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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenkomponente und Verfahren zur Herstellung einer sich wiederholenden Einheit für eine Brennstoffzelle.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine Brennstoffzelle wurde als saubere, effiziente und umweltbewusste Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene weitere Anwendungen vorgeschlagen. Einzelne Brennstoffzellen können in Serie zusammen gestapelt sein, um einen Brennstoffzellenstapel für verschiedenste Anwendungen zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die ausreicht, um ein Fahrzeug zu betreiben. Im Speziellen wurde der Brennstoffzellenstapel als eine mögliche Alternative für einen traditionellen Verbrennungsmotor erkannt, der in modernen Fahrzeugen verwendet wird.
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Ein Typ von Brennstoffzelle ist die Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei grundlegende Komponenten: eine Elektrolytmembran; und ein Paar Elektroden, das eine Kathode und eine Anode umfasst. Die Elektrolytmembran ist zwischen den Elektroden angeordnet, um eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zu bilden. Die MEA ist typischerweise zwischen porösen Diffusionsmedien (DM) wie z. B. einem Kohlefaserpapier angeordnet, das eine Zufuhr von Reaktanden wie z. B. Wasserstoff an die Anode und Sauerstoff an die Kathode erleichtert. In 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 einen elektrischen Verbraucher wie z. B. einen Elektromotor zu der Kathode geleitet. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen.
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Es ist auch bekannt, in der PEM-Brennstoffzelle andere Reaktanden wie beispielsweise Methanol zu verwenden. Methanol kann katalytisch oxidiert werden, um Kohlendioxid zu bilden. Die Protonen von der Methanoloxidation werden über die Elektrolytmembran hinweg zu der Kathode transportiert, wo sie mit Sauerstoff, typischerweise aus der Luft, reagieren, um Wasser zu erzeugen. Wie bei der Wasserstoff-PEM-Brennstoffzelle werden die Elektronen als ein elektrischer Strom durch den externen Verbraucher wie z. B. den Elektromotor von der Anode zu der Kathode transportiert.
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Die Elektrolytmembran ist typischerweise aus einer Schicht aus einem Ionomer gebildet. Ein typisches Ionomer ist ein Perfluorsulfonsäure(PFSA)-Polymer wie z. B. Nafion®, das im Handel von E. I. du Pont de Nemours and Company erhältlich ist. Die Elektroden der Brennstoffzelle sind allgemein aus einem fein verteilten Katalysator gebildet. Der Katalysator kann ein beliebiger Elektrokatalysator sein, der katalytisch zumindest eine von einer Oxidation von Wasserstoff oder Methanol und einer Reduktion von Sauerstoff für die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion unterstützt. Der Katalysator ist typischerweise ein Edelmetall wie z. B. Platin oder ein anderes Metall aus der Platin-Gruppe. Der Katalysator ist allgemein auf einem Kohlenstoffträger wie z. B. Rußpartikeln angeordnet und ist in einem Ionomer verteilt.
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Die Elektrolytmembran, die Elektroden und die DM sind zwischen einem Paar Brennstoffzellenplatten angeordnet und z. B. mit einer Dichtung abgedichtet, die eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung bereitstellt. Die Brennstoffzellenplatte kann eine Vielzahl von Kanälen aufweisen, die darin zur Verteilung der Reaktanden und Kühlmittel an die Brennstoffzelle gebildet sind. Die Brennstoffzellenplatte wird z. B. typischerweise durch ein herkömmliches Verfahren zur Formgebung eines Blechs wie z. B. Pressen, maschinelles Bearbeiten, Formpressen oder Fotoätzen durch eine fotolithographische Maske gebildet. Im Fall einer bipolaren Brennstoffzellenplatte wird die Brennstoffzellenplatte typischerweise aus einem Paar unipolarer Platten gebildet, welche dann zusammengefügt werden. Es ist auch bekannt, die Brennstoffzellenplatte aus einem Verbundmaterial wie z. B. einem Graphit-Verbundstoff oder einem graphitgefüllten Polymer zu bilden. Die bekannten Verfahren zur Herstellung einer/s jeden von der Elektrolytmembran, den Elektroden, den Diffusionsmedien und den Brennstoffzellenplatten können unerwünschterweise kostspielig und zeitaufwändig sein.
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Es ist auch bekannt, Brennstoffzellenkomponenten einschließlich der Brennstoffzellenplatten in Übereinstimmung mit herkömmlichen Polymerschäumungsverfahren wie z. B. mit wiederaufbereiteten Schaummaterialien herzustellen. Allerdings führen herkömmliche Schäumungsverfahren zu ungleichmäßigen und zufälligen (ungeordneten) dreidimensionalen Mikrostrukturen. Es gibt bestimmte Techniken zur Erzeugung von Polymermaterialien mit geordneten dreidimensionalen Mikrostrukturen, z. B. stereolithographische Techniken; allerdings beruhen diese Techniken typischerweise auf einem Ansatz von unten nach oben und Schicht für Schicht, was die Skalierbarkeit des Produktionsvolumens verhindert.
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Materialien, die geordnete dreidimensionale Mikrostrukturen aufweisen, sind von Jacobsen et al. in „Compression behavior of micro-scale truss structures formed from self-propagating polymer waveguides”, Acta Materialia 55, (2007) 6724–6733, beschrieben, dessen vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Ein Verfahren und ein System zum Erzeugen von Polymermaterialien mit geordneten Mikrofachwerkstrukturen ist von Jacobsen in
US 7 382 959 B1 offenbart. Das System umfasst zumindest eine kollimierte Lichtquelle, die gewählt ist, um einen kollimierten Lichtstrahl zu produzieren; ein Reservoir mit einem Photomonomer, welches geeignet ist, durch den kollimierten Lichtstrahl zu polymerisieren; und eine Maske mit zumindest einer Durchbrechung, die zwischen der zumindest einen kollimierten Lichtquelle und dem Reservoir positioniert ist. Die zumindest eine Durchbrechung ist geeignet, um einen Teil des kollimierten Lichtstrahles in das Photomonomer zu leiten, um den zumindest einen Polymer-Wellenleiter durch einen Teil des Volumens des Photomonomers hindurch zu bilden. Mikrofachwerkmaterialien, die mit dem Verfahren und dem System produziert werden, sind weiter von Jacobsen in dem US-Patent
US 8 197 930 B1 beschrieben, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Ein Polymermaterial, das einer Strahlung ausgesetzt wird und zu einer Selbstfokussierung oder einem „Self-Trapping” des Lichts durch die Bildung von Polymer-Wellen-leitern führt, ist auch von Kewitsch et al. in
US 6 274 288 B1 offenbart.
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Es besteht fortgesetzter Bedarf an einer Struktur und einem Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellenkomponenten, welche die Brennstoffzellenlebensdauer optimieren, Werkzeugbestückungskosten minimieren, Produktionskosten minimieren und Entwicklungszeiten minimieren. Es ist wünschenswert, dass das Verfahren der Ungleichmäßigkeit und den Designeinschränkungen entgegenwirkt, die mit der Herstellung von Komponenten in Übereinstimmung mit den bekannten Verfahren verbunden sind.
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Die
US 7,382,959 B1 offenbart ein Verfahren und ein System zur Erzeugung von strahlungsgehärteten Mikrostrukturen, die einen oder mehrere Wellenleiter umfassen.
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Die
US 2003/0235738 A1 offenbart eine monolithische Brennstoffzelle, die mittels einem sogenannten ”Rapid Prototyping”-Verfahren hergestellt wird, und die Brennstoff- und Luftkanäle sowie Dreifachschichten aus Anode, Elektrolyt und Kathode aufweist.
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Die
US 6,399,233 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Komponenten für elektrochemische Vorrichtungen, umfassend das Strahlungshärten von bestimmten Polymeren bzw. Polymervorstufen.
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Die
DE 10 2006 019 964 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels Maskenbelichtung.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung wurden überraschenderweise eine Struktur und ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellenkomponenten entdeckt, welche die Brennstoffzellenlebensdauer optimieren, Werkzeugbestückungskosten minimieren, Produktionskosten minimieren, Entwicklungszeiten minimieren und der Ungleichmäßigkeit und den Designeinschränkungen entgegenwirken, die mit der Herstellung von Komponenten in Übereinstimmung mit den bekannten Verfahren verbunden sind.
