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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem. Brennstoffzellensysteme als solche sind bekannt. Beim Betrieb des Brennstoffzellensystems sammelt sich Stickstoff und Wasser im Anodensubsystem an. Zur Abscheidung von Wasser aus dem Anodensubsystem wird am Anodenausgang des Brennstoffzellenstacks ein Wasserabscheider eingesetzt. Ferner ist es bekannt, aus dem Kathodenabgas Wasser mittels eines Wasserabscheiders abzutrennen. Abzutrennendes Wasser und Stickstoff werden bei vorbekannten Lösungen durch ein sogenanntes Anodenspülventil bzw. Purgeventil abgelassen. Derzeit ist es schwierig, die Kondensation von im Abgas enthaltenen Wasser zu regeln bzw. zu steuern.
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Wird ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle im Winter bei niedrigen Umgebungstemperaturen abgestellt, so kann es vorkommen, dass im Brennstoffzellensystem enthaltenes Wasser gefriert. Vor dem regulären Betrieb des Kraftfahrzeuges muss sichergestellt sein, dass das Brennstoffzellensystem einsatzbereit ist. Dazu muss das gefrorene Wasser aus dem Brennstoffzellensystem entfernt werden. Insbesondere kann ein zugefrorenes Anodenspülventil nicht einwandfrei betrieben werden.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Es ist insbesondere eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches vergleichsweise schnell und sicher in Betrieb genommen werden kann, wobei bevorzugt die Kosten und/oder der Platzbedarf für die Komponenten des Brennstoffzellensystems nicht ansteigen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter, mindestens einen Druckminderer, mindestens eine zum Anodeneinlass führende Anodenzuleitung, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens eine vom Anodenauslass wegführende Anodenabgasleitung, mindestens einen Wasserabscheider (= AWS), mindestens ein Anodenspülventil (= APV), mindestens ein aktive oder passive Brennstoff-Rezirkulationspumpe (= ARE bzw ARB) und/oder mindestens eine Rezirkulationsleitung sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens eine zum Kathodeneinlass führende Kathodenzuleitung, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgasleitung, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von Oxidationsmittel.
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Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst mindestens einen Wasserabscheider, der in einem Abgaspfad des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Wasserabscheider als solche sind bekannt. Ein Wasserabscheider ist eine technische Vorrichtung, um aus Gasgemischen, Aerosolen oder Suspensionen Wasser abzutrennen. Hierbei können unterschiedliche Bauformen und Funktionsprinzipien eingesetzt werden. Bevorzugt kommt ein Flüssigwasserabscheider mit Strömungsumleitung durch Abscheideflächen zum Einsatz.
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Der Abgaspfad des Brennstoffzellensystems kann ein Abgaspfad des Anodensubsystems und/oder des Kathodensubsystems sein. Der Abgaspfad ist dabei der Pfad, der stromab vom Anodenauslass bzw. vom Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Der Abgaspfad kann direkt oder indirekt in die Umgebung münden und/oder ein rezirkulierender Pfad sein.
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Der hier offenbarte Wasserabscheider umfasst mindestens ein Peltier-Element. Peltier-Elemente oder Thermoelektrische Module als solche sind bekannt. Peltier-Elemente sind i.d.R. aus keramischen Werkstoffen, Halbleitermaterialien oder auch aus entsprechend leitfähigen Polymeren hergestellt. Ein Peltier-Element ist ein elektrothermischer Wandler, der basierend auf dem Peltier-Effekt bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz oder bei Temperaturdifferenz einen Stromfluss (Seebeck-Effekt) erzeugt. Peltier-Elemente können sowohl zur Kühlung als auch – bei Stromrichtungsumkehr – zum Heizen verwendet werden. Üblicherweise werden derartige Peltier-Elemente daher im Bereich von Kältemaschinen und dergleichen eingesetzt.
