可用于帮助这一过程。

E.图像显影：曝光的薄板通过显影剂和烘干处理，145。湿处理光刻胶在碳氢化合物显影剂中显影，去掉未处理的光刻胶。典型的显影剂是“Stoddard的溶剂”，部件号GW325，由Grent Western Chemical和Butyl Acetate制造，部件号CAS104-46-4，可从Van Waters和Rogers得到。湿处理显影在室温下要使用全浓度的这些溶剂。曝光显影后，剩余的光刻胶重新烘干，以形成弹性层。干处理显影使用杜邦的“液体浓缩显影剂”，部件号D-4000，制成在80°F下1.5％的溶液。

F.喷射蚀刻箱化学加工：显影后的薄板在喷射蚀刻箱中蚀刻，150。喷射箱胜于蚀刻浸箱之处在于生产率较高。在某些情况下，用蚀刻浸箱可获得比从喷射蚀刻机更细的分辨率。蚀刻处理对蚀刻溶剂浓度，传送机皮带速度，喷射压力和处理湿度非常敏感。在生产中通过连续处理中检测152，保持这些参数的处理反馈155。典型地，是改变线速度来得到希望的蚀刻结果。氯化铁或HF/硝酸溶液用作蚀刻剂。氯化铁用于铜，铝及不锈钢。HF/硝酸用于钛。对于钛，典型的蚀刻剂是3％-10％的HF和10％-18％HNO₃。钛的蚀刻温度范围是80-130°F。特定的浓度和温度条件可根据使用的不同金属来控制。线速度是蚀刻反应箱数目的函数。典型的蚀刻机由一共同的传送机将单独的多个蚀刻箱连接而成。典型的蚀刻机有来自OH，Maumee的Schmid Systems公司及PA，State College的Atotech Chemcut。薄板在最后一蚀刻箱后在连续清洗机中清洗。连续清洗机在检测之前除去剩余的蚀刻剂。

G.处理中检测：薄板在152处检测，以将蚀刻率及线速度信息反馈回蚀刻过程。处理中检测一般目视进行。

H.去除光刻胶：湿处理光刻胶在200°F下用碳氢化合物去除剂除掉光刻胶。一种可用的产品是“Chem Stip”，部件号PC 1822，由California，Carson的Alpha Metals制造。干处理光刻胶用商用去除剂去除，如“Ardrox”，部件号PC4055，由California，La Mirada的Ardrox制造。Ardrox稀释到1-3％并在130°F下使用。除胶后的薄板再在连续清洗机中清洗。

I.最后检测：通过测量并与在CAD设计过程中选定的临界尺寸相比较162，进行最后目视检测。此信息被反馈，以控制蚀刻和设计过程。

最后的薄板的母板172被按类型或分组放置在仓库中。原料卷一般是4-25密耳厚的钛(依薄板设计需求而不同)，36英寸宽，而薄板的尺寸是6英寸×8英寸，因此在上面所述的连续馈入处理中，薄板被排列为6块，也就是在板材宽度方向上排6块薄板。所有薄板可是同一类型，为2号薄板(图4中30-2)，或分组系列，薄板1-7(30-1到30-7)。

图16是处理流程图，描绘了现今最好的将薄板装成整体极分隔器组件的方法。薄板母板材172在需要时从仓库170中取出，并进行如下处理：

A.化学清洗：在室温下用全浓度蚀刻剂清洗薄板，175，保证用于连接的无氧化表面。清洗后将薄板烘干。

B.薄板分离器(Singulator)：通过切除将被形成的薄板支持于母板的桥接件将薄板母板分离(singulate)180。这在叠前做，以简化连接处理。

C.叠层处理及喷连接连接防护涂层：薄板在水平方向上放置(以其正确的顺序)，并按顺序垂直堆叠(190)在有两对齐柱182的热台板上。薄板对齐孔(图5中孔32)套在柱上，以精确对齐薄板，使相配合的薄板特征关联，以形成通路，分隔，管道及通道。堆叠前，热台板要涂敷上商用连接防护涂层195，以防止薄板粘接在台板上。连接防护涂层组分依连接的金属类型而各种各样。氧化钇用于钛，氧化铝用于其它金属。防护涂层也可用于薄板叠层部件之间，防止相邻叠层粘接。在薄板叠层间放置小台板，以保证载荷传递及使连接容易。在这种方式下，在上下台板间一次可连接到100个分隔器。

D.扩散连接：装好的薄板叠层190(台板未示出)被置于真空热压下，以扩散连接200。不同的金属需要不同的连接条件。连接条件由所使用的压头及温度来确定。在起动连接时，压力机关闭，抽真空至10-6乇，以防止加热时氧化，并抽去薄板间的空气。当达到适当的真空时，炉子开始加热，并且装好的薄板叠层要达到热平衡。在某些情况下，在加热过程中要施加部分压头压力。当达到热平衡时，按特定的程序施加连接压力，此程序依要连接的金属不同而不同。在某些情况下，依部件类型及要连接金属的类型，还要在减压后进行压接热处理。一般的连接时间是10到60分，900°F到1700°F，压力2000磅/英寸到4000磅/英寸，依所要连接的金属及薄板的设计而不同。一般对于钛的热处理是在约1500°F到约1600°F，在100磅/英寸压力下约60分钟。当炉室温度达到100°F到200°F时，去除真空并卸载真空压力。

