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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenlegung betrifft eine Brennstoffzellenkomponente und im Spezielleren ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenkomponente mit strahlungsempfindlichen Materialien.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Brennstoffzelle wurde als saubere, effiziente und umweltbewusste Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene weitere Anwendungen vorgeschlagen. Einzelne Brennstoffzellen können in Serie zusammengestapelt sein, um einen Brennstoffzellenstapel für verschiedenste Anwendungen zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die ausreicht, um ein Fahrzeug zu betreiben. Im Speziellen wurde der Brennstoffzellenstapel als eine mögliche Alternative für den traditionellen Verbrennungsmotor erkannt, der in modernen Fahrzeugen verwendet wird.
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Ein Typ von Brennstoffzelle ist die Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei grundlegende Komponenten: eine Elektrolytmembran; und ein Paar Elektroden, das eine Kathode und eine Anode umfasst. Die Elektrolytmembran ist zwischen den Elektroden eingebaut, um eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zu bilden. Die MEA ist typischerweise zwischen porösen Diffusionsmedien (DM) wie z. B. einem Kohlefaserpapier angeordnet, das eine Zufuhr von Reaktanden wie z. B. Wasserstoff an die Anode und Sauerstoff an die Kathode erleichtert. In der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion wird der Wasserstoff in der Anode katalytisch oxidiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Elektronen von der Anode können nicht durch die Elektrolytmembran gelangen und werden stattdessen als ein elektrischer Strom durch einen elektrischen Verbraucher wie z. B. einen Elektromotor hindurch zu der Kathode geleitet. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen.
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Es war erstrebenswert, die Brennstoffzelle und diesbezügliche Brennstoff-Zellenkomponenten aus strahlungsempfindlichen Materialien herzustellen. Die Ausbildung solcher Strukturen wie z. B. Mikrofachwerkstrukturen aus strahlungsempfindlichen Materialien ist in der gemeinsam anhängigen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 12/339 308 des Antragstellers beschrieben, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die Ausbildung von strahlungsgehärteten Brennstoff-Zellenkomponenten ist ferner in den gemeinsam anhängigen US-Patentanmeldungen Serien-Nr. 12/341 062, 12/341 105, 12/603 147, 12/466 646, 12/466 405 und 12/603 120 des Antragstellers beschrieben, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Bekannte Strömungsfeldkonzepte haben bisher auf einem komprimierbaren Diffusionsmedium beruht, um eine Fügsamkeit bereitzustellen, die hinreichend ist, um das Aufquellen der Elektrolytmembran während eines Betriebes der Brennstoffzelle unterzubringen. Es besteht jedoch fortgesetzter Bedarf an einem effizienten System und Verfahren zur Herstellung eines Strömungsfeldes, das auch fügsame Merkmale aufweist. Das System und das Verfahren produzieren wünschenswerterweise sowohl die fügsamen Strömungsfeldmerkmale als auch die Tragstruktur des benachbarten Diffusionsmediums in einem gemeinsamen Beschichtungsvorgang.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung wurden überraschenderweise ein effizientes System und Verfahren zur Herstellung eines Strömungsfeldes mit fügsamen Merkmalen entdeckt, die sowohl die fügsamen Strömungsfeldmerkmale als auch die Tragstruktur des Diffusionsmediums in einem gemeinsamen Beschichtungsvorgang produzieren.
