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Hintergrund der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steigern der Stabilität von Endzellen in einem Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Derartige gattungsgemäße Gegenstände sind aus der
US 2005/0238943 A1 bekannt geworden.
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Ferner beschreibt die
US 2008/0113243 A1 einen Brennstoffzellenstapel, bei dem die Diffusionsmedien der Endzellen hinsichtlich ihrer Faserausrichtung anders orientiert sind als die Diffusionsmedien der anderen Zellen, was zur Folge hat, dass die Diffusionsmedien der Endzellen weniger stark in die zugehörigen Strömungskanäle eindringen als die Diffusionsmedien der anderen Zellen.
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Wasserstoff ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum effizienten Erzeugen von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode erhält Wasserstoff und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen bewegen sich durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht den Elektrolyten passieren und werden daher zum Erbringen von Arbeit durch eine Last geleitet, bevor sie zur Kathode zurückgeleitet werden.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, vom engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sind eine gängige Brennstoffzelle bei Fahrzeugen. Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine Protonen leitende Festpolymer-Elektrolytmembran, beispielsweise eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anode und Kathode umfassen üblicherweise fein verteilte katalytische Partikel, für gewöhnlich Platin (Pt), die von Kohlenstoffpartikeln getragen werden und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination aus der katalytischen Mischung der Anode, der katalytischen Mischung der Kathode und der Membran bildet eine Membranelektrodenanordnung (MEA, vom engl. Membrane Electrode Assembly).
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In einem Brennstoffzellenstapel werden zum Erzeugen der Sollleistung üblicherweise mehrere Brennstoffzellen kombiniert. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsreaktandengas, üblicherweise einen mittels eines Verdichters durch den Stapel zwangsweise geleiteten Luftstrom. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff aufgebraucht, und ein Teil der Luft wird als Kathodenabgas ausgestoßen, das Wasser als Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel erhält auch ein Anoden-Wasserstoffreaktandengas, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel enthält auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
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Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen den mehreren MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen im Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die das Anodenreaktandengas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Kathodengasströmungskanäle sind an der Kathodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die das Kathodenreaktandengas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie zum Beispiel Edelstahl, oder einem leitenden Verbundstoff. Die Endplatten leiten den von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
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Die Membran in einer Brennstoffzelle muss eine gewisse relative Feuchtigkeit aufweisen, damit der Innenwiderstand über der Membran zum effektiven Leiten von Protonen niedrig genug ist. Diese Befeuchtung kann aus dem Stapelwassernebenprodukt oder externer Befeuchtung stammen. Das Strömen des Reaktandengases durch die Strömungskanäle hat eine austrocknende Wirkung auf die Membran, am erkennbarsten an einem Einlass der Strömungskanäle. Ferner könnte das Sammeln von Wassertropfen in den Strömungskanälen von der Membranhydratation und dem Wassernebenprodukt ein Strömen von Reaktandengas dadurch verhindern und einen Ausfall der Zelle hervorrufen, wodurch die Stapelstabilität beeinträchtigt wird. Das Sammeln von Wasser in den Reaktandenströmungskanälen ist insbesondere bei niedrigen Stapelausgangslasten störend.
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Die Endzellen in einem Brennstoffzellenstapel weisen typischerweise infolge von Zellenstabilität eine schwächere Leistung als die anderen Zellen in dem Stapel auf. Insbesondere sind die Endzellen Umgebungstemperatur stärker ausgesetzt und weisen somit einen Temperaturgradienten auf, der sie infolge von Konvektionswärmeverlusten bei niedrigerer Temperatur arbeiten lässt. Da die Endzellen typischerweise kühler als die anderen Zellen in dem Stapel sind, kondensiert Wasserdampf leichter zu flüssigem Wasser, so dass die Endzellen eine höhere relative Feuchte aufweisen, was in den Strömungskanälen der Endzellen ein leichteres Ausbilden von Wassertropfen hervorruft. Ferner ist bei niedrigen Stapellasten die Temperatur des Kühlfluids verringert, was die Temperatur des Stapels senkt und typischerweise die relative Feuchte des Reaktandengasstroms anhebt.
