DE102015004953A1 - Humidifier for a fuel cell system, fuel cell system and vehicle having a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem, welcher zum Befeuchten eines in einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems einbringbaren Mediums ausgebildet ist. Der Befeuchter umfasst eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen, welche einen Einströmbereich (24) umfangsseitig umgeben. In dem Einströmbereich (24) ist eine Stützstruktur (40) mit wenigstens einer Durchtrittsöffnung (44) angeordnet. Über die wenigstens eine Durchtrittsöffnung (44) sind die Hohlfasermembranen mit einem Befeuchtungsmedium beaufschlagbar. Die wenigstens eine Durchtrittsöfnung (44) weist in eine Längsrichtung (36) des Einströmbereichs (24) eine Länge auf, welche größer ist als eine halbe Länge eines Teilbereichs der Hohlfasermembranen, in welchem die Hohlfasermembranen an der Stützstruktur (40) anliegen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Befeuchter und ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.The invention relates to a humidifier for a fuel cell system, which is designed for humidifying a medium which can be introduced into a fuel cell stack of the fuel cell system. The humidifier comprises a plurality of hollow-fiber membranes surrounding an inflow region (24) on the circumference. In the inflow region (24), a support structure (40) with at least one passage opening (44) is arranged. About the at least one passage opening (44), the hollow fiber membranes are acted upon by a moistening medium. The at least one Durchtrittsöfnung (44) has in a longitudinal direction (36) of the inflow region (24) has a length which is greater than half a length of a portion of the hollow fiber membranes in which the hollow fiber membranes abut the support structure (40). Furthermore, the invention relates to a fuel cell system with such a humidifier and a vehicle with a fuel cell system.
Description
Die Erfindung betrifft einen Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem, welcher zum Befeuchten eines in einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems einbringbaren Mediums ausgebildet ist. Der Befeuchter umfasst eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen, welche einen Einströmbereich umfangsseitig umgeben. In dem Einströmbereich ist eine Stützstruktur angeordnet, welche wenigstens eine Durchtrittsöffnung aufweist. Über die wenigstens eine Durchtrittsöffnung können die Hohlfasermembranen mit einem Befeuchtungsmedium beaufschlagt werden, welches in den Einströmbereich eingebracht wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Befeuchter und ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.The invention relates to a humidifier for a fuel cell system, which is designed for humidifying a medium which can be introduced into a fuel cell stack of the fuel cell system. The humidifier comprises a plurality of hollow-fiber membranes, which surround an inflow region on the circumference. In the inflow region, a support structure is arranged, which has at least one passage opening. About the at least one passage opening, the hollow fiber membranes can be acted upon with a humidifying medium, which is introduced into the inflow region. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system with such a humidifier and a vehicle with a fuel cell system.
Die
Des Weiteren beschreibt die
Ein solches Bypassrohr ist jedoch im Hinblick auf die Anströmung des Faserbündels ungünstig.However, such a bypass tube is unfavorable in view of the flow of the fiber bundle.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Befeuchter der eingangs genannten Art, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Befeuchter sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem zu schaffen, mittels welchem eine besonders gute Befeuchtung des zu befeuchtenden Mediums erreichbar ist.Object of the present invention is therefore to provide a humidifier of the type mentioned, a fuel cell system with such a humidifier and a vehicle with such a fuel cell system, by means of which a particularly good humidification of the medium to be humidified can be achieved.
Diese Aufgabe wird durch einen Befeuchter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a humidifier having the features of patent claim 1, a fuel cell system having the features of patent claim 9 and by a vehicle having the features of
Bei dem erfindungsgemäßen Befeuchter weist die wenigstens eine Durchtrittsöffnung in eine Längsrichtung des Einströmbereichs gesehen eine Länge auf, welche größer ist als eine halbe Länge eines Teilbereichs der Hohlfasermembranen, in welchem die Hohlfasermembranen an der Stützstruktur anliegen. Durch diese sich über eine vergleichsweise große Länge des Einströmbereichs erstreckende Durchtrittsöffnung oder Durchtrittsöffnungen kann eine über die Länge des Befeuchters besonders gut verteilte Strömung des Befeuchtungsmediums realisiert werden. Zudem lässt sich eine Stützstruktur mit wenigstens einer Durchtrittsöffnung großer Länge besonders einfach und kostengünstig herstellen, da standardmäßig verfügbare Bauteile Verwendung finden können. Dies geht mit einer verbesserten Herstellbarkeit, einer verringerten Produktionszeit und verringerten Produktionskosten einher.In the case of the humidifier according to the invention, the at least one through-opening, as seen in a longitudinal direction of the inflow region, has a length which is greater than half the length of a partial region of the hollow-fiber membranes in which the hollow-fiber membranes rest against the support structure. By means of this passage opening or passage openings extending over a comparatively long length of the inflow region, a flow of the humidifying medium which is distributed particularly well over the length of the humidifier can be realized. In addition, a support structure with at least one passage opening of great length can be produced in a particularly simple and cost-effective manner, since components available as standard can be used. This is accompanied by improved manufacturability, reduced production time and reduced production costs.
