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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Befeuchtung eines Brennstoffzellenenergiesystems
und insbesondere eine Vorrichtung zum Befeuchten des Reaktandengaszufuhrstroms
zu der Protonenaustauschmembran einer Brennstoffzelle, indem eine ausgeglichene
Feuchtigkeit über
die Grenzflächen zwischen
dem Gasdiffusionsmedium und der Protonenaustauschmembran vorgesehen
wird, so dass die Protonenaustauschmembran in einer im Wesentlichen
ausgeglichenen Befeuchtung gehalten wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellenenergiesysteme
wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in Elektrizität um. Ein
Typ eines Brennstoffzellenenergiesystems, für den großes Interesse besteht, verwendet
eine Protonenaustauschmembran oder PEM, um eine Reaktion von Brennstoffen
(wie beispielsweise Wasserstoff) und Oxidationsmitteln (wie beispielsweise
Luft/ Sauerstoff) in Elektrizität
katalytisch zu unterstützen. Die
PEM ist ein Festpolymerelektrolyt, der eine Übertragung von Protonen von
der Anode zu der Kathode in jeder einzelnen Brennstoffzelle des
Stapels aus Brennstoffzellen unterstützt, die normalerweise in einem
Brennstoffzellenenergiesystem eingesetzt werden.
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Bei
einer typischen Brennstoffzellenanordnung (Stapel) in einem Brennstoffzellenenergiesystem
besitzen die einzelnen Brennstoffzellen Strömungsfelder mit Einlässen zu
Fluidverteilern, wobei diese gemeinsam die verschiedenen Reaktandengase,
die durch jede Zelle strömen,
transportieren. Gasverteilungsmedien oder -anordnungen verteilen
dann diese Fluide von dem Strömungsfeld
an den reaktiven Anoden- und Kathodenfokus einer Membranelektrodenanordnung
oder MEA. Diese Gasdiffusionsmedien sind vorteilhafterweise häufig als
Teil der Konstruktion von Primärkollektorelektroden
ausgebildet, die an die reaktiven Anodenund Kathodenseiten gepresst
werden.
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Ein
effektiver Betrieb einer PEM erfordert eine ausgeglichene Bereitstellung
von ausreichend Wasser in dem Polymer einer PEM, um seine Protonenleitfähigkeit
sogar dann beizubehalten, wenn der Katalysator benachbart der PEM,
das Strömungsfeld wie
auch das Gasdiffusionsmedium in nicht gefluteten Betriebszuständen gehalten
werden. Diesbezüglich
wird das Oxidationsmittel, typischerweise Sauerstoff oder sauerstoffhaltige
Luft, an die Kathode geliefert, an der es mit Wasserstoffkationen,
die die Protonenaustauschmembran durchquert haben, und Elektronen
von einer externen Schaltung reagiert. Somit erzeugt die Brennstoffzelle
sowohl Elektrizität
als auch Wasser durch die elektrochemische Reaktion, und das Wasser
wird mit dem Kathodenabfluss entfernt, wodurch die PEM der Brennstoffzelle
entwässert
wird, sofern das Wasser nicht anderweitig ersetzt wird. Es sei auch
angemerkt, dass die Luftströmung durch
das Kathodenströmungsfeld
allgemein Wasser von der Protonenaustauschmembran mit einer noch höheren Rate
als der Rate der Wassererzeugung (mit einer entsprechenden Entwässerung
der PEM) über
die Reaktion an der Kathode verdunstet.
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Im
befeuchteten Zustand besitzt die Polymer-Protonenaustauschmembran "saure" Eigenschaften, die
ein Medium zum Leiten von Protonen von der Anode zu der Kathode
der Brennstoffzellen vorsehen. Wenn jedoch die Protonenaustauschmembran
nicht ausreichend bewässert
wird, vermindert sich der "saure" Charakter mit einer
entsprechenden Verminderung der gewünschten elektrochemischen Reaktion
der Zelle.
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Ein
Problem tritt bei der Membranbefeuchtung im Betrieb der Brennstoffzelle
jedoch auf, wenn eine Feuchtigkeitsmassenübertragung in der Zelle lokale
Feuchtigkeitsgradienten in dem Gasdiffusionsmedium herstellt. Diesbezüglich tritt
ein Ungleichgewicht in der Ebene der Protonenaustauschmembran, die
zu dem Gasdiffusionsmedium weist, auf, da einige Bereiche in der
Ebene der Membran bezüglich
anderer Bereiche der Ebene im Betrieb einen Nutzen aus einem höheren Feuchtigkeitsniveau
ziehen. Die lokalen Ungleichgewichte bezüglich der Qualität der Befeuchtung
des Gasdiffusionsmediums bewirken vergleichbare verschiedene Qualitäten der
Befeuchtung in lokalen Bereichen der Protonenaustauschmembran, was
bei der Erzeugung von Elektrizität
von der Zelle in unterschiedlichen Wirkungsgraden pro lokaler Bereiche
der Protonenaustauschmembran resultiert.
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Eine
andere Schwierigkeit bei der Membranbefeuchtung besteht darin, dass
viele Brennstoffzellenkatalysatoren deaktiviert werden, wenn sie
mit flüssigem
Wasser gesättigt
sind. Aufgrund dessen sind Lösungen,
um eine ausgeglichene Befeuchtung über die Ebene der Proto nenaustauschmembran
hinweg vorzusehen, ebenfalls bezüglich
des negativen Einflusses von flüssigem
Wasser auf die Aktivität
des Katalysators benachbart der Oberflächen der Protonenaustauschmembran
beschränkt,
wenn der Katalysator selbst bis zur Sättigung mit flüssigem Wasser entweder
lokal oder über
die Ebene der PEM, zu der der Katalysator benachbart ist und/oder
an der dieser angebracht ist, bewässert wird.
