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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend die Schritte:
- a) Erfassen des zeitlichen Verlaufes des Spannungsverlustes für eine Mehrzahl unterschiedlicher Lastpunkte,
- b) Approximieren des zeitlichen Verlaufes des Spannungsverlustes durch eine Logarithmus-Funktion LF,
- c) Nutzung der Logarithmus-Funktion LF zur Bestimmung des Spannungsverlustverlaufes in Abhängigkeit des elektrischen Stromes bei einem gegebenen Lastpunkt,
- d) Verringern eines Strom-Sollwertes für den gegebenen Lastpunkt um eine Strom-Sollwert-Anpassung zur Kompensierung einer Spannungsüberhöhung nach Erzielung einer PtOx-Freiheit.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
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Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein 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 Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch wie Luft zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Für diese elektrochemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gas wird ein Katalysator benötigt, der in der Regel durch Edelmetalle wie Platin oder Palladium gebildet ist.
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Die Bedingungen, unter welchen die Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel betrieben werden, sind abhängig von den Masseströmen und dem Druck der zugeführten Reaktanten, von der Temperatur, von der relativen Feuchte und von vielen weiteren Faktoren, die nicht nur den Brennstoffzellenstapel selbst, sondern auch dessen Nebenaggregate betreffen. Die Einstellungen der einzelnen Parameter sind gleichzusetzen mit sogenannten elektrischen Lastpunkten, bei welchen das Brennstoffzellensystem betrieben wird.
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Die von einem Brennstoffzellensystem bereit gestellte Leistung ist im Konstant-Leistungsbetrieb aber nicht gleichbleibend hoch. Bei gleichem Soll-Strom sinkt die Spannung des Brennstoffzellenstapels mit zunehmender Betriebszeit leicht ab. Das Absinken der Spannung kann unter anderem auf ungewollte Katalysatorbeladung durch zum Beispiel Platin-Oxid-Spezies zurückgeführt werden. Diese Oxid-Spezies bilden sich im Betrieb auf der Kathode und sind spannungsgetrieben, d.h. ihr Auf- und Abbau ist eine Funktion der Kathoden-Halbzellspannung und somit eine Funktion der Zellspannung. Dieser Aufbauprozess ist nicht verhinderbar und Teil des gewöhnlichen Betriebs. Je stärker die PtOx-Beladung, desto größer sind die Spannungsverluste.
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Der Spannungsverlust verhält sich logarithmisch im zeitlichen Verlauf, d.h. die größte Änderung der Spannung erfolgt in den ersten Sekunden, danach ändert sich die Spannung nur noch langsam und schleichend. Entscheidenden Einfluss auf diese Spannungsverluste hat außerdem die Zellspannung, was zu einer ausgeprägten Lastpunktabhängigkeit führt. Bei Lastpunktwechseln finden PtOx-Umbauprozesse statt - ein Wechsel auf eine höhere Spannung baut mehr PtOx auf, ein Wechsel zu einer niedrigeren Spannung baut PtOx teilweise ab. Der Auf- und Abbau-Prozess ist dabei nie abgeschlossen, sondern strebt erneut logarithmisch in der Zeit hin zu einem neuen elektrochemischen Gleichgewicht.
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Ein Wechsel zu einem hohen Lastpunkt und folglich einer niedrigeren Stapelspannung kann auch als Regeneration interpretiert werden, da ein Teil der unerwünschten Oxid-Beladung abgebaut wird. Auch eine Stapelentladung oder eine Stapelüberlastung sowie eine Luftunterversorgung führen zur Beseitigung von PtOx und damit zur Erzielung von PtOx-Freiheit. Aufgrund des logarithmischen Verlaufs ist das Spannungsniveau für jeden gegebenen Lastpunkt in den ersten Sekunden unmittelbar nach Erzielung der PtOx-Freiheit in dem Brennstoffzellenstapel am höchsten und sinkt dann langsam ab. Für die Steuerung der Brennstoffzellenvorrichtung wird ein zu erwartender Mittelwert als Auslegungsgrundlage verwendet, nicht jedoch der Spitzenspannungswert unmittelbar bei PtOx-Freiheit. Daher liegt der Ist-Wert der Spannung in den ersten Sekunden oder Minuten nach PtOx-Freiheit über dem Erwartungswert und danach darunter. Die Dauer, für die der Ist-Wert über dem Erwartungswert liegt, hängt von der einzelnen Brennstoffzelle beziehungsweise von dem Brennstoffzellenstapel sowie der Höhe des Erwartungswertes ab.
