DE102014019544A1 - Device for increasing the electrical insulation resistance - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung des elektrischen Isolationswiderstands in einem Kühlkreislauf (12) mit in Kühlmittelleitungen (18) strömendem flüssigem Kühlmittel. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer Stelle des Kühlkreislaufs (12) eine der Kühlmittelleitungen (18) im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels (24) in einem gasgefüllten Behälter (21) in dem Kühlkreislauf (12) endet.The invention relates to a device for increasing the electrical insulation resistance in a cooling circuit (12) with in liquid coolant lines (18) flowing liquid coolant. The device according to the invention is characterized in that at at least one point of the cooling circuit (12) one of the coolant lines (18) terminates in the intended use in the direction of gravity above a liquid level (24) in a gas-filled container (21) in the cooling circuit (12) ,
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung des elektrischen Isolationswiderstands gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 8. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung dieser Verfahren.The invention relates to a device for increasing the electrical insulation resistance according to the preamble of
Die Erhöhung des Isolationswiderstands von flüssigem in einer Kühlmittelleitung strömendem Kühlmittel ist insbesondere für Fahrzeuganwendungen, und hier insbesondere für Anwendungen mit durch das Kühlmittel gekühlten Hochvolt-Baueinheiten von entscheidender Bedeutung. Diese Baueinheiten können beispielsweise Brennstoffzellenstapel sein, welche zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Bei diesen Bauteilen, jedoch teilweise auch bei Traktionsbatterien, steht das Kühlmittel in Kontakt mit elektrisch leitenden Teilen der Brennstoffzelle oder Batterie. Andererseits steht das Kühlmittel in Kontakt mit Bauteilen, welche mit dem Fahrzeugchassis verbunden sind und damit „auf Masse” liegen. Bei Betriebsspannungen von mehr als 60 V Gleichspannung werden dabei erhöhte Anforderungen an die elektrische Isolation zwischen der Betriebsspannung, beispielsweise des Brennstoffzellenstapels, und der Fahrzeugmasse gefordert. Eine typische Anforderung ist dabei der gesetzliche Mindestwert von 100 ΩN, der aufgrund von Toleranzen und Betriebssicherheiten beispielsweise auf 250 ΩN erhöht wird. Je höher die Betriebsspannung ist, desto höher ist also auch der geforderte Isolationswiderstand. Bei einer Maximalspannung von beispielsweise 500 V wird ein Isolationswiderstand von mindestens 125 kΩ gefordert, welcher aufgrund von Toleranzen und Betriebssicherheitsanforderungen typischerweise in eine Größenordnung von 300 bis 500 kΩ ansteigt. Dies ergibt sich insbesondere auch, da der resultierende Isolationswiderstand letztlich aus einer Parallelschaltung aller im Bordnetz vorhandenen Komponenten entsteht, sodass ein vergleichsweise hoher Einzelwert einzuhalten ist.Increasing the insulation resistance of liquid coolant flowing in a coolant line is of particular importance for vehicle applications, and in particular for applications with coolant-cooled high-voltage assemblies. These units may be fuel cell stacks, for example, which are used to generate electrical drive power in a vehicle. In these components, but partly also in traction batteries, the coolant is in contact with electrically conductive parts of the fuel cell or battery. On the other hand, the coolant is in contact with components which are connected to the vehicle chassis and thus "on ground". At operating voltages of more than 60 V DC increased demands on the electrical insulation between the operating voltage, such as the fuel cell stack, and the vehicle mass are required. A typical requirement is the legal minimum value of 100 ΩN, which is increased to 250 ΩN due to tolerances and operational safety, for example. The higher the operating voltage, the higher the required insulation resistance. At a maximum voltage of, for example, 500 V, an insulation resistance of at least 125 kΩ is required, which typically increases in the order of 300 to 500 kΩ due to tolerances and operational safety requirements. This results in particular, since the resulting insulation resistance ultimately arises from a parallel connection of all components present in the electrical system, so that a comparatively high individual value must be maintained.
