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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle für eine Brennstoffzelleneinrichtung, eine Brennstoffzelleneinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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Übliche Brennstoffzellen können als elektrochemische Energiewandler aufgefasst werden, bei denen Reaktionsgase wie etwa Wasserstoff und Sauerstoff in ein Reaktionsprodukt, hierbei Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden können. Die Reaktionsgase können dabei beidseitig zu einer Membran geführt werden, welche Ladungsträger transmittieren kann. Bei Transmission der Ladungsträger von einem Gas kann dann mit diesem Ladungsträger das andere Gas zu einem Reaktionsprodukt reagieren und dabei Wärme und Energie abgeben. Um zumindest eines der Gase zur Membran zu führen, können Gasverteilstrukturen genutzt werden, etwa poröse Strukturen (sogenannte „Flowfield“- Strukturen).
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Bekannt sind sogenannte PEM-Brennstoffzellen etwa mit einer Betriebstemperatur von kleiner als 120°C. Eine Gasdiffusionslage besteht typischerweise kanalseitig aus einem Kohlefaserflies und katalysatorseitig aus einer mikroporösen Partikelschicht.
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In der
DE 601 33 326 T2 wird eine Brennstoffzelle mit einem wellenförmigen Membranelektrodensatz beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Brennstoffzelle für eine Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1, eine Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 10 und ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 11.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Brennstoffzelle für eine Brennstoffzelleneinrichtung, eine Brennstoffzelleneinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle anzugeben, bei welchen eine offenporöse Struktur in der zweiten Gasdiffusions- und Trägerstruktur über Stützstrukturen verfügen kann, die in einfacher Weise herstellbar und formbar sind, etwa durch ein Lasersintern. Des Weiteren kann die Stützstabilität der Stützstrukturen und damit der offenporösen Struktur verbessert sein und die Öffnungen zur Gasdiffusion mit entsprechend gewählten Mustern für die Umrandung der Öffnungen gewählt werden, was die Größe und Form der Öffnungen und somit die Gasdiffusion beeinflussen kann.
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Erfindungsgemäß umfasst die Brennstoffzelle für eine Brennstoffzelleneinrichtung eine erste Gasdiffusions- und Trägerstruktur; eine Membraneinrichtung, welche auf der ersten Gasdiffusions- und Trägerstruktur angeordnet ist; und eine zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur, welche auf der Membraneinrichtung angeordnet ist, wobei ein erstes Gas mit der ersten Gasdiffusions- und Trägerstruktur zur Membraneinrichtung transportierbar ist und ein zweites Gas mit der zweiten Gasdiffusions- und Trägerstruktur zur Membraneinrichtung transportierbar ist und die Membraneinrichtung eine vorbestimmte Ladungsträgertransmission ermöglicht, wobei die zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur eine offenporöse Struktur umfasst, welche auf der Membraneinrichtung angeordnet ist und wobei das zweite Gas durch die offenporöse Struktur bis zur Membraneinrichtung leitbar ist, wobei die offenporöse Struktur eine Vielzahl von Stützstrukturen und Öffnungen zwischen den Stützstrukturen umfasst, wobei die Stützstrukturen eine vorbestimmte Höhe umfassen und eine oder mehrere der Öffnungen ringsum umlaufen.