Mit einem solchen Befeuchter, welcher wenigstens eine langgestreckte Durchtrittsöffnung aufweist, lässt sich ein besonders effektiver Übertritt des Befeuchtungsmediums in den Bereich des Befeuchters erreichen, in welchem die Hohlfasermembranen angeordnet sind und den Einströmbereich umgeben. Das Befeuchtungsmedium umströmt dann die durch die Membranen gebildeten Hohlfasern, durch welche das zu befeuchtende Medium strömt. Auf diese Weise lässt sich eine besonders gute und gleichmäßige Befeuchtung des zu befeuchtenden Mediums erreichen.With such a humidifier, which has at least one elongate passage opening, a particularly effective transfer of the humidifying medium into the region of the humidifier can be achieved, in which the hollow-fiber membranes are arranged and surround the inflow region. The moistening medium then flows around the hollow fibers formed by the membranes, through which flows the medium to be humidified. In this way, a particularly good and uniform humidification of the medium to be humidified can be achieved.
Bevorzugt entspricht die Länge der wenigstens einen Durchtrittsöffnung der Länge des Teilbereichs oder sie beträgt zumindest 70 Prozent bis 95 Prozent der Länge des Teilbereichs. So kann ein besonders ungehinderter Übertritt des Befeuchtungsmediums aus dem Einströmbereich in den von den Hohlfasermembranen eingenommenen, den Einstrombereich umgebenden Raum des Befeuchters sichergestellt werden.Preferably, the length of the at least one passage opening corresponds to the length of the partial area or is at least 70 percent to 95 percent of the length of the partial area. Thus, a particularly unhindered transfer of the humidifying medium from the inflow region into the space occupied by the hollow-fiber membranes and surrounding the inflow region of the humidifier can be ensured.
Die Stützstruktur kann als Rohr ausgebildet sein, welches eine Mehrzahl von die wenigstens eine Durchtrittsöffnung bildenden Schlitzen aufweist. Ein solches Rohr mit länglichen Schlitzen stellt eine besonders stabile Stützstruktur bereit und sorgt so für eine hohe Formstabilität des Einströmbereichs. Das Rohr kann insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet sein und zur Erhöhung der Stabilität Endbereiche aufweisen, in welchen eine Wandung des Rohrs durchgängig ausgebildet ist, also keine Schlitze aufweist. Die Stützstruktur bzw. das Rohr kann aber auch einen eckigen Querschnitt aufweisen, insbesondere in Fällen in denen das Gehäuse des Befeuchters ebenfalls einen eckigen Querschnitt aufweist. Ferner können nicht nur ein, sondern zwei oder mehr Stützstrukturen bzw. Rohre vorgesehen sein.The support structure may be formed as a tube which has a plurality of slots forming the at least one passage opening. Such a tube with elongated slots provides a particularly stable support structure and thus ensures a high dimensional stability of the inflow area. The Tube may in particular be formed circular cylindrical and have to increase the stability end portions in which a wall of the tube is formed continuously, so having no slots. However, the support structure or the pipe can also have a polygonal cross section, in particular in cases in which the housing of the humidifier also has a polygonal cross section. Furthermore, not only one but two or more support structures or tubes can be provided.
Die Stabilität des Rohres lässt sich weiter erhöhen, wenn die Stege, welche die jeweiligen Schlitze begrenzen, zumindest ein Versteifungselement aufweisen. Durch derartig verstärkte Stege lässt sich bei hoher Robustheit des Rohrs ein guter Übertritt des Befeuchtungsmediums in den Raum um die Stützstruktur erreichen, in welchem sich die Hohlfasermembranen befinden.The stability of the tube can be further increased if the webs which delimit the respective slots have at least one stiffening element. Such reinforced webs can be achieved with high robustness of the tube, a good transfer of the moistening medium in the space around the support structure in which the hollow fiber membranes are located.
