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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine Fluidverteilungsschicht, eine
mit der Schicht versehene Mehrschichtmembran und ein Verfahren zu
ihrer Herstellung gerichtet.
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Eine
derartige Fluidverteilungsschicht oder Mehrschichtmembran kann beispielsweise
in einer Brennstoffzelle zum Einsatz kommen.
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Brennstoffzellensysteme
sind bereits seit langem bekannt und haben in den letzten Jahren
erheblich an Bedeutung gewonnen. Ähnlich wie Batteriesysteme
erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Weg
durch eine Redoxreaktion von Kraftstoff (zum Beispiel Wasserstoff)
und Sauerstoff, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und
die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden.
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Bei
einer Brennstoffzelle werden die zwischen elektrisch neutralen Molekülen oder
Atomen ablaufenden Oxidations- und Reduktionsprozesse in der Regel über einen
Elektrolyten räumlich
getrennt. Eine Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus einem Anodenteil,
an den ein Kraftstoff zugeführt
wird. Weiterhin weist die Brennstoffzelle einen Kathodenteil auf,
an dem ein Oxidationsmittel zugeführt wird. Räumlich getrennt sind der Anoden-
und Kathodenteil durch den Elektrolyten. Bei einem derartigen Elektrolyten
kann es sich beispielsweise um eine Membran (MEA) handeln. Solche
Membranen haben die Fähigkeit,
Ionen durchzuleiten, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Oxidation
abgegebenen Elektronen werden nicht lokal von Atom zu Atom übertragen,
sondern als elektrischer Strom durch einen Verbraucher geleitet.
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Als
gasförmiger
Reaktionspartner für
die Brennstoffzelle können
beispielsweise Wasserstoff als Kraftstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel
im Kathodenteil verwendet werden.
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Will
man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder leichter zu speichernden
Kraftstoff, wie etwa Erdgas, Methanol, Propan, Benzin, Diesel oder
anderen Kohlenwasserstoffen, anstelle von Wasserstoff betreiben,
muss man den Kohlenwasserstoff in einer Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten
eines Kraftstoffs in einem sogenannten Reformierungsprozess zunächst in
ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Diese Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten
eines Kraftstoffs besteht beispielsweise aus einer Dosiereinheit
mit Verdampfer, einem Reaktor für die
Reformierung, beispielsweise für
die Wasserdampfreformierung, einer Gasreinigung sowie häufig auch
wenigstens einem katalytischen Brenner zur Bereitstellung der Prozesswärme für die endothermen
Prozesse, beispielsweise den Reformierungsprozess.
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Ein
Brennstoffzellensystem besteht in der Regel aus mehreren Brennstoffzellen,
die beispielsweise wiederum aus einzelnen Schichten gebildet sein
können.
Die Brennstoffzellen sind vorzugsweise hintereinander angeordnet,
beispielsweise sandwichartig übereinander
gestapelt. Ein derart ausgebildetes Brennstoffzellensystem wird
dann als Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Brennstoffzellenstack
bezeichnet.
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Um
diese gasförmigen
Reaktionspartner gleichmäßig verteilt
an die Membran heranzuführen, das
heißt
zur gleichmäßigen Verteilung
der Reaktanten auf die aktive Fläche
einer MEA, wird üblicherweise
eine Verteilerschicht auf beiden Seiten der Membran angebracht.
Hierbei haben sich, insbesondere in der PEM-Brennstoffzellentechnologie, Gewebe
und Vliese auf Graphitfaserbasis als Hauptlösung durchgesetzt. Solche Gasdiffusionslagen
(GDLs) können je
nach Kundenwunsch hydrophil, hydrophob, mit oder ohne Mikrolayer
oder auch mit Katalysatorschicht aufgerüstet werden und sind auf dem
freien Markt erhältlich.
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Gegenwärtig auf
dem Markt verfügbare
Gasdiffusionslagen sind üblicherweise
als Gewebe oder Vliese aus Graphitfasern erhältlich. Die Anordnung der Fasern
ist hierbei chaotisch, das heißt
zufällig. Herstellungsbedingt
ergeben sich hierbei unvermeidbare Schwankungen bezüglich der
Dicke der Gasdiffusionslagen sowie der Porosität und damit der Gasdurchlässigkeit.
Die Folge sind Inhomogenitäten
bezüglich
des Stofftransports in einem Stack von Membranen innerhalb einer
Brennstoffzellenanordnung. Dies kann im Extremfall zu einem Absacken
der Zellspannungen einzelner unversorgter Zellen und damit zu einer
deutlichen Funktionsbeeinträchtigung
des gesamten Stacks führen.
Ein weiterer Nachteil ist die hohe Kompressibilität dieser
Materialien. Aufgrund des hohen unelastischen Anteils bei der Verpressung treten
Setzungsprobleme auf. Es ist damit eine Hysterese bezüglich der
Dickenänderung über die
Zahl der Verpressungszyklen zu beobachten.