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Die Gasdiffusions- und Trägerstruktur kann schon deren Namen nach eine solche Form und Struktur aufweisen, dass der Durchfluss oder die Diffusion des Gases durch diese Struktur verbessert oder zumindest ermöglicht ist, vorteilhaft eine Gleichverteilung des Gases über einen bestimmten Bereich möglich sein kann. Des Weiteren kann die Gasdiffusions- und Trägerstruktur bestimmte Strukturen oder eine solche Form aufweisen, die an einer vorbestimmten Höhe eine andere Struktur oder ein Bauelement der Brennstoffzelle, etwa eine Membran oder andere Trägerstrukturen oder andere Elemente, tragen und/oder stützen kann. Die Gasdiffusions- und Trägerstruktur kann zusammenhängend sein oder einzelne, zusammengesetzte oder separierte, Bereiche umfassen. Dies kann sowohl für die erste wie auch für die zweite, oder auch für weitere, Gasdiffusions- und Trägerstrukturen gelten. Die Öffnungen betreffend die zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur können vorteilhaft dazu vorgesehen sein, dass ein zweites Gas durch die zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur zur Membraneinrichtung geführt werden kann. Diese Öffnungen können in der Anordnung der Brennstoffzelle der Membraneinrichtung zugewandt sein, welche als vertikale Öffnungen in der zweiten Gasdiffusions- und Trägerstruktur bezeichnet werden können. Im Inneren der zweiten Gasdiffusions- und Trägerstruktur, insbesondere der offenporösen Struktur, kann diese auch horizontale Öffnungen umfassen, durch welche das zweite Gas senkrecht zu den vertikalen Öffnungen durch die zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur und entlang dieser geleitet werden kann.
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Die Membraneinrichtung kann einer üblichen Membran für Brennstoffzellen entsprechen, welche ein Medium umfassen kann, durch welches Ladungsträger wie Elektronen oder Protonen transmittiert werden können, wobei das erste und das zweite Gas in deren molekularer Form allerdings voneinander getrennt bleiben können. Die Membraneinrichtung kann weiterhin eine Anode sowie eine Kathode der Brennstoffzelle umfassen. Da zahlreiche Ausformungen von solchen Membranen mit Elektroden bekannt sind, wird hierbei nicht näher darauf eingegangen. Durch die Membraneinrichtung kann jedenfalls das erste Gas von den zweiten Gas getrennt bleiben. Beide Gase können jedoch jeweils von verschiedenen Seiten zu dieser Membraneinrichtung transportiert werden. Über die Membraneinrichtung kann dann eine Ladungsträgertransmission für einen bestimmten Typ eines Ladungsträgers von einem Gas zum anderen Gas erfolgen und ein Reaktionsprodukt gebildet werden. Bei Wasserstoff und Sauerstoff als erstes und zweites Gas kann ein Proton durch die Membraneinrichtung vom Wasserstoff transmittiert werden und mit dem Sauerstoff zu Wasser reagieren, was etwa für das Beispiel einer Wasserstoff-Sauerstoff Brennstoffzelle gilt. Mittels der offenporösen Struktur kann der Transport und die Verteilung des zweiten Gases über eine Seite der Membraneinrichtung verbessert werden.
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Das erste Gas kann Wasserstoff sein, das zweite Gas kann Sauerstoff sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffzelle umfasst die erste Gasdiffusions- und Trägerstruktur und/oder die zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur eine Wellenform.
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Durch die Wellenform können Kanäle für den Gasfluss von einer Seite der Gasdiffusions- und Trägerstruktur sowie für ein Kühlmittel von der anderen Seite der Gasdiffusions- und Trägerstruktur geschaffen sein. Dazu kann eine solche Welle aus Erhöhungen und einer Vertiefung in der Trägerstruktur bestehen. Die Gasdiffusions- und Trägerstruktur kann dazu als ein Wellblech ausgeformt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffzelle umfasst die erste Gasdiffusions- und Trägerstruktur und/oder die zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur eine durchgehend planare Form.
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Um platzsparend in der Höhe ausgeformt zu sein, kann die Gasdiffusions- und Trägerstruktur in deren Gesamtbild planar sein, wobei interne Strukturen von der Planarität abweichen können. So kann die Trägerstruktur beispielsweise eine Platte umfassen und die Gasdiffusionsstruktur eine porösen Schaum oder ähnliches.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffzelle umfassen die Stützstrukturen, eine oder mehrere Bogenstrukturen.
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Durch Bogenstrukturen können horizontale Öffnungen für den Gasfluss überspannt sein und vorhanden sein und in vertikaler Richtung, zur Membran hin, kann eine verbesserte Stützkraft erzielt werden, da Bogenstrukturen eine hohe Stützstabilität aufweisen können. Mehrere Bogenstrukturen können dann eine vertikale Öffnung umlaufen und eine geschlossene, umlaufende Form bilden, etwa ein Polygon.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffzelle umfassen die Stützstrukturen Vertikalbereiche, auf welchen die Bogenstrukturen aufgesetzt sind.
