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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Energiesystem, insbesondere ein
Notenergiesystem, insbesondere für
Flugzeuge, mit mindestens einer Brennstoffzellenanordnung zur Erzeugung
elektrischer Energie, wobei Gasleitungen zum Transport von Betriebsgasen
zu und von der Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sind. Insbesondere
handelt es sich bei der Brennstoffzellenanordnung um einen Brennstoffzellenstapel,
insbesondere aus PEM-Brennstoffzellen, d. h. aus Brennstoffzellen
mit einer Proton Exchange Membran.
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Notenergiesysteme
insbesondere für
Flugzeuge müssen
in der Lage sein, schon nach kürzester
Zeit die geforderte Leistung zu liefern, um bei einem Ausfall der
Standardenergieversorgung einen sicheren Betrieb des Flugzeugs und
insbesondere der Flugzeugelektronik zu gewährleisten.
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Wenn
ein auf Brennstoffzellen, insbesondere auf PEM-Brennstoffzellen
basierendes System als Notstromsystem eingesetzt wird, muss dem
Start des Notstromsystems besondere Beachtung geschenkt werden.
Bei Betriebsaufnahme ist die Brennstoffzelle kalt und trocken und
ist deswegen weniger leistungsfähig
als eine warme und feuchte Brennstoffzelle. Dabei spielt für die Leistung
von PEM-Brennstoffzellen der
Wassergehalt der Membran eine große Rolle.
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Die
elektrische Charakteristik des Brennstoffzellenstapels beim Start
ist für
die meisten Komponenten des Energiesystems dimensionierend. Sie beeinflußt maßgeblich
den Brennstoffzellenstapel selbst, die Gasbevorratung, den elektrischen
Speicher (wenn dieser Teil des Systems ist), die Leistungselektronik
und das notwendige Kühlsystem.
Die Systemkomponenten müssen
dabei so dimensioniert werden, dass die niedrige Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzellenanordnung während
des Starts des Notstromsystems kompensiert wird, was sich in höheren Kosten
und einem höheren
Gewicht niederschlägt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Energiesystem zur Verfügung zu
stellen, welches bei gleicher Startleistung kostengünstiger und
leichter ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß von einem
Energiesystem gemäß Anspruch
1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Energiesystem
ist dabei insbesondere ein Notenergiesystem insbesondere für Flugzeuge
und weist eine Brennstoffzellenanordnung zur Erzeugung elektrischer
Energie sowie Gasleitungen zum Transport von Betriebsgasen zu und von
der Brennstoffzellenanordnung auf. Erfindungsgemäß ist dabei ein Wasserreservoir
vorgesehen, welches mit den Gasleitungen in Verbindung steht und
auch in Phasen, in welchen das Energiesystem nicht betrieben wird,
einen Mindestfeuchtegehalt der Brennstoffzellenanordnung sicherstellt.
Das mit Wasser gefüllte
Wasserreservoir steht dazu auch in Phasen, in welchen das Energiesystem
nicht betrieben wird, über
die Gasleitungen fluidisch mit der Brennstoffzellenanordnung in
Verbindung und ist mit Wasser gefüllt. Als Phasen, in welchen
das Energiesystem nicht betrieben wird, sind dabei die Phasen anzusehen,
in denen die Brennstoffzellenanordnung keine elektrische Energie
erzeugt.
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Durch
das Wasserreservoir besitzt das gesamte System immer eine relative
Feuchte von 100% (im stationären
Zustand), und zwar auch, wenn das Energiesystem nicht betrieben
wird. Die Brennstoffzellenanordnung ist damit bereits beim Start
des Energiesystems ausreichend befeuchtet und kann so bereits bei
Betriebsbeginn eine hohe Leistung zur Verfügung stellen. Das in das System
integrierte Wasserreservoir ermöglicht
damit, die Nominalleistung der Brennstoffzellenanordnung schneller
zu erreichen. Auf Systemebene hilft dies, das Gewicht niedrig zu
halten, da weniger elektrische Energie gespeichert werden muss und/oder
die Brennstoffzellenanordnung und die Leistungselektronik entsprechend
kleiner dimensioniert werden können.
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Durch
die Integration des Wasserreservoirs in die Gasleitung des Systems
kann ein Mindestfeuchtegehalt der Membran der Brennstoffzellenanordnung
auch nach längeren
Phasen des Nichtbetriebs garantiert werden, so dass sich die Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzellenanordnung beim Start des Betriebs erhöht. Das
Wasserreservoir kann dabei vor oder nach der Brennstoffzellenanordnung
mit den Gasleitungen in Verbindung stehen.
