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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von Druck in einem Medium nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Sensors.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Drucksensoren in verschiedenen Bauarten bekannt. Typischerweise weisen diese eine Membran auf, welche auf der einen Seite mit dem Medium, dessen Druck zu erfassen ist, in Kontakt steht, und welche auf der anderen Seite mit einem Druckaufnehmer in Kontakt steht. Typischerweise schließt sich daran eine Auswerteelektronik oder dergleichen an, sodass an dem Sensor über elektrische Anschlüsse der erfasste Druckwert abgerufen werden kann. Nachteilig bei derartigen Drucksensoren ist es nun, dass diese typischerweise über ein Leitungselement oder dergleichen mit dem Medium, dessen Druck erfasst werden soll, in Verbindung stehen. Wird dieses Leitungselement nun verstopft, beispielsweise durch Schmutz oder bei der Erfassung des Drucks von befeuchteten Gasströmen durch sich bildendes Eis, kann der Druckwert nicht mehr sicher und zuverlässig erfasst werden.
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Es ist daher aus dem Stand der Technik auch bekannt, dass eine vorgelagerte Membran mit dem eigentlichen Druckaufnehmer über eine eingeschlossene Flüssigkeit, insbesondere ein Öl oder dergleichen, verbunden wird. Die eingeschlossene inkompressible Flüssigkeit überträgt dann den Druck von der vorgelagerten Membran auf den Bereich des Druckaufnehmers. Beispielhaft soll hinsichtlich eines solchen Aufbaus auf die internationale Veröffentlichung
WO 2009/067016 A1 verwiesen werden. Auch hier ist die Membran durch einen vorgelagerten mechanischen Schutz, beispielsweise ein Gitter, ein Lochblech oder dergleichen geschützt. Dadurch entsteht hier letztlich derselbe Nachteil, da auch der vorgelagerte Schutz entsprechend verschmutzen und/oder verstopfen kann. Dadurch wird die Membran nicht oder zumindest nicht in vollem Umfang von dem Medium, dessen Druck sie detektieren soll, angeströmt. Damit entsteht auch bei diesem Aufbau der Nachteil, dass durch Verschmutzung und/oder Vereisung gegebenenfalls die Qualität des erfassten Druckwerts leidet.
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Werden nun entsprechende Systeme auf Basis eines über solche Sensoren erfassten Druckwerts gesteuert, so kann dies zu gravierenden Funktionsproblemen bis hin zu einer Notabschaltung oder dergleichen führen, welche prinzipiell nicht notwendig gewesen wäre, sondern lediglich aufgrund einer falschen Erfassung des in dem Medium vorliegenden Drucks durch den Drucksensor hervorgerufen wurde.
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Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, einen Sensor zur Erfassung des Drucks in einem Medium zu schaffen, welcher die oben genannten Nachteile vermeidet und in allen Situationen sicher und zuverlässig den Druck in dem Medium, insbesondere einem mit Flüssigkeit beladenen Gasstrom, erfassen kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Sensor mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ergibt sich eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors aus den restlichen Ansprüchen.
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Der erfindungsgemäße Sensor weist die Membran als tellerförmige Membran auf, welche an einem Leitungselement angeordnet ist, welches die beziehungsweise einen Teil der eingeschlossenen Flüssigkeit zur Weiterleitung des Druckwerts von der Membran zu dem Druckaufnehmer aufweist. Die unmittelbar an dem Leitungselement angeordnete tellerförmige Membran erlaubt es so, dass diese an dem Leitungselement befestigt in das Medium hineinragen kann. Das Medium umgibt die Membran damit unmittelbar, sodass keine vorgelagerten Öffnungen, Bohrungen oder dergleichen vorhanden sind, welche durch Schmutz und/oder sich bildendes Eis verstopft werden könnten. Die tellerförmige Membran wird vielmehr von dem Medium direkt umgeben und kann von dem Medium, insbesondere sofern es sich um einen Medienstrom handelt, selbst gereinigt werden.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist die Membran dabei in der Art einer hohlen Scheibe ausgebildet, in deren Hohlraum sich ein Teil der eingeschlossenen Flüssigkeit befindet. Diese scheibenförmige Membran, welche über das Leitungselement mit dem eigentlichen Druckaufnehmer korrespondiert, erlaubt es so, im Wesentlichen von den beiden Flachseiten der Membran aus den Druck in dem Medium zu erfassen und über das Leitungselement und die in der Membran und dem Leitungselement eingeschlossene Flüssigkeit an den eigentlichen Druckaufnehmer weiterzuleiten.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensors ist dabei der Durchmesser der Membran größer als der Durchmesser des Leitungselements. Dieser größere Durchmesser der Membran, insbesondere ist dieser deutlich größer, insbesondere mehr als fünfmal so groß wie der des Leitungselements, erlaubt es, dass die Membran, wenn sie in das Medium, dessen Druck zu erfassen ist, ragt, vergleichsweise freistehend in dem Medium, typischerweise einem Medienstrom, angeordnet ist. Selbst wenn sich im Bereich der Membran und/oder des Leitungselements Schmutz sammelt oder Feuchtigkeit auskondensiert, so wird diese von dem Medienstrom mit fortgetragen und kann sich nicht im Bereich der Membran ansetzen und die erfassten Druckwerte verfälschen.
