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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffkreislauf um einen Anodenraum einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine besonders bevorzugte Verwendung hierfür.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Häufig werden diese so betrieben, dass der einem Anodenraum der Brennstoffzelle zugeführte Brennstoff im Kreislauf um den Anodenraum geführt wird, um überschüssigen Brennstoff, welcher aus dem Anodenraum austritt, zusammen mit frischem Brennstoff wieder in den Anodenraum zurückzuführen. Ein solcher Brennstoffkreislauf ist beispielsweise aus der
WO 2008/052578 A1 bekannt. Der Brennstoffkreis beziehungsweise Brennstoffkreislauf besteht dabei im Wesentlichen aus einer Rezirkulationsleitung, welche den Ausgang des Anodenraums mit dem Eingang des Anodenraums verbindet, sowie typischerweise einer Rezirkulationsfordereinrichtung, welche im Bereich dieser Rezirkulationsleitung angeordnet ist. Außerdem umfasst ein solcher Brennstoffkreislauf eine Ablassleitung und ein Ablassventil, welche in der genannten WO-Schrift in Form eines Wasserabscheiders zum kombinierten Ablassen von Gas und Flüssigkeit ausgebildet ist.
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Um in einen solchen Brennstoffkreislauf nun den benötigten frischen Wasserstoff zum Betreiben der Brennstoffzelle dosieren zu können, ist gemäß dem allgemeinen Stand der Technik außerdem ein Dosierventil für frischen Brennstoff in die Rezirkulationsleitung vorhanden. Dieses Dosierventil für den frischen Brennstoff in die Rezirkulationsleitung ist dabei typischerweise als Düse mit Ventilsitz und Ventilkörper ausgebildet. Bei Systemen in der üblichen Leistungsklasse, wie sie beispielsweise für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden, weist dieses Dosierventil dabei einen sehr kleinen Durchmesser seines Ventilsitzes beziehungsweise seiner Dosieröffnung in der Größenordnung von ca. 3 mm auf. Die Problematik besteht nun darin, dass dieser Öffnungsquerschnitt durch einen einzelnen Wassertropfen, welcher nach dem Abschalten des Systems entweder vom Betrieb des Systems oder von Auskondensation herrührt, benetzt werden kann. Wird das System nun bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts abgestellt, dann kann dieser Tropfen einfrieren und eine Dosierung von Wasserstoff ist beim Wiederstart nicht oder nicht unmittelbar möglich.
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Eine aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannte naheliegende Lösung nutzt eine elektrische Beheizung für das Dosierventil. Dies ist energieintensiv und hinsichtlich der Leitungsführung und des benötigten Heizelements vergleichsweise aufwändig. Außerdem besteht das Problem, dass über eine elektrische Beheizung ein eingefrorenes Dosierventil zwar aufgetaut werden kann, dies jedoch nicht unmittelbar erfolgt, sodass der Start des Brennstoffzellensystems unter diesen Umständen lediglich zeitverzögert erfolgen kann.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese genannten Nachteile zu vermeiden und einen Brennstoffkreislauf anzugeben, welcher mit minimalem Energieaufwand und ohne die Erfordernis von elektrischen Zuleitungen in den Bereich des Dosierventils auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sicher und zuverlässig starten kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Brennstoffkreislauf mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffkreislauf ist es vorgesehen, dass zwischen dem Dosierventil und der Rezirkulationsleitung ein Leitungselement angeordnet ist, welches eine Leitungslänge aufweist, die wenigstens zweimal größer als der durchströmbare Durchmesser der Rezirkulationsleitung ist. Anders als beim Stand der Technik, in dem das Dosierventil unmittelbar in den durchströmbaren Querschnitt der Rezirkulationsleitung den frischen Brennstoff dosiert, ist es bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffkreislauf vorgesehen, dass ein Leitungselement zwischen dem Dosierventil und der Rezirkulationsleitung angeordnet ist, welches bewusst einen gewissen Abstand des Dosierventils gegenüber der Rezirkulationsleitung realisiert. Durch diesen Abstand wird ein Zusetzen beziehungsweise ein Benetzen des Dosierventils mit flüssigen Tröpfchen aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung während des Betriebs oder im Falle einer Auskondensation beim Abstellen der Brennstoffzelle sicher und zuverlässig vermieden.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Brennstoffzellenkreislaufs ist es ferner vorgesehen, dass die Leitungslänge mehr als fünfmal, vorzugsweise sogar mehr als zehnmal größer als der durchströmbare Durchmesser der Rezirkulationsleitung ist. Dieser besonders lange Abstand, welcher bei herkömmlichen Systemen mit einem Durchmesser der Rezirkulationsleitung von beispielweise 25–35 mm zu Leitungslängen von mehr als 100 mm führen kann, ist von besonderem Vorteil, da durch diese besonders lang ausgebildete Leitungslänge zwischen dem Dosierventil und der Rezirkulationsleitung das Eindringen von Flüssigkeit in den Bereich des Dosierventils noch sicherer verhindert werden kann. Eine besonders günstige Leitungslänge könnte beispielsweise bei ca. 400 mm liegen.