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Es
besteht ein Bedarf nach einem Brennstoffzellenenergiesystem, das
eine umfassende ausgeglichene Befeuchtung der Protonenaustauschmembran
vorsieht und gleichzeitig im Betrieb die vollständige Aktivität in dem
an den Oberflächen
der Protonenaustauschmembran angebrachten Katalysator beibehält. Die
vorliegende Erfindung ist auf die Lösung dieser Aufgaben gerichtet.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung erkennt an, dass es wichtig zu verstehen ist,
dass eine Anzahl geometrischer Konstruktionsfaktoren der Brennstoffzelle
einen direkten Einfluss auf die Feuchtigkeitsverteilung der Gasdiffusionsmedien
und somit der PEM hat. Die Erfindung ist darauf gerichtet, die nachteilige
Auswirkung von geometrischen Konstruktionsanforderungen zu kompensieren
oder zumindest zu minimieren. Die Erfindung führt zu einer ausgeglicheneren Feuchtigkeitsverteilung über die
Ebene der PEM, und die Feuchtigkeitsverteilung vertikal über die
PEM wird besser ausgeglichen und gesteuert. Die Erfindung führt zu einer
besseren Befeuchtung der PEM, um die Lebensdauer der PEM zu maximieren.
Demgemäß ist die
Erfindung auf eine Brennstoffzelle mit einem Gasdiffusionsmedium
gerichtet, das eine hydrophobe Lage, die an einer Oberfläche in Fluidverbindung
mit einem Strömungsfeld
ausgebildet ist, und eine hydrophile Lage aufweist, die an einer
entgegengesetzten Oberfläche
in Fluidverbindung mit der Membranelektrodenanordnung ausgebildet
ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung wiederholter
hydrophober und hydrophiler Lagen in dem Gasdiffusionsmedium.
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Um
das Gleichgewicht einer gleichmäßigen Feuchtigkeitsverteilung
zu maximieren, brauchen die vorher erwähnten hydrophoben und hydrophilen
Lagen weder gleichmäßig über die
Ebene des Diffusionsmediums verteilt werden, noch gleichmäßig in einer
Richtung quer zu der Ebene, wie beispielsweise vertikal durch den
Querschnitt des Diffusionsmediums, verteilt werden. Statt dessen
werden die hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften des Gasdiffusionsmediums
in ihrem Grad oder ihrer "Stärke" derart variiert,
dass die Feuchtigkeitsverteilung über die gesamte Ebene des Gasdiffusionsmediums
wie auch durch den Querschnitt des Gasdiffusionsmediums optimiert
ist.
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Das
Gasdiffusionsmedium ist eine allgemein planare poröse Struktur,
die einen Transportmechanismus für
Reaktandengas in einer Richtung durch die Ebene des Gasdiffusionsmediums
vorsieht. Die poröse
Struktur umfasst eine hydrophobe Lage, die an einer Oberfläche der
porösen
Struktur ausgebildet ist und einen Transportmechanismus für Feuchtigkeit in
einer Richtung in der Ebene des Gasdiffusionsmediums vorsieht. Auf
diese Art und Weise gleicht die hydrophobe Lage einen Feuchtigkeitsfluss über ihre Ebene
aus und sieht schließlich
eine ausgeglichene Befeuchtung der Protonenaustauschmembran vor. Eine
hydrophile Lage, die an einer Oberfläche der porösen Struktur, die der hydrophoben
Lage entgegengesetzt ist, ausgebildet ist, sieht einen Transportmechanismus
für Feuchtigkeit
in der Richtung durch die Ebene des Gasdiffusionsmediums vor. Auf
diese Art und Weise hält
die hydrophile Lage funktionell flüssiges Wasser zur Abgabe als
Feuchte in die (diffundierende) Reaktandenzufuhr, wenn diese durch
das Diffusionsmedium zu der Membranaustauschanordnung gelangt, wodurch
eine nachteilige Strömung von
flüssigem
Wasser auf dem Katalysator der Membranaustauschanordnung sogar dann
verhindert wird, wenn der Reaktand befeuchtet ist.
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Existierende
Konstruktionen begünstigen eine
gleichmäßige Verteilung
der hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften der Gasdiffusionsmedien in
der Ebene wie auch durch die Ebene in einer Schnitt- oder Querrichtung
in dem Gasdiffusionsmedium. Die vorliegende Erfindung beschreibt
eine ungleichmäßige Verteilung
der hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften in der Ebene wie auch
durch die Ebene, um die Feuchtigkeitsverteilung und damit die elektrochemische
Leitfähigkeit
der PEM und ihre Lebensdauer zu optimieren.
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Die
vorliegende Erfindung kann ferner Kapillarelemente in dem Gasdiffusionsmedium
umfassen, die sich durch die hydrophobe Lage in die hydrophile Lage
hinein erstrecken. Die Kapillarelemente liefern unter Druck stehendes
Wasser in das Gasdiffusionsmedium ohne größere Gefahr einer Sättigung
des Katalysators der Membranelektrodenanordnung.
