DE102009058511B4

DE102009058511B4 - Brennstoffzelle und Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102009058511B4
Application number: DE102009058511.7A
Authority: DE
Inventors: Gerald W. Fly; Yeh-Hung Lai; Jeffrey A. Rock; Keith E. Newman; Ping Liu; Alan J. Jacobsen; William B. Carter; Peter D. Brewer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2029-12-17
Also published as: CN101841045B; CN101841045A; US20130202989A1; US20100159294A1; US8580454B2; US8389177B2; DE102009058511A1

Abstract

Membranelektrodenanordnung (3) für eine Brennstoffzelle (2), umfassend: ein fluidundurchlässiges Zufuhrgebiet (202), das ein poröses Membranträgergebiet (204) umgibt, wobei das Membranträgergebiet (204) zumindest teilweise durch eine strahlungsgehärtete Struktur (206') geformt ist, wobei die strahlungsgehärtete Struktur (206') eine Mikrofachwerkstruktur aufweist, welche eine Vielzahl erster Fachwerkelemente (300'), die sich entlang einer ersten Richtung erstrecken, eine Vielzahl zweiter Fachwerkelemente (302'), die sich entlang einer zweiten Richtung erstrecken, und eine Vielzahl dritter Fachwerkelemente (304'), die sich entlang einer dritten Richtung erstrecken, umfasst, wobei die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente (300', 302', 304') sich nicht überschneiden, und wobei die strahlungsgehärtete Struktur (206') zwischen einem Paar strahlungsgehärteter Gitter (500) geformt ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Brennstoffzelle und eine Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Brennstoffzelle ist als eine reine, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Einzelne Brennstoffzellen können in Reihe aneinander gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die ausreichend ist, um ein Fahrzeug zu betreiben. Insbesondere ist der Brennstoffzellenstapel als eine potentielle Alternative für den herkömmlichen Verbrennungsmotor, der in modernen Kraftfahrzeugen verwendet wird, erkannt worden.
Ein Typ von Brennstoffzelle ist die Polymerelektrolytmembran-(PEM)-Brennstoffzelle. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei Grundkomponenten: eine Elektrolytmembran; und ein Paar von Elektroden, die eine Kathode und eine Anode aufweisen. Die Elektrolytmembran ist zwischen den Elektroden schichtartig angeordnet, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Die MEA ist typischerweise zwischen porösen Diffusionsmedien (DM), wie Kohlefaserpapier, angeordnet, die eine Lieferung von Reaktanden, wie Wasserstoff zu der Anode und Sauerstoff, typischerweise aus Luft, zu der Kathode unterstützen. Bei der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion wird der Wasserstoff in der Anode katalytisch oxidiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Elektronen von der Anode können nicht durch die Elektrolytmembran gelangen und werden stattdessen als ein elektrischer Strom durch eine elektrische Last, wie einen Elektromotor, an die Kathode geführt. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen.
Die Elektrolytmembran ist typischerweise aus einer Ionomerschicht geformt. Ein typisches Ionomer ist ein Perfluorsulfonsäure-(PFSA)-Polymer, wie Nafion^®, das von der E. I. du Pont de Nemours und Company kommerziell erhältlich ist. Die Elektroden der Brennstoffzelle sind allgemein aus einem fein geteilten Katalysator geformt. Der Katalysator kann ein beliebiger Elektrokatalysator sein, der eine Oxidation von Wasserstoff und/oder eine Reduktion von Sauerstoff für die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle katalytisch unterstützt. Der Katalysator ist typischerweise ein Edelmetall, wie Platin oder ein anderes Metall der Platingruppe. Der Katalysator ist allgemein auf einem Kohlenstoffträger, wie Rußpartikeln, angeordnet und in einem Ionomer dispergiert.
Die Elektrolytmembran, die Elektroden und die DM sind zwischen einem Paar von Brennstoffzellenplatten angeordnet und beispielsweise mit einer Dichtung abgedichtet, die eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung bereitstellt. Die Elektrolytmembran besitzt auch typischerweise einen Barrierefilm oder ein Subgasket bzw. eine Unterdichtung, die damit gekoppelt ist, um eine interne Verstärkung bereitzustellen und das Wasserstoffgas und die Luft, die an den Brennstoffzellenstapel geliefert werden, zu trennen. Die Unterdichtung liegt allgemein über einem Rand der Elektrolytmembran und wird in einem sekundären Betriebsablauf dadurch geformt, dass ein Stück von Polymerlagenmaterial ausgeschnitten wird und das Lagenmaterial mit der Elektrolytmembran über Kompression und/oder einen Klebstoff verbunden wird. Typische Unterdichtungen und Mittel zum Koppeln von Unterdichtungen mit der Elektrolytmembran sind in der Druckschrift US 2009/0 181 275 A1 beschrieben. Jedoch ist es bekannt, dass das Sicherstellen einer richtigen Ausrichtung des Polymerlagenmaterials, das die Unterdichtung bildet, mit der Elektrolytmembran schwierig ist. Überschüssiges Polymerlagenmaterial, das während der Formung der Unterdichtung gebildet wird, kann nicht wieder verwendet werden, was in einem unerwünschten Materialabfall resultiert. Das Legen der Unterdichtung auf den Rand der Elektrolytmembran kann ferner einen unerwünschten Spannungserhöher in dem Brennstoffzellenstapel erzeugen.
Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einer Unterdichtung und einem Verfahren zum Herstellen einer Unterdichtung, das Produktionsabfall minimiert, kosteneffektiv ist und eine Ausrichtung der Elektrolytmembran mit der Unterdichtung in der Brennstoffzelle erleichtert. Die Unterdichtung soll mechanisch stabil sein und einer Bildung von Spannungserhöhern in der Brennstoffzelle an der Verbindungsstelle zwischen der Unterdichtung und der Elektrolytmembran entgegenwirken.
Eine herkömmliche Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle ist in der Druckschrift US 2007/0 148 517 A1 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle umfasst ein fluidundurchlässiges Zufuhrgebiet, das ein poröses Membranträgergebiet umgibt, wobei das Membranträgergebiet zumindest teilweise durch eine strahlungsgehärtete Struktur geformt ist. Die strahlungsgehärtete Struktur weist eine Mikrofachwerkstruktur auf, welche eine Vielzahl erster Fachwerkelemente, die sich entlang einer ersten Richtung erstrecken, eine Vielzahl zweiter Fachwerkelemente, die sich entlang einer zweiten Richtung erstrecken, und eine Vielzahl dritter Fachwerkelemente, die sich entlang einer dritten Richtung erstrecken, umfasst. Die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente überschneiden sich nicht. Die strahlungsgehärtete Struktur ist zwischen einem Paar strahlungsgehärteter Gitter geformt.
