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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft Brennstoffzellenstapel und insbesondere
Verfahren zur Optimierung von Diffusionsmedien für Brennstoffzellenstapel
mit räumlich variierendem Stofftransportwiderstand.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
elektrochemische Brennstoffzelle ist als eine reine, effiziente
und umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge
und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Ein Beispiel der
Brennstoffzelle ist die Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle.
Die PEM-Brennstoffzelle besitzt eine Membranelektrodenanordnung
(MEA), die typischerweise einen dünnen Festpolymermembranelektrolyt
aufweist, der zwischen Anoden- und Kathodenschichten angeordnet
ist. Die Anoden- und Kathodenschichten umfassen typischerweise fein geteilten
Katalysator, gewöhnlich Platin (Pt), der auf Kohlenstoffpartikeln
getragen und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Anoden- und Kathodenschichten werden
manchmal als Katalysatorschichten (KL) bezeichnet. Die MEA der PEM-Brennstoffzelle
ist unter feuchten Bedingungen typischerweise durch eine verbesserte
Protonenleitfähigkeit gekennzeichnet. Für einen
effektiven Betrieb der MEA sind allgemein ein richtiges Wassermanagement
sowie eine richtige Befeuchtung erforderlich.
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Die
Haltbarkeit der MEA hängt stark von dem Hydratationsstatus
der in der MEA verwendeten Polymerelektrolytmembran ab. Die MEA
wechselt bei typischen Betriebsbedingungen bzw. -zuständen
zwischen relativ feuchten und relativ trockenen Bedingungen. Diese
Membranhydratationszyklen sind insbesondere bei Brennstoffzellenstart-
und -abschaltbetriebsabläufen und in dem Fall vorherrschend, wenn
die Leistungsanforderung während des Betriebs der Brennstoffzelle
schwankt. Eine der Folgen des Hydratationswechsels ist eine Langzeitverringerung
der mechanischen Haltbarkeit der MEA.
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Die
MEA ist allgemein zwischen einem paar poröser leitender
Materialien angeordnet, die auch als Gasdiffusionsmedium (GDM) bekannt
sind, das eine multifunktionale Rolle in PEM-Brennstoffzellen ausführt.
Beispielsweise verteilt das GDM gasförmige Reaktanden,
wie Wasserstoff- und Sauerstoff/Luft, an die Anoden- und Kathodenschichten. Das
GDM leitet Elektronen und überträgt an der MEA erzeugte
Wärme an ein Kühlmittel. In Bezug auf ein Wassermanagement
der Brennstoffzelle transportiert das GDM durch die elektrochemische
Brennstoffzellenreaktion erzeugtes Wasser von der PEM weg. Die Wassermanagementfähigkeit
des GDM ist gegenüber jeglicher Optimierung der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
kritisch. Oftmals umfasst das GDM eine mikroporöse Schicht
(MPL), die eine Übergangsschicht zwischen den MEA-Elektroden
und dem GDM bereitstellt. Die MPL unterstützt ferner einen
Wassertransport von der MEA.
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Ein
geeignetes GDM hält bei trockenen Betriebsbedingungen aus
Gründen einer effektiven Protonenleitfähigkeit
eine Membranelektrolythydratation aufrecht und entfernt zugleich überschüssiges
Wasser während feuchter Betriebsbedingungen, wodurch einem
Fluten der Brennstoffzelle entgegengewirkt wird.
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Wie
es in der Technik bekannt ist, kann ein GDM mit einem räumlich
variierenden Stofftransportwiderstand zum Wassermanagement in elektrochemischen
Brennstoffzellen verwendet werden. Wie in dem
U.S. Patent Nr. 6,933,067 von Kawahara
et al. beschrieben ist, kann eine Diffusionsschicht in mehrere Abschnitte
unterteilt werden, die einen oberstromigen Abschnitt und einen unterstromigen
Abschnitt aufweisen. Der oberstromige Abschnitt besitzt eine Struktur,
um ein Austrocknen der Brennstoffzelle zu verhindern, und der unterstromige
Abschnitt besitzt eine Struktur, um ein Fluten der Brennstoffzelle
zu verhindern. Die U.S. Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer
2005/0026018 von O'Hara et al. offenbart ein Diffusionsmedium und
ein Schema für räumlich variierende Parameter
des Diffusionsmediums, um Probleme in Verbindung mit einem Wassermanagement
zu berücksichtigen. Johnson et al., in dem
europäischen Patent Nr. 0846347 und
dem
U.S. Patent Nr. 5,840,438 berichtet
Anoden- und Kathodensubstrate mit einer in der Ebene befindlichen,
ungleichförmigen Struktur, die einen gesteuerten Transport
von Recktand in Richtung einer Elektrokatalysatorschicht und einen
gesteuerten Transport von Wasser weg von der Elektrokatalysatorschicht
ermöglicht.
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Es
existiert ein fortwährender Bedarf nach einem Verfahren
zur Auswahl von Diffusionsmedien mit räumlich variierendem
Diffusionswiderstand und zur Optimierung von Betriebsbedingungen
für Brennstoffzellen für einen gewünschten
Kraftfahrzeug-Fahrzyklus. Es ist auch ein Verfahren erwünscht,
das eine minimierte relative Einlassfeuchte (RF) zulässt,
einen trockeneren Betrieb der Brennstoffzelle sowie eine Verwendung
von Elektrolytmembranen mit einer hohen Leitfähigkeit für
eine gegebene RF-Empfindlichkeit ermöglicht und eine Gefrierleistungsfähigkeit
wie auch Haltbarkeit verbessert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Offenbarung ist überraschend ein Verfahren
zur Auswahl von Diffusionsmedien mit räumlich variierendem Diffusionswiderstand,
zur Optimierung von Betriebsbedingungen für Brennstoffzellen
für einen gewünschten Kraftfahrzeug-Fahrzyklus
sowie zur Verbesserung einer Brennstoffzellenleistungsfähigkeit wie
auch -haltbarkeit entdeckt worden.
