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Technisches Gebiet
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Das Gebiet, auf das sich diese Offenlegung allgemein bezieht, umfasst elektrochemische Brennstoffzellenstapel und zugehörige Hüllen.
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Hintergrund
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Ein elektrochemisches Brennstoffzellensystem umfasst typischerweise einen Stapel von einzelnen Brennstoffzellen, die Brennstoff und Oxidationsmittelreaktanden in nutzbare Elektrizität und ein Nebenprodukt, Wasser, umwandeln. Der Brennstoffzellenstapel umfasst üblicherweise eine Vorrichtung, um die Brennstoffzellen zusammenzudrücken, um einen guten Kontakt zwischen den Zellen, trotz des inneren Reaktandendrucks, der die Tendenz zeigt, die Zellen auseinander zu zwingen, aufrechtzuerhalten. Der Brennstoffzellenstapel ist allgemein zwischen einer oberen und einer unteren Endplatte und durch eine Stahlhülse, die den Stapel umgibt, abdichtend umschlossen. Die Hülse ist mit mehreren Befestigungselementen mit den Endplatten gekoppelt und mehrere Dichtungen und Dichtprofile sind zwischen der Hülse und den Endplatten angeordnet.
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Einige Stapelhüllen stellen jedoch unter Umständen nicht die gewünschte Isolierung gegen elektromagnetische Beeinflussung (EMB) und/oder eine Abdichtung gegen Umweltbedingungen bereit. Einige Stapelhüllen können auch kostspielige und/oder schwergewichtige Komponenten, viele Befestigungselemente und verschiedene Dichtungen gegen die Umgebung und EMB-Dichtprofile erfordern. Des Weiteren sind einige Stapelhüllen nicht in der Lage, die Stapelausdehnung und -kontraktion oder Bautoleranzen von Stapel zu Stapel auszugleichen.
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Zusammenfassung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung
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Eine beispielhafte Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer unteren Endplatte, einer oberen Endplatte, einem Stapel von Brennstoffzellen, der zwischen den Endplatten angeordnet ist, und zumindest eine flexible Hülle in abdichtendem Kontakt mit den Endplatten, welche den Brennstoffzellenstapel umschließt.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem mit einer oberen Endeinheit, die eine untere Endplatte, eine obere Endplatte und einen Stapel von Brennstoffzellen umfasst, der zwischen den Endplatten angeordnet ist. Die obere Endeinheit umfasst auch eine Zellenspannungsüberwachungsvorrichtung, die zwischen den Endplatten angeordnet ist, und eine einheitliche flexible Umwicklung, die in abdichtendem Kontakt mit den Endplatten steht und den Stapel und die Zellenspannungsüberwachungsvorrichtung umschließt. Das System umfasst ferner eine untere Endeinheit, die unterhalb der unteren Endeinheit angeordnet ist, und ein mehrteiliges starres Gehäuse, das die obere und die untere Endeinheit umschließt.
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Weitere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der hierin nachfolgend bereitgestellten detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sollte einzusehen sein, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, lediglich Illustrationszwecken dienen sollen und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, in denen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Brennstoffzellenvorrichtung ist, die eine flexible Hülle umfasst, die aufgebracht ist, um die Vorrichtung horizontal zu umhüllen;
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2 eine graphische perspektivische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Brennstoffzellenvorrichtung ist, die zwei flexible Hüllen umfasst, die aufgebracht sind, um die Vorrichtung vertikal zu umhüllen;
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3 eine fragmentarische seitliche Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems ist, das die von einer starren Hülle umgebene Brennstoffzellenvorrichtung von 1 umfasst;
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4 eine fragmentarische Endansicht des Brennstoffzellensystems von 3 ist, die eine gecrimpte Verbindung zwischen Teilen der starren Hülle veranschaulicht; und
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5 eine vergrößerte fragmentarische Darstellung des Kreises 5 von 3 ist; und
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Detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
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Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform/en ist lediglich beispielhaft (illustrativ) und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Verwendungen in keiner Weise einschränken.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Brennstoffzellenvorrichtung einen Stapel von Brennstoffzellen, der zwischen einer oberen und einer unteren Endplatte angeordnet ist, und zumindest eine flexible Hülle umfassen, die in abdichtendem Kontakt mit den Endplatten steht und den Brennstoffzellenstapel umschließt. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem die zuvor erwähnte Brennstoffzellenvorrichtung und eine starre Hülle, welche die Brennstoffzellenvorrichtung umschließt, umfassen. Im Allgemeinen kann die flexible Hülle dem Eindringen von Umweltbestandteilen widerstehen, während die starre Hülle die Übertragung von Wärme und/oder elektromagnetischer Beeinflussung dadurch einschränken kann.
