CN116829258A - 多孔组合件及制造和使用的相关方法 - Google Patents

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詹姆斯·K·斯蒂尔
马修·西奥克
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Abstract

本公开提供有利的多孔组合件，及用于利用和/或制造所述多孔组合件的改进的系统和方法。更具体地，本公开提供至少部分地通过增材制造(例如，经由3D打印工艺，例如经由电子束增材制造工艺、经由激光增材制造技术、经由喷墨或粘合剂喷射增材制造工艺等)而制造的多孔组合件，所述多孔组合件包含用于多层应用的敏感或有源层(例如，用于燃料电池/电解器/电池和其它多层应用中的敏感/有源层)的多孔整体支撑结构或衬底。

Description

多孔组合件及制造和使用的相关方法
相关申请案的交叉参考
本申请案要求2020年10月15日提交的且转让序列号为63/092,202的美国临时专利申请案的优先权权益，所述申请案的全部内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及多孔组合件及制造和使用的相关方法，且更具体地涉及至少部分地通过增材制造(例如，经由3D打印工艺，例如经由电子束增材制造工艺、经由激光增材制造技术、经由喷墨或粘合剂喷射增材制造工艺等)而制造的多孔组合件，所述多孔组合件包含用于多层应用的敏感或有源层(例如，用于燃料电池/电解器/电池和其它多层应用中的敏感/有源层)的多孔整体支撑结构或衬底。
背景技术
当前实践提供多个分离/个别多孔层(例如，常规筛网/烧结金属多孔金属介质)的组合件以构建用于多层应用的敏感/有源层(例如，用于燃料电池/电解器/电池/其它多层应用中的敏感/有源层)的多层支撑结构。此类多层组合件在整个堆叠结构中重复。举例来说，典型的燃料电池堆叠可具有数十个此类多层组合件(如果不更多)。这通常产生多重/昂贵的制造和额外处理(例如，在制造之前在每一分离/个别层上应用涂层)步骤。此外，所实现的性能(例如，流体流动阻力)可由设计多个分离多孔层(例如，常规筛网/烧结金属多孔金属介质)的孔结构和/或尺寸时缺乏灵活性而受限制。
存在对改进的组合件及制造和使用的相关方法的关注。
本公开的组合件、系统和方法针对改进解决和/或克服了这些和其它低效率和机会。
发明内容
本公开提供有利的多孔组合件，及用于利用和/或制造多孔组合件的改进的系统/方法。更具体地，本公开提供至少部分地通过增材制造(例如，经由3D打印工艺，例如经由电子束增材制造工艺、经由激光增材制造技术、经由喷墨或粘合剂喷射增材制造工艺等)而制造的多孔组合件，所述多孔组合件包含用于多层应用的敏感或有源层(例如，用于燃料电池/电解器/电池/其它多层应用中的敏感/有源层)的多孔整体支撑结构或衬底。
应注意，本公开的多孔整体支撑结构或衬底(例如，至少部分地通过增材制造而制造)可装配有和/或接合到常规多孔介质，和/或可装配有和/或接合到本公开的其它多孔整体支撑结构或衬底(例如，至少部分地通过相同增材制造工艺或其它(增材制造)工艺/方法制造)。举例来说，电子束增材制造的整体支撑结构或衬底可装配有一或多个激光烧结的整体支撑结构或衬底。
此外，为了易于制造，可通过由焊接或其它接合方法接合两个或更多个较小的板/衬底来制造较大的板/衬底。
本公开提供一种多孔组合件，其包含从第一端延伸到第二端的多孔整体衬底和定位在多孔整体衬底上的敏感或有源层；且其中多孔整体衬底至少部分地通过增材制造而制造。
本公开还提供一种多孔组合件，其中敏感或有源层为多孔或实心催化、电化学活性或导电或过滤或流动膜。
本公开还提供一种多孔组合件，其中多孔整体衬底采取筛网或3D打印晶格衬底的形式。