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Bei
einer Ausführungsform ist ein Verfahren zur Auswahl eines
Brennstoffzellen-Diffusionsmediums mit einem räumlich variierenden
Stofftransportwiderstand beschrieben. Das Verfahren umfasst die Schritte:
a) Identifizieren i) mehrerer Betriebsbedingungen für eine
Brennstoffzelle in einem Fahrzeug, wobei die mehreren Betriebsbedingungen
einen Basisbetriebszustand aufweisen, ii) zumindest einer Brennstoffzellenvariable,
die mit der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit korreliert,
und iii) eines Sollbereichs der zumindest einen Brennstoffzellenvariable; b)
Bestimmen zumindest eines Basisvariablenprofils für die
Brennstoffzelle; c) Bereitstellen eines D/Deff-Profils eines ersten
Durchgangs für das Brennstoffzellendiffusionsmedium; d)
Anwenden des D/Deff-Profils des ersten Durchgangs auf ein Berechnungsmodell
der Brennstoffzelle, die das Basisvariablenprofil aufweist; e) Berechnen
zumindest eines Variablenprofils des ersten Durchgangs resultierend aus
dem Anwenden des D/Deff-Profils des ersten Durchgangs an das Berechnungsmodell;
f) Vergleichen des Variablenprofils des ersten Durchgangs mit dem
Sollbereich der Variable; g) Verfeinern des D/Deff-Profils des ersten
Durchgangs, wenn die Variable des ersten Durchgangs nicht innerhalb
des Sollbereiches liegt, und Wiederholen der Schritte d) bis f) solange,
bis das Variablenprofil des ersten Durchgangs innerhalb des Sollbereiches
liegt, wobei ein D/Deff-Profil eines zweiten Durchgangs bereitgestellt wird;
h) Bestimmen mehrerer Variablenprofile des zweiten Durchgangs mit
dem D/Deff-Profil des zweiten Durchgangs; i) Vergleichen einer relativen
Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle mit dem Variablenprofil
des zweiten Durchgangs und dem Variablenprofil des ersten Durchgangs;
und j) Verfeinern des D/Deff-Profils des ersten Durchgangs, wenn
die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle mit dem Variablenprofil
des zweiten Durchgangs weniger geeignet ist, als die Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle mit dem Variablenprofil des ersten Durchgangs,
und Wiederholen der Schritte d) bis i) solange, bis die Brennstoffzelle
mit dem Variablenprofil des zweiten Durchgangs eine überlegene
Brennstoffzellenleistungsfähigkeit besitzt, wobei ein effektives
D/Deff-Profil für das Brennstoffzellendiffusionsmedium
vorgesehen ist.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform umfassen die Schritte zum
Bestimmen der Variablenprofile des ersten Durchgangs und des zweiten
Durchgangs ein Berechnen der Variablenprofile mit einem Berechnungsmodell.
Die Schritte eines Bestimmens der Variablenprofile des ersten Durchgangs
und des zweiten Durchgangs können auch ein Einrichten der Brennstoffzelle
mit D/Deff-Profilen des ersten Durchgangs und des zweiten Durchgangs
und ein Messen der Variablenprofile des ersten Durchgangs und des zweiten
Durchgangs umfassen.
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ZEICHNUNGEN
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Die
obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden
dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung und insbesondere
angesichts der hier beschriebenen Zeichnungen leichter offensichtlich.
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1 ist
eine schematische Explosionsdarstellung einer Brennstoffzelle gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist
ein Flussdiagramm, das eine illustrative Abfolge von Schritten zur
Bestimmung eines optimalen D/Deff-Profils eines Diffusionsmediums
für einen Satz von Kraftfahrzeugbetriebsbedingungen zeigt;
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3 ist
ein Schaubild, das einen illustrativen effektiven Stofftransportwiderstand
(D/Deff) eines Brennstoffzellen-GDM zeigt, wobei der Stofftransportwiderstand
von dem Kathodeneinlass zu dem Kathodenauslass abnimmt;
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4 ist
ein Diagramm, das eine illustrative RF-Verteilung an der Kathoden-MPL-KL-Schnittstelle entlang
einer Länge einer Brennstoffzelle mit einem Diffusionsmedium,
wie in 3 gezeigt ist, zeigt;
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5 ist
ein Diagramm, das eine illustrative Stromdichteverteilung entlang
einer Länge einer Brennstoffzelle mit einem Diffusionsmedium,
wie in 3 gezeigt ist, zeigt; und
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6 ist
ein Diagramm, das ein illustratives Potential einer Brennstoffzelle
mit einem Diffusionsmedium, wie in 3 gezeigt
ist, zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht
dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder den vorliegenden
Gebrauch zu beschränken. Es sei auch zu verstehen, dass
entsprechende Bezugszeichen in allen Zeichnungen gleiche oder entsprechende
Teile und Merkmale angeben. In Bezug auf die offenbarten Verfahren
sind die dargestellten Schritte beispielhafter Natur und somit nicht
notwendig oder kritisch.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist eine illustrative Brennstoffzelle 2 vorgesehen.
Ein Fachmann kann erkennen, dass innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden
Offenbarung auch andere Brennstoffzellenkonstruktionen verwendet
werden können. In der Praxis ist die Brennstoffzelle 2 in
einem Stapel vorgesehen, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen 2 aufweist,
die in elektrischer Reihe verschaltet sind, um eine gewünschte
Menge an elektrischer Leistung, beispielsweise eine Menge bereitzustellen,
die ausreichend ist, um ein Elektrofahrzeug zu betreiben.
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Die
illustrative Brennstoffzelle 2 umfasst eine Membranelektrodenanordnung
(MEA) 10. Die MEA 10 umfasst eine Polymerelektrolytmembran 12 wie auch
eine Anode 14 und eine Kathode 16, die auf entgegengesetzten
Seiten, bekannt als die Anodenseite bzw. die Kathodenseite, der
Membran 12 angeordnet sind. Die Brennstoffzelle 2 umfasst
Diffusionsmedien 20, die auf entgegengesetzten Seiten der MEA 10 angeordnet
sind. Die Gasdiffusionsmedien 20 umfassen zumindest ein
Gasdiffusionsmedium (GDM) 30. Bei einer spezifischen Ausführungsform umfasst
das GDM 30 ein Substrat 32 mit einer darauf angeordneten
mikroporösen Schicht 34. Die Gasdiffusionsmedien 20 können
auch zumindest eine Dampfbarriereschicht 40 aufweisen,
die auf entgegengesetzten Seiten der MEA 10 ange ordnet
ist. Die Dampfbarriereschicht 40 kann einteilig mit der
MEA 10 ausgebildet sein, kann die MEA 10 umhüllen
und kann zwischen der MEA 10 und dem GDM 30 angeordnet
oder an der MEA 10 und/oder dem GDM 30 befestigt
sein. Die Brennstoffzelle 2 weist auch einen ersten und
zweiten Strömungsfeldabschnitt 50 auf, die auf
entgegengesetzten Seiten der MEA 10 definiert sind. Die
Strömungsfeldabschnitte 50 sind beispielsweise
an einer Fläche einer Unipolar- oder Bipolarplatte (nicht
gezeigt) einer Brennstoffzelle ausgebildet.
