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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Solche Verfahren dienen dabei vor allem zum Vorbereiten des späteren Wiederstarts des Brennstoffzellensystems. Insbesondere Brennstoffzellensysteme mit Brennstoffzellen in PEM-Brennstoffzellentechnologie sind hinsichtlich des Wiederstarts häufig kritisch. Dies gilt insbesondere wenn der Wiederstart bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erfolgt, da in diesen Situationen die Brennstoffzellensysteme ganz oder in relevanten Teilen durch flüssiges in der Brennstoffzelle verbliebenes Produktwasser eingefroren sein können. In diesem Fall können einzelne Komponenten in ihrer Funktionalität durch das Eis beeinträchtigt sein, sodass ein Wiederstart nicht oder nur sehr langsam möglich ist. Um dieser Problematik vorzubeugen ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, beim Abstellen eines Brennstoffzellensystems eine Abschaltprozedur zu durchfahren. Diese Abschaltprozedur sorgt einerseits dafür, dass Restwasserstoff aufgebraucht wird und nicht an die Umgebung gelangen kann, und sorgt insbesondere dafür, dass das Brennstoffzellensystem nach dem Abschalten in einem vergleichsweise trockenen Zustand ist. In einer solchen Abschaltprozedur wird eine Luftfördereinrichtung der Brennstoffzelle, welche diese im regulären Betrieb mit Luftsauerstoff als Edukt versorgt, zumindest kurzzeitig betrieben. Der dadurch entstehende Luftstrom trocknet die Brennstoffzelle und ihre Komponenten und/oder bläst verbliebene Feuchtigkeit und flüssiges Wasser aus den kritischen Bereichen aus. Dieses Spülen/Trocknen eines Brennstoffzellensystems ist allgemein bekannt und üblich. Es hat dabei den entscheidenden Nachteil, dass es Energie benötigt. Diese kommt typischerweise aus einer Hochspannungsbatterie des Brennstoffzellensystems, welche auf eine vergleichbare Spannung ausgelegt ist, wie die Brennstoffzelle selbst. Diese Hochspannungs- oder Hochvoltbatterie, welche auch zur Hybridisierung der Brennstoffzelle und zur Einspeicherung von regenerativer Bremsenergie genutzt werden kann, ist dabei entsprechend aufwändig und teuer und muss für den beschriebenen Fall beim Abstellen des Brennstoffzellensystems noch eine vergleichsweise hohe Restladung aufweisen, um das Trocknen/Spülen des Brennstoffzellensystems beim Abstellen mittels der Luftfördereinrichtung des Brennstoffzellensystems realisieren zu können.
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Aus dem Stand der Technik in Form der
DE 10 2005 007 077 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, welches zwei getrennte Luftfördereinrichtungen aufweist. Eine der Luftfördereinrichtungen ist dabei über einen Hochspannungsmotor angetrieben, die andere hierzu parallel angeordnete Luftfördereinrichtung ist über einen Niederspannungsmotor angetrieben. Die besagte Schrift beschreibt neben diesem Aufbau des Brennstoffzellensystems außerdem ein Verfahren zum Starten eines solchen Brennstoffzellensystems, welches unter Verzicht auf die Hochvoltbatterie über die von dem Niederspannungsmotor angetriebene Luftfördereinrichtung gestartet werden kann.