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Brennstoffzellenvorrichtungen werden entweder auf einen konstanten Strom oder eine konstante Spannung geregelt, wobei sich der komplementäre Wert der Spannung oder des Stromes entsprechend eines Erwartungswertes und in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen einstellt. Wird zum Beispiel eine Brennstoffzellenvorrichtung so geregelt, dass der Strom konstant gehalten wird, ergibt sich aus der sich einstellenden Spannung die Gesamtleistung. Da bei einer mobilen Anwendung der Brennstoffzellenvorrichtung die Leistung eine große Bedeutung besitzt und die abgegebene Leistung proportional zur Zell- bzw. Stapelspannung ist, gibt der Brennstoffzellenstapel zunächst zu viel und nach Unterschreiten des Erwartungswertes zu wenig Leistung ab. Dieses Leistungsdefizit muss vom Hybrid-Manager kompensiert werden, der die Leistungsbereitstellung von dem Brennstoffzellenstapel und einer Batterie aufeinander abstimmt.
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Die
DE 102 40 763 A1 offenbart ein System zur Regelung der Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle unter Nutzung eines Reglers, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle und die Ausgangsspannung der Batterie regelt. Dabei wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle so eingestellt, dass die unabhängig vom äußeren Laststrom und vom Ladezustand der Batterie stets auf die Ausgangsspannung der Batterie abgestimmt ist. In der
US 2006/0029845 A1 ist beschrieben, wie bei einer Kombination einer Brennstoffzellenvorrichtung und einer Batterie die Leistungsabgabe der Batterie zur Vermeidung einer Verkürzung der Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung genutzt werden kann, indem Grenzwerte für die Spannungs- und Stromwerte des Brennstoffzellenstapels vorgegeben werden. Die
EP 1 650 820 A1 beschreibt eine konstante Leistungsabgabe eines Brennstoffzellenstapels und dessen Betrieb in einem Optimum, wozu ein Trackingsystem genutzt wird, um das Ansprechverhalten zu verbessern, indem während einer Variation der Spannung die Leistungsabgabe beobachtet wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem eine konstante Leistungsabgabe mit wenig Aufwand ermöglicht ist. Aufgabe ist weiterhin, eine verbessertes Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der zeitliche Verlauf des Spannungsverlustes kann durch eine Logarithmus-Funktion LF approximiert und diese sodann genutzt werden zur Bestimmung des Spannungsverlustverlaufes in Abhängigkeit des elektrischen Stromes bei einem gegebenen Lastpunkt. Damit ist eine angepasste Regelung der Leistungsabgabe ermöglicht, bei der eine inverse Strom-Sollwert-Vorgabe erfolgt, also der Strom-Sollwert über die Strom-Sollwert-Anpassung verringert wird, die dazu führt, dass die gegenüber dem Erwartungswert bei PtOx-Freiheit eintretende Spannungsüberhöhung kompensiert wird und genau die gewünschte Leistung ausgegeben wird. Es ist damit eine Konstant-Leistungsabgabe ermöglicht auf Basis der PtOx-Charakteristik.
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Da die PtOx-Charakteristik zeitabhängig ist, ist vorgesehen, dass die Strom-Sollwert-Anpassung entsprechend dem in Schritt c) bestimmten Spannungsverlustverlauf getaktet reduziert wird, wobei vorzugsweise die Taktung gewählt ist aus einem Intervall, das von 0,5 s bis 3,5 s reicht, also sichergestellt ist, dass eine Abweichung nur klein ausfällt und nicht lange vorliegt.