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Die
Kombination aus ausgeglichenem Feuchtigkeitsfluss über die
Ebene des Diffusionsmediums und der Rückhaltung von Wasser (über die
hydrophile Lage), die durch die ausgeglichene Aufbringung der hydro phoben
und hydrophilen Materialien in der Ebene und durch die Ebene des
Gasdiffusionsmediums vorgesehen wird, um das Reaktandengas vollständig zu
befeuchten, schließt
ein lokales Austrocknen der Protonenaustauschmembran durch den eintretenden
befeuchteten Reaktanden sogar dann aus, wenn der Katalysator in
einem nicht befeuchteten Zustand und in vollständiger Aktivität gehalten wird.
Gemeinsam sehen diese beiden funktionellen Vorteile einen maximierten
Betriebswirkungsgrad der Brennstoffzelle zusammen mit den daraus
abgeleiteten Vorteilen bezüglich
einer Minimierung der Querschnittsfläche in einer Brennstoffzelle,
die einen definierten Betrag an Elektrizität vorsieht, und dadurch von
Volumen, Gewicht wie auch Kosten in einem Brennstoffzellensystem
vor. Zusätzlich
erweitert die optimierte Befeuchtung die Lebensdauer wie auch Beständigkeit
der PEM erheblich.
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Weitere
Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus den Figuren
wie auch der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen,
die nachfolgend vorgesehen sind, besser offensichtlich. Es sei zu
verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische
Beispiele, während
sie die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und
nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung ist im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen: [0017] 1A ein
reformerbasiertes Brennstoffzellenenergiesystem mit Wasserzusatz
zu dem Brennstoffzellenstapel des Energiesystems zeigt; [0018] 1B ein
wasserstoffspeicherbasiertes Brennstoffzellenenergiesystem mit Wasserzusatz
zu dem Brennstoffzellenstapel des Energiesystems zeigt; [0019] 2 ein Detail
in einem Abschnitt eines PEM-Brennstoffzellenstapels in der Brennstoffzellenstapelanordnung des
Brennstoffzellenenergiesystems der 1A und 1B zeigt; [0020] 3 ein
Detail im Schnitt einer Brennstoffzelle zeigt, die eine hydrophobe
Lage und eine nachfolgende hydrophile Lage umfasst; [0021] 4 ein
Detail eines Kapillarelements zeigt, das sich durch die hydrophobe
Lage und in die hydrophile Lage erstreckt, wie in 3 gezeigt
ist; [0022] 5 eine planare Ansicht der hydrophoben
Lage der 3 und 4 mit einer
konzeptartigen Charakterisierung des Feuchtigkeitsflusses über den
planaren Bereich des Abschnittes zeigt; [0023] 6 ein Schema
einer Verteilung einer gleichmäßigen Hydrophobie
und gleichmäßigen Hydrophilie über die
Gasdiffusionsmedien zeigt, was zu einem nicht optimalen Wassermanagement
führt;
und (0024] 7 ein Schema einer Verteilung
von Hydrophobie und Hydrophilie über
Gasdiffusionsmedien gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, um ein Wassermanagement zu optimieren.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich
beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre
Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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Im Überblick
ist bei den bevorzugten Ausführungsformen
das richtige Management von Wasser, das in der kathodischen Oxidations-Reduktions-Reaktion
einer Brennstoffzelle erzeugt wird, wesentlich für einen effizienten Brennstoffzellenbetrieb
wie auch die Lebensdauer. Die günstigste
Situation besteht darin, eine vollständige Befeuchtung des Brennstoffgases
und Oxidationsmittelgases zu haben, die der Protonenaustauschmembran
(PEM) zugeführt
werden, so dass die PEM gut befeuchtet wird und eine Protonenübertragung
erleichtert wird. Wenn jedoch flüssiges
Wasser entweder in Strom- oder Partikelform in einem Reaktandengas
vorhanden ist, wird, wenn der Reaktand mit dem Katalysator, der
an der Protonenaustauschmembran angebracht ist, in Kontakt tritt,
dann der Katalysator in einem gewissen Grad deaktiviert und/oder
ein Fluten beschränkt
ein Erreichen der katalytischen Zentren an der Membranoberfläche der
PEM durch das Reaktandengas.
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Eine
Befeuchtung von eintretenden Reaktandengasen in einem Diffusionsmedium
wie auch eine planare Wanderung von Feuchtig keit in demselben Diffusionsmedium
stellen zwei etwas gegenläufige
Anforderungen in einem Diffusionsmedium, das aus einem einzelnen
Material hergestellt ist, dar. Diesbezüglich sieht ein bestimmtes
Material, das in eine allgemein planare poröse Struktur geformt ist, inhärent einen
einzelnen Mechanismus vor, um diese beiden Anforderungen handhaben
zu können.
Jedoch werden durch die Bereitstellung eines Diffusionsmediums mit
zwei separaten Gebieten, wie beispielsweise einer hydrophoben Lage
und einer hydrophilen Lage, mehrere Mechanismen zur Handhabung der
Anforderungen hinsichtlich Befeuchtung und planarer Feuchtigkeitswanderung
vorgesehen. Tatsächlich
sieht die Anwesenheit einer hydrophilen Lage in nächster Nähe zu einer
hydrophoben Lage weiter mehrere Mechanismen zur Befeuchtung von Zufuhrgasen
vor. Kapillarelemente, die eine Wasserlieferung in der hydrophoben
Lage und der hydrophilen Lage vorsehen, dienen ferner dazu, um eine
ausgeglichene Befeuchtung der PEM vorzusehen.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch Bezugnahme auf ein allgemeines
Brennstoffzellenantriebsystem besser verständlich. Daher wird vor einer
weiteren Beschreibung der Erfindung ein allgemeiner Überblick über die
verschiedenen Energiesysteme gegeben, in denen die verbesserten
Brennstoffzellen der Erfindung arbeiten. Bei einer Ausführungsform wird
ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff, wie beispielsweise Methanol, Ethanol,
Benzin, Alkalin oder andere aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe in
einem Brennstoffprozessor beispielsweise durch Reformierungs- und
Partialoxidationsprozesse verarbeitet, um ein Reformatgas zu erzeugen,
das einen relativ hohen Wasserstoffgehalt auf einer Volumenoder
Molbasis besitzt. Daher wird Bezug auf ein wasserstoffhaltiges Reformat
genommen, das einen relativ hohen Wasserstoffgehalt aufweist. Bei einer
anderen Ausführungsform
können
die Wasserstoff- und/oder Sauerstoffzufuhrströme durch geeignete Speichermittel
vorgesehen werden. Somit sei zu verstehen, dass die hier ausgeführten Grundsätze auf Brennstoffzellen
anwendbar sind, die durch von einer beliebigen Quelle erhaltenem
H2 beliefert werden.
