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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und insbesondere auf
Brennstoffzellen, die eine feste Polymer-Elektrolytmembran haben,
um Protonen zwischen den Elektroden der Brennstoffzelle zu leiten,
und die Dochtstränge
aufweisen, um die Membran zu hydratisieren.
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Arbeit
wird im Allgemeinen von Brennstoff durch einen Verbrennungsprozess
abgeleitet, der den Druck von expandierenden Gasen verwendet, um
eine Turbine zu drehen oder einen sich hin und her bewegenden Kolben
zu bewegen und um schließlich
Drehmoment für
eine Antriebswelle zu liefern. Dieses Drehmoment wird dann üblicherweise zum
Antrieb oder zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet. Im letztgenannten
Fall wird die elektrische Energie häufig in mechanische Arbeit
zurückgewandelt.
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Die
Nebenprodukte des Verbrennungsprozesses sind Abgase, die die Atmosphäre verunreinigen
oder, wenn Verschmutzung zu vermeiden oder wenigstens zu verringern
ist, in eine Reaktion mit Katalysatoren gebracht werden, um günstige Verbindungen
zu erzeugen. Der vorgenannte Prozess ist gewöhnlich teuer und benötigt üblicherweise
Arbeiten und Geräte,
die eine extensive Überwachung
und Wartung erfordern um sicherzustellen, dass die Emission von
Verunreinigungen unter einem vorgeschriebenen Maximum gehalten wird.
Weiterhin gibt es Energieverluste, die auf natürliche Weise mit der Verwendung
von expandierenden Gasen verbunden sind, um eine Turbinen- oder
Kolbenmaschine anzutreiben, aufgrund der Ineffizienz des Verbrennungsprozesses
und der Reibung der sich bewegenden Teile.
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Eine
Lösung,
die die vorgenannten Nachteile vermeidet, die der Erzeugung von
Arbeit durch Verbrennen eines Brennstoffes innewohnen, ist die Brennstoffzelle,
die elektrische Energie direkt aus einer chemischen Reaktion erzeugt,
die einen Brennstoff mit der Hilfe von einem Katalysator oxidiert.
Es sind keine Zwischenschritte, wie beispielsweise Verbrennung,
erforderlich, noch wird eine Maschi ne benötigt, um elektrische Energie
aus dem Drehmoment von einer Antriebswelle zu erzeugen. Es wird
die chemische Energie des Brennstoffes viel effizienter ausgenutzt.
Da verschmutzende Abgase nicht emittiert werden, sind die begleitenden
Prozesse und Geräte, die
zum Neutralisieren dieser schädlichen
Nebenprodukte erfordert werden, nicht nötig.
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Die
einfachste Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch
einen Elektrolyten getrennt sind. Die Elektroden sind elektrisch
durch einen äußeren Stromkreis
verbunden, wobei eine widerstandsbehaftete Last zwischen ihnen liegt.
Elektrochemische Brennstoffzellen mit einem festen Polymer verwenden
im Allgemeinen eine Membran-Elektrodenanordnung oder "MEA", die aus einer Festpolymer-Elektrolytmembran
besteht, oder "PEM", die auch als eine
Protonenaustauschmembran bekannt ist, die zwischen den zwei Elektroden
angeordnet sind. Die Elektroden sind aus porösem, elektrisch leitfähigem Plattenmaterial
gebildet, üblicherweise Kohlenstofffaserpapier
oder -gewebe, das eine Gasdiffusion gestattet. Die PEM gestattet
auf einfache Weise die Bewegung von Protonen zwischen den Elektroden,
ist aber relativ undurchlässig
gegenüber Gas.
Sie ist auch ein schlechter elektronischer Leiter und verhindert
dadurch einen internen Kurzschluss der Zelle.
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Ein
Brennstoffgas wird zu der einen Elektrode, der Anode, geliefert,
wo es oxidiert wird, um Protonen und freie Elektronen zu erzeugen.
Die Erzeugung freier Elektronen erzeugt ein elektrische Potenzial,
oder eine Spannung, an der Anode. Die Protonen wandern durch die
PEM zur anderen Elektrode, der positiv geladenen Kathode. Ein reduzierendes Mittel
wird der Kathode zugeführt,
wo es mit den Protonen reagiert, die durch die PEM gelangt sind,
und den freien Elektronen, die durch die externe Schaltungsanordnung
geflossen sind, um ein Reaktionsprodukt zu bilden. Die MEA enthält einen
Katalysator, üblicherweise
auf Platinbasis, an jeder Grenzfläche zwischen der PEM und den
entsprechenden Elektroden, um die gewünschte elektrochemische Reaktion hervorzurufen.
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In
einem üblichen
Ausführungsbeispiel
der Brennstoffzelle ist Wasserstoffgas der Brennstoff und Sauerstoff
ist das oxidierende Mittel. Der Wasserstoff wird an der Anode oxidiert,
um H+ Ionen, oder Protonen, und Elektronen
zu bilden, gemäß der chemischen
Gleichung: H2 =
2H+ + 2e–
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Die
H+ Ionen durchqueren die PEM zur Kathode,
wo sie durch Sauerstoff und die freien Elektronen aus der externen
Schaltungsanordnung reduziert werden, um Wasser zu bilden. Die vorgenannte Reaktion
wird ausgedrückt
durch die chemische Gleichung: ½O2 + 2H+ + 2e– =
H2O
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Eine
Klasse von Brennstoffzellen verwendet eine feste PEM, die aus einem
Ionenaustausch-Polymer gebildet ist, wie beispielsweise Polyperfluorsulfonsäure, z.
