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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere eine Brennstoffzellen-Separatorplatte, die durch Photopolymerisierung hergestellt wird.
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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 (DM), wie Kohlefaserpapier, angeordnet, was eine Lieferung von Reaktanden, wie Wasserstoff an die Anode und Sauerstoff an die Kathode, unterstützt. 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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Die Elektrolytmembran ist typischerweise aus einer lonomerschicht geformt. Ein typisches lonomer ist ein Perfluorsulfonsäure-(PFSA-)Polymer, wie Nafion®, das von E.I. du Pont de Nemours und Company kommerziell erhältlich ist. Die Elektroden der Brennstoffzelle sind allgemein aus einem fein geteilten Katalysator geformt. Der Katalysator kann ein beliebiger Elektrokatalysator sein, der eine Oxidation von Wasserstoff oder Methanol und/oder eine Reduktion von Sauerstoff für die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle katalytisch unterstützt. Der Katalysator ist typischerweise ein Edelmetall, wie Platin oder ein anderes Metall der Platingruppe. Der Katalysator ist allgemein auf einem Kohlenstoffträger, wie Rußpartikeln, angeordnet und in einem lonomer dispergiert.
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Die Elektrolytmembran, die Elektroden und die DM sind zwischen einem Paar von Brennstoffzellen-Separatorplatten angeordnet und beispielsweise mit einer Dichtung abgedichtet, die eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung bereitstellt. Jede der Separatorplatten kann eine Mehrzahl von darin geformten Kanälen zur Verteilung der Reaktanden und des Kühlmittels an die Brennstoffzelle aufweisen. Die Separatorplatte wird typischerweise durch einen herkömmlichen Prozess zum Formen von Blech, wie beispielsweise Stanzen bzw. Prägen, spanabhebendes Bearbeiten, Formen oder Photoätzen durch eine photolithografische Maskierung, geformt. In dem Fall einer bipolaren Separatorplatte ist die bipolare Separatorplatte typischerweise aus einem Paar von unipolaren Platten geformt, die dann verbunden werden. Es ist auch bekannt, die Separatorplatte aus einem Verbund- bzw. Kompositmaterial zu formen, wie ein Graphit-Verbundstoff- bzw. -Komposit oder ein graphitgefülltes Polymer. Unglücklicherweise sind die bekannten Verfahren zum Formen der Separatorplatten teuer und zeitaufwendig.
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Es ist auch bekannt, Separatorplatten für Brennstoffzellen gemäß herkömmlicher Schäumungsprozesse herzustellen, wie mit netzartigen Metallschaummaterialien. Jedoch erzielen herkömmliche Schäumungsprozesse ungleichförmige und zufällige (nicht geordnete) dreidimensionale Mikrostrukturen. Es existieren gewisse Techniken, um geordnete dreidimensionale Mikrostrukturen zu erzeugen, wie Stereolithographietechniken; jedoch verlassen sich diese Techniken typischerweise auf eine von unten nach oben gerichtete Schicht-um-Schicht-Vorgehensweise, was die Produktionsvolumenskalierbarkeit verhindert. Ergänzend sei auf die
US 2006/0286488 A1 verwiesen, die ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Strukturen beschreibt, wobei ein optisches Interferenzmuster mit 3D-Verteilungen von elektromagnetischen Strahlungsintensitäten verwendet wird, um ein strahlungsempfindliches Material chemisch und/oder physikalisch zu modifizieren. Dieses Verfahren kann auch bei Brennstoffzellen angewendet werden.
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Es sind strahlungsgehärtete Strukturen beschrieben, wie von
Jacobsen et al. in „Compression behavior of micro-scale truss structures formed from selfpropagating polymer waveguides", Acta Materialia 55 (2007) 6724-6733, wobei deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme hierdurch eingeschlossen ist. Ein Verfahren und System zur Erzeugung strahlungsgehärteter Strukturen ist von Jacobsen in dem U.S.-Patent
US 7,382,959 B1 offenbart. Das System umfasst zumindest eine kollimierte Lichtquelle, die so gewählt ist, dass sie einen kollimierten Lichtstrahl erzeugt; ein Reservoir mit einem Photomonomer, das derart angepasst ist, dass es durch den kollimierten Lichtstrahl polymerisiert; und eine Maskierung mit zumindest einer Durchbrechung und die zwischen der zumindest einen kollimierten Lichtquelle und dem Reservoir positioniert ist. Die zumindest eine Durchbrechung ist derart angepasst, dass sie einen Anteil des kollimierten Lichtstrahls in das Photomonomer führt, um den zumindest einen Polymerwellenleiter durch einen Abschnitt eines Volumens des Photopolymers zu bilden. Weitere strahlungsgehärtete Strukturen sind von Jacobsen in der U.S. Patentanmeldung
US 8,197,930 B1 offenbart. Ein Polymermaterial, das Strahlung ausgesetzt ist und in einer Selbstfokussierung oder einem Selbstabfangen von Licht durch Bilden von Polymerwellenleitern resultiert, ist auch von Kewitsch et al. in dem U.S. Patent
US 6,274,288 B1 beschrieben.