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Eine besonders günstige und vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors liegt dabei in der Erfassung des Drucks in einem Medienstrom, welcher aus einem mit Flüssigkeit beladenen Gasstrom besteht. Ein solcher Gasstrom, welcher beispielsweise befeuchtet ist und sowohl dampfförmige als auch in Form von flüssigen Tröpfchen vorliegende Flüssigkeit mit sich führen kann, ist hinsichtlich der Erfassung des Druckwerts besonders kritisch, da durch im Bereich der Membran auskondensierende oder sich sammelnde Flüssigkeit, welche bei entsprechenden Temperaturen gegebenenfalls auch erstarrt beziehungsweise einfriert, sehr schnell eine Verfälschung des erfassten Druckwerts erreicht wird. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Sensors kann dieses, wie oben bereits erläutert wurde, weitgehend verhindert werden, sodass die Erfassung des Drucks in einem mit Flüssigkeit beladenen Gasstrom die bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Sensors darstellt.
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Insbesondere kann es sich bei dem Medienstrom dabei um den befeuchteten Gasstrom in einem Brennstoffzellensystem handeln. Der Gasstrom in einem solchen Brennstoffzellensystem kann beispielsweise ein befeuchteter Zuluftstrom zu einem Kathodenbereich einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems sein oder ein mit Feuchtigkeit und Produktwasser aus der Brennstoffzelle beladener Abgasstrom aus eben diesem Kathodenbereich oder auch dem Anodenbereich. Der Drucksensor ist dabei für die Überwachung des Brennstoffzellensystems hinsichtlich der Druckwerte und damit für den sicheren und zuverlässigen Betrieb des Systems notwendig. Falsche Werte würden gegebenenfalls zu einer Notabschaltung des Systems führen. Daher ist an die Zuverlässigkeit der Erfassung der Druckwerte eine besonders hohe Anforderung zu richten. Dies kann mittels des erfindungsgemäßen Sensors erreicht werden.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors ist es vorgesehen, dass dieser in einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug eingesetzt wird, welches dort zur Erzeugung von elektrischer Leistung dient. Das Brennstoffzellensystem kann dabei sowohl zur Erzeugung von elektrischer Leistung für Nebenverbraucher, beispielsweise neben einem verbrennungsmotorischen Hauptantrieb, sorgen. Es ist auch denkbar über das Brennstoffzellensystem die für den Antrieb des Fahrzeugs benötigte elektrische Leistung bereitzustellen. Insbesondere bei der Anwendung in Fahrzeugen ist es wichtig, dass diese auch bei entsprechend schlechten Bedingungen, wie beispielsweise Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, funktionsfähig und insbesondere startfähig sind. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors erlaubt es dabei, dass ein Einfrieren von Tröpfchen in den mit dampfförmiger und/oder flüssiger Flüssigkeit beladenen Gasströmen des Brennstoffzellensystems im Bereich des Drucksensors verhindert werden kann. Damit kann auch bei Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts und gegebenenfalls vorhandenen gefrorenen Tröpfchen in dem Gasstrom sicher und zuverlässig der Druckwert in dem Gasstrom erfasst werden. Dies dient dann dem sicheren und zuverlässigen Start eines solchen Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aufbaus ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
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1 einen Aufbau eines Drucksensors gemäß dem Stand der Technik;
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2 einen Drucksensor gemäß der Erfindung in einer Rohrleitung;
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3 eine vergrößerte Darstellung des Drucksensors gemäß 2;
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4 ein Brennstoffzellensystem in einer stark vereinfachten Darstellung; und
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5 ein stark schematisiert angedeutetes Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem gemäß 4.