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Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenkomponente umfasst:
ein Substrat; und
zumindest eine Strömungsfeldschicht, die benachbart zu dem Substrat angeordnet ist, wobei die Strömungsfeldschicht zumindest einen einer Vielzahl von strahlungsgehärteten Reaktandenströmungskanälen und einer Vielzahl von strahlungsgehärteten Kühlmittelkanälen für die Brennstoffzelle aufweist,
wobei die Strömungsfeldschicht ferner eine Vielzahl von Stützbändern umfasst,
wobei die Brennstoffzellenkomponente eine Diffusionsmediumschicht umfasst, die eine Mikrofachwerkstruktur aufweist, wobei die Strömungsfeldschicht eine ist, die zwischen dem Substrat und der Diffusionsmediumschicht angeordnet ist oder auf der Diffusionsmediumschicht dem Substrat gegenüberliegend angeordnet ist,
wobei die zumindest eine Diffusionsmediumschicht eine erste Diffusionsmediumschicht und eine zweite Diffusionsmediumschicht umfasst und die zumindest eine Strömungsfeldschicht eine erste Strömungsfeldschicht umfasst, die eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Wanden aufweist, welche durch Beschichtung eines elektrisch leitfähigen Materials auf einer Vielzahl von entfernbaren Kernen gebildet sind, wobei das Substrat integral mit der ersten Strömungsfeldschicht ist und die erste Strömungsfeldschicht zwischen der ersten und der zweiten Diffusionsmediumschicht angeordnet ist, und wobei eine der Diffusionsmediumschichten eine darauf angeordnete Membranelektrodenanordung aufweist.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer sich wiederholenden Einheit für eine Brennstoffzelle umfasst die Schritte, dass:
eine erste Brennstoffzellenkomponente vorgesehen wird, die ein erstes Substrat, eine erste Diffusionsmediumschicht mit einer Mikrofachwerkstruktur und eine erste Strömungsfeldschicht mit einer Vielzahl von strahlungsgehärteten Reaktandenströmungskanälen, wobei die erste Strömungsfeldschicht zwischen dem ersten Substrat und der ersten Diffusionsmediumschicht angeordnet ist, aufweist;
eine zweite Brennstoffzellenkomponente vorgesehen wird, die eine zweite Diffusionsmediumschicht mit einer Mikrofachwerkstruktur und eine zweite Strömungsfeldschicht mit einer Vielzahl von strahlungsgehärteten Reaktandenströmungskanälen und einer Vielzahl von strahlungsgehärteten Kühlmittelkanälen aufweist, wobei die zweite Diffusionsmediumschicht zwischen einem zweiten Substrat und der zweiten Strömungsfeldschicht angeordnet ist;
die erste Brennstoffzellenkomponente auf der zweiten Brennstoffzellenkomponente angeordnet wird, wobei das erste Substrat benachbart zu der zweiten Strömungsfeldschicht angeordnet ist;
das zweite Substrat von der zweiten Brennstoffzellenkomponente entfernt wird;
eine erste mikroporöse Schicht auf der ersten Diffusionsschicht und eine zweite mikroporöse Schicht auf der zweiten Diffusionsschicht angeordnet wird; und
entweder
eine erste Elektrode auf die erste mikroporöse Schicht und eine zweite Elektrode auf die zweite mikroporöse Schicht aufgebracht wird und eine Polymerelektrolytmembran auf der ersten Elektrode angeordnet wird; oder
eine Membranelektrodenanordnung auf einer von der ersten und der zweiten mikroporösen Schicht angeordnet wird, wobei die Membranelektrodenanordnung die Polymerelektrolytmembran aufweist, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer sich wiederholenden Einheit für eine Brennstoffzelle umfasst die Schritte, dass:
ein erstes Substrat vorgesehen wird;
ein erstes strahlungsempfindliches Material auf das erste Substrat aufgebracht wird;
eine erste Maske zwischen zumindest einer Strahlungsquelle und dem ersten strahlungsempfindlichen Material angeordnet wird, wobei sich die Maske eine Einzelebene entlang erstreckt und eine Vielzahl von Durchbrechungen aufweist;
das erste strahlungsempfindliche Material einer Vielzahl von Strahlungsbündeln ausgesetzt wird, um eine Vielzahl von negativen entfernbaren Kernen zu bilden;
die erste Maske von den negativen entfernbaren Kernen entfernt wird; ein zweites strahlungsempfindliches Material auf die negativen entfernbaren Kerne aufgebracht wird;
ein nicht ausgehärtetes Volumen des ersten strahlungsempfindlichen Materials entfernt wird;
das erste Substrat und die negativen entfernbaren Kerne mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung beschichtet werden;
ein drittes strahlungsempfindliches Material auf das erste Substrat aufgebracht wird;
eine zweite Maske zwischen der zumindest einen Strahlungsquelle und dem zweiten strahlungsempfindlichen Material angeordnet wird;
das zweite strahlungsempfindliche Material einer Vielzahl von Strahlungsbündeln ausgesetzt wird, um eine erste Diffusionsmediumschicht mit einer Mikrofachwerkstruktur zu bilden;
eine dritte Maske zwischen der zumindest einen Strahlungsquelle und dem dritten strahlungsempfindlichen Material angeordnet wird;
das dritte strahlungsempfindliche Material einer Vielzahl von Strahlungsbündeln ausgesetzt wird, um eine zweite Diffusionsmediumschicht mit einer Mikrofachwerkstruktur zu bilden;
die negativen entfernbaren Kerne und ein nicht ausgehärtetes Volumen des zweiten und des dritten strahlungsempfindlichen Materials entfernt werden;
die zweite und die dritte Diffusionsmediumschicht mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung beschichtet werden; und
eine Membranelektrodenanordnung auf einer von der ersten und der zweiten Diffusionsmediumschicht aufgebracht wird.
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Zeichnungen
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Die oben stehenden sowie weitere Vorteile der vorliegenden Offenlegung sind für einen Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Licht der nachfolgend beschriebenen Zeichnungen offensichtlich.
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1 ist eine fragmentarische seitliche Querschnittsansicht einer Brennstoffzellenkomponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung;
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2 ist eine fragmentarische seitliche Querschnittsansicht einer Brennstoffzellenkomponente gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung;
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3 ist eine fragmentarische seitliche Querschnittsansicht einer sich wiederholenden Brennstoffzelleneinheit, die mit den in den 1 und 2 gezeigten Brennstoffzellenkomponenten hergestellt ist und elektrisch leitfähige Beschichtungen aufweist;
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4 ist eine fragmentarische seitliche Querschnittsansicht einer Brennstoffzellenkomponente gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung; und
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5 ist eine fragmentarische seitliche Querschnittsansicht einer sich wiederholenden Brennstoffzelleneinheit, die mit der in 4 gezeigten Brennstoffzellenkomponente hergestellt ist.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhaft und sind daher nicht notwendig oder kritisch.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist ein Verfahren auf Photopolymer-Basis vorgesehen, um eine von einer ersten Brennstoffzellenkomponente 10 und einer zweiten Brennstoffzellenkomponente 11 herzustellen. Die Brennstoffzellenkomponenten 10, 11 umfassen ein Substrat 12, zumindest eine Diffusionsmediumschicht 14, die eine Mikrofachwerkstruktur 15 aufweist, und zumindest eine Strömungsfeldschicht 16. In 1 ist die erste Brennstoffzellenkomponente 10 mit der zwischen dem Substrat 12 und der Diffusionsmediumschicht 14 angeordneten Strömungsfeldschicht 16 gezeigt. In 2 ist die zweite Brennstoffzellenkomponente 11 mit der zwischen dem Substrat 12 und der Strömungsfeldschicht 16 angeordneten Diffusionsmediumschicht 14 gezeigt. Das Substrat 12 kann je nach Wunsch entfernbar oder dauerhaft an einer von der Diffusionsmediumschicht 14 und der Strömungsfeldschicht 16 angebracht sein.
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Zumindest eine von der Diffusionsmediumschicht
14 und der Strömungsfeldschicht
16 ist aus einem strahlungsempfindlichen Material gebildet. Die Herstellung von strahlungsgehärteten Strukturen wie z. B. der Diffusionsmediumschicht
14 und der Strömungsfeldschicht
16 aus dem strahlungsempfindlichen Material sind z. B. in
US 2010/0159398 A1 beschrieben.
