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Die hier offenbarte Technologie betrifft Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems von einem Kraftfahrzeug mit einem kryogenen Druckbehältersystem. Kryogene Druckbehältersysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie umfassen kryogene Druckbehälter. Ein solcher Druckbehälter umfasst einen Innenbehälter sowie einen diesen unter Bildung eines superisolierten (z. B. evakuierten) (Zwischen)Raumes umgebenden Außenbehälter. Kryogene Druckbehälter werden bspw. für Kraftfahrzeuge eingesetzt, in denen ein unter Umgebungsbedingungen gasförmiger Kraftstoff bzw. Brennstoff tiefkalt und somit im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand im Wesentlichen also mit gegenüber den Umgebungsbedingungen deutlich höherer Dichte gespeichert wird. Es sind daher hochwirksame Isolationshüllen (z. B. Vakuumhüllen) vorgesehen. Beispielsweise offenbart die
EP 1 546 601 B1 einen solchen Druckbehälter.
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Trotz guter thermischer Isolation erwärmt sich der gespeicherte Brennstoff langsam. Dabei steigt zeitgleich der Druck im Druckbehälter langsam an. Wird ein Grenzdruck bzw. Auslösedruck überschritten, so muss der Brennstoff über geeignete Sicherheitseinrichtungen entweichen, um eine Schädigung des kryogenen Druckbehälters zu vermeiden. Hierzu werden druckbetätigte Entlastungsventile eingesetzt, die ein schrittweises Entweichen des Mediums erlauben. Den Entlastungsventilen nachgeschaltet kann beispielsweise ein sogenanntes Blow-Off Management-System bzw. Boil-Off-Management-System (nachstehend: BMS) zum Einsatz kommen. Ein BMS kann einen katalytischen Konverter aufweisen, der Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff) mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu Wasser synthetisiert, um die Freisetzung von explosiven Gasgemischen zu vermeiden.
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Die
DE 10 2012 218 857 A1 und die
DE 10 2012 218 856 A1 offenbaren jeweils ein Verfahren zum Befüllen einer Kraftstoffspeicheranlage eines Kraftfahrzeugs. Die Kraftstoffspeicheranlage weist einen Haupttank und einen Hilfsspeicher auf. Vom Haupttank führt eine Versorgungsleitung zu einer Brennstoffzelle. Bei nicht betriebener Brennstoffzelle kann ein insbesondere aus einem Wärmeeintrag in den Haupttank resultierender Druckaufbau im Haupttank in den Hilfsspeicher hinein ohne Verlust von gespeichertem Kraftstoff abgebaut werden, indem aus dem Haupttank sicherheitshalber abgeführter Kraftstoff in den Hilfsspeicher gelangt und dort solange zwischengespeichert wird, bis die Brennstoffzelle aus dem Hilfsspeicher mit Kraftstoff versorgt wird. Bei langen Standzeiten des Kraftfahrzeugs kann auch dieser Hilfsspeicher gefüllt sein.
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Aus der
DE 302 28 02 A1 ist ferner ein Verfahren zur Erhöhung der Speicherdauer bekannt, bei dem abzulassendes Gas genutzt wird, um eine kleine Brennstoffzelle anzutreiben, die elektrische Energie für ein Kühlaggregat zur Kühlung eines Flüssigwasserstofftanks erzeugt.
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Die
DE 102 021 72 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei dem das Boil-off Gas in einer Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeuges einer Brennstoffzelle zugeführt wird. Die während der Nichtbenutzung vom Brennstoffzellensystem umgewandelte Energie kann in einer Batterie gespeichert werden.
