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DE10313437A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Steuerung der Energieflüsse in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Steuerung der Energieflüsse in einem Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle (3), mindestens einem elektrischen Speicher (4), mindestens einem elektrischen Verbraucher (5) und mindestens einer Steuer- oder Regelungsvorrichtung für die Einstellung der Energieflüsse im Brennstoffzellensystem (1), wobei die Steuer- oder Regelungsvorrichtung von einer die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle (3), insbesondere die elektrische Spannung U¶OBZ¶ und/oder den elektrischen Innenwiderstand R¶IBZ¶ der Brennstoffzelle (3), durch Veränderung mindestens eines Betriebsparameters der Brennstoffzelle (3) variierenden Stellvorrichtung (2) gebildet ist, und ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Energieflüsse in einem Brennstoffzellensystem (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Energieflüsse in einem Brennstoffzellensystem gemäß dem unabhängigen Anspruch 13.
  • Brennstoffzellensysteme der hier zugrunde gelegten Art gehen aus DE 101 09 151 A1 hervor und weisen mindestens eine Brennstoffzelle, mindestens einen elektrischen Speicher und mindestens einen elektrischen Verbraucher sowie mindestens eine Steuer- oder Regelungseinrichtung für die Einstellung der Energieflüsse auf. Die Anordnung dieser Elemente ist derart gewählt, dass der elektrische Verbraucher seine Leistung aus der Brennstoffzelle und/oder dem elektrischen Speicher beziehen kann, und dass die Brennstoffzelle eine elektrische Verbindung zum elektrischen Speicher aufweist, so dass die Brennstoffzelle bei Bedarf den elektrischen Speicher laden kann. Um den Energiefluss aus der Brennstoffzelle Richtung elektrischem Verbraucher und/oder elektrischem Speicher zu steuern, ist eine Regelungseinrichtung vorgesehen, die zwischen Brennstoffzelle und dem elektrischen Speicher sowie dem elektrischen Verbraucher angeordnet ist. Als Regelungseinrichtung wird ein DC/DC-Regler eingesetzt. Brennstoffzellensysteme gemäß diesem Stand der Technik haben den Nachteil, dass ein zusätzlicher, in der Herstellung aufwendiger und teurer, DC/DC-Regler benötigt wird. Die bekannte Regelungseinrichtung führt ferner zu elektrischen Verlusten und damit zu einem verringerten elektrischer Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Brennstoffzellensystem anzugeben, mit dem der Energiefluss einfacher und preiswerter zu steuern bzw. zu regeln ist. Auch soll ein guter elektrischer Gesamtwirkungsgrad erzielt werden.
  • Zur Lösung der genannten Aufgabe wird ein Brennstoffzellensystem – gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 – vorgeschlagen, bei dem die Steuer- oder Regelungseinrichtung von einer die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle, insbesondere die elektrische Spannung und/oder den elektrischen Innenwiderstand der Brennstoffzelle, durch Veränderung mindestens eines Betriebsparameters der Brennstoffzelle variierenden Stellvorrichtung gebildet ist. Erfindungsgemäß wird daher auf einen zwischengeschalteten DC/DC-Regler, insbesondere auf jegliche Art zwischengeschalteter Elemente, wie z.B. Leistungselektronik, verzichtet. Ansprüche 1 und 13 beruhen auf der erfindungsgemäß gewonnenen Erkenntnis, dass eine kontrollierte Beeinflussung von mindestens einem Betriebsparameter einer Brennstoffzelle eine gewünschte Änderung der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle bewirkt, wobei eine Änderung von mindestens einem Betriebsparameter einer Brennstoffzelle eine Änderung der Spannung und/oder des Innenwiderstands der Brennstoffzelle hervorruft, und die Änderung der Spannung und/oder des Innenwiderstands wiederum eine Änderung der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle und damit eine Anpassungsfunktion an den Verbraucher und/oder den Speicher zur Folge hat.