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In einer weiteren besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenkreislaufs ist es außerdem vorgesehen, dass das Leitungselement einen durchströmbaren Durchmesser von mehr als 5 mm aufweist. Es hat sich gezeigt, dass Leitungselemente ab einem durchströmbaren Durchmesser von etwa 5–7 mm durch einen einzelnen Tropfen typischerweise nicht mehr verstopft und im Falle des Gefrierens des Tropfens damit verschlossen werden können. Ein Durchmesser des Leitungselements von mehr als 5 mm stellt also zuverlässig sicher, dass die Wasserstoffdosierung auch beim Wiederstart des Systems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sicher und zuverlässig, ohne ein zuvor erforderliches Auftauen des Leitungselements beziehungsweise des Dosierventils möglich ist.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffkreislaufs ist es ferner vorgesehen, dass das Leitungselement wenigstens eine Richtungsumkehr für die Brennstoffströmung aufweist. Eine solche Richtungsumkehr verhindert ebenfalls das Eindringen von Feuchtigkeit bis in den Bereich des Dosierventils. Die Richtungsumkehr kann dabei beispielsweise durch eine mäanderförmige Ausgestaltung und/oder die Ausgestaltung eines Abschnitts des Leitungselements als Steigleitung realisiert werden. Eine solche Steigleitung, welche in Richtung der Schwerkraft bei einem bestimmungsgemäßen Einsatz nach oben verläuft, hat darüber hinaus den Vorteil, dass flüssiges Wasser, welches eventuell in den Bereich der Steigleitung eindringt, wieder zurück in den Bereich der Rezirkulationsleitung fließt und nicht in den Bereich des Dosierventils.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffkreislaufs kann es ferner vorgesehen sein, dass ein dem Dosierventil abgewandter Bereich des Leitungselement mit einem gekühlten oder nach dem Abstellen der Rezirkulationsfördereinrichtung sehr schnell abkühlenden Bauteil in wärmeleitender Verbindung steht. Ein solches nach dem Abstellen der Rezirkulationsfördereinrichtung und des Brennstoffzellensystems sehr schnell abkühlendes Bauteil kann beispielsweise ein nicht isoliertes Bauteil sein. Es kann als Kondensationsfalle dienen und durch die schnellere Abkühlung das in der Rezirkulationsleitung und eventuell in dem Leitungselement verbliebene Kondensat in diesem Bereich ziehen, in dem es dann auskondensiert. Wenn dieser Bereich ausreichend entfernt von dem Dosierventil angeordnet ist, kann so ein weiterer Beitrag zum Freihalten des Dosierventils von Feuchtigkeit, welche dann gegebenenfalls gefrieren kann, erreicht werden.