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Vorteilhafterweise
weist das Wasserreservoir dabei ein ausreichendes Füllvolumen
auf, um Wasserverluste des Energiesystems an die Umgebung auch während langer
Phasen, in denen das Energiesystem nicht betrieben wird, auszugleichen.
Diffusion und vor allem Druckvariationen der Systemumgebung in Folge
der Höhenvariation
des Flugzeugs sorgen dabei für
einen ständigen
Austausch des im System eingeschlossenen Gases. Ein System ohne Wasserreservoir,
das mit einer bestimmten Feuchte konditioniert wäre, würde daher nach wenigen Flügen in trockenen
Regionen (z. B. sehr kalte Regionen) eine sehr trockene Membran
aufweisen. Auch bei einem zu kleinen Wasserreservoir wäre ein ausreichender
Mindestfeuchtegehalt der Membran schon nach wenigen Flügen nicht
mehr garantiert. Das Füllvolumen
des Wasserreservoirs muss daher ausreichend sein, um die Wasserverluste
des Energiesystems an die Umgebung auch nach einer Vielzahl von
Flügen
auszugleichen.
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Vorteilhafterweise
weist das Wasserreservoir dabei einen Einfüllzugang auf, über welchen
Wasser nachgefüllt
werden kann. Hierdurch ist es möglich,
z. B. bei der Durchführung
von Wartungsarbeiten Wasser nachzufüllen und so die volle Be triebsbereitschaft des
Notstromsystems sicherzustellen. Alternativ ist jedoch auch denkbar,
dass das Wasserreservoir durch den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung, bei
welchem Wasser erzeugt wird, wieder aufzufüllen.
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Vorteilhafterweise
ist erfindungsgemäß der Füllzustand
des Wasserreservoirs bei der Durchführung von Wartungsarbeiten überprüfbar. Hierdurch
ist es möglich,
bei Wartungsarbeiten den Füllzustand des
Wasserreservoirs zu überprüfen und
gegebenenfalls Wasser nachzufüllen.
Die Überprüfbarkeit kann
dabei z. B. durch eine optische Überprüfbarkeit des
Füllzustands
ermöglicht
werden. Ebenso ist es denkbar, den Füllzustand durch einen Sensor überprüfbar zu
machen.
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Vorteilhafterweise
weist das erfindungsgemäße Energiesystem
eine Überwachungsschaltung auf,
welche den Füllzustand
des Wasserreservoirs insbesondere während Phasen, in welchen das
Energiesystem nicht betrieben wird, überwacht und welche bei einem
Unterschreiten einer Minimalmenge ein Warnsignal oder Steuersignal
auslöst.
Diese Überwachungsschaltung
stellt damit sicher, dass immer ein Füllzustand gegeben ist, welcher
eine ausreichende Befeuchtung der Brennstoffzellenanordnung und
damit die nötige
Minimalleistung der Brennstoffzelle beim Start garantiert. Löst die Überwachungsschaltung
ein Warnsignal aus, kann das Wasserreservoirs nachgefüllt werden.
Ebenso ist es denkbar, dass die Überwachungsschaltung
ein Steuersignal auslöst,
welches ein automatisches Nachfüllen
des Wasserreservoirs z. B. durch Betrieb der Brennstoffzellenanordnung
auslöst.
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Weiterhin
vorteilhafterweise weist die Brennstoffzellenanordnung des erfindungsgemäßen Energiesystems
gegenüber
der Umgebung eine bessere thermische Isolierung auf als ein weiterer,
fluidisch mit der Brennstoffzellenanordnung verbundener Bereich
des Systems, insbesondere als der Bereich des Wasserreservoirs,
so dass bei einer Verminderung der Umgebungstemperatur die Temperatur
in der Brennstoffzellenanordnung weniger schnell sinkt als in diesem
Bereich. Hierdurch kann die Menge an flüssigem Wasser, welches sich
bei einer Abkühlung
in der Brennstoffzellenanordnung bildet, begrenzt werden, da der
Bereich mit der schlechteren thermischen Isolierung als Kältefalle
wirkt, welche das bei der Abkühlung
aus dem im System vorhandenen Gas auskondensierende Wasser an sich
zieht. Vorzugsweise fällt
dabei die Temperatur im Bereich des Wasserreservoirs schneller als
im Bereich der Brennstoffzellenanordnung, so dass das Reservoir
als Kältefalle wirkt.