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Die Brennstoffzellen in Fahrzeugen, die für den Antrieb des Kraftfahrzeuges ausgelegt sind, erfordern für eine gewisses Mindestvolumen an Brennstoff, damit sie ohne nennenswerte Degradationserscheinungen dauerhaft betrieben werden können. Vorteilhaft sollte daher die Brennstoffzellen eine gewisse Mindestleistung abgeben. Ein Brennstoffsystem benötigt zudem eine ausreichende Startphase, bis es den normalen Betriebszustand einnehmen kann. Der Druckbehälter, das Entlastungsventil und das BMS sind so ausgelegt, dass der Grenzdruck des Entlastungsventils nur relativ knapp über dem max. zulässigen Betriebsdruck des Behälters nach einer vollen Betankung liegt. Die Mengen bzw. Volumina an Brennstoff, die üblicherweise aufgrund von unvermeidlichen Wärmeeintrag abgelassen werden müssen, sind daher vergleichsweise gering. Vorbekannte mechanische Entlastungsventile öffnen die Ablassleitung, wenn der Grenzdruck überschritten ist, und schließen später wieder. Wird nun der abzulassende Brennstoff direkt in die Brennstoffzellen gespeist, so muss das Brennstoffzellensystem oft gestartet und wieder heruntergefahren werden. Ferner wird das System dadurch im ungünstigen Teillastbereich betrieben. Dieser für die Brennstoffzellen nachteilige „Blow-Off-Betrieb” kann die Lebensdauer der Brennstoffzellen degradieren.
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Die
US 2009 176135 A zeigt ein Brennstoffzellensystem, bei dem Boil-off-Gas in einer Brennstoffzelle umgesetzt wird, wobei das System so geregelt werden soll, dass Brennstoffzellenspannungen von über 0,85 Volt und Stromdichten von über 10% vermieden werden sollen. Bei einem solchen Betrieb werden jedoch die Balance-of-Plant Komponenten des Brennstoffzellensystems nicht in einem vorteilhaften Betriebspunkt betrieben.
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Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems von einem Kraftfahrzeug. Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle und mit mindestens einem kryogenen Druckbehältersystem.
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Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für die mindestens Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem kryogenen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff. Das kryogene Druckbehältersystem umfasst einen kryogenen Druckbehälter. Der kryogene Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. Als überkritischer Aggregatszustand wird ein thermodynamischer Zustand eines Stoffes bezeichnet, der eine höhere Temperatur und einen höheren Druck als der kritische Punkt aufweist. Der kritische Punkt bezeichnet den thermodynamischen Zustand, bei dem die Dichten von Gas und Flüssigkeit des Stoffes zusammenfallen, dieser also einphasig vorliegt. Während das eine Ende der Dampfdruckkurve in einem p-T-Diagramm durch den Tripelpunkt gekennzeichnet ist, stellt der kritische Punkt das andere Ende dar. Bei Wasserstoff liegt der kritische Punkt bei 33,18 K und 13,0 bar. Ein kryogener Druckbehälter ist insbesondere geeignet, den Brennstoff bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur (gemeint ist der Temperaturbereich der Fahrzeugumgebung, in dem das Fahrzeug betrieben werden soll) des Kraftfahrzeuges liegt, beispielsweise mind. 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin bzw. mindestens 150 Kelvin unterhalb der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges (i. d. R. ca. –40°C bis ca. +85°C). Der Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff sein, der bei Temperaturen von ca. 34 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas” = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas betrieben wird. Der kryogene Druckbehälter kann insbesondere einen Innenbehälter umfassen, der ausgelegt ist für Speicherdrücke bis ca. 1200 barü, bevorzugt bis ca. 875 barü, und besonders bevorzugt bis ca. 350 barü. Bevorzugt umfasst der kryogene Druckbehälter ein Vakuum mit einem Absolutdruck im Bereich von 10–9 mbar bis 10–1 mbar, ferner bevorzugt von 10–7 mbar bis 10–3 mbar und besonders bevorzugt von ca. 10–5 mbar.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle und dem mindestens einen kryogenen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff ferner mindestens eine zusätzliche Brennstoffspeicherkapazität. Die zusätzliche Brennstoffspeicherkapazität kann zusätzlich Brennstoff während einer inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges speichern. Es handelt sich dabei um eine Speicherkapazität, die bei der Auslegung des Systems zusätzlich vorgesehen wurde. Diese Speicherkapazität ist zusätzlich zur max. Speicherkapazität bei max. Befüllung des kryogenen Druckbehälters vorgesehen. Es ist also eine zusätzliche Reserve, die nicht für den normalen Betrieb der Brennstoffzelle vorgesehen ist, sondern nur für die inaktiven Phasen des Kraftfahrzeuges, in denen abzulassendes Gas zwischengespeichert wird. Insbesondere ist die zusätzliche Brennstoffspeicherkapazität bevorzugt ausgebildet, während einer inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges einen von außen induzierten Wärmeeintrag in den kryogenen Druckbehälter für eine gewisse Zeit zu kompensieren.
