DE60302641T2

DE60302641T2 - Widerstandheizelemente für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE60302641T2
Application number: DE60302641T
Authority: DE
Inventors: Alan R. S. Salem Arthur; Heather Monroe Edmonds
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Edgewell Personal Care Brands LLC
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: KR20040063826A; JP2004214198A; TW200412690A; KR101108365B1; US6979805B2; US20040131904A1; DE60302641D1; CA2438443A1; EP1437918A1; EP1437918B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Widerstandsheizelemente und deren Herstellung. Genauer gesagt bezieht sie sich auf Verfahren für die Herstellung von Widerständen, die beim Erwärmen einer Quellsubstanz für die Erzeugung von Stickstoff oder einem anderen Gas für Brennstoffzellen verwendet werden. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung, die durch solche Verfahren hergestellt wird.
Verschiedene tragbare Vorrichtungen, wie z. B. Laptop-Computer, Personaldigitalassistenten (PDAs), tragbare digitale Kameras und Videokameras, tragbare Musikabspielgeräte, tragbare elektronische Spiele und Mobiltelefone oder andere drahtlose Vorrichtungen erfordern tragbare Leistungsquellen. Das Gewicht und die Unzweckmäßigkeit von Einmal-Batterien und wiederaufladbaren Batterien haben Bemühungen gefördert, diese Leistungsquellen für tragbare Verwendung zu ersetzen. Somit gibt es eine steigende Nachfrage nach leichten wiederverwendbaren effizienten und zuverlässigen Leistungsquellen in solchen Anwendungen und auch vielen anderen Anwendungen. Bei Versuchen, diese Bedürfnisse zu erfüllen, wurden mehrere tragbare Brennstoffzellen entwickelt, wie z. B. keramikbasierte Festoxidbrennzellen, direkte Methanol-Brennstoffzellen-(DMFC-)Systeme, Reformiermethanol-zu-Stickstoff-Brennstoffzellen-(RMHFC-)Systeme und andere Proton-Austauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellensysteme. Für die Brennstoffzellen, die ein Gas, wie z. B. Wasserstoff, als Brennstoff verwenden, ist eine lokale Erzeugung des Gases wünschenswert, und kann wesentlich sicherer sein als das Speichern einer Gasmenge. Das Erwärmen einer Quellsubstanz zum Entwickeln von Gas für den Brennstoff der Brennstoffzelle kann eine effiziente Möglichkeit sein, das Gas lokal zu erzeugen. Die Effizienz einer solchen Anordnung vom Minimieren des Wärmeverlusts ab.
Das U.S.-Patent Nr. 5,242,565 an Winsel offenbart eine galvanische Zelle, die eine gaserzeugende Elektrode, eine Gegenelektrode und einen wässrigen Elektrolyt umfasst, der in einem Gehäuse umschlossen ist. Ein zinkbasiertes Wasserstoffgeneratorzellen-Ausführungsbeispiel, das in dem Winsel-Patent dargestellt ist, weist eine Gleichrichterdiode auf, die als eine Zener-Diode arbeitet und die Spannung aller Zellen stabilisiert, und die Gleichrichterdiode ist in einer Reihenverbindung mit einem Widerstand verbunden.
Das U.S.-Patent Nr. 5,707,498 an Joshi u. a. offenbart eine speicherstabile Fluidfreigabe-Vorrichtung, die einen Wasserstoffgasgenerator verwendet. Ein dargestelltes Ausführungsbeispiel weist eine Abdichtungsschicht, die aus entweder einem hydrophoben, mikroporösen oder gasdurchlässigen/flüssigkeitsundurchlässigen Film besteht, eine zweite hydrophobe, mikroporöse Schicht, die eine Stromabnehmer/Katalyse-Schicht eng kontaktiert, und einen Widerstand auf, der in elektrische Kommunikation mit sowohl einem Kontaktring als auch einer Kontaktschale platziert ist. Die Flussrate des Fluids wird durch den ohmschen Widerstand des Widerstands beeinträchtigt. Die Rate ist höher, wenn der Widerstand kleiner ist. Somit steuert der Widerstand von Joshi u. a. die Fluidflussrate, wie es durch 12 dieses Patents dargestellt ist.
Die Patentanmeldung WO9906614A von Ceramatec Inc. offenbart einen Wasserstoffgenerator mit einer Thermoregelvorrichtung zum Erwärmen eines Katalysators zum Erhöhen der Wasserstoffproduktion, nämlich eine elektrisch erwärmte Elektrode in dem Katalysator oder eine Thermosäule, eine Umleitung der Abgase, Verdampfungsabkühlen, Gaskompressionskühlen, Wärmepumpe, Widerstandsdraht oder Kombinationen derselben.