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Es
besteht damit ein Bedarf an einer Gasphasenlage beziehungsweise
allgemeiner an einer Fluidverteilungsschicht, die eine gleichmäßige Fluidverteilung
und eine geringe oder keine Kompressibilität aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
die Bereitstellung einer Fluidtransportschicht mit den Merkmalen
gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
1, einer die erfindungsgemäße Fluidtransportschicht
beinhaltende Membrananordnung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
13 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Fluidtransportschicht
mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
19. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und Details der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der
Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fluidtransportschicht
beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich ebenso auch im Zusammenhang
mit der erfindungsgemäßen Membrananordnung,
und umgekehrt. Gleiches gilt bezüglich
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Der
Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine, insbesondere elektrisch
leitfähige,
Schicht gezielt mit einem definierten mikrostrukturierten dreidimensionalen
Kanalsystem aufzubauen. Im Unterschied zu vorbekannten Lösungen sind
die Kanäle
in ihrer Anordnung vorbestimmt und kontrolliert in die Schicht eingebracht.
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Die
Erfindung ist daher auf eine Fluidverteilungsschicht gerichtet,
die ein dreidimensionales System umgrenzter Kanäle zum Transport eines Fluids
aufweist, wobei in unterschiedliche Dimensionen laufende Kanäle an definierten
Punkten in Fluidverbindung stehen und das Kanalsystem auf einer
ersten Oberfläche
der Schicht Ausgänge
aufweist, so dass auf der anderen Oberfläche der Schicht ungleichmäßig zugeführtes Fluid
vom Kanalsystem so verteilt wird, dass an allen Ausgängen des
Kanalsystems auf der ersten Oberfläche der Schicht Fluidströme austreten,
die zu einem über
die gesamte erste Oberfläche
betrachtet im Wesentlichen homogenen Fluidverteilungsmuster führen.
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Unter
einer Fluidverteilungsschicht ist ein flaches, jedoch als dreidimensional
ansehendes Objekt zu verstehen, bei der auf einer Oberfläche zugeführtes Fluid
im Inneren so verteilt wird, dass es auf einer Austrittsoberfläche gleichmäßiger verteilt
wird als beim Eintritt.
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Ein
dreidimensionales System umgrenzter Kanäle bezeichnet im Sinne der
vorliegenden Erfindung umgrenzte Kanäle, das heißt mit einer Wand umrandete
Kanäle
(entweder auf allen Seiten als Röhre
oder nur auf einigen Seiten als offene Kanäle), die in allen drei Dimensionen
orientiert sind, das heißt zumindest
drei verschieden orientierte Arten von Kanälen umfassen.
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Ein
Fluid im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Flüssigkeit
oder ein Gas oder ein Gemisch aus beiden.
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Unter
Ausgängen
im Sinne der vorliegenden Erfindung sind die Enden der die erste
Oberfläche
erreichenden Kanäle
zu verstehen, die auf dieser Oberfläche münden, beziehungsweise bei oberflächlich verlaufenden
Kanälen
die nach außen
offene Seite der Kanäle.
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Unter
einem im Wesentlichen homogenen Fluidverteilungsmuster ist ein Muster
zu verstehen, bei dem, beispielsweise durch eine gleichmäßige isogonale
Anordnung der Ausgänge
auf der ersten Oberfläche
alle Punkte der ersten Oberfläche
nur so weit vom nächsten
Ausgang entfernt sind, dass Gradienten der Fluidverteilung an der
ersten Oberfläche der
aus den Ausgängen
austretenden Fluide für
die beabsichtigte Verwendung der Fluidverteilungsschicht ohne Belang
sind.
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Die
erfindungsgemäße Fluidverteilungsschicht
lässt sich
bevorzugterweise durch eine gleichmäßige Anordnung von Kanälen in allen
drei Dimensionen erreichen.
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Vorzugsweise
entwickeln sich um die Ausgänge
herum Verteilungsgradienten des Fluids, die zu Fluidströmen an Punkten
auf der ersten Oberfläche
von nicht mehr als 10 % Unterschied führen. In einer noch bevorzugteren
Ausführungsform
sind die Unterschiede der Fluidströme nicht größer als 5 %. Auf diese Weise
ist ein im Wesentlichen homogenes Verteilungsmuster des Fluids realisierbar.
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Die
Schicht kann vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu den Oberflächen der
Schicht verlaufende Kanäle
in mehreren Ebenen übereinander
aufweisen. Auf diese Weise ist eine raschere Verteilung des Fluids
im Vergleich zu einem Kanalsystem, bei dem nur eine Schicht von
horizontal laufenden Kanälen
gegeben ist, möglich.
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Die
Kanäle,
die parallel zur Oberfläche
verlaufen, können
darüber
hinaus zueinander parallel geführt
oder kreuzend geführt
werden, und die Fluidverteilungsschicht kann senkrecht oder schräg zu den
Oberflächen
der Schicht verlaufende Kanäle
aufweisen. Auf diese Weise ist auch die dritte Dimension, bei schräg verlaufenden
Kanälen
sogar mehrere Dimensionen mit einer Kanalschar, des dreidimensionalen
Kanalsystems abgedeckt.