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Das Substrat 12 kann aus einem beliebigen Material gebildet sein, welches die Bildung von polymeren Strukturen darauf gestattet. Das Substrat 12 kann je nach Wunsch elektrisch nicht leitend oder elektrisch leitend sein. Zum Beispiel kann das Substrat 12 elektrisch nicht leitend sein, wenn vorgesehen ist, das Substrat 12 nach der Bildung einer von der Diffusionsmediumschicht 14 und der Strömungsfeldschicht 16 zu entfernen. Wenn vorgesehen ist, dass das Substrat 12 innerhalb der Brennstoffzelle bleibt, kann das Substrat 12 jedoch elektrisch leitfähig sein. In einem Beispiel ist das Substrat 12 beispielsweise aus einem Metall oder einem elektrisch leitfähigen Verbundmaterial gebildet, das sich unter typischen Photopolymerisationsbedingungen nicht wesentlich zersetzt. Das Substrat 12 kann alternativ aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material gebildet sein, das darin gebildete Löcher oder Verbindungskontaktlöcher aufweist, in denen ein elektrisch leitfähiges Material z. B. durch Galvanisieren angeordnet sein kann, um zu bewirken, dass das Substrat 12 elektrisch leitfähig wird. In einem speziellen Beispiel ist das Substrat 12 aus Edelstahlstreifen gebildet. Die Edelstahlstreifen können als gewickelte Stahlstreifen, in Regalen gelagerte Stahlstreifen oder einzelne Rohlinge vorgesehen sein. In bestimmten Ausführungsformen ist das Substrat 12 ein im Wesentlichen planarer Edelstahlstreifen. Das Substrat 12 kann je nach Wunsch auch mit einer/einem darin gebildeten Textur oder Muster versehen sein.
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Das Substrat 12 kann ferner mit einer Beschichtung oder Oberflächenbehandlung zum Verbinden und Lösen mit/von einer von der Diffusionsmediumschicht 14 und der Strömungsfeldschicht 16 versehen sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Substrat 12 eine Beschichtung aufweisen, die geeignet ist, sich mit einem nicht ausgehärteten Polymermaterial während der Herstellung der Brennstoffzellenkomponente 10, 11 zu verbinden. Die Oberflächenbehandlung kann weiter das Lösen eines ausgehärteten Polymers von dem Substrat 12 erleichtern. Insbesondere kann eine Rückseite des Substrats 12, das während der Herstellung der Brennstoffzellenkomponente 10, 11 typischerweise auf einer flachen Fläche angeordnet ist, eine Beschichtung aufweisen, um einer unerwünschten Verunreinigung oder Plattierung des Substrats entgegenzuwirken. Ein geübter Fachmann kann je nach Wunsch beliebige Oberflächenbehandlungen einschließlich Beschichtungen wählen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das Substrat
12 darin gebildete Durchgangslöcher (nicht gezeigt) aufweisen. Die Durchgangslöcher können ein Abfließen von flüssigen Photomonomeren und Lösungsmitteln oder ein Entfernen von festen strahlungsempfindlichen Polymeren ermöglichen, die während der Herstellung der Brennstoffzellenkomponenten
10,
11 verwendet werden. Die Durchgangslöcher können auch typische Endproduktmerkmale wie z. B. Anschlüsse und Sammleröffnungen bereitstellen, wie z. B. in der
US 2008/0311437 A1 beschrieben. In weiteren Ausführungsformen können die Durchgangslöcher mit der Strömungsfeldschicht
16 zusammenwirken (wie in den
4 und
5 gezeigt). Die Durchgangslöcher können z. B. mittels mechanischer Perforation oder Laserschneiden vor dem Aufbringen der Diffusionsmediumschicht
14 oder der Strömungsfeldschicht
16 auf dem Substrat
12 gebildet werden. Es können auch andere geeignete Mittel zum Bilden der Durchgangslöcher verwendet werden.
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Die Diffusionsmediumschicht 14 gemäß der vorliegenden Offenlegung weist die Mikrofachwerkstruktur 15 auf. Die Mikrofachwerkstruktur 15 umfasst eine Vielzahl von ersten Fachwerkelementen, die sich eine erste Richtung entlang erstrecken, eine Vielzahl von zweiten Fachwerkelementen, die sich eine zweite Richtung entlang erstrecken, und eine Vielzahl von dritten Fachwerkelementen, die sich eine dritte Richtung entlang erstrecken. Die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente können einander an einer Vielzahl von Knoten 18 durchdringen. Es sollte einzusehen sein, dass die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente je nach Wunsch einander nicht durchdringen können oder einander an der Vielzahl von Knoten 18 auf intermittierender Basis durchdringen können. Die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente bilden eine kontinuierliche, dreidimensionale, selbsttragende Zellstruktur.
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Wenngleich die Mikrofachwerkstruktur 15 mit der Vielzahl von ersten Fachwerkelementen, der Vielzahl von zweiten Fachwerkelementen und der Vielzahl von dritten Fachwerkelementen eine 4-fache architektonische Symmetrie aufweisen kann, wie oben beschrieben, sollte ein geübter Fachmann einsehen, dass andere Architekturen wie z. B. eine 3-fache Symmetrie und eine 6-fache Symmetrie innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Offenlegung verwendet werden können. Die spezielle Architektur kann z. B. gewählt sein, um den Zusammenhalt der Mikrofachwerkstruktur 15 zu erhöhen und die Anfälligkeit auf ein Durchbiegen und Knicken der Mikrofachwerkstruktur 15 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 15 zu optimieren. Ein Fachmann sollte ferner einsehen, dass je nach Wunsch andere Architekturen für die Mikrofachwerkstruktur 15 verwendet werden können.
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Beispielhafte Architekturen der Mikrofachwerkstruktur
15 sind von Jacobsen in
US 7 382 959 B1 und
US 8 197 930 B1 beschrieben. Zum Beispiel kann die Vielzahl von ersten Fachwerkelementen durch eine Vielzahl von ersten sich selbst fortpflanzenden Polymer-Fachwerk-Wellenleitern definiert sein. Die Vielzahl von zweiten Fachwerkelementen kann durch eine Vielzahl von zweiten sich selbst fortpflanzenden Polymer-Fachwerk-Wellenleitern definiert sein. Die Vielzahl von dritten Fachwerkelementen kann durch eine Vielzahl von dritten sich selbst fortpflanzenden Polymer-Fachwerk-Wellenleitern definiert sein. Die ersten, zweiten und dritten Wellenleiter können z. B. aus einem flüssigen Photomonomer gebildet sein, das bei Photopolymerisation eine Verschiebung des Brechungsindex zeigt. Es sollte einzusehen sein, dass die Mikrofachwerkstruktur
15 alternativ aus einem Material gebildet sein kann, das sich nicht über eine Verschiebung des Brechungsindex bildet, um einen Polymerwellenleiter zu bilden, wie z. B. durch gesteuerten Strahlungseinfluss auf ein im Wesentlichen festes strahlungsempfindliches Polymer, wie hierin beschrieben. Je nach Wunsch können andere geeignete Mittel zum Bilden der Mikrofachwerkstruktur
15 verwendet werden.
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Ein Fachmann sollte einsehen, dass die spezielle Mikrofachwerkstruktur 15 je nach Wunsch durch zumindest eines von: 1) Wählen der Winkel und der Muster der Polymer-Fachwerkelemente in Bezug aufeinander, 2) Anpassen der Packung oder der relativen Dichte der resultierenden Zellstruktur und 3) Wählen der Querschnittsformen und Dimensionen der Polymer-Fachwerkelemente entworfen werden kann. Im Speziellen können Polymer-Fachwerkelemente mit einer elliptischen Fachwerkquerschnittsform einem Abbau mit Differenzen im thermischen Ausdehnungskoeffizienten entgegenwirken. Je nach Wunsch können auch andere Querschnittsformen verwendet werden.
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In bestimmten illustrativen Ausführungsformen kann das Polymer der Mikrofachwerkstruktur
15 in ein Metalloxid oder eine Keramik umgewandelt sein, um das wünschenswerte Niveau an Biegefestigkeit vorzusehen. Zum Beispiel sind Keramik-Mikrofachwerkstrukturen
15 und Verfahren zur Herstellung von Keramik-Mikrofachwerkstrukturen
15 von Gross et al. in
US 7 687 132 B2 offenbart.
