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HINTERGRUND
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine nicht befeuchtete Brennstoffzelle mit einer verbesserten Betriebsleistung.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Eine Brennstoffzelle stellt ein elektrisches Energieerzeugungssystem dar, das chemische Reaktionsenergie typischerweise zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in einem Material auf Kohlenwasserstoffbasis, wie Methanol, Ethanol oder ein Erdgas direkt in elektrische Energie umwandelt.
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Brennstoffzellen werden oft in Phosphorsäure-Brennstoffzellen (phosphoric acid fuel cells), Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (molten carbonate fuel cells), Festoxid-Brennstoffzellen (solid Oxide fuel cells), Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (polymer electrolyte fuel cells – PEMFC) oder Alkali-Brennstoffzellen (alkali fuel cells) und dergleichen eingeteilt, je nach Art der Elektrolyten, die verwendet werden. Die Brennstoffzellen weisen im Allgemeinen dieselben Gesamtfunktionsprinzipien auf und unterscheiden sich nur im Hinblick auf die Art des Brennstoffs, die Betriebstemperatur, den Katalysator, den Elektrolyten und dergleichen, die verwendet werden. Zum Beispiel weisen PEMFCs eine hervorragende Ausgangsleistung und eine niedrige Betriebstemperatur auf. Dies ermöglicht, dass ein Fahrzeug schnell starten kann und ein gutes Ansprechverhalten sowie einen weitreichenden Einsatzbereich im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen aufweist.
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In einem Brennstoffzellensystem weist ein Brennstoffzellenstapel, der im Wesentlichen elektrische Energie erzeugt, einen Aufbau auf, in dem Elementarzellen, die jeweils eine Membran-/Elektrodenanordnung (membrane/electrode assembly – MEA) und einen Separator mit einem darin gebildeten Gasströmungspfad umfassen, gestapelt sind. Die MEA weist einen Aufbau auf, in dem eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode mit einer dort dazwischen eingefügten Hoch-Polymerelektrolytmembran angebracht sind. Zusätzlich sind eine einzelne Elektrolytmembran und zwei Elektroden, eine Katalysatorschicht (katalytische Schicht) und eine Gasdiffusionsschicht in der MEA gestapelt.
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Wenn Wasserstoff an die Anode zugeführt wird, findet eine elektrochemische Oxidationsreaktion statt, die Wasserstoff in zu oxidierende Wasserstoffionen und Elektronen ionisiert. Die ionisierten Wasserstoffionen bewegen sich in Richtung der Kathode durch die Hoch-Polymerelektrolytmembran und die Elektronen bewegen sich in Richtung der Kathode durch eine externe Schaltung. Die Wasserstoffionen, die sich in Richtung der Kathode bewegen, verursachen eine elektrochemische Reduktionsreaktion mit an die Kathode zugeführten Sauerstoff, um Wärme und Wasser zu erzeugen, und die Bewegung der Elektronen erzeugt elektrische Energie.
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Eine Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer – GDL) kann aus einer Vielzahl von Luftporen bestehen, um ein Brennstoffzellen-Reaktionsgas in Richtung der Katalysatorschicht zu diffundieren. Die Katalysatorschicht auf der Anodenseite spaltet Wasserstoffmoleküle in Wasserstoffatome und zersetzt die Wasserstoffatome in Wasserstoffionen und Elektronen. Umgekehrt spaltet die Katalysatorschicht auf der Kathodenseite Sauerstoffmoleküle in der Luft in Atome und ionisiert dieselben. Als solches wird die GDL durch Stapeln einer Vielzahl von Fasern gebildet und zwischen dem Separator und der Elektroden-/Katalysatorschicht angeordnet. Die GDL kann aus einem Festkörper/Vollmaterial (der z. B. der elektrischen Leitfähigkeit dient) und Luftporen (die z. B. dazu dienen, um Gas und Wasser zu diffundieren) zusammengesetzt sein. Zum Beispiel können Kohlenstoffpapier, Kohlenstoffgewebe, Kohlenstofffilz, Graphitpapier, Graphitgewebe und dergleichen als GDL verwendet werden.
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Auch dient die GDL dazu, um in einer elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser nach außen abzuführen. Und zwar stellt die GDL einen Bewegungspfad bereit, um zu ermöglichen, dass ein zugeführtes Gas gleichmäßig an die Katalysatorschicht zugeführt wird, und der als ein Auslasskanal für in der Katalysatorschicht beim Betrieb erzeugtes Wasser verwendet wird. Um zu verhindern, dass zugeführtes/erzeugtes gasförmiges Wasser auf einer Oberfläche der GDL kondensiert, kann die GDL wasserabweisend mit Polytetrafluoräthylen (PTEE) oder dergleichen behandelt werden, um verwendet zu werden.