Heute ist es normalerweise üblich, dass dieser hohe Widerstand in dem Kühlmittelkreislauf auf Wasserbasis nur durch zusätzliche Maßnahmen erreicht werden kann. Diese sind beispielsweise eine gezielte Verlängerung der Kühlmittelstrecken sowie eine erhöhte Anforderung an die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels. Diese Maßnahmen erfordern zusätzlichen Bauraum und aufgrund der erhöhten Druckverluste eine höhere Leistung der Kühlmittelpumpe. Zusätzlich wird das Kühlmittel typischerweise durch einen Ionentauscher geführt, um seine elektrische Leitfähigkeit klein zu halten. Dies stellt ebenfalls einen gewissen Nachteil dar, da der Ionentauscher regelmäßig gewartet werden muss. Ein weiteres Problem, welches insbesondere bei Brennstoffzellenanwendungen auftritt, besteht nun in der Tatsache, dass durch diesen Aufbau ein vergleichsweise großer Kühlkreislauf mit einem hohen Volumen an Kühlmittel notwendig ist. Dies ist jedoch insbesondere bei den bei Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen ohnehin kritischen Kaltstarts ein erheblicher Nachteil, da das gesamte Volumen des Kühlmittels in einer solchen Situation schnellstmöglich auf die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems erwärmt werden muss.Today, it is usually the case that this high resistance in the water-based coolant circuit can only be achieved by additional measures. These are, for example, a targeted extension of the coolant lines and an increased requirement for the electrical conductivity of the coolant. These measures require additional space and due to the increased pressure losses higher performance of the coolant pump. In addition, the coolant is typically passed through an ion exchanger to keep its electrical conductivity low. This also presents a certain disadvantage since the ion exchanger must be regularly maintained. Another problem, which occurs especially in fuel cell applications, now consists in the fact that this construction requires a comparatively large cooling circuit with a high volume of coolant. However, this is a considerable disadvantage in particular in the case of fuel cell systems in vehicles, which are in any case critical during cold starts, since the entire volume of the coolant must be heated as quickly as possible to the operating temperature of the fuel cell system in such a situation.
Um dieser Problematik entgegenzuwirken ist es aus den beiden japanischen Patentanmeldungen
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung anzugeben, welche zur Erhöhung des elektrischen Isolationswiderstands eines in einer Kühlmittelleitung strömenden Kühlmittels beiträgt, ohne die genannten Nachteile aufzuweisen.The object of the present invention is now to provide a device which contributes to increase the electrical insulation resistance of a coolant flowing in a coolant line, without having the disadvantages mentioned.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Eine besonders bevorzugte Verwendung ist im Anspruch 10 angegeben.According to the invention this object is achieved by a device having the features in
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erhöhung des elektrischen Isolationswiderstands in einem Kühlkreislauf ist es nun vorgesehen, dass an wenigstens einer Stelle des Kühlkreislaufs eine der Kühlmittelleitungen im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels in einem gasgefüllten Behälter endet. Somit wird erreicht, dass das strömenden Kühlmittel aus den Ende der Kühlmitteleitung austritt und über ein Stück, z. B. freien Weg, durch den Behälter fällt, bevor es sich unten in dem Behälter sammelt und abströmt bzw. von den Kühlmittelfördereinrichtung abgesaugt wird. Die einfache und sehr kompakt zu realisierende Maßnahme führt bereits zu einer messbaren Erhöhung des Isolationswiderstands.In the device according to the invention for increasing the electrical insulation resistance in a cooling circuit, it is now provided that at least one point of the cooling circuit one of the coolant lines ends in the intended use in the direction of gravity above a liquid level in a gas-filled container. It is thus achieved that the flowing coolant exits from the end of the coolant line and over a piece, for. B. free path through which the container falls before settling down in the container collects and flows out or is sucked off by the coolant conveyor. The simple and very compact measure already leads to a measurable increase in the insulation resistance.