WO2008116579A2 - Brennstoffzellensystem und verfahren zur regelung eines brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Brennstoffzellenspannung UBZ,ist in einem Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelle (1), einen an die Brennstoffzelle (1) angekoppelten DC/DC-Wandler (2), der an einen Energiespeicher (3) ankoppelbar ist, und eine zwischen der Brennstoffzelle (1) und dem DC/DC-Wandler (2) angeordnete Steuer- und Regeleinheit (4), umfassend die folgenden Schritte: Es wird ein Mindestspannungswert UBZ,min ermittelt und UBZ, Soll so gewählt, dass gilt UBZ, Soll ≥UBZ,min. Die Steuer- und Regeleinheit (4) empfängt die Regelgröße UBZ,ist vergleicht die Regelgröße UBZ,ist mit einer vorgegebenen Sollgröße UBZ, SolI und bestimmt daraus eine Stellgröße IDC/DC,SoII. Die Steuer- und Regeleinheit (4) leitet die Stellgröße IDC/DC,SoII an den DC/DC-Wandler (2) weiter, Der DC/DC-Wandler (2) belastet in Abhängigkeit von der Stellgröße IDC/DC,SoII die Brennstoffzelle (2) mit dem Strom IBZ,ist, der die Brennstoffzellenspannung begrenzt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem.

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Regelung eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für mobile Anwendungen, umfassend eine Brennstoffzelle und einen an die Brennstoffzelle angekoppelten DC/DC-Wandler, der an einen Energiespeicher ankoppelbar ist, ein aktives Hybridsystem mit einem solchen Brennstoffzellensystem sowie einem Energiespeicher, des Weiteren ein Verfahren zur kennfeld unterstützten Regelung einer Brennstoffzellenspannung.
Brennstoffzellensysteme in Hybridsystemen für mobile Anwendungen müssen für die dynamischen Anforderungen des Verbrauchers konzipiert und ausgelegt sein. Der grundsätzliche Aufbau umfasst dabei in der Regel eine Brennstoffzelle und einen Energiespeicher. Unterschiede bei der Ausführung derartiger Hybridsysteme bestehen insbesondere bei der elektrotechnischen Kopplung von Brennstoffzelle und Energiespeicher sowie bei der Steuerung und Regelung des Gesamtsystems und insbesondere der Brennstoffzelle.
Die bekannten Hybridsysteme, bestehend aus Brennstoffzelle und
Energiespeicher, lassen sich grundsätzlich in passive und aktive Hybridsysteme unterscheiden. Bei passiven Hybridsystemen sind Brennstoffzelle und Energiespeicher direkt parallel miteinander verbunden, d.h. sie werden in jedem Betriebszustand des Gesamtsystems auf dem gleichen Spannungsniveau betrieben. Aktive Systeme zeichnen sich durch eine Entkopplung von
Brennstoffzelle und Energiespeicher durch DC/DC-Wandler aus. Damit lässt sich prinzipiell unabhängig von der Lastanforderung die Aufteilung der Energieflüsse auf Brennstoffzelle und Energiespeicher beeinflussen. Eine Möglichkeit zur Steuerung aktiver Systeme besteht darin, den Ladezustand des Energiespeichers mittels Zweipunktregelung zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert zu halten. Um den Ladezustand des Energiespeichers zwischen den zwei Grenzwerten zu halten, muss der Energiespeicher von Zeit zu Zeit von der Brennstoffzelle geladen werden. Dies geschieht nach dem bekannten Stand der
CONFIRMAΠONCOPY Technik in der Weise, dass die Brennstoffzelle mit ihrer Maximalleistung betrieben wird.
Bei passiven Systemen wird der Brennstoffzelle die Bordspannung, d.h. die Spannung am Energiespeicher des Gesamtsystems, aufgeprägt. Hierfür ist es erforderlich, die Komponenten sehr genau aufeinander abzustimmen. Es ist nicht möglich, die Brennstoffzelle aktiv in einem anderen Arbeitspunkt zu betreiben. Problematisch sind hier zwei Punkte:
Erstens können unter Umständen Spannungen auftreten, welche die
Brennstoffzelle schädigen bzw. zu beschleunigter Alterung (unvorteilhafte Veränderung der elektrochemischen Eigenschaften mit der Zeit) führen. Zweitens kann bei einer Alterung der Brennstoffzelle nicht aktiv auf die Brennstoffzellenspannung Einfluss genommen werden, um z.B. durch eine Spannungsabsenkung die Leistung aus der Brennstoffzelle zu erhalten.