Die Patentanmeldung WO0174710A von Manhattan Scientific Inc. offenbart eine gaserzeugende elektrochemische Zelle, die eine metallhydroxid-enthaltende Kathode verwendet. Die Rate der Vorrichtung wird durch die Spannung, die durch Batterien geliefert wird, und den Widerstand in der Schaltung (außerhalb der Zelle, 3) bestimmt.
Es gibt einen ständigen Bedarf und einen riesigen erwarteten Markt für verbesserte praktische kompakte tragbare Brennstoffzellen mit schnellen Einschaltzeiten und verbesserter Effizienz.
Die Merkmale und Vorteile der Offenbarung werden für Fachleute auf diesem Gebiet von der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich werden, wenn dieselben in Verbindung mit den Zeichnungen gelesen wird.
1 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens zeigt, das gemäß der Erfindung durchgeführt wird.
2 ist eine Seitenaufriss-Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Widerstandsheizelementanordnung gemäß der Erfindung.
3 ist eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels von 2.
4 ist eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Widerstandsheizelementanordnung gemäß der Erfindung.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Einzelheit von 4 vergrößert zeigt.
6 ist eine Seitenaufriss-Querschnittsansicht der in 5 gezeigten Einzelheit.
7 ist eine Seitenaufriss-Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Widerstandsheizelementanordnung gemäß der Erfindung.
Bei der vorliegenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen bezieht sich der Begriff „Verteilen" auf einen Weg oder Wege, die zum Führen von Gas zu einer gewünschten Stelle vorgesehen sind, in Bezug auf die Stelle, wo das Gas erzeugt wird.
Nachfolgend sind verschiedene Ausführungsbeispiele von Widerstandsheizelementanordnungen beschrieben. Der Deutlichkeit halber sind die Heizelementanordnungs-Ausführungsbeispiele im Zusammenhang des Erwärmens einer Quellsubstanz für die Erzeugung von Gas, wie z. B. Wasserstoff, für die Verwendung in einer Brennstoffzelle beschrieben. Für Wasserstofferzeugung kann die Quellsubstanz beispielsweise Natriumborhydrid sein, das auf eine geeignete Temperatur (etwa 80°C oder höher) erwärmt ist.
Jedes nachfolgend beschriebene Heizelementanordnungs-Ausführungsbeispiel weist eine Kammer zum Aufnehmen der Quellsubstanz, ein dünnes Widerstandsheizelement, das über einer Öffnung aufgehängt ist und angeordnet ist für ein Eintauchen in die Quellsubstanz (oder zumindest engen Wärmekontakt mit der Quellsubstanz) und Leiterbahnen auf, die elektrisch mit dem dünnen Widerstandsheizelement gekoppelt sind, zum Versorgen desselben mit Energie.
Herstellungsprozess
Eine Widerstandsheizelementanordnung 10 kann hergestellt werden durch speziell angepasste Herstellungsverfahren, von denen verschiedene Ausführungsbeispiele durch das Flussdiagramm von 1 dargestellt sind. 1 umfasst einige „optionale" Schritte, die bei einigen Verfahrensausführungsbeispielen durchgeführt werden, aber nicht bei anderen Ausführungsbeispielen, abhängig von den Eigenschaften von Materialien, die verwendet werden, und von spezifischen Anwendungen der Vorrichtung. Verschiedene Schritte der Verfahrensausführungsbeispiele sind durch Bezugszeichen S10, S20, ..., usw. bezeichnet. Wie es in 1 gezeigt ist, umfasst ein solches Verfahren das Bereitstellen einer ersten Substratschicht 20 (Schritt S10) und das Verbinden derselben mit einer zweiten Substratschicht 30 (Schritt S20). Die zweite Substratschicht 30 trägt das Widerstandsheizelement 40 und Leiterbahnen 50. Die Verbindung S20 der zweiten Substratschicht 30 mit der ersten Substratschicht 20 kann durchgeführt werden durch Laminieren einer ersten Verbindungsschicht 25 (Schritt S25) zwischen die erste Substratschicht 20 und die zweite Substratschicht 30. Bei Schritt S30 wird eine Entscheidung getroffen, ob eine optionale hydrophobe Schicht 60 erforderlich ist. Falls sie dies ist, wird in Schritt S40 die optionale hydrophobe Schicht 60 mit der zweiten Substratschicht 30 verbunden. Eine hydrophobe Schicht 60 wird verwendet, wenn es gewünscht ist, Wasser oder wässrige Lösungen von Regionen abzuhalten, die nur nicht-wässrige Materie enthalten sollten, z. B. Wasserstoffgas.
