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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Häufig weisen Brennstoffzellensysteme Brennstoffzellen auf, welche in Form von sogenannten PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sind. Solche Brennstoffzellensysteme werden bevorzugt in mobilen Anwendungen, wie beispielsweise in Kraftfahrzeugen, zur zumindest teilweisen Erzeugung der elektrischen Vortriebsenergie eingesetzt. In derartigen Brennstoffzellensystemen ist es üblich, dass diverse Systemkomponenten, wie beispielsweise ein Luftversorgungsuntersystem, ein Brennstoffversorgungsuntersystem und dergleichen, vorhanden sind. Da prinzipbedingt im Bereich der Brennstoffzelle Produktwasser anfällt und abgeführt werden muss, weisen derartige Brennstoffzellensysteme im Allgemeinen wenigstens einen, typischerweise jedoch mehrere Wasserabscheider zum Abscheiden von in Form von Tröpfchen vorliegendem Flüssigwasser aus Gasströmen von und/oder zu der Brennstoffzelle auf. Diese Wasserabscheider sind im Allgemeinen mit Wasserleitungen zum Abführen des Wassers beispielsweise zur Weiterverwendung innerhalb des Brennstoffzellensystems oder nach außerhalb des Brennstoffzellensystems ausgestattet.
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Nun ist es ferner bekannt, dass der Einsatz von Brennstoffzellensystemen, insbesondere wenn dieser in Fahrzeugen erfolgen soll, häufig auch unter widrigen äußeren Bedingungen stattfindet. So ist es beispielsweise bei Fahrzeugen notwendig, dass diese auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts schnell und zuverlässig starten können. Hierfür sind verschiedene Techniken bekannt, welche beispielsweise dazu dienen, dass die Brennstoffzelle selbst sich sehr schnell erwärmt. Beispielhaft soll hierzu auf die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2004 017 434 A1 verwiesen werden. Diese Schrift beschreibt eine Brennstoffzelle, einen sogenannten Brennstoffzellenstack, welcher so ausgestaltet ist, dass er ein Kühlsystem zur Abfuhr von überschüssiger Abwärme während des regulären Betriebs aufweist. Das Kühlsystem ist dabei so ausgeführt, dass es im Falle eines Kaltstarts des Brennstoffzellensystems aus widrigen Temperaturbedingungen heraus lediglich eine vergleichsweise geringe Anzahl an einzelnen Brennstoffzellen den Brennstoffzellenstacks von dem Kühlmittel durchströmt werden, welches sich dementsprechend schnell erwärmt. Mit sich erwärmendem Kühlmittel werden weitere Einzelzellen hinzugeschaltet und von dem Kühlmittel durchströmt. Dies dient der schnellen Erwärmung des Kühlmittels und kann damit eine schnelle Erwärmung des Brennstoffzellenstacks gewährleisten.
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Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist es außerdem bekannt, dass ein Kühlkreislauf für das Brennstoffzellensystem so ausgeblidet wird, dass im Kaltstartfall ein Bypass um den Kühlwärmetauscher zur Abfuhr der Wärme aus dem Kühlkreislauf vorgesehen ist, sodass der Kühlkreislauf selbst sich schneller erwärmt. Unterstützend hierzu kann in dem Kühlkreislauf außerdem ein zusätzliches Heizelement, beispielsweise ein elektrischer Heizer, vorgesehen werden.
