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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen der Oberfläche eines Sensors nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens.
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Sensoren zur Erfassung von Flüssigkeiten können beispielsweise kapazitive Sensoren sein, welche eingesetzt werden, um Flüssigkeitsstände in Behältern zu detektieren. Ein bevorzugter Einsatzzweck für derartige kapazitive Sensoren liegt dabei im Einsatz als Füllstands- beziehungsweise Level-Sensoren zur Überwachung von Flüssigkeitsansammlungen, beispielsweise in Wasserabscheidern eines Brennstoffzellensystems.
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Aus der
DE 102 33 039 A1 ist ein Verfahren zum Regeln eines Füllstands bekannt, welches mit Hilfe eines einzigen entsprechend positionierten Füllstandssensors auskommt. Der Füllstandssensor ist dabei so angeordnet, dass er so lange benetzt ist, bis ein minimaler Füllstand erreicht worden ist. Die über den Füllstandssensor angesteuerte Ventileinrichtung kann dann geschlossen werden, sodass sich wieder Wasser in dem Behälter ansammeln kann. Die Problematik bei diesen Aufbauten liegt nun darin, dass kapazitive Füllstandssensoren sehr stark zur Verschmutzung neigen und dann fehlerhafte Werte angeben. Dies ist insbesondere beim Einsatz in Brennstoffzellensystemen zu beobachten, in denen aus der Brennstoffzelle ausgewaschene Stoffe in dem Wasser vorhanden sind, welches die Füllstandssensoren umspült. Die Sensoren verschmutzen dann massiv und liefern sehr häufig falsche Werte, sodass eine sichere und zuverlässige Steuerung des Ablassens nicht mehr möglich ist.
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Insbesondere bei derartigen Sensoren in Wasserabscheidern, welche in einem Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems eingesetzt sind und Wasser aus rezirkuliertem Abgas der Anode abscheiden, liegen Probleme darin, dass eine Fehlfunktion typischerweise zu schwierigen Situationen für das Brennstoffzellensystem führt. Beispielsweise werden zum Ablassen des vermeintlich vorhandenen Wassers Ventile geöffnet, durch welche dann auch Anodenabgas, welches Reste an Wasserstoff enthält, an die Umgebung abgelassen wird, oder es werden die Ventile nicht geöffnet, wodurch sich so viel Wasser ansammelt, dass die Brennstoffzelle geflutet und dadurch in ihrer Funktionalität eingeschränkt wird.
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Aus der
DE 103 23 063 A1 ist ein Ultraschallsensor bekannt, welcher ebenfalls zur Detektion von Füllständen eingesetzt werden kann. Kommt es hier zu einer Verschmutzung des Sensors, so wird der Sensor über energiereiche Schwingungen gereinigt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Reinigen der Oberfläche eines Sensors bereitzustellen, welche sicherstellt, dass die Sensoroberfläche ausreichend sauber ist, um sicher und zuverlässig die erforderlichen Zustände detektieren zu können, um so Fehlfunktionen zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Dadurch, dass in regelmäßigen Abständen eine aktive Reinigung der sensitiven Oberfläche des Sensors erfolgt, kann eine Verschmutzung weitgehend ausgeschlossen werden. Der Sensor arbeitet dann sicher und zuverlässig.
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In einer sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die aktive Reinigung durch eine Relativbewegung der sensitiven Oberfläche gegenüber einem Abstreifelement erfolgt.
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In dieser Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die aktive Reinigung also durch ein Abstreifen von eventuellen Schmutzpartikeln auf der sensitiven Oberfläche. Dafür kann entweder der Sensor selbst oder ein Abstreifer oder auch beide der Bauelemente bewegt werden. Durch die Berührung des Abstreifers mit der sensitiven Oberfläche werden eventuelle Schmutzpartikel mechanisch entfernt und abgetragen, sodass nach der Reinigung wieder eine sichere und zuverlässige Funktionalität des Sensors gegeben ist.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird alternativ oder ergänzend die aktive Reinigung durch Besprühen der sensitiven Oberfläche mit einer Flüssigkeit vorgenommen.