Bei Schritt S50 wird eine obere Schicht 70 mit der vorhergehenden Schicht verbunden, z. B. der optionalen hydrophoben Schicht. Der Verbindungsschritt S50 kann durchgeführt werden durch Laminieren einer zweiten Verbindungsschicht 55 (Schritt S45) zwischen der zweiten Substratschicht 30 und der optionalen hydrophoben Schicht 60. Falls die optionale hydrophobe Schicht 60 ausgelassen wird, dann ist die vorhergehende Schicht die zweite Substratschicht 30 und dies ist die Schicht, mit der die obere Schicht 70 bei Schritt S50 verbunden wird. Zumindest eine der Schichten über dem Widerstandsheizelement 40, beispielsweise die obere Schicht 70, kann einen Verteiler 80 für das Gas umfassen.
Verschiedene Verbindungsschritte des Prozesses (S20, S40 und S50) können durch herkömmliche Verbindungsverfahren durchgeführt werden, wie z. B. Ultraschall-Verbinden, HF-Verbinden, Wärmeschweißen oder die Verwendung geeigneter Haftmittel. Für Fachleute auf diesem Gebiet ist klar, dass egal wo eine Öffnung benötigt wird, die Öffnung durch Stanzen, Ätzen oder andere herkömmliche Verfahren gebildet werden kann. Gleichartig dazu werden Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, dass falls eine Vertiefung oder eine Wanne für ein Reservoir oder Sammelplatz benötigt wird, die Vertiefung gut gebildet werden kann, wo dieselbe benötigt wird, durch Prägen, Formen, Ätzen oder ein anderes herkömmliches Verfahren.
Somit ist ein Aspekt dieses Ausführungsbeispiels ein Gesamtverfahren zum Herstellen einer Heizelementanordnung 10 für die Erzeugung von Gas, die im Überblick die Schritte des Bereitstellens einer geeigneten ersten Substratschicht 20; des Verbindens einer zweiten Substratschicht 30 mit der ersten Substratschicht (wobei die zweite Substratschicht ein Widerstandsheizelement 40 und Leiterbahnen 50 trägt, die elektrisch mit dem Widerstandsheizelement verbunden sind); falls notwendig, des Verbindens einer hydrophoben Schicht 60 mit der zweiten Substratschicht; und des Verbindens einer oberen Schicht (einer der Schichten, die den Verteiler 80 für das Gas umfasst) mit der vorhergehenden Schicht. Die vorhergehende Schicht kann beispielsweise die hydrophobe Schicht 60 oder die zweite Substratschicht 30 sein.
Die Verbindungsschichten 25 und 55 werden nach Bedarf verwendet. Somit ist ohne weiteres ersichtlich, dass, falls die hydrophobe Schicht 60 ausgelassen wird, die obere Schicht 70 mit der zweiten Substratschicht 30 verbunden sein kann, entweder direkt oder durch eine Verbindungsschicht 55.
Das gesamte oder ein Teil des Herstellungsverfahrens kann als Spule-zu-Spule-Prozess durchgeführt werden, durch Verwenden herkömmlicher Zuführspulen und Aufnahmespulen und durch Indexieren unter Verwendung herkömmlicher Indexierungsverfahren, wie z. B. Führungslöcher oder andere Ausrichtungsmarkierungen. Somit bildet das Zuführen der ersten Substratschicht von einer Zuführspule und das Aufnehmen der fertiggestellten Widerstandsheizanordnung auf einer Aufnahmespule ein einfaches Beispiel eines Prozesses, der das Spule-zu-Spule-Verfahren teilweise implementiert. Jede der anderen einzelnen Schichten kann von einer Zuführspule zugeführt werden: die zweite Substratschicht, die hydrophobe Schicht (falls sie verwendet wird), die obere Schicht, und eine oder beide der ersten und zweiten Verbindungsschichten (falls sie verwendet werden). Bei einem vollen Spule-zu-Spule-Prozess ohne Verbindungsschichten werden sowohl die erste Substratschicht, die zweite Substratschicht, die hydrophobe Schicht als auch die obere Schicht von ihrer jeweiligen Zuführspule und der fertiggestellten Widerstandsheizelementanordnung auf eine Aufnahmespule aufgenommen. In einem vollen Spule-zu-Spule-Prozess mit Verbindungsschichten werden die erste und die zweite Verbindungsschicht von ihren jeweiligen Zuführrollen in der entsprechenden Reihenfolge zugeführt, um Laminierungsschritte S25 und S35 durchzuführen, um den laminierten Filmstapel einiger Struktur-Ausführungsbeispiele (nachfolgend beschrieben) zu bilden.