Bei aktiven Systemen ist eine unabhängige Betriebsweise der Brennstoffzelle möglich. Allerdings wird beim oben beschriebenen Stand der Technik nicht darauf geachtet, ob die Betriebsweise der Brennstoffzelle Einfluss auf deren Alterung hat und wie dieser Performanceverlust der Brennstoffzelle kompensiert werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle in einem dynamisch betriebenen und aktiven Hybridsystem so zu betreiben, dass bei maximal möglicher Belastung der Brennstoffzelle Betriebszustände verhindert werden, die zu einer beschleunigten Alterung der Brennstoffzelle führen können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Brennstoffzellensystem für mobile Anwendungen gelöst, das eine Brennstoffzelle und einen an die Brennstoffzelle angekoppelten DC/DC-Wandler umfasst, der an einen Energiespeicher ankoppelbar ist, wobei sich das Brennstoffzellensystem dadurch auszeichnet, dass eine Steuer- und Regeleinheit mit der Brennstoffzelle und dem DC/DC- Wandler verbunden ist, die eine Regelgröße UBz,ist von der Brennstoffzelle empfängt, daraus eine Stellgröße IDC/DC.SOII bestimmt und an den DC/DC-Wandler leitet.
Außerdem ist erfindungsgemäß ein Begrenzer vorgesehen, der die Brennstoffzellenspannung begrenzt. Der Begrenzer ist ein Element, beispielsweise ein Logikelement, das so ausgestaltet ist, dass es Vergleiche zwischen einem gewünschten Zustand wenigstens einer Betriebsgröße und wenigstens einem zulässigen Zustand der Betriebsgröße durchführt und aufgrund dieses Vergleichs eine Sollwertvorgabe vornimmt.
Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, auf die Betriebsspannung UBZ der Brennstoffzelle Einfluss zu nehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst die Steuer- und Regeleinheit eine Kennfeldregelung, die vom DC/DC-Wandler einen Wert des Stroms lBz,ist und von der Brennstoffzelle die Regelgröße UBz,ist sowie einen Wert für mindestens eine weitere Betriebsgröße des
Brennstoffzellensystems empfängt, die empfangenen Werte Iβz.ist, UBz,ist sowie den Wert für die Betriebsgröße zu einem Steuersignal verarbeitet und das Steuersignal an eine Einrichtung zur Steuerung der Betriebsgröße weiterleitet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst die Steuer- und Regeleinheit einen PID-Regler.
Der Einsatz eines Reglers, beispielsweise eines PID-Reglers, erweist sich dann als besonders vorteilhaft, wenn eine Regelgröße einen gewünschten Wert möglichst genau einhalten soll. Dabei tritt evtl. noch hinzu, dass sich die Führungsgröße ändert. Regler und Stellglied müssen dann kontinuierlich arbeiten. Im Fall des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems liegt mit der Größe UBZ.SOII eine Führungsgröße vor, die sich ändern kann, wie weiter unten beschrieben wird. Für solche Anwendungen haben sich lineare Regler, wie beispielsweise PID-Regler, bewährt. In der Praxis sind PID-Regler meistens keine einzelnen Geräte, sondern Kompaktregler. Die Struktur eines solchen Reglers ist eine Parallelschaltung von Proportional-, integrier- und Differenzierglied (PID).
Das Brennstoffzellensystem kann verschiedene Typen von Brennstoffzellen umfassen, beispielsweise Brennstoffzellen vom Typ PEFC, DMFC oder HT-PEFC.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein aktives Hybridsystem, das ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem sowie einen Energiespeicher umfasst, der insbesondere als Blei-, NiMH-, Li-Ionen-, NiCd-Akkumulator oder Supercap ausgebildet ist.
Des Weiteren wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Regelung einer Brennstoffzellenspannung Ußz.ist in einem Brennstoffzellensystem gelöst, wobei das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle, einen an die Brennstoffzelle angekoppelten DC/DC-Wandler, der an einen Energiespeicher ankoppelbar ist, und eine mit der Brennstoffzelle und dem DC/DC-Wandler verbundene Steuer- und Regeleinheit umfasst und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Ein Mindestspannungswert UBz,min. wird ermittelt, wobei UBz,soiι, so gewählt wird, das gilt: UBz,soiι. ≥UBZ,min..