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Aus der
DE 10 2005 049 846 A1 ist außerdem der Aufbau eines Brennstoffzellensystems bekannt, welcher mit einer einzigen Luftfördereinrichtung auskommt. Diese ist ebenfalls elektromotorisch angetrieben. Über eine entsprechende Elektronik ist es möglich, die Luftfördereinrichtung dabei einmal aus der Hochvoltbatterie oder mit der Hochspannung der Brennstoffzelle selbst anzutreiben. Andererseits lässt die Elektronik auch den Antrieb der Luftfördereinrichtung mit Niederspannung zu. Im Rahmen dieser Anmeldung ist es auch beschrieben, dass eine solche über Niederspannung angetriebene Luftfördereinrichtung beim Abstellen des Brennstoffzellensystems zum Spülen desselben verwendet werden kann.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein verbessertes Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird dieses Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowie eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun so, dass die Luft zum Spülen/Trocknen des Brennstoffzellensystems durch eine von einem Niederspannungsmotor angetriebene Luftfördereinrichtung gefördert wird. Dieser Antrieb über eine mit Niederspannung betriebene Luftfördereinrichtung ermöglicht den Verzicht auf eine Hochvoltbatterie beziehungsweise benötigt diese beim Spülen/Trocknen des Brennstoffzellensystems nicht. Dadurch entsteht ein sehr einfacher Aufbau, welcher energieeffizient ein sicheres und zuverlässiges Abstellen des Brennstoffzellensystems mit einem Spülen/Trocknen ermöglicht. Damit ist ein sicherer und zuverlässiger Wiederstart, auch unter widrigen Bedingungen, wie beispielsweise Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, möglich.
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Neben der Luftfördereinrichtung mit dem Niederspannungsmotor ist in Reihe oder parallel dazu eine reguläre Luftfördereinrichtung für den Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems vorgesehen. Diese arbeitet mit einem Hochspannungsmotor in an sich bekannter Art und Weise. Die mit dem Niederspannungsmotor angetriebene Luftfördereinrichtung wird so vorzugsweise für den Spezialfall der erfindungsgemäßen Verfahrensführung, sowie gegebenenfalls für den Start des Brennstoffzellensystems eingesetzt.
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Eine besonders günstige und vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dabei vor, dass die Luftfördereinrichtung mit dem Niederspannungsmotor parallel zu der Luftfördereinrichtung mit einem Hochspannungsmotor für die reguläre Luftversorgung des Brennstoffzellensystems angeordnet wird. Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft, da die beiden Luftfördereinrichtungen parallel zueinander angeordnet werden. Sie beeinflussen sich dabei nicht, sodass man bei der Wahl der Technologie der Luftfördereinrichtungen sehr frei ist und parallel einmal die eine, einmal die andere und, um Leistungsspitzen abzudecken, auch beide der Luftfördereinrichtungen parallel betreiben kann.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dagegen vorgesehen, dass die Luftfördereinrichtung mit dem Niederspannungsmotor in Reihe zu einer Luftfördereinrichtung mit einem Hochspannungsmotor für die reguläre Luftversorgung des Brennstoffzellensystems angeordnet wird. Eine solche Reihenschaltung der Luftfördereinrichtungen ist besonders einfach und effizient, da diese hinsichtlich der Ventile und der Verrohrungen einfach realisiert werden kann. Sie erfordert dann jedoch einen Bautyp der Luftfördereinrichtungen, welcher ein Überströmen ermöglicht. Die Luftfördereinrichtungen können als Strömungsverdichter oder Seitenkanalverdichter ausgebildet sein. Da bei Brennstoffzellensystemen häufig ohnehin Strömungsverdichter in einem elektrischen Turbolader als Luftfördereinrichtung eingesetzt werden, stellt dies jedoch keinen nennenswerten Nachteil dar. Durch die Einsparung der Verrohrung oder eines eventuellen zweiten Luftfilters und der benötigten Rückschlagventile bei der parallelen Verschaltung ist der Aufbau entsprechend einfacher, kleiner, leichter und typischerweise auch kostengünstiger.