Struktur-Ausführungsbeispiele
Die folgende detaillierte Beschreibung umfasst eine Anzahl unterschiedlicher Struktur-Ausführungsbeispiele, die durch 2–7 dargestellt sind. Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Widerstandsheizelementanordnung 10 zum Erwärmen einer Quellsubstanz für die Erzeugung eines Gases weist eine Kammer 10 zum Aufnehmen der Quellsubstanz, ein dünnes Widerstandsheizelement 40, das über einer Öffnung 110 hängt, und für das Eintauchen in der Quellsubstanz angeordnet ist, und Leiterbahnen 50 auf, die elektrisch mit dem dünnen Widerstandsheizelement verbunden sind. Das Aufhängen des dünnen Widerstandsheizelements 40 über einer Öffnung, wo dasselbe durch die Quellsubstanz umgeben sein kann und im Wesentlichen zentriert in derselben ist, reduziert die parasitären Wärmeverluste, die in anderen Strukturen auf treten, wie z. B. Heizelementen, die auf gedrucktem Schaltungsplatinenmaterial befestigt sind, stark. Wärme von dem dünnen Widerstandsheizelement 40 wird direkt in die Quellsubstanz in Kontakt mit derselben gebracht. Ein Teil der Wärme geht verloren durch Leitung durch Leiterbahnen 50, aber dies ist ein kleiner Betrag an Wärmeverlust im Vergleich mit dem Wärmeverlust, der in anderen Strukturen auftritt. Ferner ist klar, dass das Widerstandsheizelement 40 im Wesentlichen in der Widerstandsheizelementanordnung 10 zentriert sein kann, was parasitäre Wärmeverluste weiter reduziert. Für Brennstoffzellensysteme korrelieren parasitäre Wärmeverluste direkt mit parasitären Leistungsverlusten, deren Minimierung ein Hauptziel ist, um die Nettoleistungsausgabe zu erhöhen.
2 und 3 zeigen eine Seitenaufriss-Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Widerstandsheizelementanordnung, die gemäß der Erfindung hergestellt ist.
Wie es in 2 und 3 gezeigt ist, weist eine Widerstandsheizelementanordnung 10 zum Erwärmen einer Quellsubstanz eine Kammer 100 zum Aufnehmen der Quellsubstanz auf. Die Kammer 100 umfasst eine Öffnung 110. Zumindest ein Teil des dünnen Widerstandsheizelements 40 ist über die Öffnung 110 aufgehängt, um in die Quellsubstanz eingetaucht zu werden. Leiterbahnen 50 sind elektrisch mit dem dünnen Widerstandsheizelement 40 gekoppelt, zum Zuführen von Strom, um das Widerstandsheizelement 40 mit Energie zu versorgen. In 2 und 3 ist im Wesentlichen das ganze dünne Widerstandsheizelement 40 über der Öffnung 110 aufgehängt. Die Öffnung 110 erstreckt sich vollständig durch die zweite Substratschicht 30. Somit sind bei dem Ausführungsbeispiel von 2 und 3 die Öffnung 110 und die Kammer 100 im Wesentlichen identisch, d. h. die Öffnung 110 bildet und definiert die Kammer 100. Das dünne Widerstandsheizelement 40 ist bei diesem Ausführungsbeispiel über der Kammer 100 aufgehängt. Eine zweite Kammer 120 zum Sammeln von Gas und/oder zum Bereitstellen eines Wegs zum Führen von Gas in einen Verteiler 80 kann in der zweiten Substratschicht 55 oder in der oberen Schicht 70 oder teilweise in jeder Schicht vorgesehen sein. Der Verteiler 80 für das Gas kann sehr einfach sein, wie es in 3 gezeigt ist, oder komplexer, abhängig von den Anforderungen der Anwendung.
4 ist eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Widerstandsheizelementanordnung, die gemäß der Erfindung hergestellt ist, und 5 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Einzelheit von 4 vergrößert darstellt. 6 ist eine Seitenaufriss-Querschnittsansicht der Einzelheit von 5.
Wie es in 4–6 gezeigt ist, kann die Widerstandsheizelementanordnung 10 als ein Stapel von relativ dünnen Schichten gebildet sein, die zusammen laminiert sind: eine erste Substratschicht 20, eine zweite Substratschicht 30, die durch eine erste Verbindungsschicht 25 mit der ersten Substratschicht 20 verbunden ist, eine optionale hydrophobe Schicht 60, die mit der zweiten Substratschicht verbunden ist, und eine obere Schicht 70, die durch eine zweite Verbindungsschicht 55 mit der optionalen hydrophoben Schicht verbunden ist. Das Widerstandsheizelement 40 und die Leiterbahnen 50, die elektrisch mit dem Widerstandselement 40 gekoppelt sind, werden durch die zweite Substratschicht 30 getragen. Bei dem Ausführungsbeispiel von 4–6 umfasst die obere Schicht 70 einen Verteiler 80 für das Gas.