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In einer ersten Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungsfeldes für eine Brennstoffzelle den Schritt, dass ein Substrat und eine Vielzahl von Strahlungsquellen, die ausgestaltet sind, um eine Vielzahl von Strahlen zu erzeugen, vorgesehen werden. Es wird ein strahlungsempfindliches Material auf dem Substrat angeordnet. Es wird eine Abbildungsmaske zwischen der Vielzahl von Strahlungsquellen und dem strahlungsempfindlichen Material angeordnet, wobei die Abbildungsmaske eine Vielzahl von im Wesentlichen strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen aufweist. Die im Wesentlichen strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen umfassen einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt. Der erste Abschnitt der Durchbrechungen ist ausgestaltet, um die Strahlen von den Strahlungsquellen zu formen, um eine Vielzahl von Fachwerkelementen in dem strahlungsempfindlichen Material zu bilden. Der zweite Abschnitt der Durchbrechungen ist ausgestaltet, um die Strahlen von den Strahlungsquellen zu formen, um eine Vielzahl von Wandelementen in dem strahlungsempfindlichen Material zu bilden. Das strahlungsempfindliche Material wird durch den ersten Abschnitt der strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen und den zweiten Abschnitt der strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen in der Abbildungsmaske hindurch der Vielzahl von Strahlen ausgesetzt. Dadurch werden die Vielzahl von Fachwerkelementen und die Vielzahl von Wandelementen in dem strahlungsempfindlichen Material gebildet. Die Fachwerkelemente bilden eine Vielzahl von Fachwerken, die ausgestaltet sind, um eine benachbarte Diffusionsmediumschicht zu tragen. Die Wandelemente definieren einen Fluidpfad entlang einer Länge des Substrats.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungsfeldes für eine Brennstoffzelle den Schritt, dass ein Substrat und eine Vielzahl von Strahlungsquellen, die ausgestaltet sind, um eine Vielzahl von Strahlen zu erzeugen, vorgesehen werden. Es wird ein strahlungsempfindliches Material auf dem Substrat angeordnet. Es wird eine Abbildungsmaske zwischen der Vielzahl von Strahlungsquellen und dem strahlungsempfindlichen Material angeordnet, wobei die Abbildungsmaske eine Vielzahl von im Wesentlichen strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen aufweist. Die im Wesentlichen strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen umfassen einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt. Der erste Abschnitt der Durchbrechungen ist ausgestaltet, um die Strahlen von den Strahlungsquellen zu formen, um eine Vielzahl von Fachwerkelementen in dem strahlungsempfindlichen Material zu bilden. Der zweite Abschnitt der Durchbrechungen ist ausgestaltet, um die Strahlen von den Strahlungsquellen zu formen, um eine Vielzahl von Wandelementen in dem strahlungsempfindlichen Material zu bilden. Es wird eine Sperrmaske zwischen der Abbildungsmaske und der Vielzahl von Strahlungsquellen angeordnet. Die Sperrmaske weist eine Vielzahl von im Wesentlichen strahlungsundurchlässigen Teilstücken auf. Die im Wesentlichen strahlungsundurchlässigen Teilstücke sind ausgestaltet, um eine Vielzahl von Schatten zu werfen und selektiv entgegenzuwirken, dass die Strahlen von den Strahlungsquellen zumindest eines der Wandelemente in dem strahlungsempfindlichen Material bilden. Die Sperrmaske lässt auch zu, dass die Strahlen von den Strahlungsquellen die Fachwerkelemente in dem strahlungsempfindlichen Material bilden. Das strahlungsempfindliche Material wird durch den ersten Abschnitt der strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen und den zweiten Abschnitt der strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen in der Abbildungsmaske hindurch der Vielzahl von Strahlen ausgesetzt. Dadurch werden die Vielzahl von Fachwerkelementen und die Vielzahl von Wandelementen in dem strahlungsempfindlichen Material gebildet. Die Fachwerkelemente bilden eine Vielzahl von Fachwerken, die ausgestaltet sind, um eine benachbarte Diffusionsmediumschicht zu tragen, und die Wandelemente definieren einen Fluidpfad entlang einer Länge des Substrats.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungsfeldes für eine Brennstoffzelle den Schritt, dass ein Substrat und eine Vielzahl von Strahlungsquellen, die ausgestaltet sind, um eine Vielzahl von Strahlen zu erzeugen, vorgesehen werden. Die Vielzahl von Strahlungsquellen umfasst eine erste Strahlungsquelle, eine zweite Strahlungsquelle, eine dritte Strahlungsquelle und eine vierte Strahlungsquelle. Die Strahlungsquellen sind voneinander über einer Abbildungsmaske beabstandet. Es wird ein strahlungsempfindliches Material auf dem Substrat angeordnet. Es wird die Abbildungsmaske zwischen der Vielzahl von Strahlungsquellen und dem strahlungsempfindlichen Material angeordnet. Die Abbildungsmaske weist eine Vielzahl von im Wesentlichen strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen auf. Die im Wesentlichen strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen umfassen einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt. Der erste Abschnitt der Durchbrechungen ist ausgestaltet, um die Strahlen von den Strahlungsquellen zu formen, um eine Vielzahl von Fachwerkelementen in dem strahlungsempfindlichen Material zu bilden. Der zweite Abschnitt der Durchbrechungen ist ausgestaltet, um die Strahlen von den Strahlungsquellen zu formen, um eine Vielzahl von Wandelementen in dem strahlungsempfindlichen Material zu bilden. Es wird eine Sperrmaske zwischen der Abbildungsmaske und der Vielzahl von Strahlungsquellen angeordnet. Die Sperrmaske weist eine Vielzahl von im Wesentlichen strahlungsundurchlässigen Teilstücken auf. Die im Wesentlichen strahlungsundurchlässigen Teilstücke sind ausgestaltet, um eine Vielzahl von Schatten zu werfen und selektiv zu verhindern, dass die Strahlen von den Strahlungsquellen zumindest eines der Wandelemente in dem strahlungsempfindlichen Material bilden, während zugelassen wird, dass die Strahlen von den Strahlungsquellen die Fachwerkelemente in dem strahlungsempfindlichen Material bilden. Das strahlungsempfindliche Material wird durch den ersten Abschnitt der strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen und den zweiten Abschnitt der strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen in der Abbildungsmaske hindurch der Vielzahl von Strahlen ausgesetzt. Das strahlungsempfindliche Material wird der Vielzahl von Strahlen von der ersten Strahlungsquelle, der Vielzahl von Strahlen von der zweiten Strahlungsquelle, der Vielzahl von Strahlen von der dritten Strahlungsquelle und der Vielzahl von Strahlen von der vierten Strahlungsquelle ausgesetzt. Dadurch werden die Vielzahl von Fachwerkelementen und die Vielzahl von Wandelementen in dem strahlungsempfindlichen Material gebildet. Die Fachwerkelemente bilden eine Vielzahl von Fachwerken, die ausgestaltet sind, um eine benachbarte Diffusionsmediumschicht zu tragen, und die Wandelemente definieren einen Fluidpfad entlang einer Länge des Substrats. Die Strahlen von der ersten Strahlungsquelle bilden eine Vielzahl von Fachwerkelementen. Die Strahlen von der zweiten Strahlungsquelle bilden eine Vielzahl von zweiten Fachwerkelementen. Die Strahlen von der dritten Strahlungsquelle bilden eine Vielzahl von dritten Fachwerkelementen. Die Strahlen von der vierten Strahlungsquelle bilden eine Vielzahl von vierten Fachwerkelementen. Eines von den ersten Fachwerkelementen, eines von den zweiten Fachwerkelementen, eines von den dritten Fachwerkelementen und eines von den vierten Fachwerkelementen schneiden sich an einem aus einer Vielzahl von Knoten zwischen dem Substrat und der Abbildungsmaske, um eines der Fachwerke zu bilden. Die Strahlen von der ersten Strahlungsquelle, die sonst eine Vielzahl von ersten Wandelementen bilden würden, werden durch die Sperrmaske blockiert. Die Strahlen von der zweiten Strahlungsquelle, die sonst eine Vielzahl von zweiten Wandelementen bilden würden, werden durch die Sperrmaske blockiert. Die Strahlen von der dritten Strahlungsquelle bilden eine Vielzahl von dritten Wandelementen. Die Strahlen von der vierten Strahlungsquelle, die sonst eine Vielzahl von vierten Wandelementen bilden würden, werden durch die Sperrmaske blockiert. Dadurch wird das Strömungsfeld für die Brennstoffzelle gebildet.
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ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Offenlegung werden für Fachleute aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Licht der hierin beschriebenen Zeichnungen, ohne weiteres verständlich.
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1 ist eine schematische seitliche Teilansicht einer Abbildungsmaske, einer Sperrmaske, einer Vielzahl von Strahlungsquellen und eines strahlungsempfindlichen Materials im Aufriss und zeigt ferner die Exposition des strahlungsempfindlichen Materials gegenüber Strahlen von den Strahlungsquellen;
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2A–2D veranschaulichen eine schrittweise Ausbildung eines Strömungsfeldes durch Exposition gegenüber Strahlen, wobei das Strömungsfeld in einer perspektivischen Teil-Draufsicht gezeigt ist;
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3 ist eine Teil-Grundrissansicht des in Übereinstimmung mit den in den 2A–2D veranschaulichten Schritten gebildeten Strömungsfeldes, wobei das Strömungsfeld ohne eine Sperrmaske gebildet wurde;
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4 ist eine perspektivischen Teil-Draufsicht eines Strömungsfeldes, das durch Exposition gegenüber auf plus/minus 3 Grad (+/–3°) kollimierten Strahlen von einer ersten der in 1 gezeigten Strahlungsquellen gebildet wird, mit dem Schatten von plus drei Grad (+3°) gezeigt, der von einer Sperrmaske geworfen wird, wobei der Ausbildung einer Wand des Strömungsfeldes entgegengewirkt wird;
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5 ist eine perspektivischen Teil-Draufsicht eines Strömungsfeldes, das durch Exposition gegenüber Strahlen von derselben ersten der in 1 gezeigten Strahlungsquellen gebildet wird, mit dem Schatten von minus drei Grad (–3°) gezeigt, der von einer Sperrmaske geworfen wird, wobei der Ausbildung einer Wand des Strömungsfeldes entgegengewirkt wird;
