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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung eines Kathodenbereichs
wenigstens einer Brennstoffzelle mit einem sauerstoffhaltigen Medium nach
der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft
die Erfindung die Verwendung des oben genannten Verfahrens.
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Aus
der
US 5,991,670 ist
ein entsprechendes System zur Kontrolle der elektrischen Ausgangsleistung
und der Luftversorgung einer Brennstoffzelle bzw. eines aus mehreren
Brennstoffzellen bestehenden Brennstoffzellenstapels bekannt. Das
beschriebene System ist dabei so ausgebildet, dass die Förderleistung
der Luftversorgung anhand einer Drehzahl eines Kompressors so geregelt
wird, dass die an die Brennstoffzelle gestellten elektrischen Leistungsanforderungen
durch diese erfüllt
werden können.
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Es
ist bei diesem durch die oben genannte US-Schrift beschriebenen
Verfahren sehr nachteilig, dass die Brennstoffzelle quasi kontinuierlich
in ihren Last- und Betriebszuständen
variiert und an die, im speziellen Falle dieser Schrift, durch einen
elektrischen Fahrantrieb gestellten Leistungsanforderungen angepasst
wird. Dieser ständige
dynamische Wechsel der Lastzustände
stellt eine entsprechend hohe Belastung für die Brennstoffzelle dar.
Die Lebensdauer der Brennstoffzelle und ihrer Komponenten, wie z.B.
die der Membranen im Falle eines PEM-Brennstoffzellenstapels, leiden
unter einem derartigen dynamischen Wechsel der Lastzustände, so
dass es sehr häufig
bereits nach kurzer Betriebsdauer der Brennstoffzelle zu einer Schädigung und/oder
einem Versagen der Komponenten kommt.
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Ein
weiterer Nachteil des Systems gemäß der oben genannten
US 5,991,670 ist sicherlich
auch darin zu sehen, dass die Brennstoffzelle über weite Strecken ihrer Betriebsdauer
nicht mit ihrem maximal möglichen
Wirkungsgrad betrieben wird, und dass dadurch letztendlich Energie
verschwendet wird.
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Trotz
dieser genannten Nachteile stellt die
US
5,991,670 bereits einen Fortschritt gegenüber dem
allgemeinen Stand der Technik dar, bei welchem zur Steuerung bzw.
Regelung auf das Luftverhältnis λ zurückgegriffen
wird. Derartige Systeme machen nämlich
eine sehr aufwändige
Sensorik, beispielsweise Luftmassenmesser, Durchflussmesser oder dergleichen,
erforderlich, welche entsprechend viel Bauraum benötigt, hohe
Kosten verursachen und darüber
hinaus die Zuverlässigkeit
des Gesamtsystems beeinträchtigt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der hier vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zur Versorgung eines Kathodenbereichs wenigstens
einer Brennstoffzelle mit einem sauerstoffhaltigen Medium gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1 zu schaffen, bei welchem mit minimalem Aufwand hinsichtlich
der Sensorik bei einem die Brennstoffzelle schonenden Betrieb eine
bestmögliche
Energieausnutzung erzielt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil im Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst.
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Durch
die Variation der Förderleistung
in der Art, dass sich für
die Differenz zwischen dem erzeugten und dem aufgenommenen Strom
auf ein Maximum einstellt, wird eine Regelung bzw. Steuerung ermöglicht,
welche mit einem minimalen Aufwand hinsichtlich der Sensorik auskommt.
Es reicht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
aus, die beiden genannten Ströme
zu erfassen, so dass auf aufwändige Messeinrichtungen,
wie Luftmassenmesser, Durchflussmesser und dergleichen, gänzlich verzichtet werden
kann. Aus den beiden erfassten Strömen wird die angesprochene
Differenz gebildet, welche praktisch den Nettostrom und damit letztendlich
auch die Nettoleistung der Brennstoffzelle darstellt. Es ist dafür also ausreichend
lediglich zwei der Ströme
zu messen um alle notwendigen Informationen zu erhalten. Der Messaufwand
ist also sehr gering gehalten.