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Die
Begriffe "Diffusionsmedien" und "Diffusionsmedium", wie hier verwendet
ist, umfassen allgemein das GDM 30, die Dampfbarriereschicht 40 sowie
beliebige andere Schichten, die zwischen der MEA 10 und
dem Strömungsfeld 50 angeordnet sind und die üblicherweise
in Brennstoffzellen zur Gasverteilung, zum Flüssigwassermanagement
wie auch zum Elektronentransport verwendet sind.
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Die
MEA 10 kann durch Transport von Wasser von einem befeuchteten
Gasstrom in den Reaktandengaskanälen des Strömungsfeldes 50 hydratisiert
werden. Zusätzlich kann die MEA 10 durch eine an
der Kathode 16 erzeugte Wassermenge befeuchtet werden.
Wenn die Reaktandengasströmung eine geringere Feuchte als
die MEA 10 besitzt, kann Wasser von der MEA 10 durch
die Diffusionsmedien 20 an Kanäle in den Strömungsfeldern 50 transportiert werden,
was in einer Dehydratation der MEA 10 resultiert.
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft ein Wassermanagement der Brennstoffzelle 2 durch
Reduzierung oder Optimierung einer Variation des Wassergehalts der
MEA 10 zwischen Hydratations- und Dehydratationszuständen
oder durch Reduzierung einer Rate an Dehydratation und Hydratation
durch Steuerung eines Stofftransportwiderstandes, auch bekannt als
Stoffübertragungskoeffizient (MTC), der Materialien zwischen
der MEA 10 und den Strömungsfeldern 50.
Insbesondere umfasst die vorliegende Offenbarung eine räumliche
Variation des MTC der Diffusionsmedien 20. Es sei angemerkt, dass
der MTC durch Mittel räumlich variiert werden kann, die
dem Fachmann verfügbar sind, und die Verfahren zum Variieren
des MTC können nach Bedarf gewählt werden.
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Der
hier verwendete Begriff MTC bezeichnet das Verhältnis des
freien Diffusionskoeffizienten gegenüber dem effektiven
Diffusionskoeffizienten, wie durch die folgende Gleichung definiert
ist:
wobei h die Dicke des GDMs
20 oder
der Dampfbarriereschicht
30 ist; D die freie Diffusivität
bzw. das freie Diffusionsvermögen in der Gasphase ist;
und Deff die effektive Diffusivität in den Diffusionsmedien
20 ist.
Wenn der MTC zunimmt, nimmt die Rate des Dampftransports ab, was
in einer reduzierten Änderungsrate der Hydratation/Dehydratation
der MEA
10 resultiert, wenn Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle
2 variieren.
Das Verhältnis von D/Deff wird als eine Materialeigenschaft
betrachtet, die eine Funktion der Porosität, der Tortuosität
bzw. Gewundenheit wie auch der Porengrößenverteilung
der Diffusionsmedien
20 ist.
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Es
sei angemerkt, dass die Physik, die den MTC bestimmt, die Diffusion
von Wasserdampf durch die Diffusionsmedien 20 ist. Die
Diffusion von Wasserdampf wird durch einen Konzentrationsgradienten des
Wasserdampfs durch die Dicke der Diffusionsmedien 20 angetrieben.
Es sei ferner angemerkt, dass die Diffusionseigenschaft von der
Permeabilität wesentlich verschieden ist. In der Physik
der Permeation wird Wasser durch Konvektion durch die Diffusionsmedien 20 transportiert.
Die Konvektion wird durch einen Druckgradienten durch die Dicke
der Diffusionsmedien 20 angetrieben. In der Brennstoffzelle 2 ist
der Druckgradient von den Gasströmungskanälen
zu der MEA 10 minimal, und der Wassertransport wird stattdessen
durch die Diffusion von Wasserdampf durch die Diffusionsmedien 20 bestimmt.
Die Diffusion von Wasserdampf steht direkt in Verbindung mit dem
hier definierten MTC und ist in der Technik bekannt.
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Bei
Untersuchungen der Brennstoffzelle
2 wird üblicherweise
der Sauerstofftransport dazu verwendet, D/Deff zu erhalten. Wie
es dem Durchschnittsfachmann bekannt ist, kann die freie Sauerstoffdiffusivität
D
O2 leicht mit einer bekannten Gaszusammensetzung
berechnet werden. Andererseits kann die effektive Sauerstoffdiffusivität
D
eff,O2 nur experimentell ermittelt werden.
Wie für den Fachmann zu verstehen ist, stellt ein Grenzstromverfahren
den gängigsten experimentellen Test dar, um eine effektive
Sauerstoffdiffusivität zu bestimmen, das geschrieben werden
kann als:
wobei F die Faradaysche Konstante
ist; h die Dicke der gasdiffusiven Schicht ist; i
lim der
Grenzstrom ist; und CO
2 die Sauerstoffkonzentration
in dem Strömungsfeld ist. Das Grenzstromverfahren kann
in der Brennstoffzelle
2 mit einer aktiven Fläche
von 5 cm
2 und einer hohen Stöchiometrie
(Anode/Kathode) ausgeführt werden, um beispielsweise eine
gleichförmige Zellensauerstoffkonzentration bereitzustellen. Wenn
die Brennstoffzelle
2 bei einer geringen Spannung arbeitet,
beispielsweise 0,1 V, kann dann ein Grenzstrom gemessen werden.
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Ein
Sollwert des räumlich variierten MTC wird durch Einstellen
beispielsweise einer Porosität, einer Tortuosität,
einer Porengröße und/oder einer Dicke der Diffusionsmedien 20 erhalten.
Der hier verwendete Begriff "Einstellen" bezeichnet ein Erhöhen oder
Reduzieren der Porosität, Tortuosität, Porengröße,
Dicke oder von Kombinationen daraus der Diffusionsmedien 20.