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Die Strömungsfeldschicht 16 gemäß der vorliegenden Offenlegung umfasst eine Vielzahl von Reaktandenströmungskanälen 20. Die Reaktandenströmungskanäle 20 sind aus einer Vielzahl von ersten Kanalwänden 24 gebildet, die sich eine Länge der Brennstoffzellenkomponenten 10, 11 entlang erstrecken. Wie in 2 gezeigt, kann die Strömungsfeldschicht 16 auch eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen 22 umfassen. Die Kühlmittelkanäle 22 sind aus der Vielzahl von ersten Kanalwänden 24 und aus einer Vielzahl von zweiten Kanalwänden 26 gebildet, die sich ebenfalls die Länge der Brennstoffzellenkomponenten 10, 11 entlang erstrecken. Wenn die Strömungsfeldschicht 16 z. B. aus dem flüssigen Photomonomer gebildet ist, können die ersten Kanalwände 24 durch eine Vielzahl von ersten sich selbst fortpflanzenden Polymerwand-Wellenleitern definiert sein, die sich eine Richtung entlang erstrecken, und die zweiten Kanalwände 26 können durch eine Vielzahl von zweiten sich selbst fortpflanzenden Polymerwand-Wellenleitern definiert sein, die sich eine andere Richtung entlang erstrecken. Die ersten und zweiten Kanalwände 24, 26 können einander an einer Vielzahl von Knotenpunkten 28 durchdringen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die ersten und zweiten Kanalwände 24, 26 im Wesentlichen V-förmige Kühlmittelkanäle 22 bilden. In bestimmten Ausführungsformen können die Reaktandenströmungskanäle auch aus den ersten und zweiten Kanalwänden 24, 26 gebildet sein. Es sollte einzusehen sein, dass das Bilden der Reaktandenströmungskanäle und Kühlmittelkanäle 20, 22 als offene V-Formen die Rückgewinnung von überschüssigen strahlungsempfindlichen Materialien, die während der Herstellung der Brennstoffzellenkomponenten 10, 11 verwendet werden, zulassen kann. Die Knotenpunkten 28 können je nach Wunsch benachbart zu dem Substrat 12 oder der Diffusionsmediumschicht 14 angeordnet sein, wie in 2 gezeigt.
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Die Strömungsfeldschicht 16 umfasst ferner eine Vielzahl von beabstandeten Stützbändern 30, die eine Strömung von Reaktanden oder Kühlmittel durch die Strömungsfeldschicht 16 erleichtern und einer unerwünschten Durchbiegung der ersten und zweiten Kanalwände 24, 26 unter typischen Brennstoffzellen-Betriebsbedingungen entgegenwirken. Die Stützbänder 30 können ferner geeignet sein, um einen Strom innerhalb der Brennstoffzelle zu transportieren. Wie die Fachwerkelemente der Mikrofachwerkstruktur 15 können die Stützbänder 30 je nach Wunsch eine elliptische Querschnittsform oder eine andere Querschnittsform aufweisen.
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Die Stützbänder 30 sind zwischen den ersten und zweiten Kanalwänden 24, 26 und einem von dem Substrat 12 und der Diffusionsmediumschicht 14 angeordnet. Wenn die Strömungsfeldschicht 16 z. B. aus einem flüssigen Photomonomer gebildet ist, können die Stützbänder 30 durch eine Vielzahl von sich selbst fortpflanzenden Polymerband-Wellenleitern definiert sein. In bestimmten Ausführungsformen kann zumindest eines der Stützbänder 30 ein weiteres der Stützbänder 30 benachbart zu dem Substrat 12 oder der Diffusionsmediumschicht 14 schneiden. Im Speziellen können die Stützbänder 30 entworfen sein, um sich der Steifigkeit wegen, und um ein unerwünschtes Verbiegen und Brechen der ersten und zweiten Kanalwände 24, 26 zu vermeiden, benachbart zu der Diffusionsmediumschicht 14 zu schneiden.
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Die strahlungsempfindlichen Materialien, die verwendet werden, um zumindest eine von der Diffusionsmediumschicht 14 und der Strömungsfeldschicht 16 gemäß der vorliegenden Offenlegung zu bilden, umfassen strahlungshärtbare Materialien und durch Strahlung zerlegbare Materialien. Der Ausdruck „strahlungshärtbares Material” ist hierin als jedes Material definiert, das, wenn es einer Strahlung ausgesetzt ist, zumindest angeregt, polymerisiert oder vernetzt wird. Es sollte einzusehen sein, dass auch eine Erhöhung der Temperatur verwendet werden kann, um zumindest teilweise eine Polymerisation oder Vernetzung der strahlungshärtbaren Materialien anschließend an eine Anregung durch Strahlungseinfluss zu beenden. Der Ausdruck „durch Strahlung zerlegbares Material” ist hierin als jedes Material definiert, das zumindest eines von einer Spaltung des Polymergerüsts und einem Entnetzen durch Strahlungseinfluss zeigt. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das durch Strahlung zerlegbare Material durch ein ausreichendes Brechen von Vernetzungen und/oder Spalten des Polymergerüsts des durch Strahlung zerlegbaren Materials durch Lösungsmittel löslich gemacht werden.
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Als nicht einschränkende Beispiele können die strahlungshärtbaren Materialien eines von einem flüssigen Photomonomer und einem im Wesentlichen festen strahlungshärtbaren Polymer umfassen. Das flüssige Photomonomer kann ein Monomer sein, wie in
US 7 382 959 B1 und
US 8 197 930 B2 beschrieben. Nicht einschränkende Beispiele von geeigneten Photomonomeren umfassen Monomere, die über eine freie radikalische Polymerisation polymerisieren, wenn sie einer UV-Strahlung (Wellenlänge zwischen etwa 250 nm und etwa 400 nm) ausgesetzt sind. Das Photomonomer kann jedes frei radikalische Photopolymermaterial wie z. B. Urethane (Polyurethane), Acrylate, Methacrylate und kationische Polymere wie lichtgehärtete Epoxide umfassen. Es können auch andere geeignete Photomonomere verwendet werden
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Geeignete im Wesentlichen feste strahlungshärtbare Materialien 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 eine Polymerisations- oder Polykondensationsreaktion im Wesentlichen gleichzeitig stattfindet, wird der Prozess als „lichtgehärtet” 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 sollte einzusehen sein, dass, wenngleich eine Nachhärtungswärmebehandlung notwendig sein kann, um den Polymerisationsschritt abzuschließen, während des anfänglichen Strahlungseinflusses auch im Wesentlichen stabile strahlungsgehärtete Merkmale in dem Negativ-Photoresist-Polymer erzeugt werden können. Die im Wesentlichen festen strahlungshärtbaren Polymere können gerade den Anregungsprozess durchlaufen und infolge der inhärenten Stabilität und begrenzten Diffusionsrate der chemischen Spezies innerhalb der festen strahlungshärtbaren Polymere kann der Aushärtungsprozess viel später ohne einen wesentlichen Merkmalabbau erfolgen. Es sollte einzusehen sein, dass die meisten photoinitiierten Polymere den Aushärtungsprozess zu Beginn des Anregungsprozesses beginnen, aber die Kinetik der Reaktion bei der Umgebungstemperatur so langsam ist, dass eine Polymerisation oder Polykondensation, wenn überhaupt, vor dem Erwärmen des Negativ-Resist-Polymers auf eine erwünschte Aushärtungstemperatur stattfinden kann.
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Ein spezielles Negativ-Resist-Polymer ist das Negativ-Resist-Polymer SU-8 2000TM auf Epoxidbasis, das im Handel von Microchem Corporation, Newton, Massachusetts erhältlich ist. Das Negativ-Resist-Polymer SU-8 2000TM ist durch UV-Strahlung härtbar. Es sollte einzusehen sein, 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 beim Ausgesetztsein der schneller härtenden Schicht gegenüber einer Strahlungsquelle entgegenzuwirken.