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Diese
Betrachtung bezieht dabei implizit mit ein, dass die elektrische
Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung
für die
Luftversorgung die größte parasitäre elektrische
Leistung eines Brennstoffzellensystems darstellt. Eine Optimierung
der Differenz, also des Nettostroms bzw. der Nettoleistung, der
wenigstens einen Brennstoffzelle hin zu einem Maximum stellt gleichzeitig
eine Optimierung des Systems aus der wenigstens einen Brennstoffzelle
und der wenigstens einen Fördereinrichtung
hin zu ihrem maximalen Wirkungsgrad dar, weil sowohl die Leistung
der Brennstoffzelle als auch die gesamte wesentliche parasitäre elektrische
Leistung der Versorgungselemente berücksichtigt ist.
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Die
Lösung
der Erfindung setzt dabei selbstverständlicher Weise voraus, dass
immer eine ausreichende Menge an Brennstoff, üblicherweise also an Wasserstoff,
für die
Brennstoffzelle zur Verfügung steht.
Ein Überschuss
oder Mangel wirkt sich dabei jedoch wieder auf den von der Brennstoffzelle
erzeugten Strom aus, so dass durch das erfindungsgemäße Verfahren
auch hier eine entsprechende Anpassung der Luftversorgung und des
Brennstoffzellensystems hinsichtlich des Brennstoffangebots erfolgt.
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Die
Brennstoffzelle wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren dabei über große Zeiträume in einem
annähernd
stationären
Betriebszustand betrieben, so dass außergewöhnliche, die Brennstoffzelle
schädigende
Belastungen, wie sie bei dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik durch
den dynamischen Betrieb auftreten, ausgeschlossen oder zumindest
minimiert werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
also den Aufbau und Betrieb eines kompakten, robusten und zuverlässigen Brennstoffzellensystems
bei minimalem Aufwand hinsichtlich der Sensorik sowie des damit verbundenen
Bauraums und der damit verbundenen Kosten.
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Eine
besonders vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist durch die im Anspruch 8 genannten Merkmale beschrieben.
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Der
Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
bietet sich insbesondere bei Brennstoffzellensystemen an, an welche
entsprechend hohe Anforderungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit,
der Robustheit sowie des Bauraums und der Kosten zu stellen sind.
Derartige Systeme finden sich dabei üblicherweise in Transportmitteln
zu Wasser, zu Lande und in der Luft, beispielsweise in Kraftfahrzeugen.
Da hier deutlich höhere
Wartungsintervalle anzustreben sind als sie bei stationären Anlagen,
wie beispielsweise Kraftwerksanlagen oder dergleichen, zu realisieren
sind und da hier wesentlich höhere
Anforderungen an die Minimierung des Bauraums und des Gewichts zu
stellen sind, kommt das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund der beschriebenen
Vorteile hier idealer Weise zum Einsatz. Ebenso spielen aufgrund
der hohen zu erwartenden Stückzahlen
der Brennstoffzellensysteme in derartigen Transporteinrichtungen
die Kosten eine entscheidende Rolle, so dass einer der weiteren
der oben genannten Vorteile ideal zur Geltung kommen kann.
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Eine
weitere, sehr vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist außerdem durch
die Merkmale beschrieben, welche in Anspruch 9 genannt sind.
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Ein
derartiger Aufbau aus einem Brennstoffzellensystem und einer elektrischen
Energiespeichereinrichtung, wie er beispielsweise aus der
DE 101 25 106 A1 bekannt
ist, stellt eine weitere, sehr günstige Möglichkeit
zur Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
dar. Der kombinierte Aufbau aus Brennstoffzelle und wenigstens einer
elektrischen Energiespeichereinrichtung erlaubt es nämlich, dass die
dynamischen Lastanforderungen, welche an das Brennstoffzellensystem
gestellt werden können,
und welche insbesondere bei der Verwendung als Energielieferant
für den
Antrieb eines Fahrzeugs sicherlich auch an das Brennstoffzellensystem
gestellt werden müssen,
durch die elektrische Energiespeichereinrichtung abzufangen. Die
Brennstoffzelle kann "im Hintergrund" eines derartigen
Systems dann in ihrem hinsichtlich der zu erzielenden Leistungsausbeute optimalen
Betrieb, also bei maximaler Nettoleistung, gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens
betrieben werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich
aus den Unteransprüchen
und aus dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Dabei
zeigen:
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1 einen prinzipmäßigen Aufbau
einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstapels mit Luftversorgung
zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren; und
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2 ein Diagramm, in welchem
die elektrischen Leistungen in Abhängigkeit der in den Kathodenbereich
der Brennstoffzelle geförderten
Menge an sauerstoffhaltigem Medium dargestellt sind.