Zusätzlich zum Erreichen des Soll-MTC kann ein Minimieren
der Dicke der Diffusionsmedien 20 den elektrischen Widerstand
in der Brennstoffzelle 2 reduzieren. Die Tortuosität
ist als das Quadrat des Verhältnisses der effektiven Länge von
Porenkanälen zu der Länge parallel zu der Gesamtrichtung
der Porenkanäle in den Diffusionsmedien 20 definiert.
Die Tortuosität kann experimentell durch Verwendung verschiedener
Techniken bestimmt werden, wie Leitfähigkeits- und Diffusionstechniken,
Ionendurchgangszeittechniken und Porenverteilungstechniken, wie
es dem Fachmann gut bekannt ist. Dem Fachmann sei angemerkt, dass ein
Sollwert des räumlich variierten MTC durch andere Mittel
erreicht werden kann, die innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden
Offenbarung angewendet werden können.
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Als
nicht beschrankende Beispiele können Materialien, die zur
Verwendung in den räumlich variierenden Diffusionsmedien 20 der
Offenbarung geeignet sind, Metall, kohlenstoffbasierte Materialien oder
Kombinationen daraus enthalten. Bei einer Ausführungsform
umfassen die Diffusionsmedien 20 Kohlefasern, -tafeln oder
Kombinationen daraus. Es sei zu verstehen, dass gegebenenfalls andere
geeignete Materialien verwendet werden können.
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Bei
weiteren nicht beschränkenden Beispielen umfassen Materialien,
die verwendbar sind, um die Sollwerte des räumlich variierenden
MTC zu erzeugen, Graphitflocken, Metallfolie mit Löchern
wie auch Kohlefaser oder -Partikel, die mit Binder geschichtet sind,
um die Porosität einzustellen. Typische Binder können
hydrophob sein und können Fluorpolymer, wie Polytetrafluorethylen
(PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylfluorid (PVF) und dergleichen,
Kohlenstoffpartikel, karbonisierbare wärmehärtende
Harze und Ionomere umfassen.
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Die
Diffusionsmedien 20 können variierende Dicken
besitzen, beispielsweise besitzen die Diffusionsmedien 20 eine
Dicke von bis zu 100 μm. Bei weiteren Ausführungsformen
können die Diffusionsmedien 20 mit räumlich
variierendem MTC eine Porosität zwischen etwa 20% bis etwa
70% besitzen. Bei einer anderen Ausführungsform besitzen
die Diffusionsmedien 20 mit räumlich variierendem
MTC beispielsweise eine Porengröße zwischen etwa
10 nm bis etwa 100 μm. Bei einer zusätzlichen
Ausführungsform besitzen die Diffusionsmedien 20 mit räumlich
variierendem MTC eine Tortuosität von beispielsweise zwischen
etwa 4 bis etwa 10. Es sei zu verstehen, dass Profile von Dicken,
Porosität, Tortuosität, Porengröße
und Kombinationen daraus wie auch den MTC beeinflussende Materialien
und Konstruktionen nach Bedarf dazu verwendet werden können,
den MTC der Diffusionsmedien 20 einzustellen.
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Die
vorliegende Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Auswählen
der Brennstoffzellen-Diffusionsmedien 20, die den räumlich
variierenden Stofftransportwiderstand besitzen. Insbesondere erleichtert
das Verfahren die Auswahl der geeigneten Diffusionsmedien 20 in
Bezug auf Betriebsbedingungen, die für einen Fahrzyklus
eines Kraftfahrzeugs repräsentativ sind. Somit ermöglicht
das Verfahren der Offenbarung einen Brennstoffzellenbetrieb mit
akzeptabler Leistungsfähigkeit und im Wesentlichen gleichförmiger
relativer Feuchte (RF) und Stromverteilung (CD) entlang einer Länge
der Brennstoffzelle 2 durch Bereitstellung eines Mittels
zur Auswahl eines geeigneten, räumlich variierenden MTC,
wie durch das MTC- oder D/Deff-Profil angegeben ist, für
die Kathodenseite und/oder die Anodenseite der Brennstoffzelle 2.
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Nun
Bezug nehmend auf 2 ist eine Ausführungsform
zur Auswahl der Brennstoffzellen-Diffusionsmedien 20 mit
einem räumlich variierenden Stofftransportwiderstand gezeigt.
Als ein nicht beschränkendes Beispiel umfasst ein Verfahren 200 zur Auswahl
der Brennstoffzellen-Diffusionsmedien 20 einen ersten Schritt 202 eines
Identifizierens i) mehrerer Betriebsbedingungen für die
Brennstoffzelle 2 in einem Fahrzeug, wobei die mehreren
Betriebsbedingungen einen Basisbetriebszustand umfassen, ii) zumindest
einer Brennstoffzellenvariable, die mit der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
korreliert, und iii) eines Sollbereichs der zumindest einen Brennstoffzellenvariablen.
Anschließend umfasst das Verfahren 200 einen zweiten
Schritt 204 einer Bestimmung zumindest eines Basisvariablenprofils
für die Brennstoffzelle 2. Das Verfahren 200 umfasst
ferner den dritten Schritt 206 einer Bereitstellung eines D/Deff-Profils
eines ersten Durchgangs für die Brennstoffzellen-Diffusionsmedien 20 und
einen vierten Schritt 208 eines Anwendens des D/Deff-Profils
des ersten Durchgangs an ein Berechnungsmodell der Brennstoffzelle 2,
die das Basisvariablenprofil aufweist. Bei Anwendung des D/Deff-Profils
des ersten Durchgangs an das Berechnungsmodell wird zumindest ein
Variablenprofil des ersten Durchgangs resultierend aus dem Anwenden
des D/Deff-Profils des ersten Durchgangs an das Berechnungsmodell
berechnet. Das Verfahren 200 umfasst ferner einen fünften
Schritt 210 eines Vergleichens des Variablenprofils des
ersten Durchgangs mit dem Sollbereich der Variable. Anschließend
wird das D/Deff-Profil des ersten Durchgangs in einem sechsten Schritt 212 verfeinert,
wenn die Variable des ersten Durchgangs nicht innerhalb des Sollbereichs
liegt, und die Schritte 210 bis 212 solange wiederholt,
bis das Variablenprofil des ersten Durchgangs innerhalb des Sollbereichs liegt,
wobei ein D/Deff-Profil des zweiten Durchgangs bereitgestellt wird.
