專利名稱：流場板的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于包含流體電解質(zhì)的燃料電池、電解槽和電池的流場板及其制備。
燃料電池是把化學能直接轉(zhuǎn)變成電能的電化學裝置。燃料電池采用包括陽極和陰極的電極、常支撐在電極上的電催化劑以及電解質(zhì)。燃料和氧化劑分別供給陽極和陰極。
固體聚合物燃料電池(SPFC)采用薄膜電極組件(MEA)，由具有外加的電催化劑層的固體聚合物電解質(zhì)組成，該電催化劑層夾在兩個導電板之間，導電板具有穿過電極活性區(qū)分布燃料和氧化劑的流體流場。這些流場板也公知為集電板或雙極板，可為MEA額外提供機械支撐。流體孔道形成在流場板表面上，以引導燃料和氧化劑分別流向流體流場。流場板中的流體排除孔道能夠清除未反應的燃料和氧化劑以及在陰極形成的反應產(chǎn)物(例如氧/氫燃料電池中的水)。
燃料電池的性能部分取決于把燃料和氧化劑有效供給電極以及電池運行期間反應產(chǎn)物的有效清除。因此，流場板上的流場設計和制備是燃料電池最佳運行的重要條件。
對于大多數(shù)應用，燃料電池可串聯(lián)連接，形成“疊層”，從而提高電壓輸出。電池之間的流場板可以是雙極性，從而在板的相對表面上經(jīng)流場分別分布燃料和氧化劑。在疊層中，流場板應不能透過反應物，以防止相鄰電池之間的干擾。
用于燃料電池疊層中的流場板由多種材料組成。該材料需要如下性能i)與電解質(zhì)的化學相容性；ii)低電阻率(接觸電阻和體電阻)，以便降低能量損耗；iii)不能透過H2和O2iv)板容易制備v)重量輕；和vi)有足夠強度，可承受加工和高沖壓。
有報道碳基流場板用于低溫燃料電池特別是SPFC。碳是該應用的優(yōu)良材料，具有優(yōu)良的化學耐性、低密度和高的導電以及導熱性。
利用模壓，用片狀石墨來制備流場板，其上凸起流體流動結構。例如，US5521018提供了細粒石墨(GRAFOIL)制備的流場板。
US4301222和EP784352描述了應用樹脂以形成板，機械強度得到改善，但這些絕緣樹脂會降低板的整體導電率，導致燃料電池疊層的損耗增大。在另一發(fā)明中，碳纖維已加入到聚合物/石墨材料中，提高板強度和導電率。然而，US4339322所公開的板的電阻系數(shù)遠遠高于只由石墨制備的板。
如US5686199所述，可加工細粒石墨板，形成流體流動圖案。然而，由于該材料的機械強度低，這些板厚得令人難于接受。同時，在碳板上加工流體流場是個慢工序，該材料對工具磨損快。與標準碳材料相比，碳纖維復合材料更耐磨，更易損傷切割工具。由于采用高價的專業(yè)設備，應避免這些材料。
因此，對于由理想材料制備流場板，目前的技術尚不能提供快速、低成本的工藝。
對于一些特定應用，以前描述過砂磨、珠磨或噴砂，例如在石頭、木頭、陶瓷品、塑料、玻璃和玻璃加強塑料上作記號和裝飾圖案(例如US4 828 893和US4 985 101)以及表面清潔或弄糙處理。也已采用砂磨來形成等離子體顯示裝置(EP0 722 179)和制備磁轉(zhuǎn)換頭(US4 188247)。
本發(fā)明提供制備電化學電池元件例如流場板的新穎、有效和改進的方法。該方法采用低成本、快速的侵蝕蝕刻，能形成流體流動圖案、流體進入孔道和流體排出孔道以及密封凹槽。
因此，按照本發(fā)明，提供了流場板的制備方法，包括利用顆粒蝕刻劑、顆粒蝕刻加速器和耐顆粒蝕刻劑圖案掩模對板材料進行顆粒蝕刻，，從而由所述掩模上的圖案設計確定的流體流動圖案形成在所述板材料上。
用于本發(fā)明的板材料可包括導電材料。該導電材料可包括碳基材料。此外，板材料可包括碳纖維復合材料。該碳纖維復合材料可用聚合物填料例如環(huán)氧樹脂使其致密。驚奇地發(fā)現(xiàn)，碳纖維復合材料中的碳纖維和基質(zhì)的顆粒蝕刻速率相同，從而未對形成在這種材料中的構圖凹槽的最終結構產(chǎn)生不利影響。