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Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einer Struktur und einem Verfahren zum Herstellen von Separatorplatten für eine Brennstoffzelle, die/das eine Brennstoffzellenhaltbarkeit optimiert, Werkzeugkosten minimiert, Produktionskosten minimiert sowie eine Entwicklungszeit minimiert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung sind eine Struktur und ein Verfahren zum Herstellen von Separatorplatten entwickelt worden, die/das die Brennstoffzellenhaltbarkeit optimiert, Werkzeugkosten minimiert, Produktionskosten minimiert sowie Entwicklungszeit minimiert.
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Erfindungsgemäß umfasst eine Separatorplatte die Merkmale des Anspruchs 1.
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Figurenliste
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Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die hier beschriebenen Zeichnungen offensichtlich.
- 1 ist eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist ein schematischer bruchstückhafter Seitenaufriss im Schnitt einer Separatorplatte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
- 3 ist ein Prozessflussdiagramm, das das Verfahren zur Herstellung der in den 2 und 3 gezeigten Separatorplatte veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden.
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1 zeigt einen PEM-Brennstoffzellenstapel 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Einfachheit halber ist nur ein Zwei-Zellen-Stapel (d.h. eine Bipolarplatte) in 1 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 Separatorplatte 8 ist zwischen den MEAs 3 angeordnet. Die Elektrolytmembranen 4, die Elektroden 7 und die Separatorplatte 8 können zwischen einem Paar von Klemmplatten 10 und einem Paar von unipolaren Endplatten 14 aneinander gestapelt sein. Die Klemmplatten 10 sind von den unipolaren Endplatten 14 beispielsweise durch eine Dichtung (nicht gezeigt) oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) elektrisch isoliert. Die unipolaren Endplatten 14 und die Separatorplatte 8 umfassen Strömungsfelder 16 zur Verteilung von Reaktanden, wie Wasserstoffgas und Sauerstoff/Luft, an die Elektroden 7. Die Strömungsfelder 16 der Separatorplatte 8 und der unipolaren Endplatten 14 können ferner eine Mehrzahl von Strömungskanälen 206, 208 (in 2 gezeigt) aufweisen, die derart konfiguriert sind, dass sie die Reaktanden an die Elektroden 7 verteilen.
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Der Brennstoffzellenstapel 2 kann nicht leitende Dichtungen 18 aufweisen, um Abdichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 bereitzustellen. Wenn die Unterdichtungen 6 den Brennstoffzellenstapel 2 ausreichend abdichten und elektrisch isolieren, sei jedoch angemerkt, dass die Dichtungen 18 gegebenenfalls weggelassen werden können. 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 Separatorplatte 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 Separatorplatte 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. Die Lieferverteiler und Austragsverteiler des Brennstoffzellenstapels 2 werden durch eine Ausrichtung der jeweiligen Öffnungen 22, 24, 25, 26, 27, 28 in den Unterdichtungen 6, der Separatorplatte 8, den unipolaren Endplatten 14 und den Dichtungen 18 geformt. Wasserstoffgas wird an einen Anodenlieferverteiler über eine Anodeneinlassleitung 30 geliefert. Der Sauerstoff/die Luft wird an einen Kathodenlieferverteiler des Brennstoffzellenstapels 2 über eine Kathodeneinlassleitung 32 geliefert. Eine Anodenauslassleitung 34 und eine Kathodenauslassleitung 36 sind ebenfalls für einen Anodenaustragsverteiler bzw. einen Kathodenaustragsverteiler vorgesehen. Eine Kühlmitteleinlassleitung 38 ist zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an einen Kühlmittellieferverteiler vorgesehen. Eine Kühlmittelauslassleitung 40 ist zur Entfernung von Kühlmittel von einem Kühlmittelaustragsverteiler 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
2 gezeigt ist, wird die Separatorplatte
8 der vorliegenden Offenbarung zumindest teilweise aus einem strahlungssensitiven Material durch einen Prozess, wie beispielsweise Photopolymerisation, hergestellt. Die Formung der strahlungsgehärteten Strukturen, wie der Separatorplatte
8 aus dem strahlungssensitiven Material, sind beispielsweise in der U.S. Patentanmeldung
US 2010/0159398 A1 des Anmelders beschrieben.