ZEICHNUNGEN
Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die hier beschriebenen Zeichnungen offensichtlich.
1 ist eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels mit einer Kombination aus Unterdichtung und Membranträger gemäß der vorliegenden Offenbarung, die nur zwei Zellen zeigt;
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht der Kombination aus Unterdichtung und Membranträger, wie in 1 gezeigt ist, die eine darauf angeordnete Teilelektrode zeigt;
3 ist eine vergrößerte bruchstückhafte Ansicht des in den 1 und 2 gezeigten Membranträgers, die einen Membranträger mit einer Mikrofachwerkstruktur, die mit einem Ionomer getränkt ist, zeigt, wie allgemein durch Schnittlinie 3-3 in 2 dargestellt ist; und
4 ist eine vergrößerte bruchstückhafte Ansicht der in den 1 und 2 gezeigten Unterdichtung, die ein Zufuhrgebiet mit einer Vielzahl innerer Rippen zeigt, wie allgemein durch die Schnittlinie 4-4 in 2 dargestellt ist.
5 ist eine vergrößerte bruchstückhafte Ansicht der erfindungsgemäßen strahlungsgehärteten Struktur.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte lediglich beispielhafter Natur und somit weder notwendig noch kritisch.
1 zeigt einen PEM-Brennstoffzellenstapel 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Einfachheit halber ist nur ein Zwei-Zellen-Stapel (d. h. eine Bipolarplatte) in 1 gezeigt und beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel viel mehr derartige Zellen und Bipolarplatten besitzt.
Der Brennstoffzellenstapel 2 umfasst zumindest eine MEA 3, die eine Kombination aus Unterdichtung und Membranträger besitzt. Die zumindest eine MEA 3 ist aus einer durch eine Unterdichtung 6 geträgerten Elektrolytmembran 4 geformt. Die Elektrolytmembranen 4 sind jeweils zwischen einem Paar von Elektroden 7 schichtartig angeordnet. Obwohl zu Zwecken der Einfachheit MEAs 3 mit einer Konstruktion einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM) gezeigt sind, sei zu verstehen, dass der Brennstoffzellenstapel 2 gegebenenfalls eine Konstruktion mit katalysatorbeschichtetem Diffusionsmedium (CCDM) verwenden kann.
Eine elektrisch leitende Bipolarplatte 8 trennt die MEAs 3. Die Elektrolytmembranen 4, die Elektroden 7 und die Bipolarplatte 8 sind aneinander zwischen einem Paar von Klemmplatten 10 und einem Paar von unipolaren Endplatten 14 gestapelt. Die Klemmplatten 10 sind von den Endplatten 14 beispielsweise durch ein Dichtung oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) elektrisch isoliert. Die unipolaren Endplatten 14 und die Bipolarplatte 8 umfassen aktive Bereiche 16 zur Verteilung von Reaktanden, wie Wasserstoffgas und Sauerstoff/Luft, an die Elektroden 7. Die Bipolarplatte 8 und die unipolaren Endplatten 14 können ferner eine Vielzahl von Strömungskanälen (nicht gezeigt) aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass die Reaktanden an die Elektroden 7 verteilt werden.
Der Brennstoffzellenstapel 2 kann nichtleitende Dichtungen 18 aufweisen, um Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 bereitzustellen. Wenn jedoch die Unterdichtungen 6 den Brennstoffzellenstapel 2 ausreichend abdichten und elektrisch isolieren, sei angemerkt, dass die Dichtungen 18 gegebenenfalls nicht verwendet werden müssen. Poröse Gasdiffusionsmedien 20, wie beispielsweise Kohlenstoff- oder Graphitdiffusionspapiere, liegen an den Elektroden 7 an, die benachbart der Elektrolytmembran 4 angeordnet sind. Die Gasdiffusionsmedien 20 sind zwischen der Elektrolytmembran 4 und der Bipolarplatte 8 und zwischen der Elektrolytmembran 4 und der unipolaren Endplatte 14 angeordnet.
Die Unterdichtungen 6, die bipolare Platte 8, die unipolaren Endplatten 14 und die Dichtungen 18 umfassen jeweils eine Kathodenlieferöffnung 22 und eine Kathodenaustragsöffnung 24, eine Kühlmittellieferöffnung 25 und eine Kühlmittelaustragsöffnung 27 sowie eine Anodenlieferöffnung 26 und eine Anodenaustragsöffnung 28. Lieferverteiler und Austragssammler des Brennstoffzellenstapels 2 sind durch eine Ausrichtung der jeweiligen Öffnungen 22, 24, 25, 26, 27, 28 in den Unterdichtungen 6, der Bipolarplatte 8, den unipolaren Endplatten 14 und den Dichtungen 18 geformt. Wasserstoffgas wird über eine Anodeneinlassleitung 30 an einen Anodenlieferverteiler geliefert. Der Sauerstoff/die Luft wird über eine Kathodeneinlassleitung 32 an einen Kathodenlieferverteiler des Brennstoffzellenstapels 2 geliefert. Es sind auch eine Anodenauslassleitung 34 und eine Kathodenauslassleitung 36 für einen Anodenaustragssammler bzw. einen Kathodenaustragssammler vorgesehen. Eine Kühlmitteleinlassleitung 38 ist zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel zu einem Kühlmittellieferverteiler vorgesehen. Eine Kühlmittelauslassleitung 40 ist zur Entfernung von Kühlmittel von einem Kühlmittelaustragssammler vorgesehen. Es sei zu verstehen, dass die Konfigurationen der verschiedenen Einlässe 30, 32, 38 und Auslässe 34, 36, 40 in 1 dem Zweck der Veranschaulichung dienen und gegebenenfalls andere Konfigurationen gewählt sein können.
2 zeigt die MEA 3 mit der Unterdichtung 6 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die MEA 3 umfasst ein im Wesentlichen fluidundurchlässiges Zufuhrgebiet 202, das ein poröses Membranträgergebiet 204 umgibt. Das Zufuhrgebiet 202 und/oder das Membranträgergebiet 204 werden zumindest teilweise durch eine strahlungsgehärtete Struktur 206 geformt. Die strahlungsgehärtete Struktur 206 der vorliegenden Offenbarung wird aus einem strahlungsempfindlichen Material geformt, wie beispielsweise in der Druckschrift US 2010/0 159 398 A1 beschrieben ist.