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Dieses Besprühen der sensitiven Oberfläche mit einer Flüssigkeit erfolgt dabei überwiegend dann, wenn der Sensor nicht mit Flüssigkeit benetzt ist, also beispielsweise beim Einsatz eines Füllstandssensors, wenn der Stand der Flüssigkeit unterhalb des Sensors liegt. Dann kann über eine Düse und eine Pumpe oder dergleichen entweder die zu detektierende Flüssigkeit oder eine spezielle Reinigungsflüssigkeit aufgesprüht werden. Durch das gezielte Aufsprühen, gegebenenfalls auch unter einem höheren Druck, kommt es zu einem Abspülen von eventuellen Verunreinigungen von der sensitiven Oberfläche des Sensors. In einer entsprechenden Weiterbildung hiervon kann das Verfahren natürlich auch mit der Reinigung durch den Abstreifer kombiniert werden, sodass eine noch bessere Reinigungswirkung erzielt werden kann.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die aktive Reinigung durch das Anlegen von Vibrationen an den Sensor oder ein fest mit dem Sensor verbundenes Bauteil erfolgt.
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Durch dieses Vibrieren des Sensors, welches beispielsweise mit einer festen Frequenz oder auch mit einer variierenden Frequenz erfolgen kann, wird erreicht, dass eventuelle Schmutzpartikel auf der sensitiven Oberfläche durch die Vibrationen gelöst werden und so von der Oberfläche abfallen. Auch dies kann wiederum durch ein Besprühen mit Flüssigkeit und/oder einen Abstreifer unterstützt werden.
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Eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Anwendung zur Reinigung eines Füllstandssensors in einem Wasserabscheider in einem Brennstoffzellensystem.
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Insbesondere bei Wasserabscheidern in Brennstoffzellensystemen, und hier insbesondere bei Wasserabscheidern in einem Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystem, durch welchen nicht verbrauchtes Anodenabgas zum Anodeneingang zurückgeführt und dort mit frischem Brennstoff vermischt wieder der Anode zugeführt wird, sind hohe Anforderungen an die Füllstandssensoren zu stellen. Der Wasserabscheider scheidet aus dem rezirkulierten Abgas flüssig mitgerissenes Wasser ab. Wird zu viel Wasser in dem Wasserabscheider gesammelt, so kann dieses wieder zurück in den Bereich der Anode gelangen und dort die zur Verteilung des Brennstoffs erforderlichen Kanäle fluten. Die Funktionalität der Brennstoffzelle ist dann nicht mehr gegeben. Im anderen Extremfall kann beim Ablassen von flüssigem Wasser aus dem Wasserabscheider Anodenabgas mit in die Umgebung gelangen, da der Sensor nicht oder nicht rechtzeitig erkennt, dass er nicht mehr mit Flüssigkeit benetzt ist. Sollten größere Mengen an Anodenabgas an die Umgebung gelangen, so können diese aufgrund des in ihnen enthaltenen Restwasserstoffs ein Sicherheitsrisiko darstellen. Außerdem geht Wasserstoff verloren, was sich negativ auf den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems auswirkt.
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Insbesondere bei derartigen Sensoren, und hier werden bevorzugt kapazitive Füllstandssensoren eingesetzt, spielt also die Reinhaltung der Sensoren eine entscheidende Rolle, um eine sichere und zuverlässige Funktionalität des Brennstoffzellensystems mit bestmöglichem Wirkungsgrad sicherzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur aktiven Reinigung der sensitiven Oberfläche derartiger Sensoren kann hier also besonders gut und effektiv eingesetzt werden.
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Dies gilt insbesondere für Brennstoffzellensysteme, welche in Transportmitteln aller Art, insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, um Antriebsenergie für das zumindest teilweise elektrisch angetriebene Transportmittel bereitzustellen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich außerdem aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert sind.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem mit einem Wasserabscheider;
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2 eine erste Möglichkeit zur Reinigung eines Sensors in dem Wasserabscheider;
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3 eine zweite Möglichkeit zur Reinigung eines Sensors in dem Wasserabscheider; und
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4 eine dritte Möglichkeit zur Reinigung eines Sensors in dem Wasserabscheider.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Wasserabscheiders in einem Brennstoffzellensystem 1 beschrieben, ohne dass das Verfahren auf eine solche Anwendung eingeschränkt werden soll.