Die obere Schicht 70 kann einen einzelnen Film aus einer geeigneten Substanz umfassen, wie z. B. Polyester, Polyimid, Polyetter-Ether-Keton (PEEK) und Poly(etherimid) (PEI), mit dem Verteiler 80 eingeprägt oder geformt in dessen Unteroberfläche. Alternativ kann die obere Schicht 70 aus zwei oder mehr Unterschichten gebildet sein, beispielsweise einen Film aus einer geeigneten Substanz, wie z. B. Polyimid als eine Unterschicht und eine Kupferschicht, die auf der Oberfläche desselben aufgebracht ist, als eine zweite Unterschicht, die unter Verwendung herkömmlicher Photolithographie geätzt wird, um einen Verteiler 80 zu bilden. Andere herkömmliche Verfahren, die für Fachleute auf diesem Gebiet bekannt sind, können zum Bilden eines solchen Mehrschichtausführungsbeispiels der oberen Schicht 70 verwendet werden (in den Zeichnungen nicht gezeigt).
Die hydrophobe Schicht 60 kann ein hydrophobes Polymer umfassen, das herkömmlicherweise beim Brennstoffzellenaufbau verwendet wird. Wie alle anderen Schichten sollte es auch resistent gegenüber den Temperaturen sein, die vorliegen, wenn die Quellsubstanz das gewünschte Gas verströmt. Ein typisches Beispiel eines geeigneten Materials für die hydrophobe Schicht 60 ist Polytetrafluorethylen (PTFE), insbesondere geschäumtes PTFE, fibrilliertes PTFE oder mikroporöses PTFE.
Wie es oben erwähnt wurde, kann die Widerstandsheizelementanordnung 10 eine erste Verbindungsschicht 25 umfassen, die zwischen die zweite Substratschicht 30 und die erste Substratschicht 20 laminiert ist, und/oder eine zweite Verbindungsschicht 55, die zwischen die optionale hydrophobe Schicht 60 und die obere Schicht 70 laminiert ist. Diese Verbindungsschichten können aus einem wärmehärtbaren Harz gebildet sein, wie z. B. einem phenolischen wärmehärtbaren Harz oder einem Epoxidmaterial. Andere geeignete Haftmaterialien können für die Verbindungsschichten verwendet werden.
Das Widerstandsheizelement 40, das durch die zweite Substratschicht 30 getragen wird, kann jede geeignete Widerstandssubstanz umfassen, die in einem Dünnfilm aufgetragen wird und strukturiert ist, um einen länglichen schmalen Streifen zu bilden. Die Struktur des Widerstandsheizelements 40 kann eine Serpentine sein, wie es in 5 gezeigt ist. Der gewünschte Widerstand wird durch einen geeigneten geometrischen Entwurf erreicht, wobei die Widerstandsfähigkeit des Materials berücksichtigt wird. Besonders geeignete Materialien umfassen eine Tantal-Aluminiumlegierung, eine Nickel-Chromlegierung und Wolfram-Siliziumnitrit. Andere geeignete Substanzen umfassen Kupfer, Aluminium, Kupfer-Aluminium, Vanadium, Niobium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Nickel, Palladium, Platin, Silber, Gold, Silizium und Legierungen und Mischungen daraus. Die erste Substratschicht 20 und/oder die zweite Substratschicht 30 können Filme aus einer geeigneten Substanz umfassen, wie z. B. Polyester, Polyimid, Polyether-Ether-Keton (PEEK) und Poly(etherimid) (PEI). Die Zusammensetzungen der hydrophoben Schicht 60 und der oberen Schicht 70 sind hierin oben beschrieben.
Die Dicken der verschiedenen Schichten 20, 30, 60 und 70 sind allgemein nicht wesentlich, aber das Volumen der Kammer 100, das benötigt wird, um eine gewünschte Menge an Quellsubstanz, wie z. B. Natriumborhydrid, für eine bestimmte Brennstoffzellenanwendung aufzunehmen, kann eine Minimalanforderung für die Dicke der zweiten Substratschicht 30 auferlegen.