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Die Separatorplatte 8 umfasst ein Substrat 200 mit einer strahlungsgehärteten ersten Strömungsfeldschicht 202, die benachbart dazu angeordnet ist. Das Substrat 200 kann auch eine strahlungsgehärtete zweite Strömungsfeldschicht 204 aufweisen, die benachbart dazu angeordnet ist. Das Substrat 200 kann zwischen der ersten Strömungsfeldschicht 202 und der zweiten Strömungsfeldschicht 204 angeordnet sein, um die Separatorplatte 8 mit einer Bipolar-Konfiguration zu versehen.
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Das Substrat 200 ist aus einem elektrisch nicht leitenden Material mit darin geformten Löchern oder Durchgängen ausgebildet, in denen ein elektrisch leitendes Material angeordnet ist. Die elektrisch leitenden Durchgänge sind erfindungsgemäß durch eine elektrisch leitende Beschichtung (in 2 gezeigt) vorgesehen werden, die auf dem Substrat abgeschieden wird.
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Das Substrat 200 kann ferner mit einer Beschichtung (nicht gezeigt) oder einer Oberflächenbehandlung zum Anbinden an die erste und zweite Strömungsfeldschicht 202, 204 versehen werden. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann das Substrat 200 eine Beschichtung aufweisen, die derart angepasst ist, dass sie während der Herstellung der Separatorplatte 8 an ein nicht gehärtetes Polymermaterial anbindet. Das Substrat 200 kann nach Bedarf auch mit einer darin geformten Textur oder mit einem darin geformten Muster versehen sein. Die Flächen des Substrats 200 können beispielsweise durch Prägen, Sandstrahlen oder dergleichen texturiert werden, um eine verfügbare Oberfläche für eine Verbindung zwischen dem Substrat 200 und der ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 202, 204 zu steigern. Ein Fachmann kann nach Bedarf geeignete Oberflächenbehandlungen, einschließlich Beschichtungen, wählen.
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Wie schon erwähnt weist das Substrat
200 darin geformte Durchgangslöcher (nicht gezeigt) auf. Die Durchgangslöcher können ein Ablaufen von restlichen flüssigen strahlungssensitiven Materialien und Lösemitteln oder eine Entfernung von restlichen festen strahlungssensitiven Materialien, die während der Herstellung der Separatorplatte
8 eingesetzt werden, unterstützen. Die Durchgangslöcher können auch typische Endproduktmerkmale bereitstellen, wie beispielsweise Durchlässe und die Sammelleitungsdurchbrechungen
22,
24,
25,
26,
27,
28, wie in der ebenfalls anhängigen U.S.-Patentanmeldung
US 2008/0311437 A1 beschrieben ist. Die Durchgangslöcher können beispielsweise durch mechanische Perforierung oder durch Laserschneiden vor der Aufbringung der ersten und der zweiten Strömungsfeldschicht
202,
204 auf das Substrat
200 geformt werden. Es können auch andere geeignete Mittel zum Formen der Durchgangslöcher eingesetzt werden.
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Die erste Strömungsfeldschicht 202 besitzt eine Mehrzahl strahlungsgehärteter erster Reaktandenströmungskanäle 206. Die zweite Strömungsfeldschicht 204 besitzt eine Mehrzahl strahlungsgehärteter zweiter Reaktandenströmungskanäle 208. Die ersten und zweiten Reaktandenströmungskanäle 206, 208 können durch eine Mehrzahl von sich entlang einer ersten Richtung erstreckenden, ersten Kanalwänden 210 definiert sein. Die ersten und zweiten Reaktandenströmungskanäle 206, 208 können auch durch eine Mehrzahl von sich entlang einer zweiten Richtung erstreckenden, zweiten Kanalwänden 212 definiert sein. Jede der ersten und zweiten Kanalwände 210, 212 kann sich ferner beispielsweise entlang einer Länge der Separatorplatte 8 erstrecken, um den Transport der Reaktandenfluide über die Strömungsfelder 16 der Separatorplatte 8 zu unterstützen. Dem Fachmann sei angemerkt, dass die ersten und zweiten Kanalwände 210, 212 sich entlang der Länge der Separatorplatte 8 nach Bedarf in einer linearen, serpentinenartigen und/oder einer anderen geeigneten Art und Weise erstrecken können. Die ersten und zweiten Kanalwände 210, 212 können sich an einer Mehrzahl von Verbindungsstellen 214 gegenseitig durchdringen. Die Verbindungsstellen 214 können nach Bedarf benachbart einem des Substrats 200 und einer gegenüberliegenden Fläche von einer der ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 202, 204 angeordnet sein.