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Allerdings verringert bei diesen Arten von Brennstoffzellen, wenn eine Befeuchtung unterbleibt, was zu einer nicht befeuchteten Brennstoffzelle führt, eine hydrophobe GDL die Feuchtigkeit der Katalysatorschicht, so dass die elektrische Leitfähigkeit der Membranelektrode drastisch reduziert wird und die Effizienz der elektrischen Energieerzeugung der Brennstoffzelle stark verringert wird. Somit wäre eine Brennstoffzelle, bei der eine Befeuchtung nicht erforderlich ist, von Vorteil, um eine konsistente Effizienz der Energieerzeugung und der Leitfähigkeit zu gewährleisten.
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Die als Stand der Technik beschriebenen Inhalte fördern lediglich das Verständnis des Hintergrundes der vorliegenden Erfindung und dürfen nicht als dem Stand der Technik entsprechend zugelassen werden, der einem Durchschnittsfachmann bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, in der eine Flüssigkeit innerhalb eines Brennstoffzellenstapels für eine optimale elektrochemische Reaktion durch Einstellen der Hydrophilie und Hydrophobie einer Gasdiffusionsschicht gehalten wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, umfassend: eine Katalysatorschicht, die mit einer Anode oder einer Kathode gekoppelt ist, wobei die Katalysatorschicht eingerichtet ist, um eine elektrochemische Reaktion eines Brenngases oder von Luft zu beschleunigen; und eine Gasdiffusionsschicht mit Luftporen, die eingerichtet ist, um das Brenngas oder Luft zu der Katalysatorschicht zu diffundieren und um durch die elektrochemische Reaktion mit dem Brenngas in der Katalysatorschicht erzeugtes Wasser zu diffundieren, wobei ein Verhältnis eines Volumens von Wasser zu einem Volumen der Luftporen der Gasdiffusionsschicht von etwa 0,1 bis 0,4 reicht.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann die Gasdiffusionsschicht eine hydrophobe Überzugsschicht aufweisen, in der Wasser auf einer Oberfläche der Gasdiffusionsschicht nicht kondensiert, und ein Teilbereich einer Oberfläche der Gasdiffusionsschicht kann eine hydrophile Oberfläche in einem Bereich der hydrophoben Überzugsschicht sein, in dem Defekte erzeugt werden. Zusätzlich kann ein Teilbereich der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht eine hydrophile Oberfläche in einem Bereich sein, in dem Defekte erzeugt werden.
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Die Defekte der hydrophoben Überzugsschicht in den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können während eines Beschichtungsverfahrens der Überzugsschicht erzeugt werden und die Überzugsschicht kann bei verschiedenen Massenverhältnissen der Beschichtung gemäß der gewünschten Defektverteilungen aufgetragen werden. Zum Beispiel kann ein Verhältnis der hydrophilen Oberfläche zu der gesamten Oberfläche des Gasdiffusionsschicht gleich einem Verhältnis des Volumens von Wasser zu dem Volumen der Luftporen der Gasdiffusionsschicht sein. Diese Defekte können über die gesamte Oberfläche der Gasdiffusionsschicht zufällig verteilt werden, beispielsweise können sie auf der Katalysatorschicht in der gesamten Oberfläche der Gasdiffusionsschicht konzentriert werden oder sie können auf der gegenüberliegenden Seite der Katalysatorschicht über der gesamten Oberfläche der Gasdiffusionsschicht konzentriert werden.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann die Überzugsschicht durch Eintauchen der Gasdiffusionsschicht gebildet werden oder kann durch Plasmabeschichtung, Spritzbeschichtung, Siebdruckbeschichtung oder Inkjet-Beschichtung gebildet werden. Ein Beschichtungsmaterial der Überzugsschicht kann zum Beispiel PTFE (Polytetrafluoräthylen), Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstoffnanopartikel oder ein organisches oder anorganisches Lösungsmittel sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A zeigt ein Diagramm, das eine Bildung einer hydrophilen Oberfläche aufgrund einer defekten Oberfläche einer Gasdiffusionsschicht in den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt;
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1B zeigt ein Diagramm, das eine Bildung einer hydrophilen Oberfläche aufgrund einer defekten Überzugsschicht in den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 zeigt eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Flüssigkeitssättigung, Stromdichte und Spannung beim Betreiben einer nicht befeuchteten Brennstoffzelle gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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3A–3C zeigen Diagramme, die Anordnungen innerhalb einer Brennstoffzelle gemäß jedem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Die gleichen Bezugszeichen beziehen sich in den Zeichnungen auf gleiche Elemente.
