DE102012208978B4

DE102012208978B4 - Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente

Info

Publication number: DE102012208978B4
Application number: DE102012208978.0A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey A. Rock; Yeh-Hung Lai; Keith E. Newman; Gerald W. Fly; Ping Liu; Alan J. Jacobsen; William B. Carter; Peter D. Brewer
Original assignee: HRL Laboratories LLC; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: HRL Laboratories LLC; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: CN102810681A; CN102810681B; DE102012208978A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente (100), mit den Schritten:Bereitstellen einer Maske (102) mit einer Mehrzahl strahlungstransparenter Durchbrechungen (104), wobei die Mehrzahl strahlungstransparenter Durchbrechungen (104) erlaubt, dass eine Mehrzahl von Strahlungsbündeln (106) hindurchgeführt werden kann;Aufbringen einer Opferfreigabeschicht (148) auf die Maske (102), wobei die Opferfreigabeschicht (148) transparent für die Mehrzahl von Strahlungsbündeln (106) ist und wobei die Opferfreigabeschicht (148) eine vorgegebene Dicke aufweist;Bereitstellen eines strahlungssensitiven Materials (108) mit einer Sensitivität gegenüber der Mehrzahl von Strahlungsbündeln (106);Aufbringen des strahlungssensitiven Materials (108) auf die Opferfreigabeschicht (148), so dass die Opferfreigabeschicht (148) zwischen der Maske (102) und dem strahlungssensitiven Material (108) angeordnet ist;Bereitstellen einer Strömungsfeldschicht (116);Anordnen des strahlungssensitiven Materials (108) an der Strömungsfeldschicht (116); undAussetzen des strahlungssensitiven Materials (108) der Mehrzahl von Strahlungsbündeln (106) durch die strahlungstransparenten Durchbrechungen (104) in der Maske (102), um eine Diffusionsmediumschicht (114) mit einer Mikrofachwerkstruktur zu bilden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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.
Ein Typ von Brennstoffzelle ist die Polymerelektrolytmembran- (PEM-) Brennstoffzelle. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei grundlegende Komponenten: eine Elektrolytmembran; und ein Paar von Elektroden, das eine Kathode und eine Anode aufweist. Die Elektrolytmembran ist schichtartig zwischen den Elektroden angeordnet, um eine Membranelektrodenbaugruppe (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. 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 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.
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.
Die Elektrolytmembran ist typischerweise aus einer Schicht aus einem Ionomer gebildet. Ein typisches Ionomer ist ein Perfluorsulfonsäure (PFSA)-Polymer wie z. B. Nafion®, das im Handel von E. I. du Pont de Nemours and Company erhältlich ist. Die Elektroden der Brennstoffzelle sind allgemein aus einem fein 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 Ionomer dispergiert.
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. Die Brennstoffzellenplatte kann eine Mehrzahl von Kanälen aufweisen, die darin zur Verteilung der Reaktanden und Kühlmittel an die Brennstoffzelle gebildet sind. Die Brennstoffzellenplatte wird typischerweise durch einen herkömmlichen Prozess zur Formgebung eines Blechs wie z. B. Stanzen bzw. Prägen, maschinelles Bearbeiten, Formpressen oder Photoätzen durch eine photolithographische Maske gebildet. Im Fall einer bipolaren Brennstoffzellenplatte wird die Brennstoffzellenplatte typischerweise aus einem Paar unipolarer Platten gebildet, welche dann zusammengefügt werden. Es ist auch bekannt, die Brennstoffzellenplatte aus einem Verbundmaterial wie z. B. einem Graphit-Verbundstoff oder einem graphitgefüllten Polymer zu bilden. Die bekannten Verfahren zum Formen von jeder der Elektrolytmembran, den Elektroden, den Diffusionsmedien und den Brennstoffzellenplatten können unerwünschterweise kostspielig und zeitaufwändig sein.
Es ist auch bekannt, Brennstoffzellenkomponenten einschließlich der Brennstoffzellenplatten in Übereinstimmung mit herkömmlichen Polymerschäumungsprozessen wie z. B. mit netzartigen Schaummaterialien herzustellen. Jedoch erzielen herkömmliche Schäumungsprozesse ungleichförmige und zufällige (nicht geordnete) dreidimensionale Mikrostrukturen. Es gibt bestimmte Techniken zur Erzeugung von Polymermaterialien mit geordneten dreidimensionalen Mikrostrukturen, wie stereolithographische Techniken; jedoch verlassen sich diese Techniken typischerweise auf eine von unten nach oben gerichtete Schicht-um-Schicht-Vorgehensweise, was die Produktionsvolumenskalierbarkeit verhindert.
Materialien, die geordnete dreidimensionale Mikrostrukturen aufweisen, sind von Jacobsen et al. in „Compression behavior of microscal truss structures formed from self-propagating polymer waveguides“, Acta Materialia 55, (2007) 6724-6733, beschrieben, dessen vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Ein Verfahren und ein System zum Erzeugen von Polymermaterialien mit geordneten Mikrofachwerkstrukturen ist von Jacobsen in dem U.S.-Patent US 7 382 959 B1 offenbart, dessen vollständige Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. 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 Maske 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 eines Volumens des Photomonomers hindurch zu bilden. Mikrofachwerkmaterialien, die mit dem Verfahren und dem System produziert werden, sind weiter von Jacobsen in dem U.S.-Patent US 8 197 930 B1 offenbart, deren vollständige Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Ein Polymermaterial, das einer Strahlung ausgesetzt wird und zu einer Selbstfokussierung oder einem „Self-Trapping“ des Lichts durch die Bildung von Polymer-Wellenleitern führt, ist auch von Kewitsch et al. in dem U.S.-Patent US 6 274 288 B1 offenbart, dessen vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Es besteht fortgesetzter Bedarf an einer Struktur und einem Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellenkomponenten, welche die Brennstoffzellenlebensdauer optimieren, Werkzeugbestückungskosten minimieren, Produktionskosten minimieren und Entwicklungszeiten minimieren. Es ist wünschenswert, dass das Verfahren der Ungleichförmigkeit und den Designeinschränkungen entgegenwirkt, die mit der Herstellung von Komponenten gemäß der bekannten Verfahren verbunden sind.
Ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente ist in der Druckschrift DE 10 2009 058 512 A1 offenbart. Die Druckschrift DE 10 2009 058 262 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer strahlungsgehärteten Struktur. Die Druckschrift DE 10 2010 020 288 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Diffusionsmediumschicht für eine Brennstoffzelle.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Maske mit einer Mehrzahl strahlungstransparenter Durchbrechungen, wobei die Mehrzahl strahlungstransparenter Durchbrechungen erlaubt, dass eine Mehrzahl von Strahlungsbündeln hindurchgeführt werden kann; Aufbringen einer Opferfreigabeschicht auf die Maske, wobei die Opferfreigabeschicht transparent für die Mehrzahl von Strahlungsbündeln ist und wobei die Opferfreigabeschicht eine vorgegebene Dicke aufweist; Bereitstellen eines strahlungssensitiven Materials mit einer Sensitivität gegenüber der Mehrzahl von Strahlungsbündeln; Aufbringen des strahlungssensitiven Materials auf die Opferfreigabeschicht, so dass die Opferfreigabeschicht zwischen der Maske und dem strahlungssensitiven Material angeordnet ist; Bereitstellen einer Strömungsfeldschicht; Anordnen des strahlungssensitiven Materials an der Strömungsfeldschicht; und Aussetzen des strahlungssensitiven Materials der Mehrzahl von Strahlungsbündeln durch die strahlungstransparenten Durchbrechungen in der Maske, um eine Diffusionsmediumschicht mit einer Mikrofachwerkstruktur zu bilden.
Figurenliste
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 bruchstückhafte seitliche Schnittansicht einer Brennstoffzellenkomponente gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2 ist eine bruchstückhafte seitliche Schnittansicht einer Brennstoffzellenkomponente gemäß einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform;
3 ist eine bruchstückhafte seitliche Schnittansicht einer sich wiederholenden Brennstoffzelleneinheit, die mit den in den 1 und 2 gezeigten Brennstoffzellenkomponenten hergestellt ist, die elektrisch leitfähige Beschichtungen aufweisen;
4 ist eine bruchstückhafte seitliche Schnittansicht einer Brennstoffzellenkomponente gemäß einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform;
5 ist eine bruchstückhafte seitliche Schnittansicht einer sich wiederholenden Brennstoffzelleneinheit, die mit der in 4 gezeigten Brennstoffzellenkomponente hergestellt ist;
6A-6G sind schematische Seitenschnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenkomponente gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigen; und
7A-7B veranschaulichen eine Modifikation zu dem Mikrofachwerkabstand abhängig von einem Ort einer Maske relativ zu einer Schicht von strahlungssensitivem Material.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung durchzuführen und zu verwenden. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhafter Natur und sind daher weder notwendig noch kritisch.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist ein Prozess auf Photopolymer-Basis vorgesehen, um eine von einer ersten Brennstoffzellenkomponente 10 und einer zweiten Brennstoffzellenkomponente 11 herzustellen. Die Brennstoffzellenkomponenten 10, 11 umfassen ein Substrat 12, zumindest eine Diffusionsmediumschicht 14, die eine Mikrofachwerkstruktur 15 aufweist, und zumindest eine Strömungsfeldschicht 16. In 1 ist die erste Brennstoffzellenkomponente 10 mit der zwischen dem Substrat 12 und der Diffusionsmediumschicht 14 angeordneten Strömungsfeldschicht 16 gezeigt. In 2 ist die zweite Brennstoffzellenkomponente 11 mit der zwischen dem Substrat 12 und der Strömungsfeldschicht 16 angeordneten Diffusionsmediumschicht 14 gezeigt. Das Substrat 12 kann je nach Bedarf entfernbar oder dauerhaft an einer von der Diffusionsmediumschicht 14 und der Strömungsfeldschicht 16 angebracht sein.