本公开还提供一种多孔组合件，其中多孔整体衬底包含均质或分级孔隙率。
本公开还提供一种多孔组合件，其中多孔整体衬底具有从0.1微米到大于1mm的孔大小范围，和从5％到95％的孔隙率范围。
本公开还提供一种多孔组合件，其中多孔整体衬底具有从0.1英寸到增材制造机器的最大大小的尺寸范围，且其中多孔整体衬底具有任何形状。
本公开还提供一种多孔组合件，其中多孔整体衬底由钛6-4(等级5)或CP钛(等级1)制造。
本公开还提供一种多孔组合件，其中多孔整体衬底包括多个环。
本公开还提供一种多孔组合件，其中多孔整体衬底包括多个多边形结构。
本公开还提供一种多孔组合件，其中多孔整体衬底包括第一层级、第二层级、第三层级、第四层级和第五层级，每一层级包含穿过其的多个孔或通道。
本公开还提供一种用于制造多孔组合件的方法，其包含：提供从第一端延伸到第二端的多孔整体衬底；和将敏感或有源层定位在多孔整体衬底上；且其中多孔整体衬底至少部分地通过增材制造而制造。
本公开还提供一种用于制造多孔组合件的方法，其中多孔整体衬底至少部分地通过3D打印工艺而制造。
本公开还提供一种用于制造多孔组合件的方法，其中多孔整体衬底至少部分地通过电子束增材制造工艺或激光增材制造工艺而制造。
通过以下图式和详细描述来举例说明上文所描述的和其它特征。
设想实施例的任何组合或排列。本公开的所公开的组合件、系统和方法的额外有利特征、功能和应用将从以下描述中显而易见，尤其在结合附图阅读时。本公开中列出的所有参考均以全文引用的方式并入本文中。
附图说明
以下图式为示范性实施例，其中类似元件以类似方式编号。
下文参考附图描述实施例的特征和方面，其中元件未必按比例描绘。
参考附图进一步描述本公开的示范性实施例。应注意，下文所描述且图式中所说明的各种特征、步骤和特征/步骤的组合可以不同方式布置和组织以产生仍在本公开的范围内的实施例。为了帮助所属领域的技术人员制成和使用所公开的组合件、系统和方法，参考附图，其中：
图1为多个分离/个别多孔层(例如，常规筛网/烧结金属多孔金属介质)的组合件的示意图，多个多孔层的每一组合件配置成构建用于多层应用的敏感或有源层(例如，用于燃料电池/电解器/电池/其它多层应用中的敏感/有源层)的支撑结构。
图2为根据本公开的示范性多孔组合件的示意图，每一多孔组合件包含用于多层应用的敏感或有源层(例如，用于燃料电池/电解器/电池/其它多层应用中的敏感/有源层)的多孔整体支撑结构或衬底。
图3描绘根据本公开的多孔整体支撑结构或衬底的第一侧视图(例如，底部侧视图)。
图4描绘根据本公开的多孔整体支撑结构或衬底的第一侧面透视图(例如，底部侧面透视图)。
图5描绘根据本公开的多孔整体支撑结构或衬底的第二侧视图(例如，顶部侧视图)。
图6描绘根据本公开的多孔整体支撑结构或衬底的第二侧面透视图(例如，顶部侧面透视图)。
图7描绘根据本公开的多孔整体支撑结构或衬底的另一第二侧面透视图(例如，顶部侧面透视图)。
图8为图7的部分分解图。
图9描绘根据本公开的另一多孔整体支撑结构或衬底的顶部侧面透视图。
图10和图11为图9的结构或衬底的侧边缘视图。
图12为图9的结构或衬底的第一层级的顶部侧面透视图。
图13描绘图9的结构或衬底的第一层级的示范性环。
图14描绘根据本公开的另一多孔整体支撑结构或衬底的顶部侧面透视图。
图15描绘图14的多孔整体支撑结构或衬底的底部侧面透视图。
图16为图14的多孔整体支撑结构或衬底的覆盖的六边形结构的侧面透视图。
图17为图14的多孔整体支撑结构或衬底的未覆盖的六边形结构的侧面透视图。
图18为用于图14的多孔整体支撑结构或衬底的六边形结构的覆盖物的侧面透视图。
具体实施方式