Das Versteifungselement des jeweiligen Stegs kann als Rippe ausgebildet sein, welche sich von dem jeweiligen Steg in radialer Richtung ein Stück weit hin zum Zentrum des Rohrs erstreckt. Ein den jeweiligen Steg und die Rippe umfassender Wandbereich des Rohrs kann einen T-förmigen Querschnitt aufweisen, wodurch dem Rohr eine besonders hohe Stabilität verliehen ist.The stiffening element of the respective web can be formed as a rib, which extends from the respective web in the radial direction a little way towards the center of the tube. A wall region of the tube which encompasses the respective web and the rib can have a T-shaped cross section, which gives the tube a particularly high stability.
In einer alternativen Ausgestaltung kann die Stützstruktur als Profilteil ausgebildet sein, durch welches in dem Einströmbereich wenigstens zwei Kammern gebildet sind, welche von dem Befeuchtungsmedium in die Längsrichtung des Einströmbereichs durchströmbar sind. Hierbei ist durch eine offene Seite der jeweiligen Kammer die wenigstens eine Durchtrittsöffnung bereitgestellt. Ein solches Profilteil ist besonders einfach und kostengünstig in der Herstellung, und es kann insbesondere durch Strangpressen gebildet werden.In an alternative embodiment, the support structure may be formed as a profile part, through which at least two chambers are formed in the inflow region, which can be flowed through by the moistening medium in the longitudinal direction of the inflow region. Here, the at least one passage opening is provided by an open side of the respective chamber. Such a profile part is particularly simple and inexpensive to manufacture, and it can be formed in particular by extrusion.
Das Profilteil kann eine Mehrzahl von die Kammern begrenzenden Wänden aufweisen, welche sich von einem Zentrum des Profilteils in radialer Richtung bis zu den an dem Profilteil anliegenden Hohlfasermembranen erstrecken. Die Wände können hierbei im Querschnitt ein X oder ein Y bilden, oder der Querschnitt kann nach Art eines sechsstrahligen oder sechszackigen Sterns mit Strahlen von bevorzugt konstanter Dicke ausgebildet sein. Bei einem solchen sternförmigen Profilteil mit sechs Strahlen werden entsprechend sechs durchströmbare Kammern gebildet, welche in radialer Richtung die offene Seite aufweisen. Durch ein solches, besonders stabiles Profilteil lässt sich besonders einfach eine besonders große Länge der Durchtrittsöffnungen bereitstellen.The profile part may have a plurality of walls bounding the chambers, which extend from a center of the profile part in the radial direction up to the hollow fiber membranes resting against the profile part. The walls may in this case form an X or a Y in cross section, or the cross section may be formed in the manner of a six-ray or six-pointed star with rays of preferably constant thickness. In such a star-shaped profile part with six beams correspondingly six durchströmbare chambers are formed, which have the open side in the radial direction. Such a particularly stable profile part makes it particularly easy to provide a particularly large length of the passage openings.
Auch lassen sich mittels des Profilteils sehr leicht jeweils gleich große Kammern bereitstellen, was für eine gleichmäßige Verteilung des Befeuchtungsmediums vorteilhaft ist.Also, by means of the profile part can each very easily provide the same size chambers, which is advantageous for a uniform distribution of the humidifying medium.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Stützstruktur als Schraubenfeder ausgebildet ist, deren Windungen mit den Hohlfasermembranen in Anlage sind. Hierbei ist der Einströmbereich nach Art eines Kanals ausgebildet, dessen Wände durch die Hohlfasermembranen gebildet sind, wobei diese Wände durch die Windungen der Schraubenfeder abgestützt sind. Bei einer solchen Ausgestaltung der Stützstruktur können anstelle von miteinander verbundenen, insbesondere miteinander verwebten, Hohlfasermembranen auch lose nebeneinander angeordnete Hohlfasermembranen zum Einsatz kommen. Die nach Art einer Schraubenfeder ausgebildete Stützstruktur verhindert nämlich, dass einzelne Hohlfasern durch die Durchtrittsöffnungen in den Einströmbereich gelangen, etwa, indem sie durchhängen.As a further advantage, it has been shown that the support structure is formed as a helical spring whose turns are in contact with the hollow fiber membranes. In this case, the inflow region is designed in the manner of a channel whose walls are formed by the hollow-fiber membranes, these walls being supported by the turns of the helical spring. In such an embodiment of the support structure loosely arranged side by side hollow fiber membranes can be used instead of interconnected, in particular interwoven, hollow fiber membranes. In fact, the support structure designed in the manner of a helical spring prevents individual hollow fibers from reaching the inflow region through the passage openings, for instance by sagging.