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Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die durch Strahlung zerlegbaren Materialien Positiv-Resist-Polymere umfassen. Positiv-Resist-Polymere beginnen als vernetzte Polymere, können jedoch Photoinitiatoren enthalten, die, wenn sie einer speziellen Strahlung ausgesetzt sind, chemische Spezies erzeugen, welche das Polymer zerlegen, indem sie die Vernetzungen aufbrechen und/oder das Polymergerüst spalten. Die Zerlegung macht das Positiv-Resist-Polymer in den Bereichen löslich, die der Strahlung ausgesetzt waren. Bereiche, in denen das Positiv-Resist-Polymer gehärtet bleibt, werden maskiert und nicht exponiert, wie im Fall der 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.
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Die Strahlung, die verwendet wird, um die strahlungsempfindlichen Materialien zu härten oder zu zerlegen, 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 oder Röntgenstrahlung und von anderen Quellen wie z. B. weißglühenden Lichts und von Lasern verwendet werden können. Es kann auch eine Teilchenstrahlung wie z. B. ein Elektronenstrahl von einer Kathodenstrahlquelle verwendet werden. Es sollte ferner einzusehen sein, dass die Strahlung je nach Wunsch kollimiert, teilweise kollimiert oder nicht kollimiert sein kann.
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Die Strahlung wird typischerweise über zumindest eine Maske zu dem strahlungsempfindlichen Material geleitet, die darin gebildete Durchbrechungen oder Öffnungen aufweist, durch die hindurch die Strahlung mit dem strahlungsempfindlichen Material in Kontakt treten kann. Die Durchbrechungen können im Wesentlichen strahlungsdurchlässige Durchbrechungen sein, die z. B. in einem ansonsten lichtundurchlässigen oder Strahlung blockierenden Material gebildet sind. Die Maske kann z. B. aus einer Ebene aus Glas oder Mylarlage gebildet sein und das Leiten der Strahlenbündel unter einem Winkel in Bezug auf entweder die Maske oder das darunter liegende Substrat 12 erleichtern. Die Maske kann nach einer Exposition weggehoben und zur Wiederverwendung gereinigt werden. Die in der Maske gebildeten Öffnungen und Durchbrechungen besitzen Formen, die Strahlenbündel bereitstellen, um Polymerstrukturen mit einer gewünschten Querschnittsform zu bilden. Die Durchbrechungen können im Wesentlichen kreisförmig sein, um elliptische Querschnittsformen zu erzeugen, die sich den Differenzen im thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE von coefficient of thermal expansion) im Inneren der Brennstoffzellenkomponente 10, 11 besser anpassen können.
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In einer illustrativen Veranschaulichung weist die Maskenoberfläche eine Vielzahl von Löchern auf. Die Löcher können jeweils einen Durchmesser von z. B. 10 Mikrometer aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform sind die Durchbrechungen längliche Schlitze, die Strahlungslagen bereitstellen, um Polymerwände mit z. B. im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsformen zu bilden, um den zumindest einen von den Reaktandenströmungskanälen 20 und den Kühlmittelkanälen 22 der Brennstoffzellenkomponente 10, 11 zu bilden. Die Strahlenexposition kann z. B. intermittierend in einer Reihe von kurzen Expositionen oder längeren Perioden erfolgen um den gewünschten strukturellen Aufbau vorzusehen. Ein geübter Fachmann kann je nach Wunsch geeignete Masken, Materialien, Durchbrechungs- und Öffnungsgrößen und -formen und daraus folgende strukturelle Konfigurationen wählen.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 weisen gleiche Strukturen wie in den 1 und 2 zum besseren Verständnis die gleichen Bezugsziffern und einen Strich (') oder einen Doppelstrich ('') auf. Zumindest eine von der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' kann ferner mit einem elektrisch leitfähigen Material 38', 38'' beschichtet sein. Zum Beispiel kann zumindest eine von der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' mit einer Metallschicht plattiert sein, die im Wesentlichen oxidationsbeständig, reduktionsbeständig und säurebeständig ist. Die Metallbeschichtung kann in mehreren Plattierungsschritten gebildet werden. Zum Beispiel kann die Metallbschichtung durch Aufbringen einer ersten Schicht aus einer autokatalytischen Nickelbasis gefolgt von einer zweiten Schicht aus einer NiCr- oder Cr-Plattierung zur Korrosionsbeständigkeit und einer dritten Schicht einer Überdeckung mit Au oder Pd zur Minimierung des Kontaktwiderstandes zwischen der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' gebildet sein. Beispielsweise können die erste Schicht und die zweite Schicht aufplattiert und die dritte Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht sein, um eine Abdeckung zu minimieren. Es können je nach Wunsch auch andere Verfahren zum Beschichten des elektrisch leitfähigen Materials 38', 38'' auf die zumindest eine von der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' verwendet werden.
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In bestimmten Ausführungsformen umfasst das elektrisch leitfähige Material 38', 38'' ein Edelmetall, welches aus der Gruppe gewählt ist, die aus Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Iridium (Ir), Platin (Pt) und Osmium (Os) und Legierungen daraus besteht. In einer speziellen Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Material 38', 38'' Gold (Au). In einer weiteren speziellen Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Material 38', 38'' Tantal (Ta). Eine weitere geeignete Metallbeschichtung kann Nickel(Ni)-legierungen wie z. B. Legierungen aus Nickel und Chrom (Cr) oder Nickel und Kobalt (Co) umfassen. Wie für einen Fachmann einzusehen sein sollte, kann das elektrisch leitfähige Material 38', 38'' Mischungen oder Legierungen aus den oben angeführten Metallen umfassen. Es können je nach Wunsch andere elektrisch leitfähige Metalle und Materialien verwendet werden.
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Das elektrisch leitfähige Material 38', 38'' kann auf zumindest einer von der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' mittels z. B. Elektronenstrahlverdampfung oder Magnetron-Sputtern oder physikalische Gasphasenabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung oder Atomlagenabscheidung oder elektrolytische Abscheidung oder stromlose Abscheidung oder Flammspritzabscheidung oder Bürstengalvanisierung und weitere ähnliche Verfahren abgeschieden werden. Es können auch elektrolytische Metallabscheidetechniken auf Lösungsbasis, die das Eintauchen von zumindest einer von der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' in einem Galvanisierungsbad umfassen, verwendet werden. Es kann auch das Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials 38', 38'' in der Form eines Schlämmpulvers und anschließendes Brennen des Schlämmpulvers, um die Beschichtung zu bilden, verwendet werden. Ein geübter Fachmann kann mehr als eine Abscheidetechnik wählen, um Unterschiede zwischen Sichtlinien- und Nicht-Sichtlinieneigenschaften der gewählten Abscheideverfahren zu berücksichtigen. In bestimmten Ausführungsformen kann das elektrisch leitfähige Material im Wesentlichen gleichmäßig auf sowohl den Innen- als auch den Außenflächen der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' abgeschieden sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Beschichtung des elektrisch leitfähigen Materials 38', 38'' auf der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' eine geringere Dicke aufweisen als die Beschichtung des elektrisch leitfähigen Materials 38', 38'' auf der Strömungsfeldschicht 16', 16''. Es können je nach Wunsch geeignete Mittel zum Beschichten und Dicken des elektrisch leitfähigen Materials 38', 38'' gewählt werden.
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Es sollte einzusehen sein, dass zumindest eine von der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' aus einem strahlungsempfindlichen Material gebildet sein kann, das elektrisch leitfähig ist, wenn es ausgehärtet ist. Wenn das strahlungsempfindliche Material elektrisch leitfähig ist, kann die Beschichtung des elektrisch leitfähigen Materials 38', 38'' auf zumindest einer von der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' gegebenenfalls nicht verwendet werden, falls erwünscht.
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Die erste und die zweite Brennstoffzellenkomponente 10, 11 können auch zumindest eine mikroporöse Schicht 32', 32'' und zumindest eine Elektrode 34', 34'' aufweisen. Die mikroporöse Schicht 32', 32'' kann auf der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' angeordnet sein. Die Elektrode 34', 34'' kann auf der mikroporösen Schicht 32', 32'' gegenüber der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' angeordnet sein. Es sollte einzusehen sein, dass die Elektrode 34', 34'' je nach Wunsch auch direkt auf der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' angeordnet sein kann. Eine der Elektroden 34', 34'' kann ferner eine darauf angeordnete Polymerelektrolytmembran (PEM) 36 aufweisen.