Zumindest eine von der Diffusionsmediumschicht 14 und der Strömungsfeldschicht 16 ist aus einem strahlungssensitiven Material gebildet. Die Herstellung von strahlungsgehärteten Strukturen wie z. B. der Diffusionsmediumschicht 14 und der Strömungsfeldschicht 16 aus dem strahlungssensitiven Material sind z. B. in der gemeinsam anhängigen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 12/339 308 des Antragstellers beschrieben, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Das Substrat 12 kann aus einem beliebigen Material gebildet sein, welches die Bildung von polymeren Strukturen darauf gestattet. Das Substrat 12 kann je nach Bedarf elektrisch nicht leitend oder elektrisch leitend sein. Zum Beispiel kann das Substrat 12 elektrisch nicht leitend sein, wenn vorgesehen ist, das Substrat 12 nach der Bildung einer von der Diffusionsmediumschicht 14 und der Strömungsfeldschicht 16 zu entfernen. Wenn vorgesehen ist, dass das Substrat 12 innerhalb der Brennstoffzelle bleibt, kann das Substrat 12 jedoch elektrisch leitfähig sein. In einem Beispiel ist das Substrat 12 beispielsweise aus einem Metall oder einem elektrisch leitfähigen Verbundmaterial gebildet, das sich unter typischen Photopolymerisationsbedingungen nicht wesentlich zersetzt. Das Substrat 12 kann alternativ aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material gebildet sein, das darin gebildete Löcher oder Durchlässe aufweist, in denen ein elektrisch leitfähiges Material z. B. durch Galvanisieren angeordnet sein kann, um zu bewirken, dass das Substrat 12 elektrisch leitfähig wird. In einem speziellen Beispiel ist das Substrat 12 aus Edelstahlstreifen gebildet. Die Edelstahlstreifen können als gewickelte Stahlstreifen, in Regalen gelagerte Stahlstreifen oder einzelne Rohlinge vorgesehen sein. In bestimmten Ausführungsformen ist das Substrat 12 ein im Wesentlichen planarer Edelstahlstreifen. Das Substrat 12 kann je nach Bedarf auch mit einer/einem darin gebildeten Textur oder Muster versehen sein.
Das Substrat 12 kann ferner mit einer Beschichtung oder Oberflächenbehandlung zum Verbinden und Lösen mit/von einer von der Diffusionsmediumschicht 14 und der Strömungsfeldschicht 16 versehen sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Substrat 12 eine Beschichtung aufweisen, die geeignet ist, sich mit einem nicht ausgehärteten Polymermaterial während der Herstellung der Brennstoffzellenkomponente 10, 11 zu verbinden. Die Oberflächenbehandlung kann weiter das Lösen eines ausgehärteten Polymers von dem Substrat 12 erleichtern. Insbesondere kann eine Rückseite des Substrats 12, das während der Herstellung der Brennstoffzellenkomponente 10, 11 typischerweise auf einer flachen Fläche angeordnet ist, eine Beschichtung aufweisen, um einer unerwünschten Verunreinigung oder Plattierung des Substrats 12 entgegenzuwirken. Der Fachmann kann geeignete Oberflächenbehandlungen, einschließlich Beschichtungen, nach Bedarf wählen.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Substrat 12 darin gebildete Durchgangslöcher (nicht gezeigt) aufweisen. Die Durchgangslöcher können ein Abfließen von flüssigen Photomonomeren und Lösungsmitteln oder ein Entfernen von festen strahlungssensitiven Polymeren ermöglichen, die während der Herstellung der Brennstoffzellenkomponenten 10, 11 verwendet werden. Die Durchgangslöcher können auch typische Endproduktmerkmale wie z. B. Anschlüsse und Sammleröffnungen bereitstellen, wie z. B. in der gemeinsam anhängigen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 11 / 762 845 des Anmelders beschrieben, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Bei weiteren Ausführungsformen können die Durchgangslöcher mit der Strömungsfeldschicht 16 zusammenwirken (wie in den 4 und 5 gezeigt). Die Durchgangslöcher können z. B. mittels mechanischer Perforation oder Laserschneiden vor dem Aufbringen der Diffusionsmediumschicht 14 oder der Strömungsfeldschicht 16 auf dem Substrat 12 gebildet werden. Es können auch andere geeignete Mittel zum Formen der Durchgangslöcher eingesetzt werden.
Die Diffusionsmediumschicht 14 gemäß der vorliegenden Offenbarung weist die Mikrofachwerkstruktur 15 auf. Die Mikrofachwerkstruktur 15 umfasst eine Mehrzahl von ersten Fachwerkelementen, die sich eine erste Richtung entlang erstrecken, eine Mehrzahl von zweiten Fachwerkelementen, die sich eine zweite Richtung entlang erstrecken, und eine Mehrzahl von dritten Fachwerkelementen, die sich eine dritte Richtung entlang erstrecken. Die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente können einander an einer Mehrzahl von Knoten 18 durchdringen. Es sei angemerkt, dass die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente je nach Bedarf einander nicht durchdringen können oder einander an der Mehrzahl von Knoten 18 auf intermittierender Basis durchdringen können. Die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente bilden eine kontinuierliche, dreidimensionale, selbsttragende zelluläre Struktur.
Wenngleich die Mikrofachwerkstruktur 15 mit der Mehrzahl von ersten Fachwerkelementen, der Mehrzahl von zweiten Fachwerkelementen und der Mehrzahl von dritten Fachwerkelementen eine 4-fache architektonische Symmetrie aufweisen kann, wie oben beschrieben, sollte ein Fachmann einsehen, dass andere Architekturen wie z. B. eine 3-fache Symmetrie und eine 6-fache Symmetrie innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können. Die spezielle Architektur kann z. B. gewählt sein, um den Zusammenhalt der Mikrofachwerkstruktur 15 zu erhöhen und die Anfälligkeit auf ein Durchbiegen und Knicken der Mikrofachwerkstruktur 15 unter einer Last 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 15 zu optimieren. Einem Fachmann sei ferner verständlich, dass je nach Bedarf andere Architekturen für die Mikrofachwerkstruktur 15 verwendet werden können.
Beispielhafte Architekturen der Mikrofachwerkstruktur 15 sind von Jacobsen in dem US-Patent Nr. 7 382 959 und der US-Patentanmeldung Serien-Nr. 11/801 908 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 ersten, zweiten und dritten Wellenleiter können z. B. aus einem flüssigen Photomonomer gebildet sein, das bei Photopolymerisation eine Verschiebung des Brechungsindex zeigt. Es sei angemerkt, dass die Mikrofachwerkstruktur 15 alternativ aus einem Material gebildet sein kann, das sich nicht über eine Verschiebung des Brechungsindex bildet, um einen Polymerwellenleiter zu bilden, wie z. B. durch gesteuerten Strahlungseinfluss auf ein im Wesentlichen festes strahlungssensitives Polymer, wie hierin beschrieben. Je nach Bedarf können andere geeignete Mittel zum Bilden der Mikrofachwerkstruktur 15 verwendet werden.
Dem Fachmann sei angemerkt, dass die spezielle Mikrofachwerkstruktur 15 je nach Bedarf 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. Im Speziellen können Polymer-Fachwerkelemente mit einer elliptischen Fachwerkquerschnittsform einer Schädigung mit Differenzen im thermischen Ausdehnungskoeffizienten entgegenwirken. Nach Bedarf können auch andere Querschnittsformen verwendet werden.