Das Verfahren 200 umfasst ferner einen siebten Schritt 214 einer
Bestimmung mehrerer Variablenprofile des zweiten Durchgangs mit
dem D/Deff-Profil des zweiten Durchgangs. Bei einem achten Schritt 216 des
Verfahrens 200 wird eine relative Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle 2 mit dem Variablenprofil des zweiten
Durchgangs und dem Variablenprofil des ersten Durchgangs verglichen.
Das D/Deff-Profil des ersten Durchgangs wird dann bei Schritt 212 weiter
verfeinert, wenn die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 2 mit
dem Variablenprofil des zweiten Durchgangs weniger geeignet ist,
als die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 2 mit
dem Variablenprofil des ersten Durchgangs, und 208 bis 216 werden
solange wiederholt, bis die Brennstoffzelle 2 mit dem Variablenprofil
des zweiten Durchgangs eine überlegene Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
besitzt. Dadurch wird ein effektives D/Deff-Profil für
die Brennstoffzellen-Diffusionsmedien 20 vorgesehen. Das
Verfahren von 2 wird hier weiter beschrieben.
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Für
einen Kraftfahrzeug-Fahrzyklus können mehrere Betriebsbedingungen
für die Brennstoffzelle 2 in dem Fahrzeug repräsentativ
sein. Der Kraftfahrzeug-Fahrzyklus umfasst beispielsweise einen Brennstoffzellenstart
und Brennstoffzellenbetrieb im Fahrzeugleerlauf, bei gleichförmiger
Fahrzeuggeschwindigkeit, bei Fahrzeugbeschleunigung sowie bei Betriebsbedinungen
dazwischen. Der Kraftfahrzeug-Fahrzyklus kann auch einen Betrieb
des Fahrzeugs in verschiedenen Fahrzeugumgebungen umfassen, wie
Beschleunigung auf einer Fläche mit Gefälle. Die
Betriebsbedingungen können auch Brennstoffzellenbetriebsbedingungen
umfassen, die in der Technik bekannt sind, wie beispielsweise eine
Betriebstemperatur, eine Einlassgasfeuchte, ein Druck sowie eine
Zellenstöchiometrie (Anode/Kathode). Gegebenenfalls können
andere Betriebsbedingungen, die mit der Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle 2 in Verbindung stehen, in den mehreren
Betriebsbedingungen enthalten sein.
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Die
mehreren Betriebsbedingungen, die für einen Kraftfahrzeug-Fahrzyklus
repräsentativ sind, umfassen einen Basisbetriebszustand.
Der Basisbetriebszustand ist als ein Nennzustand gewählt,
der für den Kraftfahrzeug-Fahrzyklus repräsentativ
ist. Bei bestimmten Ausführungsformen ist der Basisbetriebszustand
für eine trockene Brennstoffzelle beispielsweise bei einer
Temperatur zwischen etwa 60°C und 100°C, einem
Druck zwischen etwa 1 bar bis etwa 2 bar, einer relativen Einlassfeuchte
(RF) zwischen etwa 15 Prozent und etwa 35 Prozent und einer Brennstoffzellenstöchiometrie
(Anode/Kathode) zwischen etwa 1,25/2 und etwa 1,75/2 repräsentativ.
Der Basisbetriebszustand kann beispielsweise für eine Brennstoffzelle
repräsentativ sein, die in einem Fahrzeug bei Autobahngeschwindigkeiten
betrieben wird. Es sei zu verstehen, dass der Basisbetriebszustand
vom Fachmann nach Bedarf festgelegt werden kann.
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Bei
weiteren Ausführungsformen umfasst die Brennstoffzellenvariable
zumindest eines aus relativer Feuchte (RF), Stromdichte (CD), Hochfrequenzwiderstand
(HFR) und Brennstoffzellenspannung. Die Brennstoffzellen-RF ist
ein Maß für die Feuchte der Brennstoffzellenreaktanden
bei einem gegebenen Druck und einer gegebenen Temperatur. Wie es in
der Technik bekannt ist, ist eine ausreichende Gasbefeuchtung oder
RF für den Brennstoffzellenbetrieb wesentlich. Die CD ist
eine Vektorpunktfunktion, die die Größe und Richtung
eines Ladungsflusses pro Flächeneinheit beschreibt, allgemein
ausgedrückt als A/cm2. Der HFR
korreliert mit einer Hydratation oder einem Wassergehalt der MEA 10.
Beispielsweise gibt eine höhere HFR-Schwankung einen höheren
Grad einer Änderung der Hydratation oder Dehydratation der
MEA 10 an.
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Der
Sollbereich der zumindest einen Brennstoffzellenvariable kann von
dem Fachmann nach Bedarf festgelegt werden. Veranschaulichende Fak toren,
die bei der Festlegung der Sollbereiche betrachtet werden, können
die Wirkung der Variablenschwankung auf die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
und -haltbarkeit enthalten. Als nicht beschränkende Beispiele
umfasst der Sollvariablenbereich zumindest eines aus einem Sollbrennstoffzellenspannungsbereich,
einem Bereich relativer Feuchte (RFmax minus
RF), einen Stromdichtebereich (CDmax minus
CDmin) und einen Hochfrequenzwiderstandsbereich
(HFRmax minus HFRmin).
Der Sollbrennstoffzellenspannungsbereich kann beispielsweise auf
einer Leistungsmetrik für ein Brennstoffzellensystem basieren,
wobei die Metrik derart ausgelegt ist, um einen Sollsystemwirkungsgrad
bereitzustellen. Eine Minimierung einer räumlichen Variation
der zumindest einen Brennstoffzellenvariable über eine
Länge der Brennstoffzelle 2 kann eine Brennstoffzellenspannung
oder ein Brennstoffzellenpotential optimieren. Eine Minimierung
einer räumlichen Variation in der zumindest einen Brennstoffzellenvariable
kann auch eine Haltbarkeit der Brennstoffzelle 2 optimieren.
Es sei angemerkt, dass auch andere für die Brennstoffzellenleistung
relevante Brennstoffzellenvariablen zur Verwendung mit dem vorliegenden
Verfahren geeignet sein können.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen ist das Basisvariablenprofil
die räumliche Variation der Variable der Brennstoffzelle 2 über
eine Länge der Brennstoffzelle 2 in dem Basisbetriebszustand.
