使用基于光敏聚合物的过程来制造燃料电池 【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部件。
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，用于各种应用。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。
在PEM燃料电池中使用其它反应物(例如，甲醇)也是已知的。甲醇可催化氧化以形成二氧化碳。来自于甲醇氧化的质子经过电解质膜输送给阴极，质子在阴极与通常来自于空气的氧反应产生水。如同氢PEM燃料电池一样，电子通过外部负载(例如，电动马达)作为电流从阳极输送给阴极。
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
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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或甲醇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)上且以离聚物的形式散置。
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。燃料电池板可具有在其中形成的多个通道，用于将反应物和冷却剂分配给燃料电池。燃料电池板通常通过用于成形片材金属的常规过程形成，例如压制、机加工、模制或通过光刻掩模的光蚀刻。在双极燃料电池板的情况下，燃料电池板通常由一对单极板形成，所述单极板然后被结合。也已知从复合材料形成燃料电池板，例如石墨复合物或石墨填充聚合物。不幸的是，用于形成电解质膜、电极、扩散介质和燃料电池板中的每个的已知方法都是昂贵的和耗时的。
也已知例如用网状泡沫材料根据常规聚合物起泡过程来制造包括燃料电池板的燃料电池部件。然而，常规起泡过程产生不均质和随机(无序)的三维微结构。某些技术确实产生具有有序三维微结构的聚合物材料，例如光固化快速成型技术；然而，这些技术通常依赖于抑制生产容积可缩放性的逐层方法。
具有有序三维微结构的材料由Jacobsen等在“Compression behavior of micro‑scale truss structures formed fromself‑propagating polymer 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。形成具有有序微桁架结构的聚合物材料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。所述系统包括：被选择产生网状光束的至少一个网状光源；具有适合于通过网状光束聚合的光敏单体的贮存器；和掩模，所述掩模具有至少一个孔且定位在所述至少一个网状光源和贮存器之间。所述至少一个孔适于将网状光束的一部分导入光敏单体以通过光敏单体的一部分体积形成至少一个聚合物波导体。通过所述方法和系统制造的微桁架材料还由Jacobsen在美国专利申请序列No.11/801,908中公开，所述申请全部内容通过参考引入本文。暴露于辐射且通过形成聚合物波导体引起光自聚焦或自捕获的聚合物材料也由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。
持续需要一种优化燃料电池耐用性、最小化工具成本、最小化制造成本、且最小化开发时间的制造燃料电池部件的结构和方法。期望所述方法消除与根据已知方法形成部件有关的不均质和设计约束。
【发明内容】
根据本发明，令人惊奇地发现一种优化燃料电池耐用性、最小化工具成本、最小化制造成本、最小化开发时间且消除与根据已知方法形成部件有关的不均质和设计约束的制造燃料电池部件的结构和方法。
在第一实施例中，一种燃料电池部件包括基底和至少一个流场层。所述流场层具有多个辐射固化反应物流动通道和多个辐射固化冷却剂通道中的至少一种。所述流场层可为以下设置之一：设置在所述基底和扩散介质层之间；和与基底相对地设置在扩散介质层上。