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Illustrativ können die ersten und zweiten Kanalwände 210, 212 mit dem Substrat 200 zusammenwirken, um eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen 216 zu bilden. Die Kühlmittelkanäle 216 unterstützen eine Temperatursteuerung des Brennstoffzellenstapels 2 während eines Betriebs desselben. Ähnlich den ersten und zweiten Reaktandenströmungskanälen 206, 208 können sich die Kühlmittelkanäle 216 entlang einer Länge der Separatorplatte 8 erstrecken. Als ein nicht beschränkendes Beispiel können die ersten und zweiten Kanalwände 210, 212 im Wesentlichen V-förmige Kühlmittelkanäle 216 bilden. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die ersten und zweiten Reaktandenströmungskanäle 206, 208 aus den ersten und zweiten Kanalwänden 210, 212 geformt. Es sei angemerkt, dass die Formung der ersten und zweiten Reaktandenströmungskanäle 206, 208 und Kühlmittelkanäle 216 als offene V-Formen eine Rückgewinnung restlicher gebrauchter strahlungssensitiver Materialien zulassen kann, die während der Herstellung der Separatorplatte 8 verwendet werden.
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Zumindest eine der ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 202, 204 kann eine Mehrzahl beabstandeter Stützstege 218 aufweisen. Die Stützstege 218 sind zwischen zumindest einer der ersten und zweiten Kanalwände 210, 212 und dem Substrat 200 angeordnet. Die Stützstege 218 können beispielsweise entlang der Länge der ersten und zweiten Kanalwände 210, 212 beabstandet sein. Die Stützstege 218 wirken einer Biegung von zumindest einer der ersten und zweiten Kanalwände 210, 212 entgegen, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 während seines Zusammenbaus komprimiert wird. Insbesondere können die beabstandeten Stützstege 218 eine Strömung von Reaktanden durch das Strömungsfeld 16 unterstützen und einer unerwünschten Biegung der ersten und zweiten Kanalwände 210, 212 unter typischen Brennstoffzellenbetriebsbedingungen entgegenwirken. Die Stützstege 218 können ferner derart angepasst sein, um einen Strom in dem Brennstoffzellenstapel 2 zu führen.
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Bei einer Ausführungsform können die Stützstege 218 durch eine Mikrofachwerkstruktur vorgesehen sein, die zwischen zumindest einer der ersten und zweiten Kanalwände 210, 212 und dem Substrat 200 angeordnet ist. Die Mikrofachwerkstruktur kann eine Mehrzahl erster Fachwerkelemente, die sich entlang einer ersten Richtung erstrecken, eine Mehrzahl zweiter Fachwerkelemente, die sich entlang einer zweiten Richtung erstrecken, eine Mehrzahl dritter Fachwerkelemente, die sich entlang einer dritten Richtung erstrecken, und eine Mehrzahl vierter Fachwerkelemente aufweisen, die sich entlang einer vierten Richtung erstrecken. Die ersten, zweiten, dritten und vierten Fachwerkelemente können sich an einer Mehrzahl von Knoten gegenseitig durchdringen. Es sei angemerkt, dass die ersten, zweiten, dritten und vierten Fachwerkelemente sich nicht gegenseitig durchdringen brauchen oder sich gegebenenfalls an der Mehrzahl von Knoten auf einer intermittierenden Basis gegenseitig durchdringen können. Die ersten, zweiten, dritten und vierten Fachwerkelemente bilden eine im Wesentlichen kontinuierliche, dreidimensionale selbststützende zelluläre Struktur, die eine Strömung von Brennstoffzellenreaktanden hindurch zulässt.
