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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere
Brennstoffzellen-Diffusionsmedien, die durch Photopolymerisierung
hergestellt werden.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
Brennstoffzelle ist als eine saubere, effiziente und umweltfreundliche
Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere
Anwendungen vorgeschlagen worden. Einzelne Brennstoffzellen können
zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels für verschiedene
Anwendungen in Reihe aneinander gestapelt werden. Der Brennstoffzellenstapel ist
in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die
ausreichend ist, um ein Fahrzeug mit Leistung zu beaufschlagen.
Insbesondere ist der Brennstoffzellenstapel als eine potentielle
Alternative für die herkömmliche Brennkraftmaschine,
die in modernen Kraftfahrzeugen verwendet wird, erkannt worden.
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Ein
Typ von Brennstoffzelle ist die Polymerelektrolytmembran-(PEM-Brennstoffzelle).
Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei Grundkomponenten: eine Elektrolytmembran;
und ein Paar von Elektroden, das eine Kathode und eine Anode aufweist. Die
Elektrolytmembran ist schichtartig zwischen den Elektroden angeordnet,
um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Die MEA ist
typischerweise zwischen porösen Diffusionsmedien angeordnet,
die eine Lieferung von Reaktanden, wie Wasserstoff an die Anode
und Sauerstoff an die Kathode, unterstützen. Die porösen
Diffusionsmedien werden manchmal als Gasdiffusionsmedien oder Gasdiffusionsschichten
bezeichnet. 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
an die Kathode. Die Elektronen von der Anode können nicht
durch die Elektrolytmembran gelangen und werden stattdessen als
ein elektrischer Strom zu der Kathode durch eine elektrische Last,
wie einen Elektromotor, geführt. Die Protonen reagieren
mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser
zu erzeugen.
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Es
ist auch bekannt, andere Reaktanden in der PEM-Brennstoffzelle zu
verwenden, wie beispielsweise Methanol. Methanol kann katalytisch
oxidiert werden, um Kohlendioxid zu bilden. Protonen aus der Methanoloxidation
werden über die Elektrolytmembran an die Kathode transportiert,
an der sie mit Sauerstoff, typischerweise aus Luft, reagieren, um
Wasser zu erzeugen. Wie bei der Wasserstoff-PEM-Brennstoffzelle
werden Elektronen als ein elektrischer Strom durch die externe Last,
wie den Elektromotor, von der Anode zu der Kathode transportiert.
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Das
Diffusionsmedium ist typischerweise aus einem porösen Material
geformt, das derart ausgebildet ist, dass es eine multifunktionale
Rolle in der Brennstoffzelle ausführt. Es ist bekannt,
die Diffusionsmedien aus Kohlepapier, wie TGP-H-030 herzustellen,
das z. B. von Toray Industries, Inc. kommerziell erhältlich
ist. Kohlepapier ist typischerweise zur Verteilung von Reaktanden,
gasförmig oder anderweitig, an die Elektroden der Brennstoffzelle
geeignet. Das Diffusionsmedium leitet auch Elektronen und überträgt
Wärme, die an der MEA erzeugt wird, an ein Kühlmittel.
In Bezug auf ein Wassermanagement der Brennstoffzelle transportiert
das Diffusionsmedium Wasser, das durch die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion
erzeugt wird, weg von der PEM. Die Wassermanagementfähigkeit
des Diffusionsmediums ist kritisch für jegliche Optimierung
der Brennstoffzellenleistung. Das Diffusionsmedium kann ferner eine
mikroporöse Schicht aufweisen, die eine Übergangsschicht
zwischen den Elektroden und dem Diffusionsmedium bereitstellt und
die Wasserentfernung von der PEM unterstützt.
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Alternative
Typen von porösen Materialien 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, dessen vollständiger
Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Ein
Verfahren und ein System zum Erzeugen von Polymermaterialien mit
geordneten Mikrofachwerkstrukturen ist von Jacobsen in dem
U.S.-Patent Nr. 7 382 959 offenbart,
dessen vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen
ist. Das System umfasst zumindest eine kollimierte Lichtquelle,
die gewählt ist, um einen kollimierten Lichtstrahl zu produzieren;
ein Reservoir mit einem Photomonomer, das derart angepasst ist, dass
es durch den kollimierten Lichtstrahl polymerisiert; und eine Maskierung
mit zumindest einer Durchbrechung, die zwischen der zumindest einen kollimierten
Lichtquelle und dem Reservoir positioniert ist. Die zumindest eine
Durchbrechung ist angepasst, um einen Anteil des kollimierten Lichtstrahles in
das Photomonomer zu leiten, um den zumindest einen Polymer-Wellenleiter
durch einen Anteil des Volumens des Photomonomers hindurch zu bilden. Mikrofachwerkmaterialien,
die mit dem Verfahren und dem System produziert werden, sind weiter
von Jacobsen in der U.S.-Patentanmeldung Serien-Nr. 11/801,908 beschrieben,
deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme
aufgenommen ist. Ein Polymermaterial, das einer Strahlung ausgesetzt
wird und zu einer Selbst fokussierung oder einem ”Self-Trapping” des
Lichts durch die Bildung von Polymer-Wellenleitern führt,
ist auch von Kewitsch et al. in dem
U.S.-Patent
Nr. 6,274,288 offenbart, dessen vollständiger
Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Es
besteht ein fortgesetzter Bedarf nach einer Struktur und einem Verfahren
zur Herstellung von Brennstoffzellen-Diffusionsmedien, die/das die Brennstoffzellenlebensdauer
optimiert, Werkzeugbestückungskosten minimiert, Produktionskosten
minimiert und Entwicklungszeiten minimiert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der
vorliegenden Offenbarung sind überraschend eine Struktur
und ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellen-Diffusionsmedien entdeckt
worden, die/das die Brennstoffzellenlebensdauer optimiert, Werkzeugbestückungskosten
minimiert, Produktionskosten minimiert und Entwicklungszeiten minimiert.