  • Zu den Betriebsparametern der Brennstoffzelle zählt u.a. die Temperatur, und an diesem beispielhaften Betriebsparameter soll die erfindungsgemäße Lehre verdeutlicht werden. Gemäß dem Stand der Technik wird die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle über ein zwischengeschaltetes Element an die Leistungsanforderung von elektrischem Speicher und elektrischem Verbraucher angepasst. Bezüglich des Betriebs der Brennstoffzelle ist man bemüht, die Brennstoffzelle in einem für die Leistungsabgabe optimalen Temperaturbereich zu betreiben. Dem entgegen basiert die technische Lehre auf der erfindungsgemäß gewonnenen Erkenntnis des Zusammenhangs zwischen der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle und der Variation mindestens eines Betriebsparameters und steuert oder regelt die Temperatur der Brennstoffzelle, um die Leistungsabgabe zu beeinflussen. Hierbei wird zum Erreichen eines bestimmten Zustands bewusst in Kauf genommen, dass die Brennstoffzelle möglicherweise nicht mehr im genannten optimalen Temperaturbereich betrieben wird, dafür aber die Leistungsabgabe wie gewünscht beeinflusst wird. Dieses Prinzip lässt sich analog auf andere und/oder weitere Betriebsparameter der Brennstoffzelle anwenden, wobei eine Steuerung oder Regelung auch – wie erwähnt – eine Kombination von Betriebsparametern variieren kann. Als Beispiel einer Kombination sei lediglich die Beeinflussung von Temperatur und Befeuchtung der Brennstoffzelle genannt.
  • Der Verzicht auf den im zitierten Stand der Technik beschriebenen DC/DC-Regler birgt einen erheblichen Kostenvorteil. Des weiteren wird ein Vorteil in der Energieeffizienz realisiert, da die Erfindung einen direkten Energiefluss von der Brennstoffzelle zum elektrischen Speicher sowie zum elektrischen Verbraucher ermöglicht, wohingegen der Energiefluss aus der Brennstoffzelle beim Stand der Technik stets durch den verlustbehafteten DC/DC-Regler erfolgt. Die Verluste entstehen u.a. durch Blindleistung oder Wärmeverluste und reduzieren somit den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems.
  • In einer vorteilhaften Ausführung des beschriebenen Brennstoffzellensystems ist die Stellvorrichtung – wie beispielhaft bereits erwähnt – eine Temperaturstellvorrichtung der Brennstoffzelle. Mittels der Temperaturstellvorrichtung kann der sowohl der Temperaturhaushalt der Brennstoffzelle als auch die Temperatur der zugeführten Reaktanten kontrolliert, vor allem jedoch die erfindungsgemäße Stell- oder Regelungsaufgabe durchgeführt werden.
  • Wird die Stellvorrichtung als Befeuchtungsstellvorrichtung der Brennstoffzelle ausgeführt, so ergibt sich eine weitere vorteilhafte Ausführung der genannten Erfindung. Mit der Befeuchtungsstellvorrichtung kann die Befeuchtung der Einzelzelten und/oder die Befeuchtung mindestens eines der zugeführten Reaktanten, insbesondere Gase, variiert werden, so dass die Brennstoffzelle in einen anderen Arbeitspunkt gebracht wird und sich somit ihre Leistungsabgabe ändert.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführung ergibt sich, wenn die Stellvorrichtung als Gaszuführstellvorrichtung für die zugeführten Reaktanten der Brennstoffzelle ausgeführt ist. Durch diese Vorrichtung wird die Gaszuführung mindestens eines Gases bezüglich Gasdruck und -durchsatz bzw. -flussmenge beeinflusst, um so die Steuerung oder Regelung der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle zu bewirken.
  • Für eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung wird die Stellvorrichtung als Abgasstellvorrichtung der Brennstoffzelle gewählt. Dadurch ist es möglich mindestens eines der Abgase, die als Endprodukt der Reaktion der zugeführten Gase entstanden sind, bezüglich ihres Druckes und/oder des Durchsatzes zu steuern bzw. regeln, und so die Spannung und/oder den Innenwiderstand der Brennstoffzelle zu beeinflussen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Stellvorrichtung als Gasstöchiometrie-Stellvorrichtung ausgeführt. Diese Vorrichtung ermöglicht es, dass die Reaktionen in der Brennstoffzelle stöchiometrisch stattfinden können oder bewusst einen Überschuss oder einen Unterschuss mindestens eines Reaktanten erzielen können, um die erfindungsgemäße Steuerung oder Regelung zu bewirken.
  • Für eine weitere vorteilhafte Ausführung der vorgenannten Erfindung wird die Stellvorrichtung als Gaspartialdruck-Stellvorrichtung ausgeführt. Diese Vorrichtung ermöglicht es den Partialdruck der Reaktanten einzustellen, und damit den Betriebszustand der Brennstoffzelle zu ändern und die gewünschte Variation von Spannung und/oder Innenwiderstand der Brennstoffzelle zu erzielen.
