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Diagnosezelle, Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Diagnosezelle sowie Verfahren zum diagnostizieren einer Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung
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Die Erfindung betrifft eine Diagnosezelle für eine Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung sowie eine Brennstoffzellenvorrichtung, die mit einer solchen Diagnosezelle ausgestaltet ist sowie ein Verfahren zum diagnostizieren einer Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung.
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Stand der Technik
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Mit der
JP 2013171701 A ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Diagnosevorrichtung bekannt geworden, bei der ein Brennstoffzellenmitglied eines Brennstoffzellenstacks über die Diagnosevorrichtung überwacht wird. Dazu wird das Brennstoffzellenmitglied über eine Stromquelle beaufschlagt und die Stromantwort ausgewertet.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die Diagnosezelle mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass sie als von der Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung trennbare Zelle nicht nur hinsichtlich ihrer Stromantwort auf einen Stromaufschlag ausgewertet werden kann. Vielmehr ist es möglich insbesondere die sensitive Schicht der Diagnosezelle weiteren Diagnoseverfahren zu unterziehen und, weil die sensitive Schicht aus einem Material besteht oder aufgebaut ist, das gleich oder ähnlich ist zu dem Material der zu diagnostizieren den Schicht, Rückschlüsse auf das Alterungsverhalten und die Qualität der Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung als solches zu ziehen.
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Unter Kraft-Wärme-Kopplungsanwendungen werden Anlagen verstanden, die für die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie, die in der Regel in elektrische Energie umgewandelt wird, und Wärmeenergie vorgesehen sind. Solche Anlagen können beispielsweise Brennstoffzellenvorrichtungen aufweisen, die aus Wasserstoff- oder Kohlenstoff-haltigen Gasen über eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstack, der mehrere Brennstoffzellen umfasst, direkt elektrischen Strom erzeugen.
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Durch die in den Unteransprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Diagnosezelle nach dem Hauptanspruch möglich. So ist es einfach möglich die Qualität einer Brennstoffzelle zu erkennen, wenn die sensitive Schicht einer Anode, einer Katode oder eines Elektrolyten einer Brennstoffzelle entspricht. Darunter, dass sich die Schichten entsprechen, soll verstanden werden, dass deren Materialien und deren Aufbau von gleicher oder zumindest sehr ähnlicher Struktur sind, so dass von einem gleichen oder sehr ähnlichem Verhalten ausgegangen werden kann.
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Einen Gesamtüberblick kann einfach dadurch erhalten werden, wenn mehrere sensitive Schichten vorgesehen sind, die einer Anode, einer Kathode und/oder eines Elektrolyten einer Brennstoffzelle entsprechen.
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Die Diagnosezelle ist besonders einfach zu handhaben, wenn die sensitive Schicht oder Schichten in einem Gehäuse untergebracht sind, das an die Umgebung der zu diagnostizierenden Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung adaptierbar ist. Unter adaptierbar soll verstanden werden, dass das Gehäuse so ausgebildet ist, dass es an unterschiedliche Anwendungen und Einsätze angepasst werden kann. Dies kann dadurch erfolgen, dass ein Gehäuse mehrere Anschluss- oder Verbindungsmöglichkeiten bereitstellt oder dass unterschiedliche Gehäuse vorgesehen sind, die ihrerseits die sensitive Schicht oder Schichten aufnehmen und entsprechend verbunden und angeschlossen werden können.
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Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer eine Brennstoffzelle aufnehmenden Kammer und mit einer Diagnosezelle die so ausgeführt ist, dass die Diagnosezelle als von der Brennstoffzelle separates Bauteil an oder in einer Wand der Kammer so angeordnet ist, dass die mindestens eine sensitive Schicht den gleichen Bedingungen wie die zu diagnostizierende Schicht ausgesetzt ist. Eine solche Brennstoffzellenvorrichtung kann einfach und sicher über die trennbare Diagnosezelle überprüft werden. Insbesondere wenn die Brennstoffzelle in ihrer Leistung nachlässt ist es nicht notwendig, die komplette Brennstoffzelle zu zerlegen und zu prüfen, es reicht die Diagnosezelle und insbesondere deren sensitive Schicht zu prüfen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer eine Brennstoffzelle aufnehmenden Kammer und mit einer Diagnosezelle, bei der die Diagnosezelle als von der Brennstoffzelle separates Bauteil an oder in der Kammer so angeordnet ist, dass die mindestens eine sensitive Schicht den gleichen Bedingungen wie die zu diagnostizierende Schicht ausgesetzt ist. Auch hier kann die Diagnosezelle im Störfall entnommen und ausgewertet werden, ohne dass dafür einzelne Brennstoffzellenmitglieder unter Umständen sogar zerstört werden müssten.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Diagnostizieren einer Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung, insbesondere einer Brennstoffzelle, mittels einer separaten Diagnosezelle, bei dem die mindestens eine sensitive Schicht den gleichen Bedingungen ausgesetzt wird, insbesondere von den gleichen Gasen durchspült wird, wie die zu diagnostizierende Schicht. Auf diese Weise altert die sensitive Schicht in gleicher Weise wie die aktiven Schichten der Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung oder unterliegt den gleichen durch die eingeführten Gase ausgelösten Störungen.