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Durch Vertikalbereiche kann eine Höhe der Stützstrukturen beeinflusst werden. Die Vertikalbereiche können auf einem Boden, etwa einer Platte, aufgesetzt oder ausgeformt sein und die Bogenstrukturen dann auf den Vertikalbereichen aufgesetzt oder ausgeformt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffzelle sind die Stützstrukturen in einem polygonalen Muster um eine der Öffnungen angeordnet.
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Die Stützstrukturen können in der vertikalen Draufsicht dann etwa Dreiecke, Vierecke, Fünfecke, besonders bevorzugt Sechsecke, und weitere Vielecke bilden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffzelle umfassen die Stützstrukturen ein lasergesintertes Material.
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Das Ausformen der Stützstrukturen, etwa als Bogenstrukturen, kann sich vorteilhaft für eine präzise, einfache und schnelle Ausformung der Stützstrukturen eignen. Dabei kann ein Material als Pulver in einer Schicht auf einen Boden aufgebracht werden, mit einem Laser aufgeschmolzen werden, und nach Belieben und Muster weitere Schichten mit einer solchen Laserbehandlung darauf anschließen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffzelle ist innerhalb einer der Öffnungen eine Rampenstruktur angeordnet, welche zumindest eine Fläche mit einer Steigung in Richtung der Membraneinrichtung umfasst, über welche eine Bewegung des zweiten Gases in der Öffnung in Richtung der Membraneinrichtung umlenkbar ist.
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Die Rampenstruktur kann mit der Fläche einen Gasfluss, vorzugsweise das zweite Gas, in vertikaler Richtung, also zur Membraneinrichtung hin, von einem horizontalen Gasfluss besser umleiten und den Gasfluss durch die vertikale Öffnung verbessern. Die Form der Fläche kann dabei eine geneigte Ebene oder beliebig sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffzelle umfasst die offenporöse Struktur einen Boden, auf welchem die Stützstrukturen angeordnet sind und auf welchem die Rampenstruktur angeordnet ist, wobei der Boden auf einer der Membraneinrichtung abgewandten Seite der Stützstrukturen angeordnet ist.
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Die Rampenstruktur kann vorteilhaft dazu dienen die Gasverteilung zu verbessern und den Wasseraustrag (diesen in eine bestimmte, etwa horizontale Fließrichtung lenken) zu optimieren, etwa auch um Turbulenz zu erzeugen. Die Rampenstruktur kann etwa eine Finne darstellen.
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Erfindungsgemäß umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung zumindest eine erste erfindungsgemäße Brennstoffzelle und eine zweite erfindungsgemäße Brennstoffzelle, bei welcher die zweite Brennstoffzelle mit deren erster Gasdiffusions- und Trägerstruktur auf einer zweiten Gasdiffusions- und Trägerstruktur der ersten Brennstoffzelle angeordnet ist.
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Die Brennstoffzelleneinrichtung kann auch als Brennstoffzellenstapeleinrichtung ausgeformt sein.
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Die Brennstoffzellenstapeleinrichtung kann mehrere Brennstoffzellen umfassen, wobei an den vertikalen Außenseiten jeweils eine Membraneinrichtung angeordnet sein kann und von jeweils einer Außenseite des Stapels ein anderes der beiden Reaktionsgase zugeführt werden kann. Dazu kann dann im Inneren des Stapels zur entsprechenden Außenmembran hin eine erste oder zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur anschließen, um das entsprechende Gas im Inneren zur Außenmembran zu leiten und den Stapel im Inneren gegenüber den anschließenden Brennstoffzellen zu stützen.