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Vorzugsweise
bilden die Kanäle
auf der Oberfläche
ein geometrisches Muster, beispielsweise auf der zweiten Oberfläche, bei
dem die Kanäle eine
vorgegebene, vorzugsweise gleichmäßige Versorgung der Oberfläche mit
Kanälen
bewirken.
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Dieses
geometrische Muster kann beispielsweise ein Karomuster, aus einander
rechtwinklig kreuzenden, in zwei Dimensionen laufenden parallelen
Scharen von Kanälen,
eine Spirale, ein Spinnennetz mit Radien und kreisförmig auf
den Radien laufenden Ringkanälen
oder ein Muster paralleler Kanäle
mit querlaufenden Endkanälen,
in welche die parallelen Kanäle
münden,
sein. Für
die konkrete Ausgestaltung von Kanälen auf oder in der Fluidverteilungsschicht
stehen dem Fachmann eine Vielzahl von unterschiedlichen Möglichkeiten
zur Verfügung, von
denen die zuvor genannten lediglich ein bevorzugtes Auswahlspektrum
darstellen. Sie sollen, entweder an der Oberfläche der Fluidverteilungsschicht liegend
oder auch in ihrem Inneren verlaufend, eine gleichmäßige Verteilung
des Fluids in Richtung parallel zu den Hauptoberflächen bewirken.
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Die
Fluidverteilungsschicht ist vorzugsweise eine Gasdiffusionslage
für eine
Brennstoffzelle, bei der eine gleichmäßige Verteilung des zuzuführenden Kraftstoffs
für die
Effizienz des chemischen Prozesses wichtig ist. Es versteht sich
jedoch, dass weitere Einsatzgebiete einer Fluidverteilungsschicht
gemäß der Erfindung
vorstellbar sind und vom Fachmann problemlos erwogen werden. Die
Fluidverteilungsschicht kann in einer bevorzugten Ausführungsform elektrisch
leitfähig
sein. Dies ist besonders sinnvoll für den Elektronentransport in
einer Brennstoffzelle.
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Die
Oberflächen
der Fluidtransportschicht können,
beispielsweise mit Hilfe spezieller Beschichtungen, hydrophil oder
hydrophob sein. Auf diese Weise lässt sich die Verteilung des
Fluids auch in Abhängigkeit
von den Eigenschaften dieses Fluids zusätzlich steuern.
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Die
erfindungsgemäße Fluidverteilungsschicht
kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass sie aus aufeinander
angeordneten Schichten mit Durchbrüchen oder Vertiefungen besteht,
die in gestapelter Anordnung zusammen die Kanäle des Kanalsystems ausbilden.
Im Falle von Durchbrüchen entspricht
damit die Höhe
eines Kanals entweder einer Schicht oder der Gesamtzahl aller Schichten,
bei denen aufeinanderliegend Durchbrüche gegeben sind. Wenn Vertiefungen
(Rinnen beziehungsweise nach außen
offene Kanäle)
verwendet werden, hat der jeweilige Kanal entweder die Höhe der Vertiefung oder
die Höhe
von zwei Vertiefungen, falls zwei aufeinander gelegte Vertiefungen
auf der Oberbeziehungsweise Unterseite aufeinanderfolgender Schichten
sich ergänzen.
Zusätzlich
weist jede Schicht Durchbrüche
auf, die dazu dienen, Kanäle
quer (von der ersten zur zweiten Oberfläche) durch die Fluidverteilungsschicht
zu bilden.
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Die
Fluidverteilungsschicht kann auch aus netzartigen Folien aufgebaut
sein, deren Zwischenräume
zusammen das Kanalsystem bilden.
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Die
Abmessungen der Kanäle
werden vorzugsweise an den beabsichtigen Einsatzzweck, das zu transportierende
Fluid (Gas oder Flüssigkeit),
die Gesamtabmessungen, das Herstellverfahren und/oder dem notwendigen
Grad an Gleichmäßigkeit angepasst.
Damit können
die einzelnen Kanäle
im Durchmesser beziehungsweise ihrer Breite weit variieren. Kanäle können im
Bereich von Mikrometern bis zu Millimetern reichen. So können die
Kanäle
beispielsweise einen Durchmesser von 0,01 bis 0,1 mm, vorzugsweise
0,02 bis 0,05 mm aufweisen.
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Die
Erfindung ist weiterhin auf eine Membrananordnung gerichtet, wobei
alles Oben bezüglich der
Fluidverteilungsschicht Gesagte auch für diese Membrananordnung gilt
und umgekehrt, so dass wechselseitig Bezug genommen wird.
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Damit
ist die Erfindung gerichtet auf eine Membrananordnung, aufweisend
eine für
vorgegebene Substanzen durchlässige
Membran und zumindest eine auf einer Seite der Membran angebrachte erfindungsgemäße Fluidverteilungsschicht.