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In der Darstellung der 1 ist ein Drucksensor 1 gemäß dem Stand der Technik zu erkennen. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem Druckaufnehmer 2 sowie einer Membran 3, welche zwischen dem Druckaufnehmer 2 und einem Medium 4, dessen Druck erfasst werden soll, angeordnet ist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Drucksensor ein die Membran 3 teilweise umgebendes Gehäuse 5 auf. Dieses Gehäuse 5 ist mit einem Schaft 6 versehen, welcher beispielsweise ein Gewinde aufweisen kann. Soll nun der Druck beispielsweise in einem Behälter oder dergleichen erfasst werden, so wird der mit dem Gewinde versehene Schaft 6 in eine entsprechende Öffnung des Behälters, welche typischerweise ebenfalls mit einem Gewinde versehen ist, eingeschraubt. Das Medium 4 gelangt dann vom Inneren dieses Behälters über die Bohrung 7 in dem Schaft 6 in das Innere des Gehäuses 5 und kann so auf die Membran 3 wirken. Der hinter der Membran angeordnete Druckaufnehmer 2 kann dann den Druck in dem Medium 4 erfassen. Typischerweise wird der von dem Druckaufnehmer 2 erfasste Wert dann über eine Elektronik 8 aufbereitet und kann über einen hier prinzipmäßig angedeuteten Stecker 9 an ein Bussystem, eine Überwachungselektronik oder dergleichen weitergegeben werden.
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Der Nachteil bei diesem Aufbau besteht nun darin, dass insbesondere die Bohrung 7 und der Bereich mit dem Medium 4 innerhalb des Gehäuses 5 entsprechend verschmutzen können und damit die zur Verfügung stehende Querschnittsfläche der Membran entsprechend beeinflussen. Dadurch werden die erfassten Druckwerte verfälscht. Kommt es zu einer Verschmutzung der Bohrung 7, sodass hier gegebenenfalls kein Medienaustausch mehr stattfinden kann, so wird der Drucksensor 1 nicht nur einen falschen, sondern gegebenenfalls auch gar keinen Wert mehr liefern. Die Verschmutzung ist in der Darstellung der 1 durch zwei Wassertropfen beziehungsweise zu Eis gefrorenen Wassertropfen 10 prinzipmäßig angedeutet. Wie erkennbar ist, führt ein solcher Aufbau also bei entsprechender Verschmutzung oder Eisbildung, zum Beispiel wenn es sich bei dem Medium 4 um einen mit dampfförmiger und/oder flüssiger Flüssigkeit beladenen Gasstrom handelt, sehr schnell zu einer Fehlfunktion des Drucksensors 1.
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In der Darstellung der 2 ist nun ein Aufbau zu erkennen, bei dem der Drucksensor 1 in einer alternativen Ausgestaltung dargestellt ist. Der Drucksensor 1 umfasst auch hier wieder eine Elektronik 8 sowie einen Druckaufnehmer 2 und kann über einen hier nicht dargestellten Stecker 9 analog dem Drucksensor 1 aus dem Stand der Technik angeschlossen werden. Das Gehäuse 5 des Drucksensors 1 sitzt in der Darstellung der 2 auf einer Rohrleitung 11 als medienführender Bereich. Die Membran 5 ist bei dem Aufbau gemäß 2 nicht innerhalb des Drucksensors 1 angeordnet, sondern ragt als tellerförmige Membran 3 in den Bereich der Rohrleitung 11.