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Ein verbessertes Design kann für eine offenporöse Struktur erzielt werden, wobei die Stützstrukturen durch selektives Laser-Sintern hergestellt werden können. Verschiedene Anordnungen von Bogenstrukturen können unter mechanischem Druck durch die Stapelkompression besonders stabil sein und eine ausreichende Auflagefläche für die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) bieten.
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Durch die Form der Bogenstrukturen kann eine optimale Kraft-Weiterleitung bei minimaler Auflagefläche an den Boden und/oder die Membraneinrichtung und/oder andere Stapelkomponenten erzielt werden.
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Es kann bei bogenförmigen Stützstrukturen auf Spitzen oder Kanten im Bereich der Membranauflage verzichtet werden und eine sehr offene Struktur für minimale Druckverluste der Öffnung (vertikal) erzielt werden. Des Weiteren kann auf unnötige Struktur-Teile wie z.B auf Schäume die nicht zur Funktion beitragen, verzichtet werden und es kann die Strom- und Wärmeableitung verbessert werden.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle ein Bereitstellen einer ersten Gasdiffusions- und Trägerstruktur; ein Anordnen einer Membraneinrichtung auf der ersten Gasdiffusions- und Trägerstruktur; ein Anordnen einer zweiten Gasdiffusions- und Trägerstruktur auf der Membraneinrichtung, wobei ein erstes Gas mit der ersten Gasdiffusions- und Trägerstruktur zur Membraneinrichtung transportierbar ist und ein zweites Gas mit der zweiten Gasdiffusions- und Trägerstruktur zur Membraneinrichtung transportierbar ist und die Membraneinrichtung eine vorbestimmte Ladungsträgertransmission ermöglicht, wobei die zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur mit einer offenporösen Struktur ausgeformt wird, welche auf der Membraneinrichtung angeordnet wird und wobei das zweite Gas durch die offenporöse Struktur bis zur Membraneinrichtung leitbar ist, wobei für die offenporöse Struktur eine Vielzahl von Stützstrukturen und Öffnungen zwischen den Stützstrukturen gebildet werden, wobei die Stützstrukturen eine vorbestimmte Höhe umfassen und eine oder mehrere der Öffnungen ringsum umlaufen. Der Boden als Grundlage zum Sintern kann ein Blech umfassen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Stützstrukturen auf einem Boden durch Lasersintern eines Stützstrukturmaterials ausgeformt.
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Zum Sintern können alle sinterbaren Materialien in Frage kommen, bevorzugt Metalle, weiter bevorzugt Edelstähle oder Titan.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Stützstrukturen jeweils mit einem Bogen ausgeformt, welche auf der Membraneinrichtung aufgesetzt werden.
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Das Verfahren kann sich vorteilhaft auch durch die bereits genannten Merkmale der Brennstoffzelleneinrichtung und/oder der Brennstoffzelle auszeichnen und umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines seitlichen Querschnitts einer Brennstoffzelleneinrichtung mit mehreren Brennstoffzellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Schrittes zum Lasersintern bei einem Verfahren zum Herstellen der Stützstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine Seitenansicht einer Stützstruktur in einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine Seitenansicht einer Stützstruktur in einer Brennstoffzelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 5a eine Draufsicht auf eine Öffnung und Stützstrukturen in einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 5b eine perspektivische Seitenansicht der Stützstrukturen aus der 5a;
- 6 eine Draufsicht auf eine Öffnung und Stützstrukturen in einer Brennstoffzelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 7 eine Draufsicht auf eine Öffnung und Stützstrukturen in einer Brennstoffzelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 8a eine Draufsicht auf eine Öffnung und Stützstrukturen in einer Brennstoffzelle mit einer Rampenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 8b eine perspektivische Seitenansicht der 8a; und
- 9 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines seitlichen Querschnitts einer Brennstoffzelleneinrichtung mit mehreren Brennstoffzellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Brennstoffzellen(stapel)einrichtung 10 umfasst zumindest eine erste Brennstoffzelle EZ1 und eine zweite Brennstoffzelle EZ2, bei welcher die zweite Brennstoffzelle EZ2 mit deren erster Gasdiffusions- und Trägerstruktur TR1 auf einer zweiten Gasdiffusions- und Trägerstruktur TR2 der ersten Brennstoffzelle EZ1 angeordnet ist.