  • Aufgrund der Tatsache, dass es verschiedenartige Brennstoffzellensysteme gibt, die sich sowohl in ihrer Größe als auch in ihrer prinzipiellen Funktionsweise unterscheiden, jedoch alle erfindungsgemäß steuer- oder regelbar sind, ergeben sich weiter nachfolgend genannte vorteilhafte Ausführungsformen, wobei jeweils eine Abstimmung der Brennstoffzelle auf den elektrischen Speicher und/oder den elektrischen Verbraucher erfolgt. Eine vorteilhafte Ausführung besteht darin, dass die Anzahl der Einzelzellen der Brennstoffzelle auf die Kenngrößen des elektrischen Speichers abgestimmt ist. In einer weiteren Variante kann die Anzahl der Einzelzellen der Brennstoffzelle auf die Anzahl der Speichereinzelzellen abgestimmt werden. Dies trifft insbesondere zu, wenn der elektrische Speicher als Akkumulator ausgeführt ist. Eine weitere Anpassungsmöglichkeit ergibt sich, wenn der Typ der Einzelzellen der Brennstoffzelle auf den Typ der Speichereinzelzellen abgestimmt ist. Diese Anpassungsmöglichkeiten erlauben es, dass die Brennstoffzelle mit ihrem charakteristischen, zulässigen Strom-Spannungs-Bereich auf die Abgabe- und Speichercharakteristik des elektrischen Speichers abgestimmt ist.
  • Eine vorteilhafte Ausführung der vorgenannten Erfindung ergibt sich auch dann, wenn der Verbraucher ein elektrischer Verbraucher eines Kraftfahrzeuges ist. Hierbei ergibt sich insbesondere die Möglichkeit, dass der elektrische Verbraucher ein dem Fahrzeugantrieb dienender Elektromotor oder das Bordnetz des Kraftfahrzeuges ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführung ergibt sich, wenn der elektrische Speicher als Superkondensator ausgeführt ist.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Energieflüsse in einem Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, mindestens einem elektrischen Speicher und mindestens einem elektrischen Verbraucher, wobei durch eine gesteuerte oder geregelte Veränderung mindestens eines Betriebsparameters der Brennstoffzelle die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle, insbesondere die elektrische Spannung und/oder der elektrische Innenwiderstand der Brennstoffzelle, variiert wird/werden.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert:
  • 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • 2 zeigt anhand eines Ausführungsbeispiels das Prinzip eines Verfahrens zur Steuerung oder Regelung der Energieflüsse in einem Brennstoffzellensystem.
  • Gemäß 1 weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Stellvorrichtung 2 auf, die der Brennstoffzelle 3 zugeordnet ist, einen elektrischen Speicher 4 und einen elektrischen Verbraucher 5. Die Verbindungen zwischen der Brennstoffzelle 3, dem elektrischen Speicher 4 und dem elektrischen Verbraucher 5 sind derart gewählt, dass der Verbraucher 5 in Abhängigkeit von seinem Leistungshaushalt Leistung aus der Brennstoffzelle 3 beziehen kann, und/oder Leistung aus dem elektrischen Speicher 4 erhalten kann oder aber Leistung an den elektrischen Speicher 4 abgeben kann. Letzterer Fall tritt zum Beispiel dann ein, wenn der elektrische Verbraucher 5 ein Elektromotor ist, insbesondere ein Elektromotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, der zur Rückgewinnung von Energie während eines Bremsvorgangs zeitweise als elektrischer Generator genutzt wird und dabei Energie erzeugt.
  • Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die Brennstoffzelle 3 den elektrischen Speicher 4 mit Leistung versorgt. Die Brennstoffzelle 3 weist mehrere Einzelzellen 6 auf, die innerhalb der Brennstoffzelle 3 untereinander elektrisch verbunden sind. Jede der Einzelzellen 6 stellt eine eigenständige Einheit dar, die elektrische Energie erzeugt. Die Verbindung mehrerer Einzelzellen 6 innerhalb der Brennstoffzelle 3 ist erforderlich, um einen bestimmten Bereich der Spannungshöhe bzw. der Stromstärke zu erzielen, den eine Einzelzelle 6 alleine prinzipbedingt nicht zur Verfügung stellen kann. Der elektrische Speicher 4, der z.B. als Akkumulator ausgebildet ist, weist mehrere Speichereinzelzellen 7 auf, die innerhalb des elektrischen Speichers 4 untereinander verbunden sind. Mittels der Anzahl und der Verbindung der Speichereinzelzellen 7 ist es möglich, den elektrischen Speicher 4 in seiner Gesamtheit mit einer gewünschten Lade- und Entladecharakteristik zu versehen.