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 kann beispielsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsenergie in einem Transportmittel, also einem Fahrzeug, einem Flugzeug, einem Schiff oder dergleichen, dienen. Insbesondere soll es zur Bereitstellung von Antriebsenergie in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
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In der Darstellung der 1 ist das Brennstoffzellensystem 1 in einem für die hier vorliegende Erfindung relevanten Ausschnitt stark schematisiert angedeutet. Wichtigster Bestandteil des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als Stapel von einzelnen Brennstoffzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 2 weist einen Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4 auf, welche in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils durch eine protonenleitende Membran voneinander getrennt sein sollen. Bei der Brennstoffzelle 2 handelt es sich also um einen sogenannten PEM-Brennstoffzellenstack.
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Der Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung 5 über ein Dosierventil 6 sowie ein Leitungselement mit Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 versorgt. Im Bereich des Anodenraums 3 nicht umgesetzter Wasserstoff gelangt über eine Rezirkulationsleitung 7 zurück in den Bereich, in dem der frische Wasserstoff über das Dosierventil 6 zu dem Anodenraum 3 strömt. Die Rezirkulationsleitung 7 führt damit in an sich bekannter Weise unverbrauchtes Gas aus dem Bereich des Anodenraums 3 zurück in den Anodenraum, wobei sich das Gas mit frischem Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 vermischt. Um den Druckverlust im Anodenraum 3 auszugleichen, ist im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 eine Rezirkulationsfördereinrichtung 8 angeordnet, welche für die Rückführung des unverbrauchten Gases aus dem Anodenraum 3 sorgt. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 8 kann dabei als Wasserstoffrezirkulationsgebläse ausgebildet sein, so wie dies in 1 angedeutet ist. Ergänzend oder alternativ hierzu wäre auch eine Gasstrahlpumpe denkbar, welche durch den Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 angetrieben wird, und das Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 entsprechend ansaugt, mit dem frischen Wasserstoff vermischt und dem Anodenraum 3 zuführt.
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Der Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird im hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit Luft versorgt. Der in der Luft enthaltende Sauerstoff dient als Oxidationsmittel für die chemische Reaktion im Inneren der Brennstoffzelle 2 und bildet zusammen mit dem Wasserstoff in an sich bekannter Weise Wasser, wobei elektrische Leistung frei wird, welche an der Brennstoffzelle 2 entsprechend abgegriffen werden kann. Die Luft für den Kathodenraum 4 wird dabei über eine Luftfördereinrichtung 9 entsprechend verdichtet und dem Kathodenraum 4 zugeführt. Zur Aufbereitung der Luft können dabei weitere Komponenten, wie beispielsweise Luftfilter oder dergleichen vorhanden sein, auf deren Darstellung hier zur Vereinfachung verzichtet wurde. Die Luftfördereinrichtung 9 kann dabei als Strömungsverdichter oder Kompressor ausgebildet sein, beispielsweise als Schraubenkompressor.
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In der Brennstoffzelle 2 selbst wird dann die Luft im Kathodenraum 4 mit dem Wasserstoff im Anodenraum 3 durch die Membranen der Brennstoffzelle 2 hindurch in elektrische Energie und Wasser umgesetzt. Ein großer Teil des Produktwassers fällt dabei im Kathodenraum 4 an. Auch im Anodenraum 3 entsteht jedoch ein Teil des Produktwassers, welches insbesondere dadurch auskondensiert, da aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 frischer und kalter Wasserstoff in den über die Rezirkulationsleitung 7 zurückgeführten Gasstrom eingebracht wird. Das im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 anfallende Wasser sammelt sich in einem Wasserabscheider 10, welcher in verschiedenen Bauarten ausgeführt sein kann. Dieser Wasserabscheider 10 ist über eine Ventileinrichtung 11 mit einer Abströmleitung verbunden.