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Bei
einer ersten Ausführungsform umfasst eine Diffusionsmediumschicht
für eine Brennstoffzelle eine elektrisch leitende Mikrofachwerkstruktur,
die zwischen einem Paar elektrisch leitender Gitter angeordnet ist.
Zumindest eines der Mikrofachwerkstruktur und der Gitter ist aus
einem strahlungssensitiven Material geformt.
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Bei
einer anderen Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzelle
ein Paar der Diffusionsmediumschichten, die dazwischen eine Membranelektrodenanordnung
angeordnet aufweisen. Die Diffusionsmediumschichten und die Membranelektrodenanordnung
sind zwischen einem Paar elekt risch leitender Brennstoffzellenplatten
angeordnet, um die Brennstoffzelle fertig zu stellen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum
Herstellen einer Diffusionsmediumschicht für eine Brennstoffzelle
die Schritte, dass: ein Substrat vorgesehen wird; ein erstes strahlungssensitives
Material, cm zweites strahlungssensitives Material und ein drittes
strahlungssensitives Material auf das Substrat aufgetragen werden,
wobei das zweite strahlungssensitive Material zwischen dem ersten
strahlungssensitiven Material und dem dritten strahlungssensitiven
Material angeordnet ist; eine Maskierung zwischen einer zumindest
einen Strahlungsquelle und dem ersten, zweiten und dritten strahlungssensitiven
Material angeordnet wird, wobei sich die Maskierung entlang einer
einzelnen Ebene erstreckt und eine Mehrzahl von im Wesentlichen strahlungstransparenten
Durchbrechungen aufweist, die darin geformt sind; das erste, zweite
und dritte strahlungssensitive Material mit einer Mehrzahl von zumindest
teilweise dekollimierten Strahlenbündeln durch die strahlungstransparenten
Durchbrechungen in der Maskierung beaufschlagt werden, wobei ein Paar
von Gittern in dem ersten und dritten strahlungssensitiven Material
gebildet wird; und das erste, zweite und dritte strahlungssensitive
Material mit einer Mehrzahl kollimierter Strahlenbündeln
durch die strahlungstransparenten Durchbrechungen in der Maskierung
beaufschlagt werden, wodurch eine Mikrofachwerkstruktur in dem zweiten
strahlungssensitiven Material zwischen dem Paar von Gittern gebildet
wird.
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ZEICHNUNGEN
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Die
obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden
dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung
insbe sondere unter Bezugnahme auf die hier beschriebenen Zeichnungen
offensichtlich.
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1 ist
eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung einer Brennstoffzelle
gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist
eine teilweise perspektivische Seitenansicht einer Diffusionsmediumschicht
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Offenbarung;
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3 ist
eine teilweise perspektivische Ansicht von oben der in 2 gezeigten
Diffusionsmediumschicht;
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4 ist
eine teilweise perspektivische Seitenansicht der in 2 gezeigten
Diffusionsmediumschicht;
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5 ist
eine teilweise perspektivische Seitenansicht einer Diffusionsmediumschicht
gemäß einer anderen Ausführungsform der
vorliegenden Offenbarung mit einer Mehrzahl von versetzten Fachwerkelementen;
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6 ist
eine vergrößerte bruchstückhafte perspektivische
Ansicht der in 5 gezeigten Diffusionsmediumschicht,
die ferner spitze Ecken zeigt;
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7 ist
eine schematische Seitenschnittansicht einer auf strahlungssensitiven
Materialien angeordneten Maskierung gemäß eines
Verfahrens der vorliegenden Offenbarung;
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8 ist
eine schematische Seitenschnittansicht der Maskierung und des strahlungssensitiven Materials,
wie in 7 gezeigt ist, die ferner eine Beaufschlagung
der strahlungssensitiven Materialien mit zumindest teilweise dekollimierten
Strahlenbündeln zeigt;
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9 ist
eine schematische Seitenschnittansicht der Maskierung und der strahlungssensitiven Materialien,
wie in den 7 und 8 gezeigt
ist, die ferner eine Beaufschlagung mit kollimierten Strahlenbündeln
zeigt; und
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10 ist
eine schematische Seitenschnittansicht der Maskierung und strahlungssensitiven Materialien,
wie in den 7, 8 und 9 gezeigt
ist, die ferner eine Ausbildung versetzter Fachwerkelemente gemäß der
vorliegenden Offenbarung zeigt.
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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 durchzuführen
und zu verwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang
der Erfindung auf irgendeine Weise einschränken. In Bezug
auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhafter
Natur und sind daher weder notwendig noch kritisch.
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1 zeigt
einen PEM-Brennstoffzellenstapel 2 gemäß der
vorliegenden Offenbarung. Der Einfachheit halber ist in 1 nur
ein zwei Zellen umfassender Stapel (d. h. eine einzelne Bipolarplatte)
veranschaulicht und beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass ein
typischer Brennstoffzellenstapel 2 viel mehr derartige
Zellen und Bipolarplatten besitzt. Der Brennstoffzellenstapel 2 umfasst
zumindest eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 3. Die
MEA 3 kann aus einer Elektrolytmembran 4 geformt
sein, die durch eine Unterdichtung bzw. ein Subgasket 6 geträgert
ist. Die Elektrolytmembran 4 ist schichtartig zwischen
einem Paar von Elektroden 7 angeordnet. Obwohl die MEAs 3 der
Einfachheit halber mit einer Konstruktion mit katalysatorbeschichteter
Membran (CCM) gezeigt sind, sei zu verstehen, dass der Brennstoffzellenstapel 2 gegebenenfalls
eine Konstruktion mit katalysatorbeschichtetem Diffusionsmedium
(CCDM) verwenden kann.