B. eine Nafion® Membran,
die von E. I. DuPont de Nemours hergestellt wird. Ionentransport erfolgt
entlang Bahnen der Ionennetzwerke, die durch die anionischen (Sulfonsäure-Anion)-Gruppen gebildet
sind, die in dem Polymer existieren. Wasser ist um die Ionenorte
in dem Polymer herum erforderlich, um leitende Bahnen für den Ionentransport
zu bilden.
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Die
Ionenleitfähigkeit
von derartigen PEMs ist somit eine Funktion des Wassergehaltes in
dem Polymer. Genauer gesagt, die Leitfähigkeit sinkt, wenn der Wassergehalt
unter einen minimalen Schwellenwert abfällt. Wenn die Leitfähigkeit
abfällt, nimmt
der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ab bis, wenn das Polymer übermäßig trocken
wird, die Brennstoffzelle nichtleitend wird.
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Es
gibt mehrere Faktoren, die die Entfernung von Wasser aus der Anodenfläche der
PEM bewirken. In der Oxidationsreaktion erzeugte Wärme und auch
durch den Transport der freien Elektronen, d. h. IR Verluste, bewirken
Verdampfung. Wasser geht auch verloren durch elektroosmotischen
Transport durch Wasserstoff-Wasserverbindungen,
z. B. "Hydroniumionen" (H3O)+. Dies ist ein Prozess, in dem Wassermoleküle durch
die PEM durch Wasserstoff-Protonen "gezogen" werden, die von der Anode zur Kathode
wandern. Es wird angenommen, dass jedes H+ Ion
ein oder zwei Wassermoleküle
mit sich transportiert durch den Mechanismus von elektroosmotischem "Zug".
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Dehydratation
der Membran ist ein Problem, das für PEM Brennstoffzellen endemisch
ist. Es sammelt sich reichlich Wasser auf der Kathode, das durch
die Reduktion der H+ Ionen erzeugt ist und
das durch Elektroosmose durch die PEM transportiert worden ist,
und ein Teil von diesem Wasser wandert automatisch durch die PEM
hindurch zur Anode zurück
aufgrund des Mechanismus der Diffusion. Jedoch ist die Wasserrate,
die durch Diffusion zur Anode zurückwandert, nicht immer ausreichend,
um ein übermäßiges PEM
Austrocknen unter Hochstrom-Betriebsbedingungen zu verhindern, und
somit kann man sich auf Diffusion alleine nicht verlassen, um ein
Austrocknen unter dem Bereich von Betriebsbedingungen zu verhindern,
die in einer Brennstoffzelle erwartungsgemäß auftreten könnten.
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Eine
Lösung
zur Aufrechterhaltung einer angemessenen Hydratation der PEM besteht
darin, einen Befeuchter außerhalb
der Brennstoffzellenstruktur zu verwenden, um Wasser als Dampf oder
einen feinen Nebel in die Strömung
von Wasserstoffgas-Brennstoff einzuführen, der in die Anode strömt. Eine
andere Methode besteht darin, das Brennstoffgas als Blasen durch
Wasser zu leiten, das auf einer höheren Temperatur gehalten ist
als die Temperatur, bei der die Brennstoffzelle arbeitet.
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Es
gibt allerdings Grenzen für
die Wirksamkeit der Befeuchtung als eine lebensfähige Lösung, verursacht primär durch
die Einschränkungen,
die dem Mechanismus der Kondensation innewohnen. Genauer gesagt,
Wasser kondensiert in der Anode in einer Menge, die der Differenz
zwischen dem Sättigungs-Dampfdruck
des befeuchteten Brennstoffgases bei einer Befeuchtungstemperatur
und dem Sättigungs-Dampfdruck
bei einer Betriebstemperatur der Zelle entspricht. Die Differenz
zwischen der Befeuchtungstemperatur und der Betriebstemperatur der
Zelle ist üblicherweise
zu klein, um für
eine ausreichende Kondensation zu sorgen, um eine übermäßige Dehydratation
der PEM zu verhindern.
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Eine
Lösung
hat darin bestanden, die Temperaturdifferenz durch Erhöhen der
Befeuchtungstemperatur zu vergrößern. Jedoch
bewirkt die erhöhte
Befeuchtungstemperatur einen Anstieg in dem Partialdruck des Wasserdampfes,
der größer ist
als die begleitende Steigerung in dem Partialdruck des Brennstoffgases.
Diese ungleiche Erhöhung
in den Partialdrucken bewirkt eine Verkleinerung in der Menge des
Brennstoffgases pro Volumeneinheit in dem befeuchteten Gasgemisch,
das in die Brennstoffzelle eintritt, was seinerseits das Leistungsvermögen der
Brennstoffzelle nachteilig beeinflusst.
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Aber
selbst wenn die gasförmige
Mischung mit Wasser in einer ausreichenden Menge gesättigt ist,
um eine Dehydratation der PEM zu verhindern, und wenn man folglich
annimmt, dass die Menge an kondensiertem Wasser in ähnlicher
Weise angemessen ist, ist die Aufbringung des kondensierten Wassers über der
Oberfläche
der Anode nicht gleichförmig.
Vielmehr kondensiert der größte Teil
des Wassers auf demjenigen Teil der Anode, der der ankommenden Strömung am
Nähesten
gelegen ist, und die mehr entfernten Teile von der PEM werden der
Austrocknung ausgesetzt.