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Wie
in 1A gezeigt ist, umfasst ein Brennstoffzellenenergiesystem 100 einen
Brennstoffprozessor 112 zur katalytischen Reaktion eines
reformierbaren Kohlenwasserstoff-Brennstoffstroms 114 mit
Wasser in der Form von Wasserdampf aus einem Wasserstrom 116.
Bei einigen Brennstoffprozessoren wird auch Luft in einer kombinierten
Partialoxidations-/Wasserdampfreformierreaktion verwendet. In diesem
Fall nimmt der Brennstoffprozessor 112 auch einen Luftstrom 118 auf.
Der Brennstoffprozessor 112 umfasst einen oder mehrere
Reaktoren, wobei der reformierbare Kohlenwasserstoff-Brennstoff
in Strom 114 in der Anwesenheit von Wasserdampf in Strom 116 und
Luft in Strom 118 eine Aufspaltung erfährt, um das wasserstoffhaltige
Reformat zu erzeugen, das in dem Reformatstrom 120 von
dem Brennstoffprozessor 112 ausgetragen wird. Der Brennstoffprozessor 112 umfasst
typischerweise auch einen oder mehrere unterstromige Reaktoren,
wie beispielsweise Wasser-Gas-Shift(WGS)-Reaktoren und/oder Reaktoren
für selektive
bzw. bevorzugte Oxidation (PrOx), die dazu verwendet werden, das Niveau
an Kohlenmonoxid in dem Reformatstrom 120 auf akzeptable
Niveaus zu verringern, beispielsweise unterhalb 20 ppm. H2-haltiges Reformat 120 wird der
Anodenkammer des Brennstoffzellenstapelsystems 122 zugeführt. Gleichzeitig
wird Sauerstoff in der Form von Luft in dem Strom 124 in
die Kathodenkammer des Brennstoffzellenstapelsystems 122 zugeführt.
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Der
Wasserstoff von dem Reformatstrom 120 und der Sauerstoff
von dem Oxidationsmittelstrom 124 reagieren in dem Brennstoffzellenstapelsystem 122,
um Elektrizität
zu erzeugen. Ein geeignetes Kühlfluid
zum Kühlen
eines Brennstoffzellenstapelsystems 122 wird über Strom 172 zugesetzt und
in Leitung 176 ausgetragen. Wasser für die PEM-Befeuchtung in dem Brennstoffzellenstapelsystem 122 wird
in Strom 170 zugesetzt und in Strom 174 ausgetragen.
Diesbezüglich
wird Wasser in dem Strom 170 bei einem Kapillarlieferdruck
geliefert, d.h. bei einem Druck, der einen nützlichen befeuchtenden Wasserstrom über Kapillarelemente
vorsieht, die in Gasdiffusionsanordnungen des Brennstoffzellenstapelsystems 122 eingebettet
sind, wie nachfolgend beschrieben ist. Wasser in dem Strom 170 wird
auch mit einer Reinheit geliefert, die erforderlich ist, um die Lieferkapillaren
in nicht verstopfter Betriebsform beizubehalten. Das Druckbeaufschlagen
von Wasser für den
Strom 170 wird durch Verwendung einer Pumpe (nicht gezeigt)
erreicht. Das in dem Strom 172 vorgesehene Kühlfluid
wird bei einem Druck geliefert, der für Kühlanforderungen in dem Brennstoffzellenstapelsystem 122 optimiert
ist. Bei einer Ausführungsform
werden die Ströme 172 und 170 kombiniert
und von einer Wasserquelle bei demselben Druck geliefert.
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Ein
Anodenaustrag (oder -abfluss) 126 von der Anodenseite des
Brennstoffzellenstapelsystems 122 enthält einigen nicht reagierten
Wasserstoff. Ein Kathodenaustrag (oder -abfluss) 128 von
der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapelsystems 122 kann
einigen nicht reagierten Sauerstoff umfassen. Diese nicht reagierten
Gase stellen zusätzliche
Energie dar, die in einem Brenner 130 in der Form von Wärmeenergie
für verschiedene
Wärmeanforderungen
in dem Energiesystem 100 rückgewonnen wird. Genauer wird
ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff 132 und/ oder Anodenabfluss 126 katalytisch
oder thermisch in dem Brenner 130 mit Sauerstoff verbrannt, der
an den Brenner 130 entweder aus Luft in dem Strom 134 oder
von einem Kathodenabflussstrom 128 abhängig von den Betriebsbedingungen
des Energiesystems 100 geliefert wird. Der Brenner 130 trägt einen
Austragsstrom 154 an die Umgebung aus, und die dadurch
erzeugte Wärme
wird nach Bedarf an den Brennstoffprozessor 112 geführt.