Die Unterdichtung 6 kann aus einer Lage 200 geformt werden, die das Zufuhrgebiet 202 und das Membranträgergebiet 204 aufweist. Die Lage kann ein strahlungsgehärtetes Polymer sein oder gegebenenfalls aus einem anderen geeigneten Material geformt sein. Das Zufuhrgebiet 202 kann im Wesentlichen fluidundurchlässig sein. Der Ausdruck ”im Wesentlichen fluidundurchlässig” ist hierdurch derart definiert, dass er im Wesentlichen undurchlässig gegenüber einer Strömung von Fluiden von einer Seite des Zufuhrgebiets 202 benachbart der ersten Elektrode 7 zu der anderen Seite des Zufuhrgebiets 202 benachbart der zweiten Elektrode 7 bedeutet. Das Membranträgergebiet 204 ist porös und einteilig mit dem Zufuhrgebiet 202 geformt. Das Membranträgergebiet 204 kann die poröse strahlungsgehärtete Struktur 206 aufweisen. Die poröse strahlungsgehärtete Struktur 206 kann beispielsweise einen Polymersieb, wie ein Polymermuster mit einer Vielzahl von darin geformten vertikalen Löchern, und/oder eine Mikrofachwerkstruktur aufweisen. Gegebenenfalls können andere geeignete poröse, strahlungsgehärtete Strukturen 206 verwendet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Membranträgergebiet 204 aus einer porösen Schicht geformt sein, wie beispielsweise einer EPTFE-Schicht. Illustrativ kann die poröse Schicht in ein flüssiges strahlungsempfindliches Material getaucht werden und das Zufuhrgebiet 202 mit Strahlung beaufschlagt werden, um die solide Unterdichtung 6 aus der resultierenden strahlungsgehärteten Struktur 206 zu bilden.
Wie in 3 in einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform deutlicher gezeigt ist, kann die strahlungsgehärtete Struktur 206 des Membranträgergebiets 204 die Mikrofachwerkstruktur aufweisen. Die strahlungsgehärtete Struktur 206 kann mit einem Ionomer 208 getränkt werden, um die Elektrolytmembran 4 zu formen. Das Ionomer 208 kann ein Perfluorsulfonsäure-(PFSA)-Polymer sein, obwohl auch andere Ionomermaterialien, einschließlich Kohlenwasserstoffionomeren, wie sulfonierten Polyetherketonen, Arylketonen und Polybenzimidazolen, verwendet werden können. Die Elektroden 7 sind auf entgegengesetzten Seiten der Elektrolytmembran 4 angeordnet, die durch das Membranträgergebiet 204 geträgert wird.
Wie in den 3 und 4 in nicht erfindungsgemäßen Ausführungsformen gezeigt ist, kann die strahlungsgehärtete Struktur 206 eine Vielzahl erster Fachwerkelemente 300, die sich entlang einer ersten Richtung erstrecken, eine Vielzahl zweiter Fachwerkelemente 302, die sich entlang einer zweiten Richtung erstrecken, und eine Vielzahl dritter Fachwerkelemente 304 aufweisen, die sich entlang einer dritten Richtung erstrecken. Wenn sie beispielsweise aus einem flüssigen Photomonomer geformt sind, können die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente 300, 302, 304 durch sich selbst fortpflanzende Polymerfachwerkwellenleiter definiert sein. Die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente 300, 302, 304 können sich an einer Vielzahl von Knoten 306 gegenseitig durchdringen. Es sei angemerkt, dass sich die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente 300, 302, 304 gegebenenfalls nicht gegenseitig durchdringen brauchen oder sich an der Vielzahl von Knoten 306 auf einer intermittierenden Basis gegenseitig durchdringen können, um die im Wesentlichen kontinuierliche, dreidimensionale, sich selbst stützende strahlungsgehärtete Struktur 206 zu bilden.
Wenngleich die Mikrofachwerkstruktur mit der Vielzahl von ersten Fachwerkelementen 300, der Vielzahl von zweiten Fachwerkelementen 302 und der Vielzahl von dritten Fachwerkelementen 304 eine 3-fache architektonische Symmetrie aufweisen kann, wie oben beschrieben, sei für den Fachmann angemerkt, dass andere Architekturen wie z. B. eine 4-fache Symmetrie und eine 6-fache Symmetrie innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können. Die spezielle Architektur kann z. B. gewählt sein, um die Verbindungsfähigkeit der Mikrofachwerkstruktur zu erhöhen und die Anfälligkeit gegenüber einem Durchbiegen und Knicken der Mikrofachwerkstruktur 206 unter Belastung zu reduzieren. Die gewählte Architektur kann je nach Wunsch symmetrisch oder asymmetrisch sein. Die Architektur kann auch gewählt sein, um die Festigkeit und Steifigkeit der Mikrofachwerkstruktur zu optimieren. Ein Fachmann sollte ferner erkennen, dass je nach Wunsch andere Architekturen für die Mikrofachwerkstruktur verwendet werden können.
Beispielhafte Mikrofachwerkstrukturen sind von Jacobsen et al. in ”Compression behavior of micro-scale truss structures formed from selfpropagating polymer waveguides”, Acta Materialia 55, (2007) 6724–6733 beschrieben, wobei die gesamte Offenbarung hierdurch durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist. Ein Verfahren und ein System zur Erzeugung geordneter Mikrofachwerkstrukturen 206 ist in der Druckschrift US 7 382 959 B1 offenbart. Mikrofachwerkstrukturen, die durch das Verfahren und das System erzeugt werden, sind ferner offenbart in der Druckschrift US 8 197 930 B1 . Andere geeignete Mikrostrukturen, die durch Lichtbeaufschlagung erzeugt werden, und aus einer Selbstfokussierung oder einem ”Self-Trapping” von Licht durch Polymerwellenleiter resultieren, ist ebenfalls beschrieben in der Druckschrift US 6 274 288 B1 .