顆粒蝕刻包括砂磨，顆粒蝕刻加速器可包括砂磨槍。顆粒蝕刻也可包括噴砂。此外，顆粒蝕刻可包括磨料水射噴砂(也稱為磨料水射切割)。本發(fā)明需要顆粒蝕刻劑包含磨料介質(zhì)，它比要蝕刻的板材料具有更大硬度。顆粒蝕刻劑可以是直徑180-220μm的硅石砂，用于蝕刻石墨化碳-碳復合材料的板材料。
本工藝使用了耐顆粒蝕刻劑掩模，掩模被適當構圖并覆蓋要蝕刻的材料表面。掩?？梢杂赡艹惺茴w粒蝕刻所引起的侵蝕磨損的材料組成。掩模應緊靠近板材料，以便能形成精細圖案，從而通過粘合物質(zhì)可將掩模與板材料保持接觸。
耐顆粒蝕刻劑構圖掩?？梢允枪庵驴刮g劑掩模。在例如US4764449中公開了形成光致抗蝕劑掩模的技術。US4764499中，形成所需設計的負掩模，從而粘附掩模之后利用砂磨侵蝕曝露的玻璃或木頭。
耐顆粒蝕刻劑構圖掩模可包括乙烯基聚合物。在此，切割乙烯基標簽以成形，形成所需圖案的負掩模(參見US4828893)。
圖案設計可確定流場板的流體進入孔道和流體排出孔道。例如，流體進入孔道可以是流體入口，而流體排出孔道可以是流場板的流體出口。如果只經(jīng)一個表面蝕刻通過板的孔道，某些耐蝕劑會失效。因此，流體進入孔道和流體排出孔道可通過蝕刻流場板的相對表面上的對準位置而形成。
圖案設計也可確定所述流場板上用于密封的凹槽。
顆粒蝕刻可受二軸掃描機械控制，二軸掃描機械確定顆粒蝕刻加速器相對板材料的運動。二軸掃描機械能使板材料相對于顆粒蝕刻加速器預定運動，運動的形式可以是光柵圖案或步進掃描圖案。當板材料的表面面積接近或大于顆粒蝕刻加速器的顆粒擴散時，掃描機械特別有用。
按照本發(fā)明制備的流場板可引入在包含流體電解質(zhì)的燃料電池、電解槽和電池中。電解槽是將水分解成氫和氧的裝置，其結構類似于燃料電池。
參考附圖，利用如下描述可進一步清楚本發(fā)明，僅通過例子表示包括不同材料的流場板的制備方法。
附圖

圖1是說明在雙極流場板上制備流體流動凹槽所用顆粒蝕刻方法的示意側剖視圖；和圖2是說明在流場板上制備流體流體入口或出口所用顆粒蝕刻方法的示意側剖視圖，。
圖1中，顆粒蝕刻制備的流場板100包括板材料3和兩個相對表面，每個表面層壓有所制備的耐顆粒蝕刻構圖掩模1和10已粘附其上的粘合劑2和20。粘合劑2和20必須提供足夠的粘合力，以便在顆粒蝕刻工藝6期間牢固保持掩模1和10就位。優(yōu)選粘合劑2和20是水溶性的，從而在蝕刻之后掩模1和10可容易從板材料3清除。掩模1和10可放置在支撐膜上，在掩模1和10已粘附到粘合劑20上之后，剝離支撐膜。
板材料3包括碳纖維復合物，從而整體具有優(yōu)良機械性能，而不損失機械性能。摻雜碳纖維可改善板材料3的導熱性，如果下游電應用包括高電流密度的使用，導熱性是一個重要特征。典型的碳-碳復合材料的制備方法已公知(參見Thomas，C.R.[Editor]，1993，Essentialsof carbon-carton composites，Cambridge Royal Society of ChemistryPress，Cambridge，ISBN0851868045)。
用于板材料3的高密度碳-碳復合材料昂貴，部分致密的材料可提供更大的前景。利用聚合物填料例如環(huán)氧樹脂使其致密可克服部分致密板材料的透氣性。優(yōu)選樹脂是低粘度，低壓下能快速填充細孔并能自固化。樹脂構成可以是耐堿性或酸性電解質(zhì)的任何聚合物。在樹脂加入到板材料3之后，未吸收的樹脂應立刻從板100的表面上清除。這可通過吸收布擦洗板100來完成。當樹脂在所需的條件下已固化時，板100上需要導電的表面需要清潔，以便重新曝露板材料3的導電碳。利用篩目大小為600或更高的砂布進行簡單表面研磨就可完成。