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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 unipolaren Endplatten 14 beispielsweise
durch eine 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 Mehrzahl
von Strömungskanälen (nicht gezeigt) aufweisen,
die derart ausgebildet sind, dass die Reaktanden an die Elektroden 7 verteilt
werden. Der Brennstoffzellenstapel 2 kann nicht leitende
Dichtungen 18 aufweisen, um Abdichtungen und eine elektrische
Isolierung zwischen den Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 bereitzustellen.
Wenn jedoch die Unterdichtungen 6 den Brennstoffzellenstapel 2 ausrei chend
abdichten und elektrisch isolieren, sei angemerkt, dass die Dichtungen 18 gegebenenfalls
nicht verwendet werden müssen.
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Der
Brennstoffzellenstapel 2 gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst eine poröse, elektrisch leitende Diffusionsmediumschicht 20,
die zumindest teilweise aus einem strahlungssensitiven Material geformt
ist. Die Formung der strahlungsgehärteten Strukturen, wie
der Diffusionsmediumschicht 20 aus dem strahlungssensitiven
Material, sind beispielsweise in der ebenfalls anhängigen
U.S. Patentanmeldung Seriennr. 12/339,308 des Anmelders beschrieben,
deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme hiermit eingeschlossen
ist.
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Die
porösen Diffusionsmediumschichten 20 grenzen an
die Elektroden 7 an, die benachbart der Elektrolytmembran 4 angeordnet
sind, und sind derart konfiguriert, dass sie die Brennstoffzellenreaktanden
daran verteilen. Die Diffusionsmediumschichten 20 sind
zwischen den Elektroden 7 und der Bipolarplatte 8 und
zwischen der Elektrolytmembran 4 und der unipolaren Endplatte 14 angeordnet.
Ein Fachmann kann erkennen, dass die Diffusionsmediumschichten 20 gegebenenfalls
auch mikroporöse Schichten (nicht gezeigt) besitzen können,
die zwischen den Diffusionsmediumschichten 20 und den Elektroden 7 angeordnet
sind.
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Die
MEAs 3, die Bipolarplatte 8, die unipolaren Endplatten 14 und
die Dichtungen 18 umfassen jeweils eine Kathodenlieferdurchbrechung 22 und eine
Kathodenaustragsdurchbrechung 24, eine Kühlmittellieferdurchbrechung 25 und
eine Kühlmittelaustragsdurchbrechung 27 sowie
eine Anodenlieferdurchbrechung 26 und eine Anodenaustragsdurchbrechung 28.
Lieferverteiler und Austragssammler des Brennstoffzellenstapels 2 sind
durch eine Ausrichtung der jeweiligen Durchbrechungen 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.
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Wie
in den 2 bis 4 gezeigt ist, umfasst die Diffusionsmediumschicht 20 eine
Mikrofachwerkstruktur 200, die zwischen einem Paar von
Gittern 202, 204 angeordnet ist. Die Diffusionsmediumschicht 20 ist
porös und elektrisch leitend. Zumindest eines der Mikrofachwerkstruktur 200 und
der Gitter 202, 204 ist aus dem strahlungssensitiven
Material hergestellt. Die strahlungssensitiven Materialien, die verwendet
werden, um zumindest eines von der Mikrofachwerkstruktur 200 und
den Gittern 202, 204 gemäß der
vorliegenden Offenbarung zu bilden, umfassen strahlungshärtbare
Materialien und durch Strahlung dissoziierbare Materialien. Der
Ausdruck ”strahlungshärtbares Material” ist
hierin als jedes Material definiert, das, wenn es einer Strahlung
ausgesetzt ist, initiiert bzw. angeregt, polymerisiert und/oder
vernetzt wird. Es sei angemerkt, dass auch eine Erhöhung
der Temperatur verwendet werden kann, um zumindest teilweise eine
Polymerisation oder Vernetzung der strahlungshärtbaren
Materialien anschließend an eine Initiierung durch Strahlungseinfluss
zu beenden. Der Ausdruck ”durch Strahlung dissoziierbares
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 dissoziierbare Material durch
ein ausreichendes Brechen von Vernetzungen und/oder Spalten des
Polymergerüsts des durch Strahlung dissoziierbaren 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 von Jacobsen in dem
US Patent-Nr.
7,382,959 und der U.S.-Patentanmeldung Serien-Nr. 11/801,908 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 freie radikalische Photopolymermaterial wie z. B. Urethane (Polyurethane),
Acrylate, Methacrylate und kationische Polymere wie photogehärtete
Epoxide umfassen. Es können auch andere geeignete Photomonomere
verwendet werden
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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 eine 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 ein Erwärmen
erforderlich ist, um die Polymerisation oder Polykondensation zu
erzeugen, wird der Prozess als ”photoinitiiert” bezeichnet.
Es sei angemerkt, 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 strahlungssensitiven Polymere können
gerade den Initiierungsprozess durchlaufen und infolge der inhärenten
Stabilität und begrenzten Diffusionsrate der chemischen
Spezies innerhalb der festen strahlungssensitiven Polymere kann
der Aushärtungsprozess viel später ohne einen wesentlichen
Merkmalabbau erfolgen. Es sei angemerkt, dass die meisten photoinitiierten
Polymere den Aushärtungsprozess zu Beginn des Initiierungsprozesses
beginnen, jedoch 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.
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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 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.
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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 einer
speziellen Strahlung ausgesetzt 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 der Strahlung ausgesetzt
waren. Bereiche, in denen das Positiv-Resist-Polymer gehärtet bleibt,
werden maskiert und nicht beaufschlagt, 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 nach Bedarf andere Typen von Positiv-Resist-Polymeren
verwendet werden.
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Die
Strahlung, die verwendet wird, um die strahlungssensitiven Materialien
zu härten oder zu dissoziieren, umfasst z. B. einen UV-Strahl
von einer Quecksilberdampflampe. Nach Bedarf kann die Strahlung
eine elektromagnetische Strahlung oder eine Teilchenstrahlung sein.