Bei dem beispielhaften Ausführungsbeispiel von 4 ist die Kammer 100 durch Öffnungen gebildet, die sich durch die erste Verbindungsschicht 25 und das zweite Substrat 30 erstrecken. Die Öffnung 120, die in der zweiten Verbindungsschicht 55 gezeigt ist, liefert einen Weg, der von der Kammer 100 zu dem Verteiler 80 kommuniziert. Somit ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Kammer 100 teilweise in dem zweiten Substrat 30 und teilweise in der Verbindungsschicht 25 angeordnet. Obwohl die Kammer 100 Quellsubstanz enthält, ist klar, dass es nicht allgemein notwendig ist, die Kammer 100 mit Quellsubstanz zu füllen. Während Gas von der Quellsubstanz verströmt wird, kann das Gas einen Teil des Volumens der Kammer 100 besetzen. Im Fall des Erzeugens von Wasserstoff aus einer Natriumborhydrid-Quelllösung steigt beispielsweise Wasserstoffgas zu dem oberen Teil der Kammer 100.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Widerstandsheizelementanordnung 10 ist in 7 in einer Seitenaufriss-Querschnittsansicht gezeigt. Wie es in 7 gezeigt ist, kann die zweite Substratschicht 30 eine mittlere Schicht 120 umfassen, die ein Widerstandsheizelement 40 auf einer Seite, Leiterbahnen 50 auf der anderen Seite und Durchgangslochöffnungen 130 aufweist, die sich durch die Mittelschicht 120 erstrecken. Die Leiterbahnen 50 sind elektrisch mit dem Widerstandsheizelement 40 gekoppelt, durch leitfähiges Material 140, das in den Durchgangslöchern 130 angeordnet ist, die sich durch die Mittelschicht 120 erstrecken. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Widerstandselement 40 über die Öffnung aufgehängt, die durch das untere Ende der Kammer 100 gebildet wird.
Bei dem einfachen beispielhaften Ausführungsbeispiel von 7 besteht die Kammer 100 aus einer Öffnung, die sich durch die zweite Substratschicht 30 erstreckt. Die Kammer 100 ist in 7 so gezeigt, dass sie vollständig innerhalb der zweiten Substratschicht 30 ist, über dem Widerstandsheizelement 40. Eine Vertiefung oder eine Wanne 150 (in 7 gestrichelt gezeigt) kann jedoch in der ersten Substratschicht 20 gebildet sein, ausgerichtet mit dem Widerstandsheizelement 40 und somit das effektive Volumen der Kammer 100 erhöhen. Eine solche Vertiefung oder Wanne kann in der ersten Substratschicht 20 beispielsweise durch Formen oder Prägen gebildet werden. Gleichartig dazu können bei verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen (nicht gezeigt) Wannen geeigneter Form in der ersten und/oder zweiten Verbindungsschicht 25 und 55 gebildet werden, in der hydrophoben Schicht 60 oder in der oberen Schicht 70.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 7 ist die Unterseite der Mittelschicht 120 der zweiten Substratschicht 30, die das Widerstandsheizelement 40 trägt, mit der ersten Sub stratschicht 20 verbunden, und die obere Seite der Mittelschicht 120, die Leiterbahnen 50 trägt, ist mit der hydrophoben Schicht 60 verbunden. Bei anderen Ausführungsbeispielen (nicht gezeigt) kann die Seite der Mittelschicht 120 der zweiten Substratschicht 30, die die Leiterbahnen 50 trägt, mit der Substratschicht 20 verbunden sein und die Seite der Mittelschicht 120, die das Widerstandsheizelement 40 trägt, kann mit der hydrophoben Schicht 60 verbunden sein. In dem letzteren Fall kann das Widerstandselement 40 über einer Öffnung aufgehängt sein, die durch das obere Ende der Kammer 100 gebildet wird.
Es ist klar, dass mit den geeigneten Dicken der verschiedenen Schichten und der geeigneten Positionierung der Öffnung 110 das Widerstandsheizelement 40, das durch die zweite Substratschicht 30 getragen wird, in der Widerstandsheizelementanordnung 10 im Wesentlichen zentriert sein kann, vertikal oder lateral oder sowohl vertikal als auch lateral.
In einigen Fällen kann das Erwärmen allein nicht effektiv sein beim Entwickeln einer gewünschten Gasmenge, und die gewünschte Reaktion kann Katalyse erfordern. Für solche Fälle kann das Widerstandsheizelement 40 eine Katalyseschicht zum Katalysieren einer Gaserzeugungsreaktion und eine wärmeentfernbare Beschichtung umfassen, die die Katalyseschicht bedeckt. Die Katalyseschicht kann ein Metall, wie z. B. Ruthenium, Platin oder Nickel, umfassen. Die wärmeentfernbare Beschichtung kann eine sublimierbare Substanz sein und kann ein Polymer sein. Paraffin ist für einige Anwendungen eine geeignete wärmeentfernbare Beschichtung.
