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[TECHNISCHES GEBIET]
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffbatteriesystem mit
einem Gaszufuhrmittel für die Zuführung von Brenngas
und Oxidierungsgas zu einer Brennstoffbatterie, und ein Impedanzmessmittel für
die Messung einer Impedanz der Brennstoffbatterie.
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[TECHNISCHER HINTERGRUND]
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Seit
einigen Jahren werden Brennstoffbatterien, die Wasserstoff als Brenngas
und Sauerstoff als Oxidierungsgas für die Erzeugung von
elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion erzeugen,
entwickelt und auf Fahrzeuge, Schiffe, kleine Leistungsgeneratoren
usw. angewendet. Brennstoffbatterien, die für diese Einsatzzwecke
verwendet werden, erzeugen nicht nur elektrische Energie aus einer
elektrochemischen Reaktion, sondern sie erzeugen auch Reaktionswasser.
Der größte Teil des erzeugten Reaktionswassers
wird aus einer Brennstoffbatterie ausgeführt, aber zum
Teil bleibt das Reaktionswasser in einer Brennstoffbatterie zurück.
Da Fahrzeuge in kalten Umgebungen verwendet werden können,
in denen die Temperatur unter null fällt, kann insbesondere
das Problem entstehen, dass die Leistungserzeugung einer Brennstoffbatterie
unmöglich wird, weil das in der Brennstoffbatterie verbliebene Wasser
gefriert, was verhindert, dass Reaktionsgas die Anode und die Kathode
der Brennstoffbatterie erreicht.
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Um
dieses Problem zu lösen, wird in
JP 2007-149572 A (Patentdokument
1), wenn die Leistungserzeugung beendet wird, unerwünschtes
Wasser innerhalb einer Brennstoffbatterie durch eine Spüloperation,
die von einem Luftkompressor ausgeführt wird, entfernt.
Genauer offenbart das Patentdokument 1 Verfahren für das
Ausspülen von Wasser in einer Brennstoffbatterie durch
indirektes Ermitteln der Wassermenge innerhalb der Brennstoffbatterie-Zelle
aus einer Messung des inneren Widerstands anhand eines Wechselstromimpedanz-Verfahrens,
um zu bestimmen, wann das Spülen beendet werden soll.
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Bekanntlich
wird der innere Widerstand einer Brennstoffbatterie durch einen
Feuchtigkeitsgehalt einer inneren Elektrolytschicht beeinflusst.
Wenn die Wassermenge innerhalb einer Brennstoffbatterie klein ist
und die innere Elektrolytschicht trocken ist, nimmt der innere Widerstand
zu und die Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie nimmt ab. Wenn
die Wassermenge innerhalb einer Brennstoffbatterie zu groß ist,
werden andererseits die Anode und die Kathode der Brennstoffbatterie
mit einer Wasserschicht bedeckt, was ebenso zu einer niedrigeren
Ausgangsspannung der Brennstoffbatterie führt. Daher ist
die Steuerung der Wassermenge innerhalb einer Brennstoffbatterie
wichtig.
- Patentdokument 1: JP 2007-149572 A
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[OFFENBARUNG DER ERFINDUNG]
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[Aufgabe der Erfindung]
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Laut
dem oben beschriebenen Patentdokument 1 ist es im Allgemeinen möglich,
Wasser in ausreichender Menge auszuspülen. Jedoch kann
es aus gewissen Gründen passieren, dass der Spülprozess aufgrund
eines anomalen Werts eines inneren Widerstands beendet wird, wenn
eine Impedanzmessung nach einer erzwungenen Beendigung einer nicht-abgeschlossenen
Spülung durchgeführt wird. Einer der möglichen
Gründe für eine solche Situation ist, dass, wenn
die von der Brennstoffbatterie erzeugte Leistungsmenge klein ist,
aufgrund des Prinzips der Impedanzmessung wegen einer Verzerrung
oder einer Verrauschung von Sinuswellen oder dergleichen aufgrund
einer herab gesetzten Ansprechempfindlichkeit für überlagerte
Sinuswellen eine falsche Erfassung vorkommen kann.