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Die
Menge an Feuchtigkeit, die durch ein gesättigtes Gas getragen wird,
und somit die Menge an kondensiertem Wasser kann vergrößert werden,
indem die Strömungsrate
des gesättigten
Gases vergrößert wird,
aber dies erfordert ein rezirkulierendes Gassystem, das Umwälzpumpen
und einige Mittel zum Ausfiltern von Verunreinigungen aufweist,
die die Tendenz haben, sich in dem unbenutzten Gas anzusammeln,
das durch das System umgewälzt
wird. Ein signifikanter Nachteil für die Befeuchtung des Brennstoffgases
und eines Umwälzsystems
im Besonderen ist die Notwendigkeit für Pumpen, Ventile, Heizeinrichtungen
und andere Geräte,
die zu den Gesamtkosten der Brennstoffzelle hinzukommen und ihr
Gewicht vergrößern und
ihre Betriebssicherheit nachteilig beeinflussen.
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Eine
Alternative zum Befeuchten des Brennstoffgases besteht darin, eine
Wasserströmung über die
Anode zu richten. Es gibt jedoch keine Rückführung bezüglich der Rate, in der flüssiges Wasser
in die PEM absorbiert wird, und diese Lösung liefert üblicherweise
viel mehr flüssiges
Wasser zur Anodenfläche
als die Menge, die absorbiert wird. Dieses überschüssige flüssige Wasser beschränkt den
Zugang des Brennstoffgases zu den Reaktionsorten auf der Anode und
hat infolgedessen eine nachteilige Wirkung auf das Leistungsvermögen der
Brennstoffzelle.
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Dochte
sind ebenfalls verwendet worden, um Wasser von einem Reservoir zur
Oberfläche
der Anode und PEM zu leiten. Genauer gesagt, das US-Patent 5,534,363
beschreibt eine Dochtstruktur, die aus einer hohlen Rohrleitung
mit porösen
Wänden
gebildet ist. Die Rohrleitung ist vollständig überdeckt durch ein poröses Gewebe
oder Schaum mit zahlreichen winzigen Gewebe- oder Schaumfingern,
die von der Oberfläche
des Belages ausgehen.
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Der
Belag haftet an der Oberfläche
der Anodenschicht der Brennstoffzelle an und ist aus einem Material
gebildet, das sich mit der porösen
Rohrleitung und der Anodenfläche
verbinden kann. Somit muss das Belagmaterial im Hinblick auf das
Material ausgewählt
sein, das zur Bildung der Anodenschicht verwendet ist. Wie in Spalte
6, Zeilen 38–46,
erwähnt ist,
kann die Auswahl der richtigen Anodendochtmaterialien ein Auseinandernehmen
und eine Analyse der Anode erfordern, weil ihre physikalischen und chemischen
Charakteristiken ein Handelsgeheimnis sein können.
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In
Spalte 7, Zeilen 13–28,
beschreibt ein alternatives Ausführungsbeispiel
einen Docht, der aus einer haarförmigen
Rohrleitung gebildet ist, die in die Form von einem Baumstamm mit
Verzweigungen gebracht ist. Diese Rohrleitung ist mit kleinen Löchern perforiert
und kann poröse
Gewebe- oder Schaumbeläge
erfordern oder nicht, was von den Benetzungscharakteristiken des
Anodenmaterials und den Hydratationserfordernissen der PEM abhängt. Da kein
alternativer Mechanismus offenbart ist, um diese alternative Dochtstruktur
an der Oberfläche
von der Anode zu befestigen, ist impliziert, dass diese Rohrleitung
ebenfalls aus einem Material zusammengesetzt sein muss, das sich
mit der Anodenschicht verbindet.
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Ein
anderes alternatives Anodendochtdesign ersetzt die porösen Gewebe- oder Schaumfinger durch
Gewebe, das aus hydrophilem (d. h. wasserbindend) Faden und hydrophobem
(wasserstoßenden)
Faden geknotet ist. Das gewirkte Gewebe enthält sich wiederholende quadratische
hydrophobe Bereiche, die alles flüssige Wasser im wesentlichen ausschließen und
den Durchtritt von Wasserstoffgas zur Anode gestatten. Jeder hydrophobe
Bereich ist von Zonen aus hydrophilen Streifen umgeben, die Wasserstoffgas
ausschließen
und gestatten, dass flüssiges
Wasser durch Dochtwirkung von der hohlen Rohrleitung zur Anodenfläche geleitet
wird.
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Wie
erwähnt,
verwenden die Dochte des vorgenannten Patents hohle Rohrleitungen,
die auf der Oberfläche
von der Anode liegen und daran durch Adhä sion befestigt sind. Es erfordert
eine Analyse von dem Anodenmaterial, weil die Rohrleitung oder der
Leitungsmantel aus einem Material gebildet sein muss, das sich mit
der Anode verbindet. Um einen derartigen Docht zu verwenden, müssen verschiedene
Brennstoffzellen auseinander genommen werden und ihre Anoden müssen analysiert
werden, um eine richtige Bindung sicherzustellen. Ein Docht muss speziell
gefertigt sein, um mit jeder Brennstoffzelle benutzt zu werden,
die eine Anode aufweist, die aus einem Material mit besonderen Bindungscharakteristiken
zusammengesetzt ist.