耐顆粒蝕刻構圖掩模1和10具有經(jīng)此蝕刻板材料3的圖案4和40。在板材料3的一個表面上的圖案4相對于板材料3的第二表面上的圖案40移位，從而可采用薄片板材料3。蝕刻工藝6包括使板100曝露給顆粒蝕刻劑(未示出)，用顆粒蝕刻加速器(未示出)例如噴砂槍推動顆粒蝕刻劑。顆粒蝕刻劑是硬度高于將要蝕刻的板材料3的任何材料。對于碳素材料(除金剛石之外)，優(yōu)選使用細粒硅砂或鋁砂。蝕刻劑大小取決于板100上所需的圖案4和40的細節(jié)。
工藝6所采用的噴砂壓力取決于掩模1和10、粘合劑2和20、蝕刻加速器與板材料3的目標表面之間的距離以及所用的蝕刻劑。壓力上限由掩模1、10的耐侵蝕蝕刻性給定，而壓力下限由磨料蝕刻劑侵蝕材料3所需的壓力確定。當在適當時限內(nèi)可實現(xiàn)基本蝕刻而不損傷掩模1和10或?qū)е抡澈蟿?和20失效時的噴砂壓力為最佳。
在蝕刻板100的每個表面的兩個連續(xù)步驟中進行蝕刻工藝6。然而，并未排除使用多個顆粒蝕刻加速器同時在板100的兩面上進行蝕刻工藝6。
蝕刻工藝6期間，板100的目標區(qū)域取決于蝕刻劑的分布。該分布又取決于顆粒蝕刻加速器與板100表面的距離以及顆粒蝕刻加速器噴嘴(未示出)的大小。如果板100的區(qū)域大于蝕刻劑分布，可以用動態(tài)方式蝕刻板100。例如，利用二軸掃描機械，使顆粒蝕刻加速器和板100相互相對移動，其中移動加速器和板100兩個或其中任一個。整個移動應使加速蝕刻劑均勻覆蓋板100的表面。
完成蝕刻工藝6之后，流場板200在板200的兩面上具有對板材料3蝕刻的流體流場圖案5和50。然后清除粘合劑2和20以及耐顆粒蝕刻構圖掩模1和10。
用于流體入口或出口的流場板孔道的制備在圖2示出。制備流場板300要求在板材料3的相對表面上使已構圖成耐顆粒蝕刻掩模1和10的侵蝕凹槽7和70對準。利用粘合劑2和20使掩模1和10牢固保持在板材料3上。繼續(xù)蝕刻工藝60直至均勻開口8從板400的一個表面通向相對表面。蝕刻板材料3的兩面以便形成開口8特別重要，如果只從一個表面蝕刻，材料3會失效。
通過如下例子，將進一步描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明的范圍無論如何不受這些例子限定。
例子1(碳-碳復合板+乙烯基掩模)在一個表面上用氣體徑跡設計制備尺寸50×50×1.2mm的石墨化碳-碳復合板。利用所需的氣體徑跡設計的負圖象，將乙烯基聚合物粘合劑掩模(FasCal Film[Avery，US])牢固壓在復合物上。使用180-220μm硅砂的Guyson Blast System(Guyson，UK)來干砂磨該板。噴砂壓力設定為4bar(400kPa)，在恒定距離6”(152.4mm)下，被掩模過的材料在噴砂槍下保持30S。然后剝離乙烯基掩模，利用異丙醇清洗掉板上的粘合劑。徑跡深度為0.2-0.25mm。
例子2(碳-碳復合板+光致抗蝕劑掩模)在一個表面上用氣體徑跡設計制備尺寸50×50×1.2mm的石墨化碳-碳復合板。對光致抗蝕劑掩模(ImagePro Super Film[ChromalineCorp.，US])顯影，形成所需的氣體徑跡設計的負樣板。利用徑跡設計的照相掩模來覆蓋光致抗蝕劑(具有下側保護載體膜)和玻璃板，以將這些板緊密保持在一起，在5m的距離下將膜曝光在18W UV光源下5分鐘。然后為洗去未曝光的抗蝕劑，在流水下清除(黃光下)和清洗該膜約3分鐘。在普通光下空氣中干燥抗蝕劑膜，形成負抗蝕劑掩模樣板。在復合板表面上輕輕刷上液體壓合式粘合劑(ImageProAdhesive[Chromaline Corp.，US])，空氣中干燥10分鐘。在粘合劑覆蓋的板上壓上抗蝕劑(具有載體膜)，剝離載體膜。然后利用例子1(上述)所述的工藝對材料噴砂。利用流動溫水溶解粘合劑，清除抗蝕劑掩模，從而展現(xiàn)了對碳-碳復合材料蝕刻的流場圖案。