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6A–6D veranschaulichen eine schrittweise Ausbildung eines Strömungsfeldes durch Exposition gegenüber Strahlen, wobei das Strömungsfeld in einer perspektivischen Teil-Draufsicht mit einer Vielzahl von Schatten gezeigt ist, die von einer Sperrmaske geworfen werden, wobei der Ausbildung einer ausgewählten Vielzahl von Wanden des Strömungsfeldes entgegengewirkt wird;
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7 ist eine perspektivische Teil-Draufsicht des in den 6A–6D gezeigten Strömungsfeldes, wobei das Strömungsfeld mit der Sperrmaske gebildet wurde;
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8 ist eine perspektivische Teil-Draufsicht einer exemplarischen Abbildungsmaske mit einer Vielzahl von eng beabstandeten Durchbrechungen zur Verwendung beim Bilden eines flexiblen Wandelements;
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9 ist eine perspektivische Teil-Draufsicht eines in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der Offenlegung gebildeten Strömungsfeldes, welches Wände aufweist, die durch eine Vielzahl von eng beabstandeten Fachwerkelementen gebildet sind;
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10 ist eine perspektivische Teil-Draufsicht des in 9 gezeigten Strömungsfeldes, welches ferner Strahlungswege zeigt, denen zurück in Richtung der in 1 gezeigten Strahlungsquellen gefolgt wird;
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11 ist eine perspektivische Teil-Draufsicht des in 10 gezeigten Strömungsfeldes, die ferner einen Abschnitt einer Sperrmaske zeigt, welche alle Bereiche abdeckt, wo eine Strukturausbildung unerwünscht ist, und keinen erwünschten Strahlungsweg stört;
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12 ist eine perspektivische Teil-Draufsicht des in den 9–11 gezeigten Strömungsfeldes;
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13 ist eine weitere perspektivische Teil-Draufsicht des in den 9–11 gezeigten Strömungsfeldes;
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14 ist eine Teil-Grundrissansicht des in den 9–13 gezeigten Strömungsfeldes, die ferner die relativen Breiten der strahlungsundurchlässigen Teilstücke und der strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen zeigt; und
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15 ist eine seitliche Querschnitts-Teilansicht des in 14 gezeigten Strömungsfeldes im Aufriss entlang der Schnittlinie 15-15.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und sollen den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren ist die angegebene Reihenfolge der Schritte exemplarisch und sie ist daher nicht kritisch oder notwendig.
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Die vorliegende Offenlegung umfasst ein System 1 zur Herstellung eines Strömungsfeldes 2 für eine Brennstoffzelle (nicht gezeigt) aus einem strahlungsempfindlichen Material 4. Wenngleich es hierin mit Bezugnahme auf Brennstoffzellen beschrieben ist, sollte einzusehen sein, dass das Strömungsfeld 2 in anderen Anwendungen wie z. B. Wasserdampftransportvorrichtungen und Wärmetauschern als nicht einschränkende Beispiele verwendet werden kann. Wie in 1 schematisch gezeigt, ist das Strömungsfeld 2 auf einem Substrat 6 gebildet. Das Substrat kann aus einem beliebigen Material gebildet sein, welches die Ausbildung von polymeren Strukturen darauf zulässt. Als nicht einschränkende Beispiele kann das Substrat 6 elektrisch nicht leitfähig, z. B. ein Kunststoff, oder elektrisch leitfähig, z. B. rostfreier Stahl, sein. Es können auch andere Materialien für das Substrat 6 verwendet werden. Das Substrat 6 kann während des Herstellungsprozesses auf einer Arbeitsfläche 8, z. B. einer feststehenden Grundplatte, angeordnet werden.
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Das strahlungsempfindliche Material 4 ist auf dem Substrat 6 angeordnet. Eine Abbildungsmaske 10 ist zwischen zumindest einer Strahlungsquelle 12, 14, 16, 18 und dem strahlungsempfindlichen Material 4 angeordnet. Die zumindest eine Strahlungsquelle 12, 14, 16, 18 kann beispielsweise eine erste Strahlungsquelle 12, eine zweite Strahlungsquelle 14, eine dritte Strahlungsquelle 16 und eine vierte Strahlungsquelle 18 umfassen. Die Strahlungsquellen 12, 14, 16, 18 können voneinander über der Abbildungsmaske 10 beabstandet sein.
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Geeignete Arten des strahlungsempfindlichen Materials 4 und der zumindest einen Strahlungsquelle 12, 14, 16, 18 sind in den gemeinsam anhängigen US-Patentanmeldungen Serien-Nr. 12/339 308, 12/341 062, 12/341 105, 12/603 147, 12/466 646, 12/466 405 und 12/603 120 des Antragstellers beschrieben, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Ein Fachmann sollte einsehen, dass innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Offenlegung auch andere strahlungsempfindliche Materialien 4 und Strahlungsquellen 12, 14, 16, 18 verwendet werden können.