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Das mindestens eine Peltier-Element ist eingerichtet, den Wasserabscheider zu kühlen und zu beheizen. Insbesondere kann das hier offenbarte Brennstoffzellensystem eingerichtet sein, den Wasserabscheider mit demselben mindestens einen Peltier-Element zu kühlen und zu beheizen. Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem kann zweckmäßig ein Steuergerät und mindestens ein Peltier-Element umfassen, die so eingerichtet sind, dass der mindestens eine Wasserabscheider mittels des mindestens einen Peltier-Elements während des Herunterfahrens des Brennstoffzellensystems kühlbar und während des Anfahren des Brennstoffzellensystems beheizbar ist. Hierzu bedarf es eine entsprechende Verschaltung und Ansteuerung bzw. Regelung der Komponenten, die eine Stromrichtungsumkehr im Peltier-Element erlauben.
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Das mindestens eine Peltier-Element kann derart am Wasserabscheider angeordnet und ausgebildet sein, dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das mindestens eine Peltier-Element durch dieses mindestens eine Peltier-Element ein zu einer Wasserablassöffnung des Wasserabscheiders proximal angeordneter proximaler Bereich A des Wasserabscheiders beheizbar und gleichzeitig ein distal zur Wasserablassöffnung angeordneter distaler Bereich C des Wasserabscheiders durch dieses mindestens eine Peltier-Element kühlbar ist.
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Der proximale Bereich A des Wasserabscheiders ist der Bereich, der im Vergleich zu dem distalen Bereich C näher an der Wasserablassöffnung angeordnet ist. Die Wasserablassöffnung ist zweckmäßig in der Einbaulage des Wasserabscheiders im Kraftfahrzeug an der tiefsten Stelle des Wasserabscheiders vorgesehen, so dass das auskondensierte Wasser durch diese Öffnung durch die Schwerkraft vollständig entweichen kann.
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Mit anderen Worten ist also jedes der Peltier-Elemente im montierten Zustand eingerichtet, den Wasserabscheider gleichzeitig zu kühlen und zu beheizen. Ein solches Peltier-Element kann die Steuerung bzw. Regelung des Wasserabscheiders vereinfachen. Im Winter muss während des Anfahrens des Brennstoffzellensystems gegebenenfalls im Wasserabscheider vorhandenes Eis abgetaut werden. Gleichzeitig soll der Wasserabscheider jedoch in der Lage sein, bereits kurz nach dem Enteisen im Aufheizbetrieb des Brennstoffzellensystems aus dem Abgas abzutrennendes Wasser zu kondensieren. Hierzu ist es notwendig, dass der Wasserabscheider möglichst kalte Oberflächen aufweist. Der hier offenbarte Wasserabscheider ist in der Lage, gleichzeitig den proximalen Bereich A des Wasserabscheiders zu erwärmen und den distalen Bereich C des Wasserabscheiders zu kühlen. Somit kann einerseits effizient das Eis abgetaut werden und gleichzeitig schon der distale Bereich für die sich anschließenden Kondensationsaufgaben gekühlt werden.
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Bevorzugt kann das hier offenbarte Brennstoffzellensystem mindestens zwei Peltier-Elemente umfassen. Der proximale Bereich A des Wasserabscheiders kann durch ein erstes der mindestens zwei Peltier-Elemente temperierbar (d.h. kühlbar und/oder beheizbar) sein. Der distale Bereich C des Wasserabscheiders kann durch ein zweites Peltier-Element der mindestens zwei Peltier-Elemente temperierbar sein. Insbesondere kann das erste Peltier-Element unabhängig vom zweiten Peltier-Element temperierbar sein, sodass der proximale Bereich A unabhängig vom distalen Bereich C temperierbar ausgeführt sein kann.
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Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, bevorzugt ein Brennstoffzellensystem wie es hier offenbart ist. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- – Kühlen eines in einem Abgaspfad des Brennstoffzellensystems angeordneten Wasserabscheiders (240) während des Herunterfahrens des Brennstoffzellensystems; und
- – Beheizen des Wasserabscheiders (240) während des Anfahrens des Brennstoffzellensystems.
Gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird der Wasserabscheider mit mindestens einem Peltier-Element gekühlt bzw. beheizt.
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Das Herunterfahren des Brennstoffzellensystems umfasst dabei einen Vorgang, bei dem ein Brennstoffzellensystem aus dem normalen Betriebszustand überführt wird in einen Ruhezustand, in dem das Brennstoffzellensystem keine Energie für das Kraftfahrzeug liefert, beispielsweise wenn das Kraftfahrzeug in einer Garage geparkt wird. In der Ruhephase kann lediglich vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem zur Systemwartung (z.B. Überwachung von Sicherheitsfunktionen, Umwandlung von Blow-Off Gasen, etc.) kurzzeitig betrieben wird. Im normalen Betriebszustand kann das Brennstoffzellensystem beispielsweise die elektrische Energie für einen Antriebsmotor oder als auxiliary power unit die Hilfsenergie für elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeuges bereitstellen. Das Anfahren des Brennstoffzellensystems betrifft den Vorgang, bei dem das Brennstoffzellensystem aus dem Ruhezustand in den normalen Betriebszustand überführt wird.
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Gemäß dem hier offenbarten Verfahren kühlt und/oder beheizt dasselbe mindestens eine Peltier-Element den Wasserabscheider. Insbesondere kann während des Anfahrens des Brennstoffzellensystems der Wasserabscheider durch das mindestens eine hier offenbarte Peltier-Element gleichzeitig gekühlt und beheizt werden. Zweckmäßig wird der Wasserabscheider nur beheizt, wenn Wasser im Wasserabscheider zumindest teilweise gefroren ist. Das Herunterfahren des Brennstoffzellensystems kann den Schritt umfassen, wonach Wasser aus dem Wasserabscheider abgelassen wird. Das hier offenbarte Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach mit der Aufwärmung von mindestens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems erst begonnen wird, nachdem im Wasserabscheider gespeichertes Wasser vollständig aufgetaut und abgelassen wurde.
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Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Brennstoffzellensystem mit einem Wasserabscheider. Dabei werden an den Wänden des Wasserabscheiders Peltier-Elemente angebracht. Durch den Peltier-Effekt wird durch einen Stromfluss eine Temperaturdifferenz erzeugt. Dieser Stromfluss kann dabei konstant oder bei Bedarf durch das Brennstoffzellen-Steuergerät variiert werden. Er ist dabei so gerichtet, dass der Temperaturgradient vom Anodenauslass (kalt) Richtung Spülventil (warm) verläuft. Der Temperaturgradient ermöglicht eine aktive Beeinflussung der auskondensierenden Wassermenge. Das aus der mindestens einen Brennstoffzelle austretende warme Gas-Wasserdampf-Gemisch kann dabei an den kälteren Flächen des Peltier-Elements entlang strömen. Dabei kann Wasser an den Abscheideflächen auskondensieren und rinnt durch die Schwerkraft in Richtung der tiefsten Stelle des Wasserabscheiders, an dessen Stelle das Spülventil bzw. die Wasserablassöffnung sitzt. Damit wird ein gezieltes Auskondensieren und Spülen von Wasser ermöglicht. Ein weiterer Vorteil dieser dargestellten Technik ist die verbesserte Froststarttauglichkeit des Anodensubsystems. Da der Temperaturgradient in Richtung Spülventil verläuft, befinden sich die Ventile am wärmsten Platz im Wasserabscheider. Ist der Stromfluss und damit der Temperaturgradient ausreichend hoch, kann auf diesem Weg verhindert werden, dass das Wasser gefriert und die Spülventile verstopfen.