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Luftfördereinrichtung mit dem Niederspannungsmotor in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur beim und/oder nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems gestartet wird. Ein solches Starten der Luftfördereinrichtung mit dem Niederspannungsmotor zum Spülen/Trocknen von zumindest Teilen des Brennstoffzellensystems ist dabei hinsichtlich der Lebensdauer der Brennstoffzelle von entscheidendem Vorteil Das Spülen/Trocknen des Brennstoffzellensystems, welches unweigerlich die Membranen austrocknet und damit in ihrer Lebensdauer belastet, muss so immer nur dann erfolgen, wenn dies aufgrund der Umgebungstemperatur zwingend notwendig ist. Dies kann einerseits bereits beim Abstellen des Brennstoffzellensystems immer dann erfolgen, wenn die Umgebungstemperatur in diesen Situationen bereits entsprechend niedrig ist. Insbesondere kann es jedoch erst nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems erfolgen, wenn die Umgebungstemperatur einen bestimmten Grenzwert von beispielsweise ca. 3°C unterschreitet und damit ein weiteres Absinken der Temperaturen zu befürchten ist. In diesem Fall wird das Brennstoffzellensystem dann aufgeweckt und durch einen Start der Luftfördereinrichtung mit dem Niederspannungsmotor gespült beziehungsweise getrocknet. Neben der Schonung der Brennstoffzelle und damit einer Verbesserung der Lebensdauer der Brennstoffzelle wird außerdem ein sehr energieeffizientes System erreicht, sodass bei hohen Umgebungstemperaturen auf den energiebenötigten Vorgang des Spülens/Trocknens gänzlich verzichtet werden kann Insbesondere bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem das Spülen/Trocknen über eine Luftfördereinrichtung mit Niederspannungsmotor umgesetzt wird, ist dies auch hinsichtlich der Sicherheit von hoher Relevanz. Das Spülen/Trocknen kann in diesem Fall auch erfolgen, wenn das Brennstoffzellensystem ohne Aufsicht ist, beispielsweise wenn es in einem Fahrzeug eingesetzt wird und das Fahrzeug auf einem Parkplatz abgestellt ist. Wenn die Temperaturen dann unter den kritischen Grenzwert sinken, wird das Brennstoffzellensystem aufgeweckt und die Luftfördereinrichtung mit dem Niederspannungsmotor wird zum Trocknen/Spülen gestartet. In dieser Situation, bei unbeaufsichtigtem System, ist es hinsichtlich der Sicherheit ein entscheidender Vorteil, dass hier nur ein Niederspannungsmotor mit z. B. 12 V Gleichstrom angetrieben wird und kein Hochspannungsmotor mit Gleichstrom von mehr als 60 V, welcher für Personen potenziell gefährlich wäre. Das unbeaufsichtigte System, bei dem nicht sicher und zuverlässig ausgeschlossen werden kann, dass eine Person mit den spannungsführenden Teilen in Kontakt gerät, ist so sehr viel sicherer.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems spielt insbesondere dann eine Rolle, wenn ein Brennstoffzellensystem häufig abgestellt und wieder gestartet wird. Dies ist insbesondere bei Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen der Fall. Daher liegt die besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug. Eine besonders bevorzugte Verwendung betrifft dabei die Nutzung des Verfahrens zum Vorbereiten des Wiederstarts des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug, in welchem das Brennstoffzellensystem die zum Antrieb des Fahrzeugs benötigte Leistung bereitstellt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie seiner Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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Dabei zeigen:
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1 einen prinzipmäßig angedeuteten Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug; und
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2 eine alternative Ausgestaltung des Ausschnitts des Brennstoffzellensystems gemäß 1.
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem für die Erfindung relevanten Ausschnitt dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 soll dabei in einem angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet sein. Es soll dort die zum Vortrieb des Fahrzeugs 2 benötigte elektrische Leistung liefern. Der dargestellte Ausschnitt des Brennstoffzellensystems 1 umfasst im Wesentlichen die Brennstoffzelle 3 sowie eine Luftversorgungseinrichtung 4 für die Brennstoffzelle. Über die Luftversorgungseinrichtung 4, welche später noch näher beschrieben wird, wird einem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Einem Anodenraum 6 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas als Edukt zugeführt. Da dies für die Erfindung nicht weiter relevant ist, ist dies in der Darstellung der 1 lediglich angedeutet.