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei so kompakt, dass er leicht zweifach in den Kühlkreislauf vorgehen werden kann. So ist es möglich sowohl den Kühlmittelzulauf als auch den Kühlmittelablauf einer hochvoltführenden Komponente damit zu versehen. Bevorzugt kann der Einbau sogar ganz oder teilweise in das Gehäuse der hochvoltführenden Komponente erfolgen. Dies stellt hinsichtlich des Packaging, insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen, einen erheblichen zusätzlichen Vorteil dar.The structure of the device according to the invention is so compact that it can easily be done twice in the cooling circuit. It is thus possible to provide both the coolant inlet and the coolant outlet of a high-voltage-carrying component. Preferably, the installation can even be carried out completely or partially in the housing of the high-voltage-carrying component. This represents a significant additional advantage in terms of packaging, especially when used in vehicles.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterführung der Idee ist es nun insbesondere vorgesehen, dass in dem Bereich, in dem die Kühlmittelleitung endet, eine getaktet schaltbare Ventileinrichtung angeordnet ist. Durch eine solche getaktet schaltbare Ventileinrichtung kann erreicht werden, dass der Strom des Kühlmittels in den Behälter immer wieder unterbrochen wird. Ein solcher diskontinuierlicher Kühlmittelstrom durch die Gasatmosphäre verhindert eine durchgehende elektrische Leitung in dem Kühlmittel durch die Unterbrechungen der Strömung. Der Isolationswiderstand lässt sich damit nochmals signifikant erhöhen. Durch den Aufbau, bei welchen der diskontinuierliche Strom in den Behälter strömt und sich dort vor den weiterströmen sammelt, kann der Eintrag von schädlichen Druckpulsationen in den Kühlkreislauf verhindert oder zumindest minimiert werden.According to an advantageous continuation of the idea, it is now provided in particular that in the region in which the coolant line ends, a clocked switchable valve device is arranged. By such a clocked switchable valve device can be achieved that the flow of coolant into the container is interrupted again and again. Such a discontinuous flow of coolant through the gaseous atmosphere prevents a continuous electrical conduction in the coolant through the interruptions of the flow. The insulation resistance can thus be significantly increased again. Due to the structure in which the discontinuous stream flows into the container and collects there before the onward flow, the entry of harmful pressure pulsations into the cooling circuit can be prevented or at least minimized.
Eine besonders vorteilhafte Alternative zu der genannten Weiterbildung sieht es vor, dass in dem Bereich, in dem die Kühlmittelleitung endet, eine passiv durch den Strömungsdruck des Kühlmittels betätigte Sperreinrichtung angeordnet ist. Eine solche passive Sperreinrichtung als alternative Lösung hat den Vorteil, dass hierfür eine aktive Ansteuerung notwendig ist. Sowohl auf ein Steuergerät als auch auf Steuerleitungen und Aktuatoren sowie ggf. auch Sensoren kann daher verzichtet werden. Dies spart Bauraum und Kosten bei der Herstellung und Montage. Die Funktionalität und der Effekt sind dabei gleich wie in der zuvor beschriebenen Weiterbildung. Der Kühlmittelstrom wird also ständig freigegeben und wieder unterbrochen, sodass eine diskontinuierliche Strömung entsteht.A particularly advantageous alternative to the aforementioned development provides that in the region in which the coolant line ends, a passively actuated by the flow pressure of the coolant locking device is arranged. Such a passive barrier device as an alternative solution has the advantage that an active control is necessary for this purpose. Both on a control unit and on control lines and actuators and possibly also sensors can therefore be dispensed with. This saves installation space and costs during production and assembly. The functionality and the effect are the same as in the development described above. The coolant flow is thus constantly released and interrupted again, so that a discontinuous flow is formed.