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Wie in 3 gezeigt, können die erste und die zweite Brennstoffzellenkomponente 10, 11 zusammengesetzt sein, um eine einzelne sich wiederholende Einheit 40 für eine Brennstoffzelle zu bilden. Eine Vielzahl von sich wiederholenden Einheiten 40 kann zusammen gestapelt sein, um einen Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) zu bilden. Die sich wiederholende Einheit 40 umfasst die erste Diffusionsmediumschicht 14' und die zweite Diffusionsmediumschicht 14''. Die erste Diffusionsmediumschicht 14' weist die Mikrofachwerkstruktur 15' mit den Knoten 18' auf. Die zweite Diffusionsmediumschicht 14'' umfasst die Mikrofachwerkstruktur 15'' mit den Knoten 18''. Die sich wiederholende Einheit 40 umfasst ferner die erste Strömungsfeldschicht 16' und die zweite Strömungsfeldschicht 16''. Die erste Strömungsfeldschicht 16' umfasst die ersten Kanalwände 24', die sich schneiden, und die Vielzahl von Stützbändern 30'. Die zweite Strömungsfeldschicht 16'' umfasst die ersten und zweiten Kanalwände 24'', 26'', die sich an dem Knotenpunkt 28'' schneiden, und die Vielzahl von Stützbändern 30''. Das Substrat 12' der ersten Brennstoffzellenkomponente 10 ist zwischen der ersten und der zweiten Strömungsfeldschicht 16', 16'' angeordnet. Das Substrat 12' und die erste und zweite Strömungsfeldschicht 16', 16'' sind ferner zwischen der ersten und der zweiten Diffusionsmediumschicht 14', 14'' angeordnet. Jede der Diffusionsmediumschichten 14', 14'' weist eine mikroporöse Schicht 32', 32'' auf, die darauf angeordnet ist. Jede der mikroporösen Schichten 32', 32'' weist eine Elektrode 34', 34'' auf, die darauf gegenüber der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' angeordnet ist. Eine der Elektroden 34', 34'' weist eine darauf angeordnete Polymerelektrolytmembran 36 auf.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 4 und 5 weisen gleiche Strukturen wie in den 1, 2 und 3 zum besseren Verständnis die gleichen Bezugsziffern und einen Strich (') oder einen Doppelstrich ('') auf. Eine alternative Brennstoffzellenkomponente 10' gemäß der vorliegenden Offenlegung ist in 4 veranschaulicht und ist vorgesehen, um eine einzelne sich wiederholende Einheit 40' für die Brennstoffzelle zu bilden, wie in 5 gezeigt.
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Die Brennstoffzellenkomponente 10' umfasst die erste und die zweite Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und die einzelne Strömungsfeldschicht 16. Die Strömungsfeldschicht 16 ist aus einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Wänden 42 gebildet, welche die Vielzahl von Reaktandenströmungskanälen 20 und die Vielzahl von Kühlmittelkanälen 22 definieren. Die elektrisch leitfähigen Wände 42 können z. B. durch Aufbringen der Beschichtung aus dem elektrisch leitfähigen Material 38 auf einer Vielzahl von entfernbaren negativen Kernen und anschließendes Entfernen der Kerne, um das elektrisch leitfähige Material 38 als die Wände 42 zurückzulassen, gebildet werden. Es können auch andere Mittel verwendet werden, um die elektrisch leitfähigen Wände 42 zu bilden.
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Das Substrat 12 kann mit der Strömungsfeldschicht 16 gekoppelt sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Beschichtung 38, welche die elektrisch leitfähigen Wände 42 bildet, auch über dem Substrat 12 angeordnet sein, um das Substrat 12 mit der Strömungsfeldschicht 16 zu verbinden. Die Strömungsfeldschicht 16 ist zwischen der ersten und der zweiten Diffusionsmediumschicht 14', 14'' angeordnet. Eine der Diffusionsmediumschichten 14', 14'' weist eine darauf angeordnete Membranelektrodenanordnung (MEA) 44 auf. Die Membranelektrodenanordnung 44 umfasst die mikroporösen Schichten 32', 32'', die Elektroden 34', 34'' und die PEM 36. Die Strömungsfeldschicht 16 stellt die Vielzahl von Reaktandenströmungskanälen 20 und die Vielzahl von Kühlmittelkanälen 22 bereit. Wie gezeigt, umfasst die Vielzahl von Reaktandenströmungskanälen 20, die durch die Strömungsfeldschicht in der alternativen Brennstoffzellenkomponente 10' gebildet ist, Reaktandenströmungskanäle 20, welche benachbart zu der ersten Diffusionsmediumschicht 14' gebildet sind, und Reaktandenströmungskanäle 20, welche benachbart zu der zweiten Diffusionsmediumschicht 14'' gebildet sind. Ein/e Perforation, Schlitz oder eine Reihe von Löchern 46 ist durch das Substrat 12 hindurch gebildet und wirkt mit der Strömungsfeldschicht 16 zusammen, um eine fluidtechnische Verbindung zwischen der Vielzahl von Reaktandenströmungskanälen 20 benachbart zu der zweiten Diffusionsmediumschicht 14'' bereitzustellen. Es sollte einzusehen sein, dass die alternative Struktur der Brennstoffzelle 10' dadurch die Bildung der einzelnen sich wiederholenden Einheit 40' für die Brennstoffzelle ermöglicht, ohne einen Zusammenbau der ersten und der zweiten Brennstoffzellenkomponente 10, 11, wie in den 1 bis 3 gezeigt, zu erfordern.
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Die vorliegende Offenlegung umfasst ein Verfahren zur Herstellung der sich wiederholenden Einheit 40 für die Brennstoffzelle. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass: die erste Brennstoffzellenkomponente 10 vorgesehen wird und die zweite Brennstoffzellenkomponente 11 vorgesehen wird. Die erste Brennstoffzellenkomponente 10 wird auf der zweiten Brennstoffzellenkomponente 11 angeordnet. Das erste Substrat 12' wird benachbart zu der zweiten Strömungsfeldschicht 16'' der zweiten Brennstoffzellenkomponente 11 angeordnet. Das zweite Substrat 12'' auf der zweiten Brennstoffzellenkomponente 11 wird von der zweiten Brennstoffzellenkomponente 11 entfernt, je nach Wunsch entweder bevor oder nachdem die zweite Brennstoffzellenkomponente 11 auf der ersten Brennstoffzellenkomponente 10 angeordnet wird/wurde. Die erste und die zweite Brennstoffzellenkomponente 10, 11 können z. B. mithilfe eines schweren Galvanisierungsverfahrens zusammengefügt werden, um die V-förmigen Kühlmittelkanäle 22'' zu schließen. Es können elektrisch leitfähige Positionierungskleber verwendet werden, um die erste und die zweite Brennstoffzellenkomponente 10, 11 zusammenzufügen. Es können auch andere geeignete Mittel zum Zusammenfügen der ersten und der zweiten Brennstoffzellenkomponente 10, 11 in einer wünschenswert abgedichteten und elektrisch leitfähigen Weise verwendet werden.
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Die erste mikroporöse Schicht 32' wird dann auf der ersten Diffusionsschicht 14' angeordnet und die zweite mikroporöse Schicht 32'' wird auf der zweiten Diffusionsschicht 14'' angeordnet. Die erste Elektrode 34' wird auf der ersten mikroporösen Schicht 32' angeordnet und die zweite Elektrode 34'' wird auf der zweiten mikroporösen Schicht 32'' angeordnet. Dann wird die PEM 36 auf einer von der ersten und der zweiten Elektrode 34', 34'' angeordnet, um die sich wiederholende Einheit 40 für die Brennstoffzelle zu vervollständigen. Der Zusammenbau der mikroporösen Schichten 32', 32'', der Elektroden 34', 34'' und der PEM 36 kann je nach Wunsch erfolgen, bevor oder nachdem die erste Brennstoffzellenkomponente 10 mit der zweiten Brennstoffzellenkomponente 11 zusammengefügt wird/wurde.