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Genauer
ist deswegen in einem Fall, wo ein Spülen durch AUS-Stellen
eines Zündschalters während eines Aussetzbetriebs,
in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt ist, beendet wurde, eine
exakte Messung des inneren Widerstands in einer Impedanzmessung
wegen der aufgrund einer Verzögerung des Luftkompressors
unzureichenden Luftzufuhr beim Starten möglicherweise nicht
möglich.
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Um
dieses Problem zu lösen, ist ein Ziel der Brennstoffbatteriesysteme
gemäß der vorliegenden Erfindung die Schaffung
eines Brennstoffbatteriesystems, das eine exakte Impedanzmessung
auch nach einem Aussetzbetrieb durchführen kann.
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[Mittel zur Lösung der Aufgabe]
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Um
die genannte Aufgabe zu lösen, weist ein Brennstoffbatteriesystem
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung auf: eine Brennstoffbatterie, ein Gaszufuhrmittel zum
Zuführen von Brenngas und Oxidierungsgas zur Brennstoffbatterie und
ein Impedanzmessmittel zum Messen der Impedanz der Brennstoffbatterie,
wobei das Oxidierungsgas, das zur Brennstoffbatterie geliefert wird,
Luft ist, die von einem Luftkompressor zugeführt wird,
und wobei das Impedanzmessmittel mit dem Messen der Impedanz beginnt,
nachdem aufgrund eines Betriebszustands des Luftkompressors bestimmt
wurde, dass eine von der Brennstoffbatterie erzeugte Leistungsmenge
ein variables Niveau erreicht hat.
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In
dem Brennstoffbatteriesystem gemäß einer anderen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt
das Impedanzmessmittel eine Impedanzmessung unter Berücksichtigung
einer geschätzten Startzeit des Luftkompressors durch.
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In
dem Brennstoffbatteriesystem gemäß einer anderen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt
das Impedanzmessmittel eine Impedanzmessung aus, sobald eine Drehzahl
des Luftkompressors eine vorgegebene Drehzahl überstiegen
hat.
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In
dem Brennstoffbatteriesystem gemäß einer anderen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt
das Impedanzmessmittel eine Impedanzmessung aus, sobald ein Volumen
eines Luftstroms, der vom Luftkompressor erzeugt wird, ein vorgegebenes
Luftstromvolumen überstiegen hat.
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist ferner ein Aufzeichnungsmittel
auf zum Aufzeichnen von Informationen, die anzeigen, dass aufgrund
eines Aussetzbetriebs in einer vorgegebenen Zeit keine Impedanzmessung
durchgeführt wurde, und wobei das Impedanzmessmittel die
Impedanzmessung aufgrund der Aussetzbetriebsinformationen, die im
Aufzeichnungsmittel aufgezeichnet sind, ausführt.
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[Wirkungen der Erfindung]
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Unter
Verwendung eines Brennstoffbatteriesystems gemäß der
vorliegenden Erfindung wird eine exakte Messung eines inneren Widerstands
dadurch möglich, dass in einem Fall, wo während
eines Aussetzbetriebs, in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt
ist, ein Spülen durch AUS-Stellen eines Zündschalters
beendet wurde, die Impedanzmessung unter Berücksichtigung
einer Verzögerung eines Luftkompressors beim Starten durchgeführt
wird.
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Eine
exakte Steuerung einer Brennstoffbatterie wird durch Verwenden eines
Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden
Erfindung ebenfalls möglich, ohne das System komplizierter
zu machen, da die Menge an innerhalb einer Brennstoffbatterie zurückgebliebenem
Wasser mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann.
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[KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG]
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1 ist
ein Blockschema, das einen Gesamtaufbau eines Brennstoffbatteriesystems
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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2 ist
ein Ablaufschema, das einen Ablauf eines Spülprozesses
nach AUS-Stellen eines Schlüsselschalters eines Brennstoffbatteriesystems darstellt.