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Ergänzend oder alternativ hierzu ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass ein dem Dosierventil zugewandter Bereich des Leitungselements mit einem beheizten oder nach dem Abstellen der Rezirkulationsfördereinrichtung sehr schnell abkühlenden Bauteil in wärmeleitender Verbindung steht. Hierzu kann ein beheiztes, beispielsweise einen thermischen Kontakt mit der Abwärme der Brennstoffzelle stehendes Bauteil, mit dem Leitungselement im Bereich des Dosierventils in Verbindung steht. Dies führt dazu, dass in diesem Bereich das System vergleichsweise langsam abkühlt und eine Auskondensation in den anderen Bereichen stattfindet. Insbesondere in Kombination mit der oben genannten Ausgestaltung kann so eine sehr gezielte Auskondensation außerhalb des Leitungselements oder zumindest nicht in dem Bereich des Leitungselements, in dem das Dosierventil angeordnet ist, erzielt werden.
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Der erfindungsgemäße Brennstoffkreislauf eignet sich, wie bereits beschrieben worden ist, besonders gut für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen, welche unter widrigen Bedingungen betrieben werden und häufiger bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts gestartet werden müssen. Die bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffkreises liegt daher in einer Anwendung in mobilen Systemen, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem, welches zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug eingesetzt wird. Solche Fahrzeuge, und im Sinne der Erfindung sind Fahrzeuge sowohl als Fahrzeuge auf dem Land als auch auf dem Wasser zu verstehen, sind häufig unter widrigen Bedingungen unterwegs und müssen auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zuverlässig und schnell gestartet werden können. Dies gilt sowohl für Fahrzeuge im Individualverkehr als auch für logistische Transportmittel für Personen oder Güter, welche gleisgebunden oder schienenlos mit oder ohne Fahrzeugführer eingesetzt werden. Bei diesen speziellen Anwendungen in Fahrzeugen kann der erfindungsgemäße Brennstoffkreislauf seine besonderen Vorteile hinsichtlich einer schnellen, einfachen und effizienten Kaltstartfähigkeit zur Geltung bringen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffkreises und seiner Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels deutlich, welches unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung; und
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2 einen Teil eines Brennstoffkreislaufs gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein sehr stark schematisiertes Brennstoffzellensystem 1 angedeutet, welches in einem symbolisierten Fahrzeug F verbaut sein soll. Von dem Brennstoffzellensystem 1 sind lediglich die wesentlichen und die für die hierfür vorliegende Erfindung relevanten Bauteile dargestellt. Dies betrifft insbesondere eine Brennstoffzelle 2, welche als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein soll. Durch für Protonen durchlässige Membranen 3 wird in einer solchen Brennstoffzelle 2 ein Kathodenraum 4 von einem Anodenraum 5 getrennt. Dem Kathodenraum 4 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt, nicht verbrauchte Abluft wird zusammen mit Produktwasser wieder aus dem Kathodenraum 4 abgeführt. Weitere Peripheriebauteile in diesem Bereich, beispielsweise Befeuchter, Turbinen, Luftfilter, Ladeluftkühler und dergleichen sind allgemein bekannt und üblich. Zur Vereinfachung der Figuren wurden sie hier nicht dargestellt, können aber selbstverständlich vorhanden sein.
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Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 über ein Druckregelventil 8 und ein Dosierventil 9 zugeführt. Im Bereich des Anodenraums 5 nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt in eine Rezirkulationsleitung 10, welche den Ausgang des Anodenraums 5 mit dem Eingang des Anodenraums 5 verbindet. Im Bereich der Rezirkulationsleitung 10 findet sich eine Rezirkulationsfördereinrichtung 11, welche beispielsweise als Rezirkulationsgebläse ausgebildet sein kann. Außerdem findet sich im Bereich der Rezirkulationsleitung 10 ein Wasserabscheider 12 mit einem Ablassventil 13, welcher beispielsweise entsprechend des eingangs genannten Standes der Technik zum kombinierten Ablassen von Wasser und/oder Gas genutzt werden kann. Sinn und Zweck dieses auch als Brennstoffkreislauf 14 bezeichneten Aufbaus ist es nun, nicht verbrauchten Wasserstoff vom Ausgang des Anodenraums 5 in dessen Eingang zurückrufördern, um diesen so erneut dem elektrochemischen Umsatz in der Brennstoffzelle 2 zuzuführen. Da im Bereich der Brennstoffzelle 2 selbstverständlich auch Wasserstoff verbraucht wird, muss der zur Erzeugung der benötigten elektrischen Energie benötigte Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 7 über das Dosierventil 9 in den Bereich der Rezirkulationsleitung 10, und hier typischerweise in den Bereich zwischen der Rezirkulationsfördereinrichtung 11 und dem Eingang zum Anodenraum 5 zudosiert werden.