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Gemäß einer Ausführungsform und unter Bezugnahme auf 1 kann eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine obere und eine untere Endplatte 12, 14 und einen Brennstoffzellenstapel 16, der zwischen den Endplatten 12, 14 angeordnet ist, umfassen. Der Brennstoffzellenstapel 16 kann eine obere und eine untere Isolatorplatte 18, 20, die vertikal benachbart zu den Endplatten 12, 14 angeordnet sein können, und eine obere und eine untere Stromabnehmerplatte 22, 24 umfassen, die vertikal benachbart zu den Isolatorplatten 18, 20 angeordnet sein können. Der Brennstoffzellenstapel 16 kann auch eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 26a–26n umfassen, die zwischen den Stromabnehmerplatten 22, 24 angeordnet sein können. Die Brennstoffzellen 26a–26n können von jedem beliebigen geeigneten Typ sein. Die Brennstoffzellen 26a–26n können z. B. Protonenaustauschmembran-Typen von Brennstoffzellen sein und können Membranelektrodenanordnungen umfassen, die durch eine oder mehrere bipolare Platten (nicht separat gezeigt) getrennt sind. Des Weiteren kann die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Zellenspannungsüberwachung (CVM, von cell voltage monitor) 28 umfassen, die horizontal benachbart zu dem Brennstoffzellenstapel 16 angeordnet sein kann. Die Platten 12–24, die Brennstoffzellen 26a–26n und die CVM 28 können Umfangsseiten, z. B. entlang der Querseiten 30 (nur eine gezeigt) und der Längsseiten 32 (nur eine gezeigt) der Vorrichtung 10, umfassen.
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Überdies kann die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine flexible Hülle 34 umfassen, um die Endplatten 12, 14 und den Brennstoffzellenstapel 16 zu umschließen. Die flexible Hülle 24 kann auch die CVM 28 umschließen. Wie in 1 gezeigt kann die Hülle 34 aus einem Folienrohmaterial sein, das, von einer Rolle abgerollt wird, falls erwünscht. Die flexible Hülle 34 kann ein/e nicht poröse/s Gewebe oder Folie von beliebiger geeigneter Form sein und kann eine Ausdehnung oder Kontraktion des Stapels 16 ausgleichen. Die Hülle 34 kann, falls gewünscht, in Kontakt mit den Seiten der Brennstoffzellen 16 stehen oder kann von diesen beabstandet sein. Wie hierin verwendet kann der Ausdruck „flexibel” eine Komponente umfassen, die schlaff oder allgemein nicht selbsttragend ist. Wie hierein verwendet bedeutet auch der Ausdruck „umschließen” nicht unbedingt eine vollständige Einkapselung oder Einfassung. Vielmehr wird Umschließen in seiner weitestgehenden Bedeutung verwendet und kann somit eine Abdeckung der Seiten des Stapels 16 umfassen. Die Hülle 34 kann jedoch auch die Vorrichtung 10 umgeben, um alle Quer- und Längsseiten 30, 32 zu bedecken. Die Hülle 34 bleibt während des Betriebes des Stapels 16 auf dem Stapel 16.
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Die flexible Hülle 34 kann allgemein dem Eindringen von Umweltbestandteilen in den Stapel 16 und/oder die CVM 28 hinein widerstehen. Umweltbestandteile können z. B. Staub, Schmutz, Wasser und/oder Ähnliches umfassen. Dennoch können abgedichtete oder nicht abgedichtete Öffnungen in der Hülle 34 vorgesehen sein, um das Eindringen oder Austreten von z. B. Kabeln, Laschen, Kanälen und/oder Ähnlichem zu berücksichtigen.