Die Membran kann beispielsweise eine Protonen-durchlässige Membran
im Falle einer Brennstoffzelle oder eine für andere Ionen durchlässige Membran
bei einer anderen Verwendung sein oder eine sonstige semi-permeable
Membran, je nach Verwendungszweck. Um zusätzlich zum in der Fluidverteilungsschicht
enthaltenen Kanalsystem eine Fluidführung großräumiger Art zu gestatten, können in
die Membran und/oder in die zumindest eine Fluidverteilungsschicht
Kanäle
zur Fluidführung
eingearbeitet sein, beispielsweise aus dem allgemeinen Stand der
Technik bekannte Flowfield-Kanäle
bei Brennstoffzellenmembranen.
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Diese
Kanäle
zur Fluidführung
können
in die Membran eingelassene Kanäle
sein, oder sie können in
die Fluidverteilungsschicht eingelassene Kanäle sein. Kombinationen dieser
Ausführungsformen
sind möglich,
und die Kanäle
in der Fluidverteilungsschicht können
nur teilweise durch die Fluidverteilungsschicht hindurchreichen
oder auch vollständig. Auch
kann die Fluidverteilungsschicht aus mehreren Elementen bestehen,
die so auf der Membran angeordnet sind, dass sich zwischen ihnen
Kanäle
bilden. In diesem Fall handelt es sich um Flowfield-Kanäle, die
nicht durch ein Bearbeitungsverfahren in die Fluidverteilungsschicht
eingearbeitet sind, sondern die erst durch das Zusammensetzen der
Membrananordnung als solcher entstehen. Für die Anordnung des Kanals
oder der Kanäle
zwischen den einzelnen Fluidverteilungsschichtelementen stehen verschiedene
Möglichkeiten
zur Verfügung.
So können
die Kanäle
in Serpentinen verlaufen, aber auch in parallel zueinander geführten Bahnen
mit endständig
verbundenen Querkanälen
oder anderen geeigneten Anordnungen. Die Kanäle können als ein gemeinsamer Kanal
betrachtet werden oder als ein Kanalsystem aus mehreren voneinander
unterscheidbaren Kanälen
zur Fluidführung.
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Schließlich ist
die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht
gerichtet, welches das stapelnde Anordnen von Materialschichten
aufeinander aufweist, die mit Durchbrüchen und/oder Vertiefungen an
den Stellen vorgesehener Kanäle
versehen sind, wobei die Abfolge von Durchbrüchen in den einzelnen Schichten
zusammen die Kanäle
bilden, wie bereits oben unter Bezugnahme auf die Fluidverteilungsschicht
erläutert.
Bei diesem Verfahren kommt es auf die exakte Positionierung der
einzelnen Materialschichten aufeinander an, um auch in Richtung durch
die Fluidverteilungsschicht hindurch durchgehende Kanäle zu erhalten
und bei Kanälen,
die durch mehrere Schichten hindurchreichen, auch bei parallel zu
den Hauptoberflächen
verlaufenden, den gewünschten
Querschnitt zu erzielen.
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Die
Materialschichten, aus denen die Fluidtransportschicht erfindungsgemäß aufgebaut
wird, können
mikrostrukturierte Folien oder Netze mit Durchbrüchen sein, die aufeinander
gestapelt werden.
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Unter
mikrostrukturierten Folien ist im Falle der vorliegenden Erfindung
eine Folie zu verstehen, die mittels geeigneter Verfahren, zum Beispiel
Prägen,
Stanzen oder Laserlöchern
hergestellt, geeignet dimensionierte Durchbrüche aufweist. Die Netze beziehungsweise
Folien können
des weiteren mit Folienformgebungsverfahren hergestellt sein, beispielsweise
durch Extrusion, Kaschierung, Prägung,
Thermoformung und dergleichen. Netze mit Durchbrüchen können ebenfalls auf diese Weise
hergestellt werden, können
jedoch auch in für
Netze üblichen Weisen,
beispielsweise durch Flechten und dergleichen, hergestellt werden,
solange es möglich
ist, ein Netzmuster zu erhalten, das die notwendigen Kanaldurchmesser
für die
jeweilige Anordnung sicherstellt.
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Die
Materialschichten können
auch in situ gebildete Materialschichten sein, wobei zum Beispiel im
Stand der Technik übliche
Verfahren wie das Rapid Prototyping verwendet werden können, beispielsweise
der Einsatz von lasergesteuerter Photopolymerisation, wie dem Fachmann
auf dem Gebiet der werkzeuglosen Fertigungstechnik bekannt.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele erläutert werden,
wobei auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen folgendes dargestellt
ist:
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1 ist
eine perspektivische Teilansicht einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht;
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2 ist
eine vertikale Schnittansicht der Fluidverteilungsschicht der 1;
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3 ist
eine horizontale Schnittansicht auf die Fluidverteilungsschicht
der 1;
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4 zeigt
in vertikaler Schnittansicht die Kanäle des erfindungsgemäß verwendeten
Kanalsystems, die quer durch die erfindungsgemäße Fluidverteilungsschicht
laufen;
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5 ist
eine horizontale Schnittansicht verschiedener Ausführungsformen
von erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschichten,
bei denen außen liegenden
rinnenartigen Kanäle
gezeigt werden;
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6 zeigt
horizontale Schnittansichten zweier unterschiedliche Ebenen einer
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht in
Aufsicht;
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7 zeigt
vertikale Schnittansichten verschiedener Ausführungsformen der Anbringung
der ertindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht
auf einer nichtstrukturierten BPP;
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8 zeigt
vertikale Schnittansichten verschiedener Ausführungsformen der Anbringung
der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht
auf einer Membran;
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9 zeigt
in Aufsicht verschiedene Ausführungsformen
der Anordnung von Elementen der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht
auf einer Membran;
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10 zeigt
vertikale Schnittansichten verschiedener Ausführungsformen des ebenen- beziehungsweise
lagenweisen Aufbaus der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht
im Querschnitt mit eingezeichneten Kanälen; und
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11 zeigt
die vertikale Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform
eines mehrlagigen Aufbaus der ertindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht
aus netzartigen Einzellagen.
