DE102008033010B4

DE102008033010B4 - Verfahren zum Bestimmen eines Profils von freier Diffusivität zu effektiver Diffusivität eines Brennstoffzellendiffusionsmediums

Info

Publication number: DE102008033010B4
Application number: DE102008033010.8A
Authority: DE
Inventors: Torsten Berning; Christian Wieser; Po-Ya Abel Chuang; Thomas A. Trabold
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2023-08-24
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: US7829230B2; DE102008033010A1; CN101350422A; US20090024373A1; CN101350422B

Abstract

Verfahren zum Bestimmen eines effektiven D/Deff-Profils eines Brennstoffzellendiffusionsmediums (20), das einen räumlich variierenden Stofftransportwiderstand besitzt, für die Kathodenseite oder die Anodenseite einer Brennstoffzelle (2) in einem Fahrzeug, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:a) Identifizieren i) mehrerer Betriebsbedingungen für die Brennstoffzelle (2), wobei die mehreren Betriebsbedingungen einen vorgegebenen Basisbetriebszustand aufweisen, ii) zumindest einer vorgegebenen Brennstoffzellenvariable, die mit der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit korreliert, und iii) eines vorgegebenen Sollbereichs der zumindest einen Brennstoffzellenvariable;b) Bestimmen zumindest eines Basisvariablenprofils für die Brennstoffzelle (2), wobei das Basisvariablenprofil die räumliche Variation der Brennstoffzellenvariable über eine Länge der Brennstoffzelle (2) ist;c) Bereitstellen eines D/Deff-Profils eines ersten Durchgangs für das Brennstoffzellendiffusionsmedium (20);d) Anwenden des D/Deff-Profils des ersten Durchgangs an ein Berechnungsmodell der Brennstoffzelle (2), die das Basisvariablenprofil besitzt;e) Berechnen zumindest eines Variablenprofils des ersten Durchgangs resultierend aus der Anwendung des D/Deff-Profils des ersten Durchgangs an das Berechnungsmodell, wobei das erste Variablenprofil die räumliche Variation der Brennstoffzellenvariable über die Länge der Brennstoffzelle (2) repräsentiert;f) Vergleichen des Variablenprofils des ersten Durchgangs mit dem vorgegebenen Sollbereich der Variable;g) Abwandeln des D/Deff-Profils des ersten Durchgangs, wenn die Variable des ersten Durchgangs nicht innerhalb des Sollbereichs 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 (2) mit dem Variablenprofil des zweiten Durchgangs und dem Variablenprofil des ersten Durchgangs; undj) Abwandeln des D/Deff-Profils des ersten Durchgangs, 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 Wiederholen der Schritte d) bis i) solange, bis die Brennstoffzelle (2) mit dem Variablenprofil des zweiten Durchgangs eine überlegene Brennstoffzellenleistungsfähigkeit besitzt, und wobei das D/Deff-Profil des zweiten Durchgangs als effektives D/Deff-Profil für das Brennstoffzellendiffusionsmedium (20) vorgesehen wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Profils von freier Diffusivität D zu effektiver Diffusivität Deff eines Brennstoffzellendiffusionsmediums.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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 lonomer 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.
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.
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.
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.
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 US 6 933 067 B2 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 US 2005 / 0 026 018 A1 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. Das europäische Patent EP 0 846 347 B1 und das U.S. Patent US 5 840 438 A beschreiben Anoden- und Kathodensubstrate mit einer in der Ebene befindlichen, ungleichförmigen Struktur, die einen gesteuerten Transport von Reaktand in Richtung einer Elektrokatalysatorschicht und einen gesteuerten Transport von Wasser weg von der Elektrokatalysatorschicht ermöglicht.
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.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist 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 entwickelt worden.
Insbesondere wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Bestimmen eines effektiven D/Deff-Profils eines Brennstoffzellendiffusionsmediums vorgestellt, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 auszeichnet.
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.
Figurenliste
Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung und insbesondere angesichts der hier beschriebenen Zeichnungen leichter offensichtlich.