本文中所公开的示范性实施例说明有利的多孔组合件及本公开的系统和其方法/技术。然而，应理解，所公开实施例仅为本公开的示范性，其可以各种形式体现。因此，本文中参考示范性多孔组合件和制造/组合件和使用的相关工艺/技术所公开的细节不解释为限制性的，而是仅作为用于教示所属领域的技术人员如何制成和使用本公开的有利多孔组合件和/或替代多孔组合件的基础。
本公开提供有利的多孔组合件，及用于利用和/或制造多孔组合件的改进的系统/方法。
更具体地，本公开提供至少部分地通过增材制造(例如，经由3D打印工艺，例如经由电子束增材制造工艺、经由激光增材制造技术、经由喷墨或粘合剂喷射增材制造工艺等)而制造的多孔组合件，所述多孔组合件包含用于多层应用的敏感或有源层(例如，用于燃料电池/电解器/电池/其它多层应用中的敏感/有源层)的多孔整体支撑结构或衬底。
现参考图式，在整个说明书和图式中分别用相同参考标号标记类似部分。附图未必按比例绘制，且在某些视图中，出于清楚起见，可能已放大零件。
如图1中所展示，当前实践提供多个分离/个别多孔层12A到12D(例如，常规筛网/烧结金属多孔金属介质12A到12D)的多层组合件10以构建用于多层应用的敏感/有源层16(例如，用于燃料电池/电解器/电池/其它多层应用中的敏感/有源层16)定位在其上的多层支撑结构14。此类组合件10在整个堆叠结构中重复。举例来说，典型的燃料电池堆叠可具有数十个此类组合件10(如果不更多)。这通常产生多重/昂贵的制造和额外处理(例如，在制造之前在每一分离/个别层12A、12B等上应用涂层)步骤。此外，所实现的性能(例如，流体流动阻力)可由设计多个分离多孔层12A到12D(例如，常规筛网/烧结金属多孔金属介质12A到12D)的孔结构和/或尺寸时缺乏灵活性而受限制。
在示范性实施例中且如图2中所展示，本公开提供至少部分地通过增材制造(例如，经由3D打印工艺)而制造的多孔组合件100，每一多孔组合件100包含用于多层应用的敏感或有源层116(例如，用于燃料电池/电解器/电池/其它多层应用中的敏感/有源层116)定位在其上的多孔整体支撑结构或衬底114，由此提供显著可操作、制造、商业和/或收益的优点作为结果，及如下文进一步论述。
图2为示范性多孔组合件100的示意图，每一多孔组合件100包含用于多层应用的一或多个敏感或有源层116定位和/或附接于其上的多孔整体支撑结构或衬底114。
举例来说，敏感或有源层116可为过滤膜116(例如，多孔金属纤维过滤膜116)等。应注意，敏感或有源层116可为多孔或实心催化、电化学活性或导电或过滤或流动膜116。
应注意，多孔整体支撑结构或衬底114至少部分地通过增材制造而制造，且可采取筛网或3D打印晶格衬底114的形式。
在示范性实施例中，本公开提供具有均质或分级孔隙率的3D打印整体件114，其可代替多个分离多孔层12A-12D(烧结金属或筛网)的组合件10的常规制造，且因此消除多个制造步骤(有成本效益)，且可通过优化用于整体件114的流体流动的孔微观结构和弯曲度来改进性能。
在实例实施例中，完整3D打印多孔整体层/衬底114可代替各自为0.005-0.02英寸厚的两个或更多个常规分离筛网12(例如，12A到12D)。3DP整体件114可具有广泛范围的孔大小(例如，从0.1微米到大于1mm(例如，晶格结构))和广泛范围的孔隙率(例如，从5％到95％)。应注意，多孔整体衬底114可具有一系列尺寸(例如，0.1英寸到由增材制造机器所允许的最大大小(例如，14×14英寸))；且多孔整体衬底114可具有任何形状(例如，方形、矩形、圆形等)。
应注意，多孔整体衬底114可主要在气体/能量产生应用中使用，且还可用于需要改进的流体流动和用于减少成本的简单设计/制造的任何应用。