E.防漏和/或泄漏检查：连接后的薄板分隔器进行泄漏检查，205，使用试验设备在通道，管道和通路上施加内压，以检查连接完整性，也就是无边泄漏及内部通道短路。

F.连接后清洗：泄漏检查后，连接防护涂层被清除210，形成薄板分隔器，清洗使用清洗机，然后酸蚀，连续清洗并进行压缩空气烘干。

G.最后整理：例如控制窗框和薄板的序列号(在薄板边上形成)等的辅助部分在最后处理215中被去除(除掉)，以生产出前面所描述的，有复杂的内部微通道区的整体连接的薄板分隔器220。

H.钝化：完成的钛分隔器在真空炉中被置于氮中。分隔器被置于真空炉中，抽成10^-6乇真空，引入干燥氮气，达到1磅/英寸的压力。重复此循环。当最终压力达到1磅/英寸时，炉子被加热到1200°F和1625°F之间，保持20到90分钟。特定的时间和温度依所希望的氮化钛的厚度而定。炉子冷却，再加压，最后生产出准备好装入EMA形成各单元的氮化(钝化)薄板分隔器230，多个单元装成燃料电池叠层，用拉杆(穿过图5中的孔34)将其连在一起，装入螺母，使叠层处于压力下，使得它在加上气压后不泄漏。电池的安装操作在上文已结合图11-14加以说明。

图17.描绘了用于图15和图16描述的湿或干的光刻蚀刻的薄板设计布图准备的过程。其步骤如下：

A：薄板绘图：薄板部件绘图由CAD系统240在计算机上自动绘制完成。绘图尺寸是其净尺寸。每一薄板的两边最终绘成视图245。这些图被电子化传送给薄板掩模布图生成CAD系统250。在CAD绘图中，生成一检测数据库162。此检测数据库包括生成布图及制造过程中需要检验的临界尺寸。布图和薄板在制造过程中检查。

B.掩模布图生成：对于每一薄板，薄板CAD图要在掩模布图CAD系统250中被转换为光学加工的掩模。蚀刻因素在每一图中被加入到每一特征中。蚀刻因素将光学加工掩模宽度调整到特性宽度，以补偿在用于切削单独薄板的化学蚀刻过程中出现的切下部分。这使得减小在光学加工掩模中的通道尺寸以补偿切下部分。蚀刻系数依金属类型，化学铣设备类型，蚀刻速度，所用蚀刻剂浓度及类型而不同。在掩模产生过程中，加入辅助制造的手段。辅助制造包括目标对齐，薄板号及控制窗框以辅助叠层及连接处理。

C.布图光绘：用自动光绘机255将薄板布图绘制在放大一倍的胶片上。

D.正片检查：完成的布图要进行视频检查，260，利用在薄板CAD绘图过程中产生的检验数据库162进行，检查完顶部(前面)和底部(后面)，薄板布图被连在一起，270，精确对齐。

工业应用性：

本发明典型的IFMT薄板燃料电池展示出下列工作数据。

带有PEM EMA的消耗H₂和O₂或空气的两单元试验电池叠层，在95℃时，显示出线性输出，范围从0.4伏(对空气：460mA/cm²，对氧气830mA/cm²)至0.9伏(对空气：10mA/cm²，对氧气：50mA/cm²)。对于100个IFMT薄板单元的全尺寸燃料电池叠层，其能量密度将超过522mW/cm²，相当于6.79千瓦，电池重量小于50磅，尺寸小于13英寸长×6英寸宽×8英寸高。与此相比，一输出范围在5-7千瓦的石墨板燃料电池的重量在100-500磅范围内。对于小汽车要用输出10-40千瓦的燃料电池，对于大客车需要100-150千瓦。所以，本发明的IFMT薄板燃料电池可以满足当前电动汽车的需求。

对于本发明的100个IFMT薄板的全尺寸电池叠层，以H₂-O₂/空气(依压力而定)工作在0.7V并且EMA电流密度750mA/cm²，能量密度可达326瓦/千克，其比功率为743千瓦/米³(743瓦/升)。与能量密度范围在50-125瓦/千克的石墨/NAFION H₂/O₂及H₂/空气电池相比，这些结果是显著的。这就是说，本发明的IFMT薄板电池要比现有石墨燃料电池的能量密度高3-6倍。这意味着本发明的IFMT薄板H₂/空气燃料电池可产生6.79千瓦的功率，电池重量仅21千克(46磅)，体积仅为0.009米³(0.323英尺³)，也就是12.9英寸长×5.6英寸宽×7.6英寸高。这是非常可观的，还可小到用于混合型汽车中。