在另一个实施例中，一种制造用于燃料电池的重复单元的方法，包括步骤：提供第一燃料电池部件，所述第一燃料电池部件具有第一基底、具有微桁架结构的第一扩散介质层和具有多个反应物流动通道的第一流场层，所述第一流场层设置在所述第一基底和第一扩散介质层之间；提供第二燃料电池部件，所述第二燃料电池部件包括具有微桁架结构的第二扩散介质层和具有多个反应物流动通道和多个冷却剂通道的第二流场层，所述第二扩散介质层设置在第二基底和第二流场层之间；将所述第一燃料电池部件设置到所述第二燃料电池部件上，其中，第一基底靠近第二流场层设置；从所述第二燃料电池部件去除第二基底；将第一微孔层设置在第一扩散介质层上且将第二微孔层设置在第二扩散介质层上；将第一电极应用于第一微孔层且将第二电极应用于第二微孔层，或者将聚合物电解质膜设置在第一电极上；和将膜电极组件设置在所述第一和第二微孔层中的一个上，从而完成用于燃料电池的重复单元。
在又一实施例中，一种制造用于燃料电池的重复单元的方法，包括步骤：提供第一基底；将第一辐射敏感材料应用于所述第一基底；将第一掩模放置在至少一个辐射源和第一辐射敏感材料之间，所述掩模沿单个平面延伸且具有多个孔；将第一辐射敏感材料暴露于多个辐射束以形成多个负性可拆卸芯；从所述负性可拆卸芯去除第一掩模；将第二辐射敏感材料应用于所述负性可拆卸芯；去除未固化的第一辐射敏感材料体积；用导电涂层涂覆第一基底和负性可拆卸芯；将第三辐射敏感材料应用于所述第一基底；将第二掩模放置在所述至少一个辐射源和第二辐射敏感材料之间；将第二辐射敏感材料暴露于多个辐射束以形成具有微桁架结构的第一扩散介质层；将第三掩模放置在所述至少一个辐射源和第三辐射敏感材料之间；将第三辐射敏感材料暴露于多个辐射束以形成具有微桁架结构的第二扩散介质层；去除所述负性可拆卸芯以及未固化的第二和第三辐射敏感材料；用导电涂层涂覆第一和第二扩散介质层；以及将膜电极组件应用于第一和第二扩散介质层中的一个，从而完成用于燃料电池的重复单元。
【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是根据本发明的一个实施例的燃料电池部件的局部侧视截面图；
图2是根据本发明的另一个实施例的燃料电池部件的局部侧视截面图；
图3是制造有图1和2所示的燃料电池部件的具有导电涂层的燃料电池重复单元的局部侧视截面图；
图4是是根据本发明的另一个实施例的燃料电池部件的局部侧视截面图；和
图5是制造有图4所示的燃料电池部件的燃料电池重复单元的局部侧视截面图。
【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。
如图1和2所示，提供了用于制造第一燃料电池部件10和第二燃料电池部件11之一的基于光敏聚合物的过程。燃料电池部件10、11包括基底12、具有微桁架结构15的至少一个扩散介质层14、和至少一个流场层16。在图1中，示出了第一燃料电池部件10，其中，流场层16设置在基底12和扩散介质层14之间。在图2中，示出了第二燃料电池部件11，其中，扩散介质层14设置在基底12和流场层16之间。基底12可根据期望可拆卸地或永久性地附接到扩散介质层14和流场层16之一。
扩散介质层14和流场层16中的至少一个由辐射敏感材料形成。由辐射敏感材料形成辐射固化结构(例如扩散介质层14和流场层16)，例如在受让者的同在审查中的美国申请序列No.12/339,308中描述，所述申请的全部内容通过参考引入本文。
基底12可由允许在其上形成聚合结构的任何材料形成。基底12可根据期望是不导电或导电的。例如，如果预期当形成扩散介质层14和流场层16之一之后去除基底12，基底12可为不导电的。然而，如果预期基底12保留在燃料电池内，基底12可为导电的。在一个示例中，基底12从在例如典型光敏聚合条件下不会显著降级的金属或导电复合材料形成。基底12可替代地由在其中具有孔或通路的不导电材料形成，导电材料可设置在所述孔或通路中，例如通过电镀以使得基底12变为导电的。在具体示例中，基底12由不锈钢条形成。不锈钢条可例如设置为盘绕钢条、架加载的钢条、或独立坯体中的一种。在某些实施例中，基底12是基本平面不锈钢条。基底12也可以根据期望在其中设置纹路或图案。
基底12还可设置有从扩散介质层14和流场层16之一结合和脱离的涂层或表面处理。作为非限制性示例，基底12可具有适合于在燃料电池部件10、11的制造期间与未固化聚合物材料结合的涂层。表面处理还可利于固化聚合物从基底12脱离。交替地，在燃料电池部件10、11的制造期间通常设置在平坦表面上的基底12的后侧可具有涂层以防止基底12的不希望污染或电镀。技术人员可根据期望选择合适的表面处理，包括涂层。