如所提到，多孔整体支撑结构或衬底114至少部分地通过增材制造(例如，经由3D打印工艺，例如经由电子束增材制造工艺、经由激光增材制造技术、经由喷墨或粘合剂喷射增材制造工艺等)而制造。应注意，针对衬底114可利用其它增材制造工艺(例如，熔融沉积成型(“FDM”)工艺；利用激光增材制造技术(“LAMT”)等)。
如本文中所描述的增材制造或3D打印工艺可用于制造具有基本或复杂形状/设计(例如，及高效但形状较小)的衬底114。
应注意，可使用增材制造或3D打印工艺制造的本公开的衬底114的形状/设计可产生复杂流体流动图案。
应注意，衬底114的大量几何形状是可能的(例如，圆形、方形、奇怪的形状等)。
多个常规分离多孔层(例如，12A到12D)可由一个3D打印层/衬底114代替。因此，有利地消除多个制造步骤。
在3D打印层/衬底114的情况下，设计自由扩增。举例来说，衬底114的3D打印孔结构弯曲度可设计成优化性能(流体流动)。
此外，衬底114的分级孔隙率是可能的。
应注意，必要时，可组合两个或更多个3D打印整体件114。
还应注意，相邻组件(例如，相邻固态组件)可与多孔整体件114一起3D打印。
本公开提供可利用大量材料(例如，金属、聚合物等)制造多孔整体件114。
图3描绘示范性多孔整体支撑结构或衬底114的第一侧视图(例如，底部侧视图)。图4描绘示范性多孔整体支撑结构或衬底114的第一侧面透视图(例如，底部侧面透视图)。图5描绘示范性多孔整体支撑结构或衬底114的第二侧视图(例如，顶部侧视图)。图6描绘示范性多孔整体支撑结构或衬底114的底部侧面透视图。
在一些实施例中，示范性多孔整体支撑结构或衬底114可由钛6-4(等级5)或CP钛(等级1)制造，但本公开不限于此。实情为，应注意，多孔整体支撑结构或衬底114可由多种材料制造。
如所提到，多孔整体支撑结构或衬底114至少部分地通过增材制造(例如，经由3D打印工艺，例如经由电子束增材制造工艺、经由激光增材制造技术、经由喷墨或粘合剂喷射增材制造工艺等)而制造。
在一些实施例中，多孔整体支撑结构或衬底114可具有1英寸的长度、1英寸的宽度，和约0.045英寸的总高度或厚度。在其它实施例中，多孔整体支撑结构或衬底114可具有3英寸的长度、3英寸的宽度，和约0.045英寸的总高度或厚度。然而，应注意，多孔整体支撑结构或衬底114可具有多种大小、形状和形式。
图7描绘示范性多孔整体支撑结构或衬底114的另一第二侧视图(例如，顶部侧视图)。图8为图7的部分分解图。
如图8中所展示，可制造多孔整体支撑结构或衬底114以具有第一层级114A、第二层级114B、第三层级114C、第四层级114D和第五层级114E。在示范性实施例中，每一层级114A到114E包含穿过其的多个孔或通道。
在一些实施例中，第一层级114A、第二层级114B、第三层级114C和第四层级114D均比第五层级114E(例如，顶部侧层级114E)更粗糙，其中第五层级114E比层级114A到114D更精细。
在某些实施例中，第一层级114A、第二层级114B、第三层级114C和第四层级114D的高度各自为约0.010英寸，且第五层级114E的高度为约0.005英寸。
在示范性实施例中，第二层级114B的定向相对于第一层级114A旋转90度，且第三层级114C的定向相对于第二层级114B旋转90度，且第四层级114D的定向相对于第三层级114C旋转90度。由此当叠加制造层级114A到114D以形成多孔整体支撑结构或衬底114时，这形成从层级到层级的弯曲流体流动路径。
在另一实施例中且如图9-图13中所展示，可制造多孔整体支撑结构或衬底214以具有第一层级214A和第二层级214B，其中第一层级214A包括多个环235。
在示范性实施例中，多个环235中的个别环235各自置于其侧面上，且平板在其顶部和底部上。在实例实施例中且不受限制，每一环235可具有0.052"环直径、0.015"壁厚度、0.035"高度(平坦到平坦)和距地平线30°的倾斜角。