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Wie aus der detaillierten Darstellung der 3 zu erkennen ist, ist es nun so, dass die tellerförmige Membran 3 in der Art einer hohlen Scheibe ausgebildet ist, sodass von den beiden großen Flächen beziehungsweise Flachseiten der tellerförmigen Scheibe der entsprechende Druck aufgenommen werden kann. Der Hohlraum der tellerförmigen Scheibe in der Membran 3 ist mit einer eingeschlossenen Flüssigkeit F, beispielsweise einem Öl oder einer anderen inkompressiblen Flüssigkeit, gefüllt. Diese inkompressible Flüssigkeit F befindet sich auch, mit der Flüssigkeit F in der tellerförmigen Membran 3 verbunden, in einem Leitungselement 12, welches durch den Schaft 6 des Drucksensors 1 verläuft. Über die inkompressible Flüssigkeit F wird der an der Membran 3 anliegende Druck in den Bereich des Druckaufnehmers 2 weitergeleitet und erfasst. Von dort wird der Wert in an sich bekannter Art über die Elektronik 8 und gegebenenfalls den Stecker 9 weitergeleitet. Der Aufbau hat den Vorteil, dass die Membran 3 offen im Bereich des Mediums 4 angeordnet ist, sodass keine Öffnungen oder dergleichen durch Verschmutzungen verstopfen und die Beaufschlagung der Membran 3 mit dem Medium 4 beeinträchtigen können. In der Darstellung der 3 sind wieder beispielhaft zwei Tröpfchen beziehungsweise gefrorene Tröpfchen 10 dargestellt. Diese werden insbesondere bei einem Medienstrom als Medium 4 von diesem mit fortgerissen und könnten so die Funktionalität des Drucksensors 1 und die Zugängigkeit der Membran 3 für das Medium 4 nicht nachteilig beeinflussen.
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In der Darstellung der 3 ist außerdem ein angedeuteter optionaler Temperatursensor 13 zu erkennen, welcher ebenfalls mit der Elektronik 8 in Verbindung steht. Durch den in dem Drucksensor 1 integrierten Temperatursensor 13 mit einem einzigen Sensor sowohl der Druck als auch die Temperatur in dem Medium 4 erfasst werden.
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Der in den 2 und 3 beispielhaft beschriebene Aufbau des Drucksensors 1 mit der tellerförmigen Membran 3, welche an dem Leitungselement 12 angeordnet ist und mit dem Druckaufnehmer 2 über die inkompressible eingeschlossene Flüssigkeit F in Verbindung steht, ist also insbesondere geeignet, um den Druck in Medienströmen 4 zu erfassen, in welchen herkömmliche Drucksensoren sehr leicht verschmutzen beziehungsweise in ihrer Funktionalität beeinträchtigt werden können. Dies sind insbesondere Medienströme, welche aus einem gasförmigen Grundmedium bestehen, in welchem beispielsweise Wasser in Form von Wasserdampf und Tröpfchen mitgeführt wird. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts oder auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen beispielsweise im Bereich des Drucksensors 1 kann es zu einer Auskondensation von dampfförmigem Wasser im Bereich des Drucksensors kommen und/oder es können sich Eispartikel aus den Wassertröpfchen bilden. Wie bereits erläutert, kann in einem solchen Gasstrom mit herkömmlich aufgebauten Drucksensoren 1 keine oder nur eine sehr unzuverlässige Messung des Druckwerts erreicht werden. Der in den 2 und 3 beschriebene Aufbau ermöglicht dagegen eine sichere und zuverlässige Erfassung des Druckwerts auch unter diesen schwierigen Bedingungen.
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Nun ist es so, dass in einem Brennstoffzellensystem 14, wie es in 4 dargestellt ist, in verschiedenen Bereichen befeuchtete Gasströme strömen. Zur Steuerung des Brennstoffzellensystems 14 ist es wichtig, die Drücke in dem Brennstoffzellensystem 14 sicher und zuverlässig zu erfassen, insbesondere um ungewollte Notabschaltungen des Brennstoffzellensystems 14 zu verhindern. In der Darstellung der 4 ist das Brennstoffzellensystem 14 nun beispielhaft gezeigt. Es besteht im Wesentlichen aus einer Brennstoffzelle 15, welche einen Anodenraum 16 und einen durch eine Membran 17 von diesem getrennten Kathodenraum 18 aufweist. Die Brennstoffzelle 15 soll hier beispielhaft als Stapel von einzelnen PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein. Der Brennstoffzelle 15 wird aus einem Druckspeicher 19 Wasserstoffgas zugeführt, welches über eine Ventileinrichtung 20 in den Bereich des Anodenraums 16 gelangt. Nicht verbrauchter Wasserstoff strömt in an sich bekannter Art und