在又一实施例中，基底12可具有在其中形成的通孔(未示出)。通孔可利于在燃料电池部件10、11的制造期间采用的液体光敏单体和溶剂的排出或者固态辐射敏感聚合物的去除。通孔也可以提供典型的终端产品特征，例如端口和集管开口，如申请人的同在审查中的美国专利申请No.11762,845中所述，所述申请全部内容通过参考引入本文。在其它实施例中，通孔可与流场层16(如图4和5所示)协作。通孔可在将扩散介质层14和流场层16之一应用于基底12之前例如通过机械穿孔或通过激光切削形成。也可以使用用于形成通孔的其它合适手段。
根据本发明的扩散介质层14具有微桁架结构15。微桁架结构15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、和沿第三方向延伸的多个第三桁架元件。第一、第二和第三桁架元件可在多个节点18处彼此互穿。应当理解的是，第一、第二和第三桁架元件可以不彼此互穿，或者可以根据期望间歇性地在多个节点18处彼此互穿。第一、第二和第三桁架元件形成连续的三维自支撑蜂窝结构。
虽然具有多个第一桁架元件、多个第二桁架元件和多个第三桁架元件的微桁架结构15可具有上述4折结构对称(4‑foldarchitectural 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3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15连通性并减少微桁架结构15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15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15的其它结构。
微桁架结构15的示例性结构由Jacobsen在美国专利No.7,382,959和美国专利申请序列No.11/801,908中公开。例如，所述多个第一桁架元件可由多个第一自传播聚合物桁架波导体限定。所述多个第二桁架元件可由多个第二自传播聚合物桁架波导体限定。所述多个第三桁架元件可由多个第三自传播聚合物桁架波导体限定。例如，第一、第二和第三波导体可由液体光敏单体形成，液体光敏单体在光敏聚合时展现折射指数的变化。替代地，应当理解的是，微桁架结构15可由不通过折射指数的变化形成聚合物波导体的材料形成，例如通过控制本文所述的基本固态辐射敏感聚合物的辐射暴露。可根据期望采用形成微桁架结构15的其它合适手段。
本领域技术人员将理解，可根据期望设计具体的微桁架结构15，例如通过以下方法中的至少一种：1)选择聚合物桁架元件相对于彼此的角度和图案，2)调节得到的蜂窝结构的致密性或相对密度，和3)选择聚合物桁架元件的截面形状和尺寸。具体地，具有椭圆桁架截面形状的聚合物桁架元件可消除由于热膨胀系数的差异引起的降级。也可以根据期望采用其它截面形状。
在某些说明性实施例中，微桁架结构15的聚合物可转化为金属氧化物或陶瓷以提供期望水平的弯曲强度。例如，陶瓷微桁架结构15和用于制备陶瓷微桁架结构15的方法由Gross等在美国专利申请序列No.12/074,727中公开，所述专利申请全部内容通过参考引入本文。
根据本发明的流场层16包括多个反应物流动通道20。反应物流动通道20由沿燃料电池部件10、11的长度延伸的多个第一通道壁24形成。如图2所示，流场层16也可包括多个冷却剂通道22。冷却剂通道22由所述多个第一通道壁24和也沿燃料电池部件10、11的长度延伸的多个第二通道壁26形成。当流场层16由例如液体光敏单体形成时，第一通道壁24可由沿一个方向延伸的多个第一自传播聚合物壁波导体限定，第二通道壁26可由沿另一个方向延伸的多个第二自传播聚合物壁波导体限定。第一和第二通道壁24、26可在多个接合部28处彼此互穿。作为非限制性示例，第一和第二通道壁24、26可形成大致V形的冷却剂通道22。在某些实施例中，反应物流动通道也可以由第一和第二通道壁24、26形成。应当理解的是，将反应物流动通道和冷却剂通道20、22形成为开口V形可允许在燃料电池部件10、11的制造期间所使用的过多辐射敏感材料的回收。接合部28可根据期望设置靠近基底12和扩散介质层12之一，如图2所示。
流场层16还可包括隔开的多个支撑韧带(supportligament)30，支撑韧带30利于通过流场层16的反应物或冷却剂流且消除在典型燃料电池操作条件下第一和第二通道壁24、26的不希望折曲。支撑韧带30还可适于承载燃料电池内的电流。类似于微桁架结构15的桁架元件，支撑韧带30可根据期望具有椭圆形截面形状或其它截面形状。