Das Zufuhrgebiet 202 der Unterdichtung 6 weist die zumindest eine Lieferöffnung 22, 25, 26 und die zumindest eine Austragsöffnung 24, 27, 28, die darin geformt sind, auf. Das Zufuhrgebiet 202 ist im Wesentlichen fluidundurchlässig, um einem Übertritt der Wasserstoff- und Sauerstoff-Reaktanden, die an den Brennstoffzellenstapel 2 geliefert werden, entgegenzuwirken. Beispielsweise kann das Zufuhrgebiet 202 als eine im Wesentlichen solide planare Lage 210 aus strahlungsgehärtetem Material geformt sein. Bei einer anderen Ausführungsform, die in den 2 und 4 gezeigt ist, kann sich die strahlungsgehärtete Struktur 206 des Membranträgergebiets 204 in das Zufuhrgebiet 202 hinein erstrecken. In solchen Fällen ist die strahlungsgehärtete Struktur 206 zwischen einem Paar der im Wesentlichen soliden planaren Lagen 210 angeordnet, um ein hohles, jedoch im Wesentlichen fluidundurchlässiges Zufuhrgebiet 202 zu bilden. Die strahlungsgehärtete Struktur 206 kann alternativ benachbart zumindest einer im Wesentlichen soliden, planaren Lage 210 angeordnet sein, um das im Wesentlichen fluidundurchlässige Zufuhrgebiet 202 zu bilden. Dem Fachmann sei angemerkt, dass die Bildung des hohlen Zufuhrgebiets 202 eine Kompression des Zufuhrgebiets 202 während des Betriebs der Brennstoffzelle 2 erleichtern kann. Das hohle Zufuhrgebiet 202 kann auch eine Biegefestigkeit bereitstellen, die beispielsweise ausreichend ist, um einer unerwünschten Verformung des Zufuhrgebiets 202 in die Strömungskanäle, die in den nicht aktiven Gebieten der Bipolarplatte 8 und der unipolaren Platten 14 geformt sind, entgegenzuwirken.
Bei bestimmten illustrativen Ausführungsformen kann das Polymer der Mikrofachwerkstruktur 206 in dem hohlen Zufuhrgebiet 202 mit einem Metalloxid oder einer Keramik beschichtet sein, um das gewünschte Niveau an Biegefestigkeit bereitzustellen. Beispielsweise sind keramische strahlungsgehärtete Strukturen 206 und Verfahren zur Herstellung keramischer strahlungsgehärteter Strukturen 206 in der Druckschrift US 7 687 132 B1 offenbart. Schichten aus Metall, wie autokatalytischem Nickel, können beispielsweise dem Paar der im Wesentlichen soliden planaren Lagen 210 hinzugefügt werden, um eine Biegesteifigkeit bereitzustellen, während dennoch eine Kompression ermöglicht wird. Es sei ferner angemerkt, dass das Zufuhrgebiet 202 gegebenenfalls andere Strukturen zwischen dem Paar solider planarer Lagen 210 aufweisen kann, wie innere Rippen und ähnliche strahlungsgehärtete Strukturen. Die strahlungsgehärtete Struktur 206 oder andere Strukturen können beispielsweise das Zufuhrgebiet 202 zwischen den planaren Lagen 210 füllen.
Die Unterdichtung 6 gemäß der vorliegenden Offenbarung kann mit einer im Wesentlichen konstanten Dicke über ihre Länge geformt werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann eine durchschnittliche Dicke des Membranträgergebiets 204 kleiner als eine durchschnittliche Dicke des Zufuhrgebiets 202 sein. Die geringere Dicke des Membranträgergebiets 204 kann das Tränken des Membranträgergebiets 204 mit dem Ionomer 208 unterstützen. Es sei angemerkt, dass das Ionomer 208 gegebenenfalls eine Dicke besitzen kann, die größer als eine Dicke des darunter liegenden Membranträgergebiets 204 ist. Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein erster Bereich des Zufuhrgebiets 202, der benachbart dem Membranträgergebiet 204 angeordnet ist, eine erste Dicke besitzen, die im Wesentlichen gleich einer durchschnittlichen Dicke des Membranträgergebiets 204 ist. Hierdurch wird einem Spannungserhöher, der mit der Verbindungsstelle der Elektrolytmembran 4 und der Unterdichtung 6 typischerweise in Verbindung steht, entgegengewirkt. Ein zweiter Bereich des Zufuhrgebiets 202, der von dem Membranträgergebiet 204 beabstandet ist, kann eine zweite Dicke besitzen, die größer als die durchschnittliche Dicke des Membranträgergebiets 204 ist. Die Dicke des Zufuhrgebiets 202 kann allmählich zunehmen, beispielsweise in den Richtungen einer Bewegung weg von dem Membranträgergebiet 204. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann sich das Zufuhrgebiet 202 auf die Dicke des Membranträgergebiets 204 verjüngen. Die Zunahme der Dicke des Zufuhrgebiets 202 kann gegebenenfalls auch intermittierend oder im Wesentlichen konstant sein. Die größere Dicke des Zufuhrgebiets 202, das von dem Membranträgergebiet 204 beabstandet ist, kann in einer optimierten Abdichtung des Brennstoffzellenstapels 2 resultieren, wenn dieser während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 2 komprimiert ist.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform ist in 5 gezeigt. Gleiche Strukturen der 1 bis 4 besitzen dieselben Bezugszeichen sowie ein Strichindex-(')-Symbol zu Zwecken der Deutlichkeit. Die strahlungsgehärtete Struktur 206' kann die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente 300', 302, 304' ohne Überschneidung bzw. Überkreuzung von Knoten 306 aufweisen. Die strahlungsgehärtete Struktur 206' kann auch ein Paar strahlungsgehärteter Gitter 500 aufweisen, zwischen denen die strahlungsgehärtete Struktur 206' geformt ist. Es sei angemerkt, dass die strahlungsgehärtete Struktur 206' mit den sich nicht überschneidenden ersten, zweiten und dritten Fachwerkelementen 300', 302', 304' zu einer erwünschten Flexibilität der strahlungsgehärteten Struktur 206' in einer Richtung rechtwinklig zu den Gittern 500 beitragen kann.
Die vorliegende Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Herstellen der Unterdichtung 6 mit dem Membranträgergebiet 204. Das Verfahren umfasst zunächst die Schritte, dass ein Volumen eines strahlungsempfindlichen Materials und zumindest eine Strahlungsquelle bereitgestellt werden. Die strahlungsempfindlichen Materialien gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen strahlungshärtbare Materialien sowie durch Strahlung dissoziierbare Materialien. Der Begriff ”strahlungshärtbares Material” ist hier als jegliches Material definiert, das durch Beaufschlagen mit einer Strahlung initiiert, polymerisiert und vernetzt wird. Es sei angemerkt, dass eine Zunahme der Temperatur auch dazu verwendet werden kann, eine Polymerisierung oder Vernetzung der strahlungshärtbaren Materialien nach einer Initiierung durch Beaufschlagen mit einer Strahlung zumindest teilweise zu vervollständigen. Der Begriff ”durch Strahlung dissoziierbares Material” ist hier als jegliches Material definiert, das ein Spalten des Polymergerüstes und/oder ein Entnetzen durch Beaufschlagen mit Strahlung aufweist. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann ein durch Strahlung dissoziierbares Material durch ein geeignetes Brechen von Quervernetzungen und/oder Spalten des Polymergerüstes des durch Strahlung dissoziierbaren Materials durch Lösemittel lösbar gemacht werden.