  • Des Weiteren besitzt die Brennstoffzelle 3 drei zugehörige Größen: die Spannung der Brennstoffzelle 3 U0BZ, den Innenwiderstand der Brennstoffzelle 3 RIBZ und den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 3 IBZ. Aufgrund des Ohmschen Gesetzes ergibt sich IBZ als Quotient von U0BZ und RIBZ, das heißt der Ausgangsstrom IBZ der Brennstoffzelle 3 ist abhängig von Spannung U0BZ und Innenwiderstand RIBZ der Brennstoffzelle 3. Spannung U0BZ und Innenwiderstand RIBZ der Brennstoffzelle 3 sind abhängig von den Betriebsparametern der Brennstoffzelle 3. Zu diesem Betriebsparametern gehören unter anderem, die Temperatur der Brennstoffzelle 3, die Temperatur der zugeführten Reaktanten, die Befeuchtung der Brennstoffzelle 3, die Befeuchtung der Reaktanten, der Druck und/oder das Volumen der zugeführten Reaktanten, der Druck und/oder das Volumen der Abgase, die Gasstöchiometrie oder der Partialdruck der Reaktanten. Diese und weitere Betriebsparameter sind maßgeblich für den Betriebszustand der Brennstoffzelle 3: Das Steuern bzw. Regeln von mindestens einem Betriebsparameter der Brennstoffzelle 3 mittels der Stellvorrichtung 2 führt zu einer Änderung der Spannung U0BZ und/oder des Innenwiderstandes RIBZ der Brennstoffzelle 3 und bewirkt daher eine Änderung des Ausgangsstroms IBZ der Brennstoffzelle 3. Somit ist schließlich die Steuerung bzw. Regelung des Ausgangstroms IBZ, und damit auch der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 3, durch die mittelbare Wirkung der Stellvorrichtung 2 erreicht.
  • Die 2 zeigt beispielhaft ein Verfahren einer Regelung der Leistungsabgabe einer Brennstoffzelle 3, wobei eine Ausführung der Stellvorrichtung 2 als Temperatur-Stellvorrichtung gewählt ist. Dabei sind die folgenden Prozessschritte symbolisiert:
    A – Die Brennstoffzelle 3 arbeitet bei einer Temperatur T
    B – Messung der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 3 und der Leistungsanforderung
    C – Vergleich der gemessenen Werte
    D – Änderung der Temperatur T der Brennstoffzelle 3
    E – Änderung von Spannung U0BZ und/oder Innenwiderstand RIBZ der Brennstoffzelle 3
    F – Änderung der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 3
    j – Abweichung der gemessenen Werte voneinander erfordert Reaktion der Stellvorrichtung 2
    n – Abweichung der gemessenen Werte voneinander erfordert keine Reaktion der Stellvorrichtung 2
  • Im Schritt A arbeitet die Brennstoffzelle 3 bei einer Temperatur T und ist bezüglich einer Leistungsanforderung von elektrischem Speicher 4 und elektrischem Verbraucher 5 eingestellt. Während des Betriebs der Brennstoffzelle 3 werden mittels einer Messung B die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 3 und die Leistungsanforderung von elektrischem Speicher 4 und elektrischem Verbraucher 5 ermittelt. Wird anhand des Vergleichs der gemessenen Werte im Schritt C festgestellt, dass keine Anpassung notwendig ist – die Abweichung der gemessenen Werte voneinander liegt also innerhalb eines bestimmten gewählten Bereichs –, so wird die Brennstoffzelle 3 weiterhin bei der Temperatur T betrieben. Andernfalls wird eine Anpassung gemäß der nachfolgend beschriebenen Schritte eingeleitet.