Für einen geübten Fachmann ist zu erkennen, dass
auch Strahlung mit anderen Wellenlängen wie z. B. Infrarot,
sichtbares Licht und Röntgenstrahlung, und von anderen
Quellen wie z. B. weißglühendes Licht und von
Lasern, verwendet werden können. Es kann auch eine Teilchenstrahlung
wie z. B. ein Elektronenstrahl von einer Kathodenstrahlquelle verwendet
werden.
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Es
sei ferner zu verstehen, dass die Strahlung nach Bedarf kollimiert,
teilweise kollimiert oder nicht kollimiert sein kann.
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Die
Strahlung wird typischerweise über zumindest eine Maskierung 710 zu
dem strahlungssensitiven Material geleitet (in den 7 bis 10 gezeigt),
die darin gebildete Durchbrechungen oder Öffnungen aufweist,
durch die hindurch die Strahlung mit dem strahlungssensitiven Material
in Kontakt treten kann. Die Strahlungsbeaufschlagung kann z. B. mit
einem einzelnen kollimierten Strahl, wie z. B. einem Laser erfolgen.
Die Durchbrechungen können im Wesentlichen strahlungstransparente
Durchbrechungen sein, die z. B. in einem ansonsten lichtundurchlässigen
oder Strahlung blockierenden Material gebildet sind. Die Maskierung 710 kann
z. B. aus einer Ebene aus Glas oder Mylarlage gebildet sein und das
Leiten der Strahlenbündel unter einem Winkel relativ zu
entweder der Maskierung oder dem darunter liegenden strahlungssensitiven
Material erleichtern. Die Maskierung kann nach einer Beaufschlagung weg
gehoben und zur Wiederverwendung gereinigt werden. Die in der Maskierung 710 gebildeten
Durchbrechungen und Öffnungen 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 Diffusionsmediumschicht 20 besser
anpassen können.
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Bei
einer illustrativen Veranschaulichung weist die Oberfläche
der Maskierung 710 eine Mehrzahl von Löchern mit
einem Durchmesser von etwa 10 Mikrometer auf. Die Strahlenbeaufschlagung kann
z. B intermittierend in einer Reihe von kurzen Beaufschlagungen
oder längeren Perioden erfolgen, um den gewünschten
strukturellen Aufbau vorzusehen. Der Fachmann kann nach Bedarf geeignete Maskierungsmaterialien,
Durchbrechungs- und Öffnungsgrößen und
-formen sowie resultierende strukturelle Konfigurationen wählen.
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Die
Mikrofachwerkstruktur 200 der Diffusionsmediumschicht 20 kann
eine Mehrzahl erster Fachwerkelemente 205, die sich entlang
einer ersten Richtung erstrecken, eine Mehrzahl zweiter Fachwerkelemente 207,
die sich entlang einer zweiten Richtung erstrecken, eine Mehrzahl
dritter Fachwerkelemente 209, die sich entlang einer dritten
Richtung erstrecken, und eine Mehrzahl vierter Fachwerkelemente 211 aufweisen,
die sich entlang einer vierten Richtung erstrecken. Die ersten,
zweiten, dritten und vierten Fachwerkelemente 205, 207, 209, 211 können
sich an einer Mehrzahl von Knoten 212 gegenseitig durchdringen.
Es sei angemerkt, dass die ersten, zweiten, dritten und vierten
Fachwerkelemente 205, 207, 209, 211 sich
nicht gegenseitig durchdringen brauchen oder sich gegebenenfalls
an der Mehrzahl von Knoten 212 auf einer intermittierenden Basis
gegenseitig durchdringen können. Die Knoten 212 können
z. B. auch benachbart von einem der Gitter 202, 204 selektiv
geformt sein. Die ersten, zweiten, dritten und vierten Fachwerkelemente 205, 207, 209, 211 bilden
eine kontinuierliche, dreidimensionale, selbst tragende zelluläre
Struktur. Obwohl die Mikrofachwerkstruktur 200 mit der
Mehrzahl von ersten Fachwerkelementen 205, der Mehrzahl
von zweiten Fachwerkelementen 207, der Mehrzahl von dritten Fachwerkelementen 209 und
der Mehrzahl von vierten Fachwerkelementen 211 eine 4-fache
architektonische Symmetrie aufweisen können, wie hier oben beschrieben
ist, sei dem Fachmann angemerkt, dass andere Architekturen für
die Mikrofachwerkstruktur 200, wie eine 3-fache Symmetrie
und eine 6-fache Symmetrie, innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden
Offenbarung verwendet werden können. Die spezielle Architektur
kann z. B. gewählt sein, um den Zusammenhalt der Mikrofachwerkstruktur 200 zu
erhöhen und die Anfällig keit gegenüber
einem Durchbiegen und Knicken der Mikrofachwerkstruktur 200 unter
Belastung zu reduzieren. Die gewählte Architektur kann
nach Bedarf symmetrisch oder asymmetrisch sein. Die Architektur
kann auch gewählt sein, um die Festigkeit und Steifigkeit
der Mikrofachwerkstruktur 200 zu optimieren. Dem Fachmann
sei ferner angemerkt, dass nach Bedarf die anderen Architekturen
für die Mikrofachwerkstruktur 200 verwendet werden
können.
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Beispielhafte
Architekturen der Mikrofachwerkstruktur
200 sind von Jacobsen
in dem
U.S.-Patent Nr. 7,382,959 und
der U.S.-Patentanmeldung Serien-Nr. 11/801,908 beschrieben. Zum
Beispiel kann die Mehrzahl von ersten Fachwerkelementen
205 durch
eine Mehrzahl von ersten sich selbst fortpflanzenden Polymer-Fachwerk-Wellenleitern
definiert sein. Die Mehrzahl von zweiten Fachwerkelementen
207 kann
durch eine Mehrzahl von zweiten sich selbst fortpflanzenden Polymer-Fachwerk-Wellenleitern
definiert sein. Die Mehrzahl von dritten Fachwerkelementen
209 kann
durch eine Mehrzahl von dritten sich selbst fortpflanzenden Polymer-Fachwerk-Wellenleitern
definiert sein. Nach Bedarf können andere geeignete Mittel
zum Bilden der Mikrofachwerkstruktur
200 verwendet werden.