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Die Abbildungsmaske 10 ist mit einer Vielzahl von im Wesentlichen strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen 20 versehen. Jede von der ersten Strahlungsquelle 12, der zweiten Strahlungsquelle 14, der dritten Strahlungsquelle 16 und der vierten Strahlungsquelle 18 kann ausgestaltet sein, um Strahlen 22 unter unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf eine Oberfläche des strahlungsempfindlichen Materials 4 bereitzustellen. Die Strahlen 22 können je nach Wunsch kollimiert oder nicht kollimiert sein. In einer speziellen Ausführungsform sind die Strahlen 22 zumindest teilweise kollimiert. Ein Fachmann sollte einsehen, dass je nach Wunsch weniger oder mehr von der zumindest einen Strahlungsquelle 12, 14, 16, 18 verwendet werden können.
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Die im Wesentlichen strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen 20 der Abbildungsmaske 10 umfassen einen ersten Abschnitt, der ausgestaltet ist, um Strahlen 22 von der zumindest einen Strahlungsquelle 12, 14, 16, 18 zu formen. Der erste Abschnitt erzeugt erwünschte Strukturen wie z. B. Fachwerkelemente 100, 104, 108, 112 (in den 2A–2D und 6A–6D gezeigt) für das Strömungsfeld 2 aus dem strahlungsempfindlichen Material 4. Der erste Abschnitt der Durchbrechungen 20 kann z. B. aus Löchern bestehen, die in der Abbildungsmaske 10 gebildet sind. Exemplarische Formen für den ersten Abschnitt der Durchbrechungen 20 können im Wesentlichen kreisförmige Löcher umfassen, wenngleich auch andere Formen verwendet werden können.
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Die im Wesentlichen strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen 20 umfassen auch einen zweiten Abschnitt, der ausgestaltet ist, um die Strahlen 22 von den Strahlungsquellen 12, 14, 16, 18 zu formen. Der zweite Abschnitt erzeugt erwünschte Strukturen wie z. B. Wandelemente 102, 106, 110, 114 (z. B. in den 2A–2D und 6A–6D gezeigt) in dem strahlungsempfindlichen Material 4. Exemplarische Formen für den zweiten Abschnitt der Durchbrechungen 20 können längliche Schlitze umfassen. Es kann auch eine Vielzahl von eng beabstandeten kreisförmigen Durchbrechungen 124 (in 8 gezeigt) verwendet werden, um die Wandelemente 102, 106, 110, 114 mit einem gewünschten Grad an Flexibilität zu bilden. Je nach Wunsch können auch andere Formen zum Bilden der Wandelemente 102, 106, 110, 114 verwendet werden.
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Je nach Wunsch kann die Abbildungsmaske 10 geformt sein, um mit einer gewünschten Oberfläche des strahlungsempfindlichen Materials übereinzustimmen oder sie kann sich entlang einer einzigen Ebene oder mehrerer Ebenen erstrecken. In bestimmten Ausführungsformen ist die Abbildungsmaske 10 stufenförmig, um das Strömungsfeld 2 mit Gebieten mit unterschiedlichen Dicken zu bilden.
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Das System 1 kann auch eine Sperrmaske 24 umfassen, die in dem Strahlengang der Abbildungsmaske 10 und der zumindest einen Strahlungsquelle 12, 14, 16, 18 angeordnet ist. Die Sperrmaske 24 kann z. B. zwischen der Abbildungsmaske 10 und der zumindest einen Strahlungsquelle 12, 14, 16, 18 angeordnet sein. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass sich die Abbildungsmaske 10 über der Sperrmaske 24 befinden kann, wenn eine gut kollimierte Strahlungsquelle verwendet wird. Die Sperrmaske 24 ist mit einer Vielzahl von im Wesentlichen strahlungsdurchlässigen Öffnungen 26 versehen. Die Sperrmaske 24 weist vorteilhafterweise eine Vielzahl von im Wesentlichen strahlungsundurchlässigen Teilstücken 27 auf. Die Sperrmaske 24 ist ausgestaltet, um selektiv zu verhindern, dass die Strahlen 22 die Abbildungsmaske 10 und anschließend das strahlungsempfindliche Material 4 erreichen. Es kann vorteilhafterweise eine Vielfalt unterschiedlicher Sperrmasken 24 mit einer einzigen Abbildungsmaske 10 verwendet werden, um eine Vielfalt erwünschter strahlungsgehärteter Strukturen bereitzustellen.
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Ein Fachmann sollte einsehen, dass die Abbildungsmaske 10 die kleineren oder höchstens gleich dimensionierten Durchbrechungen 20 in Bezug auf die Öffnungen 26 der Sperrmaske 24 aufweist. Die Größendifferenz zwischen den Durchbrechungen 20 und den Öffnungen 26 macht eine perfekte Ausrichtung der Abbildungsmaske 10 und der Sperrmaske 24 unnötig.