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Die aus dem Anodenraum 5 austretenden Abgase weisen neben Restwasserstoff typischerweise auch den Teil des Produktwassers der Brennstoffzelle 2 auf, welcher im Bereich des Anodenraums 5 entsteht. Außerdem können inerte Gase in dem in dem Brennstoffkreislauf 14 strömenden Mediengemisch vorhanden sein, da diese durch die Membranen 3 der Brennstoffzelle aus dem Kathodenraum 4 in den Anodenraum 5 diffundieren können. Das Eindosieren des frischen Wasserstoffs über das Dosierventil 9 ist nun während des regulären Betriebs unproblematisch. Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise des mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgerüsteten Fahrzeugs F kommt es typischerweise jedoch zu einem Abkühlen des Brennstoffzellensystems 1 und damit auch des Brennstoffkreislaufs 14. Im Bereich der Rezirkulationsleitung 10 befindliches flüssiges Wasser oder in diesem Bereich befindlicher Wasserdampf, welcher auskondensiert, kann dann in Form von Tröpfchen auftreten. Das Dosierventil 9 weist typischerweise einen Öffnungsdurchmesser seines Ventilsitzes von lediglich 3 mm oder weniger auf. Im System anfallende Wassertröpfchen könnten das Dosierventil 9 daher benetzen und im Falle eines späteren Einfrierens zusetzen. Bei einem Wiederstart bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts könnte dann kein Wasserstoff dosiert werden, und ein Systemstart wäre verzögert, bis das Dosierventil 9 wieder aufgetaut ist.
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Aus diesem Grund ist es in dem in 1 dargestellten Aufbau vorgesehen, dass ein Leitungselement 15 zwischen der Rezirkulationsleitung 10 und dem Dosierventil 9 vorgesehen ist. Dieses Leitungselement 15 positioniert das Dosierventil 9 in einen gewissen Abstand von der mit feuchtem Abgas durchströmten Rezirkulationsleitung und verhindert dadurch auf rein mechanischem/konstruktivem Weg, dass flüssige Tröpfchen in den Bereich des Dosierventils 9 gelangen und dieses bei einem Abfall der Temperaturen auf Werte unterhalb des Gefrierpunkts durch Eisbildung – in Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 – zusetzen können. Der Aufbau ist dabei einfach und effizient und benötigt keine elektrische Beheizung oder dergleichen. Er kann außerdem ohne Wartezeit, welche bei einer Beheizung zum Auftauen des Dosierventils 9 benötigt werden würde, entsprechend gestartet werden.
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Die Länge des Leitungselements 15 soll dabei mindestens das Doppelte des durchströmbaren Durchmessers der Rezirkulationsleitung 10, vorzugsweise das mehr als fünf- bis zehnfache des Durchmessers betragen. Eine solche lange Leitungslänge gewährleistet sicher und zuverlässig, dass kein Wasser bis in den Bereich des Dosierventils 9 vordringt und dieses bei einer eventuellen Eisbildung entsprechend blockieren kann.
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Eine mögliche besonders bevorzugte Ausführungsform der Anbindung des Dosierventils 9 an die Rezirkulationsleitung 10 ist in der – nicht maßstäblichen – Darstellung der 2 zu erkennen. Die Rezirkulationsleitung 10 ist dabei mit einem Durchmesser D dargestellt und soll entsprechend dem mit A bezeichneten Pfeil von dem Abgas aus dem Anodenraum 5 durchströmt werden. Das Dosierventil 9 ist über das Leitungselement 15 mit der Rezirkulationsleitung 10 verbunden. Das Leitungselement 15 weist einen Durchmesser d auf, welcher beispielsweise in der Größenordnung von 5 bis 7 mm liegt und dadurch von einzelnen Tropfen, im Falle ihres Gefrierens, nicht gänzlich verstopft werden kann.