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3 ist
ein Graph, der ein Beispiel für die zeitliche Steuerung
einer Impedanzmessungsanforderung in einem Brennstoffbatteriesystem
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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[BEZUGSZAHLEN]
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- 10 Brennstoffbatteriesystem, 11 Brennstoffbatteriestapel, 12 Sensoren, 13 Impedanzmesseinheit, 14 Gleichstromwandler, 15 Sekundärbatterie, 16 Befeuchter, 17 Luftkompressor, 18 Luftkompressormotor, 19 Luftfilter, 20 Umwälzpumpe, 21 Umwälzpumpenmotor, 22 Wasserstofftank, 23 Ventil, 30 Steuereinheit, 50 Antriebssystem, 51 Wechselrichter, 52 Fahrmotor, 53 Räder
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[BESTE WEISE FÜR DIE AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG]
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Nachstehend
werden die besten Möglichkeiten (im folgenden als „Ausführungsformen” bezeichnet)
für die Ausführung der vorliegenden Erfindung gemäß der
Zeichnung beschrieben.
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1 zeigt
einen Gesamtaufbau eines Brennstoffbatteriesystems 10,
das in einem Fahrzeug eingebaut ist. Das Brennstoffbatteriesystem weist
als Hauptgruppen einen Brennstoffbatteriestapel 11, ein
Wasserstoff-Zufuhrsystem, ein Oxidierungsgas-Zufuhrsystem, ein elektrisches
System zum Umwandeln und Speichern der erzeugten elektrischen Leistung
und ein Antriebssystem 50 zum Antreiben eines Fahrzeugs
auf. Der Brennstoffbatteriestapel 11 ist ein Stapelkörper
aus Brennstoffbatteriezellen (Einheitszellen), von denen jede ein
kleinstes Element darstellt. Das Wasserstoff-Zufuhrsystem für die
Versorgung des Brennstoffbatteriestapels 11 mit Wasserstoffgas
ist ausgestattet mit einem Wasserstofftank 22 zum Speichern
des Wasserstoffgases, einem Ventil 23, das die Zufuhr von
Wasserstoffgas zulassen und beenden kann, einer Umwälzpumpe 20 und
einem Umwälzpumpenmotor 21 zum Umwälzen von
nicht-umgesetztes Wasserstoffgas enthaltendem Abgas, das aus dem
Brennstoffbatteriestapel 11 ausgeführt wird, in
einem Wasserstoff-Zufuhrkanal und einer Ausfuhröffnung
zum Ausführen des Abgases.
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Das
Oxidierungsgas-Zufuhrsystem ist ausgestattet mit einem Luftkompressor 17 und
einem Luftkompressormotor 18 zum Saugen von Luft, die als
Oxidierungsmittel verwendet wird, durch einen Luftfilter 19 in
den Brennstoffbatteriestapel 11, einem Befeuchter 16 zum
Befeuchten des Brennstoffbatteriestapels 11 und einer Ausfuhröffnung
zum Ausführen der Luft.
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Das
elektrische System weist auf: einen Gleichstromwandler 14 zum
Liefern elektrischer Energie, die vom Brennstoffbatteriestapel 11 erzeugt wird,
zu einer Sekundärbatterie 15; Sensoren 12 zum Messen
von Strom, Temperatur, Luftdurchsatz, Wasserstoffgasdruck und Feuchtigkeitsgehalt
der Brennstoffbatteriezelle, um die gemessenen Werte an eine Impedanzmesseinheit 13 und
eine Steuereinheit 30 auszugeben; die Impedanzmesseinheit 13 zum
Messen des inneren Widerstands des Brennstoffbatteriestapels 11 und
eine Steuereinheit 30 zum Steuern dieser Elemente.
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Das
Antriebssystem 50 weist einen Wechselrichter 51 zum
Steuern eines Fahrmotors 52 unter Verwendung von elektrischer
Leistung, die vom Gleichstromwandler 14 geliefert wird,
und einen Antriebsmechanismus zum Übertragen einer Antriebskraft
des Fahrmotors 52 auf Räder 53 auf.