第一层级214A可为通过在x和y方向上堆叠环235制造的1"x1"x0.035"板，如图12中所展示。
第二层级214B(例如，顶部层级214B)可制造为具有穿过其的许多穿孔241的顶板。举例来说，第二层级214B可具有1"x1"x0.010"的尺寸，其中孔241直径为0.010"且孔241间隔为0.010"。
在示范性实施例中，图10展示展示更多打开结构的第一边缘222视图，且图11展示展示较少打开结构的第二边缘224视图。
在实例实施例中且不受限制，结构或衬底214可制造有位于环结构214A的顶部上的顶板214B，以制成具有1"x1"x0.045"厚度或高度的尺寸的整体件214。
应注意，在一个方向(222)上的平面内流动将显著不同于在多孔整体支撑结构或衬底214的另一方向(224)上的流动。
在另一实施例中且如图14-图18中所展示，可制造多孔整体支撑结构或衬底314以具有第一层级314A和第二层级314B，其中第一层级314A包括多个六边形结构314A(例如，或任何其它多边形结构314A)，且其中第二层级314B包括多个覆盖物314B。
例如但并非限制，可制造且组合三百四十个(340)个别六边形结构314A以制成1"x1"x 0.045"厚的薄片整体件314。六边形结构314A可以紧密填充图案堆叠以制成整体件314。
在实例实施例中，每一六边形结构314A包含在侧面上用于流体流动/冷却的穿孔。举例来说，每一六边形结构314A可为0.035"高,0.075"宽，具有0.010"壁,且具有0.015"直径孔。
在示范性实施例中，每一薄顶层314B(例如，各自为0.010"厚)包含许多穿孔(例如，各自为0.010"的直径)。
应注意，可在结构314A的顶部和底部上制造薄层314B以用于更多表面积接触。
在实例实施例中，具有顶层314B的组合的六边形结构314A具有0.045英寸的组合高度。
虽然已经描述了具体实施例，但是对申请人或所属领域的其它技术人员来说，可产生当前未预见的或可能未预见的替代、修改、变化、改进和实质等效物。因此，所提交及可能被修正的所附权利要求书旨在涵盖所有此类替代方案、修改变化、改进和实质性等效物。
本文中所公开的范围包含端点，且端点可独立彼此组合(例如，范围“高达25wt.％，或更具体地，5wt.％到20wt.％”包含端点，且范围“5wt.％到25wt.％”的所有中间值等)。“组合”包含掺合物、混合物、合金、反应产物等。术语“第一”、“第二”等不表示任何次序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件区分开。除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾，否则术语“一个/种(a/an)”和“所述(the)”不指示对数量的限制且应被解释为涵盖单数和复数两者。除非另外清楚地陈述，否则“或”意指“和/或”。整个说明书中对“一些实施例”，“实施例”等的引用意指结合实施例描述的特定元件包含在本文所述的至少一个实施例中，且可存在或不存在于其它实施例中。此外，应理解，所描述的元件可以在各种实施例中以任何合适的方式组合。“其组合”是开放性的且包含任何组合，所述组合包括所列出的组件或属性中的至少一个，任选地与未列出的类似或等效组件或属性一起。
除非另外定义，否则在本文中使用的技术和科学术语对于本申请案所属领域的技术人员的共同理解具有相同的含义。所有引用的专利、专利申请案和其它参考均以全文引用的方式并入本文中。然而，如果本申请案中的术语与所并入的参考中的术语矛盾或冲突，那么来自本申请案的术语优先于来自所并入的参考的冲突术语。