Bei bestimmten illustrativen Ausführungsformen kann das Polymer der Mikrofachwerkstruktur 15 in ein Metalloxid oder eine Keramik umgewandelt sein, um das wünschenswerte Niveau an Biegefestigkeit vorzusehen. Zum Beispiel sind Keramik-Mikrofachwerkstrukturen 15 und Verfahren zur Herstellung von Keramik-Mikrofachwerkstrukturen 15 von Gross et al. in der US-Patentanmeldung Serien-Nr. 12/074 727 offenbart, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Die Strömungsfeldschicht 16 gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Mehrzahl von Reaktandenströmungskanälen 20. Die Reaktandenströmungskanäle 20 sind aus einer Mehrzahl von ersten Kanalwänden 24 gebildet, die sich eine Länge der Brennstoffzellenkomponenten 10, 11 entlang erstrecken. Wie in 2 gezeigt, kann die Strömungsfeldschicht 16 auch eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen 22 umfassen. Die Kühlmittelkanäle 22 sind aus der Mehrzahl von ersten Kanalwänden 24 und aus einer Mehrzahl von zweiten Kanalwänden 26 gebildet, die sich ebenfalls die Länge der Brennstoffzellenkomponenten 10, 11 entlang erstrecken. Wenn die Strömungsfeldschicht 16 z. B. aus dem flüssigen Photomonomer gebildet ist, können die ersten Kanalwände 24 durch eine Mehrzahl von ersten sich selbst fortpflanzenden Polymerwand-Wellenleitern definiert sein, die sich eine Richtung entlang erstrecken, und die zweiten Kanalwände 26 können durch eine Mehrzahl von zweiten sich selbst fortpflanzenden Polymerwand-Wellenleitern definiert sein, die sich eine andere Richtung entlang erstrecken. Die ersten und zweiten Kanalwände 24, 26 können einander an einer Mehrzahl von Knotenpunkten 28 durchdringen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die ersten und zweiten Kanalwände 24, 26 im Wesentlichen V-förmige Kühlmittelkanäle 22 bilden. Bei bestimmten Ausführungsformen können die Reaktandenströmungskanäle auch aus den ersten und zweiten Kanalwänden 24, 26 gebildet sein. Es sei angemerkt, dass das Bilden der Reaktandenströmungskanäle und Kühlmittelkanäle 20, 22 als offene V-Formen die Rückgewinnung von überschüssigen strahlungssensitiven Materialien, die während der Herstellung der Brennstoffzellenkomponenten 10, 11 verwendet werden, zulassen kann. Die Knotenpunkten 28 können je nach Bedarf benachbart zu dem Substrat 12 oder der Diffusionsmediumschicht 14 angeordnet sein, wie in 2 gezeigt.
Die Strömungsfeldschicht 16 kann ferner eine Mehrzahl von beabstandeten Stützbändern 30 umfassen, die eine Strömung von Reaktanden oder Kühlmittel durch die Strömungsfeldschicht 16 erleichtern und einer unerwünschten Durchbiegung der ersten und zweiten Kanalwände 24, 26 unter typischen Brennstoffzellen-Betriebsbedingungen entgegenwirken. Die Stützbänder 30 können ferner geeignet sein, um einen Strom innerhalb der Brennstoffzelle zu transportieren. Wie die Fachwerkelemente der Mikrofachwerkstruktur 15 können die Stützbänder 30 je nach Bedarf eine elliptische Querschnittsform oder eine andere Querschnittsform aufweisen.
Die Stützbänder 30 sind zwischen den ersten und zweiten Kanalwänden 24, 26 und einem von dem Substrat 12 und der Diffusionsmediumschicht 14 angeordnet. Wenn die Strömungsfeldschicht 16 z. B. aus einem flüssigen Photomonomer gebildet ist, können die Stützbänder 30 durch eine Mehrzahl von sich selbst fortpflanzenden Polymerband-Wellenleitern definiert sein. Bei bestimmten Ausführungsformen kann zumindest eines der Stützbänder 30 ein weiteres der Stützbänder 30 benachbart zu dem Substrat 12 oder der Diffusionsmediumschicht 14 schneiden. Im Speziellen können die Stützbänder 30 entworfen sein, um sich der Steifigkeit wegen, und um ein unerwünschtes Verbiegen und Brechen der ersten und zweiten Kanalwände 24, 26 zu vermeiden, benachbart zu der Diffusionsmediumschicht 14 zu schneiden.
Die strahlungssensitiven Materialien, die verwendet werden, um zumindest eine von der Diffusionsmediumschicht 14 und der Strömungsfeldschicht 16 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.
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 geeignete frei radikalische Photopolymermaterial wie z. B. Urethane (Polyurethane), Acrylate, Methacrylate und kationische Polymere wie photogehärtete Epoxide umfassen. Es können auch andere geeignete Photomonomere verwendet werden
Geeignete im Wesentlichen feste strahlungshärtbare Polymere können Negativlack- bzw. 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 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 auch 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.
Ein spezielles Negativ-Resist-Polymer ist das Negativ-Resist-Polymer SU-8 2000TM auf Epoxidbasis, das im Handel von Microchem Corporation, Newton, Massachusetts kommerziell erhältlich ist. Das Negativ-Resist-Polymer SU-8 2000TM 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.
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. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die Positiv-Resist-Polymere sensitiv 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.
Die Strahlung, die verwendet wird, um die strahlungssensitiven Materialien zu härten oder zu dissoziieren, kann z. B. einen UV-Strahl von einer Quecksilberdampflampe umfassen. Nach Bedarf kann die Strahlung eine elektromagnetische Strahlung oder eine Teilchenstrahlung sein. Für einen 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. Es sei ferner zu verstehen, dass die Strahlung nach Bedarf kollimiert, teilweise kollimiert oder nicht kollimiert sein kann.
Die Strahlung wird typischerweise über zumindest eine Maske 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 strahlungstransparente Durchbrechungen sein, die z. B. in einem ansonsten lichtundurchlässigen oder Strahlung blockierenden Material gebildet sind. Die Maske kann z. B. aus einer Ebene aus Glas oder Mylarlage gebildet sein und das Leiten der Strahlungsbündel unter einem Winkel in Bezug auf entweder die Maske oder das darunter liegende Substrat 12 erleichtern. Die Maske kann nach einer Beaufschlagung bzw. Exposition weg gehoben und zur Wiederverwendung gereinigt werden. Die in der Maske gebildeten Öffnungen und Durchbrechungen besitzen Formen, die Strahlungsbündel bereitstellen, um Polymerstrukturen mit einer gewünschten Querschnittsform zu bilden. Die Durchbrechungen können im Wesentlichen kreisförmig sein, um elliptische Querschnittsformen zu erzeugen, die sich den Differenzen im thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE von coefficient of thermal expansion) im Inneren der Brennstoffzellenkomponente 10, 11 besser anpassen können.
In einer illustrativen Veranschaulichung weist die Maskenoberfläche eine Mehrzahl von Löchern auf. Die Löcher können jeweils einen Durchmesser von z. B. etwa 10 Mikrometer aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform sind die Durchbrechungen längliche Schlitze, die Strahlungslagen bereitstellen, um Polymerwände mit z. B. im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsformen zu bilden, um den zumindest einen von den Reaktandenströmungskanälen 20 und den Kühlmittelkanälen 22 der Brennstoffzellenkomponente 10, 11 zu bilden. Die Strahlenbeaufschlagung kann z. B intermittierend in einer Reihe von kurzen Beaufschlagungen oder längeren Perioden erfolgen, um den gewünschten strukturellen Aufbau vorzusehen. Ein Fachmann kann je nach Bedarf geeignete Masken, Materialien, Durchbrechungs- und Öffnungsgrößen und -formen und daraus folgende strukturelle Konfigurationen wählen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 weisen gleiche Strukturen wie in den 1 und 2 zum besseren Verständnis die gleichen Bezugsziffern und einen Strichindex (') oder einen Doppelstrichindex ('') auf. Zumindest eine von der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' kann ferner mit einem elektrisch leitfähigen Material 38', 38" beschichtet sein. Zum Beispiel kann zumindest eine von der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' mit einer Metallschicht plattiert sein, die im Wesentlichen oxidationsbeständig, reduktionsbeständig und säurebeständig ist. Die Metallbeschichtung kann in mehreren Plattierschritten geformt werden. Zum Beispiel kann die Metallbeschichtung durch Aufbringen einer ersten Schicht aus einer autokatalytischen Nickelbasis gefolgt von einer zweiten Schicht aus einer NiCr- oder Cr-Plattierung zur Korrosionsbeständigkeit und einer dritten Schicht einer Überdeckung mit Au oder Pd zur Minimierung des Kontaktwiderstandes zwischen der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' gebildet sein. Beispielsweise können die erste Schicht und die zweite Schicht aufplattiert und die dritte Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht sein, um eine Abdeckung zu begrenzen. Es können je nach Bedarf auch andere Verfahren zum Beschichten des elektrisch leitfähigen Materials 38', 38'' auf die zumindest eine von der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' verwendet werden.
Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das elektrisch leitende Material 38', 38'' 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 speziellen Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Material 38', 38" Gold (Au). Bei einer weiteren speziellen Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Material 38', 38'' Tantal (Ta). Eine andere geeignete Metallbeschichtung kann Nickel- (Ni)-Legierungen, wie Legierungen aus Nickel und Chrom (Cr) oder Nickel und Cobalt (Co) aufweisen. Wie für den Fachmann zu erkennen ist, kann das elektrisch leitende Material 38', 38'' Mischungen oder Legierungen aus den oben angeführten Metallen umfassen. Andere elektrisch leitende Metalle und Materialien können nach Bedarf ebenfalls verwendet werden.