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Der
zentrale Ansatz der vorliegenden Erfindung ist der gezielte Aufbau
einer, bevorzugt elektrisch leitfähigen, Schicht beziehungsweise
Folie mit einem definierten, mikrostrukturierten dreidimensionalen
Kanalnetz, zum Beispiel durch ein werkzeugloses Verfahren, wie Rapid
Prototyping, beispielsweise durch Photopolymerisation oder im Massenfertigungsprozess
durch Schichtung mehrerer Folien mit Dicken im Mikrometerbereich.
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Die
Grundidee der vorliegenden Erfindung stellt ein systematisches mikrostrukturiertes
dreidimensionales Netzwerk bereit, in welchem die Kanäle derart
miteinander verknüpft
sind, dass, im Falle einer Anwendung bei Brennstoffzellen, sowohl
in GDL-Ebene (Gasdiffusionslagenebene) als auch senkrecht zur GDL-Ebene ein gleichmäßiger beziehungsweise
die Gleichmäßigkeit
herstellender Stofftransport gewährleistet
ist. Es versteht sich, dass die Erfindung auf andere Gebiete als
Brennstoffzellenmembranen anwendbar ist. Erreicht werden kann dies
beispielsweise erfindungsgemäß durch
parallel und senkrecht zur GDL-Ebene verlaufende Kanäle mit Kreuzungspunkten.
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1 zeigt
ein erstes Beispiel eines solchen Kanalsystems innerhalb einer erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht.
Die Fluidverteilungsschicht 1 weist mehrere quer zur Schicht
laufende Lagen oder Ebenen von Kanälen 10 auf, die sich
in jeder Lage mit dazu orthogonal laufenden Kanälen 11 kreuzen, um
mehrere übereinander
angeordnete Ebenen von karomusterartig verlaufenden geschlossenen
Kanälen
zu bilden. An den Oberflächen
der Fluidverteilungsschicht sind darüber hinaus ebenfalls orthogonal
kreuzende offene, rinnenartige Kanäle 12 beziehungsweise 13 angeordnet,
welche einer oberflächlichen
Verteilung des verwendeten Fluids dienen. Vorliegend ist die Oberfläche der
Fluidverteilungsschicht 1 so von rinnenartigen Kanälen durchzogen,
dass lediglich Stege 14 übrigbleiben.
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2 zeigt
die vertikale Schnittansicht durch eine Fluidverteilungsschicht 1 der 1.
Zu erkennen sind die rinnenförmig
ausgehobenen Kanäle 13 sowie
die geschlossenen Kanäle 11,
die insgesamt fünf
Schichten von Kanälen
ausbilden. Wie der 3 zu entnehmen ist, die einen
horizontalen Schnitt durch die Fluidverteilungsschicht zeigt, sind
die einzelnen Kanalebenen der Fluidverteilungsschicht 1 durch
senkrecht verlaufende, geschlossene Kanäle 15 miteinander
verbunden. Wenn die Kanäle 15 an den
Schnittpunkten der Kanäle 10 und 11 beziehungsweise 12 und 13 angebracht
sind, verbinden die Kanäle 15 alle
Kanäle 10, 11, 12, 13 aller
Ebenen miteinander. Bei einer typischen Ausführungsform können die
Kanäle
beispielsweise eine Breite beziehungsweise (im Falle der geschlossenen
Kanäle 10, 11)
einen Durchmesser von 0,02 mm aufweisen. Die Tiefe der offenen Kanäle 12, 13,
gerechnet von der jeweiligen Oberfläche bis zum Grund der Rinne,
kann beispielsweise 0,03 mm betragen. Das Raster, in dem die Kanäle zueinander
beabstandet sind, kann vorzugsweise in allen Richtungen 0,04 mm
betragen. Es versteht sich, dass diese Abmessungen beispielhafte
Größen sind
und in weiteren Bereichen schwanken können, so kann der Durchmesser
beziehungsweise die Breite der Kanäle von 0,01 bis 0,1 mm oder
darüber
hinaus reichen und der Abstand kann entsprechend den Anforderungen
ebenfalls variiert werden. Maßgeblich
für die
Auswahl der Raster und Abmessungen der einzelnen Kanäle ist die
gewünschte
Homogenität
der Verteilung, die Möglichkeiten
zur Einbringung der Kanäle,
das verwendete Material und dergleichen.