Als nicht beschränkende Beispiele können die strahlungshärtbaren Materialien ein flüssiges Photomonomer oder ein im Wesentlichen solides strahlungshärtbares Polymer aufweisen. Das flüssige Photomonomer kann in einem Reservoir vorgesehen sein, das für die Aufbringung einer Maske darauf konfiguriert ist. Das flüssige Photomonomer kann Monomere aufweisen, die über freie radikalische Polymerisierung polymerisieren, wenn sie mit UV-Strahlung beaufschlagt werden, wie beispielsweise in den Druckschriften US 7 382 959 B1 und US 8 197 930 B1 beschrieben ist, und ein im Wesentlichen solides strahlungsempfindliches Polymer. Das Photopolymer kann jedes geeignete frei radikalische Photopolymermaterial, wie z. B. Urethane (Polyurethane), Acrylate, Methacrylate und kationische Polymere, wie photogehärtete Epoxide umfassen. Es können auch andere geeignete Photomonomere verwendet werden Geeignete im Wesentlichen feste strahlungshärtbare Polymere können Negativ-Resist-Polymere umfassen. Negativ-Resist-Polymere durchlaufen einen Photoinitiierungsprozess, der ein Aushärten des Negativ-Resist-Polymers z. B. durch Polymerisation oder Polykondensation zur Folge hat. Wenn die Polymerisations- oder Polykondensationsreaktion im Wesentlichen gleichzeitig stattfindet, wird der Prozess als ”photogehärtet” bezeichnet. Wenn nur die Reaktionsspezies durch den Photoinitiierungsprozess erzeugt werden und ein nachfolgender Schritt wie z. B. Erwärmen erforderlich ist, um die Polymerisation oder Polykondensation zu schaffen, wird der Prozess als „photoinitiiert” bezeichnet. Es sei angemerkt, dass, wenngleich eine Nachhärtungswärmebehandlung notwendig sein kann, um den Polymerisationsschritt abzuschließen, während der anfänglichen Strahlungsbeaufschlagung auch im Wesentlichen stabile strahlungsgehärtete Merkmale in dem Negativ-Photoresist-Polymer erzeugt werden können. Die im Wesentlichen festen strahlungshärtbaren Polymere können gerade den Initiationsprozess durchlaufen und infolge der inhärenten Stabilität und begrenzten Diffusionsrate der chemischen Spezies innerhalb der festen strahlungshärtbaren Polymere kann der Aushärtungsprozess viel später ohne eine wesentliche Merkmalsverschlechterung erfolgen. Es sei angemerkt, dass die meisten photoinitiierten Polymere den Aushärtungsprozess zu Beginn des Anregungsprozesses beginnen, aber die Kinetik der Reaktion bei der Beaufschlagungstemperatur so langsam ist, dass wenig Polymerisation oder Polykondensation, wenn überhaupt, vor dem Erwärmen des Negativ-Resist-Polymers auf eine erwünschte Aushärtungstemperatur stattfinden kann.
Ein spezielles Negativ-Resist-Polymer ist das Negativ-Resist-Polymer SU-8 2000^TM auf Epoxidbasis, das im Handel von Microchem Corporation in Newton, Massachusetts erhältlich ist. Das Negativ-Resist-Polymer SU-8 2000^TM ist durch UV-Strahlung härtbar. Es sei angemerkt, dass weitere im Wesentlichen feste strahlungshärtbare Polymere verwendet werden können. Zum Beispiel kann, ähnlich wie bei den oben beschriebenen Photomonomeren, das gewählte strahlungshärtbare Polymer, falls erwünscht, mit einer Strahlung mit anderen Wellenlängen als die der UV-Strahlung gehärtet werden. Das strahlungshärtbare Polymer kann z. B. auch derart gewählt sein, dass es eine langsamere Härtungsgeschwindigkeit als das flüssige Photomonomer aufweist, um dem Auftreten von Merkmalen in der langsamer härtenden Schicht bei Beaufschlagung der schneller härtenden Schicht mit einer Strahlungsquelle entgegenzuwirken.
Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die durch Strahlung dissoziierbaren Materialien Positiv-Resist-Polymere umfassen. Positiv-Resist-Polymere beginnen als vernetzte Polymere, können jedoch Photoinitiatoren enthalten, die, wenn sie mit einer speziellen Strahlung beaufschlagt sind, chemische Spezies erzeugen, welche das Polymer dissoziieren, indem sie die Vernetzungen aufbrechen und/oder das Polymergerüst spalten. Die Dissoziation macht das Positiv-Resist-Polymer in den Bereichen löslich, die mit der Strahlung beaufschlagt worden sind. Bereiche, in denen das Positiv-Resist-Polymer gehärtet bleibt, werden maskiert und nicht freigelegt bzw. beaufschlagt, wie im Fall der hier oben beschriebenen Negativ-Resist-Polymere. In bestimmten Ausführungsformen sind die Positiv-Resist-Polymere empfindlich gegenüber Strahlung, z. B. Ultraviolett oder einem Elektronenstrahl, ohne dass Photoinitiatoren notwendig sind. Zum Beispiel kann das Positiv-Resist-Polymer selbst durch die Strahlung beschädigt werden und die restlichen gespaltenen Ketten werden in einem Lösungsmittel löslich. Es können je nach Wunsch andere Arten von Positiv-Resist-Polymeren verwendet werden.
Die Strahlung, die verwendet wird, um die strahlungsempfindlichen Materialien zu härten oder zu dissoziieren, umfasst z. B. einen UV-Strahl von einer Quecksilberdampflampe. Je nach Wunsch kann die Strahlung eine elektromagnetische Strahlung oder eine Teilchenstrahlung sein. Für einen geübten Fachmann ist einzusehen, dass auch Strahlung mit anderen Wellenlängen wie z. B. Infrarot, sichtbare Licht oder Röntgenstrahlung, und von anderen Quellen wie z. B. weißglühenden Lichts und von Laser verwendet werden können. Es kann auch eine Teilchenstrahlung wie z. B. ein Elektronenstrahl von einer Kathodenstrahlquelle verwendet werden. Es sei ferner angemerkt, dass die Strahlung je nach Wunsch kollimiert, teilweise kollimiert oder nicht kollimiert sein kann.