Das elektrisch leitfähige Material 38', 38'' kann auf zumindest einer von der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' mittels z. B. Elektronenstrahlverdampfung oder Magnetron-Sputtern oder physikalische Gasphasenabscheidung oder chemische Dampfphasenabscheidung oder Atomlagenabscheidung oder elektrolytische Abscheidung oder stromlose Abscheidung oder Flammspritzabscheidung oder Bürstengalvanisierung und weitere ähnliche Verfahren abgeschieden werden. Es können auch elektrolytische Metallabscheidetechniken auf Lösungsbasis, die das Eintauchen von zumindest einer von der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' in einem Galvanisierungsbad umfassen, verwendet werden. Es kann auch das Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials 38', 38'' in der Form eines Schlämmpulvers und anschließendes Brennen des Schlämmpulvers, um die Beschichtung zu bilden, verwendet werden. 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 leitfähige Material im Wesentlichen gleichmäßig auf sowohl den Innen- als auch den Außenflächen der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' abgeschieden sein. Bei weiteren Ausführungsformen kann die Beschichtung des elektrisch leitfähigen Materials 38', 38'' auf der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' eine geringere Dicke aufweisen als die Beschichtung des elektrisch leitfähigen Materials 38', 38'' auf der Strömungsfeldschicht 16', 16''. Es können je nach Bedarf geeignete Mittel zum Beschichten und Dicken des elektrisch leitfähigen Materials 38', 38'' gewählt werden.
Es sei angemerkt, dass zumindest eine von der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' aus einem strahlungssensitiven Material gebildet sein kann, das elektrisch leitfähig ist, wenn es ausgehärtet ist. Wenn das strahlungssensitive Material elektrisch leitfähig ist, braucht die Beschichtung des elektrisch leitfähigen Materials 38', 38'' auf zumindest einer von der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und der Strömungsfeldschicht 16', 16'' gegebenenfalls nicht verwendet werden, falls erwünscht.
Die erste und die zweite Brennstoffzellenkomponente 10, 11 können auch zumindest eine mikroporöse Schicht 32', 32'' und zumindest eine Elektrode 34', 34'' aufweisen. Die mikroporöse Schicht 32', 32'' kann auf der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' angeordnet sein. Die Elektrode 34', 34'' kann auf der mikroporösen Schicht 32', 32'' gegenüber der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' angeordnet sein. Es sei angemerkt, dass die Elektrode 34', 34'' je nach Bedarf auch direkt auf der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' angeordnet sein kann. Eine der Elektroden 34', 34'' kann ferner eine darauf angeordnete Polymerelektrolytmembran (PEM) 36 aufweisen.
Wie in 3 gezeigt, können die erste und die zweite Brennstoffzellenkomponente 10, 11 zusammengesetzt sein, um eine einzelne sich wiederholende Einheit 40 für eine Brennstoffzelle zu bilden. Eine Mehrzahl von sich wiederholenden Einheiten 40 kann zusammen gestapelt sein, um einen Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) zu bilden. Die sich wiederholende Einheit 40 umfasst die erste Diffusionsmediumschicht 14' und die zweite Diffusionsmediumschicht 14'. Die erste Diffusionsmediumschicht 14' weist die Mikrofachwerkstruktur 15' mit den Knoten 18' auf. Die zweite Diffusionsmediumschicht 14'' umfasst die Mikrofachwerkstruktur 15'' mit den Knoten 18''. Die sich wiederholende Einheit 40 umfasst ferner die Strömungsfeldschicht 16' und die zweite Strömungsfeldschicht 16''. Die Strömungsfeldschicht 16' umfasst die ersten Kanalwände 24', die sich schneiden, und die Mehrzahl von Stützbändern 30'. Die zweite Strömungsfeldschicht 16'' umfasst die ersten und zweiten Kanalwände 24'', 26'', die sich an dem Knotenpunkt 28'' schneiden, und die Mehrzahl von Stützbändern 30''. Das Substrat 12' der ersten Brennstoffzellenkomponente 10 ist zwischen der ersten und der zweiten Strömungsfeldschicht 16', 16'' angeordnet. Das Substrat 12' und die erste und zweite Strömungsfeldschicht 16', 16'' sind ferner zwischen der ersten und der zweiten Diffusionsmediumschicht 14', 14'' angeordnet. Jede der Diffusionsmediumschichten 14', 14'' weist eine mikroporöse Schicht 32', 32'' auf, die darauf angeordnet ist. Jede der mikroporösen Schichten 32', 32'' weist eine Elektrode 34', 34'' auf, die darauf gegenüber der Diffusionsmediumschicht 14', 14'' angeordnet ist. Eine der Elektroden 34', 34'' weist eine darauf angeordnete Polymerelektrolytmembran 36 auf.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 4 und 5 weisen gleiche Strukturen wie in den 1, 2 und 3 zum besseren Verständnis die gleichen Bezugsziffern und einen Strichindex (') oder einen Doppelstrichindex ('') auf. Eine alternative Brennstoffzellenkomponente 10' gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in 4 veranschaulicht und ist vorgesehen, um eine einzelne sich wiederholende Einheit 40' für die Brennstoffzelle zu bilden, wie in 5 gezeigt.
Die Brennstoffzellenkomponente 10' umfasst die erste und die zweite Diffusionsmediumschicht 14', 14'' und die einzelne Strömungsfeldschicht 16. Die Strömungsfeldschicht 16 ist aus einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Wänden 42 gebildet, welche die Mehrzahl von Reaktandenströmungskanälen 20 und die Mehrzahl von Kühlmittelkanälen 22 definieren. Die elektrisch leitfähigen Wände 42 können z. B. durch Aufbringen der Beschichtung aus dem elektrisch leitfähigen Material 38 auf einer Mehrzahl von entfernbaren negativen Kernen und anschließendes Entfernen der Kerne, um das elektrisch leitfähige Material 38 als die Wände 42 zurückzulassen, gebildet werden. Es können auch andere Mittel verwendet werden, um die elektrisch leitfähigen Wände 42 zu bilden.
Das Substrat 12 kann mit der Strömungsfeldschicht 16 gekoppelt sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Beschichtung 38, welche die elektrisch leitfähigen Wände 42 bildet, auch über dem Substrat 12 angeordnet sein, um das Substrat 12 mit der Strömungsfeldschicht 16 zu verbinden. Die Strömungsfeldschicht 16 ist zwischen der ersten und der zweiten Diffusionsmediumschicht 14', 14'' angeordnet. Eine der Diffusionsmediumschichten 14', 14'' weist eine darauf angeordnete Membranelektrodenbaugruppe (MEA) 44 auf. Die Membranelektrodenbaugruppe 44 umfasst die mikroporösen Schichten 32', 32'', die Elektroden 34', 34'' und die PEM 36. Die Strömungsfeldschicht 16 stellt die Mehrzahl von Reaktandenströmungskanälen 20 und die Mehrzahl von Kühlmittelkanälen 22 bereit. Wie gezeigt, umfasst die Mehrzahl von Reaktandenströmungskanälen 20, die durch die Strömungsfeldschicht in der alternativen Brennstoffzellenkomponente 10' gebildet ist, Reaktandenströmungskanäle 20, welche benachbart zu der ersten Diffusionsmediumschicht 14' gebildet sind, und Reaktandenströmungskanäle 20, welche benachbart zu der zweiten Diffusionsmediumschicht 14'' gebildet sind. Ein/e Perforation, Schlitz oder eine Reihe von Löchern 46 ist durch das Substrat 12 hindurch gebildet und wirkt mit der Strömungsfeldschicht 16 zusammen, um eine fluidtechnische Verbindung zwischen der Mehrzahl von Reaktandenströmungskanälen 20 benachbart zu der zweiten Diffusionsmediumschicht 14'' bereitzustellen. Es sei angemerkt, dass die alternative Struktur der Brennstoffzelle 10' dadurch die Bildung der einzelnen sich wiederholenden Einheit 40' für die Brennstoffzelle ermöglicht, ohne einen Zusammenbau der ersten und der zweiten Brennstoffzellenkomponente 10, 11, wie in den 1 bis 3 gezeigt, zu erfordern.