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Dem
Fachmann sei angemerkt, dass die spezielle Mikrofachwerkstruktur 200 nach
Bedarf durch zumindest eines von: 1) Wählen der Winkel und
der Muster der Polymer-Fachwerkelemente 205, 207, 209 in
Bezug aufeinander, 2) Einstellen der Packung oder der relativen
Dichte der resultierenden Zellstruktur und 3) Wählen der
Querschnittsformen und Dimensionen der Polymer-Fachwerkelemente 205, 207, 209 konstruiert
werden kann. Im Speziellen können Polymer-Fachwerkelemente 205, 207, 209 mit
einer elliptischen Fachwerkquerschnittsform einem Abbau mit Differenzen im
thermischen Ausdehnungskoeffizienten entgegenwirken. Nach Bedarf können
auch andere Querschnittsformen verwendet werden.
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Die
Gitter 202, 204 der vorliegenden Offenbarung können
eine Oberfläche besitzen, die ein Stapeln der Diffusionsmediumschicht 20 zwischen
der MEA 3 und der Bipolarplatte 8 erleichtert.
Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann die Oberfläche der
Gitter 202, 204 im Wesentlichen planar sein. Die Gitter 202, 204 besitzen
ferner eine Mehrzahl von darin geformten Öffnungen 213.
Die Öffnungen 213 unterstützen eine Reaktandenverteilung
und Wasserbewegung durch die Diffusionsmediumschicht 20.
Illustrativ können die Gitter 202, 204 aus
einer Mehrzahl von ersten Wanden 214, die sich entlang
einer ersten Richtung erstrecken, und einer Mehrzahl von zweiten
Wänden 216, die sich entlang einer zweiten Richtung
erstrecken, geformt sein. Die ersten und zweiten Wände 214, 216 können
sich überschneiden, um die Mehrzahl von Öffnungen 213 in
den Gittern 202, 204 zu bilden. Die ersten und
zweiten Wände 214, 216 können Öffnungen 213 mit
einer vierseitigen Form, wie beispielsweise einer quadratischen Form,
einer rechtwinkligen Form oder einer diamantartigen Form, bilden.
Es sei angemerkt, dass gegebenenfalls andere Formen für
die Öffnungen 213 gewählt werden können.
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Die
Diffusionsmediumschicht 20 ist elektrisch leitend. Die
Diffusionsmediumschicht 20 kann mit einem elektrisch leitenden
Material beschichtet sein. Als ein nicht beschränkendes
Beispiel kann zumindest eines der Mikrofachwerkstruktur 200 und
der Gitter 202, 204 mit einer Metallbeschichtung
plattiert sein, die im Wesentlichen oxidationsbeständig,
reduktionsbeständig wie auch säurebeständig
ist. Das elektrisch leitende Material kann ein Edelmetall aufweisen,
das aus der Gruppe gewählt ist, die z. B. 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 leitende Material Gold (Au).
In einer weiteren speziellen Ausführungsform ist das elektrisch
leitende Material 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
den Fachmann zu erkennen ist, kann das elektrisch leitende Material
Mischungen oder Legierungen aus den oben angeführten Metallen
umfassen. Es können nach Bedarf auch andere elektrisch
leitende Metalle und Materialien verwendet werden.
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Das
elektrisch leitende Material kann auf zumindest einem der Mikrofachwerkstruktur 200 und den
Gittern 202, 204 mittels z. B. Elektronenstrahlverdampfung,
Magnetron-Sputtern, physikalischer Gasphasenabscheidung, chemischer
Gasphasenabscheidung, Atomschichtabscheidung, elektrolytische Abscheidung,
stromlose Abscheidung, Flammenspritzabscheidung, Bürstengalvanisierung
oder weitere ähnliche Prozesse abgeschieden werden. Es können
auch lösungsbasierte Elektroplattier- bzw. Galvanisiertechniken,
die das Eintauchen des zumindest einen der Mikrofachwerkstruktur 200 und
der Gitter 202, 204 in ein galvanisches Bad umfassen, verwendet
werden. Es kann auch das Aufbringen des elektrisch leitenden Materials
in der Form eines Aufschlämmungspulvers und anschließendes
Brennen des Aufschlämmungspulvers, um die Beschichtung zu
bilden, verwendet werden. Der Fachmann kann mehr als eine Abscheidungstechnik
wählen, um Unterschiede zwischen Sichtlinien- und Nicht-Sichtlinieneigenschaften
der gewählten Abscheidungstechniken zu berücksichtigen.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann das elektrisch leitende
Material im Wesentlichen gleichmäßig auf sowohl
den Innen- als auch Außenflächen der Mikrofachwerkstruktur 200 und
der Gitter 202, 204 abgeschieden werden. Nach Bedarf
können geeignete Mittel zum Beschichten und Dicken des
elektrisch leitenden Materials auf die Mikro fachwerkstruktur 200 und
die Gitter 202, 204 der Diffusionsmediumschicht 20 gewählt
werden.
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Bei
einer besonderes illustrativen Ausführungsform kann das
elektrisch leitende Material auf zumindest eines der Mikrofachwerkstruktur 200 und der
Gitter 202, 204 in mehreren Plattierschritten
beschichtet werden. Zum Beispiel kann die elektrisch leitende Beschichtung
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 20 und der Bipolarplatte 8 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 begrenzen.
Nach Bedarf können andere Verfahren zum Beschichten des
elektrisch leitenden Materials auf die Diffusionsmediumschicht 20 verwendet
werden.