Eine derartige, vorteilhafte Abstützung der Hohlfasermembranen lässt sich auch erreichen, wenn die Stützstruktur durch eine Mehrzahl von Ringen bereitgestellt ist. Die Ringe können auch durch Stäbe miteinander verbunden sein und zusammen mit den Stäben ein eigensteifes Gitter bilden, welches dem Einströmbereich seine Formstabilität verleiht. Alternativ kann eine Mehrzahl von Stäben vorgesehen sein, welche sich in die Längsrichtung des Einströmbereichs erstrecken und welche mittels eines eigensteifen Gitters miteinander verbunden sind. Ein solches Gitter oder Netz weist dann die Durchtrittsöffnungen mit der großen Länge auf.Such an advantageous support of the hollow-fiber membranes can also be achieved if the support structure is provided by a plurality of rings. The rings can also be connected to each other by rods and together with the rods form an intrinsically rigid grid, which gives the inflow region its dimensional stability. Alternatively, a plurality of rods may be provided, which extend in the longitudinal direction of the inflow region and which are interconnected by means of an intrinsically rigid grid. Such a grid or network then has the passage openings with the long length.
Bevorzugt bilden die Hohlfasermembranen ein Bündel, welches in einem Gehäuse des Befeuchters angeordnet ist. Hierbei weist das Gehäuse bevorzugt eine Gehäusewand auf, welche in einem in eine Einströmrichtung des Befeuchtungsmediums in den Einströmbereich gesehen stromabwärtigen Teilbereich an einer Außenseite des Bündels anliegt. In einem (in die Einströmrichtung gesehen) stromaufwärtigen Teilbereich ist die Gehäusewand hingegen von der Außenseite des Bündels beabstandet. Durch eine solche Gestaltung der Gehäusewand lässt sich erreichen, dass das Befeuchtungsmedium zunächst in den stromabwärtigen Teilbereich des Einströmbereichs gelangt und von dort radial in den Raum eintritt, in welchem sich die das Bündel bildenden Hohlfasermembranen befinden. Aus diesem Endbereich des Bündels strömt das Befeuchtungsmedium dann im Gegenstrom, also entlang der Hohlfasermembranen, zum stromaufwärtigen Teilbereich, in welchem die Gehäusewand von der Außenseite des Bündels beabstandet ist. Eine solche Führung des Befeuchtungsmediums im Gegenstrom führt zu einer besonders guten Befeuchtung des zu befeuchtenden Mediums.The hollow-fiber membranes preferably form a bundle, which is arranged in a housing of the humidifier. In this case, the housing preferably has a housing wall which rests on an outer side of the bundle in a downstream region which is viewed in an inflow direction of the moistening medium in the inflow region. On the other hand, in an upstream portion (seen in the inflow direction), the housing wall is spaced from the outside of the bundle. By means of such a design of the housing wall, it is possible to achieve that the moistening medium initially reaches the downstream subregion of the inflow region and from there enters radially into the space in which the hollow-fiber membranes forming the bundle are located. From this end region of the bundle, the moistening medium then flows countercurrently, ie along the hollow-fiber membranes, to the upstream subregion in which the housing wall is spaced from the outside of the bundle. Such a guide of the humidifying medium in countercurrent leads to a particularly good humidification of the medium to be humidified.