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US-Patent
5,322,744 beschreibt auch einen Docht zur Wasserzufuhr zu einer
Anode und schließlich
zu einer PEM. Genauer gesagt, in Spalte 10, Zeilen 1–4, offenbart
das Patent einen Docht, "...
der aus feinen Fäden
aus einem faserähnlichen
Material hergestellt ist, das vorzugsweise aus verschiedenen Naturfasern,
synthetischen Fasern oder metallischen Fasern ausgewählt ist,
wobei die feinen Fäden
miteinander verdreht sind." Die
verdrehten Fäden
bilden ein Bündel.
Jedes Objekt auf der Oberfläche
der Anode oder PEM, wie beispielsweise gebündelte Fäden, die einen Docht bilden,
verkleinern die Oberfläche,
die anderenfalls verfügbar
ist zum Transport von H+ Ionen, und es verringert
proportional die Stromdichte der Brennstoffzelle. Je dicker also
das Bündel, das
offensichtlich dicker ist als die einzelnen Fäden, desto mehr wird die Stromdichte
verringert und desto mehr leidet das Leistungsvermögen der
Brennstoffzelle.
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Das
Wasser wird zwischen den einzelnen Fasern, die das Bündel bilden,
entlang einer spiralförmigen,
gewundenen Bahn geleitet, im Gegensatz zu einer geradlinigen Bahn.
Die vorgenannte nichtlineare Strömungsbahn
erfordert, dass die Wassermoleküle
entlang einer längeren
Bahn wandern, um irgendeinen Teil der Oberfläche der Anode zu erreichen,
insbesondere in Bezug auf die Fläche
der Anode und der benachbarten PEM, die die weiteste Strecke entfernt
von der Wasserquelle für
das Dochtbündel
liegt. Dies erfordert mehr Arbeit von der Kapillarkraft, die die
Wassermoleküle
antreibt, und mehr Zeit für
das Wasser, die Strecke von der Wasserquelle bis zur PEM zu durchqueren.
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US-Patent
5,358,799 beschreibt die Verwendung von einem Kapillardocht, um
Wasser zur Anode und von der Kathode einer Brennstoffzelle zu leiten. In Spalte
5, Zeilen 59–60,
ist angegeben, dass die Kapillardochte aus "porösem
Graphit oder anderen geeigneten Materialien" gebildet sind.
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Mehrere
Referenzen des Standes der Technik offenbaren eine Faser oder einen
Strang, der drei hohle innere Bereiche hat, die sich auf der Länge des Stranges
in axialer Richtung erstrecken, der durch drei T-förmige Scheidewände gebildet
ist, die sich am Strangkern schneiden. Genauer gesagt, 3 von dem
US-Patent 5,759,394 stellt die vorgenannte Faser dar. Die Faser
schließt
ein festes Absorbens in den longitudinalen Bereichen ein. Das Absorbens
absorbiert unerwünschte
Moleküle
aus einer vorbeiströmenden
Luftströmung.
Dochtwirkung von Flüssigkeit ist
nicht offenbart oder angeregt.
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In
dem US-Patent 5,891,221 ist die vorgenannte Faserkonfiguration in 3 gezeigt
in Verbindung mit dem Führen
und Festhalten einer Flüssigkeit
mit einer Affinität
für unerwünschten
Geruch, den Gasphasenmoleküle
verursachen. Die Faser verwendet Kapillarwirkung, um die gewählte Flüssigkeit zu
ziehen, mit der sie durch ihre inneren Bereiche in Kontakt kommt.
Die Flüssigkeit
entfernt die unerwünschten
Gasphasenmoleküle
aus Luft, die herumströmt
und durch ein Bündel
der Fasern.
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3 des
US-Patents 5,704,966 zeigt ebenfalls eine Dochtfaser, die die vorgenannte
dreikeulige Konfiguration hat. Ein darin offenbartes Faserbündel wird
verwendet, um gasförmige
Verunreinigungen aus einer Luftströmung auszufiltern. Jede Faser
enthält
eine Flüssigkeit,
die die gasförmigen
Verunreinigungen einfängt.
Die Faser trägt
die Flüssigkeit,
die die eingefangenen Verunreinigungen enthält, zu einer anderen Luftströmung, die
sie aus der Faser abstreift und sie wegführt.
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Eine
Faser mit der vorstehend beschriebenen Dreikeulen-Konfiguration
ist in 1 des US-Patents 5,057,368 gezeigt. In Spalte
5, Zeilen 20–21,
ist die Flüssigkeits-Dochtwirkung
als eine ihrer Anwendungen benannt. 5 des US-Patents
5,713,971 zeigt ebenfalls eine mit drei Keulen versehene Faser mit
der oben genannten Konfiguration. In Spalte 4, Zeilen 58–62, offenbart
diese Referenz die Verwendung der Kapillarkraft, um eine Flüssigkeit
durch Dochtwirkung nach oben in das Innere der Faser zu ziehen.
Die Flüssigkeit
soll eine Affinität
für das
unerwünschte
Material haben, das aus einer Luftströmung zu entfernen ist.
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Die
letztgenannten vier Referenzen offenbaren jeweils eine mit drei
Keulen versehene Faser, die eine Faser oder einen Strang mit drei
hohlen inneren Bereichen aufweist, die sich für die Länge des Stranges in axialer
Richtung erstrecken. Jede dieser Referenzen gibt an, dass die dort
offenbarte Faser Flüssigkeit
durch Dochtwirkung transportieren kann. Jedoch offenbart oder empfiehlt
keine von ihnen die Verwendung einer derartigen Faser, um das lange anstehende
Problem der angemessenen Hydratisierung der PEM von einer Gasbrennstoffzelle
zu lösen.