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Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die Strom-Sollwert-Anpassung entsprechend dem in Schritt c) bestimmten Spannungsverlustverlauf kontinuierlich reduziert wird, also mit einem höheren Regelungsaufwand die Abweichung minimiert bzw. stets möglichst klein gehalten wird.
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Die Spannungsüberhöhung liegt nur zeitlich begrenzt nach Erreichen der PtOx-Freiheit vor, so dass die Strom-Sollwert-Anpassung bei Erreichen eines erwarteten Spannungswertes auf null gesetzt wird.
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Das Erreichen des erwarteten Spannungswertes bedeutet, dass keine PtOx-Freiheit gegeben ist, sondern eine entsprechend fortgeschrittene reversible Degradation, also keine Langzeitdegradation, vorliegt. Daher kann bei Erreichen eines erwarteten Spannungswertes eine Regeneration zur Erzielung einer erneuten PtOx-Freiheit initiiert werden.
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Aufgrund der fortschreitenden Degradation sinkt die zur Verfügung stehende Leistung, die bereit gestellt werden kann. Besonders bevorzugt ist daher, dass bei einem bekannten Leistungsbedarf prädiktiv die maximale Haltezeit in dem gegebenen Lastpunkt bestimmt wird, also Kenntnis erlangt wird, wie lange der Strom-Sollwert trotz der größer werdenden Verluste nicht nachgeführt werden muss.
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Auch kann entsprechend dem in Schritt c) bestimmten Spannungsverlustverlauf prädiktiv eine Leistungsbestimmung erfolgen. So kann zum Beispiel bei einer absehbar erforderlichen Leistungsspitze, zum Beispiel für ein Anfahren an einer Kreuzung nach einer zur Stapelentladung und damit zu Regeneration genutzten Pause, der Strom-Sollwert geringer angesetzt werden, da der vorher berechnete Leistungsüberschuss zur Berücksichtigung von vorliegendem PtOx den Leistungsbedarf abdeckt. Dies steigert die Effizienz.
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Das Verfahren ermöglicht damit eine Konstant-Leistungsabgabe in Abhängigkeit vom angestrebten Erwartungswert oder eine prädiktive Stromregelung beziehungsweise Spannungsregelung.
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Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Steuergerät zur Durchführung eines vorstehend geschilderten Verfahrens sowie für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, und
- 2 eine zeitabhängige Darstellung von Spannungsverlustverläufen durch den Aufbau von PtOx für unterschiedliche Lastpunkte mit der Annäherung durch eine Logarithmus-Funktion.
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In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 2 umfasst.
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Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die in einer Membranelektrodenanordnung zusammengefasst sind. Die Membran ist als ein Polymer vorzugsweise aus einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbonmembran gebildet sein. In den Anoden und/oder in den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
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Dem Anodenraum einer Brennstoffzelle wird wasserstoffhaltiger Brennstoff zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Wasserstoff in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die Membran lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. Anodenseitig findet die folgende Reaktion statt: 2H2 → 4H+ + 4e-. Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
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Den Kathodenräumen einer Brennstoffzelle wird Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft zugeführt, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O.
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Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 2 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 18 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 3 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 18 nachgelagerten Ladeluftkühler 5 und einem diesem nachgelagerten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 2 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.
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Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 erfolgt eine Degradation des Katalysators aufgrund einer Katalysatorbeladung mit PtOx, was zu Spannungsverlusten führt, die detektierbar sind. Diese Degradation ist reversibel, was ausgenutzt wird, um die Spannungsverluste zu begrenzen beziehungsweise zu beseitigen und so zu einer PtOx-Freiheit zu gelangen. Erfolgt nämlich eine Absenkung der Zellspannung, beispielsweise durch eine erhöhte Stromentnahme bei hohen Lastpunkten, wird PtOx abgebaut. Je höher dieser Lastpunkt liegt, desto stärker ist die regenerative Wirkung. Im Idealfall ist der Laststrom so hoch, dass jede Brennstoffzelle in der Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine Spannung unter 0,5V (idealerweise unter 0,4V) erreicht und somit in diesem Moment der Katalysator PtOx frei ist, was der maximalen Regenerationswirkung entspricht.