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Die Brennstoffzellen EZ1 und EZ2 umfassend jeweils eine erste Gasdiffusions- und Trägerstruktur TR1; eine Membraneinrichtung MEA, welche auf der ersten Gasdiffusions- und Trägerstruktur TR1 angeordnet ist; und eine zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur TR2, welche auf der Membraneinrichtung MEA angeordnet ist, wobei ein erstes Gas G1 mit der ersten Gasdiffusions- und Trägerstruktur TR1 zur Membraneinrichtung MEA transportierbar ist und ein zweites Gas G2 mit der zweiten Gasdiffusions- und Trägerstruktur TR2 zur Membraneinrichtung MEA transportierbar ist und die Membraneinrichtung MEA eine vorbestimmte Ladungsträgertransmission ermöglicht, wobei die zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur TR2 eine offenporöse Struktur OS umfasst, welche auf der Membraneinrichtung MEA angeordnet ist und wobei das zweite Gas G2 durch die offenporöse Struktur OS bis zur Membraneinrichtung MEA leitbar ist, wobei die offenporöse Struktur eine Vielzahl von Stützstrukturen und Öffnungen zwischen den Stützstrukturen umfasst, wobei die Stützstrukturen eine vorbestimmte Höhe umfassen und eine oder mehrere der Öffnungen ringsum umlaufen (nicht gezeigt).
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Die erste Gasdiffusions- und Trägerstruktur TR1 kann eine Wellenform umfassen, etwa ein Wellblech mit Erhebungen und Vertiefungen um dort das erste Gas zu leiten, anliegend an die Membraneinrichtung. Auf einer Seite, welche der Membraneinrichtung abgewandt ist, kann eine solche Erhebung dann gegenüber der anliegenden zweiten Gasdiffusions- und Trägerstruktur TR2 der benachbarten Brennstoffzelle einen Hohlraum H bilden, in welchem ein Kühlmittel leitbar ist, um die Brennstoffzelle kühlen zu können, bzw. um die entstehende Wärme abtransportieren und nutzen zu können. Die zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur TR2 kann eine durchgehend planare Form umfassen und dabei einen Boden B und eine offenporöse Struktur OS darauf umfassen, durch welche das zweite Gas G2 zur Membraneinrichtung leitbar sein kann.
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Die Brennstoffzellen(stapel)einrichtung 10 kann mehrere Brennstoffzellen umfassen, wobei an den vertikalen Außenseiten jeweils eine Membraneinrichtung MEA angeordnet sein kann und von jeweils einer Außenseite des Stapels ein anderes der beiden Reaktionsgase zugeführt werden kann. Dazu kann dann im Inneren des Stapels zur entsprechenden Außenmembran hin eine erste oder zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur anschließen, um das entsprechende Gas im Inneren zur Außenmembran zu leiten und den Stapel im Inneren gegenüber den anschließenden Brennstoffzellen zu stützen. Die Membraneinrichtungen können jeweils auf einer Seite eine erste Elektrode A und auf der anderen Seite eine zweite Elektrode K umfassen. Bei der offenporösen Struktur OS können Stützstrukturen (nicht gezeigt) die üblichen Streckmetalle, Schäume, Gewebe etc. ersetzen. Die erste Gasdiffusions- und Trägerstruktur TR1 kann sich mit der Höhe der Wellenformen jeweils bis zu einer gleichen Höhe erstrecken (nicht gezeigt), oder die Höhen der einzelnen Wellenbuckel können unterschiedlich sein.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schrittes zum Lasersintern bei einem Verfahren zum Herstellen der Stützstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Auf eine Unterlage, etwa den Boden (B in 1) aus der zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur, kann ein Pulvermaterial aufgebracht werden und mit einem Laserlicht L entlang der Richtung LR abgefahren und auf dem Boden aufgeschmolzen werden, insbesondere an den gewünschten Bereichen zweidimensional auf dem Boden. In weiterer Folge kann dann eine erneute Schicht des Pulvermaterials auf solche Stellen aufgebracht werden, welche in vertikaler Richtung dreidimensional verbunden sein sollen, als gesintertes festes Material. Dabei kann in der nächstaufgebrachten Schicht wieder der Laser L in der Richtung LR das Pulvermaterial aufschmelzen. Die 2 zeigt nur eine eindimensionale Bewegung LR, diese kann jedoch in der Ebene des Bodens und in dazu parallelen Ebenen auch zweidimensional sein um eine räumliche Struktur durch Sintern zu erzeugen. Hierbei handelt es sich um eine Technologie, bei der metallische Werkstoffe mit Hilfe eines Lasers durch selektives Aufschmelzen von Metallpulver erzeugt werden. Für 3- dimensionale Formen wird nach jedem Aufschmelzen eine neue Schicht aus Metallpartikeln aufgebracht.