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Wie
in 1B gezeigt ist, wird ein Wasserstoffzufuhrstrom 120' von einem geeigneten
Speichersystem 112' an
die Brennstoffzelle 122 geliefert. Ähnlicherweise wird ein Sauerstoffzufuhrstrom 124' von einer Luftquelle 118' geliefert.
Die Wasserversorgung und der Wasseraustrag 170, 174 zur
Befeuchtung und Kühlung
der Fluidversorgung und des Fluidaustrags 172, 176 des
Brennstoffzellenstapels 122 sind in einer Art und Weise
angeordnet, wie unter Bezugnahme auf das Brennstoffreformiersystem 100 beschrieben
ist, das in 1A gezeigt ist. Die Erfindung
wird nachfolgend in Verbindung mit einer Brennstoffzelle beschrieben,
die durch ein H2-haltiges Reformat beliefert
wird, ungeachtet des Verfahrens, durch das ein derartiges Reformat
hergestellt wird.
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In 2 ist
ein teilweiser PEM-Brennstoffzellenstapel 200 eines Brennstoffzellenstapelsystems 122 schematisch
mit einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 208 und 210 gezeigt,
die voneinander durch eine nicht poröse, elektrisch leitende bipolare
Platte 212 getrennt sind. Jede der MEAs 208, 210 besitzt
eine Kathodenseite 208c, 210c und eine Anodenseite 208a, 210a.
Die MEAs 208, 210 wie auch die bipolare Platte 212 sind
zwischen nicht porösen,
elektrisch leitenden, flüssigkeitsgekühlten Endplatten 214 und 216 aneinander gestapelt.
Die Platten 212, 214, 216 umfassen jeweils
jeweilige Strömungsfelder 218, 220, 222,
die in den Seiten der Platten hergestellt sind, um Reaktandengase
(d.h. H2 & O2) an die jeweiligen Seiten der MEAs 208, 210 zu
verteilen. Nichtleitende Dichtungen oder Versiegelungen 226, 228, 230, 232 sehen eine
Abdichtung wie auch elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen
Platten des Brennstoffzellenstapels 200 vor.
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Die
Gasdiffusionsmedien 234, 236, 238, 240 sind
allgemein planare poröse,
gasdurchlässige, elektrisch
leitende dünnen
Platten bzw. Lagen, die an die Elektrodenseiten der MEAs 208, 210 gepresst werden.
Die Gasdiffusionsmedien 234-240 dienen als Primärstromkollektoren
für die
jeweiligen Elektroden, als ein Transportmechanismus zur gleichförmigen Verteilung
der Reaktandengase an die MEA und als mechanische Abstützung der
MEAs 208, 210 insbesondere an Orten, an denen
die MEAs ansonsten in dem Strömungsfeld
ungestützt
sind. Die bipolare Platte 214 wird an das Gasdiffusionsmedium 234 an der
Kathodenseite 208c der MEA 208 gepresst, die polare
Platte 216 wird an das Gasdiffusionsmedium 240 an
der Anodenseite 210a der MEA 210 gepresst, und
die bipolare Platte 212 wird an das Gasdiffusionsmedium 236 an
der Anodenseite 208a der MEA 208 und an das Gasdiffusionsmedium 238 an
der Kathodenseite 210c der MEA 210 gepresst.
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Wie
vorher beschrieben wurde, wird ein Oxidationsmittelgas, wie beispielsweise
Luft bzw. Sauerstoff, an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 200 von
einer Luftquelle bzw. einem Speichertank 118, 118' und die Leitung 124 über eine
geeignete Versorgungsverrohrung 242 geliefert. Ein Brennstoff,
wie beispielsweise Wasserstoff, wird an die Anodenseite der Brennstoffzelle 200 von
einem Brennstoffreformer 112 oder 112' bzw. einem
Speichertank über
eine geeignete Versorgungsverrohrung 244 geliefert. Eine
Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H2und
O2- bzw. Luftseiten der MEAs 208, 210 ist
ebenfalls vorgesehen, um Anodenabfluss von dem Anodenströmungsfeld
und den Kathodenabfluss von dem Kathodenströmungsfeld zu entfernen. Eine
Kühlmittelverrohrung 250, 252 ist vorgesehen,
um flüssiges
Kühlmittel
nach Bedarf an bipolare Platten 214, 216 zu liefern
und von diesen auszutragen. Wasser für die PEM-Befeuchtung in dem
Brennstoffzellenstapelsystem 122 wird von dem Strom 170 geliefert,
um Wassereinlasskanäle 268, 264 und 262 in
der Endplatte 214, der bipolaren Platte 212 wie
auch der Endplatte 222 (mit anderen Worten die Strömungsplatten 214, 212 und 222)
jeweils zu befeuchten und wird von diesen Strömungsplatten über jeweilige
Auslasskanäle 270, 266 und 260 an Strom 174 ausgetragen.
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In 3 ist
ein Querschnitt eines Abschnittes einer Brennstoffzelle in einem
Brennstoffzellenstapel 122 gezeigt. Die Brennstoffzelle 300 umfasst ein
Paar Separatorplatten 302, 304 (allgemein bezeichnet
als bipolare Platten, wenn sie zwischen benachbarten Membranelektrodenanordnungen
angeordnet sind). Wie es derzeit bevorzugt ist, ist jede der Separatorplatten
von einem Typ mit einem Reaktandengasströmungsfeld 306, das
in einer Seite der Platte ausgebildet ist, und einem Kühlmittelströmungsfeld 308,
das in der entgegengesetzten Seite der Platte ausgebildet ist. Eine
Membranelektrodenanordnung (MEA) 310 ist zwischen den Separatorplatten 302, 304 angeordnet.