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Es ist zu beachten, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeuge, Elektro-Brennstoffzellenfahrzeuge, Plug-In-Hybridelektro-Brennstoffzellenfahrzeuge, wasserstoffangetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
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Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff ”ungefähr”, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. ”Ungefähr/etwa” kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff ”ungefähr” verändert.
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1A zeigt ein Diagramm, das eine Bildung einer hydrophilen Oberfläche aufgrund einer defekten Oberfläche einer Gasdiffusionsschicht in den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt, und 1B zeigt ein Diagramm, das eine Bildung einer hydrophilen Oberfläche aufgrund einer defekten Überzugsschicht in den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt. Insbesondere kann eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfassen eine Katalysatorschicht, die mit einer Anode und einer Kathode in einer Weise gekoppelt ist, dass sie eingerichtet ist, um eine elektrochemische Reaktion eines Brenngases oder von Luft zu beschleunigen, und eine Gasdiffusionsschicht mit Luftporen, die ein Brenngas oder Luft zu der Katalysatorschicht diffundiert und durch eine elektrochemische Reaktion mit dem Brenngas in der Katalysatorschicht erzeugtes Wasser diffundiert.
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Die Gasdiffusionsschicht kann eine hydrophobe Gasdiffusionsschicht sein und die hydrophobe Gasdiffusionsschicht kann mit einer hydrophoben Überzugsschicht beschichtet werden, um zu verhindern, dass Wasser auf ihrer Oberfläche kondensiert. Darüber hinaus kann eine hydrophile Oberfläche der Gasdiffusionsschicht zu einem Bereich der Gasdiffusionsschicht, in dem die hydrophobe Überzugsschicht defekt ist, oder zu einem Bereich, in dem eine Oberfläche der Gasdiffusionsschicht defekt ist, freigelegt sein.
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Und zwar werden in der beispielhaften Brennstoffzelle der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung die Eigenschaften der Gasdiffusionsschicht als Hydrophobie insgesamt beibehalten, aber die Hydrophobie kann in einem Abschnitt in den defekten Bereichen unter Verwendung eines während eines Beschichtungsverfahrens erzeugten Defektes (1B), eines beim Herstellen eines Gewebematerials der Gasdiffusionsschicht erzeugten Defektes (1A) und dergleichen beibehalten werden.
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2 zeigt einen Graph, der eine Beziehung zwischen der Flüssigkeitssättigung, Stromdichte und Spannung beim Betreiben einer nicht befeuchteten Brennstoffzelle darstellt. Eine Kerntechnologie in dem Verfahren unter Verwendung eines während eines Beschichtungsverfahrens oder beim Herstellen eines Gewebematerials erzeugten Defektes ist, wie ein Grad einer Verteilung der hydrophilen Oberfläche beibehalten werden soll. 2 zeigt einen Graph, der die Ergebnisse darstellt, die durch Testen einer Gasdiffusionsschicht 200 in der gleichen Brennstoffzelle erhalten werden, während ein Sättigungsverhältnis geändert wird.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, ist in einem nicht befeuchteten Zustand die Menge an Wasser in der Gasdiffusionsschicht und der Katalysatorschicht unzureichend. Somit, da die hydrophilen Eigenschaften zunehmen, wird der elektrische Widerstand der Elektrolytmembran verringert, wodurch eine höhere elektrische Energie erhalten wird.
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Ein Flüssigkeitssättigungsverhältnis (s) ist ein Verhältnis eines Volumens Vw einer Flüssigkeit zu einem Porenvolumen Vp eines porösen Materials, das die Gasdiffusionsschicht bildet. Und zwar kann das Flüssigkeitssättigungsverhältnis als Vw/Vp ausgedrückt werden. Wie aus dem Graph ersichtlich ist, wenn das Flüssigkeitssättigungsverhältnis etwa 0,1 < s < 0,4 beträgt, weist die Brennstoffzelle eine gute Erzeugungsleistung auf. Hierbei kann das Flüssigkeitssättigungsverhältnis gleich einem Verhältnis einer hydrophilen Oberfläche zu der gesamten Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 200 sein. Somit, wenn das Verhältnis von einem Volumen an Wasser zu einem Volumen der Luftporen der Gasdiffusionsschicht 200 von etwa 0,1 bis 0,4 reicht, wird die Erzeugungsleistung der Brennstoffzelle maximiert. Und zwar kann das Verhältnis der hydrophilen Oberfläche über die gesamte Fläche der Gasdiffusionsschicht 200 gleich einem Verhältnis des Volumens an Wasser zu dem Volumen der Luftporen der Gasdiffusionsschicht 200 sein.