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3 zeigt eine Seitenansicht einer Stützstruktur in einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Stützstruktur ST, die in der 3 gezeigt ist, umfasst einen Bogen BG mit einem Vertikalbereich VB, wobei letzterer auf einem Boden B, etwa einer Platte, ausgeformt ist, vorteilhaft mittels eines Lasersinterprozesses. Die zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur kann eine Vielzahl solcher Strukturen umfassen. Dabei überspannt die Bogenstruktur BG vorteilhaft eine horizontal ausgerichtete Öffnung, durch welche ein zweites Gas durchtreten kann, und mehrere solcher Stützstrukturen ST können einen Bereich umlaufen, welcher eine vertikale Öffnung bilden kann (nicht gezeigt). Oben auf die Bogenstruktur BG kann eine Membraneinrichtung (nicht gezeigt) abgestützt sein, vorteilhaft kann durch die Bogenform eine größere Kraft auf die Vertikalbereiche VB abgeleitet werden und gegenüber geradlinigen Strukturen die Stützkraft vergrößert werden. Die Bogenstruktur kann einen Halbkreis umfassen.
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Eine Höhe der Bogenstruktur (mit oder ohne Vertikalbereich), etwa ein Abstand zwischen Boden und Membraneinrichtung kann etwa 50µm - 1000µm, bevorzugt 100µm - 500µm betragen. Ein Abstand zwischen Vertikalbereichen, also eine Spannbreite der Bogenstruktur kann 10µm - 100µm, bevorzugt 10µm - 50µm betragen. Ein Bogen-Radius der Bogenstruktur kann ein halber Abstand der Bogenstruktur (Halbkreis) sein. Eine Dicke des Vertikalbereichs VB und/oder der Bogenstruktur BG kann etwa 2µm - 20µm sein (bei kreisrundem Querschnitt also der Durchmesser).
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4 zeigt eine Seitenansicht einer Stützstruktur in einer Brennstoffzelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die 4 zeigt eine Vielzahl von Stützstrukturen ST jeweils mit Bogenstrukturen BG, wobei zwei benachbarte Bogenstrukturen BG auf einem gleichen Vertikalbereich VB ausgeformt und abgestützt sein können. In der 4 wird noch gezeigt, dass die Membraneinrichtung MEA auf den Bogenstrukturen BG abgestützt sein kann und dass die Stützstrukturen ST, welche die zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur TR2 bilden können, eine Stützkraft zwischen Boden B und Membraneinrichtung MEA aufnehmen bzw. zueinander weitergeben können.