支撑韧带30设置在第一和第二通道壁24、26与基底12和扩散介质层14之一之间。当流场层16由例如液体光敏单体形成时，支撑韧带30可由多个自传播聚合物韧带波导体限定。在某些实施例中，支撑韧带30中的至少一个可在基底12和扩散介质层14之一附近与另一个支撑韧带30相交。具体地，支撑韧带30可设计成在扩散介质层14附近相交，以用于刚性且避免第一和第二通道壁24、26的不希望折曲和破裂。
用于形成根据本发明的扩散介质层14和流场层16中的至少一个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。液体光敏单体可为在Jacobsen的美国专利No.7,382,959和美国专利申请序列No.11/801,908所述的单体。合适的光敏单体的非限制性示例可包括在暴露于UV辐射(波长在约250nm和约400nm之间)时经由自由径向聚合过程来聚合的单体。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。在大致同时发生聚合或缩聚反应时，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，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，但是在负性抗蚀聚合物中大致稳定的辐射固化特征在引发辐射暴露期间也可生成。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 Corporatioin可商业获得的环氧树脂基SU‑82000
TM负性抗蚀聚合物。SU‑82000
TM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显现的特征。
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具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。例如，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。例如，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12以一定角度导向。掩模可在暴露之后拿走且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，以形成具有期望截面形状的聚合物结构。孔可为基本圆形的以形成椭圆形截面形状，从而可更好地调节燃料电池部件10、11内的热膨胀系数(CTE)的差异。
在一个说明性实施例中，掩模表面具有多个孔。所述孔均具有例如约10微米的直径。在另一个实施例中，所述孔是提供辐射片的细长槽，以形成例如具有基本矩形截面形状的聚合物壁，以便形成燃料电池部件10、11的反应物流动通道20和冷却剂通道22中的至少一个。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。技术人员可根据期望选择合适的掩模材料、孔和开口尺寸及形状、以及得到的结构配置。
参考图3，为了清楚起见，与图1和2类似的结构具有相同的附图标记以及单引号(’)或双引号(”)。扩散介质层14’、14”和流场层16’、16”中的至少一个还可用导电材料38’、38”涂层。例如，扩散介质层14’、14”和流场层16’、16”中的至少一个可电镀有基本抗氧化、抗还原和抗酸性的金属涂层。金属涂层可以多个电镀步骤形成。例如，金属涂层可通过应用第一层无电镀镍基体，然后电镀抗腐蚀的第二层NiCr或Cr和具有用于最小化扩散介质层14’、14”和流场层16’、16”之间的接触电阻的Au或Pd的第三层外敷层形成。例如，第一层和第二层可电镀，第三层通过物理气相沉积应用以限制覆盖范围。也可以根据期望采用用于将导电材料38’、38”涂层到扩散介质层14’、14”和流场层16’、16”中的至少一个上的其它方法。
在某些实施例中，导电材料38’、38”包括选自以下组的贵金属：钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、铱(Ir)、铂(Pt)、锇(Os)及其合金。在具体实施例中，导电材料38’、38”是金(Au)。在另一个具体实施例中，导电材料38’、38”是钽(Ta)。其它合适的金属涂层可包括镍(Ni)合金，例如镍和铬(CR)或者镍和钴(Co)的合金。本领域技术人员应当理解，导电材料38’、38”可包括上述金属的混合物或合金。也可以根据期望使用其它导电金属和材料。