Die vorliegende Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Herstellung der sich wiederholenden Einheit 40 für die Brennstoffzelle. Das Verfahren umfasst zuerst die Schritte, dass: die erste Brennstoffzellenkomponente 10 vorgesehen wird und die zweite Brennstoffzellenkomponente 11 vorgesehen wird. Die erste Brennstoffzellenkomponente 10 wird auf der zweiten Brennstoffzellenkomponente 11 angeordnet. Das erste Substrat 12' wird benachbart zu der zweiten Strömungsfeldschicht 16'' der zweiten Brennstoffzellenkomponente 11 angeordnet. Das zweite Substrat 12'' auf der zweiten Brennstoffzellenkomponente 11 wird von der zweiten Brennstoffzellenkomponente 11 entfernt, je nach Bedarf entweder bevor oder nachdem die zweite Brennstoffzellenkomponente 11 auf der ersten Brennstoffzellenkomponente 10 angeordnet wird/wurde. Die erste und die zweite Brennstoffzellenkomponente 10, 11 können z. B. mithilfe eines schweren Galvanisierungsverfahrens zusammengefügt werden, um die V-förmigen Kühlmittelkanäle 22'' zu schließen. Es können elektrisch leitfähige Positionierungskleber verwendet werden, um die erste und die zweite Brennstoffzellenkomponente 10, 11 zusammenzufügen. Es können auch andere geeignete Mittel zum Zusammenfügen der ersten und der zweiten Brennstoffzellenkomponente 10, 11 in einer wünschenswert abgedichteten und elektrisch leitfähigen Weise verwendet werden.
Die erste mikroporöse Schicht 32' wird dann auf der ersten Diffusionsschicht 14' angeordnet und die zweite mikroporöse Schicht 32'' wird auf der zweiten Diffusionsschicht 14'' angeordnet. Die erste Elektrode 34' wird auf der ersten mikroporösen Schicht 32' angeordnet und die zweite Elektrode 34'' wird auf der zweiten mikroporösen Schicht 32'' angeordnet. Dann wird die PEM 36 auf einer von der ersten und der zweiten Elektrode 34', 34'' angeordnet, um die sich wiederholende Einheit 40 für die Brennstoffzelle zu vervollständigen. Der Zusammenbau der mikroporösen Schichten 32', 32'', der Elektroden 34', 34'' und der PEM 36 kann je nach Bedarf erfolgen, bevor oder nachdem die erste Brennstoffzellenkomponente 10 mit der zweiten Brennstoffzellenkomponente 11 zusammengefügt wird/ wurde.
Der Schritt zum Vorsehen der ersten Brennstoffzellenkomponente 10 kann ferner die Schritte umfassen, dass das erste Substrat 12' vorgesehen wird und ein strahlungssensitives Material auf dem ersten Substrat 12' angeordnet wird. Zum Beispiel kann das erste Substrat 12' in ein Volumen eines flüssigen Photopolymers getaucht werden. Dann wird eine erste Maske zwischen der zumindest einen Strahlungsquelle und dem strahlungssensitiven Material platziert. Die erste Maske erstreckt sich eine Einzelebene entlang und weist eine Mehrzahl von darin gebildeten länglichen Schlitzen auf. Die erste Maske kann derart gewählt sein, dass sie eine gewünschte Strömungsfeldgeometrie mit der Mehrzahl von ersten Polymerwänden 24' vorsieht. Dann wird das erste strahlungssensitive Material einer Mehrzahl von Strahlungslagen ausgesetzt, die durch die länglichen Schlitze der ersten Maske hindurch geleitet werden, um die Strömungsfeldschicht 16' mit der Mehrzahl von Reaktandenströmungskanälen 20' zu bilden.
Anschließend an die Bildung der Strömungsfeldschicht 16' wird ein zweites strahlungssensitives Material auf die Strömungsfeldschicht 16' aufgebracht. Das zweite strahlungssensitive Material kann je nach Bedarf das gleiche wie oder ein anderes als das strahlungssensitive Material sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann ein im Wesentlichen festes strahlungssensitives Polymer auf die Strömungsfeldschicht 16' laminiert werden. Eine zweite Maske wird zwischen der zumindest einen Strahlungsquelle und dem zweiten strahlungssensitiven Material platziert. Die zweite Maske kann derart gewählt sein, dass sie eine gewünschte Diffusionsmediumgeometrie bereitstellt. Die zweite Maske erstreckt sich eine Einzelebene entlang und weist eine Mehrzahl von Durchbrechungen auf. Das zweite strahlungssensitive Material wird einer Mehrzahl von Strahlungsbündeln ausgesetzt, die durch die Durchbrechungen der zweiten Maske hindurch geleitet werden, um die erste Diffusionsmediumschicht 14' mit der gewünschten Mikrofachwerkstruktur 15' zu bilden.
Der Schritt zum Vorsehen der zweiten Brennstoffzellenkomponente 11 kann ferner die Schritte umfassen, dass das zweite Substrat 12" vorgesehen wird und ein drittes strahlungssensitives Material auf das zweite Substrat 12" aufgebracht wird. Das dritte strahlungssensitive Material kann das gleiche wie oder ein anderes als das erste und das zweite strahlungssensitive Material sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das zweite Substrat 12" mit einem im Wesentlichen festen strahlungssensitiven Polymer laminiert werden. Eine Dicke des auf das zweite Substrat 12" aufgebrachten dritten strahlungssensitiven Materials kann auf der Basis einer gewünschten Dicke der nicht zusammengedrückten Diffusionsmediumschicht 14" gewählt sein, die mit dem dritten strahlungssensitiven Material hergestellt werden soll. Dann wird eine dritte Maske zwischen zumindest einer Strahlungsquelle und dem dritten strahlungssensitiven Material platziert. Die dritte Maske erstreckt sich eine Einzelebene entlang und weist eine Mehrzahl von darin gebildeten Durchbrechungen auf. Dann wird das dritte strahlungssensitive Material einer Mehrzahl von Strahlungsbündeln von der Strahlungsquelle je nach Bedarf z. B. aus einer oder mehreren Richtungen, gleichzeitig oder nacheinander, ausgesetzt. Die Strahlungsbündel werden durch die in der dritten Maske gebildeten Durchbrechungen hindurch zu dem dritten strahlungssensitiven Material geleitet. Die Strahlungsbündel bewirken, dass die Mikrofachwerkstruktur 15'' die zweite Diffusionsmediumschicht 14'' bildet.
Anschließend an die Bildung der Mikrofachwerkstruktur 15'' wird die dritte Maske von der zweiten Diffusionsmediumschicht 14'' entfernt. Dann wird ein viertes strahlungssensitives Material auf die zweite Diffusionsmediumschicht 14'' aufgebracht. Das vierte strahlungssensitive Material kann je nach Bedarf das gleiche wie oder ein anderes als das erste, das zweite und das dritte strahlungssensitive Material sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel ist das vierte strahlungssensitive Material ein Volumen eines flüssigen Photopolymers. Eine vierte Maske wird zwischen der zumindest einen Strahlungsquelle und dem vierten strahlungssensitiven Material platziert. Die vierte Maske kann sich eine Einzelebene entlang erstrecken und eine Mehrzahl von darin gebildeten länglichen Schlitzen aufweisen. Dann wird das vierte strahlungssensitive Material einer Mehrzahl von Strahlenlagen ausgesetzt, die durch die länglichen Schlitze der vierten Maske hindurch geleitet werden, um die zweite Strömungsfeldschicht 16'' mit der Mehrzahl von Reaktandenströmungskanälen 20'' und der Mehrzahl von V-förmigen Kühlmittelkanälen 22'' zu bilden.
Es sei angemerkt, dass, um die gewünschte Mikrofachwerkstruktur 15', 15'' zu bilden, die Strahlungsbündel ein erstes Strahlungsbündel, ein zweites Strahlungsbündel und ein drittes Strahlungsbündel umfassen können. Das erste, das zweite und das dritte Strahlungsbündel werden von zumindest einer Strahlungsquelle in Richtung zumindest einer Durchbrechung geleitet, um entsprechend das erste, das zweite und das dritte Polymer-Fachwerkelement in einem Teil des Volumens des strahlungssensitiven Materials zu bilden. Im Fall des Photomonomers können die Polymer-Fachwerkelemente aus Polymerwellenleitern gebildet sein, die einen von dem umgebenden Photomonomer verschiedenen Brechungsindex besitzen.
Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das erste Strahlungsbündel unter einem ersten Winkel in Bezug auf die Einzelebene geleitet werden und das zweite Strahlungsbündel kann unter einem zweiten Winkel in Bezug auf die Einzelebene geleitet werden; wobei der zweite Winkel von dem ersten Winkel verschieden ist. Das dritte Strahlungsbündel wird unter einem dritten Winkel in Bezug auf die Einzelebene geleitet; wobei der dritte Winkel von dem ersten Winkel und dem zweiten Winkel verschieden ist. Das erste Polymer-Fachwerkelement bildet einen vierten Winkel in Bezug auf die Einzelebene; wobei der vierte Winkel dem ersten Winkel entspricht. Das zweite Polymer-Fachwerkelement bildet einen fünften Winkel in Bezug auf die Einzelebene; wobei der fünfte Winkel dem zweiten Winkel entspricht. Das dritte Polymer-Fachwerkelement bildet einen sechsten Winkel in Bezug auf die Einzelebene; wobei der sechste Winkel dem dritten Winkel entspricht. Jedes von dem ersten, dem zweiten und dem dritten Polymer-Fachwerkelement kann die anderen schneiden, um die Mikrofachwerkstrukturen 15', 15" zu bilden. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass je nach Bedarf zumindest ein Teil der Fachwerkelemente derart gewählt sein kann, dass keine Überschneidung vorhanden ist.