Eine solche passive Sperreinrichtung kann bevorzugt als durch eine Feder entgegen der Strömungsrichtung belastete Klappe ausgebildet sein. Bei geeigneter Wahl der Federstärke kann die Klappe die Strömung unterbrechen, bis sich ein die Kräfte der Feder übersteigender Staudruck aufgebaut hat. Dann gibt die Klappe den Strömungsquerschnitt frei und der Staudruck baut sich ab. Jetzt kann die Feder die Klappe gegen den reinen Strömungsdruck wieder schließen, bis sich erneut ein ausreichender Staudruck zum Öffnen der Klappe aufgebaut hat.Such a passive barrier device can preferably be designed as a valve loaded by a spring against the direction of flow. With a suitable choice of the spring strength, the flap can interrupt the flow until a spring force has built up the forces of the spring. Then the flap releases the flow cross-section and the dynamic pressure builds up. Now the spring can close the flap against the pure flow pressure again, until again a sufficient back pressure has built up to open the flap.
Eine günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ferner vorsehen, dass in dem Behälter zwischen dem Ende der Kühlmittelleitung und dem typischerweise in dem Behälter vorliegenden Flüssigkeitsspiegel eine Wippe angeordnet ist. Anstelle – oder ggf. auch ergänzend zu – einer Ventil- oder Sperreinrichtung in der oder am Ende der Kühlmittelleitung ist bei dieser Variante der Vorrichtung die Wippe in dem Behälter vorgesehen, um den in den Behälter fallenden Kühlmittelstrom ebenfalls periodisch zu unterbrechen und somit für einen diskontinuierlichen Kühlmittelstrom durch die Gasatmosphäre zu sorgen.A favorable embodiment of the device according to the invention may further provide that in the container between the end of the coolant line and the liquid level typically present in the container, a rocker is arranged. Instead of - or possibly also in addition to - a valve or locking device in or at the end of the coolant line is provided in this variant of the device, the rocker in the container to also periodically interrupt the falling into the container coolant flow and thus for a discontinuous Coolant flow through the gas atmosphere to provide.
Eine weitere Möglichkeit einen diskontinuierlichen von elektrisch isolierenden Teilen unterbrochenen Kühlmittelstrom zu schaffen besteht darin, dass in dem Behälter zwischen dem Ende der Kühlmittelleitung und dem typischerweise im Behälter vorliegenden Flüssigkeitsspiegel ein oberschlächtiges Wasserrad angeordnet ist. Ein solches oberschlächtiges Wasserrad oder oberschlächtiges Mühlrad wird typischerweise von oben mit dem flüssigen Medium, in diesem Fall dem Kühlmittel, angeströmt. Nicht durch die Strömung, sondern ausschließlich durch die Schwerkraft bewegt sich dann das oberschlächtige Wasserrad, indem einzelne in sich nach unten dicht ausgebildete Zellen sich mit dem Kühlmittel füllen und aufgrund der Schwerkraft die eine Seite des Wasserrads nach unten und im Gegenzug die andere nach oben bewegen. Durch die Drehbewegung entlang des Umfangs des Wasserrads leeren sich die einzelnen Zellen am unteren Ende und geben das in ihnen enthaltene Kühlmittel in den Behälter frei. Hierdurch wird ein Aufbau geschaffen, bei welchem die einzelnen Abschnitte des diskontinuierlichen Kühlmittelstroms voneinander getrennt sind, in diesem Fall durch die die Zellen des oberschlächtigen Wasserrads ausbildenden Wände. Sofern diese aus einem elektrisch isolierenden Material oder einem elektrisch nicht sehr gut leitenden Material ausgebildet sind, wird durch diesen Aufbau eine deutliche Erhöhung des elektrischen Isolationswiderstands erreicht.A further possibility to create a discontinuous flow of coolant interrupted by electrically insulating parts is that an overshot water wheel is arranged in the container between the end of the coolant line and the liquid level typically present in the container. Such an overshot water wheel or overshot mill wheel is typically supplied from above with the liquid medium, in this case the coolant. Not by the flow, but only by gravity, the supershafted waterwheel then moves, as individual densely formed cells fill up with the coolant and, due to gravity, move one side of the waterwheel downwards and in turn the other upwards , Due to the rotational movement along the circumference of the water wheel, the individual cells empty at the lower end and release the coolant contained in them in the container. In this way, a structure is provided in which the individual sections of the discontinuous coolant flow are separated from each other, in this case by the walls forming the cells of the overshot water wheel. If these are formed from an electrically insulating material or an electrically not very good conductive material, a significant increase in the electrical insulation resistance is achieved by this structure.