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1 zeigt
Kanäle,
die zueinander parallel oder orthogonal verlaufen. Es gibt nur orthogonal
und parallel zu den Oberflächen
der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht
laufende Kanäle.
Diese Verhältnisse
sind nochmals in 4 gezeigt, wobei in 4 der
vertikale Schnitt durch die Fluidverteilungsschicht 1 so
verläuft,
dass gerade die Schnittpunkte 16 der parallel zu denen
Ebenen verlaufenden Kanäle 10 (oder 11)
und 15 gezeigt sind. Diese Schnittpunkte 16 sind
maßgeblich
für die
gleichmäßige Verteilung
des Fluids innerhalb der Fluidverteilungsschicht beziehungsweise
an ihren Ausgängen, da
der Übergang
des Fluids von einer Dimension in eine andere nur an diesen Schnittpunkten
der verschiedenen Kanäle
erfolgen kann.
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4b zeigt als vertikalen Schnitt eine Ausführungsform,
die im Inneren der Fluidverteilungsschicht nur senkrecht laufende
Kanäle 15 aufweist, und
bei der eine laterale Verteilung durch oberflächlich eingebrachte Kanalstrukturen 12/13 zur
horizontalen Verteilung der Medien dienen.
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In 4c werden in vertikaler Schnittansicht sich überkreuzende
Kanäle 10, 15 in
einer verzahnten Anordnung gezeigt, bei denen kein senkrecht laufender
Kanal 15 vollständig
durch die Dicke der Fluidverteilungsschicht 1 hindurchführt. Auf
diese Weise kann erreicht werden, dass bei einem konzentrierten Auftrag
auf einer Seite der Fluidverteilungsschicht nicht eine übermäßig große Menge
an Fluid durch die Kanäle 15 direkt
zur anderen Seite der Fluidverteilungsschicht gelangen kann.
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4d schließlich zeigt den vertikalen Schnitt
eines Systems aus diagonal, das heißt unter einem Winkel zur Oberfläche der
Fluidverteilungsschicht 1 verlaufenden Kanälen 17 und
damit kreuzenden, anders ausgerichteten Kanäle 18 mit Verbindungspunkten 19.
Durch die schräge
Anordnung der Kanäle
kann bei dieser Ausführungsform
eine Verteilung auch in lateraler Richtung innerhalb der Fluidverteilungsschicht 1 erreicht
werden, ohne dass zusätzlich
parallel zu den Oberflächen
in einer oder mehreren Ebenen verlaufende Kanäle (10, 11)
vorgesehen sein müssen.
Es versteht sich, dass bei diesem System entweder zusätzliche
parallel zur Oberfläche
verlaufende Kanäle
vorgesehen sein können, die
senkrecht zur Bildebene verlaufen und beispielsweise durch die Schnittpunkte 19 zusätzlich hindurchgehen,
oder dass drei verschieden orientierte Schare von Kanälen 17, 18 vorgesehen
sein können, um
einen Transport nicht nur in Richtung der Papierebene, sondern auch
orthogonal dazu zu ermöglichen.
Schließlich
ist es ebenfalls denkbar, dass die laterale Fluidverteilung hauptsächlich in
Oberflächenkanälen, wie
Kanälen 12, 13,
verläuft
und die Kanäle 17, 18 in
erster Linie dazu dienen, eine Kleinbereichslateralverteilung zusätzlich zur
orthogonalen Verteilung quer durch die Dicke der Fluidverteilungsschicht
bereitzustellen.
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Grundsätzlich wirkt
sich ein oberflächlich beidseitig
in die Fluidverteilungsschicht integriertes Kanalnetzwerk bei allen
Ausführungen
positiv auf den Fluidtransport aus. Im Folgenden sollen Möglichkeiten
zum Aufbau einer solchen oberflächlich
gelegenen Kanalstruktur aus Kanälen 12, 13 gemäß der Erfindung
diskutiert werden. Auch bezüglich
dieser horizontalen Kanäle
gibt es in Anlehnung an gängige makroskopische
Flussfelder für
Bipolarplatten von Brennstoffzellen verschiedenste Ausführungsmöglichkeiten
bezüglich
der einzubringenden Mikrostruktur.
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5a zeigt den vertikalen Schnitt durch
ein gestapeltes Netzwerk aus senkrecht zueinander stehenden rillenartigen
Kanälen 12, 13,
die sich an Schnittpunkten 20 kreuzen, wobei die Schnittpunkte 20 die
oberflächlichen
Bereiche der Röhren 15 in senkrechter
Richtung bilden können.