导电材料38’、38”可通过以下方法之一沉积到扩散介质层14’、14”和流场层16’、16”中的至少一个上：例如电子束蒸发、磁控管溅射、物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、电解沉积、无电沉积、火焰喷射沉积、刷镀和其它类似过程。也可以采用基于溶液的电镀技术，包括将扩散介质层14’、14”和流场层16’、16”中的至少一个沉浸在电镀路径中。也可以使用将浆粉末形式的导电材料38’、38”应用并随后点火浆粉末以形成涂层。技术人员可选择一种以上的沉积技术以考虑所选择沉积技术的视线和非视线特性之间的差异。在某些实施例中，导电材料可基本均匀地沉积在扩散介质层14’、14”和流场层16’、16”的内表面和外表面两者上。在其它实施例中，扩散介质层14’、14”上的导电材料38’、38”的涂层厚度可小于流场层16’、16”上的导电材料38’、38”的涂层厚度。可以根据期望选择导电材料38’、38”的合适涂层方式和厚度。
应当理解的是扩散介质层14’、14”和流场层16’、16”中的至少一个可由辐射敏感材料形成，在固化时，辐射敏感材料是导电的。在辐射敏感材料是导电的时，如果期望可不采用扩散介质层14’、14”和流场层16’、16”中的至少一个上的导电材料38’、38”涂层。
第一和第二燃料电池部件10、11也可以具有至少一个微孔层32’、32”和至少一个电极34’、34”。微孔层32’、32”可沉积在扩散介质层14’、14”上。电极34’、34”可与扩散介质层14’、14”相对地沉积在微孔层32’、32”上。应当理解的是，电极34’、34”也可根据期望直接沉积在扩散介质层14’、14”上。电极34’、34”之一还可以具有设置在其上的聚合物电解质膜(PEM)36。
如图3所示，第一和第二燃料电池部件10、11可组装以形成燃料电池的单个重复单元40。多个重复单元40可堆叠在一起以形成燃料电池堆(未示出)。重复单元40包括第一扩散介质层14’和第二扩散介质层14’。第一扩散介质层14’具有带有节点18’的微桁架结构15’。第二扩散介质层14”包括带有节点18”的微桁架结构15”。重复单元40还包括第一流场层16’和第二流场层16”。第一流场层16’包括相交的第一通道壁24’和多个支撑韧带30’。第二流场层16”包括在接合部28”处相交的第一和第二通道壁24”、26”以及多个支撑韧带30”。第一燃料电池部件10的基底12’设置在第一流场层16’和第二流场层16”之间。基底12’以及第一流场层16’和第二流场层16”还设置在第一扩散介质层14’和第二扩散介质层14”之间。扩散介质层14’、14”中的每个具有设置在其上的一个微孔层32’、32”。微孔层32’、32”中的每个具有与扩散介质层14’、14”相对地应用于其上的电极34’、34”之一。电极34’、34”之一具有设置在其上的聚合物电解质膜36。
参考图4和5，为了清楚起见，与图1、2和3类似的结构具有相同的附图标记以及单引号(’)或双引号(”)。根据本发明的替代性燃料电池部件10’在图4中示出且提供用于形成图5所示的燃料电池的单个重复单元40’。
燃料电池部件10’包括第一扩散介质层14’和第二扩散介质层14”以及单个流场层16。流场层16由多个导电壁42形成，导电壁42限定多个反应物流动通道20和多个冷却剂通道22。导电壁42可例如通过将导电材料38设置在多个可拆卸负性芯上并随后去除芯以留下导电材料38作为壁42而形成。也可使用用于形成导电壁42的其它方式。
基底12可与流场层16联接。作为非限制性示例，形成导电壁42的涂层38也可设置在基底12上以将基底12与流场层16结合。流场层16设置在第一扩散介质层14’和第二扩散介质层14”之间。扩散介质层14’、14”中的一个具有设置在其上的膜电极组件(MEA)44。膜电极组件44包括微孔层32’、32”、电极34’、34”和PEM36。流场层16提供多个反应物流动通道20和多个冷却剂通道22。如图所示，在替代性燃料电池部件10’中由流场层形成的多个反应物流动通道20包括靠近第一扩散介质层14’形成的反应物流动通道20和靠近第二扩散介质层14”形成的反应物流动通道20。穿孔、槽或一系列孔46穿过基底12形成且与流场层16协作以在靠近第二扩散介质层14”的多个反应物流动通道20之间提供流体连通。从而应当理解的是，燃料电池10’的替代性结构利于形成燃料电池的单个重复单元40’，而不需要如图1‑3所示的第一和第二燃料电池部件10、11的组件。
