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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, umfassend einen Stapel abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten, sowie ein endständig im Brennstoffzellenstapel angeordnetes Heizelement zur Temperierung des Brennstoffzellenstapels, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug.
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Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den MembranElektroden-Einheiten.
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Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 → 2 H+ + 2 e-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+ → H2O).
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Zur elektrischen Anbindung eines Brennstoffzellenstapels weist dieser üblicherweise eine sogenannte Bus-Platte auf, die an die endständigen Brennstoffzellen des Stapels angeordnet sind.
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Ansonsten weist der Brennstoffzellenstapel an seinen gegenüberliegenden Stapelenden typischerweise Endplatten auf, welche mittels Spannvorrichtungen als Teil eines Spannsystems miteinander verbunden sind. Mittels der Spannvorrichtungen werden Zugkräfte übertragen, welche die Endplatten zueinander ziehen und die dazwischen angeordneten Einzelzellen verpressen, also gegeneinanderpressen.
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Um einen Brennstoffzellenstapel in einem vorgegebenen Temperaturfenster zu betreiben und auch um bei sehr niedrigen Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts das Startverhalten eines Brennstoffzellenstapels zu optimieren, werden üblicherweise Brennstoffzellenstapel direkt oder indirekt mittels Heizelementen temperiert.
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So ist es bekannt, die endständigen Brennstoffzellen mit Heizelementen direkt oder indirekt in Kontakt zu bringen.
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Da die Endzellen und die weiter im Stapel angeordneten Zellen ein unterschiedliches thermisches Profil haben, besteht meist das Problem, dass diese (teilweise) zu kalt oder zu heiß sind, wobei sich Probleme mit Wasser oder Eis im Eingangsbereich der Zelle bzw. mit Austrocknung im Ausgangsbereich der Zelle ergeben.
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Zu unterscheiden sind zudem aktive und passive Heizer, wobei bei den aktiven Heizern ein relativ großer Aufwand für die Schaltung und Steuerung getrieben werden muss, während die Verwendung von passiven Heizern letztlich nur einen Kompromiss darstellt.
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US 7160640 B2 betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit Widerstandsheizelementen zur Heizung der Endzellen, wobei die Heizelemente über ihre Länge eine unterschiedliche Heizleistung zur Ausbildung von Temperaturzonen aufweisen können.
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US 8372555 B2 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, in dessen Endzellen Heizwiderstände integriert sind, unter Anderem um deren geringere Arbeitstemperatur aufgrund von konvektiven Wärmeverlusten auszugleichen. Die Endzellenheizungen werden so gesteuert, dass ihre Temperatur auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird, die höher ist als die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems.
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In der
US 20160141647 A1 wird ein Brennstoffzellensystem mit einem Kühlsystem beschrieben, das mit einem Kühlsystem eines elektrischen Heizers verbunden ist, wobei überschüssige Leistung des Brennstoffzellensystems an den Heizer abgeleitet wird. Der Heizer wird gekühlt, wenn die Temperatur des Kühlmittels im Heizer-Kühlsystem in einen Temperaturbereich fällt, in dem sich der Leistungsverbrauch des elektrischen Heizers abrupt ändert.
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Es ist Aufgabe der Erfindung einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, der gegenüber dem Stand der Technik ein vereinfachtes Temperaturmanagement erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel, ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Es wird erfindungsgemäß ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt, umfassend einen Stapel abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten, die zusammen die Brennstoffzellen ausbilden, sowie ein endständig im Brennstoffzellenstapel angeordnetes Heizelement zur Temperierung der Brennstoffzelle, wobei das Heizelement aus einem Material besteht, dessen Widerstand bei einer vorgegebenen Temperatur abrupt ansteigt.
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Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Brennstoffzellenstapels lässt sich mit Vorteil bei jedem Brennstoffzellenstapeldesign einsetzen, bei dem es Probleme mit Wasseransammlungen und dementsprechend beim Froststart gibt.
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Zudem lässt es sich besonders vorteilhaft bei vergleichsweise kurzen Brennstoffzellenstapeln einsetzen, bei denen die Endzellen prozentual mehr zur Gesamtleistung beitragen als in längeren Stapeln.
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Endständig bedeutet im Rahmen der Erfindung vorzugsweise, dass das jeweilige Heizelement zwischen einer Bus-Platte für den elektrischen Anschluss des Brennstoffzellenstapels, die an der letzten Zelle im Stapel angrenzt und einer Endplatte, über die der Stapel verspannt wird, angeordnet wird.
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Eine Anordnung des Heizelements zwischen Endplatte und Busplatte ist vorteilhaft, da aufgrund der guten Leitfähigkeit dieser Platte der Wärmeeintrag über die gesamte Fläche der Zelle verteilt wird. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn, wie nachstehend beschrieben wird, das Heizelement unterschiedliche Temperaturbereiche aufweist, so dass zwischen den Bereichen ein fließender Übergang besteht.