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Nun ist es außerdem bekannt, dass des in der Brennstoffzelle anfallende Wasser während des elektrochemischen Prozesses in der Brennstoffzelle erzeugt wird und dementsprechend rein ist. Es gefriert daher bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sehr schnell, dieses kann auch nicht durch Additive oder dergleichen verhindert werden, da das Wasser erst während des Betriebs der Brennstoffzelle aus den zugeführten Edukten anfällt. Da nicht sämtliche wasserführenden Bauteile und Komponenten beim Abstellen des Brennstoffzellensystems vollständig von dem flüssigen Wasser freigespült werden können, ist beim Start des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts häufig ein Auftauen von wasserführenden Komponenten in dem Brennstoffzellensystem notwendig. Hierfür sind im Allgemeinen elektrische Heizelemente im Bereich der wasserführenden Bauteile und Komponenten, beispielsweise im Bereich von Wasserabscheidern, vorgesehen. Beim Start des Brennstoffzellensystems benötigen diese jedoch eine vergleichsweise große Menge an elektrischer Energie. Handelt es sich um ein Brennstoffzellensystem, welches beispielsweise in einem Fahrzeug als mobiles Brennstoffzellensystem eingesetzt wird, so steht Energie typischerweise nicht oder nur in sehr begrenztem Maße zur Verfügung, da das Fahrzeug, vergleichbar einem herkömmlichen Fahrzeug, oft lediglich über eine Startbatterie zum Starten des Systems verfügt. Die zum Auftauen der wasserführenden Bauteile und Komponenten benötigte Energie belastet das System während der Startphase damit erheblich und erfordert elektrische Energiespeichereinrichtungen mit höherer Kapazität als unbedingt notwendig, was den Aufbau entsprechend schwer, groß und teuer macht.
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Des Weiteren soll auf die
DE 10 2009 013 776 A1 verwiesen werden. Diese beschreibt eine Kühlvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug. Die Kühlvorrichtung umfasst zwei Kühlkreisläufe, einen Niedertemperaturkühlkreislauf und einen Hochtemperaturkühlkreislauf. Teil des Hochtemperaturkühlkreislaufs ist dabei ein Wärmetauscher im Bereich der Brennstoffzelle selbst, welcher deren Abwärme abführt. Außerdem kann ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse, bei welchem der elektrische Antriebsmotor gekühlt werden muss, Teil des Kühlkreislaufs sein. Im Kaltstartfall wird dann durch das sich erwärmende Kühlmedium in der Brennstoffzelle das Wasserstoffrezirkulationsgebläse mit erwärmt. So wird gegebenenfalls im Bereich des Gebläses festgefrorenes Wasser aufgetaut.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese Problematik zu vermeiden und ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches so ausgebildet ist, dass es einen schnellen und zuverlässigen Start des Brennstoffzellensystem bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts gewährleistet und dabei einen vergleichsweise geringen Energieverbrauch aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Verwendungsanspruchs deutlich.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass die wasserführenden Bauteile und Komponenten zumindest während einzelner Betriebsphasen der Brennstoffzelle in thermischem Kontakt mit dem Kühlmedium stehen. Anstelle der elektrischen Beheizung der gegebenenfalls eingefrorenen flüssiges Wasser führenden Bauteile und Komponenten erfolgt die Beheizung bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem so, dass diese Komponenten mit dem Kühlmedium des Kühlkreislaufs des Brennstoffzellensystems in thermischen Kontakt gebracht werden. Da der Kühlkreislauf der Brennstoffzelle selbst typischerweise über entsprechende Maßnahmen – wie beispielsweise eingangs erläutert wurde – sehr schnell erwärmt wird, um einen schnellen Start der Brennstoffzelle selbst zu gewährleisten, liegt im Bereich des Kühlkreislaufs vergleichsweise schnell eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts vor, welche zum Auftauen der entsprechenden wasserführenden Komponenten, wie beispielsweise Wasserabscheider und Wasserableitungen, genutzt werden kann. Dies spart Energie durch eine elektrische Beheizung dieser Komponenten ein. Die im Kühlwasser vergleichsweise schnell vorhandene Energie reicht vollkommen aus, um die kritischen wasserführenden Bauteile und Komponenten aufzutauen und so, nachdem die Brennstoffzelle selbst soweit erwärmt ist, dass diese betriebsbereit ist, dieser auch ein betriebsbereites Brennstoffzellensystem zur Seite stellen zu können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es vorgesehen, dass die wasserführenden Bauteile und Komponenten Wärmetauscher aufweisen, welche von dem Kühlmedium durchströmt sind. Diese Wärmetauscher, welche gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee in Form von doppelwandigen Komponenten oder Bauteilen ausgebildet sein können, deren Raum zwischen der Innen- und der Außenwand vom Kühlwasser durchströmt wird, ermöglichen so den sehr direkten Kontakt mit dem Kühlmedium, wodurch ein Auftauen der Komponenten einfach und effizient erfolgen kann.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass dieses einen Hochtemperaturkühlkreislauf und einen Niedrigtemperaturkühlkreislauf aufweist, wobei die wasserführenden Bauteile und Komponenten mit dem Kühlmedium des Hochtemperaturkühlkreislaufs in thermischem Kontakt stehen. Dieser Aufbau nützt den Hochtemperaturkühlkreislauf, welcher typischerweise die Brennstoffzelle umfasst und welcher sich vergleichsweise schnell auf ein vergleichsweise hohes Temperaturniveau erwärmt, dazu, neben dem schnellen Erwärmen der Brennstoffzelle auch das Auftauen der wasserführenden Bauteile und Komponenten zu realisieren. Dieser Aufbau ist besonders effizient, da aufgrund des höheren Temperaturniveaus des Hochtemperaturkühlkreislaufs gegenüber dem Niedertemperaturkühlkreislauf ein effizientes Auftauen der wasserführenden Bauteile und Komponenten realisiert werden kann.