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Auf die Mündung des Leitungselements 15 in die Rezirkulationsleitung 10 folgt ein erster Abschnitt 15.1 des Leitungselements 15. Dieser Abschnitt 15.1 verläuft beim bestimmungsgemäßen Gebrauch, wie er in der Darstellung der 2 dargestellt ist, in Richtung der Schwerkraft nach oben und kann auch als Steigleitung 15.1 bezeichnet werden. An diesen ersten Abschnitt 15.1 schließen sich dann zwei weitere Abschnitte des Leitungselements 15 an, welche mit 15.2 und 15.3 bezeichnet sind. Diese Abschnitte verlaufen in zwei unterschiedlichen Richtungen, sodass die in den Abschnitten 15.2 und 15.3 des Leitungselements 15 verlaufende Strömung wenigstens eine Richtungsumkehr erfährt. Die beiden in unterschiedlichen Richtungen verlaufenden Abschnitte 15.2 und 15.3 können dabei vorzugsweise gegenläufig ausgebildet sein, wie dies hier dargestellt ist, oder in einem beliebigen Winkel im Raum in der Größenordnung von 90–270° zueinander stehen. Ein weiterer sehr kurzer Abschnitt 15.4 schließt sich an den Abschnitt 15.3 an. In diesem Abschnitt 15.4 ist das Dosierventil 9 angeordnet. Die gesamte Lauflänge des Leitungselements 15 zwischen der Mündung in die Rezirkulationsleitung 10 und dem Dosierventil 9 ist dabei so gewählt, dass diese eine Gesamtlänge in der Größenordnung von mehr als fünf- bis zehnmal dem Durchmesser D der Rezirkulationsleitung 10 aufweist. Aufgrund der Länge, der Ausrichtung eines der Abschnitte 15.1 als Steigleitung und der Richtungsumkehr der Strömung zwischen den anderen Abschnitten 15.2, 15.3 und 15.4 wird erreicht, dass ein Eindringen von flüssigen Tröpfchen durch die gesamte Länge des Leitungselements 15 hindurch bis in den Bereich des Dosierventils 9 sicher und zuverlässig vermieden werden kann. Ein Zusetzen bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts und ein damit verbundenes Zufrieren des Dosierventils 9 kann so mit einfachen mechanischen Mitteln energieneutral verhindert werden.
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Nun ist es ferner denkbar, im Bereich des Leitungselements 15 wärmeleitende Elemente anzubringen, welche mit entsprechenden wärmespeichernden oder sich sehr schnell abkühlenden Elementen des Brennstoffzellensystems in Verbindung stehen. Der zugrundeliegende Mechanismus kann dabei so sein, dass Elemente, welche sehr schnell abkühlen, die noch warme und feuchte Luft anziehen, sodass Feuchtigkeit im Bereich dieser Elemente auskondensiert. Werden solche Elemente, welche beispielsweise nicht isoliert ausgeführt oder mit einem Kühlkreislauf zur Brennstoffzelle verbunden sind, nun wärmeleitend mit dem Abschnitt 15.1 des Leitungselements 1 verbunden, so kann erreicht werden, dass in diesem Bereich eine Auskondensation der Flüssigkeit auftritt und damit die Wahrscheinlichkeit einer Auskondensation im gegenüberliegenden Bereich des Leitungselements 15, also an dem Ende, an dem dieses mit dem Dosierventil 9 verbunden ist, minimiert werden kann. Ergänzend oder alternativ dazu wäre es selbstverständlich auch denkbar, beispielsweise den Abschnitt 15.4 im Bereich des Dosierventils 9 mit einem Bauelement zu verbinden, welches entsprechend gut isoliert ist und/oder sich aufgrund seiner vergleichsweise großen Masse beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 sehr langsam abkühlt, Dieses könnte dann ebenfalls durch eine höhere Temperatur und damit eine niedrigere Temperatur in den diesen Bereich umgebenden Bereichen für eine Auskondensation von Flüssigkeit außerhalb dieses Bereichs und damit weiter entfernt von dem Dosierventil 9 sorgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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