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Bevorzugt weist der mindestens eine Zwischenspeicher eine Speicherkapazität auf, die ausreicht, damit die mindestens eine Brennstoffzelle mindestens 1 Minute, bevorzugt mindestens 3 Minuten oder mindestens 6 Minuten betrieben werden kann. Da die Brennstoffzelle für das Erreichen der Betriebsfähigkeit und für die Abschaltprozedur jeweils mehrere Sekunden benötigen, ist eine Mindestbetriebszeit vorteilhaft. Relevante Subsysteme wie beispielsweise die Luftversorgung oder auch Betriebsparameter wie die Stapeltemperatur benötigen gewisse Startzeiten.
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Vorteilhaft
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Unter dem Begriff „inaktive Phase des Kraftfahrzeuges” ist eine Phase der Nichtbenutzung anzusehen, insbesondere ein längeres Zeitintervall, während dessen das Kraftfahrzeug vom Fahrzeugführer aktiv keine Anweisung erhält, die das Betreiben der Brennstoffzelle erfordert. Eine inaktive Phase des Kraftfahrzeuges ist beispielsweise das Parken des Kraftfahrzeuges über einen längeren Zeitraum. Mit anderen Worten ist eine inaktive Phase des Kraftfahrzeuges eine Phase, in der keine Fahrzeugkomponente – außer den Komponenten des Brennstoffzellensystems einschließlich des kryogenen Druckbehältersystems – Energie von der Brennstoffzelle aktiv anfordert. Anders ausgedrückt handelt es sich dabei um Phasen, in denen das Brennstoffzellensystem mit Blick auf andere elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeuges ausgeschaltet bleiben könnte, wenn nicht abzulassender Brennstoff zu entsorgen wäre.
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Das hier offenbarte Verfahren umfasst die Schritte:
- – Zwischenspeichern von Brennstoff in der zusätzlichen Brennstoffspeicherkapazität während einer inaktiven Phase der Kraftfahrzeuges; und
- – Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle während der inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges.
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Gemäß der hier offenbarten Technologie wird das Brennstoffzellensystem also auch in inaktiven Phasen betrieben, in den das Brennstoffzellensystem für andere Komponenten eigentlich keine elektrische Energie bereitstellen müsste. Ein katalytischer Edelmetall-Konverter kann entfallen. Während die Funktion des BMS regelmäßig überprüft werden müsste, um einen gegebenenfalls vorhandenen schlafenden Fehler zu detektieren, wird die Brennstoffzelle sowieso bei jeder Fahrt betrieben. Ein vorhandener Fehler würde so ohne Zusatzmaßnahmen erkannt werden. Der Wasserstoff kann sinnvoll für die Energiegewinnung genutzt werden und der durch die Brennstoffzelle erzeugte Strom steht für die Speicherung in mindestens einer der an Bord verbauten Batterien zur Verfügung. Die Energie kann auch zur Nutzung eines bevorzugten Fahrzeugzustands verwendet werden: z. B. für die Temperierung des Fahrgastraumes oder zum Vorwärmen/Vorkühlen der Brennstoffzelle und/oder des Kühlmittels. Notfalls könnte die Energie auch in Wärme verwandelt („vernichtet”) werden, wenn andere Nutzungs-Optionen nicht zur Verfügung stehen.
