通过基于光聚合物的过程形成的扩散介质制造技术

本发明专利技术涉及通过基于光聚合物的过程形成的扩散介质，具体提供一种用于燃料电池的扩散介质层，该扩散介质层包括布置在一对导电栅格之间的导电微桁架结构。微桁架结构和栅格中的至少一个由辐射敏感材料形成。本发明专利技术还提供一种具有扩散介质层的燃料电池和用于制造扩散介质层的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池，更具体地涉及通过光致聚合作用制造的燃料电池扩散介质。
技术介绍
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。扩散介质通常由适于在燃料电池中执行多种功能的多孔材料形成。已知的是通过 碳纸制造扩散介质，例如可从托雷工业公司(Toray Industries Inc.)以商业方式购买到 的TGP-H-030。碳纸通常适于将反应物、气态物或其它物体分布到燃料电池的电极。扩散介 质还传导电子和将MEA处产生的热传递到冷却剂。对于燃料电池的水管理，扩散介质将电 化学燃料电池反应所生产的水传输离开PEM。扩散介质的水管理能力对于燃料电池性能的 任何优化都是至关重要的。扩散介质可进一步包括微孔层，该微孔层在电极和扩散介质之 间提供过渡层并且有利于将水从PEM移除。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”中已经描绘了多孔材料的替代性类型，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中披露了产生具有有 序微桁架结构的聚合物材料的方法和系统，该专利的全部内容通过引用合并于此。该系统 包括选择为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。由该方法和系统生产的微桁架材料进一步公开在雅克布森的美国专利申请 11/801,908中，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被描述在可维斯基(Kewitsch)等人的 美国专利6，274，288中，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扩散介质的结构和方法，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。
技术实现思路
根据本专利技术，提供一种制造燃料电池扩散介质的结构和燃方法，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，燃料电池的扩散介质层包括布置在一对导电栅格之间的导电微 桁架结构。所述微桁架结构和所述栅格中的至少一个由辐射敏感材料形成。在另一实施例中，燃料电池包括其间布置有膜电极组件的一对扩散介质层。扩散 介质层和膜电极组件布置在一对导电燃料电池板之间，以完成燃料电池。在进一步的实施例中，一种制造燃料电池的扩散介质层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、第二辐射敏感材料和第三辐射敏感材料，所 述第二辐射敏感材料布置在所述第一辐射敏感材料和所述第三辐射敏感材料之间；将掩膜 放置在至少一个辐射源与所述第一、第二、和第三辐射敏感材料之间，所述掩膜沿一个平面 延伸，且具有形成在其内的多个基本辐射透射孔；将所述第一、第二和第三辐射敏感材料通 过所述掩膜中的辐射透射孔暴露于多个至少部分不平行的(decollimated)辐射线束，从 而使一对栅格形成在所述第一和第三辐射敏感材料中；和将所述第一、第二和第三辐射敏 感材料通过所述掩膜中的辐射透射孔暴露于多个平行的(collimated)辐射线束，从而在 所述一对栅格之间的所述第二辐射敏感材料中形成微桁架结构。方案1、一种用于燃料电池的扩散介质层，包括布置在一对导电栅格之间的导电微 桁架结构，所述微桁架结构和所述栅格中的至少一个由辐射敏感材料形成。方案2、如方案1所述的扩散介质层，其中所述微桁架结构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。方案3、如方案2所述的扩散介质层，其中所述第一、第二和第三桁架元件在多个 节点处彼此交叠，以形成基本连续的三维自支撑结构。方案4、如方案3所述的扩散介质层，其中所述节点的至少一部分形成为与所述栅 格中的一个相邻。方案5、如方案2所述的扩散介质层，其中偏置桁架元件布置为与所述第一、第二 和第三桁架元件中的至少一个相邻，以形成锐角拐角。方案6、如方案1所述的扩散介质层，其中所述栅格中的至少一个包括沿第一方向 延伸的多个第一壁和沿第二方向延伸的多个第二壁，其中所述第一壁和所述第二壁形成多 个四边形开口。方案7、如方案5所述的扩散介质层，其中所述栅格中的至少一个包括沿第三方向 延伸的多个第三壁，其中所述第一壁、所述第二壁和所述第三壁形成多个三角形开口和多 个六边形开口，所述三角形开口比所述六边形开口小。方案8、如方案1所述的扩散介质层，其中所述栅格中的至少一个具有基本平坦的表面。方案9、如方案1所述的扩散介质层，其中所述微桁架结构和所述栅格中的至少一 个具有导电涂层。方案10、如方案8所述的扩散介质层，其中所述导电涂层是金属和陶瓷中的一种。方案11、如方案1所述的扩散介质层，其中所述微桁架结构和所述栅格中的至少 一个被碳化。方案12、如方案1所述的扩散介质层，其中所述微桁架结构具有空间化改变的传 质阻力。方案13、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，所述扩散介质 层中的至少一个包括布置在一对导电栅格之间的导电微桁架结构，所述微桁架结构和所述 栅格中的至少一个由辐射敏感材料形成；和—对导电燃料电池板，其中所述膜电极组件和所述扩散介质层布置在所述燃料电 池板之间。方案14、一种制造燃料电池的扩散介质层的方法，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、第二辐射敏感材料和第三辐射敏感材料， 所述第二辐射敏感材料布置在所述第一辐射敏感材料和所述第三辐射敏感材料之间；将掩膜放置在至少一个辐射源与所述第一、第二、和第三辐射敏感材料之间，所述 掩膜沿一个平面延伸且具有形成在其内的多个基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的扩散介质层，包括布置在一对导电栅格之间的导电微桁架结构，所述微桁架结构和所述栅格中的至少一个由辐射敏感材料形成。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JA洛克，YH赖，KE纽曼，GW弗利，AJ雅各布森，PD布鲁尔，WB卡特，RE多蒂，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]