Die Strahlung wird zu dem strahlungsempfindlichen Material typischerweise über zumindest eine Maske, die darin geformte Öffnungen oder Durchbrechungen besitzt, geführt, durch die die Strahlung mit dem strahlungsempfindlichen Material in Kontakt treten kann. Die Maske kann so geformt sein, dass sie mit einer gewünschten Oberfläche übereinstimmt. Die Maske kann sich gegebenenfalls entlang einer einzelnen Ebene oder mehrerer Ebenen erstrecken. Beispielsweise kann die Maske mehrere Höhen aufweisen, um das Zufuhrgebiet 202 und/oder das Membranträgergebiet 204 mit mehreren Dicken auszubilden. Bei einem anderen Beispiel können die Öffnungen im Wesentlichen strahlungstransparente Öffnungen sein, die in einem ansonsten opaken oder strahlungsblockierenden Material geformt sind. Bei einer bestimmten Ausführungsform kann die Maske aus einer Glasebene oder einer Mylar-Lage geformt sein und das Lenken von Strahlungsbündeln unter einem Winkel relativ zu entweder der Maske oder dem darunter liegenden Substrat unterstützen. Die Maske kann nach einer Beaufschlagung weg angehoben und zur Wiederverwendung gereinigt werden. Die Öffnungen oder Durchbrechungen, die in der Maske geformt sind, besitzen Formen, die Strahlenbündel bereitstellen, um Polymerstrukturen mit einer gewünschten Querschnittsform zu bilden.
Das Verfahren umfasst ferner den Schritt, dass zwischen der zumindest einen Strahlungsquelle und dem strahlungsempfindlichen Material eine erste Maske angeordnet wird. Die erste Maske kann sich entlang einer einzelnen Ebene erstrecken und besitzt zumindest eine Öffnung, durch die die Strahlung von der Strahlungsquelle gelangen kann. Das strahlungsempfindliche Material wird mit einer Vielzahl von Strahlenbündeln beaufschlagt, um das Membranträgergebiet 204 mit der strahlungsgehärteten Struktur 206 zu bilden. Das strahlungsempfindliche Material wird auch mit einer Vielzahl von Strahlungsbündeln beaufschlagt, um das das Membranträgergebiet 204 umgebende Zufuhrgebiet 202 zu bilden. Der Fachmann kann nach Bedarf geeignete Maskierungsmaterialien, Öffnungs- und Durchbrechungsgrößen und -formen sowie resultierende strukturelle Konfigurationen wählen.
Die Beaufschlagung mit Strahlung kann beispielsweise intermittierend in einer Serie kurzer Beaufschlagungen oder in längeren Dauern durchgeführt werden, um die gewünschte strukturelle Konstruktion bereitzustellen. Bei einer Ausführungsform wird das Zufuhrgebiet 202 mit Ausnahme derjenigen Bereiche, an denen die Liefer- und Austragsöffnungen 22, 24, 25, 26, 27, 28 geformt werden sollen, vollständig mit der Strahlung beaufschlagt. Die vollständige Beaufschlagung mit der Strahlung resultiert in der im Wesentlichen soliden fluidundurchlässigen Lage 210 in dem Zufuhrgebiet 202. Beispielsweise kann die erste Maske derart konfiguriert sein, dass sie die Oberfläche des Zufuhrgebiets 202 vollständig freilegt und die im Wesentlichen solide planare Lage 210 in dem Zufuhrgebiet 202 bereitstellt. Die Beaufschlagungsdauer kann so gewählt sein, dass eine gewünschte Dicke der Lage 210 bereitgestellt wird. Die gewünschte Dicke des Zufuhrgebiets 202 kann beispielsweise auch durch nachfolgende Beaufschlagungen oder durch Verwendung einer Maske, deren Höhe variiert ist, variiert werden.
Das Membranträgergebiet 204 kann mit den Strahlungsbündeln, wie hier oben beschrieben ist, beaufschlagt werden, um die poröse strahlungsgehärtete Struktur 206 zu bilden. Beispielsweise können die Strahlungsbündel ein erstes Strahlungsbündel, ein zweites Strahlungsbündel und ein drittes Strahlungsbündel aufweisen, die von der zumindest einen Strahlungsquelle in Richtung der zumindest einen Öffnung der ersten Maske geführt sind. Das erste, zweite und dritte Strahlungsbündel bilden jeweils einen ersten, zweiten und dritten Wellenleiter der Polymerwellenleiter in einem Abschnitt des Volumens des strahlungsempfindlichen Materials. Das erste Strahlungsbündel wird unter einem ersten Winkel in Bezug auf die einzelne Ebene geführt, das zweite Strahlungsbündel wird unter einem zweiten Winkel in Bezug auf die einzelne Ebene geführt, wobei der zweite Winkel von dem ersten Winkel verschieden ist, und das dritte Strahlungsbündel wird unter einem dritten Winkel in Bezug auf die einzelne Ebene geführt, wobei der dritte Winkel von dem ersten Winkel und dem zweiten Winkel verschieden ist. Das erste Polymerfachwerkelement 300 bildet einen vierten Winkel in Bezug auf die einzelne Ebene, wobei der vierte Winkel dem ersten Winkel entspricht, das zweite Polymerfachwerkelement 302 bildet einen fünften Winkel in Bezug auf die einzelne Ebene, wobei der fünfte Winkel dem zweiten Winkel entspricht, und das dritte Polymerfachwerkelement 304 bildet einen sechsten Winkel in Bezug auf die einzelne Ebene, wobei der sechste Winkel dem dritten Winkel entspricht. Das erste, zweite und dritte Polymerfachwerkelement 300, 302, 304 überschneiden bzw. kreuzen einander an dem Knoten 306, um die strahlungsgehärtete Struktur 206 zu bilden.