1 ist eine schematische Explosionsdarstellung einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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;
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;
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;
5 ist ein Diagramm, das eine illustrative Stromdichteverteilung entlang einer Länge einer Brennstoffzelle mit einem Diffusionsmedium, wie in 3 gezeigt ist, zeigt; und
6 ist ein Diagramm, das ein illustratives Potential einer Brennstoffzelle mit einem Diffusionsmedium, wie in 3 gezeigt ist, zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur. 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.
Wie in 1 gezeigt ist, ist eine illustrative Brennstoffzelle 2 vorgesehen. Ein Fachmann kann erkennen, dass 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.
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 angeordnet 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.
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.
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.
Die vorliegende Erfindung 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 Erfindung 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.
Der hier verwendete Begriff MTC bezeichnet das Verhältnis des freien Diffusionskoeffizienten gegenüber dem effektiven Diffusionskoeffizienten, wie durch die folgende Gleichung definiert ist: $M T C = \frac{D}{D_{e f f}} h$
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.
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.
Bei Untersuchungen der Brennstoffzelle 2 wird üblicherweise der Sauerstoff transport 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: $D_{e f f} = \frac{i_{lim}}{4 F} \times \frac{h}{C_{O_{2}}}$
wobei F die Faradaysche Konstante ist; h die Dicke der gasdiffusiven Schicht ist; i_lim der Grenzstrom ist; und C_O2 die Sauerstoffkonzentration in dem Strömungsfeld ist. Das Grenzstromverfahren kann in der Brennstoffzelle 2 mit einer aktiven Fläche von 5 cm² 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.
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, lonendurchgangszeittechniken 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.
Als nicht beschränkende Beispiele können Materialien, die zur Verwendung in den räumlich variierenden Diffusionsmedien 20 der Erfindung 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.
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 Bindern 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 lonomere umfassen.
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.
Die vorliegende Erfindung 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 Erfindung 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.
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.
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.
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.
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.
Der Sollbereich der zumindest einen Brennstoffzellenvariable kann von dem Fachmann nach Bedarf festgelegt werden. Veranschaulichende Faktoren, 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 (RF_max minus RF_min), einen Stromdichtebereich (CD_max minus CD_min) und einen Hochfrequenzwiderstandsbereich (HFR_max minus HFR_min). 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.
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.
Es sei angemerkt, dass das Verfahren der Erfindung 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 beschränkendes 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 beschränkenden 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.
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 Verteilung 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.
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 (RF_max minus RF_min), einen Stromdichtebereich (CD_max minus CD_min) und einen Hochfrequenzwiderstandsbereich (HFR_max minus HFR_mi_n) aufweisen.
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.
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 Erfindung 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.
Für den Fachmann sei angemerkt, dass die Variablenprofile der Erfindung 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.
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.
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.
Nun Bezug nehmend auf die 3 bis 6 ist ein Beispiel einer räumlichen Variation der Diffusionsmedien 20, die gemäß dem Verfahren der Erfindung 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.
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.
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.
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.
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 Brennstoffzelle 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.
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.
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.
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.
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 Erfindung 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.