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Das Verfahren vereinfacht sich, wenn die Diagnosezelle in einer Kammer einer Brennstoffzellenvorrichtung und/oder an einer Wand einer Kammer einer Brennstoffzellenvorrichtung angeordnet wird. Auf diese Weise kann die Diagnosezelle in einem Verfahrensschritt der Kammer oder der Kammerwand entnommen und in einem weiteren Schritt überprüft werden.
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Es ist von Vorteil, wenn die Diagnosezelle seriell zu der zu diagnostizierenden Schicht angeordnet ist, weil dann genau die Gase durch die Diagnosezelle gehen, von denen auch die aktiven Schichten der Brennstoffzellenvorrichtung beaufschlagt werden.
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Wird die Diagnosezelle parallel zu der diagnostizierenden Schicht angeordnet, wird sie zum einen im wesentlichen von den gleichen Gasen durchströmt ohne aber zum anderen den Durchfluss als solchen zu beeinflussen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Diagnosezelle regelmäßig und/oder zu vorgegebenen oder vorgebaren Zeitpunkten mit Hilfe von physikalischen Messungen und/oder über analytische Verfahren ausgewertet und auf den Zustand der zu diagnostizierenden Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung, insbesondere der Brennstoffzelle, geschlossen wird. Unter physikalischen Messungen wird hierbei verstanden, dass die sensitive Schicht bzw. Schichten auf ihre Reaktion auf Strom, Spannung, Wärme, Licht verschiedene Frequenzen usw. ausgewertet wird. Eine analytische Auswertung beinhaltet chemische Verfahren, beispielsweise Beaufschlagung mit verschiedenen Fluiden und Gasen, optische Verfahren, die über mikroskopische Analysen Erkenntnisse suchen und mechanische Verfahren, die vom einfachen vermessen bis hin zur Zerstörung der sensitiven Schicht erreichen.
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Zeichnung
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Diagnosezelle, einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung sowie die besondere Anordnung im Verfahren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Diagnosezelle,
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2 eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Diagnosezelle in einer Wand,
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3 eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Diagnosezelle in einer Kammer,
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4 eine für ein diagnostizierendes Verfahren zu einer Brennstoffzellenvorrichtung parallel angeschlossene Diagnosezelle und
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5 eine für ein diagnostizierendes Verfahren zu einer Brennstoffzellenvorrichtung seriell angeschlossenen Diagnosezelle.
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Beschreibung
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In der Beschreibung werden für gleiche Bauteile auch in verschiedenen Ausführungsbeispielen gleiche Bezugszeichen verwendet.
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In 1 ist eine Diagnosezelle 10 dargestellt, wie sie für eine Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung 12 eingesetzt werden kann. Im Ausführungsbeispiel umfasst die schematisch dargestellte Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung 12 eine Brennstoffzelle 14 mit mindestens einer zu diagnostizieren den Schicht 16.
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In der einfachsten Form weist die Diagnosezelle 10 eine sensitive Schicht 18 auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dieses sensitive Schicht 18 aus einem Material besteht oder aufgebaut ist, das gleich oder ähnlich ist zu dem Material der zu diagnostizierenden Schicht 16. Wie ferner in 1 zu erkennen ist, ist die Diagnosezelle 10 von der Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung 12 getrennt angeordnet. Die Diagnosezelle 10 stellt ein separates Bauteil dar, das in beliebiger Form mit der Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung 12 verbunden werden kann.
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Diagnosezelle 10 nutzt man die keramische Mehrschichttechnik, die erlaubt, alle Funktionsschichten inklusive einem Träger in einem Sinterschritt zu einem monolithischen Bauteil zusammen zu sintern. Hierfür müssen die einzelnen Materialien eine ähnliche Sinterkinetik und Schwindung besitzen, damit keine Risse oder Abplatzungen entstehen.
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Wie in 1 zu erkennen ist, weist im Ausführungsbeispiel die Diagnosezelle 10 mehrere sensitive Schichten 18, 20, 22 auf. Je nach Anwendungsfall können diese Schichten 18, 20, 22 gleichartig oder verschiedenartig sein. Im Ausführungsbeispiel (2) entspricht die sensitive Schicht 18 einer Anode 24, die sensitive Schicht 20 einer Katode 26 und die sensitive Schicht 22 einem Elektrolyten 28 einer Brennstoffzellenvorrichtung 30.