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Es ist auch möglich, dass das Heizelement in der endständigen Brennstoffzelle zwischen MEA und Unipolarplatte positioniert wird.
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Für das Heizelement wird vom Fachmann ein geeignetes Material, dessen Widerstand bei einer bestimmten Temperatur abrupt ansteigt, ausgewählt, wobei diese dem Fachmann für bestimmte Temperaturen grundsätzlich bekannt sind. Die vorgegebene Temperatur bestimmt somit die Auswahl des Materials. Allerdings kann auch die räumliche Gestaltung des Heizelements Einfluss auf die Temperatur haben, was vom Fachmann berücksichtigt wird.
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Vorzugsweise liegt die vorgegebene Temperatur im Bereich von 10°C bis 100°C, vorzugsweise bei 50°C bis 80°C.
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Durch diese Ausgestaltung des Heizelements ist durch den reduzierten konstruktiven Aufwand für Verschaltung und Steuerung eine besonders einfache und wirtschaftliche Temperierung eines Brennstoffzellenstapels möglich, da die Steuerung gleichsam durch die Auswahl des Materials vorgegeben ist.
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Vorzugsweise ist an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels ein Heizelement vorgesehen, da üblicherweise die beiden endständigen Einzelzellen des Stapels unter einem Wärmeverlust leiden und somit keine optimale elektrische Ausbeute gegeben ist.
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Bei Brennstoffzellenstapeln kann es aus den unterschiedlichsten Gründen auch gegeben sein, dass eine weiter innerhalb des Stapels gelegene Brennstoffzelle nicht bei einer optimalen Betriebstemperatur liegt. Daher ist es erfindungsgemäß möglich, auch diese Brennstoffzelle über ein zusätzliches Heizelement auf eine geforderte Temperatur zu bringen.
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Vorzugsweise ist das zumindest eine Heizelement plattenförmig ausgestaltet, so dass es vorteilhafterweise beim Stapelaufbau problemlos und ohne konstruktiven Aufwand eingefügt werden kann.
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Zur plattenförmigen Ausgestaltung kann das zumindest eine Heizelement in andere Materialien eingebettet sein.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann zumindest ein Heizelement in unterschiedliche Untereinheiten aufgeteilt sein. Die Untereinheiten weisen vorzugsweise jeweils unterschiedliche Materialien auf, die bei unterschiedlichen Temperaturen einen sprunghaften Anstieg des elektrischen Widerstands aufweisen.
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Dadurch können bedarfsgerecht Temperaturgradienten durch das unterteilte Heizelement ausgebildet werden, vorzugsweise angepasst an die Strömungsrichtung eines oder beider Reaktanten in der Brennstoffzelle.
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Bei der Aufteilung eines Heizelements in zwei Untereinheiten liegt die vorgegebene Temperatur vorzugsweise bei 60°C bzw. 80°C.
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Bei der Aufteilung eines Heizelements in vier Untereinheiten liegen die vorgegebenen Temperaturen vorzugsweise bei 50°C, 60°C, 70°C und 80°C.
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Andere Unterteilungen mit anderen Temperaturabstufungen sind im Rahmen der Erfindung möglich und werden vom Fachmann entsprechend den technischen Erfordernissen ausgewählt.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist/sind das zumindest eine Heizelement und/oder die Untereinheiten des zumindest einen Heizelements elektrisch parallel zum Brennstoffzellenstapel geschaltet, so dass vorteilhafterweise kein Lastausgleich im Verlauf der Temperierung erfolgen muss, so dass auch hier ein im Vergleich zum Stand der Technik reduzierter Aufwand zur Steuerung und damit auch ein verringerter konstruktiver Aufwand betrieben werden muss.
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Um die Funktionen des Brennstoffzellenstapels ansonsten steuern zu können, ist dieser vorzugsweise mit einer Steuereinheit verbunden, der Bestandteil eines Brennstoffzellensystems sein kann.
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Ein Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Brennstoffzellensystem, das zumindest einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel aufweist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel;
- 2 eine Draufsicht auf ein Heizelement mit zwei Untereinheiten;
- 3 eine Draufsicht auf ein Heizelement mit vier Untereinheiten;
- 4 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels und
- 5 eine Heizkurve eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Brennstoffzellenstapel 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch den Brennstoffzellenstapel 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
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Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine Vielzahl von abwechselnd, an deren Flachseiten aneinandergereihten (gestapelten) Membran-Elektroden-Anordnungen 10 und Bipolarplatten 12 (an den Enden Unipolarplatten). Insgesamt bilden also mehrere gestapelte Einzelzellen 11 den Brennstoffzellenstapel 100, wobei sowohl eine der Einzelzellen 11, als auch der Brennstoffzellenstapel 100 allgemein als Brennstoffzelle bezeichnet werden können.