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Obwohl die Mikrofachwerkstruktur mit der Mehrzahl von ersten Fachwerkelementen, der Mehrzahl von zweiten Fachwerkelementen, der Mehrzahl von dritten Fachwerkelementen und der Mehrzahl von vierten Fachwerkelementen eine 4-fache architektonische Symmetrie aufweisen können, wie hier oben beschrieben ist, sei dem Fachmann angemerkt, dass andere Architekturen, wie eine 3-fache Symmetrie und eine 6-fache Symmetrie, verwendet werden können. Die spezielle Architektur kann z. B. gewählt sein, um die Verbindungsfähigkeit der Mikrofachwerkstruktur zu erhöhen und die Anfälligkeit gegenüber einem Durchbiegen und Knicken der Mikrofachwerkstruktur unter Belastung zu reduzieren. Die gewählte Architektur kann je nach Wunsch symmetrisch oder asymmetrisch sein. Die Architektur kann auch so gewählt sein, dass eine Festigkeit und eine Steifigkeit der Mikrofachwerkstruktur optimiert werden. Dem Fachmann sei ferner verständlich, dass gegebenenfalls andere Architekturen für die Mikrofachwerkstruktur verwendet werden können.
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Beispielhafte Architekturen der Mikrofachwerkstruktur sind von Jacobsen in dem US-Patent
US 7,382,959 B1 und der US-Patentanmeldung
US 8,197,930 B1 beschrieben. Zum Beispiel kann die Mehrzahl von ersten Fachwerkelementen durch eine Mehrzahl von ersten sich selbst fortpflanzenden Polymer-Fachwerk-Wellenleitern definiert sein. Die Mehrzahl von zweiten Fachwerkelementen kann durch eine Mehrzahl von zweiten sich selbst fortpflanzenden Polymer-Fachwerk-Wellenleitern definiert sein. Die Mehrzahl von dritten Fachwerkelementen kann durch eine Mehrzahl von dritten sich selbst fortpflanzenden Polymer-Fachwerk-Wellenleitern definiert sein. Die Mehrzahl von vierten Fachwerkelementen kann durch eine Mehrzahl von vierten sich selbst fortpflanzenden Polymer-Fachwerk-Wellenleitern definiert sein. Die ersten, zweiten, dritten und vierten Wellenleiter können z.B. aus einem flüssigen Photomonomer gebildet sein, das bei Photopolymerisation eine Verschiebung des Brechungsindex aufweist. Es sei zu verstehen, dass die Mikrofachwerkstruktur 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 gesteuerte Strahlungsbeaufschlagung eines im Wesentlichen festen strahlungssensitiven Materials , wie hierin beschrieben. Je nach Wunsch können andere geeignete Mittel zum Bilden der Mikrofachwerkstruktur verwendet werden.
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Ein Fachmann sollte einsehen, dass die spezielle Mikrofachwerkstruktur nach Bedarf z.B. 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 konstruiert werden kann. Insbesondere können Polymerfachwerkelemente, die einen elliptischen Querschnitt besitzen, einer Verschlechterung mit Unterschieden im Wärmeausdehnungskoeffizienten des Brennstoffzellenstapels 2 entgegenwirken. Je nach Wunsch können auch andere Querschnittsformen verwendet werden.
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Die erste und zweite Strömungsfeldschicht 202, 204 sind zumindest teilweise aus einem strahlungssensitiven Material ausgebildet. Das strahlungssensitive Material, das verwendet wird, um zumindest eine der ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 202, 204 zu bilden, umfasst strahlungshärtbare Materialien und strahlungsdissoziierbare Materialien. Der Ausdruck „strahlungshärtbares Material“ ist hierin als jedes Material definiert, das, wenn es einer Strahlung ausgesetzt ist, zumindest angeregt bzw. initiiert, polymerisiert oder vernetzt wird. Es sei zu verstehen, dass auch eine Erhöhung der Temperatur verwendet werden kann, um zumindest teilweise eine Polymerisation oder Vernetzung der strahlungshärtbaren Materialien anschließend an eine Initiierung bzw. Anregung durch Strahlungsbeaufschlagung 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 Strahlungsbeaufschlagung bzw. - einfluss 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.