Das zumindest eine Basisvariablenprofil umfasst beispielsweise eine
Variation der RF von einem Einlassgebiet zu einem Auslassgebiet
der Brennstoffzelle 2. Bei bestimmten Ausführungsformen
wird das Basisvariablenprofil für die Brennstoffzelle 2 mit
einem gleichförmigen D/Deff-Profil bestimmt. Als ein nicht beschränkendes
Beispiel kann das Basisvariablenprofil dadurch bestimmt werden,
dass die Brennstoffzelle 2 mit einem im Wesentlichen gleichförmigen D/Deff-Profil
eingerichtet wird, in dem Basisbetriebszustand betrieben wird und
ein Variablenprofil der Brennstoffzelle 2 gemessen wird.
Als ein weiteres Beispiel kann das Basisvariablenprofil durch Berechnung
des Basisvariablenprofils über ein Berechnungsmodell der
Brennstoffzelle 2 mit einem im Wesentlichen gleichförmigen
D/Deff-Profil und Simulieren des Basisbetriebszustandes bestimmt
werden. Es können auch alternative Mittel verwendet werden, die
zur Bestimmung des Basisvariablenprofils geeignet sind.
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Es
sei angemerkt, dass das Verfahren der Offenbarung zumindest zwei
Durchgänge umfasst, über die ein effektives D/Deff-Profil
vor der Verwendung mit den Diffusionsmedien 20 der Brennstoffzelle 2 geschätzt
wird. Das D/Deff-Profil des ersten Durchgangs für die Diffusionsmedien 20 der
Brennstoffzelle 2 kann nach Bedarf gewählt werden.
Beispielsweise kann das D/Deff-Profil für eine Kathodenseite
und/oder eine Anodenseite der Brennstoffzelle 2 gewählt
werden. Als ein nicht beschrankendes Beispiel kann auf der Kathodenseite
der Brennstoffzelle 2 das D/Deff-Profil des ersten Durchgangs
in einer im Wesentlichen linearen Weise von einem Kathodeneinlassgebiet
zu einem Kathodenauslassgebiet der Brennstoffzelle 2 abnehmen.
Bei einem anderen nicht beschrankenden Beispiel kann das D/Deff-Profil an
dem Kathodeneinlassgebiet rapide abnehmen und dann in der Richtung
des Kathodenauslasses über die Länge der Brennstoffzelle 2 allmählich
abnehmen. Es sei angemerkt, dass auch weitere D/Deff-Profile oder
-Verteilungen geeignet sind und nach Bedarf verwendet werden können.
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Bei
einer Ausführungsform wird das D/Deff-Profil des ersten
Durchgangs an ein Berechnungsmodell der Brennstoffzelle 2,
die das Basisvariablenprofil besitzt, angewendet. Bei bestimmten Ausführungsformen
ist das Berechnungsmodell ein mehrdimensionales Brennstoffzellenmodell,
das derart ausgebildet ist, um Dateneingaben von mehreren Variablen
der Brennstoffzelle 2 und Betriebsbedingungen zu verarbeiten
und eine Ver teilung oder ein Profil zu berechnen und auszugeben,
die/das die räumliche Variation der Brennstoffzellenvariable über eine
Länge der Brennstoffzelle 2 repräsentiert.
Beispielsweise kann das berechnete Profil die Variablenprofile des
ersten Durchgangs und des zweiten Durchgangs des hier beschriebenen
Verfahrens darstellen. Als ein nicht beschränkendes Beispiel
verwendet das Berechnungsmodell einen Berechnungs-Fluiddynamik-(CFD)-Code.
Das Berechnungsmodell kann auch die Elektrochemie der Brennstoffzelle 2 umfassen.
Das Berechnungsmodell kann ferner Untermodelle in Verbindung mit
einer Elektronendichte, einem Wärmetransport oder anderen
relevanten Parametern der Brennstoffzelle 2 umfassen.
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Nach
der Berechnung des zumindest einen Variablenprofils des ersten Durchgangs
aus dem D/Deff-Profil des ersten Durchgangs wird das Variablenprofil
des ersten Durchgangs mit dem Sollbereich der Variable verglichen.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Variablenprofil
des ersten Durchgangs mit dem Sollbereich für die interessierende
Variable überlagert werden. Bei anderen Ausführungsformen
wird das Variablenprofil des ersten Durchgangs vor dem Vergleich
weiter bearbeitet. Beispielsweise kann eine Differenz zwischen dem Maximalwert
und dem Minimalwert des Variablenprofils des ersten Durchgangs berechnet
und die Differenz mit dem festgelegten akzeptablen Bereich an räumlicher
Variation für die Brennstoffzellenvariable verglichen werden.
Als nicht beschränkende Beispiele können die Variablenprofile
des ersten Durchgangs einen Bereich relativer Feuchte (RFmax minus RFmin),
einen Stromdichtebereich (CDmax minus CDmin) und einen Hochfrequenzwiderstandsbereich (HFRmax minus HFRmin)
aufweisen.
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Beim
Vergleich des Variablenprofils des ersten Durchgangs mit dem Sollbereich
kann die Variable des ersten Durchgangs weiter verfeinert oder abgewandelt
werden. Bei einer Ausführungsform wird, wenn die Variable
des ersten Durchgangs nicht innerhalb des Sollbereichs liegt, das
D/Deff des ersten Durchgangs weiter verfeinert und wiederum an das Berechnungsmodell
der Brennstoffzelle 2, die das Basisvariablenprofil besitzt,
angewendet. Die Anwendung des verfeinerten D/Deff-Profils des ersten Durchgangs
hat ein weiteres Variablenprofil des ersten Durchgangs zum Vergleich
zur Folge. Die Verfeinerung oder der erneute Vergleich des D/Deff-Profils des
ersten Durchgangs wird solange wiederholt, bis das Variablenprofil
des ersten Durchgangs innerhalb des Sollbereichs liegt. Wenn das
D/Deff-Profil des ersten Durchgangs verfeinert worden ist, um ein
Variablenprofil des ersten Durchgangs innerhalb des Sollbereiches
bereitzustellen, ist das D/Deff-Profil des ersten Durchgangs zur
weiteren Schätzung als das D/Deff-Profil des zweiten Durchgangs
geeignet.