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5b zeigt den horizontalen Schnitt durch eine
gestapelte Parallel-Flowfieldähnliche
Anordnung von Kanälen 21, 22 wobei
die parallel orientierten Kanäle 21 in
breitere Kanäle 22 münden, die
der Zufuhr bzw. Weiterleitung des Fluids dienen. 5c zeigt
eine gestapelte horizontale mäanderförmige Flowfield-Anordnung,
bei der ein Kanal 22 mäanderförmig über die
gesamte Oberfläche
der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht 1 geleitet
wird. Ähnlich
der verzahnten Vertikallösung
der 4c ist es des weiteren möglich, auf
der Oberfläche
der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht
gemäß 5d eine gestapelte verzahnte Flowfield-Anordnung
vorzusehen. Die Nummerierung der Kanäle entspricht der von 5b, da sie eine ähnliche Funktion aufweisen,
jedoch nicht komplett von einem Kanal 22 bis zum auf der
gegenüber
liegenden Kanal 22 reichen. Bei der konzentrisch-kreisförmigen Anordnung
der Kanäle 23 gemäß 5e muss die Beschickung so erfolgen, dass
die Kanäle
befüllt
werden können.
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In 5f ist eine horizontale spiralförmige Anordnung
mit zumindest einer gleichsinnig laufenden Spirale 24 dargestellt,
bei der sich selbst bei Zufuhr an einer einzigen Stelle das Fluid
im Laufe der Zeit über
die gesamte Länge
des einzelnen Kanals 24 verteilen wird.
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Auch
in 5g ist eine horizontale konzentrische
Anordnung von Kanälen 24 implementiert,
die jedoch durch radial verlaufende Kanäle 25 zum rascheren
Fluidtransport und einer vereinfachten Beschickung ergänzt sind.
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Im
Gegensatz zu der in 5f gezeigten Spirale 24 zeigt
die 6, dass mehrere Spiralen 24, 26 auch
gegensinnig angeordnet sein können.
Die Anordnung der Spirale 26 kann sich hierbei entweder auf
die gegenüber
liegende Oberfläche
der Fluidverteilungsschicht 1 beziehen oder auch auf im
Inneren der Schicht angeordnete Spiralkanäle. Ein wichtiges Einsatzgebiet
der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht
ist als Gasdiffusionslage (GDL) bei einer Bipolarplatte in einem
Brennstoffzellensystem. Eine solche Fluidverteilungsschicht bzw.
GDL1 kann im Fertigungsprozess auf unterschiedlichste Weise mit den
Baukomponenten der Bipolargruppe bzw. CCM verbunden werden. So zeigt 7a den vertikalen Schnitt durch eine oberflächliche
Aufbringung der Fluidverteilungsschicht 1 auf die Bipolarplatte 2 unter Auslassung
von in die Bipolarplatte 2 eingebrachten Führungskanälen 3,
und 7b zeigt eine Aufbringung mit Überbrückung der
Kanäle 3.
Diese Kanäle 3 gehören zu einem
makroskopischen Flowfield der Bipolarplatte und sind nicht mit den
mikroskopischen Kanälen
innerhalb der Fluidverteilungsschicht zu verwechseln.
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Es
ist ebenfalls gemäß der vertikalen
Schnittzeichnung 7c möglich, in
die Fluidverteilungsplatte Kanäle 4 eines
makroskopischen Flowfields einzubringen, beispielsweise durch Fräsen oder
dergleichen, und diese Fluidverteilungsschichten auf eine nicht-strukturierte
Bipolarplatte 2 aufzubringen.
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Schließlich kann,
wie im vertikalen Schnitt in 7d gezeigt,
die Fluidverteilungsschicht 1 auch in einzelnen Elementen
vorliegen, die, ohne eine weitere makroskopische Flowfieldstruktur
aufzuweisen, für sich
auf der Bipolarplatte 2 angebracht werden und wobei die
zwischen ihnen ausgebildeten Zwischenräume 5 das makroskopische
Flowfield bilden.
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Gänzlich auf
ein makroskopisches Flowfield in Form von Kanälen 3, 4 oder 5 verzichten
die Ausführungsformen
gemäß 7e und 8a,
bei der zwei Fluidverteilungsschichten bzw. GDL 1 einfach
auf eine Bipolarplatte 2 beziehungsweise eine CCM (Catalyst
Coated Membrane, katalyssatorbeschichtete Membran) aufgebracht sind.
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In 8b ist ähnlich der 7c eine
mit makroskopischen Kanälen
versehene Fluidverteilungsschicht 1 auf beiden Seiten einer
CCM 6 aufgebracht. 8c zeigt
schließlich,
dass es auch möglich
ist, Einzelelemente von Fluidverteilungsschichten 1 auf eine
CCM 6 aufzubringen.
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Auch
bezüglich
der makroskopischen, fertigungstechnischen Anbringung der Fluidverteilungsschicht 1 an
die Bipolarplatte 2 oder die CCM 6 bei Aufsicht,
das heißt
in horizontaler Richtung, sind verschiedenste Varianten denkbar.
Der Grundaufbau besteht aus der Bipolarplatte 2 oder der
CCM 6 als Träger,
einem Rahmen zur Medienzufuhr 7, und der Fluidverteilungsschicht
bzw. GDL 1. Verschiedene Ausführungsformen sind in 9 gezeigt.
Nach 9a kann die Fluidverteilungsschicht
aus mehreren einzelnen Stücken
bestehend angeordnet werden, so dass ein paralleles Flussfeld mit
Kanälen 5 entsteht.