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Die Diagnosezelle 10 umfasst ferner, wie in 1 dargestellt, ein Gehäuse 32, das die sensitive Schichten 18, 20, 22 aufnimmt. Das Gehäuse 32 weist im Ausführungsbeispiel vier Anschlussstutzen 34 auf, von denen zwei mit der Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung 12 verbunden sind. Die beiden anderen Anschlussstutzen 34 sind mit Ventilen 36 verschlossen. Die Anschlussstutzen 34 sind mit Öffnungen 38 des Gehäuses 32 verbunden. Über die Ventile 36 können die einströmenden Gase portiniert weitergeleitet werden.
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Über die Öffnungen 38 sowie die Anschlussstutzen 34 ist das Gehäuse 32 an die Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung 12 angeschlossen. Damit können die auf die Brennstoffzelle 14 einwirkenden Gase und/oder Fluide auch auf die sensitiven Schichten 18, 20, 22 einwirken und dort die gleichen Rahmenbedingungen wie bei der Brennstoffzelle 14 erzeugen. Veränderungen, insbesondere das Altern der Schichten der Brennstoffzelle 14, treten dann auch bei den sensitiven Schichten 18, 20, 22 der Diagnosezelle 10 auf.
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Die erfindungsgemäße Diagnosezelle 10 kann so hergestellt werden, dass ungesinterte Folien aus Yttriumoxid-dotiertem Zirkonoxid verwendet werden, wobei eine Folie mit zu Pasten verarbeiteten Anoden- und Katodenmaterial mittels Siebdruck bedruckt wird. Eine zweite Folie wird formgenau so gestanzt, dass ein Kanal für die Prozessgase entsteht und die dritte Folie bleibt unbehandelt. Alle drei Folien werden übereinandergelegt und in einem thermischen Prozess unter Druck und Temperatur zusammenlaminiert.
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In 2 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung 30 dargestellt, die eine Brennstoffzelle 14 aufweist, die von einem Brennstoffzellengehäuse 40 aufgenommen ist. Das Brennstoffzellengehäuse 40 weist eine Wand 42 auf, in der eine Öffnung 44 vorgesehen ist.
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Die Diagnosezelle 10 ist in der Wand 42 des Brennstoffzellengehäuses 40 so angeordnet, dass die mindestens eine sensitive Schicht 18 den gleichen Bedingungen ausgesetzt ist, wie die zu diagnostizierendes Schicht, die Anode 24. Dazu weist das Gehäuse 32 der Diagnosezelle 10 eine offene Seite auf und ist ansonsten dicht mit der Wand 42 verbunden.
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Um die Bedingungen für die Diagnosezelle 10 stärker an die Bedingungen der Brennstoffzelle 14 anzupassen, kann es vorgesehen sein, den vom Gehäuse 32 umschlossenen Bereich mit dem die Katode 26 beaufschlagenden Gas zu befüllen. Es kann auch vorgesehen sein, eine analoge Struktur auf der katholischen Seite vorzusehen.
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In 3 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung 30 dargestellt, die eine von einem Brennstoffzellengehäuse 40 umschlossene Kammer 46 aufweist und die neben der Brennstoffzelle 14 auch die Diagnosezelle 10 aufnimmt. Dabei ist die Diagnosezelle 10 gegenüber der Brennstoffzelle 14 ein separates Bauteil und so angeordnet, dass die mindestens eine sensitive Schicht 18 den gleichen Bedingungen ausgesetzt ist, wie die zu diagnostizierende Schicht, die Anode 24 der Brennstoffzelle 14.
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In einer Variante können auch mehrere Diagnosezellen 10 an verschiedenen Orten der Brennstoffzellenvorrichtung 30 vorgesehen sein.
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Im Ausführungsbeispiel sind auch die weiteren sensitiven Schichten 20 und 22 der Diagnosezelle 10 den Bedingungen der Brennstoffzelle 14 insbesondere auch der Katode 26 und es Elektrolyten 28 ausgesetzt. Die Diagnosezelle 10 ist dazu in einem unteren Bereich der Kammer 46 angeordnet, aus dem die Diagnosezelle 10 zu Analysezwecken entnommen werden kann. Gestrichelte ist angedeutet, dass dazu die Kammer 46 auch gegenüber der Diagnosezelle 10 verschlossen werden kann.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Diagnostizieren einer Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung 12, insbesondere einer Brennstoffzelle 14, mittels einer separaten Diagnosezelle 10. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine sensitive Schicht 18 der Diagnosezelle 10 den gleichen Bedingungen ausgesetzt wird, wie die zu diagnostizierendes Schicht 16 der Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung 12. Dazu wird, bevor die Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung 12 in Betrieb genommen wird, die separate Diagnosezelle 10 in einer Kammer 46 der Brennstoffzellenvorrichtung 30 angeordnet. Nach dem Starten der Brennstoffzellenvorrichtung 30 wird neben der Brennstoffzelle 14 auch die Diagnosezelle 10 gleichen Konditionen ausgesetzt.