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In einem ersten Beispiel und unter Bezugnahme auf 1 kann die Hülle 34 eine Umwicklung umfassen, die horizontal um den Stapel 16 und die CVM 28 gewickelt sein kann. Die Umwicklungshülle 34 kann obere und untere Abschnitte 34a, 34b umfassen, um sie abdichtend an entsprechenden Seiten der Endplatten 12, 14 anzubringen. Im Allgemeinen kann die Umwicklung auf jede beliebige Art an den Endplatten 12, 14 befestigt sein. Die Umwicklung kann z. B. an die Endplatten 12, 14 geklebt sein. In einem anderen Fall kann die Umwicklung auf einer Seite davon einen Haftkleber umfassen, der an den Endplatten 12, 14 haftet und kann auch an den Kanten der Brennstoffzellen 26a–26n und an den Seiten der CVM 28 haften, falls erwünscht.
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2 veranschaulicht eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Brennstoffzellenvorrichtung 110. Diese Ausführungsform ist der Ausführungsform von 1 in vielerlei Hinsicht ähnlich und gleiche Bezugsziffern in den Ausführungsformen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungsfig. bezeichnen durchweg gleiche oder entsprechende Elemente. Darüber hinaus sind die Beschreibungen der Ausführungsformen durch Bezugnahme ineinander aufgenommen und der gemeinsame Gegenstand wird hier allgemein möglicherweise nicht wiederholt.
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Unter Bezugnahme auf 2 kann/können eine oder mehrere flexible Hülle/n 134a, 134b vertikal um die Endplatten 12, 14 und den Brennstoffzellenstapel 16 herum gewickelt sein. Zum Beispiel kann die flexible Hülle 134a eine Umwicklung umfassen, die in einer vertikalen Richtung um die Vorrichtung 110 herum gewickelt sein kann und abdichtend an den Stirnflächen und Querseiten der Endplatten 12, 14 befestigt sein kann. in einem weiteren Beispiel kann die flexible Hülle 134b eine Umwicklung umfassen, die in einer anderen vertikalen Richtung um die Vorrichtung 110 herum gewickelt sein kann und abdichtend an den Stirnflächen und den Längsseiten der Endplatten 12, 14 befestigt sein kann in einem zusätzlichen Beispiel können beide flexiblen Hüllen 134a, 134b, eine über der anderen, auf der Vorrichtung 110 aufgebracht sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die flexiblen Hüllen 34, 134a, 134b anstelle von Umwicklungen eine oder mehrere in Umfangsrichtung kontinuierliche Hülsen (nicht gezeigt) umfassen, die über den Endplatten 12, 14 und dem Brennstoffzellenstapel 16 und der CVM 28 angeordnet sind. Eine Hülse kann z. B. vertikal über die Endplatten 12, 14 und den Brennstoffzellenstapel 16 und die CVM 28 geschoben oder gespannt sein, wobei sich die Hülse um den Umfang in einer horizontalen Richtung in Übereinstimmung mit 1 erstreckt. Obere und untere Abschnitte der Hülse können an entsprechenden Quer- und Längsseiten der Endplatten 12, 14 angebracht sein. In einem weiteren Beispiel kann eine Hülse horizontal in einer Längsrichtung über die Endplatten 12, 14 und den Brennstoffzellenstapel 16 und die CVM 28 geschoben oder gespannt sein, wobei sich die Hülse um den Umfang herum in einer vertikalen Richtung in Übereinstimmung mit 2 erstreckt. In einem weiteren Beispiel kann eine Hülse horizontal in einer Querrichtung über die Endplatten 12, 14 und den Brennstoffzellenstapel 16 und die CVM 28 geschoben oder gespannt sein, wobei sich die Hülse um den Umfang herum in einer vertikalen Richtung in Übereinstimmung mit 2 erstreckt.