Das Verfahren umfasst ferner den Schritt, dass ein nicht gehärtetes Volumen des strahlungsempfindlichen Materials von der MEA 3 mit der Unterdichtung 6 nach deren Herstellung entfernt wird. Es sei angemerkt, dass der Begriff ”nicht gehärtetes strahlungsempfindliches Material” auch dissoziiertes strahlungsempfindliches Material innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung aufweisen kann. Wenn das strahlungsempfindliche Material das flüssige Photomonomer ist, kann das strahlungsempfindliche Material abgelassen und zur Wiederverwendung gesammelt werden. Die MEA wird beispielsweise mit einem geeigneten Lösemittel gespült und das Lösemittel ablaufen gelassen, um restliches nicht gehärtetes strahlungsempfindliches Material zu entfernen. Es können auch andere Verfahren zur Entfernung des nicht gehärteten Volumens des strahlungsempfindlichen Materials von der Unterdichtung 6 verwendet werden.
Bei einer anderen Ausführungsform kann bewirkt werden, dass die strahlungsgehärtete Struktur 206 des Membranträgergebiets 204 sich in das Zufuhrgebiet 202 erstreckt, wie in 4 gezeigt ist. Beispielsweise kann sich der Abschnitt der ersten Maske mit der Vielzahl von Öffnungen, die die Polymerfachwerkwellenleiter erzeugen, über das Zufuhrgebiet 202 erstrecken. Es sei angemerkt, dass zumindest ein Abschnitt des Zufuhrgebiets 202 nach Bedarf mit der strahlungsgehärteten Struktur 206 geformt sein kann. Wenn bewirkt wird, dass die strahlungsgehärtete Struktur 206 sich in das Zufuhrgebiet 202 erstreckt, umfasst das Verfahren ferner den Schritt, dass die Seiten des Zufuhrgebiets 202 mit einer Vielzahl von Strahlungsbündeln beaufschlagt werden, um zu bewirken, dass das Zufuhrgebiet 202 im Wesentlichen fluidundurchlässig wird. Die Beaufschlagung der Seiten des Zufuhrgebiets 202 bildet ein Paar der im Wesentlichen soliden planaren Lagen 210 auf der strahlungsgehärteten Struktur 206. Die Mikrofachwerkstruktur 206 in dem Zufuhrgebiet 202 kann dadurch zwischen den planaren Lagen 210 angeordnet sein, wodurch bewirkt wird, dass das Zufuhrgebiet 202 im Wesentlichen fluidundurchlässig ist.
Der Schritt der Beaufschlagung der Seiten des Zufuhrgebiets 202 mit der strahlungsgehärteten Struktur 206 innerhalb kann ferner den Schritt umfassen, dass zumindest eine zweite Maske zwischen der zumindest einen Strahlungsquelle und dem strahlungsempfindlichen Material nach dem Schritt zum Beaufschlagen des strahlungsempfindlichen Materials mit der Vielzahl von Strahlungsbündeln angeordnet wird, um die strahlungsgehärtete Struktur 206 zu bilden. Die zweite Maske besitzt zumindest eine Öffnung. Die zweite Maske kann benachbart jeder der Seiten des Zufuhrgebietes 202 angeordnet werden, um das Zufuhrgebiet mit der Strahlung von der Strahlungsquelle vollständig zu beaufschlagen. Die zweite Maske kann dadurch dazu verwendet werden, das Paar der planaren Lagen 210 zu formen, die die strahlungsgehärtete Struktur 206 in dem Zufuhrgebiet 202 der MEA 3 schichtartig anordnen.
Die MEA 3 kann weiter bearbeitet werden, um die MEA 3 für die Montage in dem Brennstoffzellenstapel 2 vorzubereiten. Beispielsweise kann das Ionomer 208 auf das Membranträgergebiet 204 aufgetragen werden, um eine Elektrolytmembran 4 zu bilden. Der Schritt zum Auftragen des Ionomers 208 kann beispielsweise ein Walzenbeschichten des Ionomers 208 in einem prozessgekoppelten Beschichtungsvorgang aufweisen, um das Membranträgergebiet 204 mit dem Ionomer 208 zu tranken. Das Ionomer 208 kann auch auf dem Membranträgergebiet 204 ausgebreitet und in das Membranträgergebiet 204 durch eine Aufbringung von Druck eingebettet werden. Das Ionomer 208 kann ferner durch Sprühbeschichtung auf eine gewünschte Dicke aufgetragen werden. Bei einem weiteren nicht beschränkenden Beispiel kann das Ionomer 208 in das Membranträgergebiet 204 spritzgeformt werden. Der Fachmann kann nach Bedarf andere geeignete Verfahren zum Auftragen des Ionomers 208 auf das Membranträgergebiet 204 wählen.
Unter neuerlicher Bezugnahme auf 4 sei zu verstehen, dass das Auftragen des Ionomers 208 auch das hohle Zufuhrgebiet 202 abdichten kann, wenn das hohle Zufuhrgebiet 202 während der Herstellung der MEA 3 geformt wird. Das Ionomer 208 kann dadurch beispielsweise die Bildung des im Wesentlichen fluidundurchlässigen Zufuhrgebiets 202 mit der strahlungsgehärteten Struktur 206 in dessen Innerem unterstützen. Das im Wesentlichen fluidundurchlässige Zufuhrgebiet 202 kann einer Übertrittsleckage von einer Seite der aktiven Elektrolytmembran 4 zu der anderen entgegenwirken.
Die Elektroden 7 können auch auf die Seiten der Elektrolytmembran 4, wenn sie auf die MEA 3 aufgetragen ist, aufgetragen werden. Beispielsweise kann das Verfahren den Schritt umfassen, dass die Seiten der Elektrolytmembran 4 mit einer Katalysatortinte beschichtet werden, wie in der Druckschrift US 6 156 449 B1 beschrieben ist. Der Schritt zum Beschichten der Katalysatortinte auf die Elektrolytmembran 4 kann Sprühen, Tauchen, Bürsten bzw. Streichen, Walzenübertragung, Schlitzdüsenbeschichtung, Gravurbeschichten, Meyerstangenbeschichten und/oder Drucken der Katalysatortinte auf die Elektrolytmembran 4 aufweisen. Es sei zu verstehen, dass das vorliegende Verfahren nach Bedarf gleichermaßen den Schritt zum Beschichten des Diffusionsmediums 20 mit der Katalysatortinte, um die Elektroden 7 zu bilden, aufweisen kann.