Die MEA 310 umfasst eine Protonenaustauschmembran 312 mit
einem Anodenkatalysator 314 und einem Kathodenkatalysator 316,
die auf entgegengesetzten Seiten derselben ausgebildet sind und
aktive Bereiche an der MEA 310 definieren.
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Ein
Gasdiffusionsmedium 318 ist zwischen der Anodenseite 314 und
der Separatorplatte 302 angeordnet. Das Gasdiffusionsmedium 320 ist
zwischen der Kathodenseite 316 und der Separatorplatte 304 angeordnet.
Wie vorher beschrieben ist die Protonenaustauschmembran (PEM) 312 in
der Membranelektrodenanordnung (MEA) 310 bevorzugt ein Polymerelektrolyt,
der einen Protonenaustausch in der Oxidations-Reduktions-Reaktion
des Brennstoffs und Oxidationsmittels zwischen dem Anodenkatalysator 314 und
dem Kathodenkatalysator 316 ermöglicht. Ein Kühlmittel
in dem Kühlmittelkanal 308 der Strömungsplatte
kühlt das
Brennstoffzellenstapelsystem 122. Das Kühlmittel wird dem Brennstoffzellenstapelsystem 122 von
dem Strom 172 und in die Kühlmittelkanäle der Strömungsplatte durch Kühlmitteleinlässe zugeführt, wie
beispielsweise einen Kühlmitteleinlass 250 der
Strömungsplatte,
und über Kühlmittelauslässe, wie
beispielsweise einen Kühlmittelauslass 252 der
Strömungsplatte,
an Leitung 176 ausgetragen.
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Brennstoff
(beispielsweise Wasserstoff) wird in die Brennstoffzelle 300 über ein
in der Separatorplatte 302 definiertes Strömungsfeld 306 transportiert.
Der Brennstoffreaktand wird dann von dem Anodenreaktandenströmungsfeld 308 an
den Anodenkatalysator 314 über das Gasdiffusionsmedium 318 verteilt. Ähnlicherweise
wird ein Oxidationsmittel (beispielsweise Luft) in die Brennstoffzelle 300 über das
Strömungsfeld 306,
das in der Separatorplatte 304 definiert ist, transportiert.
Ein Oxidationsmittelreaktand wird dann von dem Kathodenreaktandenströmungsfeld 306 an
den Kathodenkatalysator 316 über das Gasdiffusionsmedium 320 verteilt.
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Wie
es derzeit bevorzugt ist, umfasst jedes der Gasdiffusionsmedien 318, 320 eine
hydrophobe Lage 324 und eine hydrophile Lage 326,
die zusammen als Primärstromkollektoren
dienen (siehe auch 6). Die hydrophile Lage 326 ist
aus einem relativ hydrophilen Material aufgebaut, wie beispielsweise Kohlepapier,
Graphitpapier, Graphitgewebe, feinmaschiger Edelmetallsieb oder
einem offenzelligen Edelmetallschaum und dergleichen, die Strom
leiten, während
eine ausreichend poröse
Struktur vorgesehen wird, um durch dieses hindurchströmendes Reaktandengas
zu verteilen. Bevorzugt umfasst die hydrophobe Lage 324 ein
Polymer mit hydrophoben Qualitäten,
wie beispielsweise Polytetrafluorethylenlage oder eine Lage aus
fluoriertem Polyethylenpropylen.
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Bei
einer Ausführungsform
kann die hydrophobe Lage 324 als eine Beschichtung (in
einer Weise, wie beispielsweise einem Siebdruck oder einer Prägung bzw.
Reliefbildung) auf ein poröses
Substrat aufgebracht werden, das durch die hydrophile Lage vorgesehen
wird. Auf diese Art und Weise definiert die Beschichtung eine hydrophobe
Bedeckung auf der Oberfläche
der Gasdiffusionsmedien 318, 320, die zwischen
der Separatorplatte 302, 304 und der MEA 310 angeordnet
sind. Die Beschichtung wird in einer solchen Weise aufgebracht,
dass das Gasdiffusionsmedium eine ausreichende Porosität beibehält, um zu
ermöglichen,
dass Reaktandengas durch dieses hindurchgelangen kann. Genauer existieren
Zwischendurchgänge
in der hydrophoben Bedeckung, um ein dreidimensionales Netzwerk
aus Polymer im Wesentlichen und kontinuierlich über die allgemeine Ebene der
hydrophoben Lage hinweg vorzusehen. Auf diese Art und Weise sieht
das Netzwerk einen Transportmechanismus für Feuchtigkeit in der Ebene der
porösen
Struktur vor, während
zugelassen wird, das Reaktandengas durch die poröse Struktur gelangen und diffundieren kann.
Diesbezüglich
ist dieses Netzwerk integral mit der porösen Struktur ausgebildet, auf
der die Beschichtung abgeschieden ist. Eine Behandlung der anfänglichen
Gasdiffusionsmedien mit dem hydrophilen und/oder hydrophoben Mittel
erfolgt derart, dass ein spezifischer Grad an Hydrophilie bzw. Hydrophobie
an einem beliebigen Punkt in der Ebene und durch die Ebene der Gasdiffusionsmedien
erreicht werden kann (siehe 7).