- Die Steuer- und Regeleinheit empfängt die Regelgröße UBZ,ist, vergleicht die Regelgröße UBz,ist mit einer vorgegebenen Sollgröße UBZ,soiι., und bestimmt daraus eine Stellgröße IDC/DC,SOII.
- Die Steuer- und Regeleinheit leitet die Stellgröße IDC/DC,SOII an den DC/DC- Wandler weiter,
- Der DC/DC-Wandler belastet in Abhängigkeit von der Stellgröße IDC/DC,SOII die Brennstoffzelle mit einem Strom lBZ,ιst. Mit dem Verfahren wird die Brennstoffzelle vor zu starker Belastung bzw. vor durch ungünstige Betriebszustände bedingter beschleunigter Alterung geschützt. Dies geschieht dadurch, dass die Brennstoffzellenspannung UBZ einen Minimalwert UBz,mιn nicht unterschreitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Minimalgröße UBz.mm als Begrenzungskennfeld UBz.min eine Funktion f ist, die insbesondere als von der Temperatur TBZ abhängiges Begrenzungskennfeld Ußz.min = f (TBZ)> in der Steuer- und Regeleinheit hinterlegt wird.
Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass der kritische Minimalwert Ußz.min wesentlich von der Temperatur TBz beeinflusst wird.
Eine weitere besondere Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die Minimalgröße UBz,mm als Begrenzungskennfeld Ußz.min als Funktion f einer ungealterten Brennstoffzelle in der Steuer- und Regeleinheit hinterlegt wird. Das Kennfeld einer ungealterten Brennstoffzelle wird auch als Nennkennfeld bezeichnet.
Durch Messungen an wenigstens einer anderen Brennstoffzelle mit möglichst vergleichbaren oder sogar identischen physikalischen Eigenschaften gewinnt man ein Begrenzungskennfeld UBz.min als Funktion der Temperatur und gegebenenfalls weiterer Werte, welches brauchbare Betriebsparameter für vergleichsweise neue Brennstoffzellen liefert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei erkannter Alterung der Brennstoffzelle auf Grundlage des Nennkennfeld der ungealterten Brennstoffzelle ein Nennkennfeld der gealterten Brennstoffzelle ermittelt. Dieser Vorgang wird nachfolgend als Altersanpassung bezeichnet. Die Altersanpassung wird solange fortgeführt, bis kein sinnvoller Betrieb der Brennstoffzelle mehr möglich ist. Die Steuer- und Regeleinheit signalisiert das Erfordernis, die Brennstoffzelle auszutauschen. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens vergleicht die Steuer- und Regeleinheit die Regelgröße UBZ,ιst mit der vorgegebenen Sollgröße UBZ.SOII und bestimmt daraus eine Stellgröße IDC/DC.SOII- Hierbei gilt: UBz,soiι = Ußz.min-
Auf diese Weise wird der Minimalwert Ußz.min zu dem Sollwert UBz,soiι für die Regelung der Brennstoffzellenspannung UBz- Dadurch wird gewährleistet, dass die Brennstoffzelle im Fahrbetrieb optimal ausgelastet wird, ohne dass sie dabei überlastet wird.
Die Aufgabe wird darüber hinaus gelöst durch ein Verfahren zur Kennfeldregelung einer Brennstoffzelle, umfassend Strom/Spannungs-Kennlinien der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von mindestens einer Betriebsgröße, beispielsweise TBz, Λuift, umfassend die folgenden Schritte:
Bestimmen von aktuellen Werten der Betriebsgrößen, beispielsweise TBZ, Λι_uft, der Brennstoffzelle.
Messen der Spannung UBZ,ιst und der Stromstärke Isz.ist der Brennstoffzelle,
Berechnen einer fiktiven Stromstärke ltheo aus der gemessenen Spannung Usz.ist und aktuellen Werten wenigstens einer Betriebsgröße, beispielsweise
TßZ, λ Luft,
- Vergleichen der gemessenen Stromstärke lBZ,ist mit der fiktiven Stromstärke Itheo, und Ermittlung von Betriebsgrößenkorrekturfaktoren der Betriebsgrößen TßzAuft aus der Abweichung der beiden Ströme.
Berechnung der aktuellen Werte der Betriebsgrößen TBZ, /W auf der Basis der Betriebsgrößenkorrekturfaktoren und Übermittlung dieser Werte an eine
Einrichtung zur Steuerung von Betriebsgrößen,
Durchlaufen dieser Schritte solange bis gilt: lBZ,ιst = Itheo- Auf diese Weise werden die Betriebsgrößen der Brennstoffzelle dem altersbedingten Nachlassen ihrer Leistungsfähigkeit angepasst, und es kann die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle trotz einsetzender Alterung zumindest noch für eine erheblich verlängerte Betriebsdauer erhalten werden.