US 7,382,959 B1 und der US-Patentanmeldung
US 8,197,930 B1 beschrieben. Nicht beschränkende Beispiele von geeigneten Photomonomeren umfassen Monomere, die bei Strahlungseinfluss über freie radikalische Polymerisation polymerisieren. Das Photomonomer kann jedes frei radikalische Photopolymermaterial wie z. B. Urethane (Polyurethane), Acrylate, Methacrylate und kationische Polymere wie photogehärtete Epoxide umfassen. Es können auch andere geeignete Photomonomere verwendet werden
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Geeignete im Wesentlichen feste strahlungshärtbare Polymeren 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 z. B. Erwärmen erforderlich ist, um die Polymerisation oder Polykondensation zu schaffen, wird der Prozess als „photoinitiiert“ bezeichnet. Es sei zu verstehen, 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 Initiierungsprozess 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 sei zu verstehen, dass die meisten photoinitiierten Polymere den Aushärtungsprozess zu Beginn des Initiierungsprozesses 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 2000™ auf Epoxidbasis, das im Handel von Microchem Corporation, Newton, Massachusetts kommerziell erhältlich ist. Das Negativ-Resist-Polymer SU-8 2000™ ist durch UV-Strahlung härtbar. Es sei zu verstehen, 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 Beaufschlagen 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 je nach Wunsch andere Arten 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. 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, 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. 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 Maskierung zu dem strahlungssensitiven Material geleitet, die darin gebildete Durchbrechungen oder Öffnungen aufweist, durch die hindurch die Strahlung mit dem strahlungssensitiven Material in Kontakt treten kann. Die Durchbrechungen können im Wesentlichen strahlungsdurchlässige Durchbrechungen sein, die z. B. in einer ansonsten lichtundurchlässigen oder Strahlung blockierenden Beschichtung gebildet sind. Die Maskierung kann z.B. aus Kronglas, Pyrex-Glas oder einem Polyethylenterephtalat-Film, wie einem Mylar®-Film, ausgebildet sein und das Führen von Strahlenbündeln unter einem Winkel relativ zu entweder der Maskierung oder dem darunterliegenden Substrat 200 erleichtern. Die Maskierung kann nach einer Beaufschlagung bzw. Exposition weg gehoben und zur Wiederverwendung gereinigt werden. Es können auch mehrere Maskierungen mit verschiedenen Mustern und Typen der Mehrzahl von Durchbrechungen verwendet werden. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die Maskierung als ein integrales Teil der Strahlungsquelle vorgesehen. Die Durchbrechungen können Formen besitzen, die die strahlungsgehärteten Elemente mit gewünschten Querschnittsformen versehen. Die Durchbrechungen können im Wesentlichen kreisförmig sein, um beispielsweise elliptische Querschnittsformen zu erzeugen. Der Fachmann kann geeignete Maskierungsmaterialien, Durchbrechungsgrößen und -formen, sowie resultierende strukturelle Konfigurationen nach Bedarf wählen.
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Bei einer illustrativen Veranschaulichung weist die Maskierungsoberfläche eine Mehrzahl von Löchern mit einem Durchmesser von etwa 10 Mikrometer auf. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Durchbrechungen längliche Schlitze, die Strahlungslagen bereitstellen, um zumindest die einen der ersten und zweiten Kanalwände 210, 212 mit im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnittsformen zu formen. Die Strahlungslagen können dadurch verwendet werden, um zumindest einen der Reaktandenströmungskanäle 206, 208 und der Kühlmittelkanäle 216 der Separatorplatte 8 zu formen. Die Strahlungsbeaufschlagung kann beispielsweise intermittierend in einer Reihe kurzer Beaufschlagungen oder in längeren Dauern durchgeführt werden, um die gewünschte strukturelle Konstruktion bereitzustellen. Der Fachmann kann nach Bedarf geeignete Maskierungsmaterialien, Durchbrechungs- und Öffnungsgrößen und -formen sowie resultierende strukturelle Konfigurationen wählen.
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Es sei zu verstehen, dass zumindest eine der ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 202, 204 aus strahlungssensitivem Material geformt sein kann, das, wenn es gehärtet ist, elektrisch leitend ist. Bei einer bestimmten Ausführungsform besitzt zumindest eine der ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 202, 204 eine elektrisch leitende Beschichtung 220. Beispielsweise kann zumindest eine der ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 202, 204 mit einer Metallbeschichtung plattiert sein, die im Wesentlichen oxidationsbeständig, reduktionsbeständig wie auch säurebeständig ist. Die Metallbeschichtung kann in mehreren Plattierschritten geformt werden. Beispielsweise kann die Metallbeschichtung durch die Aufbringung einer ersten Schicht auf einer autokatalytischen Nickelbasis, gefolgt durch eine zweite Schicht von NiCr- oder Cr-Plattierung zur Korrosionsbeständigkeit und einer dritten Schicht einer Überdeckung aus Au oder Pd für die Minimierung eines Kontaktwiderstandes zwischen den ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 202, 204 und den benachbarten Diffusionsmediumschichten 20 geformt sein. Beispielsweise können die erste Schicht und die zweite Schicht aufplattiert sein und die dritte Schicht durch physikalische Dampfphasenabscheidung abgetragen werden, um eine Bedeckung zu begrenzen. Gegebenenfalls können andere Verfahren zum Abscheiden der elektrisch leitenden Beschichtung 220 auf zumindest einer der ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 202, 204 verwendet werden.