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In 1 ist eine Brennstoffzelle 1 bzw.
ein Brennstoffzellenstapel 1 prinzipmäßig angedeutet. In dem Brennstoffzellenstapel 1 wird
ein Anodenbereich 2 durch eine protonenleitende Membran 3 von
einem Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 1 bzw.
des Brennstoffzellenstapels 1 getrennt. Diese Ausbildung der
Brennstoffzelle 1 als PEM-Brennstoffzelle soll dabei rein
beispielhaft sein und die Erfindung nicht auf ein derartiges Brennstoffzellensystem
einschränken.
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Der
Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 1 wird mit
einem sauerstoffhaltigen Medium, insbesondere mit Luft, versorgt.
Diese Luftversorgung erfolgt mittels einer elektrisch angetriebenen
Fördereinrichtung 5,
welche in ihrer Förderleistung
veränderbar
ist. Dies kann insbesondere durch eine Erhöhung der Drehzahl der beispielsweise
als Kompressor ausgebildeten Fördereinrichtung 5 oder
durch andersartige geeignete Maßnahmen
erfolgen. In Abhängigkeit
der Förderleistung
wird die Fördereinrichtung 5 dabei verschiedene
mit der Förderleistung
steigende Ströme
IA aufnehmen.
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Die
Brennstoffzelle 1 bzw. der Brennstoffzellenstapel 1 selbst
erzeugt aus dem dem Kathodenbereich 4 zugeführten sauerstoffhaltigen
Medium, insbesondere der Luft, und einem dem Anodenbereich 2 zugeführten, zur
Reduktion geeigneten Mediums, im Falle einer PEM-Brennstoffzelle üblicherweise Wasserstoff,
welcher aus einer Speichereinrichtung, einem Gaserzeugungssystem
oder dergleichen stammen kann, elektrischen Strom IFC.
Dieser von der Brennstoffzelle 1 erzeugte Strom IFC kann dann für den Betrieb von elektrischen
Energieverbrauchern genutzt werden. Typischerweise sind derartige elektrische
Energieverbraucher bei dem hier beispielhaft beschriebenen System
elektrische Energieverbraucher in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise elektromotorische
Energieverbraucher für
den Fahrantrieb und/oder andersartige Energieverbraucher in einem
Fahrzeug, wie beispielsweise Klimaanlagen, Navigationseinrichtungen,
Kommunikationseinrichtungen oder dergleichen. Es spielt dabei für das hier beschriebene
Beispiel keine Rolle, ob die Brennstoffzelle 1 Teil eines
Antriebsenergielieferanten oder Teil eines Hilfsenergieerzeugers
(APU/Auxiliary Power Unit) ist.
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Zusätzlich zu
der Bereitstellung von elektrischem Strom bzw. elektrischer Leistung,
welche bei konstanter Spannung in dem System äquivalent sind, wird außerdem der
für die
Fördereinrichtung 5 benötigte Strom
IA dem von der Brennstoffzelle 1 erzeugten
Strom IFC entnommen. Der nach dieser Entnahme des
Stroms IA für die Fördereinrichtung 5 verbleibende,
für elektrische
Energieverbraucher zur Verfügung stehende
Nettostrom I bildet sich also aus der Differenz zwischen dem von
der Brennstoffzelle 1 erzeugten Strom IFC und
dem von der Fördereinrichtung 5 aufgenommenen
Strom IA. Im regulären Betrieb der Brennstoffzelle 1 wird
der für
die Fördereinrichtung 5 zur
Verfügung
stehende Strom und damit letztendlich deren Förderleistung nun so verändert, dass
sich während
des ge samten Betriebs immer ein Maximum des Nettostroms I, also
der Differenz der Ströme
IFC und IA einstellt.
Damit kann sichergestellt werden, dass die Brennstoffzelle 1 immer
bei bestmöglicher Energieausbeute
unter Berücksichtigung
der parasitären
elektrischen Leistungsaufnahme durch die Fördereinrichtung 5 arbeitet.
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Diese
Optimierung des Systems durch die Beeinflussung der Versorgung des
Kathodenbereichs 4 der Brennstoffzelle 1 mit Luft
kann durch eine entsprechende Steuer- oder Regelungseinrichtung erfolgen,
welche in 1 durch das
Bezugszeichen 6 symbolisiert ist. Diese Steuer- oder Regelungseinrichtung 6 erfasst
dabei zumindest zwei der Ströme
I, IFC und IA. Sie
steuert bzw. regelt außerdem
die Stromzufuhr zu der Fördereinrichtung 5 und
damit deren Förderleistung.