Somit kann eine Widerstandsheizelementanordnung, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, verwendet werden, um Gas für eine Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Quellsubstanz, von der das gewünschte Gas durch Erwärmen erzeugt werden kann, wird zumindest in einen Teil der Kammer 100 eingeführt, in Wärmekontakt mit dem Widerstandsheizelement 40. Dies kann erreicht werden durch Eintauchen des Widerstandsheizelements 40 in die Quellsubstanz, z. B. durch Füllen der Kammer 100 mit der Quellsubstanz bis zu zumindest einem Pegel, der ausreicht, um das Widerstandsheizelement 40 in die Quellsubstanz einzutauchen. Das Versorgen des Widerstandsheizelements 40 mit Energie durch Leiten von elektrischem Strom durch die Leiterbahnen 50 liefert Wärme, um das gewünschte Gas von der Quellsubstanz zu erzeugen. Das Gas, das so erzeugt wird, kann in einer Brennstoffzellenanordnung verwendet werden, die der Widerstandsheizanordnung 10 zugeordnet ist, z. B. zugeordnet durch Empfangen von Gas durch einen Verteiler 80. Der elektrische Strom, der durch die Leiterbahnen 50 zu dem Widerstandsheizelement 40 zugeführt wird, kann gemäß Leistungsanforderungen der Brennstoffzellenanordnung gesteuert werden, der die Widerstandsheizanordnung 10 zugeordnet ist. Die Leistungsanforderungen wiederum können von der elektrischen Last auf der Brennstoffzellenanordnung bestimmt werden.
Die Widerstandsheizelementanordnung 10 kann in eine Brennstoffkassette, in eine Brennstoffzellenanordnung und/oder eine elektronische Vorrichtung eingebaut sein. Eine integrierte Schaltung kann die Widerstandsheizelementanordnung 10 umfassen, die mit anderen Vorrichtungen integriert ist, wie z. B. einer Steuerschaltungsanordnung zum Steuern der Erzeugung von Gas durch die Widerstandsheizelementanordnung ansprechend auf einen Steuersignaleingang. Der Steuersignaleingang kann auf die elektrische Last auf einer Brennstoffzelle ansprechen, die Brennstoffgas verwendet, das durch die Widerstandsheizelementanordnung 10 erzeugt wird. Herkömmliche Herstellungsverfahren für integrierte Schaltungen können zusammen mit den hierin offenbarten Verfahren verwendet werden, um eine solche integrierte Schaltung herzustellen.
Obwohl das Vorhergehende eine Beschreibung und Darstellung spezifischer Ausführungsbeispiele der Erfindung war, können von Fachleuten auf diesem Gebiet verschiedene Modifikationen und Änderungen daran durchgeführt werden, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist. Beispielsweise können mehrere Widerstandsheizelemente an der gleichen Heizelementanordnung kombiniert werden, für die Verwendung zu verschiedenen Zeitpunkten oder zum Liefern verschiedener Wärmepegel, und die Leiterbahnen, die verwendet werden, um dieselben mit Energie zu versorgen, können kombiniert oder getrennt sein.

Claims

Ein Verfahren zum Herstellen einer Heizelementanordnung (10) für die Erzeugung von Gas, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen (S10) einer geeigneten ersten Substratschicht (20); b) Verbinden (S20) einer zweiten Substratschicht (30) mit der ersten Substratschicht, wobei die zweite Substratschicht (30) ein Widerstandsheizelement (40) und Leiterbahnen (50) trägt, die elektrisch mit dem Widerstandsheizelement (40) gekoppelt sind; und c) Verbinden (S50) einer oberen Schicht (70) mit der vorhergehenden Schicht, wobei die obere Schicht (70) einen Verteiler (80) für das Gas umfasst, und somit die Widerstandsheizelementanordnung (10) abschließt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner den Schritt (S40) des Verbindens einer hydrophoben Schicht (60) mit der zweiten Substratschicht (30) umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem zumindest entweder die erste Substratschicht (20) oder die zweite Substratschicht (30) eine Kammer (100) zum Aufnehmen einer Substanz umfasst, von der Gas durch Erwärmen entstehen kann.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem: der Schritt des Verbindens der zweiten Substratschicht (30) mit der ersten Substratschicht (20) durch Laminieren (S25) einer ersten Verbindungsschicht (25) zwischen die zweite Substratschicht (30) und die erste Substratschicht (20) durchgeführt wird, und wobei der Schritt (S50) des Verbindens der oberen Schicht (70) mit der vorhergehenden Schicht durch Laminieren einer zweiten Verbindungsschicht (55) zwischen die obere Schicht (70) und die vorhergehende Schicht durchgeführt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, das ferner die Schritte des Zuführens von sowohl der ersten Substratschicht (20), der ersten Verbindungsschicht (25), der zweiten Substratschicht (30), der hydrophoben Schicht (60), der zweiten Verbindungsschicht (55) als auch der oberen Schicht (70) von jeweiligen Zuführspulen und des Aufnehmens der abgeschlossenen Widerstandsheizelementanordnung (10) auf einer Aufnahmespule umfasst.