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Es
sei angemerkt, dass das elektrisch leitende Material auch ein Metalloxid
oder eine Keramik sein kann. Bei bestimmten illustrativen Ausführungsformen
kann zumindest eines der Mikrofachwerkstruktur 200 und
der Gitter 202, 204 mit dem Metalloxid oder der
Keramik beschichtet sein, um ein gewünschtes Niveau an
Biegefestigkeit und elektrischer Leitendkeit bereitzustellen. Geeignete
keramische Mikrofachwerkstrukturen 200 und Verfahren zur Herstellung
keramischer Mikrofachwerkstrukturen 200 sind offenbart
von Gross et al. in der U.S.-Patentanmeldung Seriennummer 12/074,727,
deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme hiermit eingeschlossen
ist.
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Dem
Fachmann sei verständlich, dass die Diffusionsmediumschicht 20,
die aus dem strahlungssensitiven Material geformt ist, karbonisiert
werden kann, um zu bewirken, dass die Diffusionsmediumschicht 20 elektrisch
leitend wird. Offene zelluläre Kohlenstoff-Mikrostrukturen
und Verfahren zur Herstellung derselben aus einem Polymervorlagenmaterial
ist von Jacobsen in der U.S. Patentanmeldung mit der Seriennummer
11/870,379 offenbart, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme in
ihrer Gesamtheit hiermit eingeschlossen ist. Andere geeignete Verfahren
zum Karbonisieren des strahlungsgehärteten Polymers, das
die Diffusionsmediumschicht 20 bildet, können
ebenfalls verwendet werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform kann zumindest eines der
Mikrofachwerkstruktur 200 und der Gitter 202, 204 aus
einem strahlungssensitiven Material geformt sein, das im gehärteten
Zustand elektrisch leitend ist. Wenn das strahlungssensitive Material
elektrisch leitend ist, muss die Beschichtung des elektrisch leitenden
Materials auf zumindest einem der Mikrofachwerkstruktur 200 und
der Gitter 202, 204 der Diffusionsmediumschicht 20 möglicherweise
nicht verwendet werden.
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Der
Fachmann kann die geeigneten Abmessungen für die Diffusionsmediumschicht 20 nach
Bedarf wählen. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann
die Dicke der Diffusionsmediumschicht 20 zwischen etwa
50 Mikrometer und etwa 250 Mikrometer, bevorzugt zwischen 100 Mikrometer
und 200 Mikrometer und am bevorzugtesten bei etwa 150 Mikrometer
liegen. Zumindest eines der ersten, zweiten, dritten und vierten
Fachwerkelemente 205, 207, 209, 211 des
Mikrofachwerks 200 und der ersten und zweiten Wände 214, 216 der
Gitter 202, 204 kann eine Dicke von bis zu etwa
50 Mikrometer, bevorzugt bis zu etwa 35 Mikrometer und am bevorzugtesten bis
zu etwa 20 Mikrometer besitzen. Es können auch andere geeignete
Abmessungen für die Mikrofachwerkstruktur 200 und
die Gitter 202, 204 gewählt werden, um
die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 2 zu
optimieren.
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Die
Diffusionsmediumschicht 20 gemäß der vorliegenden
Offenbarung und insbesondere die Mikrofachwerkstruktur 200 können
eine räumlich variierenden Massentransportwiderstand zur
Steuerung eines Wassermanagements in dem Brennstoffzellenstapel 2 besitzen.
Der räumlich variierende Massentransportwiderstand kann
durch Einstellen zumindest eines von einer Porosität, einer
Tortuosität, einer Porengröße und einer
Dicke der Diffusionsmediumschicht 20, die aus dem strahlungssensitiven
Material geformt ist, erhalten werden. Der räumlich variierende
Massentransportwiderstand kann beispielsweise gewählt werden,
wie in der U.S. Anmeldung mit der Seriennummer 11/778,741 von Berning
beschrieben ist, die hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hiermit
eingeschlossen ist. Die Diffusionsmediumschicht 20 kann
mit einer Mehrzahl von Teilen mit verschiedenem Massentransportwiderstand geformt
sein, wie einem stromaufwärtigen Teil und einem stromabwärtigen
Teil. Der stromaufwärtige Teil kann eine Struktur besitzen,
um ein Austrocknen des Brennstoffzellenstapels 2 zu verhindern,
und der stromabwärtige Teil besitzt eine Struktur, um ein
Fluten des Brennstoffzellenstapels 2 zu verhindern. Es sei
angemerkt, dass der räumlich variierende Massentransportwiderstand
leicht durch Bildung der Diffusionsmediumschicht 20 aus
dem strahlungssensitiven Material gewählt werden kann,
wie hier beschrieben ist.
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Eine
alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist in den 5 bis 6 gezeigt. Gleiche
Strukturen der 1 bis 4 besitzen
dieselben Bezugszeichen sowie ein Strichindex-(')-Symbol oder ein
Doppelstrichindex-('')-Symbol zu Zwecken der Klarheit. Die Diffusionsmediumschicht 20' kann
eine Mikrofachwerkstruktur 200' mit einer Mehrzahl versetzter
Fachwerkelemente 500 aufweisen. Die versetzten Fachwerkelemente 500 können
zumindest teilweise benachbart zumindest einem der ersten, zweiten
und dritten Fachwerkelemente 205', 207', 209' angeordnet
sein. Wie in 6 gezeigt ist, können
die versetzten Fachwerkelemente 500 eine spitze Ecke 600 mit
einem der ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente 205', 207', 209' bilden,
benachbart der die versetzten Fachwerkelemente 500 angeordnet
sind. Die spitze Ecke 600 kann Wassersaugpfade bilden,
die eine Entfernung von Wasser während des Betriebs des
Brennstoffzellenstapels 2 unterstützen.
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Die
Gitter 202', 204' der Diffusionsmediumschicht 20' können
ferner aus einer Mehrzahl dritter Wände 502 geformt
sein. Die ersten, zweiten und dritten Wände 214', 216', 502 können
sich überschneiden, um eine Mehrzahl von ersten Öffnungen 213' und
eine Mehrzahl von zweiten Öffnungen 213'' zu bilden.