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Wie
aus der vorstehenden Beschreibung gesehen werden kann, besteht gegenwärtig ein
Bedürfnis
in der Technik für
eine Hydratationseinrichtung, die die PEM von einer Brennstoffzelle
genügend
hydratisiert hält,
während
die Mängel,
Nachteile und Einschränkungen
des Standes der Technik überwunden
werden. Die vorliegende Erfindung befriedigt dieses Bedürfnis im
Stand der Technik.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Kurz
gesagt, ist in einer Brennstoffzelle eine PEM zwischen zwei Schichten
angeordnet, die aus einem Katalysatormaterial zusammengesetzt sind, so
dass eine sandwichartige Anordnung gebildet ist. Die Brennstoffzelle
enthält
ferner zwei Elektroden, die jeweils aus einer dünnen Schicht aus porösem Material
gebildet sind, das für
Flüssigkeit
und Gas durchlässig
bzw. permeable ist. Die zwei Elektroden sind auf jeder Seite der
sandwichartigen Anordnung angeordnet, so dass die eine Fläche von
jeder Elektrode an einer Katalysatorschicht anliegt.
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Die
verbleibende Fläche
von jeder Elektrode stößt auf entsprechende
Weise an einer nichtporösen
bipolaren Platte an. Die bipolare Platte hat Vertiefungen zur Gasströmung und
dient als ein Verteiler, um Brennstoffgas über die anstoßende Elektrode zu
verteilen. Die zwei bipolaren Platten sind leitend und sind elektrisch
durch eine äußere Schaltungsanordnung
verbunden.
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Dochtstränge sind
zwischen jeder Katalysatorschicht und der benachbarten PEM angeordnet. Jeder
Strang ist aus einer Dreikeulen-Faser aufgebaut. Die Stränge sind
in einem sich wiederholenden Muster angeordnet, so dass sie sich
einander nicht überkreuzen
oder überlappen.
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Wasserstoff-Brennstoffgas
strömt
durch die Vertiefungen in der bipolaren Anodenplatte, verteilt sich über die
Anodenelektrode und reagiert mit dem Katalysator, um freie Elektronen
und H+ Ionen zu erzeugen. Die Elektronen
strömen
zur Kathodenelektrode durch die äußere Schaltungsanordnung,
und die H+ Ionen wandern durch die PEM zur
Kathodenelektrode. Die Dochtstränge,
die an der PEM Oberfläche
anstoßen,
die auf die Anodenelektrode gerichtet ist, leiten flüssiges Wasser
von einem Reservoir zu der vorstehend beschriebenen PEM Oberfläche, um eine
angemessene Hydratation der PEM aufrechtzuerhalten.
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Sauerstoffgas
strömt
durch die Vertiefungen der Kathode der bipolaren Platte und reagiert
mit den H+ Ionen und den freien Elektronen,
um flüssiges Wasser
zu bilden. Die Dochtstränge,
die an der PEM Oberfläche
anliegen, die auf die Kathodenelektrode gerichtet ist, leiten flüssiges Wasser
von der Oberfläche
der PEM zu einem Ausgangs-Reservoir.
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Diese
und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verständlich
bei Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen, die Beschreibung und
die Ansprüche.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine auseinandergezogene schematische Darstellung von einer Brennstoffzelle
mit einer festen PEM und parallelen Dochtsträngen gemäß der Erfindung;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht von einem mit drei Keulen versehenen
Dochtstrang gemäß der Erfindung;
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3 ist
eine schematische Darstellung und zeigt eine geschnittene Seitenansicht
von einer Brennstoffzelle mit einer PEM und den Dochtsträngen gemäß der Erfindung;
-
4 ist
eine schematische Darstellung und zeigt eine vergrößerte geschnittene
Teilseitenansicht von einer Brennstoffzelle mit einer PEM und den Dochtsträngen gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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5 ist
eine schematische Darstellung und zeigt eine geschnittene Seitenansicht
von mehreren Brennstoffzellen, die jeweils eine PEM und die Dochtstränge gemäß der Erfindung
in einer gestapelten Konfiguration aufweisen.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Eine
auseinander gezogene Ansicht der Brennstoffzelle 11 ist
in 1 gezeigt. Die Brennstoffzelle 11 ist
aus einer Anodenseite 13 und einer Kathodenseite 15 gebildet
und weist ferner eine PEM 17 auf, die aus einem festen
Ionenaustauschpolymer gebildet ist, wie beispielsweise Polyperfluorsulfonsäure, z.
B. eine Nafion® Membran,
die von E. I. DuPont de Nemours hergestellt wird. Die PEM 17 trennt die
zwei Seiten elektronisch und sorgt trotzdem für die Leitung von Protonen
zwischen ihnen, wobei die Signifikanz davon nachfolgend erklärt wird.
Die Anodenseite 13 ist von Dochtsträngen 19, einer Anoden-Katalysatorschicht 21,
einer Anoden-Elektrode 23 und einer Anoden-Bipolarplatte 25 gebildet.
Die Kathodenseite ist von Dochtsträngen 27, einer Kathoden-Katalysatorschicht 29,
einer Kathoden-Elektrode 21 und einer Kathoden-Bipolarplatte 33 gebildet.