Ausgewählt werden kann eine Betriebsgröße aus der Gruppe der Größen Temperatur T8Z, Luftüberschuss ΛLuft, Luftvolumenstrom d/dt VLuft, Brennstoffkonzentration, Brennstoffmassenstrom d/dt mBrennstoff, Betriebsdruck, Brennstoff-, Luftbefeuchtung oder Brennstoffumwälzrate.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Verschaltung von
Brennstoffzelle und Energiespeicher in einem aktiven Hybridsystem und
Figur 2 eine Regelungstruktur eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Verschaltung einer Brennstoffzelle 1 und eines Energiespeichers 3 in einem aktiven Hybridsystem. Zwischen der Brennstoffzelle 1 und dem Energiespeicher 3 ist ein DC/DC-Wandler
2 angeordnet, bei dem der Ausgangsstrom IDC/DC aktiv eingestellt werden kann. Die nicht abgebildete Steuer- und Regeleinheit 4 gibt einen Sollwert IDC/DC,SOII für den Strom vor, und der DC/DC-Wandler 2 regelt diesen ein.
In der Figur 2 ist eine Regelungsstruktur eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems dargestellt. In diesem Beispiel wird der Minimalwert Ußz.min als Sollwert UBz,soiι für die Brennstoffzellenspannung herangezogen. Auf diese Weise wird eine optimale Auslastung der Brennstoffzelle 1 im Fahrbetrieb gewährleistet, ohne dass die Brennstoffzelle 1 überlastet wird. Eine Steuer- und Regeleinheit 4 umfasst einen PID-Regler 7, eine Kennfeldregelung 5 und eine Einrichtung 6 zur Steuerung mindestens einer Betriebsgröße.
Der PID-Regler 7 hat die Aufgabe, die Brennstoffzellenspannung UBZ auf einen Sollwert UBz,soiι einzuregeln. Als Stellgröße dient der Strom IDC/DC,SOII am Ausgang des DC/DC-Wandlers 2. Der sich einstellende Brennstoffzellenstrom lBz,ist ist Eingangsparameter für die Kennfeldregelung 5 und die Brennstoffzelle 1. Wenn die Brennstoffzelle 1 mit dem Strom lBz,ist belastet ist, ergibt sich als Ausgangswert ein aktueller Istwert UBz,ist der Brennstoffzellenspannung in Abhängigkeit von den Betriebsgrößen, wobei der Istwert UBz,ist am PID-Regler 7 mit dem vorgegebenen Sollwert UBz,soiι verglichen wird. Bei einer Regelabweichung I UBz,soiι — Uβz.ist I > 0 wird die Stellgröße IDC/DC,SOII korrigiert, und die Regelungsschleife wird erneut durchlaufen.
Aufgabe der Kennfeldregelung 5 ist es, Abweichungen der Brennstoffzellenperformance vom Normalzustand durch Korrektur von Betriebsgrößen auszugleichen. Die Kennfeldregelung 5 ist damit ein vorteilhaftes Element des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Hierbei ist der Steuer- und Regeleinheit 4 zunächst das Nennkennfeld einer ungealterten Brennstoffzelle 1 hinterlegt. Das Kennfeld umfasst dabei Strom/Spannungs-Kennlinien der Brennstoffzelle 1 in Abhängigkeit von Betriebsgrößen. Eingänge in die Kennfeldregelung 5 sind die gemessenen Werte für die Stackspannung Uez.ist und den Stackstrom Iβz.ist, d h. die Spannung Uez.ist am Brennstoffzellenstapel und die Stromstärke lBZ,ist am Brennstoffzellenstapel. Bezugszeichen:
1 Brennstoffzelle
2 DC/DC-Wandler
3 Energiespeicher
4 Steuer- und Regeleinheit
5 Kennfeldregelung
6 Einrichtung zur Steuerung der Betriebsgrößen
7 PID-Regler

Claims

Patentansprüche:
1. Brennstoffzellensystem für mobile Anwendungen, umfassend eine Brennstoffzelle (1) und einen an die Brennstoffzelle (1) angekoppelten
5 DC/DC-Wandler (2), der an einen Energiespeicher (3) ankoppelbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Steuer- und Regeleinheit (4) mit der Brennstoffzelle (1) und dem DC/DC-Wandler (2) verbunden ist, die eine Regelgröße UBz,ist von der Brennstoffzelle (1) empfängt, daraus eine Stellgröße IDC/DC,SOII bestimmt und0 an den DC/DC-Wandler (2) leitet und dass ein Begrenzer vorgesehen ist, der die Brennstoffzellenspannung begrenzt.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, 5 dass die Steuer- und Regeleinheit (4) einen PID-Regler (7) umfasst.
3. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Brennstoffzelle (1) vom Typ PEFC, DMFC oder HT-PEFC 0 verwendet wird.
4. Aktives Hybridsystem, umfassend ein Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie einen Energiespeicher (3), der insbesondere als Blei-, NiMH-, Li-Ionen-, NiCd-Akkumulator oder Supercap 5 ausgebildet ist und dass ein Begrenzer vorgesehen ist, der die
Brennstoffzellenspannung begrenzt.
5. Verfahren zur Regelung einer Brennstoffzellenspannung Usz.ist in einem Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelle (1), einen an die o Brennstoffzelle (1 ) angekoppelten DC/DC-Wandler (2), der an einen
Energiespeicher (3) ankoppelbar ist, und eine zwischen der Brennstoffzelle (1) und dem DC/DC-Wandler (2) angeordnete Steuer- und Regeleinheit (4), umfassend die folgenden Schritte: Es wird ein Mindestspannungswert UBz.min ermittelt und UBZ.SOII SO gewählt, dass gilt UBz,soiι ≥U8z,min.
Die Steuer- und Regeleinheit (4) empfängt die Regelgröße UBz,ist vergleicht die Regelgröße Ußzjst mit einer vorgegebenen Sollgröße
UBZ.SOII und bestimmt daraus eine Stellgröße IDC/DC.SOII,
die Steuer- und Regeleinheit (4) leitet die Stellgröße IDC/DC,SOII an den DC/DC-Wandler (2) weiter,
der DC/DC-Wandler (2) belastet in Abhängigkeit von der Stellgröße IDC/DC,SOII die Brennstoffzelle (2) mit dem Strom lBz,ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u rc h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Minimalgröße UBz.min als Begrenzungskennfeld Ußz.min = f> insbesondere als von der Temperatur TBz abhängiges Begrenzungskennfeld UBz,min = f (TBz). in der Steuer- und Regeleinheit (4) hinterlegt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u rc h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Minimalgröße Ußz.min als Begrenzungskennfeld Usz.min = f einer ungealterten Brennstoffzelle (1) in der Steuer- und Regeleinheit (4) hinterlegt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u rc h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Steuer- und Regeleinheit (4) die Regelgröße Ußz.ist mit der vorgegebenen Sollgröße UBZ.SOII vergleicht und daraus eine Stellgröße
IDC/DC,SOII bestimmt, wobei gilt: UBZ.SOII = UBz,min-
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass überprüft wird, ob eine Alterung der Brennstoffzelle vorliegt, und dass bei erkannter Alterung der Brennstoffzelle auf Grundlage des Nennkennfelds der ungealterten Brennstoffzelle ein Nennkennfeld der gealterten Brennstoffzelle ermittelt wird. Dieser Vorgang wird nachfolgend als Altersanpassung bezeichnet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u rc h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Altersanpassung wird solange fortgeführt wird, bis kein sinnvoller
Betrieb der Brennstoffzelle mehr möglich ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109690850A (zh) * 2016-07-20 2019-04-26 Avl李斯特有限公司 用于燃料电池的反应气体的受控制的气体调节装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010052839A1 (de) 2010-11-29 2012-05-31 Airbus Operations Gmbh Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Energie und Wasser

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6428917B1 (en) * 1999-12-27 2002-08-06 Plug Power Inc. Regulating the maximum output current of a fuel cell stack
JP3662872B2 (ja) * 2000-11-17 2005-06-22 本田技研工業株式会社 燃料電池電源装置
JP2004265671A (ja) * 2003-02-28 2004-09-24 Hitachi Ltd 燃料電池の運転制御方法および装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109690850A (zh) * 2016-07-20 2019-04-26 Avl李斯特有限公司 用于燃料电池的反应气体的受控制的气体调节装置
CN109690850B (zh) * 2016-07-20 2022-06-14 Avl李斯特有限公司 用于燃料电池的反应气体的受控制的气体调节装置

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