本发明包括一种制造重复单元40的方法。所述方法首先包括步骤：提供第一燃料电池部件10和第二燃料电池部件11。第一燃料电池部件10设置在第二燃料电池部件11上。第一基底12’设置靠近第二燃料电池部件11的第二流场层16”。第二燃料电池部件11的第二基底12”根据期望在第二燃料电池部件11设置在第一燃料电池部件10上之前或之后从第二燃料电池部件11去除。第一燃料电池部件10和第二燃料电池部件11可例如用重电镀过程结合，以封闭V形冷却剂通道22”。导电定位粘结剂可用于结合第一燃料电池部件10和第二燃料电池部件11。也可以采用以期望密封和导电方式结合第一燃料电池部件10和第二燃料电池部件11的其它合适手段。
然后，第一微孔层32’设置在第一扩散介质层14’上，第二微孔层32”设置在第二扩散介质层14”上。第一电极34’设置在第一微孔层32’上，第二电极34”设置在第二微孔层32”上。PEM36然后设置在第一和第二电极34’、34”之一上以完成燃料电池的重复单元40。微孔层32’、32”、电极34’、34”和PEM36的组装可根据期望在将第一燃料电池部件10与第二燃料电池部件11结合之前或之后进行。
提供第一燃料电池部件10的步骤还可包括步骤：提供第一基底12’和将第一辐射敏感材料设置在第一基底12’上。例如，第一基底12’可沉浸在一定体积的液体光敏单体中。第一掩模然后放置在所述至少一个辐射源和第一辐射敏感材料之间。第一掩模沿单个平面延伸且具有在其中形成的多个细长槽。第一掩模可被选择以提供具有多个第一聚合物壁24’的期望流场几何形状。第一辐射敏感材料然后暴露给通过第一掩模的细长槽引导的多个辐射片，以形成具有多个反应物流动通道20’的第一流场层16’。
在形成第一流场层16’之后，第二辐射敏感材料应用于第一流场层16’。第二辐射敏感材料可根据期望与第一辐射敏感材料相同或不同。作为非限制性示例，基本固态辐射敏感材料可叠层在第一流场层16’上。第二掩模放置在所述至少一个辐射源和第二辐射敏感材料之间。第二掩模可被选择提供期望扩散介质几何形状。第二掩模沿单个平面延伸且具有多个孔。第二辐射敏感材料暴露于通过第二掩模的孔引导的多个辐射束以形成具有期望微桁架结构15’的第一扩散介质层14’。
提供第二燃料电池部件11的步骤还可包括步骤：提供第二基底12”和将第三辐射敏感材料应用于第二基底12”。第三辐射敏感材料可以与第一和第二辐射敏感材料相同或不同。作为非限制性示例，第二基底12”可用基本固态辐射敏感聚合物堆叠。应用于第二基底12”的第三辐射敏感材料的厚度可基于要用第三辐射敏感材料制造的未压缩扩散介质层14”的期望厚度选择。然后，第三掩模放置在至少一个辐射源和第三辐射敏感材料之间。第三掩模沿单个平面延伸且具有在其中形成的多个孔。第三辐射敏感材料随后根据期望例如同时或顺序地暴露于从一个或多个方向来自于辐射源的多个辐射束。辐射束通过在第三掩模中形成的孔导向第三辐射敏感材料。辐射束使得微桁架结构15”形成第二扩散介质层14”。
在形成微桁架结构15”之后，第三掩模从第二扩散介质层14”去除。第四辐射敏感材料然后应用于第二扩散介质层14”。第四辐射敏感材料可以与第一、第二和第三辐射敏感材料相同或不同。作为非限制性示例，第四辐射敏感材料是一定体积的液体光敏单体。第四掩模放置在至少一个辐射源和第四辐射敏感材料之间。第四掩模沿单个平面延伸且具有在其中形成的多个细长槽。第四辐射敏感材料随后暴露于通过第四掩模的细长槽引导的多个辐射片以形成具有多个反应物流动通道20”和多个V形冷却剂通道22”的第二流场层16”。
应当理解的是，为了形成期望微桁架结构15’、15”，辐射束可包括第一辐射束、第二辐射束和第三辐射束。第一辐射束、第二辐射束和第三辐射束从所述至少一个辐射源朝所述至少一个孔导向，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。在光敏单体的情况下，聚合物桁架元件可从具有与周围光敏单体不同的折射指数的聚合物波导体形成。
作为非限制性示例，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。第一、第二和第三聚合物桁架元件中的每个可彼此相交以形成微桁架结构15’、15”。然而，应理解的是，可以根据期望选择至少一部分桁架元件不相交。