Eine sehr günstige alternative oder ergänzende Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es außerdem vorsehen, dass an dem Ende der Kühlmittelleitung eine Einrichtung zum Eintrag des in dem Behälter vorliegenden Gases in den Flüssigkeitsstrom angeordnet ist. Eine solche Einrichtung ist extrem einfach, robust und wartungsarm. Sie kann beispielsweise wie ein sogenannter Strahlregler aufgebaut sein. Solche Strahlregler finden zur Vermischung von Wasser und Luft an unzähligen Wasserhähnen in sanitären Anlagen Anwendung. Bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer solchen Einrichtung wird eine sehr stark mit dem Gas aus dem Behälter durchmischter Kühlmittelstrom in den Behälter erzielt. Auch dies erhöht den Isolationswiderstand sowohl alleine als auch in Kombination mit einer der anderen Ausgestaltungen.A very favorable alternative or additional embodiment of the device according to the invention can also provide that at the end of the coolant line, a device for introducing the gas present in the container is arranged in the liquid flow. Such a device is extremely simple, robust and low maintenance. It can be constructed, for example, like a so-called jet regulator. Such aerators are used for mixing water and air at countless taps in sanitary facilities application. In the embodiment of the device according to the invention with such a device a very strong mixed with the gas from the container mixed coolant flow into the container. This also increases the insulation resistance both alone and in combination with one of the other embodiments.
Eine alternative Vorrichtung, welche die Aufgabe ebenfalls löst, ist durch die Merkmale des Anspruchs 8 beschrieben. Bei dieser Ausführungsvariante einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es so, dass zwei gasgefüllte Behälter oder ein gasgefüllter Behälter mit zwei getrennten Abschnitten vorgesehen sind, wobei der eine der Behälter oder der eine Abschnitt in Richtung der Schwerkraft höher als der andere Behälter oder der andere Abschnitt liegt, wobei die Behälter oder Abschnitte über eine archimedische Schraube verbunden sind. Eine solche Verbindung eines niedriger liegenden Behälters oder Abschnitts mit einem höher liegenden Behälter oder Abschnitt über eine archimedische Schraube ermöglicht eine Förderung des Kühlmittels vom tieferliegenden Behälter oder Abschnitt in den höherliegenden Behälter oder Abschnitt. Anders als bei den bisherigen Ausführungsformen ist hierfür allerdings ein Antrieb der archimedischen Schraube notwendig, welcher jedoch mit vergleichsweise wenig Leistung auskommt. Das Prinzip der archimedischen Schraube besteht darin, dass der Winkel der Schraubenachse gegenüber der Waagrechten sowie die Steigung der Schraube so ausgebildet ist, dass das flüssige Kühlmittel bei einer Umdrehung der Schraube von einem Raum in den nächst höheren Raum des Gewindes strömt und dadurch insgesamt nach oben gefördert bzw. gehoben wird. Dieser Aufbau ist seit alters her zur Förderung von Wasser bekannt. Auch hier entsteht, sofern die Schraube insbesondere aus einem elektrisch nicht leitenden Material ausgebildet ist, ein Aufbau, bei welchem letztlich die einzelnen mit Wasser gefüllten Räume der Spindel in dem oberhalb der Oberfläche des unteren Behälters bzw. Abschnitts liegenden Bereich der Schraube durch das Material der Schraube und durch die Luft voneinander getrennt sind. Auch hierdurch ergeben sich einzelne Volumina des Kühlmittels, welche untereinander nicht verbunden sind und somit zu einer signifikanten Erhöhung des elektrischen Isolationswiderstands in dem Kühlmittelkreislauf beitragen.An alternative device which also achieves the object is described by the features of