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Ein
Bereich eines kritischen Feuchtigkeitsgleichgewichts betrifft diejenigen
Teile der Gasdiffusionsmedien, die in direktem Kontakt mit den "Stegbereichen" der bipolaren Platte
stehen. Ein derartiger Zielbereich "B" ist
in 7 gezeigt. Das Fehlen eines direkten Kontaktes
zu dem Oxidationsmittelfluss durch die Kanäle des Strömungsfeldes verhindert eine
richtige Befeuchtung (siehe 7, Kreis
B).
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Wie
in 7 gezeigt ist, umfasst eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, dass ein hydrophobes Mittel derart in
und/oder an die Gasdiffusionsmedien aufgebracht wird, dass die Hydrophobie
an den vorher erwähnten
Teilen, die in direktem Kontakt mit den bipolaren Platten stehen,
erheblich höher
als an denjenigen Teilen ist, die nicht in direktem Kontakt mit
den bipolaren Platten stehen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
kann die hydrophobe Lage 324 ein getrennter Plättchenabschnitt
bzw. lagenartiger Abschnitt sein, der separat und unabhängig von
der hydrophilen porösen
Struktur ausgebildet wird, um ein dreidimensionales hydrophobes
Polymernetzwerk vorzusehen. Dieser hydrophobe Plättchenabschnitt wird dann an
der hydrophilen porösen
Struktur angebracht und erstreckt sich im Wesentlichen und kontinuierlich über dessen allgemeine
Ebene. Diesbezüglich
ist das Netzwerk von der hydrophilen Lage getrennt, jedoch kontinuierlich
mit dieser ausgebildet.
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Es
wird eine Befeuchtung des eintretenden Reaktandengases erreicht,
da jeder dieser Lagenabschnitte 324, 326 dazu
dient, ein jeweiliges Reaktandendiffusionsmedium vorzusehen, um
allgemein einen Reaktanden im Wesentlichen rechtwinklig zu der Ebene
der Gasdiffusionsmedien zu bewegen, und dazu dient, ein jeweiliges
Medium für
die Wanderung der Feuchtigkeit in der Form von Wasser in der Ebene
der Gasdiffusionsmedien vorzusehen. Diesbezüglich sieht ein Diffusionsmedium
mit zwei separaten Gebieten -- hydrophobe Lage 324 und
hydrophile Lage 326 -- mehrere Mechanismen zum Handhaben der
Anforderungen hinsichtlich Befeuchtung wie auch planarem Feuchtigkeitsausgleich
vor. Die Dicke von jeder der Lagen und das Verhältnis der Dicken repräsentiert
bei verschiedenen Ausführungsformen eine
Variable, die unabhängig
eingestellt werden kann, um eine optimale Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle 300 zu erreichen. Eine andere Variable
ist insoweit als das Aufbaumaterial und/oder Beschichtungsmaterial
realisiert, die ebenfalls unabhängig durch
die Lage eingestellt werden kann, um eine optimale Auflösung der
Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle 300 vorzusehen.
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Wie
zuvor beschrieben wurde, sieht die spezifische Anwendung hydrophiler
und hydrophober Mittel weiter eine Basis für eine gleichmäßige Befeuchtung
von Reaktandengasen über
eine Kapillarwasserlieferung über
die Grenzfläche
zwischen der Separatorplatte 302, 304 und den
Diffusionsmedien 318, 320 vor. Zu diesem Zweck
wird ein Kapillarelement 322 in der Brennstoffzelle 300 ausgebildet,
das eine Kapillarwasserlieferung ermöglicht.
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Demgemäß ist die
Menge hydrophiler und hydrophober Mittel, die aufgebracht sind,
und damit die Hydrophobie bzw. Hydrophilie über das Diffusionsmedium (in
der Ebene und durch die Ebene hindurch) nicht gleichmäßig. Damit
kann bei spezifischen Anwendungen eine gewünschte Verteilung erreicht
werden. Als Faustregel ist eine höhere Hydrophobie erwünscht:
- a) neben der MEA-Katalysatorschicht;
- b) wo die bipolare Platte die Diffusionsmedien berührt (7,
Kreis "B"); und
- c) neben dem Kathodenabflussauslass (1B, 128),
wo das meiste Wasser vorhanden ist.
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Eine
höhere
Hydrophilie ist erwünscht:
- a) neben der bipolaren Platte,
- b) wo der Gasfluss einen direkten Kontakt zu den Diffusionsmedien
besitzt (siehe 7); und
- c) neben dem Kathodeneinlass (1B, 124),
wo die Wasserkonzentration am niedrigsten ist.
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Wie
in den 3-5 gezeigt ist, erstrecken sich
Kapillarelemente 322 in die Gasdiffusionsmedien 318, 320 an
der Grenzfläche
mit den Separatorplatten 302, 304. Genauer ist
jedes Kapillarelement 322 als eine Blindbohrung oder als
Durchgang 328 ausgebildet, der sich durch die hydrophobe
Lage 324 und in die hydrophile Lage 326 erstreckt.
Die Durchgänge 328 stehen
in Fluidverbindung mit Wasserströmungskanälen 330,
die in der benachbarten Seite der Separatorplatte 302, 304 ausgebildet
sind. Die Durchgänge 328 dienen
als Kapillaren durch die hydrophobe Lage 324, um Wasser
von dem Kanal 330 in die hydrophile Lage 326 bis
zu einer Tiefe d zu transportieren. Diesbezüglich verbleibt eine ausreichende
Dicke t der hydrophilen Lage 326, so dass keine Flüssigwasserströmung direkt
an die Seite des Katalysators 314, 316 in der
Membranelektrodenanordnung 310 geliefert wird. Wasser in
den Wasserströmungskanälen 330 wird
durch eine Wasserquelle vorgesehen, die auf einen geeigneten Druck
zur Kapillarlieferung durch die Durchgänge 328 unter Druck gesetzt
ist, so dass eine geeignete Wassermenge in die hydrophile Lage 326 gezogen
wird.