用于制造燃料电池的重复单元40的方法还包括步骤：将第一扩散介质层14’、第二扩散介质层14”、第一流场层16’和第二流场层16”中的至少一个用导电材料38’、38”涂层，如上所述。应当理解的是，导电材料38’、38”可最小化接触电阻并优化燃料电池的效率。
本发明包括用于制造燃料电池的重复单元40’的另一种方法。所述方法包括步骤：提供基底12并将第一辐射敏感材料应用于基底12。例如，基底12可沉浸在一定体积的液体光敏单体中。基底12可设置有在其中形成的多个穿孔或孔46。然后，将第一掩模放置在至少一个辐射源和第一辐射敏感材料之间。所述第一掩模沿单个平面延伸且具有多个孔。然后，将第一辐射敏感材料暴露于通过第一掩模的孔导向第一辐射敏感材料的多个辐射束以形成多个负性可拆卸芯。也可以通过其它手段形成负性可拆卸芯，例如丝网印刷。从所述负性可拆卸芯和残余的未固化第一辐射敏感材料去除第一掩模。应当理解的是，在本发明的范围内，术语“未固化辐射敏感材料”也可包括分解的辐射敏感材料。剩余的未固化的第一辐射敏感材料体积可随后例如通过在光敏单体的情况下排出而去除且被再循环。去除残余未固化的第一辐射敏感材料体积的步骤可包括用溶剂冲洗基体和芯。本领域技术人员将理解，合适的溶剂不会显著降级暴露的负性可拆卸芯。
可拆卸芯具有形成多个反应物流动通道20和多个冷却剂通道22所期望的壁42的负性形状。形成多个负性可拆卸芯的步骤可包括将辐射敏感材料暴露于例如多个倾斜和竖直辐射束。
将第二辐射敏感材料设置于所述负性可拆卸芯上将第三辐射敏感材料设置于所述基底12。作为非限制性示例，第二和第三辐射敏感材料可为叠层在负性可拆卸芯和基底12中的每个上的基本固态辐射敏感聚合物。基底12和负性可拆卸芯可用导电涂层38涂覆。应当理解的是，掩模或其它物理盖(例如具有另一表面的物理触头)可用在叠层辐射敏感聚合物的外表面上以防止在应用导电涂层38期间在其上形成不希望的重电镀。
然后，将第二掩模放置在所述至少一个辐射源和第二辐射敏感材料之间；且将第二辐射敏感材料暴露于多个辐射束以形成具有微桁架结构15’的第一扩散介质层14’。将第三掩模放置在所述至少一个辐射源和第三辐射敏感材料之间；将第三辐射敏感材料暴露于多个辐射束以形成具有微桁架结构15”的第二扩散介质层14”。第一、第二和第三辐射敏感材料可根据期望相同或不同。去除所述光敏聚合的负性可拆卸芯以及未固化的第二和第三辐射敏感材料以留下由导电涂层38形成的壁42。
所述方法还包括步骤：用导电涂层38涂覆第一和第二扩散介质层14’14”。然而，应当理解的是，设置在扩散介质层14’、14”的涂层的厚度可小于设置在形成流场层16’的壁42的负性可拆卸芯上的涂层的厚度。本领域技术人员可根据期望选择用于每层的合适导电涂层厚度。
为了完成用于燃料电池的重复单元40’，将MEA44应用于第一和第二扩散介质层14’、14”中的一个。应用MEA44的步骤包括步骤：将第一微孔层32’设置在第一扩散介质层14’上；将第一电极34’应用于第一微孔层32’上；将PEM36设置在第一电极34’上；将第二电极34”设置在PEM36上；和将第二微孔层32”设置在第二电极34”上。
关于本文所述的重复单元40、40’，也可以设置通常与燃料电池的入口和出口歧管的形成相关联的歧管孔(未示出)。类似地，可以设置利于燃料电池组装和操作的密封和端口特征。歧管孔、密封件和端口特征可通过常规手段形成或者通过使用上文所述的聚合技术形成。
令人惊奇地发现，微桁架结构15、15’、15”的使用允许以成本有效的方式制造燃料电池部件10、10’、11，燃料电池部件10、10’、11用于形成用于机动车和其它应用的燃料电池，例如用于便携式装置的微型燃料电池。本发明的燃料电池部件10、10’、11使用以期望燃料电池部件的形状形成的聚合物，与形成负性形状可拆卸芯相对。本发明扩展了已知微桁架过程可用的设计特征以制造对于制造燃料电池部件(例如，扩散介质、分离板和膜增强件)所期望的各种更多特征。
与常规聚合物泡沫部件相比，通过本发明的方法制造的燃料电池部件10、10’、11、40、40\的高度有序结构提供更均质的压缩和增加的耐用性。本制造方法也比常规制造方法更便宜，且允许用显著减少的交货时间来制造燃料电池部件。具体地，制造成本降低可由于取代常规碳纸扩散介质，且通过消除通常与在常规和单独制造的燃料电池部件之间形成期望接触电阻界面相关的成本。
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。