Eine mäanderförmige Anordnung
des Kanals 5 ergibt sich durch versetztes Anordnen von länglichen
Elementen der Fluidverteilungsschicht 1 auf der Bipolarplatte 2 bzw.
der CCM 6, wie in 9b dargestellt.
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Durch
Bereitstellen einer serpentinenartig geformten Fluidverteilungsschicht 1 gemäß 9c kann eine verzahnte Anordnung von Kanälen 5 zwischen
den einzelnen Serpentinen der Fluidverteilungsschicht erreicht werden.
In 9d, die beispielsweise mehrfach
geschichtete mikrostrukturierte Flowfields nach 5 darstellt,
erfolgt auch die makroskopische Verteilung innerhalb der Fluidverteilungsschicht.
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Die
Beschreibung wendet sich nunmehr der erfindungsgemäßen Herstellung
einer erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht
zu. Fertigungstechnisch kann der Aufbau einer solchen GDL beziehungsweise
einer Fluidverteilungsschicht über
werkzeuglose Fertigungsverfahren wie Rapid Prototyping (Photopolymerisation
mit Hilfe eines Laserstrahls), durch Stapeln von mikrostrukturierten
Folien oder Netzen mit Dicken im Mikrometermaßstab oder dergleichen umgesetzt
werden.
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Von
besonderer massenfertigungstechnischer Relevanz sind hierbei Verfahren,
bei denen die Fluidverteilungsschicht aus Folien aufgebaut wird. Diese
können
entweder geprägte
mit eingestanzten Durchbrüchen
versehene Metallfolien oder Metallnetze mit Dicken-Strukturen im
Mikrometerbereich sein oder über
Extrusionsverfahren erzeugte Kunststofffolien oder Netze mit Dicken-Strukturen
im Mikrometerbereich, beispielsweise unter Verwendung elektrisch leitender
Kunststoffe. Erfindungsgemäß kann hier
sowohl im Falle der Metallfolien beziehungsweise Metallnetze, als
auch bezüglich
der Kunststofffolien beziehungsweise Netze durch die Einbringung
von Graphit/Ruß-Pulvern,
zum Beispiel in Form einer Dispersion oder einer Suspension, eine
deutliche Verbesserung der elektrischen Kontaktierung der Folien
untereinander und mit der Bipolarplatte oder der CCM erreicht werden.
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10a zeigt den vertikalen Schnitt durch drei
einseitig mit halbkreisförmigen
Kanälen
strukturierten Folien, die ihre Strukturierung alle auf der gleichen
Seite aufweisen. Dadurch ergeben sich bezüglich der oberen Schicht 1a nach
oben offene, halbkreisförmige
Kanäle 26,
während
die Schichten 1b und 1c jeweils halbkreisförmige, von
den angrenzenden Folien geschlossene Kanäle 27 aufweisen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
sind bei dieser und den folgenden Darstellungen die einzelnen Lagen der
Fluidverteilungsschicht 1 abwechselnd schraffiert und unschraffiert
ausgeführt.
Zur vertikalen Verteilung des Fluids sind die Folien bei bestimmten
Ausführungsformen
mit Durchbrüchen 15 versehen.
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10b zeigt den vertikalen Schnitt durch einen
Aufbau aus vier einseitig strukturierten Folien, die jedoch alternierend
angeordnet sind, so dass sich bei exakter Aufeinanderlegung der
Halbkanäle
jeweils kreisförmige
Kanäle 28 zwischen
je zwei der einseitig strukturierten Folien ausbilden. Dabei bilden die
Strukturen der Folien 1a und 1b jeweils Kanäle 28 und
die der Folien 1c und 1d ebenfalls. Auch hier übernehmen
Durchbrüche 15 die
vertikale Verteilung des Fluids.
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Zweiseitig
strukturierte Folien sind in 10c als
vertikaler Schnitt gezeigt, die exakt übereinander liegend dazu führen, dass
sich außer
den offenen Kanälen 26 an
der Ober- und Unterseite der Fluidverteilungsschicht 1 nach
oben und unten orientierte halbkreisförmige Kanäle 27 an den Übergängen der
internen Folienoberflächen
bilden. Analog zu 10b zeigt 10d eine Ausführungsform, bei der beidseitig
strukturierte Folien aufgrund einer Versetzung der mittleren Folie 1b zur
Ausbildung von Kanälen 28 mit
kreisförmigem
Querschnitt führen. Fertigungstechnisch
lässt sich
mit der beidseitig strukturierten Variante eine höhere Zahl
an Kanälen pro
Volumeneinheit erzeugen.
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Im
Falle der in der 11 gezeigten vertikalen Schnittansicht
durch mikrostrukturierte Netzschichten ist eine Anordnung mit übereinander
angeordneten Netzknotenpunkten 30 denkbar, wie in 11a gezeigt, oder eine Anordnung mit versetzt angeordneten
Netzknotenpunkten 30, wie in 11b gezeigt.
Die gestrichelten Linien 31 kennzeichnen dabei die Ebene
der Netze, in denen die die Netze ausbildenden Strukturen liegen,
darunter auch kanalartige Strukturen 32, die ein Durchleiten
des Fluids gestatten.