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Der Schritt zum Vorsehen der ersten Brennstoffzellenkomponente 10 kann ferner die Schritte umfassen, dass das erste Substrat 12' vorgesehen wird und ein erstes strahlungsempfindliches Material auf dem ersten Substrat 12' angeordnet wird. Zum Beispiel kann das erste Substrat 12' in ein Volumen eines flüssigen Photopolymers getaucht werden. Dann wird eine erste Maske zwischen der zumindest einen Strahlungsquelle und dem ersten strahlungsempfindlichen Material angeordnet. Die erste Maske erstreckt sich eine Einzelebene entlang und weist eine Vielzahl von darin gebildeten länglichen Schlitzen auf. Die erste Maske kann derart gewählt sein, dass sie eine gewünschte Strömungsfeldgeometrie mit der Vielzahl von ersten Polymerwänden 24' vorsieht. Dann wird das erste strahlungsempfindliche Material einer Vielzahl von Strahlungslagen ausgesetzt, die durch die länglichen Schlitze der ersten Maske hindurch geleitet werden, um die erste Strömungsfeldschicht 16' mit der Vielzahl von Reaktandenströmungskanälen 20' zu bilden.
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Anschließend an die Bildung der ersten Strömungsfeldschicht 16' wird ein zweites strahlungsempfindliches Material auf die erste Strömungsfeldschicht 16' aufgebracht. Das zweite strahlungsempfindliche Material kann je nach Wunsch das gleiche wie oder ein anderes als das erste strahlungsempfindliche Material sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann ein im Wesentlichen festes strahlungsempfindliches Polymer auf die erste Strömungsfeldschicht 16' laminiert werden. Eine zweite Maske wird zwischen der zumindest einen Strahlungsquelle und dem zweiten strahlungsempfindlichen Material angeordnet. Die zweite Maske kann derart gewählt sein, dass sie eine gewünschte Diffusionsmediumgeometrie bereitstellt. Die zweite Maske erstreckt sich eine Einzelebene entlang und weist eine Vielzahl von Durchbrechungen auf. Das zweite strahlungsempfindliche Material wird einer Vielzahl von Strahlenbündeln ausgesetzt, die durch die Durchbrechungen der zweiten Maske hindurch geleitet werden, um die Diffusionsmediumschicht 14' mit der gewünschten Mikrofachwerkstruktur 15' zu bilden.
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Der Schritt zum Vorsehen der zweiten Brennstoffzellenkomponente 11 kann ferner die Schritte umfassen, dass das zweite Substrat 12'' vorgesehen wird und ein drittes strahlungsempfindliches Material auf das zweite Substrat 12'' aufgebracht wird. Das dritte strahlungsempfindliche Material kann das gleiche wie oder ein anderes als das erste und das zweite strahlungsempfindliche Material sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das zweite Substrat 12'' mit einem im Wesentlichen festen strahlungsempfindlichen Polymer laminiert werden. Eine Dicke des auf das zweite Substrat 12'' aufgebrachten dritten strahlungsempfindlichen Materials kann auf der Basis einer gewünschten Dicke der nicht zusammengedrückten Diffusionsmediumschicht 14'' gewählt sein, die mit dem dritten strahlungsempfindlichen Material hergestellt werden soll. Dann wird eine dritte Maske zwischen zumindest einer Strahlungsquelle und dem dritten strahlungsempfindlichen Material angeordnet. Die dritte Maske erstreckt sich eine Einzelebene entlang und weist eine Vielzahl von darin gebildeten Durchbrechungen auf. Dann wird das dritte strahlungsempfindliche Material einer Vielzahl von Strahlenbündeln von der Strahlungsquelle je nach Wunsch z. B. aus einer oder mehreren Richtungen, gleichzeitig oder nacheinander, ausgesetzt. Die Strahlenbündel werden durch die in der dritten Maske gebildeten Durchbrechungen hindurch zu dem dritten strahlungsempfindlichen Material geleitet. Die Strahlenbündel bewirken, dass die Mikrofachwerkstruktur 15'' die zweite Diffusionsmediumschicht 14'' bildet.
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Anschließend an die Bildung der Mikrofachwerkstruktur 15'' wird die dritte Maske von der zweiten Diffusionsmediumschicht 14'' entfernt. Dann wird ein viertes strahlungsempfindliches Material auf die zweite Diffusionsmediumschicht 14'' aufgebracht. Das vierte strahlungsempfindliche Material kann je nach Wunsch das gleiche wie oder ein anderes als das erste, das zweite und das dritte strahlungsempfindliche Material sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel ist das vierte strahlungsempfindliche Material ein Volumen eines flüssigen Photopolymers. Eine vierte Maske wird zwischen der zumindest einen Strahlungsquelle und dem vierten strahlungsempfindlichen Material angeordnet. Die vierte Maske kann sich eine Einzelebene entlang erstrecken und eine Vielzahl von darin gebildeten länglichen Durchbrechungen aufweisen. Dann wird das vierte strahlungsempfindliche Material einer Vielzahl von Strahlenlagen ausgesetzt, die durch die länglichen Schlitze der vierten Maske hindurch geleitet werden, um die zweite Strömungsfeldschicht 16'' mit der Vielzahl von Reaktandenströmungskanälen 20'' und der Vielzahl von V-förmigen Kühlmittelkanälen 22 zu bilden.
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Es sollte einzusehen sein, dass, um die gewünschte Mikrofachwerkstruktur 15', 15'' zu bilden, die Strahlenbündel ein erstes Strahlenbündel, ein zweites Strahlenbündel und ein drittes Strahlenbündel umfassen können. Das erste, das zweite und das dritte Strahlenbündel werden von zumindest einer Strahlungsquelle in Richtung zumindest einer Durchbrechung geleitet, um entsprechend das erste, das zweite und das dritte Polymer-Fachwerkelement in einem Teil des Volumens des strahlungsempfindlichen Materials zu bilden. Im Fall des Photomonomers können die Polymer-Fachwerkelemente aus Polymerwellenleitern gebildet sein, die einen von dem umgebenden Photomonomer verschiedenen Brechungsindex besitzen.
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Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das erste Strahlenbündel unter einem ersten Winkel in Bezug auf die Einzelebene geleitet werden und das zweite Strahlenbündel kann unter einem zweiten Winkel in Bezug auf die Einzelebene geleitet werden; der zweite Winkel ist von dem ersten Winkel verschieden. Das dritte Strahlenbündel wird unter einem dritten Winkel in Bezug auf die Einzelebene geleitet; der dritte Winkel ist von dem ersten Winkel und dem zweiten Winkel verschieden. Das erste Polymer-Fachwerkelement bildet einen vierten Winkel in Bezug auf die Einzelebene; der vierte Winkel entspricht dem ersten Winkel. Das zweite Polymer-Fachwerkelement bildet einen fünften Winkel in Bezug auf die Einzelebene; der fünfte Winkel entspricht dem zweiten Winkel. Das dritte Polymer-Fachwerkelement bildet einen sechsten Winkel in Bezug auf die Einzelebene; der sechste Winkel entspricht dem dritten Winkel. Jedes von dem ersten, dem zweiten und dem dritten Polymer-Fachwerkelement kann die anderen schneiden, um die Mikrofachwerkstruktur 15', 15'' zu bilden. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass je nach Wunsch zumindest ein Teil der Fachwerkelemente derart gewählt sein kann, dass keine Überschneidung vorhanden ist.
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Das Verfahren zur Herstellung der sich wiederholenden Einheit 40 für die Brennstoffzelle umfasst ferner den Schritt, dass zumindest eine von der ersten Diffusionsmediumschicht 14', der zweiten Diffusionsmediumschicht 14'', der ersten Strömungsfeldschicht 16' und der zweiten Strömungsfeldschicht 16'' mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung 38', 38'' beschichtet wird, wie hierin oben stehend beschrieben. Es sollte einzusehen sein, dass die elektrisch leitfähige Beschichtung 38', 38'' den Kontaktwiderstand minimieren und die Effizienz der Brennstoffzelle optimieren kann.