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Die
Katalysatorschichten 21 und 29 sind auf entsprechende
Weise gegen die zwei etwa ebenen Flächen der PEM 17 angeordnet,
um eine sandwichartige Anordnung zu bilden. Die Katalysatorplatten 21 und 29 sind
porös und
aus einer von einer Anzahl Platin-basierter Verbindungen aufgebaut,
die für den
Fachmann bekannt sind und die die Dissoziation von Wasserstoffgas
präzipitieren,
um H+ Ionen und freie Elektronen zu bilden.
Die Elektroden 23 und 31 sind jeweils aus einer
dünnen
Schicht aus porösem Material
aufgebaut, das für
Flüssigkeit
und Gas durchlässig
ist. Üblicherweise
wird für
diesen Zweck Kohlenstofffaserpapier oder -gewebe verwendet.
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Die
Stränge 19 sind
zwischen der Katalysatorschicht 21 und der PEM 17 so
angeordnet, dass sie auf dem größten Teil
ihrer entsprechenden Längen
mit der PEM 17 in Kontakt sind. Die Stränge 27 sind zwischen
der Katalysatorschicht 29 und der PEM 17 so angeordnet,
dass sie auf dem größten Teil ihrer
entsprechenden Länge
mit der PEM 17 in Kontakt sind. Die Dochtstränge 19 und 27 sind
jeweils identisch. Eine perspektivische Ansicht von einem einzelnen
Strang 19 ist in 2 gezeigt.
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Wie
dort gezeigt ist, enthält
der Strang 19 radial vorstehende Keulen 34, 35 und 36.
Jeweils zwei Keulen bilden einen Kanal zwischen sich für die Strömung von
Wasser. Genauer gesagt, der Kanal 37 ist zwischen Keulen 34 und 35 gebildet,
der Kanal 38 ist zwischen Keulen 35 und 36 gebildet
und der Kanal 39 ist zwischen Keulen 34 und 36 gebildet.
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Wasser
wird entlang der axialen Achse 40 des Stranges 19 durch
Kanäle 37, 38 und 39 geleitet. Beispielsweise
werden durch den Kanal 37 strömende Wassermoleküle durch
die Keulen 34 und 35 gehindert, sich quer zu bewegen.
Stattdessen ist der Weg des geringsten Widerstandes die axiale Strömung entlang
dem Kanal 37. Die Kapillarkraft, die auf das Fluidwasser
wirkt, zwingt es dazu, in axialer Richtung in dem Kanal 37 zu
strömen,
bis der Kanal 37 auf der Fläche der PEM 17 anstößt, wo das
lokale Fehlen von Wasser eine ausreichende Kapillarkraft erzeugt,
um die Oberflächenspannung
auf der Wasserfläche
zu überwinden,
die zwischen den Keulen 34 und 35 liegt, und das
Wasser in dem Kanal 37 zwingt, sich quer zur axialen Achse 40 und
auf die Stoßfläche der
PEM 17 zu bewegen.
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Die
Querströmung
von Wasser aus dem Kanal 37 auf die Stoßfläche der PEM 17 setzt
sich fort, bis die Fläche
ausreichend hydratisiert ist, um ein äquivalentes chemisches Potential
zu erreichen, das, in Kombination mit den Keulen 34 und 35,
die Querströmung
von Wasser hemmt und bewirkt, dass es sich weiterhin in axialer
Richtung bewegt, bis der Kanal 37 gegen einen trockenen
Oberflächenbereich der
PEM 17 anstößt. Der
gleiche Mechanismus funktioniert in Bezug auf Wasser, das durch
die Kanäle 38 und 39 fließt. Obwohl
sich der Strang 19 verdreht, wenn er die Fläche der
PEM 17 durchquert, stellt das Vorhandensein von drei parallelen
axialen Kanälen sicher,
dass wenigstens einer der Kanäle
nahezu immer an der PEM 17 anstößt und Wasser zu verschiedenen
Bereichen davon leitet, wie es zuvor beschrieben wurde.
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Jeder
der Stränge 27 funktioniert
in einer ähnlichen
Art und Weise, um Wasser von der Oberfläche der PEM 17 weg
zu leiten. Die TriadTM Faser, die von Honeywell
International Inc. hergestellt wird, hat den bevorzugten Dreikeulen-Querschnitt, wie
er in 2 gezeigt ist, und ist somit geeignet zur Verwendung
als Stränge 19 und 27.
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Die
Stränge 19 sind
vorzugsweise in einem sich wiederholenden Muster angeordnet. Dies
gestattet, dass die Oberfläche
der PEM 17 angemessen hydratisiert wird, wobei nur die
minimalen Längen
der Stränge 19 erforderlich
sind. Indem unnötige
Längen der
Stränge 19 vermieden
werden, wird der Oberflächenbereich
der PEM 17 minimiert, der durch Stränge 19 überdeckt
ist und dadurch für
die Transmission von H+ Ionen verdeckt und
unbrauchbar gemacht wird.
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Vorzugsweise
sollten sich die Stränge 19 nicht überkreuzen
oder auf andere Weise einander überlappen,
weil nur der überlappte
Abschnitt des Stranges 17, der an der PEM 17 anstößt, wie
beabsichtigt arbeiten würde,
um Wasser zur Stoßfläche der
PEM 17 zu leiten. Der überlappende
Abschnitt des Stranges 19, der nicht an der PEM 17 anstößt, das
heißt,
zwischen dem darunter liegenden Strang und der Katalysatorschicht 21 liegt,
würde nicht
in der Lage sein, an dieser Stelle Wasser zur PEM 17 zu
leiten, weil die Leitung von dem Kontakt mit einem trockenen Oberflächenbereich
abhängt,
und der darunter liegende Strang würde nicht hydratisiert werden. Der
darunter liegende Strang würde
somit nur zu einer Vergrößerung der
Länge des
Stranges beitragen, die zum angemessenen Hydratisieren der PEM 17 erforderlich
ist.