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Die vorliegende Offenlegung umfasst ein Verfahren zum Bilden des Strömungsfeldes 2 mithilfe des hierin oben stehend beschriebenen Systems 1. Wenngleich die Schritte des Verfahrens zum besseren Verständnis nacheinander beschrieben und gezeigt sind, sollte einzusehen sein, dass die Schritte zum Aussetzen des strahlungsempfindlichen Materials 4 gegenüber der Vielzahl von Strahlen 22 bevorzugt gleichzeitig ausgeführt werden. Die gleichzeitige Exposition des strahlungsempfindlichen Materials 4 gegenüber der Vielzahl von Strahlen 22 von der Vielzahl von Strahlungsquellen 12, 14, 16, 18 hält vorteilhafterweise die Merkmalausrichtung während der Herstellung des Strömungsfeldes 2 aufrecht.
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Mit Bezugnahme auf die 2A–2D umfasst das Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung den Schritt des Aussetzens des strahlungsempfindlichen Materials 4 gegenüber der Vielzahl von Strahlen 22 von einer der Vielzahl von Strahlungsquellen 12, 14, 16, 18. Das strahlungsempfindliche Material 4 wird der Vielzahl von Strahlen 22 durch den ersten Abschnitt der strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen 20 und den zweiten Abschnitt der strahlungsdurchlässigen Durchbrechungen 20 in der Abbildungsmaske 10 hindurch ausgesetzt. Die Strahlen 22 werden durch die Abbildungsmaske 10 mit dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt der Durchbrechungen 20 geformt.
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In einem speziellen Beispiel bilden die Strahlen 22 von der ersten Strahlungsquelle 12 durch die Abbildungsmaske 10 hindurch eine Vielzahl von ersten Fachwerkelementen 100 und eine Vielzahl von ersten Wandelementen 102. Es erfolgt ebenso die Exposition des strahlungsempfindlichen Materials 4 gegenüber der Vielzahl von Strahlen 22 durch die Abbildungsmaske 10 hindurch, allerdings von verschiedenen der Vielzahl von Strahlungsquellen 12, 14, 16, 18. Das Ergebnis der verschiedenen Expositionsschritte umfasst die Ausbildung von zweiten Fachwerkelementen 104 und zweiten Wandelementen 106 durch Strahlen 22 von der zweiten Strahlungsquelle 14, dritten Fachwerkelementen 108 und dritten Wandelementen 110 durch Strahlen 22 von der dritten Strahlungsquelle 16 bzw. vierten Fachwerkelementen 112 und vierten Wandelementen 114 durch Strahlen 22 von der vierten Strahlungsquelle 18.
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Jedes von den ersten Fachwerkelementen 100, den zweiten Fachwerkelementen 104, den dritten Fachwerkelementen 108 und den vierten Fachwerkelementen 112 schneidet sich an einem einer Vielzahl von Knoten 116, um eine Vielzahl von Fachwerken 118 innerhalb des Strömungsfeldes 2 zu bilden. Die Fachwerke 118 sind bevorzugt komprimierbar. Die Fachwerke 118 sind ausgestaltet, um eine benachbarte Diffusionsmediumschicht (nicht gezeigt) zu tragen. Es wirken zumindest eines der ersten Wandelemente 102, der zweiten Wandelemente 106, der dritten Wandelemente 110 und der vierten Wandelemente 114 zusammen, um einen Strömungspfad entlang des Strömungsfeldes 2 für ein Fluid wie z. B. einen Brennstoffzellenreaktanden zu definieren. Der Fluidströmungspfad ist zwischen den Fachwerken 118 und entlang einer Länge des Substrats 6 gebildet. Der Fluidströmungspfad, der durch das zumindest eine von den ersten Wandelementen 102, den zweiten Wandelementen 106, den dritten Wandelementen 110 und den vierten Wandelementen 114 definiert ist, kann linear oder gewunden entlang der Länge des Substrats verlaufen. Es können auch andere Fluidströmungspfad-Ausgestaltungen innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Offenlegung verwendet werden.
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Da das in den 2A–2D gezeigte Verfahren ohne die Sperrmaske 24 ausgeführt wird, sollte einzusehen sein, dass das resultierende Strömungsfeld 2 (in 3 gezeigt) eine Menge an überschüssigem oder „eingeschlossenem” ausgehärtetem strahlungsempfindlichem Material 4 anschließend an die Herstellung des Strömungsfeldes 2 aufweisen kann. Das resultierende Strömungsfeld 2 kann auch „redundante” Wandelemente 102, 106, 110, 114 aufweisen, die für eine hinreichende Fluidströmung über das Strömungsfeld 2 hinweg nicht erforderlich sind.