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Die
hydrophobe Lage 324 verteilt die Feuchtigkeit über ihre
Ebene und sieht schließlich
eine ausgeglichene Befeuchtung der Protonenaustauschmembran 324 vor.
Die hydrophile Lage 326 hält flüssiges Wasser zur Abgabe als
Feuchte in das (diffundierende) Reaktandengas, das hindurch zu der Membranaustauschanordnung 310 strömt, wodurch eine
nachteilige Strömung
von flüssigem
Wasser auf der Seite des Katalysators 314, 316 sogar
dann verhindert wird, wenn das Reaktandengas vollständig befeuchtet
ist. Die Kombination des ausgeglichenen Feuchtigkeitsflusses (wie
ferner unter Bezugnahme auf 5 beschrieben
ist) durch die hydrophobe Lage 324 und der Rückhaltung
von Wasser durch die hydrophile Lage 326, um das Reaktandengas
vollständig
zu befeuchten, schließt
ein lokales Austrocknen der Protonenaustauschmembran 312 durch
eintretendes befeuchtetes Reaktandengas aus, sogar wenn der Katalysator 314, 316 in
einem nicht befeuchteten Zustand gehalten wird und vollständig aktiv
ist. Zusammen genommen sehen diese beiden Vorteile einen maximierten
Betriebswirkungsgrad einer Brennstoffzelle zusammen mit daraus abgeleiteten
Vorteilen bezüglich
einer Minimierung der Querschnittsfläche des Brennstoffzellensystems
vor. Es sei angemerkt, dass die "Dicke" der hydrophoben Lage 324 und
hydrophilen Lage 326 über
die Ebene nicht so gleichmäßig sein
muss, wie in den 3-5 gezeigt
ist. Der Schlüsselteil
der vorliegenden Erfindung ist das spezifische Aufbringen hydrophober
und hydrophiler Eigenschaften über
die Ebene und durch die Ebene der Gasdiffusionsmedien hindurch,
wie in 7 gezeigt ist, um eine optimale Feuchtigkeit in
der Ebene und durch die Ebene der Gasdiffusionsmedien sicherzustellen.
Die Begriffe hydrophob und hydrophil, die hier verwendet sind, sind
relative Begriffe und werden relativ zueinander verwendet. Beispielsweise
zeigt 7 einen Bereich mit niedrigster Hydrophobie, der
in dem darstellenden Schaubild so gezeigt ist, dass er sich dem
hydrophilen annähert.
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Die
Art und Weise, in der die hydrophobe Lage 324 funktioniert,
um den Feuchtigkeitsfluss in der Ebene auszugleichen, ist in 5 gezeigt,
die eine planare Ansicht entlang der Grenzfläche zwischen der hydrophoben
Lage 324 und der hydrophilen Lage 326 zeigt. Die
Schattierung von 5 (von oben nach unten) zeigt
eine konzeptartige Charakterisierung eines Feuchtigkeitsflusses über diesen
planaren Bereich. Zusätzliche
Wasserströmungskanäle 330 können Wasser
zu der Gruppierung von Durchgängen 328 zuführen. Die
hydrophobe Beschaffenheit der Lage 324 erlaubt eine Feuchtigkeitsmassenübertragung,
die sich aus einem Massendiffusitätstransport angesichts der
Feuchtigkeitskonzentrationsunter schiede (symbolisch dargestellt
zu einem beispielhaften Zeitpunkt im Betrieb durch variierende Schattierungsdichte)
zwischen einem planaren Gebiet mit relativ hoher Feuchtigkeitskonzentration
(allgemein durch die dunklere Schattierung 332 an dem oberen
Bereich der Figur gezeigt) und einem planaren Gebiet mit relativ
niedriger Feuchtigkeitskonzentration (allgemein durch die hellere
Schattierung 334 an dem unteren Bereich der Figur gezeigt)
ableitet. Eine Massenübertragung
von Feuchtigkeit über
den planaren Bereich der hydrophoben Lage 324 bringt daher
den Feuchtigkeitsfluss über
die Ebene des Gasdiffusionsmediums in Ausgleich und sieht schließlich eine
ausgeglichene Befeuchtung der Protonenaustauschmembran 312 vor.
Die Unterschiede in der Feuchtigkeitskonzentration zwischen einem Gebiet 332 mit
relativ hoher Feuchtigkeitskonzentration und einem Gebiet 334 mit
relativ niedriger Feuchtigkeitskonzentration sind als ein Feuchtigkeitsungleichgewicht
zu einem beispielhaften Zeitpunkt dargestellt und leiten sich aus
lokalen Unterschieden der Wasserzugabe über den Kapillarmechanismus 322,
der Wassererzeugung in den Oxidations-Reduktions-Reakionen der MEA 310 und/oder einer
Wasserverdunstung in die Reaktandengase ab. Es sei zu dem Vorhergehenden
angemerkt, dass ein stationärer
Betrieb der Brennstoffzelle, die die vorliegende Erfindung umfasst,
eine im Wesentlichen ausgeglichene Feuchtigkeitskonzentration über den
planaren Bereich erreicht.
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Die
Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist lediglich beispielhafter
Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee
der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung
anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung von
dem erfinderischen Gedanken wie auch dem Schutzumfang der Erfindung
zu betrachten.