Das Verfahren zur Herstellung der sich wiederholenden Einheit 40 für die Brennstoffzelle umfasst ferner den Schritt, dass zumindest eine von der ersten Diffusionsmediumschicht 14', der zweiten Diffusionsmediumschicht 14'', der Strömungsfeldschicht 16' und der zweiten Strömungsfeldschicht 16'' mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung 38', 38'' beschichtet wird, wie hierin oben stehend beschrieben. Es sei angemerkt, dass die elektrisch leitfähige Beschichtung 38', 38'' den Kontaktwiderstand minimieren und die Effizienz der Brennstoffzelle optimieren kann.
Die vorliegende Offenbarung umfasst ein weiteres Verfahren zur Herstellung der sich wiederholenden Einheit 40' für die Brennstoffzelle. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass das Substrat 12 vorgesehen wird und ein strahlungssensitives Material auf das Substrat 12 aufgebracht wird. Zum Beispiel kann das Substrat 12 in ein Volumen eines flüssigen Photopolymers getaucht werden. Das Substrat 12 kann mit der Mehrzahl von darin ausgebildeten Perforationen oder Löchern 46 versehen sein. Dann wird die erste Maske zwischen zumindest eine Strahlungsquelle und dem strahlungssensitiven Material platziert. Die erste Maske erstreckt sich eine Einzelebene entlang und weist eine Mehrzahl von Durchbrechungen auf. Dann wird das strahlungssensitive Material einer Mehrzahl von Strahlungsbündeln ausgesetzt, die durch die Durchbrechungen der ersten Maske hindurch zu dem strahlungssensitiven Material geleitet werden, um eine Mehrzahl von negativen entfernbaren Kernen zu bilden. Die negativen entfernbaren Kerne können beispielsweise auch mithilfe eines anderen Mittels wie z. B. Siebdruck gebildet werden. Die erste Maske wird von den negativen entfernbaren Kernen und dem restlichen nicht ausgehärteten strahlungssensitiven Material entfernt. Es sei angemerkt, dass der Begriff „nicht gehärtetes strahlungssensitives Material“ auch dissoziiertes strahlungssensitives Material innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung enthalten kann. Das restliche nicht ausgehärtete Volumen des strahlungssensitiven Materials kann anschließend, z. B. durch Ablaufen im Fall eines Photomonomers, entfernt und wieder verwendet werden. Der Schritt zum Entfernen des restlichen nicht ausgehärteten Volumens des strahlungssensitiven Materials kann das Abspülen des Substrats und der Kerne mit einem Lösungsmittel umfassen. Ein Fachmann sollte einsehen, dass geeignete Lösungsmittel die exponierten negativen entfernbaren Kerne nicht wesentlich angreifen.
Die entfernbaren Kerne weisen die negative Form der Wände 42 auf, die erwünscht sind, um die Mehrzahl von Reaktandenströmungskanälen 20 und die Mehrzahl von Kühlmittelkanälen 22 zu bilden. Der Schritt zum Bilden der Mehrzahl von negativen entfernbaren Kernen kann z. B. umfassen, dass das strahlungssensitive Material einer Mehrzahl von schrägen und vertikalen Strahlungsbündeln ausgesetzt wird.
Es wird ein zweites strahlungssensitives Material auf die negativen entfernbaren Kerne angeordnet und ein drittes strahlungssensitives Material wird auf dem Substrat 12 angeordnet. Als nicht einschränkende Beispiele können das zweite und das dritte strahlungssensitive Material im Wesentlichen feste strahlungssensitive Polymere sein, die auf jedes der negativen entfernbaren Kerne und das Substrat 12 laminiert werden. Das Substrat 12 und die negativen entfernbaren Kerne werden mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung 38 beschichtet. Es sei angemerkt, dass eine Maske oder eine andere physikalische Abdeckung wie z. B. ein physikalischer Kontakt mit einer weiteren Oberfläche, auf der Außenfläche des laminierten strahlungssensitiven Polymers verwendet werden kann, um der Bildung einer unerwünschten schweren Plattierung darauf während der Aufbringung der elektrisch leitfähigen Beschichtung 38 entgegenzuwirken.
Dann wird eine zweite Maske zwischen der zumindest einen Strahlungsquelle und dem zweiten strahlungssensitiven Material platziert und das zweite strahlungssensitive Material wird einer Mehrzahl von Strahlungsbündeln ausgesetzt, um die erste Diffusionsmediumschicht 14' mit der Mikrofachwerkstruktur 15' zu bilden. Es wird eine dritte Maske zwischen der zumindest einen Strahlungsquelle und dem dritten strahlungssensitiven Material platziert und das dritte strahlungssensitive Material wird einer Mehrzahl von Strahlungsbündeln ausgesetzt, um die zweite Diffusionsmediumschicht 14'' mit der Mikrofachwerkstruktur 15'' zu bilden. Das erste, das zweite und das dritte strahlungssensitive Material können je nach Bedarf dasselbe oder verschiedene sein. Die negativen entfernbaren photopolymerisierten Kerne und das zweite und das dritte strahlungssensitive Material, die nicht ausgehärtet sind, werden entfernt, um die durch die elektrisch leitfähige Beschichtung 38 gebildeten Wände 42 zurückzulassen.
Das Verfahren umfasst ferner die Schritte, dass die erste und die zweite Diffusionsmediumschicht 14', 14'' mit dem elektrisch leitfähigen Material 38 beschichtet werden. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass die auf den Diffusionsmediumschichten 14', 14'' angeordnete Beschichtung eine geringere Dicke aufweisen kann als die Beschichtung, die auf den negativen entfernbaren Kernen angeordnet ist, welche die Wände 42 der Strömungsfeldschicht 16' bilden. Ein Fachmann kann je nach Bedarf geeignete elektrisch leitfähige Beschichtungsdicken für jede der Schichten wählen.
Um die sich wiederholende Einheit 40' für die Brennstoffzelle zu vervollständigen, wird die MEA 44 auf eine von der ersten und der zweiten Diffusionsmediumschicht 14', 14'' aufgebracht. Der Schritt zum Aufbringen der MEA 44 umfasst die Schritte, dass: die erste mikroporöse Schicht 32' auf der ersten Diffusionsmediumschicht 14' aufgebracht wird; die erste Elektrode 34' auf die erste mikroporöse Schicht 32' aufgebracht wird; die PEM 36 auf der ersten Elektrode 34' angeordnet wird; die zweite Elektrode 34'' auf die PEM 36 aufgebracht wird; und die zweite mikroporöse Schicht 32'' auf der zweiten Elektrode 34'' angeordnet wird.
Mit Bezug auf die hierin beschriebenen sich wiederholenden Einheiten 40, 40' können ferner auch Sammlerdurchbrechungen (nicht gezeigt), die typischerweise der Bildung von Einlass- und Auslasssammlern der Brennstoffzelle zugeordnet sind, vorgesehen sein. Ebenso können Dichtungs- und Anschlussmerkmale, die den Zusammenbau und den Betrieb der Brennstoffzelle erleichtern, vorgesehen sein. Die Sammlerdurchbrechungen, Dichtungen und Anschlussmerkmale können mit herkömmlichen Mitteln oder mithilfe der hierin oben beschriebenen Polymerisationstechniken gebildet werden.
Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass die Verwendung von Mikrofachwerkstrukturen 15, 15', 15'' die kostengünstige Produktion von Brennstoffzellenkomponenten 10, 10', 11 gestattet, welche verwendet werden, um Brennstoffzellen für Kraftfahrzeug- und andere Anwendungen wie z. B. Mikrobrennstoffzellen für tragbare Vorrichtungen zu bilden. Die Brennstoffzellenkomponenten 10, 10', 11 der vorliegenden Offenbarung verwenden Polymere, die in der Form des gewünschten Brennstoffzellenteils gebildet werden, anstatt negativ geformte entfernbare Kerne zu bilden. Die vorliegende Offenbarung erweitert die von den bekannten Mikrofachwerkverfahren verfügbaren Konstruktionsmerkmale, um eine größere Vielfalt von Merkmalen zu produzieren, die zur Produktion von Brennstoffzellenkomponenten wie z. B. Diffusionsmedien, Separatorplatten und zur Membranverstärkung wünschenswert sind.