尽管已参考本公开的示范性实施例描述本公开的系统和方法，但本公开不限于此类示范性实施例和/或实施方案。实情为，本公开的系统和方法易受许多实施方案和应用影响，如所属领域的技术人员从此处的本公开将容易地显而易见。本公开明确地涵盖所公开的实施例的此类修改、增强和/或变化。由于可在不脱离本公开的范围的情况下在以上构造中作出许多改变，且作出本公开的许多广泛不同的实施例，因此希望图式和说明书中所含有的所有主题应解释为说明性的而非限制性意义。在前述公开内容中预期额外修改、变化和替代。因此，适当作法为，广义地且以与本公开的范围一致的方式理解所附权利要求书。

Claims (20)

1.一种多孔组合件，其包括：
多孔整体衬底，其从第一端延伸到第二端；和
敏感或有源层，其定位在所述多孔整体衬底上；且
其中所述多孔整体衬底至少部分地通过增材制造而制造。
2.根据权利要求1所述的组合件，其中所述敏感或有源层为多孔或实心催化、电化学活性或导电或过滤或流动膜。
3.根据权利要求1所述的组合件，其中所述多孔整体衬底采取筛网或3D打印晶格衬底的形式。
4.根据权利要求1所述的组合件，其中所述多孔整体衬底包含均质或分级孔隙率。
5.根据权利要求1所述的组合件，其中所述多孔整体衬底具有从0.1微米到大于1mm的孔大小范围，和从5％到95％的孔隙率范围。
6.根据权利要求1所述的组合件，其中所述多孔整体衬底具有从0.1英寸到增材制造机器的最大大小的尺寸范围，且其中所述多孔整体衬底具有任何形状。
7.根据权利要求1所述的组合件，其中所述多孔整体衬底由钛6-4(等级5)或CP钛(等级1)制造。
8.根据权利要求1所述的组合件，其中所述多孔整体衬底包括多个环。
9.根据权利要求1所述的组合件，其中所述多孔整体衬底包括多个多边形结构。
10.根据权利要求1所述的组合件，其中所述多孔整体衬底包括第一层级、第二层级、第三层级、第四层级和第五层级，每一层级包含穿过其的多个孔或通道。
11.一种用于制造多孔组合件的方法，其包括：
提供从第一端延伸到第二端的多孔整体衬底；和
将敏感或有源层定位在所述多孔整体衬底上；且
其中所述多孔整体衬底至少部分地通过增材制造而制造。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述多孔整体衬底至少部分地通过3D打印工艺而制造。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述多孔整体衬底至少部分地通过电子束增材制造工艺或激光增材制造工艺而制造。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述敏感或有源层为多孔或实心催化、电化学活性或导电或过滤或流动膜。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述多孔整体衬底采取筛网或3D打印晶格衬底的形式。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述多孔整体衬底包含均质或分级孔隙率。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述多孔整体衬底具有从0.1微米到大于1mm的孔大小范围，和从5％到95％的孔隙率范围。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述多孔整体衬底由钛6-4(等级5)或CP钛(等级1)制造。
19.根据权利要求11所述的方法，其中所述多孔整体衬底包括多个环。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述多孔整体衬底包括多个多边形结构。
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