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Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst die elektrisch leitende Beschichtung 220 ein Edelmetall, das 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. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist die elektrisch leitende Beschichtung 220 Gold (Au). Bei einer weiteren bestimmten Ausführungsform ist die elektrisch leitende Beschichtung 220 Tantal (Ta). Eine weitere geeignete Metallbeschichtung kann Nickel-(Ni)-Legierungen aufweisen, wie Legierungen aus Nickel und Chrom (Cr) oder Nickel und Kobalt (Co). Wie dem Fachmann bekannt ist, kann die elektrisch leitende Beschichtung 220 Mischungen oder Legierungen der oben angeführten Metalle umfassen. Je nach Bedarf können andere elektrisch leitende Metalle und Materialien verwendet werden.
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Die elektrisch leitende Beschichtung 220 kann auf zumindest einer der ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 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 Elektrogalvanisiertechniken verwendet werden, die ein Eintauchen von zumindest einer der ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 202, 204 in ein galvanisches Bad aufweisen. Die Aufbringung der elektrisch leitenden Beschichtung 220 in der Form eines Aufschlämmungspulvers und das anschließende Brennen des Aufschlämmungspulvers zur Bildung der Beschichtung können ebenfalls verwendet werden. Der Fachmann kann mehr als eine Abscheidungstechnik wählen, um Unterschiede zwischen Sichtlinien- und Nicht-Sichtlinieneigenschaften der gewählten Abscheidungsverfahren zu berücksichtigen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das elektrisch leitende Material im Wesentlichen gleichmäßig auf sowohl den Innen- als auch Außenflächen der ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 202, 204 abgeschieden werden. Nach Bedarf können geeignete Dicken und Mittel zur Abscheidung der elektrisch leitenden Beschichtung 220 gewählt werden.
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Es sei auch angemerkt, dass bei den Ausführungsformen, bei denen die Mikrofachwerkstruktur verwendet ist, die elektrisch leitende Beschichtung 220 dazu verwendet werden kann, zumindest teilweise einen Abschnitt der Mikrofachwerkstruktur zu füllen. Eine Steifigkeit und Festigkeit der resultierenden Separatorplatte 8 können dadurch optimiert werden.
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Bei bestimmten illustrativen Ausführungsformen kann zumindest eine der ersten und zweiten Strömungsfeldschicht
202,
204 in ein Metalloxid oder eine Keramik umgewandelt werden, um ein erwünschtes Niveau an Biegefestigkeit bereitzustellen. Beispielsweise sind keramische Mikrostrukturen und Verfahren zur Herstellung keramischer Mikrostrukturen von Gross et al. in U.S. Patentanmeldung
US 7,687,132 B1 offenbart.
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Nun Bezug nehmend auf 3 umfasst die vorliegende Offenbarung ein Verfahren 300 zur Herstellung der Separatorplatte 8. Das Verfahren 300 umfasst zuerst die Schritte, dass das Substrat 200 bereitgestellt 302 wird; ein erstes strahlungssensitives Material auf das Substrat aufgetragen 304 wird; eine erste Maskierung zwischen einer ersten Strahlungsquelle und dem ersten strahlungssensitiven Material angeordnet 308 wird; das erste strahlungssensitive Material mit einer Mehrzahl erster Strahlenbündel von der ersten Strahlungsquelle beaufschlagt 310 wird; und das erste strahlungssensitive Material gehärtet 312 wird, um die strahlungsgehärtete erste Strömungsfeldschicht 202 benachbart dem Substrat 200 zu bilden.
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Wenn die Herstellung der Separatorplatte 8 mit der bipolaren Konfiguration gewünscht ist, umfasst das Verfahren 300 ferner die Schritte, dass ein zweites strahlungssensitives Material auf das Substrat 200 gegenüberliegend dem ersten strahlungssensitiven Material aufgetragen 306 wird; eine zweite Maskierung zwischen einer zweiten Strahlungsquelle und dem zweiten strahlungssensitiven Material angeordnet 308 wird; das zweite strahlungssensitive Material mit einer Mehrzahl zweiter Strahlenbündel beaufschlagt 310 wird; und das zweite strahlungssensitive Material gehärtet 312 wird, um die strahlungsgehärtete zweite Strömungsfeldschicht 204 benachbart dem Substrat 200 zu bilden.