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Der Aufbau von PtOx erfolgt wieder sehr schnell und nähert sich einer Sättigung, so dass im Prinzip eine häufige Wiederholung der Regeneration erforderlich ist. Da der Spannungsverlust sich zeitlich ständig verändert, ist die genaue Bestimmung der Leistungsabgabe erschwert. Um dies zu berücksichtigen, steht das nach folgende Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 zur Verfügung, das die Schritte umfasst:
- a) Erfassen des zeitlichen Verlaufes des Spannungsverlustes für eine Mehrzahl unterschiedlicher Lastpunkte,
- b) Approximieren des zeitlichen Verlaufes des Spannungsverlustes durch eine Logarithmus-Funktion LF (2),
- c) Nutzung der Logarithmus-Funktion LF zur Bestimmung des Spannungsverlustverlaufes in Abhängigkeit des elektrischen Stromes bei einem gegebenen Lastpunkt,
- d) Verringern eines Strom-Sollwertes für den gegebenen Lastpunkt um eine Strom-Sollwert-Anpassung zur Kompensierung einer Spannungsüberhöhung nach Erzielung einer PtOx-Freiheit.
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Dadurch wird berücksichtigt, dass in der Praxis ein erwarteter Mittelwert und nicht der Spitzenspannungswert als Auslegungsgrundlage genutzt wird, so dass der anfänglich erhöhte Spannungs-Istwert berücksichtigt ist für eine konstante Leistungsabgabe.
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Da die Spannungsüberhöhung im zeitlichen Verlauf sinkt, wird die Strom-Sollwert-Anpassung entsprechend dem in Schritt c) bestimmten Spannungsverlustverlauf getaktet reduziert, wobei die Taktung gewählt ist aus einem Intervall, das von 0,5 s bis 3,5 s reicht.
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Alternativ kann auch die Strom-Sollwert-Anpassung entsprechend dem in Schritt c) bestimmten Spannungsverlustverlauf kontinuierlich reduziert werden.
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Wenn die Spannungsüberhöhung nicht mehr gegeben ist, bedarf es keiner Korrektur mehr für eine konstante Leistungsabgabe, so dass die Strom-Sollwert-Anpassung bei Erreichen eines erwarteten Spannungswertes auf null gesetzt wird. Zugleich kann auch bei Erreichen eines erwarteten Spannungswertes eine Regeneration zur Erzielung einer erneuten PtOx-Freiheit initiiert werden.
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Bei einem bekannten Leistungsbedarf kann prädiktiv die maximale Haltezeit in dem gegebenen Lastpunkt bestimmt werden, also angegeben werden, wie lange die erwartete Leistung zur Verfügung gestellt werden, ohne infolge der fortschreitenden Degradation mit den immer größer werdenden Verlusten den Strom-Sollwert nachführen zu müssen.
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Ferner kann in Kenntnis des in Schritt c) bestimmten Spannungsverlustverlaufes prädiktiv eine Leistungsbestimmung erfolgen, das heißt die Momentanleistung im zeitlichen Verlauf kann für einen gegebenen Zeitraum schon in einem Lastpunktwechsel berechnet werden.
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Eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 benötigt zur Durchführung des Verfahrens lediglich ein geeignetes Steuergerät, wobei die Nutzung einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung 1 in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug zu einer gesteigerten Effizienz führt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Brennstoffzellenstapel
- 4
- Befeuchter
- 5
- Ladeluftkühler
- 6
- Bypassleitung
- 7
- Befeuchter-Bypassventil
- 8
- Frischluftdosierventil
- 9
- Frischluftleitung
- 10
- Kathodenabgasleitung
- 11
- Kathodenabgasventil
- 12
- Brennstoffleitung
- 13
- Brennstofftank
- 14
- Rezirkulationsleitung
- 15
- Rezirkulationsgebläse
- 16
- Wärmetauscher
- 18
- Verdichter
- 19
- Brennstoffdosierventil
- 20
- Wasserabscheider
- LF
- Logarithmus-Funktion
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10240763 A1 [0009]
- US 2006/0029845 A1 [0009]
- EP 1650820 A1 [0009]