Die hoch geordnete Struktur der mit den Verfahren der vorliegenden Offenbarung hergestellten Brennstoffzellenkomponenten 10, 10', 11, 40, 40' sieht ein gleichmäßigeres Komprimieren und eine erhöhte Haltbarkeit im Vergleich mit herkömmlichen Polymerschaumteilen vor. Die vorliegende Herstellmethodik ist auch weniger kostspielig als herkömmliche Herstellungsverfahren und gestattet es, Brennstoffzellenkomponenten mit deutlich verkürzten Vorlaufzeiten zu erzeugen. Im Speziellen können sich Produktionskostenreduktionen durch den Ersatz der herkömmlichen Kohlefaserpapierdiffusionsmedien und durch das Vorgehen gegen Kosten, die typischerweise mit der Bildung gewünschter Kontaktwiderstand-Grenzflächen zwischen herkömmlichen und separat hergestellten Brennstoffzellenkomponenten verbunden sind, ergeben.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in den 6A - 6G und 7A - 7B gezeigt. Wie in den 1 - 5 gezeigt ist, die hier oben beschrieben sind, ist die Brennstoffzellenkomponente 100 ein Verbundmaterial mit einer Architektur, die über seine Dicke variiert. Ähnliche oder verwandte Strukturen aus den 1 bis 5, die in den 6A - 6G und 7A - 7B gezeigt sind, besitzen zu Zwecken der Klarheit dieselben Bezugszeichen in einer 100er-Reihe.
Wie in 6A gezeigt ist, kann das Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzellenkomponente 100 den Schritt zur Bereitstellung einer Maske 102 aufweisen, die zumindest eine strahlungstransparente Durchbrechung 104 besitzt. Die zumindest eine strahlungstransparente Durchbrechung 104 erlaubt, dass eine Mehrzahl von Strahlungsbündeln 106 (in 6E gezeigt) hindurchgeführt werden kann. Die Maske 102 kann ein strahlungstransparentes Material aufweisen, das mit einem strahlungsdichten Material beschichtet ist. Das strahlungsdichte Material kann eine Mehrzahl von Löchern besitzen, die die strahlungstransparenten Durchbrechungen 104 der Maske 102 definieren. Die strahlungstransparenten Durchbrechungen der Maske 102 können beispielsweise im Wesentlichen kreisförmig sein. Bei einem bestimmten Beispiel ist das strahlungstransparente Material Glas, wie ein Wafer aus Pyrex®-Glas, und das strahlungsdichte Material ist eine gemusterte Chrombeschichtung, die auf das Glas schleuderbeschichtet ist. Andere strahlungstransparente und strahlungsdichte Materialien für die Maske 102 und Formen der zumindest einen strahlungstransparenten Durchbrechung 104 können ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
Ein strahlungssensitives Material 108 mit einer Sensitivität gegenüber der Mehrzahl von Strahlungsbündeln 106 ist ebenfalls vorgesehen, wie beispielsweise in 6C gezeigt ist. Das strahlungssensitive Material 108 kann aus einer der Klassen von strahlungssensitiven Materialien gewählt sein, die hier oben offenbart sind. Bei einem bestimmten Beispiel ist das strahlungssensitive Material 108 ein Negativ-Resist-Polymer, wie das epoxidbasierte Negativ-Resist-Polymer SU-8 200™, und die Strahlungsbündel 108 weisen kollimierte UV-Strahlung auf. Dem Fachmann sei verständlich, dass auch andere Typen der Strahlungsbündel 106 und der strahlungssensitiven Materialien 108 nach Bedarf verwendet werden können.
Das vorliegende Verfahren umfasst die Schritte einer Bereitstellung einer Strömungsfeldschicht 116. Die Strömungsfeldschicht 116 kann eine Mehrzahl strahlungsgehärteter Strömungskanäle besitzen. Die Strömungsfeldschicht 116 kann beispielsweise als eine freistehende Struktur oder vollständig auf einem Substrat 112 geformt vorgesehen sein. Wenn das Substrat 112 verwendet ist, kann die Strömungsfeldschicht 116 Haftunterstützer aufweisen, die eine Anbindung der Strömungsfeldschicht 116 an dem Substrat 112 unterstützen. Das Substrat 112 kann beispielsweise aus Metall geformt sein und auch als die Brennstoffzellenplatte, wie die Bipolarplatte in dem zusammengebauten Brennstoffzellenstapel, dienen. Bei einer besonderen Ausführungsform ist das Substrat 110 eine Edelstahlfolie. Das Substrat kann auch nach Bedarf aus anderen Metallen und elektrisch leitenden Verbundmaterialien geformt werden.
Das strahlungssensitive Material 108 wird auf der Strömungsfeldschicht 116 angeordnet. Beispielsweise kann die Strömungsfeldschicht 116 in das strahlungssensitive Material 108 gepresst werden, wie in 6D gezeigt ist. Bei bestimmten Ausführungsformen wird die Strömungsfeldschicht 116 in das strahlungssensitive Material 108 eingebettet, wenn das strahlungssensitive Material 108 an der Strömungsfeldschicht 116 angeordnet wird. Das strahlungssensitive Material 108 kann vor einem Pressen der Strömungsfeldschicht 116 in das strahlungssensitive Material 108 beispielsweise erhitzt oder „weich gebacken“ werden, um eine restliche Spannung zu minimieren. Wenn das epoxidbasierte Negativ-Resist-Polymer SU-8 2000™ verwendet wird, kann die Weichbacktemperatur etwa 95°C betragen, obwohl auch andere Temperaturen verwendet werden können. Bei anderen Ausführungsformen kann das strahlungssensitive Material 108 als ein weiches Material in fester Phase vorgesehen sein, in das die Strömungsfeldschicht 116 ohne Vorerhitzen des strahlungssensitiven Materials 108 gepresst wird.
Nach dem Pressen der Strömungsfeldschicht 116 in das strahlungssensitive Material 108 wird das strahlungssensitive Material 108 der Mehrzahl von Strahlungsbündeln 106 durch die strahlungstransparenten Durchbrechungen 104 in der Maske 102 ausgesetzt. Die Exposition des strahlungssensitiven Materials 108 durch die Strahlungsbündel 106 bildet eine Diffusionsmediumschicht 114 mit einer Mikrofachwerkstruktur in dem strahlungssensitiven Material 108. Zusätzliches Erhitzen nach der Exposition kann auch dazu verwendet werden, die Ausbildung der Diffusionsmediumschicht 114 zu beschleunigen. Aufgrund des Einbettens der Strömungsfeldschicht 116 in dem strahlungssensitiven Material 108 wird die Mikrofachwerkstruktur der Diffusionsmediumschicht 108 mit der Strömungsfeldschicht 116 verriegelt und an diese angebunden, nachdem die Diffusionsmediumschicht 114 geformt ist. Dadurch wird die Brennstoffzellenkomponente 100 vorgesehen.
Das vorliegende Verfahren kann ferner beispielsweise eine Opferfreigabeschicht 148 verwenden, wie in 6B gezeigt ist. Die Opferfreigabeschicht 148 kann auf die Maske 102 vor Anordnung des strahlungssensitiven Materials 108 daran aufgebracht werden. Beispielsweise kann die Opferfreigabeschicht 148 auf die Maske 102 schleuderbeschichtet werden, obwohl dem Fachmann verständlich sei, dass auch andere Verfahren zum Aufbringen der Opferfreigabeschicht 148 verwendet werden können. Die Opferfreigabeschicht 148 wird insbesondere zwischen der Maske 102 und dem strahlungssensitiven Material 108 angeordnet. Somit kann das strahlungssensitive Material 108 beispielsweise durch Schleuderbeschichten oder ein anderes Aufbringungsverfahren auf die Opferfreigabeschicht 148 aufgebracht werden, nachdem die Opferfreigabeschicht durch die Maske 102 aufgebracht worden ist.
Die Opferfreigabeschicht 148 ist aus einem Material geformt, das im Wesentlichen transparent für die Mehrzahl von Strahlungsbündeln 106 ist, bei denen das strahlungssensitive Material 108 sensitiv ist. Das die Opferfreigabeschicht 148 bildende Material ist auch so gewählt, dass es sich in einem Lösemittel löst, das strahlungsgehärtete Strukturen, die aus dem strahlungssensitiven Material 108 geformt werden, anderweitig nicht schädigt. Wenn beispielsweise UV-Strahlung verwendet wird, kann die Opferfreigabeschicht 148 Polystyrol sein. Das Polystyrol kann durch Schleuderbeschichten einer verdünnten Lösung aus Polystyrol-Toluen über die Maske 102 abgeschieden werden. Nach Bedarf können andere geeignete Materialien für die Opferfreigabeschicht 148 ebenfalls verwendet werden.
Bezug nehmend auf die 7A und 7B ist gezeigt, dass die Auswahl einer Dicke der Opferfreigabeschicht 148 die Form der resultierenden strahlungsgehärteten Struktur, die in dem strahlungssensitiven Material 108 gebildet wird, beeinflussen kann. Wenn beispielsweise eine minimale Dicke der Opferfreigabeschicht 148 von beispielsweise etwa 2 µm verwendet wird (7A), zweigen einzelne Fachwerkelemente der Mikrofachwerkstruktur, die die Diffusionsmediumschicht 114 bildet, von einem einzelnen Knoten 150 aus. Der einzelne Knoten 150 kann durch eine Stelle einer der strahlungstransparenten Durchbrechungen 104 der Maske 102 definiert sein. Wenn eine größere Dicke der Opferfreigabeschicht 148 verwendet wird (7B), bilden sich die einzelnen Fachwerke zwischen den Knoten 150 des Fachwerknetzwerks. Dies erhöht eine Kontaktoberfläche der Diffusionsmediumschicht 114 bei Formung.