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In dem Wasserabscheider 10 sind außerdem zwei Füllstandssensoren beziehungsweise Level-Sensoren 12 zu erkennen, um die Ventileinrichtung 11 so anzusteuern, dass sich sammelndes flüssiges Wasser abgelassen werden kann. Anstelle der beiden hier dargestellten Sensoren 12 könnte auch gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik lediglich einer der Sensoren 12 vorhanden sein. Die Sensoren 12 sind dabei typischerweise als kapazitive Sensoren ausgebildet, welche bei Kontakt ihrer sensitiven Oberfläche mit Wasser ein entsprechendes Signal senden, welches dann von einer hier nicht dargestellten Elektronikeinheit entsprechend ausgewertet und zur Ansteuerung der Ventileinrichtung 11 genutzt werden kann.
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Außerdem ist in der Darstellung der 1 ein optionaler Befeuchter 13 zu erkennen. Dieser ist als Gas-Gas-Befeuchter 13 ausgebildet und mit Membranen versehen, welche lediglich für Wasserdampf, nicht jedoch für die zu und von dem Kathodenbereich 4 strömenden Gase durchlässig ist. Auf der einen Seite des Befeuchters 13 strömt nun der nach der Luftfördereinrichtung 9 vergleichsweise heiße und trockene Luftstrom zum Kathodenbereich 4. Auf der anderen Seite der Membranen des Befeuchters 13 strömt das mit Produktwasser beladene Abgas aus dem Kathodenbereich 4. Die in ihm enthaltene Feuchtigkeit kann so über die Membranen des Befeuchters 13 die Zuluft zum Kathodenbereich 4 in an sich bekannter Art und Weise befeuchten. Je nach Aufbau der Brennstoffzelle 2 und/oder Betriebsbedingungen kann auf den hier optional dargestellten Befeuchter 13 auch verzichtet werden.
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Wie bereits erwähnt, sind die Sensoren 12 sehr anfällig gegenüber Verschmutzungen und Ablagerungen, welche sich in dem Produktwasser der Brennstoffzelle 2 sammeln und sich auf einer sensitiven Oberfläche 15 der Sensoren 12 absetzen können. Kommt es nun zu einer solchen Verschmutzung, so geben die Sensoren 12 falsche Werte an, und eine zuverlässige Ansteuerung der Ventileinrichtung 11 kann nicht mehr erfolgen.
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In der Darstellung der 2 ist nun ein Ausschnitt des Wasserabscheiders 10 nochmals in einer prinzipmäßigen vergrößerten Darstellung zu erkennen. Neben dem Wasserabscheider 10 mit der Ventileinrichtung 11 ist hier insbesondere einer der Sensoren 12 dargestellt. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem Befestigungselement 14, mit welchem er an der Wandung des Wasserabscheiders 10 befestigt ist. Außerdem weist der Sensor 12 die sensitive Oberfläche 15 auf, welche typischerweise in Form eines stiftartigen Bauteils in das Innere des Wasserabscheiders 10 ragt. Im Bereich dieser sensitiven Oberfläche 15 können sich nun Verschmutzungen ansammeln. Der Aufbau in der Darstellung der 2 weist deshalb ein Abstreifelement 16 auf, welches als ringförmiges Element ausgebildet ist und eine Öffnung aufweist, durch die die stiftartig geformte sensitive Oberfläche 15 hindurchragt. Über – nicht dargestellte – mechanische Mittel kann nun automatisiert oder auch durch einen manuellen Betrieb von außerhalb des Wasserabscheiders 10 dieses Abstreifelement 16 über die sensitive Oberfläche 15 bewegt werden. Dabei werden beispielsweise durch eine Reinigungslippe an dem Abstreifelement 16 eventuelle Verschmutzungen von der sensitiven Oberfläche abgestreift und mit der Flüssigkeit beim nächsten Entleeren des Wasserabscheiders 10 ausgespült. Dabei kann entweder das Abstreifelement 16 gegenüber der sensitiven Oberfläche 15 oder auch der gesamte Sensor 12 gegenüber dem Abstreifelement 16 bewegt werden, sodass eine Relativbewegung zustande kommt, durch welche Verschmutzungen auf der sensitiven Oberfläche 15 durch das Abstreifelement 16 abgestreift werden.