Weise aus dem Anodenraum 16 ab und wird über eine Rezirkulationsleitung 21 und ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse 22 zurückgeführt, um zusammen mit frischem Wasserstoff aus dem Druckspeicher 19 wieder dem Anodenbereich 16 zugeführt zu werden. Wie es ebenfalls aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist, reichert sich im Bereich der Rezirkulationsleitung 21 mit der Zeit Feuchtigkeit und inertes Gas an, welches durch die Membran 17 aus dem Kathodenbereich 18 in den Anodenbereich 16 gelangt. Über eine Ablassleitung 23 und ein Ventil 24 kann dieses Gas von Zeit zu Zeit abgelassen werden. Es kann beispielsweise einem Zuluftstrom zum Kathodenbereich 18 zugeführt werden. Der Kathodenbereich 18 wird mit Luft als sauerstoffhaltigem Medium versorgt, welche über eine Luftförderungseinrichtung 25 und eine Zuluftleitung 26 dem Kathodenbereich 18 zugeführt wird. Die mit dem in der Brennstoffzelle 15 entstehenden Produktwasser beladene Abluft aus dem Kathodenbereich 18 gelangt dann über eine Abluftleitung 27 in die Umgebung. Wie aus der Darstellung der 4 zu erkennen ist, verbindet ein Befeuchter 28 die Zuluftleitung 26 mit der Abluftleitung 27. Der Befeuchter 28 ist dabei als Gas-zu-Gas-Befeuchter ausgeführt und weist für Wasserdampf durchlässige Membranen auf. Auf der einen Seite der Membran strömt der trockene Zuluftstrom in der Zuluftleitung 26 nach der Luftfördereinrichtung 25 auf der anderen Seite der Membranen der sehr feuchte mit dem Produktwasser beladene Abluftstrom aus dem Kathodenbereich 18. Nun gelangt Wasserdampf durch die Membranen hindurch von dem feuchten Abluftstrom auf den trockenen und vergleichsweise warmen Zuluftstrom, sodass dieser entsprechend befeuchtet wird. Die befeuchteten Gasströme sind dabei für die Lebensdauer der Membranen 17 im Bereich der Brennstoffzelle 15 von entscheidendem Vorteil.
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Wie erläutert ist es nun so, dass zumindest im Bereich der Zuluftleitung 26 nach dem Befeuchter 28 und im Bereich der Abluftleitung 27 befeuchtete Gasströme strömen, deren Druckwerte zur Steuerung der Funktionalität des Brennstoffzellensystems 14 erfasst werden müssen.
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Vergleichbares gilt auch für den Bereich der Rezirkulationsleitung 21, in welcher sich ebenfalls ein Teil des Produktwassers, welcher im Anodenbereich 16 anfällt, sammelt. In 4 sind daher beispielhaft im Bereich dieser drei Leitungen drei Drucksensoren 1 dargestellt. Da es insbesondere beim Start des Brennstoffzellensystem 14, insbesondere wenn dieser aus sehr niedrigen Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts heraus erfolgt, im Bereich der Drucksensoren 1 zu einem Auskondensieren und/oder Gefrieren von Wasser kommen kann, sind die Drucksensoren 1 oder zumindest einer der in 4 dargestellten Drucksensoren 1 bevorzugt in der Art aufgebaut, wie in den 2 und 3 beschrieben.
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Dies gilt insbesondere, wenn das Brennstoffzellensystem 14 Teil eines Fahrzeugs 29 ist, wie in der Darstellung der 5 angedeutet. In 5 ist das prinzipmäßig angedeutete Fahrzeug 29 zu erkennen, welches über das Brennstoffzellensystem 14 die zu seinem Antrieb erforderliche elektrische Leistung erzeugt. Die elektrische Leistung gelangt von dem Brennstoffzellensystem 14, über hier prinzipmäßig angedeutete elektrische Leitungen 30, zu einer Leistungselektronik 31 und zu einem elektrischen Antriebsmotor 32, welcher die hier beispielhaft dargestellten Räder 34 des Fahrzeugs 29 antreibt. Über die Leistungselektronik 31 kann ein Teil der erzeugten elektrischen Leistung außerdem in den Bereich eines hier prinzipmäßig angedeuteten Bordnetzes 35 gelangen, um hier beispielsweise Nebenverbraucher in dem Fahrzeug 29 anzutreiben.
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Durch den Aufbau des Drucksensors 1 in der in den 2 und 3 beschriebenen Art wird hier letztlich die sichere und zuverlässige Funktionalität des Brennstoffzellensystems 14 unter allen Bedingungen, insbesondere auch bei einem Start aus Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts heraus sichergestellt, sodass das Fahrzeug 29 sicher, komfortabel und zuverlässig betrieben werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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