Als Gas können bei allen Ausführungen der Vorrichtung dabei verschiedene elektrisch isolierende Gase oder als sehr einfach verfügbare Alternative Luft eingesetzt werden.As a gas can be used in all versions of the device while various electrically insulating gases or as a very easily available alternative air.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ausführung eignet sich insbesondere für die Erhöhung des elektrischen Isolationswiderstands in einem Kühlmittel, welches zwischen einer Spannungs- bzw. Hochspannungsquelle, welche es durchströmt, und Elementen, welche geerdet sind, zirkuliert. In diesem Fall ist ein entsprechend hoher elektrischer Isolationswiderstand des Kühlmittels zu gewährleisten. Um dies mit minimalem Aufwand und Bauraum realisieren zu können, sind die beiden erfindungsgemäßen Verfahren sehr gut geeignet. Da derartige Anforderungen typischerweise an das Kühlmittel eines Brennstoffzellensystems oder eines Elektrofahrzeugs gerichtet werden, liegt die besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren in ihrem Einsatz zur Verbesserung des elektrischen Isolationswiderstands in einem Kühlmittel, welches in einem Kühlkreislauf eines mit einer Brennstoffzelle und/oder Traktionsbatterie ausgestatten Fahrzeugs strömt.The device according to the invention in both the first and in the second embodiment is particularly suitable for increasing the electrical insulation resistance in a coolant which circulates between a voltage or high-voltage source which flows through it and elements which are earthed. In this case, a correspondingly high electrical insulation resistance of the coolant must be ensured. To realize this with minimal effort and space, the two methods of the invention are very well suited. Since such requirements are typically directed to the coolant of a fuel cell system or an electric vehicle, the particularly preferred use of the inventive method is in its use for improving the electrical insulation resistance in a coolant flowing in a cooling circuit of a vehicle equipped with a fuel cell and / or traction battery ,
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments will become apparent from the embodiments, which are described below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
Der Brennstoffzelle
Nun ist es so, dass in der Brennstoffzelle das Kühlmittel mit elektrisch unter der Spannung der Brennstoffzelle stehenden Elementen in unmittelbarer Verbindung steht. Das in einem Kühlkreislauf
Bei den Aufbauten gemäß dem Stand der Technik ist der Kühlkreislauf
Dieser Aufbau ist mit entsprechenden Nachteilen behaftet, da er durch den sehr großen Kühlkreislauf
Ein solcher Aufbau wird nun möglich, indem idealerweise an einer oder an den beiden in der Darstellung der
In der Darstellung der
In der Darstellung der
Eine weitere alternative Ausführungsform der Vorrichtung
In der Darstellung der
Kühlmittel, welches über die Kühlmittelleitung
In der Darstellung der
Eine weitere alternative Ausgestaltung einer Vorrichtung
In der Darstellung der
Insbesondere dieser zuletzt beschriebene Aufbau lässt sich dabei außerordentlich einfach und effizient realisieren. Er kann außerdem mit allen zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten leicht und einfach kombiniert werden, um so den elektrischen Isolationswiderstand noch weiter zu erhöhen.In particular, this last-described construction can be implemented extremely easily and efficiently. It can also be easily and simply combined with all the embodiments described above, so as to further increase the electrical insulation resistance.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- JP 2002117884 A [0004] JP 2002117884 A [0004]
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DE102018219204A1 (en) * | 2018-11-12 | 2020-05-14 | Audi Ag | Humidification system and fuel cell system with such |
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