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Da
das erfindungsgemäße Energiesystem durch
das integrierte Wasserreservoir im stationären Zustand überall eine
relative Feuchte von 100% aufweist, kann sich bei Abkühlung flüssiges Wasser
im Prinzip überall
im System bilden. Durch die unterschiedliche thermische Isolierung
der einzelnen Systemkomponenten wird jedoch dafür gesorgt, dass die Temperatur
im Brennstoffzellenstapel langsamer fällt als die Temperatur des
restlichen Systems. Hierdurch kann auch die dort auskondensierende
Menge an flüssigem
Wasser begrenzt werden. Hierdurch kann verhindert werden, dass beim
Abkühlen
in der Brennstoffzellenanordnung größere Mengen an flüssigem Wasser,
welche die Membranen-Elektroden-Einheiten (Membrane Electrode Assembly
MEA) der Brennstoffzellenanordnung beim Einfrieren beschädigen könnten. Die
zeitliche Verschiebung des Abkühlprozesses
kann dabei durch eine entsprechende thermische Isolierung der einzelnen
Systemkomponenten gesteuert werden.
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Bei
einer Erwärmung
des Systems erwärmt sich
dagegen das Wasserreservoir schneller als die Brennstoffzellenanordnung,
so dass diese als Kältefalle
wirkt und das Wasser an sich zieht, so dass die Brennstoffzellenanordnung
optimal befeuchtet wird.
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Durch
die erfindungsgemäße unterschiedliche
thermische Isolierung wird dabei eine optimale Befeuchtung der Brennstoffzellenanordnung
auch während
langer Phasen des Nichtbetriebs des Energiesystems ermöglicht,
ohne dass die Brennstoffzellenanordnung beim Unterschreiten des
Gefrierpunkts beschädigt
könnte.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst weiterhin die Verwendung eines erfindungsgemäßen Energiesystems,
wie es oben beschrieben wurde, als Notstromsystem insbesondere in
einem Flugzeug. Durch das erfindungsgemäße Wasserreservoir und die
damit verbundene Befeuchtung der Brennstoffzellenanordnung auch
während
Phasen, in welchen das Energiesystem nicht betrieben wird, ist eine
hohe Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzellenanordnung bereits beim Start des Energiesystems
gewährleistet. Hierdurch
kann dieses insgesamt kleiner dimensioniert werden, wodurch Kosten
und Gewicht gespart werden. Dies ist für Notstromsysteme von großem Vorteil,
da diese über
lange Zeiten nicht betrieben werden und dennoch im Notfall innerhalb
kürzester Zeit
Energie zur Verfügung
stellen müssen.
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Vorteilhafterweise
ist dabei bei der erfindungsgemäßen Verwendung
das Wasserreservoir auch in den Phasen, in welchen das Energiesystem nicht
betrieben wird, mit Wasser gefüllt,
so dass die Brennstoffzellenanordnung beim Start des Notstromsystems
eine ausreichende Feuchte aufweist. Mit den Phasen, in welchen das
Energiesystem nicht betrieben wird, sind dabei vorteilhafterweise
jene Phasen gemeint, in welchen die Brennstoffzellenanordnung keine
elektrische Energie liefert.
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Vorteilhafterweise
wird bei der erfindungsgemäßen Verwendung
der Füllzustand
des Wasserreservoirs regelmäßig überprüft und gegebenenfalls Wasser
nachgefüllt.
Hierdurch kann insbesondere durch regelmäßige Wartung sichergestellt
werden, dass das Notstromsystem immer die benötigte Leistung zur Verfügung stellen
kann.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Flugzeug mit einem Energiesystem,
wie es oben beschrieben wurde. Insbesondere dient das Energiesystem
dabei der Notstromversorgung des Flugzeugs.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen
näher dargestellt.
Dabei zeigen:
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1:
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Energiesystems,
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2:
die Isolierung des Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Energiesystems,
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3:
das Verhalten des erfindungsgemäßen Energiesystems
bei Abkühlung
und
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4:
das Verhalten des erfindungsgemäßen Energiesystems
bei Erwärmung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Energiesystems
ist dabei in 1 dargestellt. Das Energiesystem
weist eine Brennstoffzellenanordnung 10 in Form eines Brennstoffzellenstapels auf,
wobei der Übersicht
halber nur eine Brennstoffzelle dargestellt ist. Dabei handelt es
sich bei den Brennstoffzellen um PEM-Brennstoffzellen mit einer Proton Exchange
Membran, welche zwischen einer Anode 4 und einer Katode 5 angeordnet
sind. Katode 5, Anode 4 und die Membran bilden
dabei eine Membran-Elektroden-Einheit. Weiterhin ist eine Kühlung 6 für die Brennstoffzellenanordnung
vorgesehen, über welche
die beim Betrieb der Brennstoffzellenanordnung entstehende Wärme abgeführt wird.