Das Trocknen der Katalysatortinte, um die Elektroden 7 zu bilden, wird allgemein bei einer erhöhten Temperatur durchgeführt, die derart gewählt ist, dass jegliches Lösemittel in der Katalysatortinte abgetrieben wird, ohne Ionomer, Kohlenstoffpartikel und Katalysator, die in der Katalysatortintenzusammensetzung vorhanden sind, thermisch zu schädigen. Bei einer bestimmten Ausführungsform weist der Schritt zum Trocknen der Katalysatortinte ein Trocknen der Katalysatortinte mit einem Infrarottrockner auf. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann die Katalysatortinte bei einer Temperatur von etwa 300°F (ca. 149 °C) bis zu etwa 4 Minuten getrocknet werden. Es können auch andere geeignete Trocknungstemperaturen, Trocknungszeiten sowie Mittel zum Trocknen der Katalysatortinte verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass durch Herstellung der Unterdichtung 6 mit dem Membranträgergebiet 204 einer Fehlausrichtung der Elektrolytmembran 4 sowie Positionierungsvariationen entgegengewirkt wird. Die Unterdichtung 6 kann auch mit verschiedenen Dicken in unterschiedlichen Gebieten ohne das verschwendete Material, das typischerweise bei herkömmlichen Herstellprozessen auftritt, geformt werden. Die Kosten der Unterdichtung 6 mit dem Membranträgergebiet 204 sind auf das Material beschränkt, das in der Herstellung verwendet wird, und in dem Fall von flüssigem Photomonomer kann die Menge des flüssigen Photopolymers nach der Herstellung der Unterdichtung 6 wieder verwendet werden. Eine Konstruktionsflexibilität ist ebenfalls verbessert, da die Dicken des Membranträgergebiets 4 wie auch der verschiedenen anderen Gebiete der MEA 3 nach Bedarf leicht gewählt werden können. Ferner sieht die integrale Ausbildung des Membranträgergebiets 204 mit der Unterdichtung 6 eine inhärente Ausrichtung der Elektrolytmembran 4 mit der Unterdichtung 6 vor, wenn das Membranträgergebiet 204 mit dem Ionomer 208 getränkt ist.

Claims

Membranelektrodenanordnung (3) für eine Brennstoffzelle (2), umfassend: ein fluidundurchlässiges Zufuhrgebiet (202), das ein poröses Membranträgergebiet (204) umgibt, wobei das Membranträgergebiet (204) zumindest teilweise durch eine strahlungsgehärtete Struktur (206') geformt ist, wobei die strahlungsgehärtete Struktur (206') eine Mikrofachwerkstruktur aufweist, welche eine Vielzahl erster Fachwerkelemente (300'), die sich entlang einer ersten Richtung erstrecken, eine Vielzahl zweiter Fachwerkelemente (302'), die sich entlang einer zweiten Richtung erstrecken, und eine Vielzahl dritter Fachwerkelemente (304'), die sich entlang einer dritten Richtung erstrecken, umfasst, wobei die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente (300', 302', 304') sich nicht überschneiden, und wobei die strahlungsgehärtete Struktur (206') zwischen einem Paar strahlungsgehärteter Gitter (500) geformt ist.
Membranelektrodenanordnung (3) nach Anspruch 1, wobei das Membranträgergebiet (204) mit einem Ionomer getränkt ist, um eine Elektrolytmembran (4) zu bilden.
Membranelektrodenanordnung (3) nach Anspruch 2, wobei die Membranelektrodenanordnung (3) ferner ein Paar von Elektroden (7) umfasst, die auf entgegengesetzten Seiten der Elektrolytmembran (4) angeordnet sind.
Membranelektrodenanordnung (3) nach Anspruch 1, wobei das Zufuhrgebiet (202) zumindest eine Einlassöffnung (22, 25, 26) und zumindest eine Auslassöffnung (24, 27, 28), die darin geformt sind, besitzt.
Membranelektrodenanordnung (3) nach Anspruch 1, wobei das Zufuhrgebiet (202) eine im Wesentlichen solide planare Lage ist.
Membranelektrodenanordnung (3) nach Anspruch 1, wobei ein erster Bereich des Zufuhrgebietes (202), der benachbart des Membranträgergebiets (204) angeordnet ist, eine erste Dicke besitzt, die im Wesentlichen gleich einer durchschnittlichen Dicke des Membranträgergebiets (204) ist, und wobei ein zweiter Bereich des Zufuhrgebiets (202), der von dem Membranträgergebiet (204) beabstandet ist, eine zweite Dicke aufweist, die größer als die durchschnittliche Dicke des Membranträgergebiets (204) ist.
Membranelektrodenanordnung (3) nach Anspruch 1, wobei die poröse strahlungsgehärtete Struktur (206') des Membranträgergebiets (204) sich in das Zufuhrgebiet (202) erstreckt.
Membranelektrodenanordnung (3) nach Anspruch 7, wobei die poröse strahlungsgehärtete Struktur (206'), die sich in das Zufuhrgebiet (202) erstreckt, zwischen einem Paar im Wesentlichen solider planarer Lagen angeordnet ist.
Brennstoffzelle (2), umfassend: eine Membranelektrodenanordnung (3) mit einem fluidundurchlässigen Zufuhrgebiet (202), das ein poröses Membranträgergebiet (204) umgibt, wobei das Membranträgergebiet (204) zumindest teilweise durch eine strahlungsgehärtete Struktur (206') geformt ist, wobei das Membranträgergebiet (204) mit einem Ionomer getränkt ist, um eine Elektrolytmembran (4) zu bilden, und einem Paar von Elektroden (7), die an entgegengesetzten Seiten der Elektrolytmembran (4) angeordnet sind, wobei die strahlungsgehärtete Struktur (206') eine Mikrofachwerkstruktur aufweist, welche eine Vielzahl erster Fachwerkelemente (300'), die sich entlang einer ersten Richtung erstrecken, eine Vielzahl zweiter Fachwerkelemente (302'), die sich entlang einer zweiten Richtung erstrecken, und eine Vielzahl dritter Fachwerkelemente (304'), die sich entlang einer dritten Richtung erstrecken, umfasst, wobei die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente (300', 302', 304') sich nicht überschneiden, und wobei die strahlungsgehärtete Struktur (206') zwischen einem Paar strahlungsgehärteter Gitter (500) geformt ist; ein Paar von Gasdiffusionsmedien (20), wobei jedes der Gasdiffusionsmedien (20) an einer der Elektroden (7) angeordnet ist; und ein Paar elektrisch leitender Brennstoffzellenplatten (14), wobei die Elektrolytmembran (4), die Elektroden (7) und die Gasdiffusionsmedien (20) zwischen den Brennstoffzellenplatten (14) angeordnet sind.