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In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es darüber hinaus vorgesehen, dass der Kühlkreislauf in einem ersten Betriebsmodus so schaltbar ist, dass der Kühlkreislauf lediglich in zumindest einem Teil der Brennstoffzelle und zumindest einem der wasserführenden Bauteile und Komponenten zirkuliert. Die eine oder die mehreren wasserführenden Bauteile und Komponenten können also bei einem Schnellstart des Brennstoffzellensystems, bei dem das Kühlmedium lediglich in der Brennstoffzelle selbst sowie ggf. in einigen weiteren Peripherieteilen, welche beispielsweise Wärme erzeugen, zirkuliert, die wasserführenden Bauteile und Komponenten mit einbezogen werden. Sie werden also nach dem unmittelbaren Start des Systems von dem Kühlwasser durchströmt, sodass ein schnelles und zuverlässiges Auftauen derselben gewährleistet werden kann.
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Wie bereits erwähnt, liegt die besonders bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems darin, dass dieses sehr einfach und effizient gestartet werden kann, wobei zum Auftauen der wasserführenden Komponenten wenig Energie benötigt wird, welche zuvor in einem Energiespeicher gespeichert werden musste. Damit entsteht ein sehr einfaches und energieeffizientes System, welches sich insbesondere zum Einsatz unter widrigen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise zum Starten bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, eignet. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist daher vorzugsweise in Fahrzeugen vorzusehen, welche derartigen widrigen Umgebungsbedingungen häufig ausgesetzt sind, und in welchen die Bereitstellung zum Start des Systems erforderlicher Energie nur mit erheblichem Aufwand realisiert werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie seiner Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung.
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In der einzigen beigefügten Figur ist ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Es umfasst eine Brennstoffzelle 2, welche einen Anodenbereich 3 und einen Kathodenbereich 4 aufweist. Dem Anodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 wird aus einem Druckgasspeicher 5 über ein Drosselventil 6 Wasserstoff zugeführt. Das unverbrauchte Abgas aus dem Bereich des Anodenraums 3 gelangt über eine Rezirkulationsleitung 7 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 8 zurück in den Bereich des Anodenraums 3, welchem dieses zusammen mit frischem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 5 erneut zugeführt wird. Dieser Aufbau ist allgemein auch als Anodenloop bekannt. Er ist für das hier dargestellte Ausführungsbeispiel rein beispielhaft zu verstehen. Prinzipiell wäre es auch denkbar, die Brennstoffzelle 2 ohne Anodenloop beispielsweise als Dead-End-Brennstoffzelle oder mit einer Abführung des unverbrauchten Abgases beispielsweise an einen katalytischen Brenner oder dergleichen vorzusehen.
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Dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird über eine Luftfördereinrichtung 9 gefilterte Frischluft als Sauerstofflieferant zugeführt. Diese zugeführte Frischluft kann in nicht dargestellter, aber an sich bekannter Art und Weise beispielsweise durch einen Befeuchter strömen, um entsprechend befeuchtet zu werden und die Polymerelektrolytmembranen, welche den Kathodenraum 4 von dem Anodenraum 3 trennen, nicht unnötig auszutrocknen.