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Während des Froststarts des Brennstoffzellensystems kann durch die hier offenbarte Technologie sicher das Wasser im Wasserabscheider abgetaut werden, ohne dass sich dabei die distalen Bereiche C des Wasserabscheiders erwärmen, in denen sich aufgrund der Schwerkraft in der Regel kein Wasser angesammelt hat. Durch den Temperaturgradienten weisen die distalen Bereiche C auch beim Enteisen im Vergleich zu den proximalen Bereichen A geringere Temperaturen auf. Somit kann nach dem Enteisen vergleichsweise schnell wieder effizient Wasser aus dem Abgas auskondensiert werden.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Skizze des hier offenbarten Brennstoffzellensystem;
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2 eine schematische Querschnittsansicht des hier offenbarten Wasserabscheiders; und
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3 eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren hier offenbarten Wasserabscheiders
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Die 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodensubsystem und einem Kathodensubsystem. Vereinfachend sind hier viele Systemkomponenten weggelassen worden. Im Druckbehälter 100 ist Brennstoff gespeichert, der über das Tankabsperrventil 210 sowie den Druckminderern 211, 212 einem Anodenraum A des Brennstoffzellenstapels 300 bereitgestellt wird. Der Brennstoff reagiert im Brennstoffzellenstapel 300 mit dem Oxidationsmittel. Das dabei entstehende Anodenabgas strömt durch den Anodenauslass aus dem Brennstoffzellenstapel aus. Die Anodenabgasleitung mündet hier im Wasserabscheider 240. Im Wasserabscheider 240 wird Wasser aus dem Anodenabgas auskondensiert. Der Wasserabscheider 240 ist fluidverbunden mit einem Anodenspülventil 238. Durch Öffnen des Anodenspülventils 238 kann sowohl Wasser als auch Stickstoff entweichen. Der Wasserabscheider 240 ist ferner über eine Rezirkulationsleitung 235 mit der Anodenzuluft 215 verbunden. In der Rezirkulationsleitung 235 kann ferner eine Anodenrezirkulationspumpe 236 und/oder ein Wasserstoffinjektor 234 vorgesehen sein (gestrichelt dargestellt). Durch den Oxidationsmittelförderer 410 wird Luft angesaugt und im Ladeluftkühler 420 abgekühlt. Die Luft tritt in den Kathodenraum K ein und reagiert dort mit dem Brennstoff des Anodenraums A. Nach der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 300 verlässt das Abgas den Kathodenraum K. In der Kathodenabluft können ebenfalls ein Wasserabscheider 240 und gegebenenfalls ein Spülventil 238 vorgesehen sein.
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Alternativ kann aus dem Anodensubsystem abzuführendes Gas mit dem Kathodenabgas in einer Mischkammer (oft „Diluter“ genannt) zusammengeführt werden. In einem solchen Fall kann vorgesehen sein, dass der Wasserabscheider 240 in diese Mischkammer mit integriert oder stromab von dieser Mischkammer angeordnet ist.
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Das Steuergerät 500 ist eingerichtet, das hier dargestellte Brennstoffzellensystem, insbesondere den hier offenbarten Wasserabscheider 240 bzw. dessen Peltier-Elemente 242 (vgl. 2) zu steuern bzw. zu regeln.