  • Mittels der Temperatur-Stellvorrichtung wird die Temperatur T der Brennstoffzelle 3 im Schritt D geändert. Dies kann, je nach Art der gewünschten Änderung, sowohl eine Erhöhung als auch eine Senkung der Temperatur T erfordern, die z.B. über eine höhere oder reduzierte Kühlung der Brennstoffzelle 3 oder über die Erwärmung oder Kühlung der zugeführten Reaktanten erreicht werden kann. Die Änderung der Temperatur T der Brennstoffzelle 3 bewirkt im Schritt E eine Änderung von Spannung U0BZ und/oder Innenwiderstand RIBZ der Brennstoffzelle 3. Dies führt aufgrund des Ohm'schen Gesetzes im Schritt F zu einer Änderung des Ausgangsstroms IBZ der Brennstoffzelle 3 und damit zu einer geänderten Leistungsabgabe. Sofern nach der Messung B weiterhin die Notwendigkeit einer Anpassung im Schritt C feststellt wird, werden die Schritte D, E, F, B und C solange durchlaufen, bis wieder ein Zustand ohne eine notwendige Anpassung eingestellt ist.
  • In Abhängigkeit der gewählten maximalen Abweichung der gemessenen Werte im Schritt C, einer Abweichung also, die eine Reaktion der Stellvorrichtung 2 noch nicht auslöst, und dem zugrunde gelegten Steuerungs- oder Regelungsverfahren, insbesondere einer Ausbildung als Hystereselogik, bietet das Verfahren sowohl die Möglichkeit einer punktuellen Steuerung bzw. Regelung, d.h. die Stellvorrichtung wird nur bei einer größeren Abweichung betätigt, als auch einer kontinuierlichen Steuerung bzw. Regelung, d.h. die Stellvorrichtung wird bereits bei einer kleineren Abweichung aktiv. Zudem lassen sich die Stellvorrichtungen für diesen und andere Betriebsparameter kombinieren – als Beispiele seien Befeuchtung oder Partialdruck der Reaktanten genannt –, so dass eine Steuerung bzw. Regelung in einer Vielzahl von möglichen Charakteristiken ausgeführt werden kann.

Claims (13)

  1. Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, mindestens einem elektrischen Speicher, mindestens einem elektrischen Verbraucher und mindestens einer Steuer- oder Regelungseinrichtung für die Einstellung der Energieflüsse im Brennstoffzellensystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regelungseinrichtung von einer die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle, insbesondere die elektrische Spannung und/oder den elektrischen Innenwiderstand der Brennstoffzelle, durch Veränderung mindestens eines Betriebsparameters der Brennstoffzelle variierenden Stellvorrichtung gebildet ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung eine Temperaturstellvorrichtung der Brennstoffzelle ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung eine Befeuchtungsstellvorrichtung der Brennstoffzelle ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle mindestens ein Gas als Energieträger zugeführt wird (Zuführgas) und dass die Stellvorrichtung eine Gaszuführstellvorrichtung der Brennstoffzelle ist.
  5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Brennstoffzelle mindestens ein Gas als Abgas abgeführt wird (Abführgas), und dass die Stellvorrichtung eine Abgasstellvorrichtung der Brennstoffzelle ist.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung eine Gasstöchiometrie-Stellvorrichtung für das/die Zuführgas(e) und/oder das/die Abführgas(e) ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung eine Gaspartialdruck-Stellvorrichtung für das/die Zuführgas(e) und/oder das/die Abführgas(e) ist.
  8. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle mehrere Einzelzellen aufweist und dass die Anzahl der Einzelzellen der Brennstoffzelle auf die Kenngrößen des elektrischen Speichers abgestimmt ist.
  9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher mehrere Speichereinzelzellen aufweist, und dass die Anzahl der Einzelzellen der Brennstoffzelle auf die Anzahl der Einzelzellen des Speichers, insbesondere in der Ausführung als Akkumulator, abgestimmt ist.
  10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Typ Einzelzellen der Brennstoffzelle und der Typ der Speichereinzelzellen aufeinander abgestimmt sind.
  11. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher ein elektrischer Verbraucher eines Kraftfahrzeuges, insbesondere ein dem Fahrzeugantrieb dienender Elektromotor oder das Fahrzeug-Bordnetz, ist.
  12. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Speicher als Superkondensator ausgeführt ist.
  13. Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Energieflüsse in einem Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, mindestens einem elektrischen Speicher und mindestens einem elektrischen Verbraucher, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine gesteuerte oder geregelte Veränderung mindestens eines Betriebsparameters der Brennstoffzelle die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle, insbesondere die elektrische Spannung und/oder der elektrische Innenwiderstand der Brennstoffzelle, variiert wird/werden.
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