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Die zusätzliche Brennstoffspeicherkapazität kann als Zwischenspeicher ausgebildet sein, in dem der Brennstoff zwischengespeichert wird. Das kryogene Druckbehältersystem umfasst also bevorzugt einen zusätzlichen Zwischenspeicher, der mit dem kryogenen Druckbehälter fluidverbunden ist. Ein solches System kann ein Überdruck bzw. Entlastungsventil (nachstehend: Entlastungsventil) umfassen. Das Entlastungsventil gibt die Fluidverbindung zwischen Zwischenspeicher und kryogenen Druckbehälter frei, wenn der Druck im kryogenen Druckbehälter oberhalb eines Grenzdruckes liegt. Der Grenzwert kann beispielsweise leicht unterhalb des maximalen Betriebsdrucks des kryogenen Druckbehälters liegen. Wird dieser Grenzdruck aufgrund von Wärmeeintrag erreicht, so findet eine Druckentlastung statt, um einer Beschädigung des Druckbehälters vorzubeugen. Der Zwischenspeicher ist insbesondere ausgebildet, während einer inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges zur Druckentlastung des kryogenen Druckbehälters Brennstoff aufzunehmen. Die zusätzliche Brennstoffspeicherkapazität kann als Zwischenspeicher ausgebildet sein, der stromab vom Entlastungsventil und stromauf vom der Brennstoffzelle angeordnet ist.
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Die zusätzliche Brennstoffspeicherkapazität kann aber auch direkt im kryogenen Druckbehälter selbst vorgesehen sein. Insbesondere kann der kryogene Druckbehälter derart ausgebildet sein, dass der Druckbehälter zusätzlich zu der maximal zulässigen Betankungs-Brennstoffmasse bzw. maximal zulässigen Betankungs-Brennstoffspeicherkapazität auch die zusätzliche Brennstoffspeicherkapazität bereitstellt. Mit anderen Worten ist der kryogene Druckbehälter zusätzlich mit einer Reserve (= zusätzliche Speicherkapazität) ausgelegt, die durch die Betankung des Druckbehälters nicht beansprucht wird. Die Betankung wird vorher unterbrochen. Hierdurch lassen sich das Gewicht und der benötigte Bauraum weiter reduzieren. Die Auslegung des kryogenen Druckbehälters für höhere Drücke verlangt i. d. R. lediglich weitere faserverstärkte Kunststofflagen auf der Außenseite des Innenbehälters.
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Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle während der inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges der mindestens einen Brennstoffzelle eine Mengenstrom bzw. Volumenstrom an Brennstoff und/oder Luft zugeführt wird, der oberhalb von einem Stöchiometrie-Grenzwert von mindestens 1,1, vorteilhaft mindestens 1,5 liegt. Wobei der Grenzwert derart bemessen ist, dass die Brennstoffzelle nicht unter 10% der maximalen Stromdichte (Teillastbereich) betrieben wird. Dies ist vorteilhaft, da die Nebensysteme einen erhöhten Strombedarf haben und ferner das Brennstoffzellensystem für geringe Lasten nicht optimiert ist (z. B. Mindestdrehzahl Kompressor). Ein Betriebspunkt im mittleren Lastbereich (mehr als 10% bis ca. 70%, bevorzugt mind. 20% oder mind. 30% bis ca. 70%) der Maximalstromdichte ist vorteilhaft, da die Brennstoffzelle über eine unveränderte Startprozedur gestartet werden kann. Somit lässt sich die Degradation der mindestens einen Brennstoffzelle vermeiden.
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Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle während der inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges von der mindestens einen Brennstoffzelle bereitgestellte Energie zumindest teilweise in einer Batterie gespeichert wird und/oder zumindest teilweise einem Fahrzeug-externen Energieverbraucher und/oder Energiespeicher zur Verfügung gestellt wird. Beispielsweise kann eine Rückspeisung in das elektrische Netz erfolgen oder andere Speicher, z. B. im Haushalt, werden aufgeladen.