Eine Widerstandsheizelementanordnung (10) zum Erwärmen einer Quellsubstanz für die Erzeugung von Gas von der Quellsubstanz, wobei die Widerstandsheizelementanordnung (10) folgende Merkmale umfasst: a) eine Einrichtung (100) zum Aufnehmen der Quellsubstanz, wobei die Einrichtung zum Aufnehmen eine Öffnung (110) umfasst; b) eine Einrichtung (40) zum Erwärmen der Quellsubstanz, wobei die Einrichtung zum Erwärmen angeordnet ist, um in die Quellsubstanz eingetaucht zu werden, und die Einrichtung zum Erwärmen (40) über der Öffnung (110) der Einrichtung zum Aufnehmen der Quellsubstanz aufgehängt ist; und c) eine Einrichtung (50) zum elektrischen Versorgen der Einrichtung zum Erwärmen mit Energie, wobei die Widerstandsheizelementanordnung (10) als eine integrierte Einheit gebildet ist, die eine erste Substratschicht (20), eine zweite Substratschicht (30) und eine obere Schicht (70) umfasst, wobei zumindest eine der Schichten (20, 30 und 70) einen Verteiler (80) für das Gas umfasst.
Die Widerstandsheizelementanordnung gemäß Anspruch 6, bei der die Einrichtung (100) zum Aufnehmen der Quellsubstanz eine Kammer zum Aufnehmen der Quellsubstanz umfasst, wobei die Kammer eine Öffnung (110) umfasst; und die Einrichtung (40) zum Erwärmen der Quellsubstanz ein dünnes Widerstandsheizelement umfasst, das angeordnet ist, um in die Quellsubstanz eingetaucht zu werden, wobei das dünne Widerstandsheizelement über der Öffnung (110) aufgehängt ist.
Die Widerstandsheizelementanordnung gemäß Anspruch 6, bei der die Einrichtung (50) zum elektrischen Versorgen der Einrichtung (40) zum Erwärmen mit Energie Leiterbahnen umfasst, die mit der Einrichtung (40) zum Erwärmen der Quellsubstanz elektrisch gekoppelt sind.
Die Widerstandsheizelementanordnung gemäß Anspruch 6, bei der die Einrichtung (100) zum Aufnehmen der Quellsubstanz, die Einrichtung (40) zum Erwärmen der Quellsubstanz und die Einrichtung (50) zum elektrischen Versorgen mit Energie als eine integrierte Anordnung (10) gebildet sind, die folgende Merkmale umfasst: i) eine erste Substratschicht (20); ii) eine zweite Substratschicht (30), ein Widerstandsheizelement (40) und Leiterbahnen (50), die elektrisch mit dem Widerstandsheizelement (40) gekoppelt sind, wobei die zweite Substratschicht (30) das Widerstandsheizelement (40) und die Leiterbahnen (50) trägt und die zweite Substratschicht (30) mit der ersten Substratschicht (20) verbunden ist; iii) eine hydrophobe Schicht (60), die mit der zweiten Substratschicht verbunden ist; und iv) eine obere Schicht (70), die mit der hydrophoben Schicht verbunden ist, wobei zumindest eine Schicht der Wärmeanordnung (10) einen Verteiler (80) für das Gas umfasst.
Die Widerstandsheizelementanordnung gemäß Anspruch 9, bei der das Widerstandsheizelement (40), das durch die zweite Substratschicht (30) getragen wird, im Wesentlichen in der Widerstandsheizelementanordnung (10) zentriert ist.
Ein Verfahren zum Verwenden einer Widerstandsheizelementanordnung (10) zum Erzeugen von Gas aus einer Quellsubstanz, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer Kammer (100) mit einer Öffnung (110); b) Bereitstellen eines Widerstandsheizelements (40) mit Leiterbahnen (50), die elektrisch mit demselben gekoppelt sind, wobei das Widerstandsheizelement (40) über der Öffnung (110) der Kammer (100) aufgehängt ist; c) Einführen einer Menge an Quellsubstanz in die Kammer (100) und Anordnen der Quellsubstanz in Wärmekontakt mit dem Widerstandsheizelement (40); und d) Anlegen von Strom an das Widerstandsheizelement (40) durch die Leiterbahnen (50), um die Quellsubstanz auf eine Temperatur zu erwärmen, die ausreicht, um ein gewünschtes Gas zu erzeugen.