Das Verfahren der Erfindung 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 Erfindung 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 Gefrierleistungsfähigkeit und Haltbarkeit der Brennstoffzelle 2 weiter verbessert werden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines effektiven D/Deff-Profils eines Brennstoffzellendiffusionsmediums (20), das einen räumlich variierenden Stofftransportwiderstand besitzt, für die Kathodenseite oder die Anodenseite einer Brennstoffzelle (2) in einem Fahrzeug, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a) Identifizieren i) mehrerer Betriebsbedingungen für die Brennstoffzelle (2), wobei die mehreren Betriebsbedingungen einen vorgegebenen Basisbetriebszustand aufweisen, ii) zumindest einer vorgegebenen Brennstoffzellenvariable, die mit der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit korreliert, und iii) eines vorgegebenen Sollbereichs der zumindest einen Brennstoffzellenvariable; b) Bestimmen zumindest eines Basisvariablenprofils für die Brennstoffzelle (2), wobei das Basisvariablenprofil die räumliche Variation der Brennstoffzellenvariable über eine Länge der Brennstoffzelle (2) ist; c) Bereitstellen eines D/Deff-Profils eines ersten Durchgangs für das Brennstoffzellendiffusionsmedium (20); d) Anwenden des D/Deff-Profils des ersten Durchgangs an ein Berechnungsmodell der Brennstoffzelle (2), die das Basisvariablenprofil besitzt; e) Berechnen zumindest eines Variablenprofils des ersten Durchgangs resultierend aus der Anwendung des D/Deff-Profils des ersten Durchgangs an das Berechnungsmodell, wobei das erste Variablenprofil die räumliche Variation der Brennstoffzellenvariable über die Länge der Brennstoffzelle (2) repräsentiert; f) Vergleichen des Variablenprofils des ersten Durchgangs mit dem vorgegebenen Sollbereich der Variable; g) Abwandeln des D/Deff-Profils des ersten Durchgangs, wenn die Variable des ersten Durchgangs nicht innerhalb des Sollbereichs 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 (2) mit dem Variablenprofil des zweiten Durchgangs und dem Variablenprofil des ersten Durchgangs; und j) Abwandeln des D/Deff-Profils des ersten Durchgangs, 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 Wiederholen der Schritte d) bis i) solange, bis die Brennstoffzelle (2) mit dem Variablenprofil des zweiten Durchgangs eine überlegene Brennstoffzellenleistungsfähigkeit besitzt, und wobei das D/Deff-Profil des zweiten Durchgangs als effektives D/Deff-Profil für das Brennstoffzellendiffusionsmedium (20) vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle (2) in dem Basisbetriebszustand ein gleichförmiges D/Deff-Profil besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Basisvariablenprofil von der Brennstoffzelle (2), die ein im Wesentlichen gleichförmiges D/Deff-Profil verwendet, in dem Basisbetriebszustand gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Basisvariablenprofil aus einem Berechnungsmodell der Brennstoffzelle (2) mit einem im Wesentlichen gleichförmigen D/Deff-Profil in dem Basisbetriebszustand berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei 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.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Variablenprofile des zweiten Durchgangs aus Messungen der Brennstoffzelle (2), die das D/Deff-Profil des zweiten Durchgangs verwendet, bei den mehreren Betriebsbedingungen resultieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mehreren Betriebsbedingungen für die Brennstoffzelle (2) in dem Fahrzeug repräsentativ für einen Fahrzeug-Fahrzyklus sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Brennstoffzellenvariable umfasst: relative Feuchte (RF), Stromdichte (CD) und Hochfrequenzwiderstand (HFR).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnungsmodell ein mehrdimensionales Brennstoffzellenmodell ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Berechnungsmodell einen Berechnungs-Fluiddynamik-(CFD)-Code verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt f) umfasst: Vergleichen einer Spannung, eines Bereichs relativer Feuchte (RF_max minus RF_min), eines Stromdichtebereichs (CD_max minus CD_min) und/oder eines Hochfrequenzwiderstandsbereichs (HFR_max minus HFR_min) der Brennstoffzelle (2), die das D/Deff-Profil des ersten Durchgangs aufweist, mit dem Sollvariablenbereich.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Diffusionsmedium ein Gasdiffusionsmedium (GDM), eine mikroporöse Schicht (MPL) und/oder eine Dampfbarriereschicht (VBL) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich in dem Basisbetriebszustand die Brennstoffzelle (2) bei einer Temperatur von etwa 80°C, einem Druck von etwa 1,5 bar, einer relativen Einlassfeuchte (RF) von etwa 25 Prozent und einer Stöchiometrie (A/K) von etwa 1/5/2 befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das effektive D/Deff-Profil eine im Wesentlichen gleichförmige relative Feuchte (RF) über eine Länge der Brennstoffzelle (2) bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das effektive D/Deff-Profil eine im Wesentlichen gleichförmige Stromdichte (CD) über eine Länge der Brennstoffzelle (2) bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das effektive D/Deff-Profil ein im Wesentlichen gleichförmiges Anschwellen einer Polymerelektrolytmembran über eine Länge der Brennstoffzelle (2) bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Diffusionsmedium mit dem effektiven D/Deff-Profil auf einer Kathodenseite der Brennstoffzelle (2) ein größeres D/Deff an einem Kathodeneinlassgebiet als an einem Kathodenauslassgebiet der Brennstoffzelle (2) besitzt.