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In einer Alternative wird bevor die Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung 12 in Betrieb genommen wird, die separate Diagnosezelle 10 in einer Wand 40 der Kammer 46 der Brennstoffzellenvorrichtung 30 angeordnet. Nach dem Starten der Brennstoffzellenvorrichtung 30 wird auch hier neben der Brennstoffzelle 14 auch die Diagnosezelle 10 gleichen Konditionen ausgesetzt.
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In einer weiteren Alternative, wie sie in 4 dargestellt ist, wird die Diagnosezelle 10 parallel zur Brennstoffzellenvorrichtung 30 angeschlossen. Dazu wird von Anschlüssen 48, 50, über die jeweils Gas der Anode 24 bzw. der Katode 26 der Brennstoffzelle 14 zugeführt wird, Gas abgezweigt und zu den sensitiven Schichten 18, 20, 22 geführt. Die Diagnosezelle 10 erhält somit die gleichen Gase wie die Brennstoffzelle 14.
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Alternativ und nicht dargestellt, können auch die die Brennstoffzellenvorrichtung 30 verlassenden Gasströme genutzt werden um die Diagnosezelle 10 parallel zu befüllen.
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Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 5 dargestellt. Dort ist in die Anschlüsse 48 und 50 die Diagnosezelle 10 seriell eingebunden, d.h., Gas, das über den Anschluss 48 der Anode 24 der Brennstoffzelle 14 zugeführt wird, strömt zuerst über die sensitive Schicht 18 der Diagnosezelle 10 und Gas, das über den Anschluss 50 der Katode 26 zugeführt wird, strömt zuerst über die sensitive Schicht 20 der Diagnosezelle 10. Damit ist auch die sensitive Schicht 22 von den Gasen beaufschlagt, die in der Brennstoffzelle 14 den Elektrolyten 28 aufschlagen.
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Alternativ nicht dargestellt, können auch die die Brennstoffzellenvorrichtung 30 verlassenden Gasströme genutzt werden um die Diagnosezelle 10 seriell zu befüllen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich im Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass die Diagnosezelle 10 zu bestimmten Zeitpunkten, die entweder regelmäßig und/oder vorgegeben oder vorgebbar sind über physikalischen Messungen und/oder über analytische Verfahren ausgewertet und darüber auf den Zustand der zu diagnostizierenden Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung geschlossen wird.
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Der richtige Zeitpunkt zur Diagnose kann unterschiedlich bestimmt werden. Es ist möglich, regelmäßig über Verfahren von außen beispielsweise elektrische oder magnetische Eigenschaften während des Betriebs oder zu Betriebsstillstandszeiten messtechnisch zu erfassen. Dazu werden dann entsprechende Elektroden oder Sensoren an die sensitive Schicht beziehungsweise Schichten gelegt und über eine Kontrollereinheit 52 abgefragt.
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Andererseits kann zu definierten Wartungsintervallen eine Analyse vorgenommen werden. Darüber hinaus kann, wenn ein Fehler vorliegt, zu einem singulären Zeitpunkt eine Analyse erfolgen.
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Die Art der Analyse geht einher mit den zu bestimmenden Eigenschaften. Das Verfahren stellt die Möglichkeit bereit, über physikalische Messungen elektrische und/oder magnetische Eigenschaften oder auch Materialkonstanten, wie die spezifische Wärmekapazität usw., zu bestimmen. Auch analytische Verfahren, die zum Teil mit der Zerstörung der sensitiven Schicht 18 einhergehen, führen zu Erkenntnissen über die Alterung, Rissbildung oder Anlagerung von parasitären Stoffen. Solche analytischen Verfahren umfassen zum Beispiel chemische Analysen, mechanisches Vermessen oder Wiegen oder auch mikroskopische Betrachtungen.
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Alle diese Verfahren könne vorteilhaft durchgeführt werden, ohne dabei die Kraft-Wärme-Kopplungsanwendung 12 zu beeinträchtigen, weil die Diagnosezelle 10 als separates Teil ausgebildet ist, jedoch Eigenschaften der zu diagnostizierenden Schicht 16 aufweist. Es ist deshalb möglich, anstatt einer Brennstoffzelle einer Brennstoffzellenvorrichtung nur die Diagnosezelle lahm zu legen oder gar zu zerstören. Dennoch erhält man Erkenntnisse über die Brennstoffzelle selbst und kann gegebenenfalls kostengünstig reparieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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