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Mit Bezugnahme auf die 6A–6D kann das Verfahren der vorliegenden Offenlegung ferner den Schritt umfassen, dass die Sperrmaske 24 zwischen der Abbildungsmaske 10 und der Vielzahl von Strahlungsquellen 12, 14, 16, 18 angeordnet wird. Die strahlungsundurchlässigen Teilstücke 27 der Sperrmaske 24 sind ausgestaltet, um ein Vielzahl von Schatten 120 zu werfen und die Strahlen 22 von den Strahlungsquellen 12, 14, 16, 18 selektiv abzublocken. Die Vielzahl von Schatten 120 verhindert bevorzugt eine Ausbildung zumindest eines der redundanten Wandelemente 102, 106, 110, 114, während zugelassen wird, dass die Strahlen 22 von den Strahlungsquellen 12, 14, 16, 18 die Fachwerkelemente 100, 104, 108, 112 in dem strahlungsempfindlichen Material 4 bilden. Die Sperrmaske 24 kann damit eingesetzt werden, um die Menge des überschüssigen ausgehärteten strahlungsempfindlichen Materials 4 zu minimieren, das während der Herstellung des Strömungsfeldes 2 gebildet wird.
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Die Sperrmaske 24 kann auf die Abbildungsmaske 10 geschichtet sein, wie z. B. in 1 gezeigt. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass die strahlungsundurchlässigen Teilstücke 27, die in einem Abstand von etwa einem Viertel (1/4) einer durchschnittlichen vertikalen Knotenhöhe bis zu etwa drei Viertel (3/4) einer durchschnittlichen vertikalen Knotenhöhe der Fachwerke 116 angeordnet sind, die minimalisierte Ausbildung von überschüssigem gehärteten strahlungsempfindlichen Material 4 erleichtern, ohne die Ausbildung von benachbarten Fachwerkelementen 100, 104, 108, 112 wesentlich zu beeinflussen.
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Wie in den 4–5 gezeigt, wo die Strahlen 22 von den Strahlungsquellen 12, 14, 16, 18 zumindest teilweise kollimiert sind, kann eine seitliche Kontraktion oder eine seitliche Ausdehnung der durch die Sperrmaske 24 geworfenen Schatten 120 zwischen der Maske 24 und dem strahlungsempfindlichen Material 4 stattfinden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die Strahlen 22 auf innerhalb entweder plus drei Grad (3°) oder minus drei Grad (–3°) kollimiert sein. Die durch die Sperrmaske 24 geworfenen Schatten 120 können sich daher abhängig von dem Grad der Strahlungskollimation seitlich von der Sperrmaske 24 unter einem Winkel von bis zu etwa drei Grad ausdehnen, oder seitlich von der Sperrmaske 24 unter einem Winkel von bis zu etwa drei Grad zusammenziehen. Es sollte einzusehen sein, dass auch Strahlungsquellen 12, 14, 16, 18 verwendet werden können, die andere Grade von Strahlungskollimation bereitstellen. Es sollte auch einzusehen sein, dass, wenn der Grad der Strahlungskollimation bekannt ist, die Anordnung der Sperrmaske 24 in Bezug auf das strahlungsempfindliche Material 24 gewählt werden kann, um die Beeinflussung benachbarter Fachwerkelemente 100, 104, 108, 112 und ausgewählter der Wandelemente 102, 106, 110, 114 zu minimieren.
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Unter erneuter Bezugnahme auf die 6A–6D wird das strahlungsempfindliche Material 4 der Vielzahl von Strahlen 22 von einer der Vielzahl von Strahlungsquellen 12, 14, 16, 18 ausgesetzt. Die Strahlen 22 werden durch die Abbildungsmaske 10 geformt und bilden die ersten, zweiten, dritten und vierten Fachwerkelemente 100, 104, 108, 112. Die Sperrmaske 24 verhindert, dass die Strahlen 22 erwünschte Bereiche 122 des strahlungsempfindlichen Materials 4 erreichen, wie z. B. in 6B gezeigt. Dabei wirft die Sperrmaske 24 die Vielzahl von Schatten 120 auf die Oberfläche des strahlungsempfindlichen Materials 4. Die Schatten 120 können beispielsweise die Ausbildung der ersten, zweiten, dritten und vierten Fachwerkelemente 100, 104, 108, 112 für die Fachwerke 118 zulassen und gleichzeitig die Ausbildung nur der dritten Wandelemente 110 zulassen. Wie in 7 veranschaulicht, kann dadurch das Strömungsfeld 2 mit einer minimierten Ausbildung von überschüssigem ausgehärteten strahlungsempfindlichen Material 4 oder redundanter Wände 102, 106, 110, 114 hergestellt werden.
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Ein Fachmann sollte einsehen, dass je nach Wunsch andere Konstrukte wie Gitter, Säulen, alternative Fachwerkausgestaltungen und dergleichen durch ein gleiches Zusammenwirken der Abbildungsmaske 10 und der Sperrmaske 24 die Fachwerke 118 entlang gebildet werden können.