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Die Brennstoffzelle 2 selbst liefert dann elektrische Leistung und erzeugt Produktwasser, welches im Bereich der Abgasströme abgeführt wird. Da der Aufbau des Anodenraums 3 und des Kathodenraums 4 typischerweise aus einer Vielzahl von kleinen gasführenden Kanälen besteht, welche die Edukte den Polymerelektrolytmembranen zuleiten, sollte der Eintrag von Wasser in diesen Bereich unbedingt verhindert werden, da dieses die Kanäle entsprechend verstopfen kann. In einem derartigen Brennstoffzellensystem 1 sind daher an verschiedenen Stellen Wasserabscheider vorgesehen, welche dieses Flüssigwasser aus den Produkt- und Eduktströmen heraustrennen und dieses flüssig aus dem System führen. Rein beispielhaft sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 dabei zwei Wasserabscheider 10, 11 angedeutet, welche jeweils durch ein Ventil 12, 13 mit einer Wasserleitung 14, 15 verbunden sind.
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Da in der Brennstoffzelle 2 neben dem Produktwasser und den Abgasen außerdem Abwärme anfällt, weist das Brennstoffzellensystem 1 ferner einen Kühlkreislauf 16 auf. Dieser Kühlkreislauf 16 kühlt über einen Wärmetauscher 17 die Brennstoffzelle 2 durch ein flüssiges Kühlmedium und gibt die von dem Kühlmedium gesammelte Wärme im regulären Betrieb über einen Kühlwärmetauscher 18 an die Umgebung ab. Das flüssige Kühlmedium wird dafür mittels einer Kühlmittelfördereinrichtung 19 in dem Kühlkreislauf 16 umgewälzt. Der Kühlkreislauf 16 zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 kann weitere zu kühlende Peripherieteile und Komponenten umfassen, wie dies aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und üblich ist. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden diese hier nicht eingezeichnet. Typischerweise wird der Kühlkreislauf 16 außerdem einen Bypass 20 um den Kühlwärmetauscher 18 umfassen, welcher über eine Ventileinrichtung 21 so geschaltet werden kann, dass im Kaltstartfall der Brennstoffzelle 2 das Kühlmedium nicht durch den Kühlwärmetauscher 18 strömt und sich dementsprechend nicht abkühlt. Die Brennstoffzelle 2 und das gesamte Brennstoffzellensystem 1 werden dadurch schneller erwärmt und kommen schneller auf die erforderliche Betriebstemperatur zum Start des Brennstoffzellensystems 1. Auch dies ist aus dem allgemeinen Stand der Technik so bekannt.
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Das Brennstoffzellensystem 1 in der hier dargestellten Ausführungsform weist nun außerdem zusätzliche Wärmetauscher 22, 23, 24 auf, von welchen hier drei beispielhaft angedeutet wurden. Diese Wärmetauscher 22, 23, 24 sind dabei in flüssiges Wasser führenden Bauteilen und Komponenten angeordnet, welche bei den Ausführungen gemäß dem Stand der Technik nicht gekühlt sind. Beispielhaft ist der Wärmetauscher 22 hier im Bereich des Wasserabscheiders 11, der Wärmetauscher 23 im Bereich der Wasserableitung 15 und der Wärmetauscher 24 im Bereich des Wärmetauschers 10 angeordnet. Weitere wasserführende oder wasserberührte Bauteile und Komponenten, wie beispielsweise Befeuchter, Turbinen, Ventile, Drosselstellen, Drosselklappen, Filterkartuschen und Rezirkulationsgebläse könnten ebenfalls mit derartigen Wärmetauschern versehen werden.
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Diese beim Stand der Technik nicht gekühlten Bauteile und Komponenten werden nun bei dem hier beschriebenen Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 über die Wärmetauscher 22, 23, 24 und optionale Ventileinrichtungen 25, 26 und 27 so an den Kühlkreislauf 16 angebunden, dass diese dauerhaft oder bei Vorhandensein der Ventileinrichtungen 25, 26, 27 bei Bedarf von dem Kühlmedium in dem Kühlkreislauf 16 durchströmt werden können. Eine Kühlung der beschriebenen wasserführenden Bauteile und Komponenten 10, 11, 15 im regulären Betrieb ist prinzipiell nicht notwendig, kannte aber als zusätzlicher Nebeneffekt gegebenenfalls zumindest im Bereich der Wasserabscheider 10, 11 von Vorteil sein, da hierdurch die Rate der Auskondensation erhöht werden könnte.