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Die Luftversorgungseinrichtung 4 gemäß 1 umfasst zwei parallel zueinander angeordnete Luftfördereinrichtungen 7, 8, welche jeweils von einem Elektromotor 9, 10 angetrieben werden. Nun ist es so, dass in einem Brennstoffzellensystem 1 typischerweise das Spannungsniveau, mit welchem die Brennstoffzelle 3 ihre Leistung bereitstellt, in dem System vorherrscht. Dieses Spannungsniveau liegt typischerweise in der Größenordnung von 100 bis 500 V Gleichspannung und wird nachfolgend als Hochspannung (HV) bezeichnet. Parallel dazu gibt es für die Bordelektronik des Fahrzeugs 2 typischerweise ein zweites elektrisches Netz, welches im Allgemeinen als Niederspannungs(NV)-netz ausgebildet ist. Ein solches Niederspannungsnetz ist typischerweise auf der Basis von 12 oder 24 V ausgebildet. Auch ein Spannungsniveau von 2 V ist denkbar. Wie bei Fahrzeugen üblich verfügt es typischerweise auch über eine NV-Batterie. Diese beiden Spannungsnetze des Fahrzeugs 2 sind durch die beiden mit 11 und 12 bezeichneten Boxen mit der Beschriftung HV und NV prinzipmäßig angedeutet. Nun ist es so, dass die Luftfördereinrichtung 7 von dem elektrischen Motor 9 angetrieben wird. Dieser ist als Hochspannungsmotor 9 ausgebildet und steht mit dem Hochspannungsnetz 11 in Verbindung. Die Luftfördereinrichtung 7 und der Hochspannungsmotor 9 sind zur Verdeutlichung dieses Sachverhalts in der Darstellung der 1 etwas größer dargestellt, als die Luftfördereinrichtung 8 und der elektrische Motor 10 der Luftfördereinrichtung 8, welcher als Niederspannungsmotor 10 ausgebildet sein soll. Er steht dementsprechend mit dem Niederspannungsnetz 12 in der hier angedeuteten elektrischen Verbindung.
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Im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird die Brennstoffzelle 3 beziehungsweise ihr Kathodenraum 5 über die Luftfördereinrichtung 7 mit Luft versorgt. Typischerweise dient dazu die von der Brennstoffzelle 3 selbst erzeugte elektrische Leistung in dem Hochspannungsnetz 11 des Fahrzeugs. Um ein Abströmen der geförderten Luft nach der Luftfördereinrichtung 7 in Richtung der Luftfördereinrichtung 8 zu verhindern, ist ein erstes Rückschlagventil 13 in Strömungsrichtung nach der zweiten Luftfördereinrichtung 8 vorgesehen. Wenn das Brennstoffzellensystem 1 in dem Fahrzeug 2 nun abgestellt werden soll, dann müssen verschiedene Routinen beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 durchlaufen werden. Eine dieser Routinen ist dabei ein Durchspülen zumindest der Brennstoffzelle 3 selbst mit einem Gas, vorzugsweise verdichteter Luft, um Feuchtigkeit und Wasser auszutragen und die Brennstoffzelle 3 soweit zu trocknen, dass ein Wiederstart auch unter Gefrierbedingungen möglich ist. Dieses Spülen/Trocknen kann dabei unmittelbar beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 erfolgen. Insbesondere soll es jedoch über einen Temperatursensor 14 und ein Steuergerät 15 initiiert erfolgen. Wenn die Temperatur beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 bereits unter einem vorgegebenen Temperaturgrenzwert liegt, dann erfolgt das Spülen/Trocknen unmittelbar. Wenn nicht, wird auf das Spülen/Trocknen verzichtet. Erst wenn die Temperatur unter den vorgegebenen Temperaturgrenzwert im Bereich des Temperatursensors 14 absinkt, wird das Steuergerät 15 das Brennstoffzellensystem 1 aufwecken und das Spülen/Trocknen veranlassen. Wenn die Temperatur bis zum nächsten Wiederstart nicht unter den vorgegebenen Temperaturgrenzwert absinkt, unterbleibt dieses Prozedere gänzlich.