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Die Hülse/n kann/können stranggepresst oder auf eine beliebige andere geeignete Weise gebildet sein. Im Allgemeinen kann/können die Hülse/n in einer beliebigen geeigneten Weise an den Endplatten 12, 14 haften. Zum Beispiel kann/können die Hülse/n an die Endplatten 12, 14 geklebt sein. In einem weiteren Beispiel kann/können die Hülse/n einen Haftkleber auf einer Seite davon umfassen, der an den Endplatten 12, 14 zum Haften gebracht wird und auch an den Kanten der Brennstoffzellen und den Seiten der CVM 28 zum Haften gebracht werden kann, falls erwünscht.
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In einer noch weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung 10 zumindest eine der vertikal gewickelten flexiblen Hüllen 134a, 134b von 2 und die horizontal gewickelte flexible Hülle 34 von 1 umfassen. Zum Beispiel können die Folien- oder Hülsenhüllen 134a, 134b von 2 aufgebracht werden, um die Endplatten 12, 14, den Stapel 16 und die CVM 28 vertikal zu umschließen, und dann können die Folien- oder Hülsenhüllen 34 von 1 horizontal über den vertikal verlaufenden Hüllen 134a, 134b aufgebracht werden. In einem weiteren Beispiel kann die Folien- oder Hülsenhülle 34 von 1 horizontal auf den Endplatten 12, 14, dem Stapel 16 und der CVM 28 aufgebracht werden, und dann können die Folien- oder Hülsenhüllen 134a, 134b von 2 vertikal über der horizontal verlaufenden Hülle 34 aufgebracht werden.
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Die Hülle/n 34, 134a, 134b kann/können auf eine beliebige geeignete Weise mit dem Rest der Vorrichtung 10, 110 zusammengebaut werden. Zum Beispiel kann/können die Hülle/n 34, 134a, 134b aufgebracht werden, bevor der Stapel 16 zusammengepresst wird, so dass in der Hülle ein Durchhang vorhanden ist, nachdem der Stapel 16 zusammengepresst wurde. Demzufolge kann/können die Hülle/n 34, 134a, 134b straff werden, wenn der Stapel 16 mit Druck beaufschlagt wird, und schlaff werden, wenn der Stapel 16 nicht mit Druck beaufschlagt ist. In einem weiteren Beispiel kann/können die Hülle/n 34, 134a, 134b aufgebracht werden, nachdem der Stapel 16 zusammengepresst wurde, sodass sich die Hülle/n 34, 134a, 134b in einem Ruhezustand befindet/n, der weder besonders straff noch schlaff ist. In beiden zuvor erwähnten Beispielen kann/können sich die Hülle/n 34, 134a, 134b einer Ausdehnung oder Kontraktion anpassen. Das Material der Hülle/n 34, 134a, 134b kann auch derart gewählt sein, dass die Hülle/n 34, 134a, 134b sich dehnt/en, wenn der Stapel 16 mit Druck beaufschlagt wird, und derart, dass die Hülle/n 34, 134a, 134b nach einer Stapeldruckentlastung in ihren Ruhezustand zurückkehrt/en.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf 3 kann ein Brennstoffzellensystem 200 eine obere Endeinheit in der Form der Vorrichtung 10 umfassen, wie in 1 gezeigt. Wenngleich nicht gezeigt, kann das System 200 stattdessen eine obere Endeinheit in der Form der Vorrichtung 110 von 2 umfassen oder kann eine Kombination aus beiden Vorrichtungen 10, 110 umfassen. Das System 200 kann auch eine untere Endeinheit 40 umfassen, die zwischen den den Vorrichtung/en 10, 110 angeordnet ist. Die untere Endeinheit 40 kann jegliche Komponenten, Vorrichtungen oder dergleichen zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem umfassen. Zum Beispiel kann die untere Endeinheit 40 eine oder mehrere Pumpen, Ventile, Gebläse, Verdichter, Befeuchter, Reformer, Wasserdampfübertragungseinheiten, Wärmetauscher, Apparaturen oder dergleichen umfassen. Das System 200 kann ferner eine starre Hülle 50 umfassen, die die Vorrichtung 10 umschließt und die auch die untere Endeinheit 40 umschließen kann. Gemäß einer Ausführungsform kann die starre Hülle 50 die Vorrichtung 10 vollständig umgeben oder einkapseln. Wie hierin verwendet kann der Ausdruck „starr” eine allgemein selbsttragende Struktur umfassen.