Hierfür sind
Kühlmittelleitungen 8 und
ein Wärmetauscher 7 vorgesehen.
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Weiterhin
sind Gasleitungen zum Transport von Betriebsgasen zu der Brennstoffzellenanordnung 10 hin
und von der Brennstoffzellenanordnung 10 weg vorgesehen.
Die in der Zeichnung eingezeichneten Gasleitungen 3 transportieren
dabei Sauerstoff von einem Sauerstofftank 2 und Wasserstoff von
einem Wasserstofftank 1 zur Brennstoffzellenanordnung 10.
Dabei sind Ventile 12 in den Gasleitungen vorgesehen, über welche
die Gaszufuhr zu der Brennstoffzellenanordnung gesteuert werden
kann. Der Wasserstoff und der Sauerstoff werden in den Brennstoffzellen
der Brennstoffzellenanordnung zu Wasser umgewandelt, wobei elektrische
Energie entsteht. Diese elektrische Energie wird über eine
Leistungselektronik 9 mit gegebenenfalls einem Energiespeicher
an einem Energieanschluß 11 einem
Verbraucher zur Verfügung
gestellt.
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Erfindungsgemäß ist nun
ein Wasserreservoir 20 vorgesehen, welches mit den Gasleitungen 3 in
Verbindung steht und auch in Phasen, in welchen das Energiesystem
nicht betrieben wird, mit Wasser gefüllt ist. Dabei ist das Wasserreservoir 20 so
in die Gasleitung 3 integriert, dass es auch in den Phasen, in
welchen das Energiesystem nicht betrieben wird, fluidisch mit der
Brennstoffzellenanordnung in Verbindung steht. Hierdurch ist ein
Mindestfeuchtegehalt der Membran der Brennstoffzellenanordnung auch beim
Start des Energiesystems sichergestellt, wodurch sich die Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle beim Betriebsstart erhöht. Das erfindungsgemäße Wasserreservoir
hilft dabei, das Gewicht des Gesamtsystems niedrig zu halten, da
gegebenenfalls weniger elektrische Energie gespeichert werden muss
und/oder die Brennstoffzelle und die Leistungselektronik kleiner
dimensioniert werden können. Das/die
Wasserreservoirs 20 kann/können dabei anders als im Ausführungsbeispiel
auch nach der Brennstoffzellenanordnung mit den Gasleitungen in Verbindung
stehen.
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Das
erfindungsgemäße Energiesystem kommt
dabei insbesondere als Notstromsystem für Flugzeuge zum Einsatz und
garantiert dabei auch nach langen Phasen der Nichtbenutzung, insbesondere
nach einer Vielzahl von Flügen,
eine ausreichende Feuchtigkeit der Brennstoffzelle und damit eine
ausreichende Leistungsfähigkeit
des Energiesystems. Die gespeicherte Wassermenge muss dabei ausreichend
sein, um die Wasserverluste des Systems an die Umgebung zu kompensieren.
Diffusion und vor allem Druckvariationen der Systemumgebung in Folge
von Höhenvariationen
und Temperaturvariationen des Flugzeugs sorgen dabei für den Austausch
des im System eingeschlossenen Gases. Daher würde ein System ohne Wasserreservoir,
das mit einer bestimmten Feuchte konditioniert wäre, oder ein System mit einem
zu geringen Wasserreservoir, bereits nach wenigen Flügen in trockene
Regionen (z. B. sehr kalte Regionen) eine sehr trockene Membran
aufweisen. Um dies zu vermeiden, weist das Wasserreservoir ein ausreichendes
Füllvolumen auf,
um Wasserverluste des Energiesystems an die Umgebung auch während langer
Phasen, in denen das Energiesystem nicht betrieben wird, auszugleichen.