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Die Endzellenstabilität kann durch das folgende Beispiel veranschaulicht werden. Ein Brennstoffzellenstapel kann bei einer bestimmten Stromdichte, beispielsweise 0,6 A/cm2, arbeiten, was eine Zellenspannung von 0,7 Volt erzeugt. Die Strömrate des Reaktandengases durch die Reaktandengasströmungskanäle zum Erzeugen dieser Stromdichte reicht aus, um gesammeltes Wasser in den Strömungskanälen aus den Strömungskanälen heraus zu drängen. Wenn die Stromdichte des Stapels auf 0,1 A/cm2 reduziert wird, beispielsweise bei Fahrzeugleerlauf, steigt die Zellenspannung auf etwa 0,85 Volt an und die Strömrate des Reaktandengases durch die Strömungskanäle ist wesentlich verringert. Da die Endzellen eine niedrigere Temperatur aufweisen, kondensiert mehr Wasser in den Endzellen-Strömungskanälen, was die Kanalblockierung verstärkt. Da die Kanäle mit Wasser blockiert werden können, kann das Reaktandengas zu den Strömungskanälen anderer Brennstoffzellen umgeleitet werden, was die elektrische Spannung der Endzellen instabil werden lässt.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Endzellen mit Widerstandsheizelementen zu beheizen, die zwischen der Unipolarplatte und der MEA angeordnet sind, um Konvektionswärmeverluste auszugleichen.
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Diese bekannten Systeme versuchten typischerweise, die Endzellentemperatur gleich wie in den anderen Zellen im Stapel zu halten, indem sie die Temperatur des Kühlfluids aus dem Stapel heraus überwachten. Die Endzellenstabilität ist aber auch bei Hinzufügen solcher Heizelemente immer noch ein Problem.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, zumindest eine Realisierung anzugeben, mit der sich Kanalblockierungen von Endzellen eines Brennstoffzellenstapels infolge von Kondensat vermeiden lassen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellenstapel offenbart, der ein Gasdiffusionsmedium für die Endzellen in dem Stapel umfasst, das weniger Eindringen in die Strömungsfeldkanäle der Endzellen als die anderen Zellen aufweist, um die Strömrate durch die Strömungskanäle in den Endzellen im Verhältnis zu der Strömrate durch die Strömungskanäle in den anderen Zelle zu steigern. In den Endzellen kann ein anderes Diffusionsmedium als in den nominellen Zellen verwendet werden, wobei das Endzellen-Diffusionsmedium aufgrund von Diffusionsmedieneigenschaften, beispielsweise Aufweisen eines höheren Elastizitätsmoduls, eines höheren Schermoduls, einer geringeren Komprimierbarkeit, etc., weniger Kanaleindringen aufweist. Ferner könnte in den Endzellen das gleiche Diffusionsmedium wie in den nominellen Zellen verwendet werden, die Endzellen-Diffusionsmedienschichten könnten aber dünner als die Diffusionsmedienschichten der nominellen Zellen sein, was ein verringertes Strömungskanaleindringen vorsieht. Weiterhin kann für das Diffusionsmedium in den Endzellen ein höherer Betrag an Vorkomprimierung verwendet werden.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Querschnittansicht einer Reihe von Endzellen in einem Brennstoffzellenstapel;
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2 ist eine Kurvendarstellung mit einer Zunahme des hydraulischen Durchmessers an der horizontalen Achse und einer Strömratenzunahme in Endzellen an der vertikalen Achse, wobei eine Zunahme des Reaktandengasstroms in den Endzellen eines Brennstoffzellenstapels mit verschiedenen Zunahmen des hydraulischen Durchmessers gezeigt wird; und
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3 ist eine Kurvendarstellung mit Diffusionsmedienmaterial an der horizontalen Achse und Diffusionsmedienkanaleindringen an der vertikalen Achse.
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Eingehende Beschreibung der Ausführungsformen
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Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Brennstoffzellenstapel mit einem Gasdiffusionsmedium für die Endzellen in dem Stapel gerichtet sind, das ein verringertes Eindringen in die Strömungsfeldkanäle aufweist, um die Strömrate durch die Strömungskanäle in den Endzellen im Verhältnis zur Strömrate durch die Strömungskanäle in den anderen Zellen zu verstärken, ist lediglich beispielhafter Natur.
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1 ist eine Querschnittansicht einer Reihe von Endzellen 10 in einem Brennstoffzellenstapel der vorstehend erläuterten Art. Die Anzahl an Endzellen, die von der Erfindung profitieren würde, hängt von der jeweiligen Stapelauslegung ab und würde typischer bei bis zu fünf Brennstoffzellen liegen. Vier der Endzellen 10 werden in 1 gezeigt. Jede Brennstoffzelle 10 umfasst eine Kathodenseite 12 und eine Anodenseite 14, die durch eine Polymerelektrolytmembran 16 getrennt sind. An der Kathodenseite 12 ist eine kathodenseitige Diffusionsmedienschicht 20 vorgesehen, und zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 20 ist eine kathodenseitige Katalysatorschicht 22 vorgesehen. Analog ist an der Anodenseite 14 eine anodenseitige Diffusionsmedienschicht 24 vorgesehen, und zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmedienschicht 24 ist eine anodenseitige Katalysatorschicht 26 vorgesehen. Die Katalysatorschichten 22 und 26 sowie die Membran 16 bilden eine MEA. Die Diffusionsmedienschichten 20 und 24 sind poröse Schichten, die Eingangsgastransport zu und Wassertransport von der MEA vorsehen. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Methoden zum Abscheiden der Katalysatorschichten 22 und 26 auf den Diffusionsmedienschichten 20 bzw. 24 oder auf der Membran 16 bekannt.