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Die
Impedanzmesseinheit 13 weist eine Sinuswellenfrequenz-Wobbelfunktion
unter Verwendung der vom Gleichstromwandler 14 gelieferten elektrischen
Leistung auf. Durch Messen der Werte eines realen Teils und eines
imaginären Teils einer Wechselstromimpedanz misst die Impedanzmesseinheit 13 den
inneren Widerstand in der Brennstoffbatteriezelle, bei dem es sich
um eine Summe handelt aus einem ohmschen Widerstand, der den Gleichstromwiderstand
eines Separators oder einer Elektrolyt schicht darstellt, einem Reaktionswiderstand,
der einen Widerstand darstellt, der von einer chemischen Reaktion
mit einem Katalysator bewirkt wird, und einem Diffusionswiderstand,
der einen Widerstand darstellt, auf den das zum Katalysator strömende
Brenngas oder Oxidierungsgas trifft.
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2 zeigt
einen Ablauf einer Spülbehandlung des Brennstoffbatteriesystems
nach AUS-Stellen eines Schlüsselschalters. Eines der Merkmale dieser
Ausführungsform ist, dass in einem Fall, wo die Leistungserzeugung
während eines Aussetzbetriebs, in dem die Leistungserzeugung
ausgesetzt ist, durch AUS-Stellen eines Zündschalters (IG)
beendet wird, die Impedanzmesseinheit eine Impedanzmessung durchführt,
nachdem die Luftzufuhr sich stabilisiert hat, um einen transienten
Zustand der Brennstoffbatteriezelle aufgrund einer Verzögerung
der Luftzufuhr zu verhindern.
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Diese
Steuerung wird durch ein in der Steuereinheit 30 gespeichertes
Programm durchgeführt. Wenn die Steuereinheit 30 erfasst,
dass ein Schlüsselschalter, wie ein Zündschlüssel,
AUS-gestellt ist (IG-AUS), beendet die Steuereinheit 30 in
Schritt S10 zuerst die Leistungserzeugung am Brennstoffzellen-Stapel 11 und
misst eine Spannung, einen elektrischen Strom, eine Temperatur usw.
der Brennstoffbatterie unter Verwendung der Sensoren 12.
In Schritt S12 bestimmt die Steuereinheit 30 aufgrund einer
Differenz zwischen einer aktuellen Zeit und einer Zeit, die in der
Steuereinheit 30 aufgezeichnet ist und die anzeigt, wann
ein Schlüsselschalter zuvor AUS-gestellt wurde, ob der
aktuelle Betrieb ein Aussetzbetrieb ist oder nicht. Wenn die Steuereinheit 30 bestimmt,
dass der aktuelle Betrieb ein Aussetzbetrieb ist, erhöht
die Steuereinheit 30 in Schritt S14 die Häufigkeit
der Impedanzmessung über eine normalerweise definierte
Häufigkeit hinaus. Wenn die Steuereinheit 30 dagegen
bestimmt, dass der aktuelle Betrieb kein Aussetzbetrieb ist, schreitet
die Steuereinheit 30 zu Schritt S16 vor und bewirkt, dass
die Brennstoffbatterie in einem Hochleistungsmodus arbeitet, bei
dem es sich um einen von drei Leistungsmodi, d. h. niedrig, mittel
und hoch, handelt.
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In
Schritt S16 startet die Steuereinheit 30 den Betrieb des
Luftkompressors und erhöht die Drehzahl des Luftkompressors.
Nach einer Bestätigung, dass der Betriebsmodus der „Hochleistungsmodus” ist,
misst die Steuereinheit 30 dann die Zeit bis zum Ablauf
einer vorgegebenen Zeit (beispielsweise einer Zeit, die es dauert,
bis sich die Drehzahl stabilisiert hat, beispielsweise einige Sekunden), oder
die Steuereinheit 30 bestimmt alternativ dazu in Schritt
S18, ob die Brennstoffbatteriezelle tatsächlich anspricht
oder nicht. Wenn die Steuereinheit 30 bestimmt, dass die
Brennstoffbatterie anspricht, führt die Steuereinheit 30 die
Impedanzmessung in Schritt S20 aus. Ferner führt die Steuereinheit 30 einen Schichttrocknungsprozess
(Schritt S22) unter Verwendung einer Zeit, die es schätzungsweise
dauert, um die Schicht zu trocknen, auf Basis einer Wassermenge,
die aus der Impedanzmessung erhalten wird, aus. Der Prozess nach
AUS-Stellen eines Schlüsselschalters ist mit den obigen
Schritten abgeschlossen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung
anderer Informationen, wie einer Luftzufuhrmenge, einer Drehzahl
des Luftkompressors und dergleichen, für die Bestimmung
einer Leistungserzeugungsspannung in Schritt 18 ebenfalls bevorzugt
ist.