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3A bis 3C zeigen Diagramme, die Anordnungen innerhalb einer Brennstoffzelle gemäß jedem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen. Schwarze Kreise in den 3A bis 3C bezeichnen Defekte, die auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 200 erzeugt werden. Die Gasdiffusionsschicht 200 kann zwischen einer Katalysatorschicht 220 und einer Gaskanalschicht (oder einem Separator) 230 angeordnet werden. Eine hydrophobe Überzugsschicht kann auf einer Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 200 angeordnet werden. Ein Defekt einer hydrophoben Überzugsschicht 210 kann als solche während eines Beschichtungsverfahrens der Überzugsschicht 210 erzeugt werden und die Überzugsschicht 210 kann in verschiedenen Massenverhältnissen der Beschichtung gemäß den gewünschten Defektverteilungen gebildet werden.
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Insbesondere können Defekte 205 in 3A auf der gesamten Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 200 zufällig verteilt werden und Defekte 205 in 3B können auf der Katalysatorschicht- 220 Seite über der gesamten Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 200 konzentriert werden. Die Defekte 205 in 3C können ebenfalls auf der gegenüberliegenden Seite der Katalysatorschicht 220, nämlich auf der Seite der Gaskanalschicht 230, über der gesamten Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 200 konzentriert werden.
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Die Defekte 205 können auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 200 vorhandene Defekte sein oder können Defekte sein, die während eines Beschichtungsverfahrens erzeugt werden. Eine hydrophile Oberfläche kann von der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 200 aufgrund der Defekte 205 freigelegt sein. Demzufolge kann ein Hydrophilie-Verhältnis gemäß der freigelegten hydrophilen Oberfläche bestimmt werden und die Brennstoffzelle kann eine hohe Erzeugungsleistung aufweisen, wenn das Hydrophilie-Verhältnis von etwa 0,1 bis 0,4 wie oben beschrieben reicht.
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Die Überzugsschicht 210 kann durch Eintauchen der Gasdiffusionsschicht 200 gebildet werden oder kann durch Plasmabeschichtung, Spritzbeschichtung, Siebdruckbeschichtung oder Inkjet-Beschichtung gebildet werden, und hierbei kann ein Beschichtungsmaterial der Überzugsschicht 210 PTFE (Polytetrafluoräthylen), Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstoffnanopartikel oder ein organisches oder anorganisches Lösungsmittel sein.
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Um eine hydrophile Oberfläche auf der Oberfläche der hydrophoben Gasdiffusionsschicht zu realisieren, können Defekte auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht verwendet werden oder kann eine Gasdiffusionsschicht mit einem unterschiedlichen Verhältnis einer Hydrophobie-Beschichtung gemäß den erforderlichen Eigenschaften der 3B und 3C unter Verwendung des Hydrophobie-Beschichtungs-Massenverhältnisses der Überzugsschicht zu der Gasdiffusionsschicht verwendet werden. Und zwar weist in dem Fall von 3B die Gasdiffusionsschicht 200 an der Katalysatorschicht- 220 Seite ein niedrigeres Beschichtungsverhältnis mit einer großen Möglichkeit eines Defektes auf. In dem Fall von 3C weist die Gasdiffusionsschicht 200 an der Gaskanalschicht- 230 Seite ebenso ein niedrigeres Beschichtungsverhältnis mit einer großen Möglichkeit eines Defektes auf. Es kann nämlich eine Position der Defektverteilung in der Gasdiffusionsschicht 200 durch das obige Verfahren entsprechend eingestellt/angepasst werden.
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Die Brennstoffzelle gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit der wie oben beschriebenen Struktur weist in vorteilhafter Weise eine höhere elektrische Energie auf, die selbst in einem nicht befeuchteten Zustand durch Einstellen/Anpassen eines Sättigungsprozentsatzes einer Gasdiffusionsschicht erhalten werden kann. Im Detail kann die Leistung um ungefähr 100% relativ zu einer nicht defekten hydrophoben Gasdiffusionsschicht verbessert werden. Darüber hinaus können durch Implementieren eines Brennstoffzellensystems, so dass es nicht befeuchtet ist, das Gewicht und Volumen einer Befeuchtungsvorrichtung in einem bestehenden System verringert werden, und die Leistung und die Wettbewerbsfähigkeit einer Befeuchtungsvorrichtung können erhöht werden, indem die Stückkosten so weit wie deren Kosten gesenkt werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben worden ist, ist es für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung verschiedenartig modifiziert und geändert werden kann, ohne von der Lehre und dem Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die folgenden Ansprüche bestimmt ist, abzuweichen.