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Die
Stränge 27 sind
vorzugsweise in einem sich wiederholenden Muster ohne Überlappung
aus den gleichen Gründen
angeordnet. Wie in 1 gezeigt ist, sind die Stränge 19 und 27 parallel
zueinander angeordnet, wobei der entsprechende Abstand zwischen
jedem Paar benachbarter Stränge
etwa gleich ist.
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Die
bipolaren Platten 25 und 33 sind aus leitfähigem, nichtporösem Material
gebildet, das undurchlässig
für Gas
und Flüssigkeit
ist. Eine elektrische Schaltungsanordnung 41 verbindet
elektrisch die bipolaren Platten 25 und 33. Die
Anoden-Bipolarplatte 25 enthält eine Stirnfläche 42,
parallele Vertiefungen 43, einen Einlass 44 und
einen Ausgang 45. Die Vertiefungen 43 sind in
die ansonsten planare Fläche 42 geschnitten.
Die Vertiefungen 43 kommunizieren fluidisch miteinander,
mit dem Einlass 44 und mit dem Auslass 45. die
Anoden-Bipolarplatte 25 liegt an die Anoden-Elektrode 23 so
an, dass die Anoden-Elektrode 23 gegenüber den Vertiefungen 43 und
irgendeinem hindurchströmenden
Gas ausgesetzt ist.
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Die
Kathoden-Bipolarplatte 33 enthält eine Stirnfläche 46,
parallele Vertiefungen 47, einen Einlass 48 und
einen Ausgang 49. Die Vertiefungen 47 sind in
die ansonsten planare Stirnfläche 46 geschnitten.
Die Vertiefungen 47 kommunizieren fluidisch miteinander,
mit dem Einlass 48 und mit dem Ausgang 49. Die
Kathoden-Bipolarplatte 33 stößt an die Kathoden-Elektrode 31 so
an, dass die Kathoden-Elektrode 31 gegenüber den
Vertiefungen 47 und irgendeinem hindurchströmenden Gas
ausgesetzt ist.
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht der Brennstoffzelle 11. 4 ist
eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht
der Brennstoffzelle 11. Wie insbesondere in 3 gezeigt
ist, kommunizieren die Stränge 19 mit
Wasser 51 im Wasserreservoir 53, der Einlass 44 kommuniziert
fluidisch mit dem Wasserstoff-Brennstoffgas 55 aus
einer Wasserstoff-Gasquelle (nicht gezeigt) und der Ausgang 45 verbindet fluidisch
Abgas 57 mit einem Abgas-Reservoir (nicht gezeigt). Der
Druck der Wasserstoffquelle ist auf einem Druck gehalten, der genügend größer als
derjenige von dem Abgas-Reservoir ist, um eine Fluidströmung von
der Wasserstoffgasquelle, durch die Vertiefungen 43 hindurch
(in 3 nicht gezeigt) und in das Abgas-Reservoir hinein
sicherzustellen. Der Druck in dem Wasser-Reservoir 53 ist
auf einem Pegel leicht größer als
der Druck in den Vertiefungen 43 gehalten, um die Leckage
von Wasserstoff-Brennstoffgas 55 in das Wasser-Reservoir 53 zu
verhindern oder zu verringern.
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In
Bezug auf die Kathodenseite 15 der Brennstoffzelle 11 kommunizieren
die Stränge 27 mit dem
Wasser-Reservoir 59, der Einlass 48 kommuniziert
fluidisch mit Sauerstoffgas 61 aus einer Sauerstoffgasquelle
(nicht gezeigt) und der Ausgang 49 verbindet fluidisch
Abgas 63 mit einem Abgas-Reservoir (nicht gezeigt). Der
Druck der Sauerstoffgasquelle wird auf einem höheren Druck als der Druck in
dem Abgas-Reservoir gehalten, um die Fluidströmung des Sauerstoffgases 61 durch
die Vertiefungen 47 sicherzustellen.
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Nach
dem Strömen
in die Vertiefungen 43 strömt Wasserstoff-Brennstoffgas 55 durch
die Anoden-Elektrode 23 und kommt mit der Katalysatorschicht 21 in
Kontakt, woraufhin es dissoziiert, um H+ Ionen
und freie Elektronen gemäß der folgenden Gleichung
zu bilden: H2 =
2H+ + 2e–
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Die
Erzeugung freier Elektronen erzeugt eine Spannung zwischen der Anoden-Bipolarplatte 25 und
der Kathoden-Bipolarplatte 33. Die Schaltungsanordnung 41 enthält eine
Last 65. Wenn die Last 65 durch die vorgenannte
Spannung gespeist wird, wird der Stromkreis 41 geschlossen
und es fließt
Strom zur Kathoden-Bipolarplatte 33.
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Wenn
die PEM 17 dehydratisiert aufgrund von Verdampfung und
elektroosmotischem Transport, wird Wasser 51 durch Kapillarwirkung
aus dem Wasser-Reservoir 53 durch
die Stränge 19 hindurch und
auf die Fläche
der Anodenseite der PEM 17 gezogen. Ein Gleichgewicht zwischen
den Strängen 19 und
der PEM 17 wird durch Kapillarwirkung beibehalten, um die
PEM 17 hydratisiert zu halten. Sollte umgekehrt die PEM
mit Feuchtigkeit gesättigt
werden, wird die Antriebskraft der Kapillarwirkung absinken und
die Leitung von Wasser 51 auf die PEM 17 abflauen.