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Schwerpunktmäßig ist der Betrieb der Wärmetauscher 22, 23 und 24 jedoch für den Kaltstartfall des Systems vorgesehen. Dementsprechend sind sie in den Teil des Kühlkreislaufs 16 eingebunden, welcher bereits im Kaltstartfall betrieben wird, auch wenn das flüssige Kühlmedium nicht über den Kühlwärmetauscher 18 strömt. Kommt es nun zu einem Start des Brennstoffzellensystems 1, dann wird die Brennstoffzelle 2 in an sich bekannter Art und Weise durch Starten der Brennstoffzelle 2 aufgewärmt. Ihr Kühlwasser erwärmt sich ebenfalls vergleichsweise schnell, insbesondere wenn das gesamte flüssige Kühlmedium lediglich über den Bypass 20 und nicht durch den Kühlwärmetauscher 18 geleitet wird. In diesen Situationen sind die Wärmetauscher 22, 23 und 24 von dem sich bereits erwärmenden Kühlmedium durchströmt. Sollte das Brennstoffzellensystem 1 bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts vor dem Start ausgeharrt haben, so kann es im Bereich der Wasserabscheider 10, 11 und der Wasserableitungen 15, 14 zu einem Einfrieren dieses Wassers gekommen sein. Die Leitungen sind dementsprechend verstopft und können beim Start des Brennstoffzellensystems 1 nicht verwendet werden. Dies führt zu Fehlfunktionen des Systems. Durch die Möglichkeit, diese ansonsten nicht gekühlten Bauteile und Komponenten nun mit dem warmen Kühlmedium in dem Kühlkreislauf 16 in Kontakt bringen zu können, können diese Komponenten jedoch einfach und effizient aufgetaut werden. Dies ist durch das sich vergleichsweise schnell erwärmende Kühlwasser in einem Zeitraum möglich, welcher ausreicht, bis diese Komponenten ihre volle Funktionsfähigkeit bereitstellen müssen. Der Energieeinsatz ist gegenüber einem Auftauen mit elektrischen Heizelementen, welche im Bereich dieser Komponenten aus dem Stand der Technik bekannt sind, deutlich energieeffizienter, sodass zum Start des Brennstoffzellensystems 1 eine deutliche geringere Energiemenge vorgehalten werden muss, was wiederum Energiespeichereinrichtungen hinsichtlich ihrer Größe und ihrer Kosten minimiert.
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Nachdem die wasserführenden Bauteile 10, 11, 15, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit den Wärmetauschern 22, 23, 24 in Verbindung stehen, entsprechend aufgetaut sind, kann, zur Verminderung der Druckverluste in dem Kühlkreislauf 16, durch Schließen der optionalen Ventileinrichtungen 25, 26, 27 ein Abschalten der Wärmetauscher 22, 23, 24 erfolgen, sodass diese nicht mehr Teil des Kühlkreislaufs sind und dementsprechend nicht von dem flüssigen Kühlmedium durchströmt werden müssen. Hierbei ist abzuwägen, ob der Aufwand hinsichtlich Ansteuerung und Bauraum für die Ventileinrichtungen 25, 26, 27 die Verringerung der Druckverluste in diesem Bereich des Kühlkreislaufs rechtfertigt. Alternativ dazu wäre es nämlich auch denkbar, die Wärmetauscher 22, 23, 24 einfach ständig während des regulären Betriebs zu durchströmen, da eine Abkühlung oder gegebenenfalls auch eine Erwärmung der Abscheider 10, 11 und der Wasserableitung 15 auf das Temperaturniveau des Kühlkreislaufs 16 für den regulären Betrieb der Brennstoffzelle unkritisch ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004017434 A1 [0003]
- DE 102009013776 A1 [0006]