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Die starre Hülle 50 kann von dem Brennstoffzellenstapel beabstandet sein und kann der Übertragung von Wärme und/oder EMB durch die Hülle 50 hindurch widerstehen oder sie begrenzen, während die flexible Hülle 34 dem Eintreten von Umweltbestandteilen in den Brennstoffzellenstapel widersteht. Die starre Hülle 50 kann aus mehreren Abschnitten aufgebaut sein, die zusammengecrimpt sind. Zum Beispiel, wie in 5 gezeigt, kann die starre Hülle 50 erste und zweite Abschnitte 52, 54 umfassen, die durch eine Crimpverbindung 56 zusammengefügt sein können, welche sich um die Hülle 50 herum erstreckt. Die Crimpverbindung 56 kann sich vertikal um die Hülle 50 herum in einer Richtung wie in den 3 und 4 gezeigt erstrecken oder sie kann sich vertikal um die Hülle 50 herum in einer anderen Richtung erstrecken oder sie kann sich horizontal um die Hülle 50 herum erstrecken.
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Unter Bezugnahme auf 5 kann die starre Hülle 50 eine beliebige geeignete Menge und Art/en von Schicht/en und Material/ien umfassen. Zum Beispiel kann die Hülle 50 eine erste Schicht 58, die eine Metallfolie umfassen kann, und eine zweite Schicht 60 umfassen, die ein Isoliermaterial umfassen kann. Im Spezielleren kann die Metallfolie eine Aluminiumfolie sein und das Isoliermaterial kann eine Verstärkung für die Folie sein, die neue oder recycelte Glasfasern, Kunststoff, ein faserartiges Material oder dergleichen umfassen kann. Zum Beispiel kann ein beispielhaftes faserartiges Material ein Baumwollfasermaterial umfassen, das auf Grund seiner guten thermischen Isolierung und Lärm- und Schwingungsreduktion gewählt ist.
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Unter Bezugnahme auf 3 kann das Brennstoffzellensystem 200 gewartet werden. Zum Beispiel kann ein beliebiges geeignetes Werkzeug verwendet werden, um die Crimpverbindung 56 zu lösen, und die starren Hüllenabschnitte 52, 54 können getrennt werden, um Zugang zu dem restlichen System 200 zu erlangen. Sobald die starre Hülle 50 entfernt ist, können Verunreinigungen wie Staub, Schmutz, Wasser oder andere Schmutzstoffe von der abdichtend umschlossenen Vorrichtung 10 weggewaschen werden. Demgemäß kann die Vorrichtung 10 derart gesäubert werden, dass die abgedichtete Vorrichtung 10 geeignet ist, in einer Reinraumumgebung weiter zerlegt zu werden. Die flexible Hülle kann von der restlichen Vorrichtung 10 weggeschnitten und/oder abgeschält werden. Die starre und flexible Hülle 34, 50 sind nicht unbedingt für eine Wiederverwendung vorgesehen und können daher wegwerfbare Komponenten sein.
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Es können verschiedene Schnittstellen durch eine oder beide der Endplatten 12, 14 hindurch geleitet sein. Zum Beispiel können ein/e Hochspannungsleistungsverbinder oder -schnittstelle 62 und ein/e CVM-Verbinder oder -Schnittstelle 64 durch die untere Endplatte 14 hindurch angeordnet sein. Traditionellerweise treten solche Verbindungen aus einem Brennstoffzellenstapel zwischen den Stapelendplatten aus und erstrecken sich durch dünne Blechhüllen hindurch, die den Stapel umgeben. Gemäß der vorliegenden Offenlegung müssen solche Durchbrechungen jedoch nicht in der Hülle 34 vorgesehen sein, um dadurch die Dichtung des Stapels 10 und der Endplatten 12, 14 durch die Hülle 34 zu vereinfachen und zu verbessern.
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Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist rein beispielhafter Natur und Abwandlungen davon sind daher nicht als Abweichung von dem Geist und Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