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An der Kathodenseite 12 ist eine kathodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 28 vorgesehen, und an der Anodenseite 14 ist eine anodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 30 vorgesehen. Die Bipolarplatten 28 und 30 sind zwischen den Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Ein Wasserstoffreaktandengasstrom von den Strömungskanälen 32 in der Bipolarplatte 30 reagiert mit der Katalysatorschicht 26, um die Wasserstoffionen und -elektronen abzuspalten. Der Reaktandengasstrom von den Strömungskanälen 34 in der Bipolarplatte 28 reagiert mit der Katalysatorschicht 22. Die Wasserstoffionen können sich durch die Membran 16 ausbreiten, wo sie den Ionenstrom durch die Membran 16 befördern. Das Endprodukt ist Wasser, das keine negative Auswirkung auf die Umwelt hat.
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In dieser nicht einschränkenden Ausführungsform umfasst die Bipolarplatte 28 zwei gestanzte Bleche 36 und 38, die zusammengeschweißt sind. Das Blech 38 bildet die Strömungskanäle 34 und das Blech 36 bildet die Strömungskanäle 40 für die Anodenseite einer der Brennstoffzelle 10 benachbarten Brennstoffzelle. Zwischen den Blechen 36 und 38 sind wie gezeigt Kühlfluid-Strömungskanäle 42 vorgesehen. Analog umfasst die Bipolarplatte 30 ein Blech 44, das die Strömungskanäle 32 ausbildet, sowie ein Blech 46, das Strömungskanäle 48 für die Kathodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle ausbildet. Zwischen den Blechen 44 und 46 sind wie gezeigt Kühlfluid-Strömungskanäle 50 vorgesehen. Die Bipolarplatten 28 und 30 können aus jedem geeigneten leitenden Material bestehen, das gestanzt werden kann, beispielsweise Edelstahl, Titan, Aluminium, etc.
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine Technik zum Steigern von Endzellenleistung und Verringern von Endzelleninstabilität durch Verringern von Diffusionsmediumeindringen in die Strömungskanäle in den Endzellen für eine oder beide von Kathoden- und Anodenseite der Brennstoffzelle vor, um die Strömrate durch die Strömungskanäle im Verhältnis zur Strömrate durch die Strömungskanäle der anderen Zellen zu steigern. Da, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, das Diffusionsmediummaterial weich ist, dringt es teilweise in die Strömungskanäle ein, wenn der Stapel zusammengebaut und die Zellen zusammengepresst werden, was in der Branche als Diffusionsmediumeindringen bezeichnet wird. Dieses Strömungskanaleindringen durch das Diffusionsmedium verringert das Strömen durch den Kanal.
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Die vorliegende Erfindung erwägt verschiedene Techniken zum Verringern des Diffusionsmediumeindringens in die Strömungskanäle in den Endzellen, um die Strömrate des Reaktandengases durch die Strömungskanäle in den Endzellen im Verhältnis zur Strömrate des Reaktandengases durch die Strömungskanäle in den anderen oder nominellen Zellen zu steigern. In den Endzellen kann ein anderes Diffusionsmedium als in den nominellen Zellen verwendet werden, wobei das Endzellen-Diffusionsmedium infolge von Diffusionsmedieneigenschaften wie Aufweisen eines höheren Elastizitätsmoduls, eines höheren Schermoduls, einer niedrigeren Komprimierbarkeit etc. weniger Kanaleindringen aufweist. Der Elastizitätsmodul kann durch einen Drei-Punkt-Biegetest ermittelt werden, der Schermodul kann durch einen Querschertest ermittelt werden und ein Kompressionstest kann in der Dickenrichtung ausgeführt werden. Ferner könnte in den Endzellen das gleiche Diffusionsmedium wie in den nominellen Zellen verwendet werden, die Endzellen-Diffusionsmediumschichten könnten aber dünner als die Diffusionsmediumschichten der nominellen Zellen sein, was ein verringertes Strömungskanaleindringen vorsieht. Ferner kann für das Diffusionsmedium in den Endzellen ein höherer Betrag an Kompression vorgesehen werden. Es wurde im Stand der Technik bereits vorgeschlagen, das Diffusionsmedium zu komprimieren, bevor es in dem Stapel eingebaut wird, um eine bessere Dickengleichmäßigkeit der Diffusionsmediumschicht vorzusehen. Die Vorkompression bezeichnet ein Vorgehen zum Komprimieren des Gasdiffusionsmediums in der Dickenrichtung, um höhere Dichte zu erreichen. Das Verfahren der Vorkompression kann das Anlegen einer gleichmäßigen statischen oder dynamischen Druckbelastung über der Ebene des Gasdiffusionsmediums und das Kalendern des Gasdiffusionsmediums durch die Walzenspalte von Kalanderwalzen umfassen, ist aber nicht hierauf beschränkt.