例子3(具有環(huán)氧樹脂的碳-碳復合板+光致抗蝕劑掩模)在浸漬有低粘度環(huán)氧樹脂(SpeciFix-20[Strers Ltd，UK])的低壓(優(yōu)選適宜壓力小于10mmHg[約1.33kPa]，但直至100mmHg[約13.3kPa]是可行的)下，保持尺寸50×50×1.2mm的石墨化碳-碳復合板。利用紙巾從板表面上清除過量的樹脂。然后在標準溫度和壓力下，將板在空氣中存放至少8小時，以便使樹脂固化和硬化。制備光致抗蝕劑掩模(ImagePro Super Film)，然后按例子2(上述)那樣應用。然后利用例子1(上述)所述工藝對被掩模的材料噴砂。利用流動溫水溶解粘合劑，清除抗蝕劑掩模。
權利要求
1.流場板的制備方法，包括利用顆粒蝕刻劑、顆粒蝕刻加速器和耐顆粒蝕刻構圖掩模對板材料進行顆粒蝕刻，從而在所述板材料上形成由所述掩模上的圖案設計所確定的流體流動圖案。
2.按照權利要求1的方法，其中所述板材料包括導電材料。
3.按照權利要求1或2的方法，其中所述板材料包括碳基材料。
4.按照權利要求3的方法，其中所述板材料包括碳纖維復合材料。
5.按照權利要求4的方法，其中所述碳纖維復合材料用聚合物填料來使其致密。
6.按照權利要求1-5的任一個的方法，其中所述顆粒蝕刻包括砂磨。
7.按照權利要求1-5的任一個的方法，其中所述顆粒蝕刻包括珠磨。
8.按照權利要求1-5的任一個的方法，其中所述顆粒蝕刻包括噴砂。
9.按照權利要求1-5的任一個的方法，其中所述顆粒蝕刻包括磨料水射噴砂。
10.按照權利要求6的方法，其中所述顆粒蝕刻加速器包括噴砂槍。
11.按照權利要求1-10的任一個的方法，其中所述顆粒蝕刻劑包含硬度大于所述板材料的磨料介質(zhì)。
12.按照權利要求11的方法，其中所述顆粒蝕刻劑是直徑為180-220μm的硅砂。
13.按照權利要求12的方法，其中所述板材料是石墨化碳-碳復合材料。
14.按照權利要求1的方法，其中所述耐顆粒蝕刻構圖掩模通過粘合劑物質(zhì)與所述板材料保持接觸。
15.按照權利要求1的方法，其中所述耐顆粒蝕刻構圖掩模是光致抗蝕劑掩模。
16.按照權利要求1的方法，其中所述耐顆粒蝕刻構圖掩模包括乙烯基聚合物。
17.按照權利要求1的方法，其中所述圖案設計確定所述流場板上的流體進入孔道和流體排出孔道。
18.按照權利要求17的方法，其中通過蝕刻在所述流場板的相對表面上對準的位置，形成所述流體進入孔道和所述流體排出孔道，從而使所述流體進入孔道和所述流體排出孔道通過所述流場板。
19.按照權利要求1的方法，其中所述圖案設計確定所述流場板上的密封凹槽。
20.按照權利要求1的方法，其中所述顆粒蝕刻受二軸掃描機械的控制，其確定所述顆粒蝕刻加速器相對于所述板材料的運動。
21.按照權利要求20的方法，其中所述二軸掃描機械能使所述板材料相對于所述顆粒蝕刻加速器進行預定運動，使所述運動形式是光柵圖案或步進掃描圖案。
22.利用按照權利要求1-21的任一個的方法所得到的產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃料電池的流場板及其制備方法。制備方法包括利用顆粒蝕刻劑(例如砂磨)、顆粒蝕刻加速器和耐顆粒蝕刻構圖掩模對板材料進行顆粒蝕刻,從而在板材料上形成由所述掩模上的圖案設計所確定的流體流動圖案。
文檔編號H01M8/10GK1359544SQ0080992
公開日2002年7月17日 申請日期2000年7月4日 優(yōu)先權日1999年7月8日
發(fā)明者S·J·羅文, M·C·圖爾平, P·L·阿德科克, D·戴維斯 申請人:拉夫伯勒大學革新有限公司