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Die vorliegende Offenlegung umfasst ein weiteres Verfahren zur Herstellung der sich wiederholenden Einheit 40' für die Brennstoffzelle. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass das Substrat 12 vorgesehen wird und ein erstes strahlungsempfindliches Material auf das Substrat 12 aufgebracht wird. Zum Beispiel kann das Substrat 12 in ein Volumen eines flüssigen Photopolymers getaucht werden. Das Substrat 12 kann mit der Vielzahl von darin ausgebildeten Perforationen oder Löchern 36 versehen sein. Dann wird die erste Maske zwischen zumindest eine Strahlungsquelle und dem ersten strahlungsempfindlichen Material angeordnet. Die erste Maske erstreckt sich eine Einzelebene entlang und weist eine Vielzahl von Durchbrechungen auf. Dann wird das erste strahlungsempfindliche Material einer Vielzahl von Strahlenbündeln ausgesetzt, die durch die Durchbrechungen der ersten Maske hindurch zu dem ersten strahlungsempfindlichen Material geleitet werden, um eine Vielzahl von negativen entfernbaren Kernen zu bilden. Die negativen entfernbaren Kerne können beispielsweise auch mithilfe eines anderen Mittels wie z. B. Siebdruck gebildet werden. Die erste Maske wird von den negativen entfernbaren Kernen und dem restlichen nicht ausgehärteten ersten strahlungsempfindlichen Material entfernt. Es sollte einzusehen sein, dass der Ausdruck „nicht ausgehärtetes strahlungsempfindliches Material” innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Offenlegung auch zersetztes strahlungsempfindliches Material umfassen kann. Das restliche nicht ausgehärtete Volumen des ersten strahlungsempfindlichen Materials kann anschließend, z. B. durch Ablaufen im Fall eines Photomonomers, entfernt und wieder verwendet werden. Der Schritt zum Entfernen des restlichen nicht ausgehärtete Volumens des ersten strahlungsempfindlichen Materials kann das Abspülen des Substrats und der Kerne mit einem Lösungsmittel umfassen. Ein Fachmann sollte einsehen, dass geeignete Lösungsmittel die exponierten negativen entfernbaren Kerne nicht wesentlich angreifen.
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Die entfernbaren Kerne weisen die negative Form der Wände 42 auf, die erwünscht sind, um die Vielzahl von Reaktandenströmungskanälen 20 und die Vielzahl von Kühlmittelkanälen 22 zu bilden. Der Schritt zum Bilden der Vielzahl von negativen entfernbaren Kernen kann z. B. umfassen, dass das strahlungsempfindliche Material einer Vielzahl von schrägen und vertikalen Strahlenbündeln ausgesetzt wird.
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Es wird ein zweites strahlungsempfindliches Material auf die negativen entfernbaren Kerne angeordnet und ein drittes strahlungsempfindliches Material wird auf dem Substrat 12 angeordnet. Als nicht einschränkende Beispiele können das zweite und das dritte strahlungsempfindliche Material im Wesentlichen feste strahlungsempfindliche Polymere sein, die auf jedes der negativen entfernbaren Kerne und das Substrat 12 laminiert werden. Das Substrat 12 und die negativen entfernbaren Kerne werden mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung 38 beschichtet. Es sollte einzusehen sein, dass eine Maske oder eine andere physikalische Abdeckung wie z. B. ein physikalischer Kontakt mit einer weiteren Oberfläche auf der Außenfläche des laminierten strahlungsempfindlichen Polymers verwendet werden kann, um der Bildung einer unerwünschten schweren Plattierung darauf während der Aufbringung der elektrisch leitfähigen Beschichtung 38 entgegenzuwirken.
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Dann wird eine zweite Maske zwischen der zumindest einen Strahlungsquelle und dem zweiten strahlungsempfindlichen Material angeordnet und das zweite strahlungsempfindliche Material wird einer Vielzahl von Strahlenbündeln ausgesetzt, um die erste Diffusionsmediumschicht 14' mit der Mikrofachwerkstruktur 15' zu bilden. Es wird eine dritte Maske zwischen der zumindest einen Strahlungsquelle und dem dritten strahlungsempfindlichen Material angeordnet und das dritte strahlungsempfindliche Material wird einer Vielzahl von Strahlenbündeln ausgesetzt, um die zweite Diffusionsmediumschicht 14'' mit der Mikrofachwerkstruktur 15'' zu bilden. Das erste, das zweite und das dritte strahlungsempfindliche Material können je nach Wunsch dasselbe oder verschiedene sein. Die negativen entfernbaren photopolymerisierten Kerne und das zweite und das dritte strahlungsempfindliche Material, die nicht ausgehärtet sind, werden entfernt, um die durch die elektrisch leitfähige Beschichtung 38 gebildeten Wände 42 zurückzulassen.
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Das Verfahren umfasst ferner die Schritte, dass die erste und die zweite Diffusionsmediumschicht 14', 14'' mit dem elektrisch leitfähigen Material 38 beschichtet werden. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass die auf den Diffusionsmediumschichten 14', 14'' angeordnete Beschichtung eine geringere Dicke aufweisen kann als die Beschichtung, die auf den negativen entfernbaren Kernen angeordnet ist, welche die Wände 42 der Strömungsfeldschicht 16' bilden. Ein Fachmann wird je nach Wunsch geeignete elektrisch leitfähige Beschichtungsdicken für jede der Schichten wählen.
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Um die sich wiederholende Einheit 40' für die Brennstoffzelle zu vervollständigen, wird die MEA 44 auf eine von der ersten und der zweiten Diffusionsmediumschicht 14', 14'' aufgebracht. Der Schritt zum Aufbringen der MEA 44 umfasst die Schritte, dass: die erste mikroporöse Schicht 32' auf der ersten Diffusionsmediumschicht 14' aufgebracht wird; die erste Elektrode 34' auf die erste mikroporöse Schicht 32' aufgebracht wird; die PEM 36 auf der ersten Elektrode 34' angeordnet wird; die zweite Elektrode 34'' auf die PEM 36 aufgebracht wird; und die zweite mikroporöse Schicht 32'' auf der zweiten Elektrode 34'' angeordnet wird.
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Mit Bezug auf die hierin beschriebenen sich wiederholenden Einheiten 40, 40' können ferner auch Sammlerdurchbrechungen (nicht gezeigt), die typischerweise der Bildung von Einlass- und Auslasssammlern der Brennstoffzelle zugeordnet sind, vorgesehen sein. Ebenso können Dichtungs- und Anschlussmerkmale, die den Zusammenbau und den Betrieb der Brennstoffzelle erleichtern, vorgesehen sein. Die Sammlerdurchbrechungen, Dichtungen und Anschlussmerkmale können mit herkömmlichen Mitteln oder mithilfe der hierin oben beschriebenen Polymerisationstechniken gebildet werden.
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Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass die Verwendung von Mikrofachwerkstrukturen 15, 15', 15'' die kostengünstige Produktion von Brennstoffzellenkomponenten 10, 10', 11 gestattet, welche verwendet werden, um Brennstoffzellen für Kraftfahrzeug- und andere Anwendungen wie z. B. Mikrobrennstoffzellen für tragbare Vorrichtungen zu bilden. Die Brennstoffzellenkomponenten 10, 10', 11 der vorliegenden Offenlegung verwenden Polymere, die in der Form des gewünschten Brennstoffzellenteils gebildet werden, anstatt negativ geformte entfernbare Kerne zu bilden. Die vorliegende Offenlegung erweitert die von den bekannten Mikrofachwerkverfahren verfügbaren Konstruktionsmerkmale, um eine größere Vielfalt von Merkmalen zu produzieren, die zur Produktion von Brennstoffzellenkomponenten wie z. B. Diffusionsmedien, Separatorplatten und zur Membranverstärkung wünschenswert sind.
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Die hoch geordnete Struktur der mit den Verfahren der vorliegenden Offenlegung hergestellten Brennstoffzellenkomponenten 10, 10', 11, 40, 40' sieht ein gleichmäßigeres Komprimieren und eine erhöhte Haltbarkeit im Vergleich mit herkömmlichen Polymerschaumteilen vor. Die vorliegende Fabrikationsmethodik ist auch weniger kostspielig als herkömmliche Herstellungsverfahren und gestattet es, Brennstoffzellenkomponenten mit deutlich verkürzten Vorlaufzeiten zu erzeugen. Im Speziellen können sich Produktionskostenreduktionen durch den Ersatz der herkömmlichen Kohlefaserpapierdiffusionsmedien und durch das Vorgehen gegen Kosten, die typischerweise mit der Bildung gewünschter Kontaktwiderstand-Grenzflächen zwischen herkömmlichen und separat hergestellten Brennstoffzellenkomponenten verbunden sind, ergeben.