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In der Darstellung der 3 ist eine alternative Ausführungsform des Wasserabscheiders 10 zu erkennen. Anstelle des Abstreifelements 16 ist hier eine Düse 17 im Bereich der sensitiven Oberfläche 15 angeordnet. Über diese Düse 17 kann entweder die sich im Wasserabscheider 10 sammelnde Flüssigkeit oder eine spezielle Reinigungsflüssigkeit, zum Beispiel unter erhöhtem Druck, auf die sensitive Oberfläche 15 des Sensors 12 aufgesprüht werden. Dies hat den Effekt, dass eventuelle Verschmutzungen fortgespült werden. Ein besonders hoher Effekt wird dann erzielt, wenn der Sensor 12 dabei nicht unterhalb der Wasseroberfläche ist, sondern wenn der Wasserabscheider 10 zu diesem Zweck entsprechend entleert ist, sodass eventuelle Verschmutzungen auf der sensitiven Oberfläche 15 einfach und effizient fortgespült werden können.
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Zur Bereitstellung des erforderlichen Drucks für die Spülflüssigkeit kann entweder ein Druckspeicher mit einer speziellen Spülflüssigkeit eingesetzt werden, oder es kann, wie in der Darstellung der 3 zu erkennen ist, über eine Fördereinrichtung 18 der benötigte Druck aufgebaut werden.
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In der Darstellung der 4 ist nun eine weitere alternative Ausführungsform des Wasserabscheiders 10 zu erkennen. Dabei ist ein Frequenzgenerator beziehungsweise Vibrator 19 im Bereich des Befestigungselements 14 des Sensors 12 angebracht und fest mit dem Sensor 12 verbunden. Dieser Vibrator kann nun Vibrationen generieren, welche dazu führen, dass der Sensor 12 und damit die sensitive Oberfläche 15 entsprechend vibriert. Die dabei aufgebrachten Schwingungen können beispielsweise eine fest vorgegebene oder auch eine variable Frequenz aufweisen, wobei hierfür typischerweise ein experimentell ermittelter geeigneter Frequenzbereich durchlaufen wird. Die Schwingungen können beispielsweise Ultraschallschwingungen oder auch Vibrationen in anderen Frequenzbereichen sein. Durch die Vibrationen werden eventuelle Verschmutzungen auf der sensitiven Oberfläche 15 gelöst und so mit dem den Sensor 12 umgebenden Wasser fortgespült.
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Diese drei Möglichkeiten zur aktiven Reinigung der sensitiven Oberfläche 15 des Sensors 12 lassen sich dabei beliebig untereinander kombinieren, sodass beispielsweise ein Besprühen mit Reinigungsflüssigkeit und ein Verwenden des Abstreifelements 16 gleichzeitig erfolgen kann. Ergänzend oder alternativ dazu können auch diese beiden Methoden oder eine der Methoden mit einer Vibration der sensitiven Oberfläche 15 durch den Vibrator 19 kombiniert werden. Damit lassen sich die bestmöglichen Ergebnisse zur Reinigung der sensitiven Oberfläche 15 des Sensors 12 erzielen, um so eine sichere und zuverlässige Funktionalität des Brennstoffzellensystems 1 sicherzustellen.
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Der Betrieb der aktiven Reinigungselemente zur Reinigung in der sensitiven Oberfläche 15 kann dabei zyklisch in regelmäßigen Abständen erfolgen. Die regelmäßigen Abstände können beispielsweise aus einem Kennfeld anhand der Belastung der Brennstoffzelle 2 selbst und des aus der Brennstoffzelle 2 entnommenen Stroms, welcher auch ein Maß für das entstehende Wasser im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 ist, vorgegeben werden. Es ist auch denkbar, die Reinigung durch entsprechende Wartungsintervalle beispielsweise nach einer vorgegebenen Anzahl an Betriebsstunden oder dergleichen vorzugeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10233039 A1 [0003]
- DE 10323063 A1 [0005]