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Die
H+ Protonen durchqueren die PEM 17 zur
Kathoden-Elektrode 31, wo, präzipitiert durch die Katalysatorschicht 29,
sie durch Sauerstoffgas 61 und die freien Elektronen reduziert
werden, die von dem Stromkreis 41 aus der Anoden-Bipolarplatte 25 geleitet
werden, um Wasser zu bilden. Die vorgenannte Reaktion wird durch
die chemische Gleichung ausgedrückt: ½O2 + 2H+ + 2e– =
H2O
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Überschüssiges Wasser
wird durch Kapillarwirkung aus der PEM 17 durch die Stränge 27 und
in das Wasser-Reservoir 59 hinein entfernt.
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Die
andere Fläche
der Anoden-Bipolarplatte 25 kann an der Kathode von einer
benachbarten Brennstoffzelle anstoßen. In einer derartigen Konfiguration
würde diese
Fläche
die Vertiefungen, den Sauerstoff-Gaseinlass und den Ausgang haben,
die zuvor in Verbindung mit der Kathoden-Bipolarplatte 23 beschrieben
sind, und sie würde
in einer identischen Art und Weise funktionieren. Eine derartige Platte
wird eine Bipolarplatte genannt, weil sie an der Anoden-Elektrode
von der einen Brennstoffzelle und an der Kathoden-Elektrode von
einer benachbarten Brennstoffzelle anliegt. Die benachbarten Brennstoffzellen
sind elektrisch in Reihe verbunden. Dies ist als eine "gestapelte" Brennstoffzellenkonfiguration
bekannt.
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Eine
weitere Stapelbildung könnte
erhalten werden, indem eine weitere benachbarte Brennstoffzelle
in Stoßverbindung
mit der Kathoden-Bipolarplatte 33 hinzugefügt wird. 5 zeigt
drei Brennstoffzellen 11 gemäß der Erfindung in einer gestapelten
Konfiguration 67.
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Brennstoffzelle, die Kapillar-Dochtstränge verwendet,
um Wasser zu liefern, wenn der Hydratationspegel der Anodenseite
der PEM zu niedrig ist und die Gefahr des Austrocknens besteht,
und sie entfernt überschüssiges Wasser
von der Kathodenseite der PEM. Sie erreicht dies, ohne das Leistungsvermögen der Brennstoffzelle
einzuschränken
oder nachteilig zu beeinflussen. Da die Erfindung eine richtige
Hydratation sicherstellt, ohne dass extensives Gerät erforderlich
ist, um das Wasserstoff-Brennstoffgas zu befeuchten oder befeuchtetes
Wasserstoff-Brennstoffgas umzuwälzen,
realisiert sie verbesserte Betriebssicherheit, verringerte Wartung,
verringertes Gewicht und Kosteneinsparungen gegenüber bekannten
Einrichtungen.
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Weiterhin
müssen
die Dochtstränge
gemäß der Erfindung
nicht mit der Anode bzw. der Kathode oder mit der PEM verbunden
sein, und somit ist keine Analyse der Zusammensetzung der vorgenannten Brennstoffzellenkomponenten
nötig,
da die Dochtstränge
nicht aus einem Material aufgebaut sein müssen, das mit den vorgenannten
Komponenten verbunden werden kann. Die Dochtstränge gemäß der Erfindung können mit
Brennstoffzellenelektroden oder PEMs verwendet werden, die aus praktisch
jedem Material zusammengesetzt sind.
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Weiterhin
sind die Dochtstränge
gemäß der Erfindung
jeweils aus einer einzelnen Faser aus Dochtmaterial aufgebaut. Das
geleitete Wasser strömt
entlang einer nahezu geradlinigen Bahn, die kürzer als die gewundene Bahn
ist, die von bekannten Dochten gefordert wird, die aus gebündelten
Fasern zusammengesetzt sind. Die erforderliche Kapillarkraft, um
Wasser durch diese nahezu gerade Bahn zu bewegen, ist kleiner als
für die
bekannte gewundene Bahn. Auf der Anodenseite der PEM gestattet dies,
dass die vorliegende Erfindung schneller auf eine trockene PEM anspricht
und anspricht, wenn der Hydratationspegel kleiner ist im Vergleich
zu den gebündelten
Faserdochten des Standes der Technik. Auf der Kathodenseite der
PEM gestattet dies, dass die vorliegende Erfindung schneller auf
eine feuchte PEM anspricht und anspricht, wenn der Hydratationspegel
höher ist
im Vergleich zu den bekannten gebündelten Fasern.
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Die
einzelne Faser, die jeden der Stränge gemäß der vorliegenden Erfindung
bildet, ist wesentlich schmaler als die bekannten gebündelten
Faserdochte und leitet trotzdem Wasser mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit.
Weiterhin sind die Dochtstränge
gemäß der Erfindung
nicht durch ein poröses
Gewebe oder Schaum überdeckt.
Die Dochtstränge
gemäß der Erfindung überdecken
somit weniger Oberfläche
von der PEM als die bekannten Dochte und sie lassen dadurch mehr
Fläche
verfügbar
für die
Transmission von H+ Ionen. Dies vergrößert die
Stromdichte und verbessert das Leistungsvermögen der Brennstoffzelle.