Obwohl die Öffnungen 213, 213', 213'',
die aus der Mehrzahl von ersten Wänden 214, 214' und der
Mehrzahl von zweiten Wänden 216, 216' geformt sind,
allgemein vierseitig sind, sei dem Fachmann verständlich,
dass auch andere Formen der Öffnungen 213, 213', 213'' verwendet
werden können. Beispielsweise können die ersten Öffnungen 213' eine allgemein
dreieckige Form besitzen, und die zweiten Öffnungen 213'' können
eine allgemein sechseckige Form besitzen. Die ersten Öffnungen 213' können eine
Größe besitzen, die den Wassertransport von dem
Brennstoffzellenstapel 2 unterstützt, und die zweiten Öffnungen 213'' können
eine Größe besitzen, die eine Verteilung von Reaktanden
zu dem Brennstoffzellenstapel 2 unterstützt. Bei
einer bestimmten Ausführungsform besitzen die ersten Öffnungen 213' einen
kleineren durchschnittlichen Durchmesser, als die zweiten Öffnungen 213'.
Beispielsweise kann der durchschnittliche Durchmesser der ersten Öffnungen 213' kleiner
als etwa 50 Mikrometer, bevorzugt kleiner als etwa 40 Mikrometer
und am bevorzugtesten kleiner als etwa 30 Mikrometer sein. Bei einem
weiteren Beispiel kann der durchschnittliche Durchmesser der zweiten Öffnungen 213'' kleiner
als etwa 115 Mikrometer, bevorzugt kleiner als etwa 100 Mikrometer
und am bevorzugtesten kleiner als etwa 85 Mikrometer sein. Gegebenenfalls können
andere geeignete Formen und Abmessungen für die Öffnungen 213, 213', 213'' gewählt
werden.
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Die
vorliegende Offenbarung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung
der Diffusionsmediumschicht 20. Wie in den 7 bis 10 gezeigt
ist, umfass das Verfahren den Schritt, dass zuerst ein Substrat 700 bereitgestellt
wird, auf dem die Diffusionsmediumschicht 20 geformt werden
soll. Das Substrat 700 kann aus einem beliebigen Material
geformt sein, das die Formung von polymeren Strukturen darauf zulässt.
Das Substrat 700 kann elektrisch nicht leitend sein, wie
Kunststoff, oder kann elektrisch leitend sein, wie rostfreier Stahl.
Das Substrat 700 kann Löcher oder Durchgänge
aufweisen, die so geformt sind, dass sie eine Entfernung von überschüssigem nicht
gehärtetem strahlungssensitivem Material nach der Herstellung
der Diffusionsmediumschicht 20 erleichtern. Es sei angemerkt,
dass der Begriff ”nicht gehärtetes strahlungssensitives
Material” auch dissoziiertes strahlungssensitives Material
innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung enthalten
kann.
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Das
Substrat 700 kann ferner mit einer Beschichtung oder einer
Oberflächenbehandlung zum Verbinden oder Ablösen
von der Diffusionsmediumschicht 20 versehen sein. Als ein
nicht beschränkendes Beispiel kann das Substrat 700 eine
Beschichtung besitzen, die derart angepasst ist, dass sie an das
nicht gehärtete strahlungssensitive Material anbindet.
Die Oberflächenbehandlung kann ferner ein Ablösen
eines gehärteten Polymers von dem Substrat 700 unterstützen.
Insbesondere kann eine Rückseite des Substrates 700,
die typischerweise an einer flachen Fläche oder einer stationären
Basisplatte 702 während der Herstellung der Diffusionsmediumschicht 20 angeordnet
ist, eine Beschichtung aufweisen, um einer unerwünschten
Kontamination oder Plattierung des Substrates 700 entgegenzuwirken. Die
stationäre Basisplatte 702 kann beispielsweise eine
poröse Vakuumspanneinrichtung mit einer druckunterstützten
Freigabe sein. Der Fachmann kann geeignete Oberflächenbehandlungen,
einschließlich Beschichtungen, nach Bedarf wählen.
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Das
Verfahren umfasst ferner die Schritte, dass ein erstes strahlungssensitives
Material 704, ein zweites strahlungssensitives Material 706 und
ein drittes strahlungssensitives Material 708 auf das Substrat 700 aufgetragen
werden. Das zweite strahlungssensitive Material 706 ist
zwischen dem ersten strahlungssensitiven Material 704 und
dem dritten strahlungssensitiven Material 708 angeordnet.
Das erste, zweite und dritte strahlungssensitive Material 704, 706, 708 können
nach Bedarf auf einmal aufgetragen werden oder können vorlaminiert
und dann auf das Substrat 700 aufgetragen werden. Eine
Maskierung 710 ist zwischen zumindest einer Strahlungsquelle 712 und
dem ersten, zweiten und dritten strahlungssensitiven Material 704, 706, 708 angeordnet. Die
Maskierung 710 kann so geformt sein, dass sie beispielsweise
mit einer gewünschten Oberfläche übereinstimmt.
Die Maskierung 710 kann sich nach Bedarf entlang einer
einzelnen Ebene oder entlang mehrerer Ebenen erstrecken. Bei bestimmten
Ausführungsformen kann die Maskierung 710 mehrere Höhen
besitzen, um die Diffusionsmediumschicht 20 mit Gebieten
mit unterschiedlichen Dicken zu formen.
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Das
erste, zweite und dritte strahlungssensitive Material 704, 706, 708 werden
gleichzeitig mit einer Mehrzahl zumindest teilweise dekollimierter Strahlenbündel
durch die strahlungstransparenten Durchbrechungen in der Maskierung 710 beaufschlagt.
Die zumindest teilweise dekollimierten Strahlungsbündel
können beispielsweise durch einen sich bewegenden kollimierten
Strahl vorgesehen werden. Hierdurch wird ein Paar von Git tern 202, 204 in
dem ersten und dritten strahlungssensitiven Material 704, 708 geformt.