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Das
D/Deff-Profil des zweiten Durchgangs wird dazu verwendet, die mehreren
Variablenprofile des zweiten Durchgangs zu bestimmen. Die mehreren
Variablenprofile des zweiten Durchgangs stehen mit den mehreren
Betriebsbedingungen in Bezug, die in dem Verfahren der Offenbarung
festgelegt sind, wie beispielsweise im Wesentlichen trockene oder
im Wesentlichen feuchte Betriebsbedingungen oder extreme Fahrzeugbetriebsbedingungen.
Als ein nicht beschränkendes Beispiel können die
Variablenprofile des zweiten Durchgangs aus einer Anwendung des D/Deff-Profils
des zweiten Durchgangs an das Berechnungsmodell der Brennstoffzelle 2 bei
den mehreren Betriebsbedingungen resultieren. Bei einem weiteren
Beispiel kann die Brennstoffzelle 2 mit dem D/Deff-Profil
des zweiten Durchgangs eingerichtet werden und die Variablenprofile
des zweiten Durchgangs bei den mehreren Betriebsbedingungen gemessen
werden.
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Für
den Fachmann sei angemerkt, dass die Variablenprofile der Offenbarung
mit der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 2,
beispielsweise dem Potential oder der Haltbarkeit der Brennstoffzelle 2,
korrelieren. Alternative Leistungscharakteristiken der Brennstoffzelle 2 können
nach Bedarf gewählt werden. Die Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle 2 wird sowohl für das Variablenprofil
des ersten Durchgangs als auch die mehreren Variablenprofile des
zweiten Durchgangs bestimmt. Gemäß dem vorliegenden Verfahren
wird die relative Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 2 mit
den Variablenprofilen des ersten Durchgangs und des zweiten Durchgangs
verglichen.
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Nach
dem Vergleich der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit mit
den Variablenprofilen des ersten Durchgangs und des zweiten Durchgangs
kann das D/Deff-Profil des zweiten Durchgangs weiter verfeinert
werden. Wenn beispielsweise die Gesamtleistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle 2 mit den mehreren Variablenprofilen
des zweiten Durchgangs weniger geeignet ist, als die Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle 2 mit dem Variablenprofil des ersten
Durchgangs, wird das D/Deff-Profil des ersten Durchgangs verfeinert
und erneut an das Berechnungsmodell angewendet. Wie bei der Verfeinerung
des ersten Durchgangs wird die Verfeinerung und der erneute Vergleich
des D/Deff-Profils des ersten Durchgangs solange wiederholt, bis
das Verfahren das Variablenprofil des zweiten Durchgangs erzielt,
das im Vergleich zu der Leistungsfähigkeit mit dem Variablenprofil
des ersten Durchgangs eine überlegene Gesamt-Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
bereitstellt. Ein Fachmann kann erkennen, dass die überlegene Gesamtleistungsfähigkeit
bedeutet, dass die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 2 bei
den mehreren Betriebsbedingungen zumindest akzeptabel ist und für
einen Großteil der Betriebsbedingungen gegenüber
der Leistungsfähigkeit des ersten Durchgangs optimiert
ist.
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Wenn
das D/Deff-Profil des zweiten Durchgangs verfeinert worden ist,
um die mehreren Variablenprofile des zweiten Durchgangs, die die
akzeptable Gesamtleistungsfähigkeit besitzen, bereitzustellen,
ist das D/Deff-Profil des zweiten Durchgangs ausreichend, um in
den Diffusionsmedien 20 der Brennstoffzelle 2 als
das effektive D/Deff-Profil verwendet werden zu können.
Hierdurch werden die für die Brennstoffzelle 2 und
die Fahrzeugbetriebsbedingungen optimierten Diffusionsmedien 20 der
Brennstoffzelle 2 gewählt.
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Nun
Bezug nehmend auf die 3 bis 6 ist ein
Beispiel einer räumlichen Variation der Diffusionsmedien 20,
die gemäß dem Verfahren der Offenbarung optimiert
sind, vorgesehen. Die Betriebsbedingungen, die in dem Beispiel verwendet
sind, sind eine Betriebstemperatur von etwa 80°C, ein Druck von
etwa 1,5 bar, eine relative Einlassfeuchte von etwa 25 Prozent,
eine Brennstoffzellenstöchiometrie (Anode/Kathode) von
etwa 1,5/2 sowie eine durchschnittliche Stromdichte von etwa 1,5
A/cm2.
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3 zeigt
ein effektives D/Deff-Profil 300 eines Stofftransportwiderstandes
entlang einer Länge der Brennstoffzelle 2. Wie
gezeigt ist, ist der Stofftransportwiderstand an einer Seite des
Kathodeneinlasses 302 der Brennstoffzelle 2 höher
als der Stofftransportwiderstand an der Seite des Kathodenauslasses 304 der
Brennstoffzelle 2. Zur Erläuterung ist das D/Deff
an dem Kathodeneinlass etwa 12,8 und nimmt über die Länge
der Brennstoffzelle 2 allmählich auf ein D/Deff
von etwa 3 an dem Kathodenauslass ab.
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Bei
den in den 3 bis 6 gezeigten Ausführungsformen
besitzen die Diffusionsmedien 20 auf der Kathodenseite
der Brennstoffzelle 2 eine räumliche Variation
des MTC, wobei die Diffusionsmedien 20 auf der Anodenseite
einen im Wesentlichen gleichförmigen MTC besitzen. Es sei jedoch
zu verstehen, dass die Diffusionsmedien 20 mit räumlich variierendem
MTC auch auf der Anodenseite der Brennstoffzelle 2 verwendet
werden können.
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Ein
höherer Stofftransportwiderstand wirkt eine Entfernung
von an der MEA 10 erzeugtem Produktwasser und daher einer
Entfeuchtung der MEA 10 entgegen. Bei dem in 3 gezeigten
Beispiel wirken die räumlich variierenden Diffusionsmedien 20 einer
Entfernung von Wasser nahe des Kathodeneinlasses 302 entgegen,
wo das Wasser hauptsächlich aus einer Befeuchtung von Kathodeneinlassgasen
vorhanden ist. Die räumlich variierenden Diffusionsmedien 20 erleichtern
eine höhere Rate an Wasserentfernung, wenn die Gase über
die Länge der MEA 10 von dem Kathodeneinlass 302 zu
dem Kathodenauslass 304 gelangen. Somit kann das durch die
elektrochemischen Brennstoffzellenreaktionen erzeugte Wasser an
der Kathode 16 effizient dazu verwendet werden, die MEA 10 zu
befeuchten, und entfernt werden, um einem Fluten der Brennstoffzelle 2 entgegenzuwirken.