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Vorteilhafterweise
weist das erfindungsgemäße Wasserreservoir 20 einen
Einfüllzugang
auf, über
welchen Wasser nachgefüllt
werden kann. Dabei kann es sich um einen Füllstutzen zum manuellen Befüllen des
Wasserreservoirs z. B. bei Wartungsarbeiten handeln. Ebenso ist
es jedoch denkbar, das Wasserreservoir durch den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung,
bei welchem Wasser entsteht, wieder aufzufüllen. Vorteilhafterweise ist
der Füllzustand
des Wasserreservoirs dabei bei der Durchführung von Wartungsarbeiten,
welche bei Flugzeugen ohnehin in regelmäßigen Abständen vorgenommen werden, überprüfbar. Weiterhin
vorteilhafterweise ist eine Überwachungsschaltung
vorgesehen, welche den Füllzustand
des Wasserreservoirs insbesondere während Phasen, in welchen das
Energiesystem nicht betrieben wird, d. h. während die Brennstoffzellenanordnung
keine elektrische Energie erzeugt, überwacht und beim Unterschreiten
einer Minimalmenge ein Warnsignal oder ein Steuersignal auslöst.
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Das
erfindungsgemäße System
besitzt durch das Wasserreservoir 20 im stationären Zustand
eine relative Feuchte von 100% im gesamten fluidisch mit dem Wasserreservoir
verbundenen Bereich. Bei einer Abkühlung kann sich so flüssiges Wasser überall im
System bilden. Um die Menge flüssigen
Wassers, welches sich in der Brennstoffzellenanordnung bildet, zu
begrenzen, muss daher dafür gesorgt
werden, dass die Temperatur in der Brennstoffzellenanordnung langsamer
fällt als
die Temperatur des restlichen Systems. Vorzugsweise sollte dabei
die Temperatur des Wasserreservoirs dabei schneller sinken als die
Temperatur der Brennstoffzellenanordnung, so dass das Wasserreservoir
als Kältefalle
wirkt und Wasser an sich zieht. Diese zeitliche Verschiebung der
Abkühlung
wird dabei durch eine unterschiedliche thermische Isolierung 25 bzw. 30 der
einzelnen Systemkomponenten gesteuert.
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In 2 ist
ein Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Energiesystem gezeigt,
in welchem die thermische Isolierung der Brennstoffzellenanordnung 10,
der Gasleitungen 3 sowie des Wasserreservoirs 20 näher dargestellt
ist. Dabei weist die Brennstoffzellenanordnung 10 eine
bessere thermische Isolierung 30 auf als ein weiterer,
mit der Brennstoffzellenanordnung 10 auch in Phasen des
Nichtbetriebs fluidisch in Verbindung stehender Bereich des Systems.
Insbesondere weisen die Gasleitungen 3 und/oder das Wasserreservoir 20 eine
schlechtere thermische Isolierung 25 auf als die Brennstoffzellenanordnung 10.
Hierdurch kann verhindert werden, dass sich während einer Abkühlung des
Systems größere Mengen
flüssigen
Wassers in der Brennstoffzellenanordnung bilden, welche die Membran-Elektroden-Einheiten
der Brennstoffzellenanordnung beim Einfrieren beschädigen könnten.
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In 3 ist
dabei die Abkühlung
des Systems gezeigt. Dabei diffundiert Wasser aus der Brennstoffzellenanordnung 10 über die
Gasleitung 3 zum Wasserreservoir 20, da die Temperatur
in der Brennstoffzellenanordnung 10 langsamer sinkt als
im übrigen
System. Bei einer Erwärmung
des Systems wirkt der Brennstoffzellenstapel dagegen als Kältefalle
und zieht das Wasser an sich, so dass er optimal befeuchtet wird.
Dieser Prozess der Aufwärmung
des Systems ist dabei in 4 dargestellt. Dabei diffundiert
Wasser aus dem Wasserreservoir 20 über die Gasleitung 3 zur
Brennstoffzellenanordnung 10, da der Brennstoffzellenstapel
sich langsamer erwärmt als
der Rest des Systems.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird damit ein Notenergiesystem zur Verfügung gestellt,
welches auch nach langen Phasen, in welchen es nicht zum Einsatz
kommt, eine ausreichend befeuchtete Brennstoffzelle aufweist und
bei welchem damit schnell die volle Nennleistung der Brennstoffzelle
zur Verfügung
steht. Hierdurch können
Kosten und Gewicht bei der Dimensionierung des Energiesystems gespart
werden. Die unterschiedliche Isolierung der einzelnen Komponenten
sorgt dabei mit einfachsten konstruktiven Mitteln dafür, dass
das System auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt nicht beschädigt wird.