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Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 10, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Zwischen einer Bipolarplatte 12 und der Anode wird somit ein Anodenraum ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 12 ein Kathodenraum. Die Bipolarplatten 12 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Zudem verfügen sie über ein System innerer Kühlmittelkanäle, die der Durchleitung eines Kühlmittels und somit der Temperierung des Stapels 10 dienen. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist zur Temperierung des Kühlmittels und somit des Brennstoffzellenstapels 10 in dieser Figur nicht dargestellte Heizelemente auf. Diese werden nachstehend zu den folgenden Figuren beschrieben. Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien, Reaktanten und Kühlmittel zu versorgen, weist der Brennstoffzellenstapel 100 Hauptversorgungskanäle auf, die in 1 nicht dargestellt sind und die den Brennstoffzellenstapel 100 in Stapelrichtung S durchdringen. Der Brennstoffzellenstapel 100 weist beidendseitig, angrenzend an die Bipolarplatte 12 eine Bus-Platte 26 zur elektrischen Anbindung auf. Diese werden wiederum jeweils von einem plattenförmigen Heizelement 30 bedeckt, an das jeweils eine Endplatte 18 anschließt. Die Anoden- und Kathodenräume sind von umlaufenden Dichtungen 20 begrenzt. Unter anderem, um die Dichtfunktion der Dichtungen 20 herzustellen, wird der Brennstoffzellenstapel 100 in der Stapelrichtung S mittels eines Spannsystems zusammengepresst (verpresst). Das Spannsystem umfasst eine äußere Spannvorrichtung 22. Zum Aufbau einer äußeren Spannung leiten längliche Zugkörper 24 der äußeren Spannvorrichtungen 22 Zugkräfte zwischen den beiden Endplatten 18 weiter, sodass die Endplatten 18 mittels der Zugkörper 24 zueinander gezogen werden. Dazu erstrecken sich die Zugkörper 24 in einer Stapelrichtung S des Brennstoffzellenstapels 100.
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Die 2 und 3 zeigen jeweils ein plattenförmiges Heizelement 30 mit zwei Untereinheiten 32 bzw. vier Untereinheiten 32. Diese Aufteilung in Untereinheiten ermöglicht die Ausbildung eines Temperaturgradienten, der den Erfordernissen der Brennstoffzelle 11 vom Eingangsbereich zum Ausgangsbereich des Brennstoffs angepasst werden kann. Dazu besitzt das Heizelement 30 in 2 eine Untereinheit 32, die bei 60°C den Widerstand abrupt ändert, und eine Untereinheit, die auf 80°C ausgelegt ist. In 3 weist das dargestellte Heizelement 30 Untereinheiten 32 mit Auslegungen für 50°C, 60°C, 70°C und 80°C auf, was dementsprechend geringere Temperatursprünge bei der Temperierung bedeutet.
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4 zeigt einen vereinfachten Schaltplan 40 des Brennstoffzellenstapels 100. Im Schaltplan 40 ist der Brennstoffzellenstapel 100 mit zwei Batteriepolen 42, 44, eine Last 46 und ein parallel zum Brennstoffzellenstapel 100 geschaltetes Heizelement 30 vorgesehen. Dies stellt eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 100 dar, da hierbei im Verlauf der Temperierung kein Lastausgleich bei sich änderndem Widerstand des Heizelements 30 stattfinden muss. Gleiches gilt bei der Verwendung von Untereinheiten 32, die ebenfalls vorzugsweise parallel geschaltet sind, um ein stufenweises Heizverhalten ohne weitere Steuerung zu erzeugen.
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Eine Heizkurve 50 der Temperierung mittels eines Heizelements 30 zeigt 5. Es ist der Widerstand vom Heizelement 30 und des Brennstoffzellenstapels 100 gegen die Temperatur im Bereich von -40°C bis 120°C aufgetragen. Die Widerstandskurve 52 des Brennstoffzellenstapels 100 verläuft konstant bei einem bestimmten Widerstand, während die Widerstandskurve 54 für das Heizelement 30 zwischen -40°C und 40°C annähernd konstant bei einem Widerstand kleiner als der des Brennstoffzellenstapels 100 verläuft, um bei 40°C als vorgegebener Temperatur exponentiell anzusteigen, so dass der Widerstand des Brennstoffzellenstapels 100 deutlich überstiegen wird. Im Bereich unterhalb von 40°C fließt daher ein Strom zum Heizelement 30 bis der Widerstand bei 40°C exponentiell ansteigt und somit der Strom zum Brennstoffzellenstapel 100 fließt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Brennstoffzellenstapel
- 10
- Membran-Elektroden-Anordnung
- 11
- Einzelzelle
- 12
- Bipolarplatte
- 18
- Endplatte
- 20
- Dichtung
- 22
- Spannvorrichtung
- 24
- länglicher Zugkörper
- 26
- Bus-Platte
- 30
- Heizelement
- 32
- Untereinheit
- 40
- Schaltplan
- 42
- Batteriepol
- 44
- Batteriepol
- 46
- Last
- 50
- Heizkurve
- 52
- Widerstand Brennstoffzellenstapel
- 54
- Widerstand Heizelement
- S
- Stapelrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7160640 B2 [0010]
- US 8372555 B2 [0011]
- US 20160141647 A1 [0012]