Dem Fachmann sei verständlich, dass die erhöhte Kontaktoberfläche erwünscht ist, da diese die lokale Spannung an einer Membranelektrodenbaugruppe (nicht gezeigt) während des Brennstoffzellenbetriebs minimiert, ohne die Fluidströmung zu hemmen. Bei einer besonders illustrativen Ausführungsform beträgt die Dicke der Opferfreigabeschicht 148 etwa 35 µm. Nach Bedarf kann ein Fachmann andere Dicken für die Opferfreigabeschicht 148 wählen oder kann ansonsten einen Abstand zwischen der Maske 102 und dem strahlungssensitiven Material 108 durch Positionierung der Maske 102 um eine Distanz von dem strahlungssensitiven Material 108 während der Formung der Diffusionsmediumschicht 114 einstellen.
Mit fortgesetztem Bezug auf die 6A bis 6G umfasst das Verfahren der vorliegenden Offenbarung ferner den Schritt zum Entfernen zumindest eines der Maske 102 und der Opferfreigabeschicht 148 von der Diffusionsmediumschicht 114, nachdem das strahlungssensitive Material 108 der Mehrzahl von Strahlungsbündeln 106 ausgesetzt worden ist. Die Opferfreigabeschicht 148 kann durch Eintauchen der Freigabeschicht 148 und der Maske 102 in das Lösemittel entfernt werden, das die Freigabeschicht 148 löst und eine Entfernung der Maske 102 zulässt. Ein nicht gehärteter Abschnitt des strahlungssensitiven Materials 108, der verbleibt, nachdem das strahlungssensitive Material 108 der Mehrzahl von Strahlungsbündeln 106 ausgesetzt ist, kann beispielsweise von der Diffusionsmediumschicht 114 vor einem Lösen der Freigabeschicht in dem Lösemittel gereinigt werden, wie in 6F gezeigt ist.
Wie hier oben weiter offenbart ist, kann das Verfahren auch die Schritte zum Beschichten zumindest eines der Diffusionsmediumschicht 114 und der Strömungsfeldschicht 116 mit einer elektrisch leitenden Beschichtung aufweisen.
Obwohl das in den 6A - 6G gezeigte Herstellverfahren die Ausbildung der Diffusionsmediumschicht 114 an der vorgeformten Strömungsfeldschicht 116 zeigt, sei angemerkt, dass die Strömungsfeldschicht 116 alternativ an der vorgeformten Diffusionsmediumschicht 114 geformt werden kann, um dieselbe Qualität der Anbindung dazwischen bereitzustellen. Beispielsweise kann das Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzellenkomponente 100 die Schritte zum Versehen der Diffusionsmediumschicht 114 mit der Mikrofachwerkstruktur und der Anordnung des strahlungssensitiven Materials 108 auf der Diffusionsmediumschicht 114 aufweisen. Das strahlungssensitive Material 108 wird dann der Mehrzahl von Strahlungsbündeln 106 durch die strahlungstransparenten Durchbrechungen 104 in der Maske 102 ausgesetzt, um die Strömungsfeldschicht 116 zu bilden.
Bei weiteren alternativen Ausführungsformen können die Diffusionsmediumschicht 114 und die Strömungsfeldschicht 116 der Brennstoffzellenkomponente 100 separat ausgesetzt bzw. exponiert und entwickelt und anschließend durch Plattieren verbunden werden. Beispielsweise kann eine der Diffusionsmediumschicht 114 und der Strömungsfeldschicht 116 auf dem Substrat 112 bearbeitet werden, während die andere als die freistehende Schicht bearbeitet wird. Bei einem anderen Beispiel kann eine der Diffusionsmediumschicht 114 und der Strömungsfeldschicht 116 auf dem Substrat 112 bearbeitet werden und die andere an einem Bearbeitungssubstrat (nicht gezeigt) mit oder ohne die Opferfreigabeschicht 148 befestigt werden, um eine Entfernung des Bearbeitungssubstrats zu unterstützen. Bei einem weiteren Beispiel kann jede der Diffusionsmediumschicht 114 und der Strömungsfeldschicht 116 als freistehende Schichten bearbeitet und dann miteinander und mit dem Substrat verbunden werden oder eine mit dem Substrat 112 verbunden und die andere mit der an dem Substrat 112 Verbundenen verbunden werden. Separate Klebstoffe oder Klebstoffschichten können ebenfalls verwendet werden, um die jeweiligen Schichten zu verbinden.
Das offenbarte Verfahren integriert mehrere Schichten, um die Brennstoffzellenkomponente 100 zu bilden. Es sei angemerkt, dass die verschiedenen Schichten unter Verwendung verschiedener Materialsysteme und zugeordneter Techniken hergestellt werden, um eine Kombination von Dicken und Merkmalsgrößen zu erreichen, die ansonsten beim Stand der Technik nicht erreichbar wären, wobei derartige Techniken und Materialien einzeln verwendet werden können.
Vorteilhafterweise mindert das vorliegende Verfahren zur Formung der Diffusionsmediumschicht 114 direkt auf der Strömungsfeldschicht 116 jegliche Probleme, die für das Verbinden zwischen den jeweiligen Schichten spezifisch sind. Das Befestigen zweier vollständig geformter Schichten mit verschiedenen Zelleneinheitsarchitekturen unter Verwendung einer Klebstoffschicht stellt einen Prozessschritt dar, der sogar unter nahezu idealer Ausrichtung der Schichten schwer zu implementieren ist. Das vorliegende Verfahren resultiert in einer Anbindung der Diffusionsmediumschicht 114 an der Strömungsfeldschicht 116 als Teil des Formungsprozesses für die Diffusionsmediumschicht 114 und erfordert daher nicht die Klebstoffschicht.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente (100), mit den Schritten: Bereitstellen einer Maske (102) mit einer Mehrzahl strahlungstransparenter Durchbrechungen (104), wobei die Mehrzahl strahlungstransparenter Durchbrechungen (104) erlaubt, dass eine Mehrzahl von Strahlungsbündeln (106) hindurchgeführt werden kann; Aufbringen einer Opferfreigabeschicht (148) auf die Maske (102), wobei die Opferfreigabeschicht (148) transparent für die Mehrzahl von Strahlungsbündeln (106) ist und wobei die Opferfreigabeschicht (148) eine vorgegebene Dicke aufweist; Bereitstellen eines strahlungssensitiven Materials (108) mit einer Sensitivität gegenüber der Mehrzahl von Strahlungsbündeln (106); Aufbringen des strahlungssensitiven Materials (108) auf die Opferfreigabeschicht (148), so dass die Opferfreigabeschicht (148) zwischen der Maske (102) und dem strahlungssensitiven Material (108) angeordnet ist; Bereitstellen einer Strömungsfeldschicht (116); Anordnen des strahlungssensitiven Materials (108) an der Strömungsfeldschicht (116); und Aussetzen des strahlungssensitiven Materials (108) der Mehrzahl von Strahlungsbündeln (106) durch die strahlungstransparenten Durchbrechungen (104) in der Maske (102), um eine Diffusionsmediumschicht (114) mit einer Mikrofachwerkstruktur zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt: Entfernen der Maske (102) und der Opferfreigabeschicht (148) von der Diffusionsmediumschicht (114), nachdem das strahlungssensitive Material (108) der Mehrzahl von Strahlungsbündeln (106) ausgesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Opferfreigabeschicht (148) durch Eintauchen der Opferfreigabeschicht (148) und der Maske (102) in ein Lösemittel entfernt wird, das die Opferfreigabeschicht (148) löst und eine Entfernung der Maske (102) zulässt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strömungsfeldschicht (116) in das strahlungssensitive Material (108) eingebettet wird, wenn das strahlungssensitive Material (108) an der Strömungsfeldschicht (116) angeordnet ist, und wobei die Mikrofachwerkstruktur der Diffusionsmediumschicht (114) mit der Strömungsfeldschicht (116) verriegelt wird, nachdem die Diffusionsmediumschicht (114) geformt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maske (102) ein strahlungstransparentes Material ist, das mit einem strahlungsdichten Material beschichtet ist, wobei das strahlungsdichte Material eine Mehrzahl von Löchern aufweist, die die strahlungstransparenten Durchbrechungen (104) der Maske (102) definieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strömungsfeldschicht (116) auf einem Substrat (112) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Substrat (112) eine Metallfolie ist und die Strömungsfeldschicht (116) eine Mehrzahl strahlungsgehärteter Reaktandenströmungskanäle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Mehrzahl strahlungsgehärteter Reaktandenströmungskanäle einen Haftunterstützer aufweist, der ein Verbinden der strahlungsgehärteten Reaktandenströmungskanäle mit der Metallfolie unterstützt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten zum Beschichten zumindest einer der Diffusionsmediumschicht (114) und der Strömungsfeldschicht (116) mit einer elektrisch leitenden Beschichtung.