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Zum Schätzen der Wirkung des Eindringens von Gasdiffusionsmedium in die Strömungsfeldkanäle auf die Strömungsverteilung kann ein Modell verwendet werden, das auf der Hagan-Poiseuille-Gleichung für unkomprimierbare laminare Strömung und zylindrisches Rohr beruht. Diese Gleichung ist gegeben als:
wobei P der Reaktandendruck ist, μ die Reaktandenviskosität ist, D der hydraulische Durchmesser des Strömungskanals ist und U
avg die mittlere Geschwindigkeit des durch den Strömungskanal strömenden Gases ist.
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Der Einfachheit halber wird angenommen, dass ein einzelner Kanal jede Endzelle darstellt. Im Fall einer gleichmäßigen Strömung und Druckverteilung sowohl im Einlass- als auch Auslassverteiler kann der Brennstoffzellenstapel durch eine Reihe von n parallelen Zellen der gleichen Länge mit einem gewissen hydraulischen Solldurchmesser D und einer Sollströmungsrate pro Kanal Q dargestellt werden. Daher haben alle Brennstoffzellen den gleichen Druckabfall von:
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Infolge des verringerten Eindringens von Gasdiffusionsmedium in die Strömungsfeldkanäle nimmt der hydraulische Durchmesser D in jeder der m Endzellen verglichen mit den nominellen Zellen um ΔD zu. In diesem Fall nimmt die Strömung durch jede der Endzellen um einen Betrag ΔQ zu. Da das System eine konstante Strömrate aufrechterhält, wird der gesamte Betrag der Strömratenzunahme in den Endzellen (mΔQ) durch die verbleibenden n–m Zellen vorgesehen. Vorausgesetzt, dass der Druckabfall in den nominellen Zellen und den Endzellen immer noch gleich ist und die Änderung des hydraulischen Kanaldurchmessers D der Endzellen relative klein ist, kann die folgende Gleichung vorgesehen werden:
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Durch Dividieren der Gleichung (3) durch
und Substituieren von
δ = ΔQ / Q und ε = ΔD / D kann die Gleichung (3) in einer dimensionslosen Form umgeschrieben werden als:
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Durch Lösen von Gleichung (4) für δ kann die vermehrte Strömung in den Endzellen als Prozentsatz der nominell erwarteten Strömung erhalten werden als:
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Gleichung (5) wird in 2 für einen Brennstoffzellenstapel mit 200 Zellen dargestellt. Die vermehrte Strömung in den Endzellen kann mühelos durch die verbleibenden 200-m Zellen vorgesehen werden, was zu einer signifikanten Zunahme der Endzellenströmraten führt. Anhand dieses Diagramms wurde entdeckt, dass eine geringfügige Zunahme des hydraulischen Durchmessers D von 5% in der Endzelle ohne Weiteres eine relativ große Zunahme der Strömrate von 21% erzeugen kann. Ferner kann eine Zunahme des hydraulischen Durchmessers D von 10% eine Zunahme der Endzellenströmrate von 46% vorsehen.
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Unter Verwendung von Gleichung (5) und 2 für ein Strömungsfeld mit einer Kanaltiefe von 0,25 mm und einer Kanalbreite von 1,0 mm unter Verwendung eines SGL25BC Gasdiffusionsmediums mit einem Solleindringen von Gasdiffusionsmedium von 0,05 mm wurde entdeckt, dass zum Erreichen einer Strömratenzunahme von 20% nur das Verwenden eines Gasdiffusionsmediums mit Kanaleindringen von 0,04 mm erforderlich wäre.
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3 zeigt das Kanaleindringen von Gasdiffusionsmedium für verschiedene Gasdiffusionsmedien. Mit Hilfe dieses Diagramms kann ein bestimmtes Diffusionsmedium zum Erfüllen der Sollströmungseigenschaften beruhend auf der vorstehenden Beschreibung gewählt werden. In 3 werden die Balken von links nach rechts durch die folgenden Diffusionsmedienmaterialien der Reihenfolge nach dargestellt.
- Toray TGP-H-060
- Toray TGP-H-090
- SGL GDL 20BC
- SGL GDL 21BC
- SGL GDL 25BC
- Mitsibushi Rayon MRC 105
- Ballard AvCarb P50