Das erste, zweite und dritte strahlungssensitive Material 704, 706, 708 werden dann
gleichzeitig einer Mehrzahl kollimierter Strahlenbündel
durch die strahlungstransparenten Durchbrechungen in der Maskierung 710 beaufschlagt. Hierdurch
wird die Mikrofachwerkstruktur 200 in dem zweiten strahlungssensitiven
Material 706 zwischen dem Paar von Gittern 202, 204 geformt.
Es sei zu verstehen, dass die Formung der Mikrofachwerkstruktur 200 und
der Gitter 202, 204 gemäß dem
vorliegenden Verfahren eine richtige Ausrichtung der Mikrofachwerkstruktur 200 mit
den Gittern 202, 204 unterstützt. Ferner
sei zu verstehen, dass sowohl die Formung der Mikrofachwerkstruktur 200 als
auch der Gitter 202, 204 mit derselben Maskierung 710 durch Änderung
der Strahlungsbündel von zumindest teilweise dekollimiert
zu kollimiert geformt werden können. Gegebenenfalls können
auch zusätzliche Markierungen verwendet werden.
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Dem
Fachmann sei offensichtlich, dass die Formung der Mikrofachwerkstruktur 200 aus
dem zweiten strahlungssensitiven Material 706 und die Formung
der Gitter 202, 204 aus dem ersten und dritten
strahlungssensitiven Material 704, 708 dadurch unterstützt
werden können, dass das erste und dritte strahlungssensitive
Material 704, 708 mit einer schnelleren Aushärtrate
versehen werden, als das zweite strahlungssensitive Material 706.
Bei einer alternativen Ausführungsform können
das erste, zweite und dritte strahlungssensitive Material 704, 706, 708 derart
gewählt sein, dass ein erster Typ von Strahlung das erste
und dritte strahlungssensitive Material 704, 708 härtet,
und ein zweiter Typ von Strahlung das zweite strahlungssensitive
Material 706 härtet. Geeignete strahlungssensitive
Materialien und Strahlungstypen für zumindest eines aus
Initiieren, Polymerisieren und Vernetzen der strahlungssensitiven
Materialien können nach Bedarf gewählt werden.
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Das
Verfahren der vorliegenden Offenbarung umfasst ferner den Schritt,
dass ein nicht gehärtetes Volumen des ersten, zweiten und
dritten strahlungssensitiven Materials 704, 706, 708 nach
den Schritten zum Beaufschlagen des ersten, zweiten und dritten
strahlungssensitiven Materials 704, 706, 708 mit
den zumindest teilweise dekollimierten und kollimierten Strahlenbündeln
entfernt wird. Das Verfahren der vorliegenden Offenbarung kann ferner
den Schritt umfassen, dass das beaufschlagte Material während
der Beaufschlagung oder in einem zweiten Härtungsschritt,
wie Erwärmen, gehärtet wird. Die Mikrofachwerkstruktur 200 und
die Gitter 202, 204 können dann nach
Bedarf mit dem elektrisch leitenden Material beschichtet, mit einem
Metalloxid oder einer Keramik beschichtet und/oder karbonisiert
werden, wie hier oben beschrieben ist. In einem zusätzlichen Schritt
kann die Diffusionsmediumschicht 20 mit der Mikrofachwerkstruktur 200 und
den Gittern 202, 204 von dem Substrat 700 entfernt
werden. Die Beschichtung kann nach Bedarf eine relativ dünne
Schicht, um vor einer Entfernung des Substrats 700 Abmessungen
beizubehalten, oder eine stark duktile Beschichtung sein. Anschließend
kann eine Endbeschichtung an den Oberflächen der Mikrofachwerkstruktur 200 und
den Gittern 202, 204 mit dem gewählten
elektrisch leitenden Material aufgetragen werden.
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Bei
einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren den Schritt
umfassen, dass die zumindest eine Strahlungsquelle 712 während
der Formung der Mikrofachwerkstruktur 200 aus der Ebene gedreht
wird. Hierdurch können das zumindest eine versetzte Fachwerkelement 500,
das benachbart zumindest einem des ersten Fachwerkelementes 205, des
zweiten Fachwerkelementes 207, des dritten Fachwerkelementes 209 und
des vierten Fachwerkelementes 211 angeordnet ist, geformt
werden. Ähnlicherweise werden auch die spitzen Ecken 600 zum Wegsaugen
von Wasser von der MEA 3 während des Betriebs
des Brennstoffzellenstapels 2 durch die Formung der versetzten
Fachwerkelemente 500 geformt.
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Es
ist überraschend herausgefunden worden, dass der Einsatz
der Mikrofachwerkstruktur 200 und der Gitter 202, 204,
die aus strahlungssensitiven Materialien geformt werden, die kosteneffektive
Produktion der Diffusionsmediumschicht 20 zur Verwendung
in dem Brennstoffzellenstapel 2 ermöglicht. Die vorliegende
Herstellmethode ist auch weniger teuer als herkömmliche
Formungsverfahren und ermöglicht die Herstellung der Diffusionsmediumschicht 20 mit
verschiedenen Konfigurationen, einschließlich eines räumlich
variierenden Massentransportwiderstandes, mit signifikant verringerten
Durchlaufzeiten. Insbesondere können die Reduktionen hinsichtlich der
Produktionskosten aus einem Ersatz des herkömmlichen Kohlepapier-Diffusionsmediums
resultieren.
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Während
bestimmte repräsentative Ausführungsformen und
Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt
worden sind, sei dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen
ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt
werden können, der ferner in den folgenden angefügten
Ansprüchen beschrieben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 7382959 [0006, 0030, 0039]
- - US 6274288 [0006]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Jacobsen et
al. in ”Compression behavior of micro-scale truss structures
formed from selfpropagating polymer waveguides”, Acta Materialia
55, (2007) 6724–6733 [0006]