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Eine weitere Ausführungsform der Offenlegung ist in den 8–15 gezeigt. Das Verfahren kann einen Schritt zur Bereitstellung der Abbildungsmaske 10 mit einem Abschnitt 124 von Durchbrechungen 20 umfassen, die eng zueinander beabstandet sind, wie z. B. in 8 gezeigt. Auf Grund der Strahlungskollimation, die eine Konusbildung der Strahlen 22 zur Folge haben kann, wie in 10 gezeigt, können die Durchbrechungen 20 in der Abbildungsmaske 10 größer gebildet werden als das erwünschte Bild, das auf die Oberfläche des strahlungsempfindlichen Materials 4 selbst projiziert wird. Wenn der Grad der Strahlungskollimation eine Vergrößerung der Strahlen 22 zur Folge hat, können die Durchbrechungen 20 in der Abbildungsmaske 10 kleiner gebildet werden als das erwünschte Bild. Der eng beabstandete Abschnitt 124 des zweiten Abschnitts der Durchbrechungen 20 kann anstelle von länglichen Schlitzen verwendet werden, um eines der Wandelemente 102, 106, 110, 114 des Strömungsfeldes 2 zu bilden. Die Wandelemente 102, 106, 110, 114, die mithilfe des Abschnitts eng beabstandeter Durchbrechungen 124 gebildet werden, sind vorteilhafterweise im Allgemeinen flexibler als massive Strukturwandelemente 102, 106, 110, 114, die mithilfe länglicher Schlitze gebildet werden.
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Wie hierin oben stehend beschrieben, kann die Sperrmaske 24 selektiv über der Abbildungsmaske 10 angeordnet werden, um die Strahlen 22 abzublocken, die sonst überschüssiges ausgehärtetes strahlungsempfindliches Material 4 oder redundante Wandelemente 102, 106, 110, 114 in dem Strömungsfeld 2 bilden würden. Wie die in der Abbildungsmaske 10 gebildeten Durchbrechungen 20, können die im Wesentlichen strahlungsundurchlässigen Teilstücke 27 der Sperrmaske 24 größer oder kleiner gebildet sein als die erwünschten Schatten 24, die geworfen werden sollen, um verschiedene Grade an Strahlungskollimation zu berücksichtigen. Die Sperrmaske 24 wird wünschenswerterweise in einer Position angeordnet, welche die Ausbildung der Fachwerkelemente 100, 104, 108, 112 benachbart des Fluidströmungspfades zulässt, wie z. B. in den 11–15 veranschaulicht.
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In einer illustrativen Ausführungsform, die in den 14 und 15 gezeigt ist, kann eine Breite O der im Wesentlichen strahlungsundurchlässigen Teilstücke 27 der Sperrmaske 24 weniger betragen als etwa eine halbe Breite T der im Wesentlichen strahlungsdurchlässigen Öffnungen 26. Eine Dicke F des Strömungsfeldes 2 kann ungefähr das Sechsfache einer Dicke S des Substrats 6 ausmachen, auf dem das Strömungsfeld 2 gebildet ist. Wie auch in 15 gezeigt, kann die Sperrmaske 24 an einer Höhe E gebildet sein. Die Höhe E kann ein Abstand über der Abbildungsmaske 10 sein, der ungefähr einem Drittel der vertikalen Knotenhöhe entspricht. Die vertikale Knotenhöhe kann als ein nicht einschränkendes Beispiel durch die Dicke F in 15 angegeben werden.
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Das Verfahren der vorliegenden Offenlegung umfasst ferner den Schritt, dass ein nicht ausgehärtetes Volumen des strahlungsempfindlichen Materials 4 anschließend an die Herstellung des Strömungsfeldes 2, z. B. durch Waschen des Strömungsfeldes 2 mit einem geeigneten Lösungsmittel, entfernt wird. Das Strömungsfeld 2 kann dann zumindest ein mit dem elektrisch leitfähigen Material, z. B. einem Metall, beschichtetes, oder mit einem Metalloxid oder einer Keramik beschichtetes sein. Das Strömungsfeld kann innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Offenlegung auch karbonisiert sein, falls erwünscht.
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Das vorliegende Verfahren gestattet vorteilhafterweise eine effiziente Herstellung des Strömungsfeldes 2, welches fügsame Merkmale aufweist. Das Verfahren erzeugt auch sowohl die fügsamen Merkmale des Strömungsfeldes 2 als auch eine umgebende Tragstruktur wie z. B. die Fachwerke 118 für benachbarte Diffusionsmedien in einem gemeinsamen Beschichtungsvorgang.
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Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird für einen Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Offenlegung abzuweichen, der in den nachfolgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
