[发明专利]使用基于光敏聚合物的过程来制造燃料电池

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2008年12月22日提交的美国专利申请序列号12/341,062的部分延续。上述申请的全部公开内容在此作为参考引入。

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Nafion?。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，密封垫提供大致不透流体的密封。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上下、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 from self-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：被选择产生准直光束的至少一个准直光源；具有适合于通过准直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准直光源和贮存器之间。所述至少一个孔适于将准直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