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Die Mehrzahl der ersten und zweiten Strahlungsbündel, die durch die erste bzw. zweite Strahlungsquelle erzeugt werden, kann zumindest eine einer Mehrzahl erster Strahlungslagen, die sich entlang einer ersten Richtung erstrecken, und einer Mehrzahl zweiter Strahlungslagen aufweisen, die sich entlang einer zweiten Richtung erstrecken. Zumindest eine der ersten Strahlungslagen und der zweiten Strahlungslagen kann in der Form einer im Wesentlichen kontinuierlichen Strahlungslage vorliegen, die sich entlang einer gewünschten Ebene erstreckt. Es sei angemerkt, dass die ersten Strahlungslagen die Mehrzahl erster strahlungsgehärteter Kanalwände 210 bilden, und die zweiten Strahlungslagen die Mehrzahl zweiter strahlungsgehärteter Kanalwände 212 bilden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann zumindest eine der ersten Strömungsfeldschicht 202 und der zweiten Strömungsfeldschicht 204 mit der elektrisch leitenden Beschichtung 220 beschichtet sein. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Verfahren 300 einen Schritt umfassen, dass ein nicht gehärtetes Volumen von zumindest einem des ersten und zweiten strahlungssensitiven Materials nach dem Schritt zum Beaufschlagen des ersten und zweiten strahlungssensitiven Materials mit der Mehrzahl erster und zweiter Strahlungsbündel entfernt wird. Es sei angemerkt, dass der Begriff „nicht gehärtetes strahlungssensitives Material“ auch disoziiertes strahlungssensitives Material enthalten kann. Das nicht gehärtete Volumen von zumindest einem des ersten und des zweiten strahlungssensitiven Materials kann beispielsweise vor der Beschichtung zumindest einer der ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 202, 204 mit der elektrisch leitenden Beschichtung 220 entfernt werden. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann der Schritt zum Entfernen des nicht gehärteten Volumens des ersten und zweiten strahlungssensitiven Materials umfassen, dass zumindest eine der ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 202, 204 mit einem Lösemittel gespült wird. Der Fachmann kann erkennen, dass geeignete Lösemittel die beaufschlagte strahlungsgehärtete erste und zweite Strömungsfeldschicht 202, 204 während des Schritts zum Entfernen des nicht gehärteten Volumens des ersten und zweiten strahlungssensitiven Materials nicht wesentlich verschlechtert.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann zumindest eines des ersten und zweiten strahlungssensitiven Materials nach dem Schritt zum Beaufschlagen des ersten und zweiten strahlungssensitiven Materials mit der Mehrzahl der ersten und zweiten Strahlungsbündel erwärmt werden. Die Erwärmung kann eine Polymerisierung und/oder Vernetzung von zumindest einem des ersten strahlungssensitiven Materials und des zweiten strahlungssensitiven Materials unterstützen. Gegebenenfalls können geeignete Temperaturen und Erwärmungszeiten gewählt werden.
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Es ist überraschend herausgefunden worden, dass der Einsatz der strahlungsgehärteten ersten und zweiten Strömungsfeldschicht 202, 204 die kosteneffektive Produktion von Separatorplatten 8 für Brennstoffzellen für Kraftfahrzeuganwendungen und andere Anwendungen zulässt, wie Mikro-Brennstoffzellen für tragbare Vorrichtungen. Die Separatorplatten 8 der vorliegenden Offenbarung verwenden hoch geordnete Strukturen, um eine gleichförmigere Kompression und erhöhte Haltbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Metallschaumteilen bereitzustellen. Die vorliegende Herstellvorgehensweise ist auch weniger teuer als herkömmliche Verfahren zur Formung der Separatorplatten 8 und erlaubt die Herstellung kundenspezifischer Separatorplatten 8 mit signifikant reduzierten Durchlaufzeiten. Insbesondere können Herstellkosten Verringerungen aus einem Austausch der herkömmlichen Separatorplatten 8 in dem Brennstoffzellenstapel 2 resultieren. Es ist auch unerwartet herausgefunden worden, dass der Einsatz der Separatorplatten 8 gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Höhe des Brennstoffzellenstapels 2 minimieren kann, wodurch eine erwünschenswert kompakte Konfiguration bereitgestellt wird.