Für eine gleichmäßige Strömung des Befeuchtungsmediums ist es vorteilhaft, wenn das durch die Hohlfasermembranen gebildete Bündel im Wesentlichen rund ausgebildet ist, also eine kreiszylindrische Form mit dem Einströmbereich als – bevorzugt zentralem – Kanal aufweist. For a uniform flow of the moistening medium, it is advantageous if the bundle formed by the hollow-fiber membranes is substantially round, ie has a circular-cylindrical shape with the inflow region as the-preferably central-channel.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, welches insbesondere in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen kann, umfasst einen erfindungsgemäßen Befeuchter. Hierbei ist bevorzugt das Abgas einer Kathode eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems in den Einströmbereich des Befeuchters einbringbar. Das Abgas der Kathode ist hierbei bevorzugt zum Befeuchten eines der Kathode des Brennstoffzellenstapels zuführbaren Oxidationsmittels als dem zu befeuchtenden Medium nutzbar. Dann strömt nämlich das zu befeuchtende Oxidationsmittel, also beispielsweise Luft oder Sauerstoff, durch die Hohlfasermembranen. Dies ist günstiger als ein Beaufschlagen der Hohlfasermembranen mit dem Abgas der Kathode, welches Flüssigwasser enthält. Das Flüssigwasser könnte nämlich sonst die – üblicherweise recht feinen – Hohlfasermembranen verstopfen, insbesondere wenn das Wasser gefriert. Letzteres könnte auch zu einer Schädigung der Hohlfasermembranen führen, welche vorliegend sicher vermieden ist.The fuel cell system according to the invention, which can be used in particular in a vehicle, comprises a humidifier according to the invention. In this case, preferably, the exhaust gas of a cathode of a fuel cell stack of the fuel cell system can be introduced into the inflow region of the humidifier. In this case, the exhaust gas of the cathode is preferably usable for moistening an oxidizing agent which can be supplied to the cathode of the fuel cell stack as the medium to be humidified. In that case, the oxidizing agent to be humidified, for example air or oxygen, flows through the hollow-fiber membranes. This is cheaper than applying the hollow fiber membranes with the exhaust gas of the cathode, which contains liquid water. Otherwise, the liquid water could clog the - usually quite fine - hollow-fiber membranes, especially if the water freezes. The latter could also lead to damage to the hollow fiber membranes, which is reliably avoided in the present case.
Ein solches Brennstoffzellensystem kann eine Vielzahl weiterer, insbesondere für Brennstoffzellensysteme von Fahrzeugen übliche Komponenten umfassen, welche vorliegend nicht im Detail erläutert zu werden brauchen.Such a fuel cell system may include a plurality of other, in particular for fuel cell systems of vehicles usual components, which need not be explained in detail in the present case.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.The vehicle according to the invention comprises a fuel cell system according to the invention.
Die für den erfindungsgemäßen Befeuchter beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und für das erfindungsgemäße Fahrzeug.The advantages and preferred embodiments described for the humidifier according to the invention also apply to the fuel cell system according to the invention and to the vehicle according to the invention.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention. Thus, embodiments are also included and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, however, emerge and can be produced by separated combinations of features from the embodiments explained.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawings. Showing:
Von einem Brennstoffzellensystem
Das über die Abgasleitung
An ihren Enden sind die Hohlfasermembranen
Das zweite, endseitige Verschlusselement
Bei der in
Durch die zwischen den Windungen der Schraubenfeder
In
Das zwischen den Schlitzen
Die in
Bei der in
Ein solches, durch Strangpressen gebildetes Profilteil, welches in alternativen Ausführungsformen weniger oder mehr Wände
Bei der in
In einem stromaufwärtigen Teilbereich
Entsprechende, diese Gegenströmung angebende Strömungspfeile
Insbesondere bei einer Variante des Befeuchters
Alternativ kann eine Abstützung des Bündels der Hohlfasermembranen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
- 1212
- Befeuchterhumidifier
- 1414
- Leitungmanagement
- 1616
- Kathodecathode
- 1818
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 2020
- Anodeanode
- 2222
- Abgasleitungexhaust pipe
- 2424
- Einströmbereichinflow
- 2626
- HohlfasermembranHollow fiber membrane
- 2828
- Raumroom
- 3030
- Verschlusselementclosure element
- 3232
- Verschlusselementclosure element
- 3434
- Einlassinlet
- 3636
- Pfeilarrow
- 3838
- ZentralbereichCentral area
- 4040
- Stützstruktursupport structure
- 4242
- Schraubenfedercoil spring
- 4444
- Schlitzslot
- 4646
- Endbereichend
- 4848
- Stegweb
- 5050
- Ripperib
- 5252
- Zentrumcenter
- 5454
- Wandwall
- 5656
- Zentrumcenter
- 5858
- Kammerchamber
- 6060
- Gehäusewandhousing wall
- 6262
- Teilbereichsubregion
- 6464
- Teilbereichsubregion
- 6666
- Strömungspfeilflow arrow
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 6755399 B2 [0003] US 6755399 B2 [0003]
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-
2015
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Patent Citations (2)
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