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Ist die Temperatur im Bereich des Temperatursensors 14 nun bereits beim Abstellen unter dem Grenzwert oder fällt diese während des Stillstands unter den Grenzwert, dann wird das Steuergerät 15 die Luftfördereinrichtung 8 beziehungsweise den Niederspannungsmotor 10 der Luftfördereinrichtung 8 entsprechend starten. Dadurch wird Luft zu der Brennstoffzelle 3 gefördert. Damit die geförderte Luft nicht in Richtung der Luftfördereinrichtung 7 abströmt, ist hier ein weiteres Rückschlagventil 16 in Strömungsrichtung nach der Luftfördereinrichtung 7 vorgesehen. Die über die Luftfördereinrichtung 8 mit dem Niederspannungsmotor 10 geförderte Luft kann dann die Brennstoffelle 3 und hier direkt den Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 durchspülen und Feuchtigkeit und Wasser austragen beziehungsweise die Brennstoffzelle 3 trocknen. Bei Bedarf kann eine hier angedeutete Ventileinrichtung 17 zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite, welche hier beispielhaft in Strömungsrichtung vor der Brennstoffzelle 3 dargestellt ist, prinzipmäßig aber auch dahinter angeordnet sein kann, entsprechend geöffnet werden. Dadurch kann auch der Anodenraum 6 der Brennstoffzelle 3 von der durch die Luftfördereinrichtung 8 mit dem Niederspannungsmotor 10 geförderten Luft durchspült und/oder getrocknet werden.
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Der Aufbau hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass er für das Spülen/Trocknen der Brennstoffzelle 3 lediglich die Niederspannung benötigt und somit auf eine Hochvoltbatterie in der Brennstoffzelle 1 prinzipiell verzichtet werden kann. Zur Speicherung von rekuperativer Bremsenergie kann dann beispielsweise auf Kondensatoren zurückgegriffen werden, welche bei kurzfristigen Leistungsspitzen sehr viel effizienter sind, für eine langfristige Speicherung der Energie jedoch weniger geeignet sind. Der Aufbau wird dadurch einfacher und effizienter. Außerdem kann mit dem Spannungsniveau des Niederspannungsnetzes 12 der Betrieb der Luftfördereinrichtung 8 sichergestellt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn dies ohne Aufsicht durch einen Fahrer oder dergleichen im abgestellten Betrieb des Fahrzeugs 2 vor einem eventuellen Wiederstart erfolgt, wenn die Temperatur im Bereich des Temperatursensors 14 unter den vorgegebenen Grenzwert fällt. Dann ist das System ohne Aufsicht und kann mit Niederspannung sehr viel sicherer betrieben werden, als mit Hochspannung, welche für eine Person, welche mit ihr in Berührung kommt, potenziell gefährlich wäre.
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In der Darstellung der 2 ist ein alternativer Aufbau dargestellt. Der Aufbau ist dabei mit Ausnahme der Luftversorgungseinrichtung 4 identisch, sodass nur auf die Unterschiede innerhalb der Luftversorgungseinrichtung 4 eingegangen wird. Die beiden Luftfördereinrichtungen 7 und 8 sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nicht parallel zueinander, sondern in Reihe zueinander verschaltet. Ansonsten ist die Funktionalität dieselbe. Der Aufbau spart Leitungselemente, Verbindungspunkte und die beiden Rückschlagventile 13, 16 ein. Er muss dann allerdings so aufgebaut sein, dass die beiden Luftfördereinrichtungen 7, 8 jeweils entweder als Strömungsverdichter und/oder Seitenkanalverdichter ausgebildet sind, sodass diese von dem durch eine der Luftfördereinrichtungen 7, 8 geförderten Luftstrom entsprechend überströmt werden können, auch wenn sie nicht in Betrieb sind. Beispielsweise kann die Luftfördereinrichtung 7 als Strömungsverdichter und die Luftfördereinrichtung 8 als Seitenkanalverdichter ausgebildet sein. Ebenso denkbar wäre es die beiden Luftfördereinrichtungen 7, 8 gleichartig auszubilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005007077 A1 [0003]
- DE 102005049846 A1 [0004]