In dem in 1 dargestellten prinzipmäßigen Beispiel
erfolgt dies durch eine Schalteinrichtung 7, beispielsweise
einen elektronischen Schalter in der Art eines MOSFET's oder dergleichen.
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In 2 ist in einem Diagramm
die elektrische Leistung Pel, welche bei
konstanter Spannung letztendlich den oben angesprochenen Strömen entspricht,
gegenüber
der Menge Q an gefördertem
sauerstoffhaltigen Medium, insbesondere also der Luftmenge Q, dargestellt.
Die Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung 5 entspricht
der mit dem Bezugszeichen A gekennzeichneten Linie, während die
Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 1 der mit B gekennzeichneten
Linie entspricht. Die Differenz dieser Leistungen ist durch die
Linie der Nettoleistung C dargestellt, welche im wesentlichen proportional
zu dem Nettostrom I verläuft.
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Dieser
Linie C der Nettoleistung lässt
sich entnehmen, dass es für
die Nettoleistung und damit auch für den Nettostrom I ein Maximum
gibt, welches hier in dem mit M bezeichneten Bereich angedeutet ist.
Ziel des Verfahrens ist es nun, die Luftversorgung mittels der Fördereinrichtung 5 so
zu betreiben, dass ein Betrieb der Brennstoffzelle 1 in
dem Bereich M ermöglicht
wird. Wie eingangs bereits erwähnt,
erfolgt dies durch eine Regelung der Förderleistung, welche hier durch
die Menge Q des geförderten
sauerstoffhaltigen Mediums repräsentiert
wird, so, dass sich eine maximale Nettoleistung bzw. ein maximaler
Nettostrom I einstellt.
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Eine
erste Möglichkeit,
dies zu realisieren, besteht nun darin, das Verfahren in mehrere
Schritte zu unterteilen, wobei in einem ersten Verfahrensschritt
der von der Brennstoffzelle 1 erzeugte Strom IFC gemessen
wird. In einem zweiten Schritt wird eine Förderleistung der Fördereinrichtung 5 eingestellt, welche
sich proportional zu diesem gemessenen Strom IFC ergibt,
wobei durch einen Proportionalitätsfaktor
das Verhältnis
des Stroms IA zu dem erzeugten Gesamtstrom
berücksichtigt
wird. Im nächsten Schritt
wird dann der Nettostrom I bei dieser so vorgegebenen Förderleistung
ermittelt und im nachfolgenden Schritt wird der oben ermittelte
Ausgangswert für
die Förderleistung
mit einem Korrekturfaktor, welcher beim Start des Systems Sinnvollerweise
mit 1 vorgegeben wird, zu einem korrigierten Wert multipliziert.
Ergibt sich bei diesem korrigierten Wert der Förderleistung dann ein höherer Nettostrom
I, so wird der korrigierte Wert wieder als Ausgangwert verwendet.
Ergibt sich dagegen eine niedrigerer Nettostrom I, so wird der ursprüngliche
Ausgangswert beibehalten und der Korrekturfaktor wird erneut angepasst, wobei
es dann besonders sinnvoll ist, dieser Korrekturfaktor so zu verändern, dass,
wenn der Ausgangswert durch den Korrekturfaktor bisher erhöht worden war,
dieser jetzt erniedrigt wird und umgekehrt.
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Diese
Optimierung kann dabei kontinuierlich vorangetrieben werden, so
dass sich letztendlich ein im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens
optimaler Betriebspunkt, also ein Betriebspunkt bei optimalem Nettostrom
I bzw. Nettoleistung der Brennstoffzelle 1, einstellt.
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Neben
dem hier beschriebenen Verfahren kann selbstverständlicher
Weise auch eine Regelung des Korrekturwerts, ausgehend von einem
Startwert, beispielsweise dem eben beschriebenen Wert 1,
hin zu einem Korrekturwert, welcher für einen maximalen Nettostrom
I sorgt, über
herkömmliche
Regelungsverfahren realisiert werden. Dazu müsste lediglich der letzte Verfahrensschritt
durch ein derartiges herkömmliches
Regelungsverfahren ersetzt werden. Beispielsweise kann ein derartiges
Regelungsverfahren eine PID – Regelung
des Korrekturwerts auf einen Maximalwert des Nettostroms I sein.