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3 zeigt
ein Beispiel für die zeitliche Steuerung einer Leistungsanforderung
und einer Impedanzmessungsanforderung, die beide von der Steuereinheit
des Brennstoffbatteriesystems an die Brennstoffbatterie ausgegeben
werden. Wie oben beschrieben, kann aufgrund des Prinzips der Impedanzmessung
wegen einer Verzerrung oder Verrauschung von Sinuswellen oder dergleichen
aufgrund einer niedrigeren Ansprechempfindlichkeit auf überlagerte
Sinuswellen eine falsche Erfassung vorkommen, wenn die Leistungsmenge,
die von der Brennstoffzellenbatterie erzeugt wird, klein ist. Daher
wird in der vorliegenden Ausführungsform der Betriebsmodus
der Brennstoffbatterie im Prozess nach dem AUS-Stellen eines Schlüsselschalters
vor dem Messen der Impedanz auf einen Hochleistungsmodus gesetzt.
Beim Messen einer Impedanz wird ein Ventil 23 des Wasserstoff-Zufuhrsystems
geschlossen, und das Abgas, aus dem von einem Gas/Flüssigkeit-Separator
Reaktionswasser entfernt wurde, wird von der Umwälzpumpe 20 umgewälzt,
damit die Impedanzmessung durchgeführt werden kann, nachdem die
Brennstoffbatterie im Wesentlichen angehalten wurde.
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Wie
oben beschrieben, wird unter Verwendung des Brennstoffbatteriesystem
gemäß der vorliegenden Ausführungsform,
in dem die Impedanzmessung in einem Fall, in dem während
eines Aussetzbetriebs, in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt
ist, ein Spülen durch AUS-Stellen eines Zündschalters beendet
wird, unter Berücksichtigung einer Startverzögerung
eines Luftkompressors durchgeführt wird, eine exakte Messung
eines inneren Widerstands möglich.
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Unter
Verwendung eines Brennstoffbatteriesystems gemäß dieser
Ausführungsform ist es auch möglich, eine Brennstoffbatterie
ausreichend zu steuern, ohne das System komplizierter zu machen,
da es möglich ist, die Menge an in der Brennstoffbatterie verbliebenem
Wasser mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
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[INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT]
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Ein
Impedanzmessmittel gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Messen einer Impedanz eines Brennstoffbatteriesystems kann
auf ein Brennstoffbatteriesystem angewendet werden, das ein Gaszufuhrmittel
zum Zuführen von Brenngas und Oxidierungsgas zu einer Brennstoffzellenbatterie
aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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BRENNSTOFFBATTERIESYSTEM
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Ein
Brennstoffbatteriesystem (10) weist auf: einen Brennstoffbatteriestapel
(11), ein Wasserstoff-Zufuhrsystem zum Zuführen
von Wasserstoff aus einem Wasserstofftank (22), ein Oxidierungsgas-Zufuhrsystem
zum Zuführen von Luft, die als Oxidierungsmittel dient,
durch einen Luftkompressor, ein elektrisches System, das eine Impedanzmesseinheit
(13) zum Messen der Impedanz einer Brennstoffbatterie,
einen Gleichstromwandler (14) zum Umwandeln von erzeugter
elektrischer Leistung, eine Sekundärbatterie (15)
zum Speichern von elektrischer Leistung usw. aufweist, und ein Antriebssystem
(50) zum Antreiben eines Fahrzeug. Wenn die Leistungserzeugung
während eines Aussetzbetriebs, in dem die Leistungserzeugung
ausgesetzt ist, durch AUS-Stellen eines Zündschalters beendet
wird, misst die Impedanzmesseinheit (13) die Impedanz,
nachdem sich die Luftzufuhr stabilisiert hat, um einen transienten
Zustand der Brennstoffbatterie, der von einer Verzögerung
der Luftzufuhr verursacht wird, zu vermeiden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A [0003, 0004]