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Die 2 zeigt schematisch den hier offenbarten Wasserabscheider 240. Durch einen Abgaseinlass 246 strömt Abgas in den Wasserabscheider 240 ein. Der Abgasauslass ist hier nicht gezeigt. Die Wandung 241 des Wasserabscheiders 240 wird hier durch Peltier-Elemente 242 temperiert, die beispielsweise an der Außenseite der Wandung 241 wärmeleitend angebracht sein können. In der Einbaulage im tiefsten Punkt des Wasserabscheiders 240 ist hier eine Wasserablassöffnung 244 angeordnet, durch die das auskondensierte Wasser und gegebenenfalls auch abzulassendes Abgas entweichen kann. Stromab der Wasserablassöffnung 244 ist hier das Anodenspülventil 238 angeordnet. Das Anodenspülventil 238 kann aber ebenso auch in den Wasserabscheider 240 mit integriert sein. Im unteren Bereich des Wasserabscheiders hat sich hier auskondensiertes Wasser angesammelt. Der Wasserabscheider 240 kann in einen proximalen Bereich A, einen Mittelbereich B und einen distalen Bereich C unterteilt werden. Das mindestens eine Peltier-Element 242 erstreckt sich vom proximalen Bereich A bis zum distalen Bereich C. Das Peltier-Element 242 ist dabei so angeordnet, dass im proximalen Bereich A des Wasserabscheiders 240 ein erster Bereich des Peltier-Elementes 242 angeordnet ist und im distalen Bereich C ein zweiter Bereich des Peltier-Elementes 242. Wird an das Peltier-Element 240 eine Spannung angelegt, so beheizt hier der erste Bereich des Peltier-Elementes 242 den proximalen Bereich A und der zweite Bereich des Peltier-Elementes 242 kühlt gleichzeitig den distalen Bereich C. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Wasser im Wasserabscheider 240 gefroren ist. Der proximale Bereich A taut dann das Wasser auf wobei gleichzeitig der distale Bereich C durch den zweiten Bereich des Peltier-Elementes 242 für die demnächst durchzuführende Auskondensation von Wasser vorbereitet wird. Ein solches Peltier-Element 242 weist also einen kühlenden zweiten Bereich und einen wärmenden ersten Bereich auf. Wie dem seitlich dargestellten Temperaturverlauf zu entnehmen ist, ist der Temperaturübergang in der Wandung 241 jedoch nicht sprunghaft, sondern eher stetig
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Die 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung des hier offenbarten Wasserabscheiders 240. Nachstehend werden nur die Unterschiede im Vergleich zur Ausführungsform gemäß der 2 erläutert. Anstatt Peltier-Elemente 242 vorzusehen, die sich vom proximalen Bereich A bis zum distalen Bereich C erstrecken, sind hier zwei voneinander getrennte Peltier-Elemente 242 vorgesehen, die getrennt voneinander temperierbar sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass während des Anfahrens des Brennstoffzellensystems mindestens ein erstes Peltier-Element 242 den proximalen Bereich A beheizt und gleichzeitig ein zweites Peltier-Element 242 den distalen Bereich C kühlt. Das erste und zweite Peltier-Element 242 sind hier also getrennt voneinander temperierbar. Tritt beispielsweise der Fall ein, dass der komplette Wasserabscheider 240 mit Wasser gefüllt ist, so kann auch vorgesehen sein, dass sowohl das erste Peltier-Element 242 als auch das zweite Peltier-Element 242 den Wasserabscheider 240 beheizen, damit schneller das Eis aufgetaut werden kann. Zweckmäßig kann der Wasserabscheider eine Füllstandsmessvorrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, den Füllstand des im Wasserabscheider angesammelten Wassers zu ermitteln. Das Steuergerät kann dann ausgebildet sein, in Abhängigkeit vom Füllstand wahlweise nur das Peltier-Element 242 im proximalen Bereich A oder beide Peltier-Elemente 242 so anzusteuern, dass die Bereiche A und C beheizt werden.
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Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Abgaspfad, der/ein Wasserabscheider, das/ein Peltier-Element, die/eine Wasserablassöffnung, der/ein proximale bzw. distale Bereich, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Abgaspfad, der mindestens eine Wasserabscheider, das mindestens eine Peltier-Element, die mindestens eine Wasserablassöffnung, der mindestens eine proximale bzw. distale Bereich, etc.). Die hier offenbarte Technologie ist nicht beschränkt auf das Temperieren während des Herunterfahrens und Anfahrens des Brennstoffzellenbetriebs. Ebenso kann das mindestens eine Peltier-Element während der Ruhephase und/oder während des normalen Betriebs der Brennstoffzelle dazu genutzt werden, den Wasserabscheider zu temperieren.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