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Um
sicherzustellen, dass sich das ganze System innerhalb vernünftiger
Grenzen der Förderleistung
bewegt, ist es sinnvoll, das Verfahren nur zwischen einer vorgegebenen
oberen Grenze und einer vorgegebenen unteren Grenze einzusetzen.
Diese Grenzen können
aber in Abhängigkeit
der Größe des Systems
bestimmt werden. Durch die Grenzen kann sichergestellt werden, dass
das hier beschriebene Verfahren sicher funktioniert und dass keine
kritischen Situationen auftreten, wie beispielsweise eine Steigerung
des Stroms IA zur Erhöhung der Förderleistung in Größen, welche
der Fördereinrichtung 5 elektrischen
oder mechanischen Schaden zufügen würden. Auch
eine Drosselung der Förderleitung
auf Null kann für
den bestimmungsgemäßen Betrieb
als nicht sinnvoll angenommen werden. Sie wird durch die untere
Grenze verhindert.
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Ansonsten
kann über
das hier beschriebene Verfahren mit minimalem Aufwand an Sensorik
eine Regelung realisiert werden, welche einfach und zuverlässig arbeitet
und welche auch im Falle von Störungen,
beispielsweise einem Absinken des Stroms IFC durch
einen Ausfall der Wasserstoffversorgung, entsprechend reagiert,
da im Sinne einer Optimierung des Nettostroms I dann auch die Luftversorgung durch
die Fördereinrichtung 5 gedrosselt
wird.
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Zusätzlich zu
dieser sehr einfachen und sicheren Regelung kann außerdem der
Proportionalitätsfaktor
zwischen dem von der wenigstens einen Brennstoffzelle 1 erzeugten
Stroms IFC und dem Ausgangswert der Förderleistung
in Abhängigkeit
des von der Fördereinrichtung 5 aufgenommenen
Stroms IA oder des von der Brennstoffzelle 1 erzeugten Strom
IFC variiert werden, so dass auf entsprechende Betriebszustände reagiert
werden kann.
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Dabei
wird durch die Trennung des Proportionalitätsfaktors von dem Korrekturfaktor,
wie sie oben beschrieben ist, erreicht, dass beispielsweise bei
einem Lastsprung die Kenntnisse, welche über den optimalen Betriebspunkt
in dem Korrekturfaktor gesammelt wurden, und welche entsprechende
Umgebungsbedingungen bereits berücksichtigen,
beibehalten werden können.
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Eben
diese Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Temperatur und Feuchte,
haben in gewissem Umfang auch Einfluss auf den Leistungsverlauf,
wie er in 2 dargestellt
ist. Durch die hier vorgeschlagene Optimierung hin zu dem maximalen Nettostrom
I werden diese Umgebungsbedingungen jedoch implizit berücksichtigt,
da jeweils im aktuellen Betriebszustand auf den größtmöglichen
Nettostrom I geregelt wird. Eine Sensorik zur Berücksichtigung von
Umgebungsbedingungen oder der gleichen, wie sie bei einigen Anlagen
gemäß dem Stand
der Technik üblich
ist, kann damit entfallen.
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Besonders
günstig
ist der Einsatz des beschriebenen Verfahrens dann, wenn die Brennstoffzelle
1 nicht
hochdynamisch, sondern über
weite Strecken ihres Betriebs quasi stationär betrieben werden kann. Dies
ist insbesondere dann der Fall, wenn die Brennstoffzelle
1 in
einem Aufbau betrieben wird, welcher in der Art der
DE 101 25 106 A1 beschriebenen
Art aufgebaut ist. Bei dieser Kombination der Brennstoffzelle
1 mit
einer elektrischen Energiespeichereinrichtung kann ein quasi kontinuierlicher
Betrieb der Brennstoffzelle
1 sichergestellt werden, welcher
bei Verwendung des hier beschriebenen Verfahrens einen entsprechend
hohen Wirkungsgrad des Systems sicherstellt. Die dynamischen Anforderungen,
welche beispielsweise durch einen Fahrantrieb an das System gestellt
werden, können
dann weitgehend durch die elektrische Energiespeichereinrichtung
ausgeglichen werden, so dass mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens
ein sehr günstiges
System mit hohem Systemwirkungsgrad realisiert werden kann.