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4 zeigt
eine simulierte RF-Verteilung entlang einer Länge der Brennstoffzelle 2 und
an der Schnittstelle zwischen den Diffusionsmedien 20 und der
MEA 10 bei vier Beispielen (I bis IV). Bei Beispiel I besitzt
die Brennstoffzelle 2 ein im Wesentlichen gleichförmiges
D/Deff-Profil von etwa 2,15 auf sowohl der Seite der Anode 14 als
auch der Seite der Kathode 16 der Brennstoffzelle 2,
was in einem ersten RF-Profil 400 resultiert. Bei Beispiel
II besitzt die Brennstoffzelle 2 ein im Wesentlichen gleichförmiges D/Deff-Profil
von etwa 2,15 auf der Seite der Anode 14 und von etwa 7,71
auf der Seite der Kathode 16 der Brennstoffzelle 2,
was in einem zweiten RF-Profil 402 resultiert. Bei Beispiel
III besitzt die Brennstoffzelle 2 ein im Wesentlichen gleichförmiges D/Deff-Profil
von etwa 7,71 sowohl auf der Seite der Anode 14 als auch
der Seite der Kathode 16 der Brenn stoffzelle 2,
was in einem dritten RF-Profil 404 resultiert. Bei Beispiel
IV besitzt die Brennstoffzelle 2 ein verteiltes D/Deff-Profil,
wie in 3 gezeigt ist, auf der Seite der Kathode 16 der
Brennstoffzelle 2, was in einem verteilten RF-Profil 406 resultiert.
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In 4 stellt
das verteilte RF-Profil 406 von Beispiel IV eine im Wesentlichen
gleichförmige RF über die Länge der Brennstoffzelle 2 dar.
Im Vergleich dazu weist Beispiel I an dem Kathodeneinlass eine signifikant
geringere RF auf, als an dem Kathodenauslass der Brennstoffzelle 2.
Beispiel II weist ein RF-Profil auf, das in der Nähe des
Zentrums der Brennstoffzelle 2 einen Höhepunkt
aufweist. Beispiel III weist ein RF-Profil auf, das nach dem Zentrum
der Brennstoffzelle 2 signifikant höher ist und
ein Fluten zur Folge haben kann.
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Bezug
nehmend auf 5 ist eine simulierte Stromdichte
(CD) über die Länge der Brennstoffzelle 2 in
Bezug auf die Beispiele I bis IV gezeigt. Bei Beispiel I ist die
CD an dem Kathodeneinlass signifikant geringer als die Stromdichte
an dem Kathodenauslass. Bei Beispielen II und III ist zu sehen,
dass die CD nahe dem Zentrum der Länge der Brennstoffzelle 2 einen
Höhepunkt aufweist. Bei Beispiel IV mit dem verteilten
D/Deff-Profil ist die CD entlang der Länge der Brennstoffzelle 2 im
Wesentlichen gleichförmig.
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Nun
Bezug nehmend auf 6 ist nun eine Spannung oder
ein Potential 600 der Brennstoffzelle 2 mit dem
verteilten D/Deff-Profil als gleich oder überlegen zu den
Potentialen 602 der Brennstoffzellen 2 mit den
im Wesentlichen gleichförmigen D/Deff-Profilen gezeigt,
wobei die verschiedenen gleichförmigen D/Deff-Profile für
eine im Wesentlichen konstante, gemittelte oder gesamte Stromdichte
erhalten sind.
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Es
ist überraschend herausgefunden worden, dass Diffusionsmedien 20 mit
dem verteilten D/Deff oder Stofftransportwiderstand von Einlass
zu Auslass eine Gleichförmigkeit der RF, der CD und dem
HFR über die Länge der Brennstoffzelle 2 unterstützen.
Mit dem Verfahren und den gewählten Diffusionsmedien 20 der
Offenbarung wird einem Fluten der MEA 10 und dem zugeordneten
Katalysatorabbau entgegengewirkt. Das im Wesentlichen gleichförmige
RF-Profil sieht auch ein im Wesentlichen gleichförmiges
Anschwellen der Polymerelektrolytmembran 12 über
die Länge der Brennstoffzelle 2 vor. Ein gleichförmiges
Anschwellen der Membran führt zu einer Verringerung von
interner Spannung an der Membran 12, was in einer verbesserten
Brennstoffzellenhaltbarkeit resultiert. Überdies können,
da der Hydratationszustand über die aktive Brennstoffzellenfläche
wesentlich gleichförmiger ist, potentiell schädigende
lokale Bedingungen, die aus der Ansammlung von flüssigem
Wasser in den Diffusionsmedium oder den Strömungsfeldkanälen
resultieren, vermieden werden. Es ist somit überraschend
herausgefunden worden, dass die Verwendung von Diffusionsmedien
mit verteiltem Stofftransportwiderstand eine Brennstoffzellenzuverlässigkeit
optimiert.
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Das
Verfahren der Offenbarung sieht ferner Diffusionsmedien 20 vor,
die eine reduzierte externe Befeuchtung durch Optimierung der Verwendung
von Produktwasser in der Brennstoffzelle 2 zulassen. Beispielsweise
kann flüssiges Wasser an dem Anodenauslass für
eine Strömungsfehlverteilung verantwortlich sein, was in
einem lokalen Wasserstoffmangel resultiert, wobei dieser mit dem
Verfahren und den Diffusionsmedien 20 der Offenbarung entgegengewirkt wird.
Auch kann ein trockener Betrieb der Brennstoffzelle 2 angewendet
werden, wobei die Membrane 12 eine hohe Leitfähigkeit
gegenüber einer RF-Empfindlichkeit besitzen. Die optimierte
Verwendung von Wasser in der Brennstoffzelle 2 wirkt ferner
der Bildung von Flüssigwasser in der Brennstoffzelle 2 entgegen,
wodurch eine Gefrierleis tungsfähigkeit und Haltbarkeit
der Brennstoffzelle 2 weiter verbessert werden.
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Während
bestimmte repräsentative Ausführungsformen und
Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt
worden sind, ist es dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen
ohne Abweichung vom Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt
werden können, der in den folgenden angefügten
Ansprüchen weiter beschrieben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6933067 [0006]
- - EP 0846347 [0006]
- - US 5840438 [0006]