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5a zeigt eine Draufsicht auf eine Öffnung und Stützstrukturen in einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In Draufsicht aus der vertikalen Richtung, also senkrecht auf eine planare Erstreckungsrichtung der xy-Ebene (etwa wie aus der 6 ersichtlich) der Membraneinrichtung, können die Stützstrukturen eine Öffnung OP umlaufen, wobei Stützstrukturen ST aneinander an deren Fußpunkten auf dem Boden lateral (horizontal benachbart) anschließen können und in vertikaler Draufsicht einen bestimmten Winkel zueinander einnehmen können. Somit können mehrere benachbarte Stützstrukturen ST mit deren Bogenstrukturen BG ein Polygon ausformen, welches die vertikale Öffnung OP umlaufen kann. Die 5a zeigt eine Dreieckstruktur der Umrandung der Öffnung OP. Die vertikale Richtung entspricht dabei der z-Richtung (siehe dazu auch 6).
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5b zeigt eine perspektivische Seitenansicht der Stützstrukturen aus der 5a.
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Die 5b zeigt auch die seitliche Form der Dreiecksbegrenzung der Öffnung OP. Dabei formt jede Bogenstruktur BG vorteilhaft eine horizontale Öffnung für den Gasfluss des zweiten Gases durch die zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur TR2.
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6 zeigt eine Draufsicht auf eine Öffnung und Stützstrukturen in einer Brennstoffzelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die vertikale Ausdehnung in z-Richtung der Stützstrukturen ST bildet vorteilhaft eine vertikale Öffnung OP für den Gasfluss. Horizontal in der xy-Ebene können die Bogenstrukturen BG dann etwa ein Sechseck bilden.
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7 zeigt eine Draufsicht auf eine Öffnung und Stützstrukturen in einer Brennstoffzelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Draufsicht auf die Öffnung OP in der 7 unterscheidet sich von jener der 5a darin, dass die Bogenstrukturen BG der Stützstrukturen ST die Öffnungen OP derart umlaufen können, dass die umlaufende Umrandungen der Öffnungen OP ein Viereck 4, ein Fünfeck 5, ein Sechseck 6 oder ähnliches darstellen können, um alle Öffnungen OP gleich oder verschieden.
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8a zeigt eine Draufsicht auf eine Öffnung und Stützstrukturen in einer Brennstoffzelle mit einer Rampenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Innerhalb einer der Öffnungen OP kann eine Rampenstruktur RS angeordnet sein, etwa auf dem Boden, welche zumindest eine Fläche F mit einer Steigung in Richtung der Membraneinrichtung MEA, also in z-Richtung, umfassen kann, über welche eine Bewegung des zweiten Gases G2 in der Öffnung OP in Richtung der Membraneinrichtung, also in z-Richtung, umlenkbar ist, dies von einer y-und/oder x-Richtung. Die 8b zeigt die Anordnung der 8a auch von der Seite. Die Fläche F zur Umlenkung kann eine Ebene, ein Kreissegment oder eine beliebige andere Form sein.
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Eine vertikale Höhe der Rampenstruktur RS kann etwa 10 - 90% der Höhe der Stützstruktur, bevorzugt 20-60% davon betragen.
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9 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle erfolgt ein Bereitstellen S1 einer ersten Gasdiffusions- und Trägerstruktur; ein Anordnen S2 einer Membraneinrichtung auf der ersten Gasdiffusions- und Trägerstruktur; ein Anordnen S3 einer zweiten Gasdiffusions- und Trägerstruktur auf der Membraneinrichtung, wobei ein erstes Gas mit der ersten Gasdiffusions- und Trägerstruktur zur Membraneinrichtung transportierbar ist und ein zweites Gas mit der zweiten Gasdiffusions- und Trägerstruktur zur Membraneinrichtung transportierbar ist und die Membraneinrichtung eine vorbestimmte Ladungsträgertransmission ermöglicht, wobei die zweite Gasdiffusions- und Trägerstruktur mit einer offenporösen Struktur ausgeformt wird, welche auf der Membraneinrichtung angeordnet wird und wobei das zweite Gas durch die offenporöse Struktur bis zur Membraneinrichtung leitbar ist, wobei für die offenporöse Struktur eine Vielzahl von Stützstrukturen und Öffnungen zwischen den Stützstrukturen gebildet werden, wobei die Stützstrukturen eine vorbestimmte Höhe umfassen und eine oder mehrere der Öffnungen ringsum umlaufen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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