非常明显，本发明改进的IFMT燃料电池将有很广阔的工业应用，作为电站电源，特别是在遥远的家中，工业或建筑工地，作为小型化的单一电源设备，及用于运输工具电源，特别是重型建筑设备，卡车，火车及轮船。用于本发明IFMT燃料电池制造的“印刷”技术可为光刻及清洗，组装，连接，钝化，出售和服务等方面提供大量的工作。在能量输出，重量/千瓦输出的减小，易于制造及快速应用等方面至少有3倍的改进，这里所披露的特定的燃料电池设计是本发明广泛适用的一个重要基础。

Claims (20)

1.一种极性燃料电池分隔器，包括：多个薄板材的薄板；每一薄板都有单独成型的部件，所述部件为计量孔，通道，通路及管道中的至少一个；所述部件要在薄板与薄板间相对应，以提供至少一个微通道有效域；所述的薄板被连接在一起以形成一整体分隔器，用于在一燃料电池叠层中与一电解膜组件相接触。

2.根据权利要求1所述的极性燃料电池分隔器，包括形成至少一个构成润湿燃料或氧化剂的区域的部件。

3.根据权利要求2所述的极性燃料电池分隔器，包括至少一个冷却液区。

4.根据权利要求3所述的极性燃料电池分隔器，其中所述冷却液区与至少一个所述润湿区相连，以给所述的润湿区提供热的润湿液。

5.根据权利要求1所述的极性燃料电池分隔器，其中所述部件由深度蚀刻(depth etching)和贯穿蚀刻(through etching)结合而形成。

6.根据权利要求5所述的极性燃料电池分隔器，其中所述薄板以粘接或在热和压力下以扩散，焊接，钎焊或软焊而连接起来，以形成所述的整体分隔器。

7.根据权利要求6所述的极性燃料电池分隔器，其中所述分隔器是双极分隔器，包括一阳极面和一阴极面，使所述区域通道在长度，微通道截面尺寸以及蛇形构形上适应气体组分和粘度的条件。

8.根据权利要求6所述的极性燃料电池分隔器，其中所述分隔器区域包括一H₂润湿区，及一空气/O₂润湿区。

9.根据权利要求8所述的极性燃料电池分隔器，其中所述分隔器区域包括至少一个冷却液区。

10.一种燃料电池叠层，包括：多个单元，包括：I)在一叠层阵列中的极分隔器和隔膜电极组件；II)在所述叠层的一端有一阳极分隔器端板，它与一所述的隔膜电极组件相接触；及III)在所述叠层第二端上有一阴极分隔器端板，它与一隔膜电极组件相接触；所述的双极分隔器，及所述的阳极和阴极分隔器是权利要求1中的分隔器；及所述单元在压力下按顺序组装在一起，以形成一可工作电池。

11.根据权利要求10所述的燃料电池叠层，其中所述部件包括至少一个用于燃料或氧化剂的润湿区，及至少一个与所述润湿区相连的冷却液区，以向所述润湿区提供热液体。

12.根据权利要求11所述的燃料电池叠层，其中所述的区域在长度，微通道截面尺寸以及蛇形构形上适应用H2作燃料及用空气/O2作氧化剂。

13.根据权利要求12所述的燃料电池叠层，其中所述的分隔器由金属扩散连接而形成，金属可从钛，铝，铜，钨，铌，不锈钢，合金，层压金属片，电镀金属及其组合物中选择；所述隔膜电极部件可从碳纸涂敷的PEM及无碳纸PEM中选择，并且所述分隔器包括一窗框(Windowframe)薄板与所述碳纸涂敷的PEM接触，或一窗屏(Window screen)薄板与所述无碳纸PEM接触。

14.一种生产燃料电池分隔器组件的方法，包括在薄原料板中形成多个不同的单独薄板的步骤，每一薄板有与其相应的，从微通道，通路及管道中选择出的部件，所述部件与一隔膜电极组件接触形成至少一个氧化剂或燃料消耗的有效区；堆叠所述薄板，所述单独薄板的部件要与对应的相邻薄板的对应部件精确对齐，以提供所述氧化剂或燃料的连续流通通路；连接所述对齐的薄板，以形成一有内部微通道及进口管道的整体分隔器。

15.根据权利要求14所述的生产燃料电池分隔器的方法，其中所述原料板材是金属，并且所述成形步骤包括通过深度蚀刻与贯穿蚀刻相结合使所述部件蚀刻成形的步骤。

16.根据权利要求15所述的生产燃料电池分隔器的方法，其中所述贯穿蚀刻包括在所述原料板材所选区域的两面进行深度蚀刻，深度蚀刻深度超过板材厚度的50％。

17.根据权利要求16所述的生产燃料电池分隔器的方法，其中所述金属从钛，铝，铜，钨，铌，不锈钢及合金，层压金属，镀金属和其组合物中选择。

18.根据权利要求15所述的生产燃料电池分隔器的方法，其中所述成形步骤包括将光刻胶涂敷在所述金属原料板材上，以确定其部件。

19.根据权利要求15所述的生产燃料电池分隔器的方法，包括所述分隔器连接后的钝化步骤。

20.根据权利要求19所述的生产燃料电池分隔器的方法，其中所述连接包括在热和压力下的扩散连接，所述金属是钛，及所述钝化包括在高温下暴露于氮气中。

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