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Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle während der inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges von der mindestens einen Brennstoffzelle bereitgestellte Energie zumindest teilweise in mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine und/oder in mindestens einem Stellglied der Antriebsmaschine verbraucht wird.
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Das Kraftfahrzeug umfasst ferner mindestens eine elektrische Traktions-Arbeitsmaschine bzw. Antriebsmaschine (nachstehend und in den Ansprüchen wird für beide Begriffe vereinfachend der Ausdruck „Antriebsmaschine” verwendet). Die Antriebsmaschine dient dem Antrieb des Fahrzeuges und kann bevorzugt motorisch und generatorisch betrieben werden. Die Antriebsmaschine ist elektrisch leitend u. a. mit dem Brennstoffzellensystem verbunden. Die Antriebsmaschine ist ferner bevorzugt mit einer Hochvoltbatterie elektrisch leitend verbunden.
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Das Kraftfahrzeug kann ferner mindestens eine Steuereinrichtung umfassen, die mindestens eine der folgenden Komponenten steuert bzw. regelt: das Brennstoffzellensystem, die mindestens eine Antriebsmaschine, und/oder mindestens ein Stellglied der Antriebsmaschine.
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Das Kraftfahrzeug bzw. die Steuereinrichtung kann derart ausgebildet sein, die elektrische Energie, die vom Brennstoffzellensystem während der inaktiven Phase bereitgestellt wird, zumindest teilweise in der Antriebsmaschine und/oder in dem mindestens einen Stellglied der Antriebsmaschine verbraucht bzw. umgewandelt wird. Insbesondere wird die vom Brennstoffzellensystem bereitgestellte Energie verbraucht bzw. umgewandelt, ohne dass dadurch mindestens ein Antriebsrad das Kraftfahrzeug in Bewegung versetzt. Bevorzugt wird die bereitgestellte Energie zumindest teilweise in der Antriebsmaschine und/oder in dem mindestens einen Stellglied der Antriebsmaschine in Wärmeenergie umgewandelt. Insbesondere kann eine Aussetzspannung, die an der Antriebsmaschine anliegt, derart ausgebildet sein bzw. die Antriebsmaschine derart angesteuert sein, dass ein Rotor der Antriebsmaschine nicht in Rotation versetzt wird. Insbesondere kann die Aussetzspannung derart ausgebildet sein bzw. die Antriebsmaschine derart angesteuert sein, dass ein Rotor der Antriebsmaschine eine Pendelbewegung durchführt. Bevorzugt ist die Pendelbewegung dergestalt, dass durch diese Pendelbewegung das mindestens eine Antriebsrad des Kraftfahrzeuges nicht in Bewegung versetzt wird.
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Andere Möglichkeiten bestehen darin, dass das Kraftfahrzeug autonom betrieben wird, die von der mindestens einen Brennstoffzelle bereitgestellte Energie zumindest teilweise in der mindestens einen elektrischen Antriebsmaschine und/oder in dem mindestens einem Stellglied der Antriebsmaschine verbraucht wird. Auch wenn hier das Kraftfahrzeug aktiv ist, handelt es sich immer noch um eine inaktive Phase, da das Kraftfahrzeug nicht vom Fahrzeugführer instruiert wurde.
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Für sehr dichte Garagen und Garagen, die im Haus selbst sind, kann optional eine Belüftungsanlage/Garagentor angesteuert werden. Das Fahrzeug kann beispielsweise Zustands- und Umgebungsinformationen verwenden, um den einen für die mindestens eine Brennstoffzelle günstigeren Betriebsmodus einzustellen. Bei kalten Temperaturen kann die Brennstoffzelle beispielsweise langsamer hochgefahren werden als im normalen Startvorgang, da keine schnelle Fahrbereitschaft erzielt werden muss. Ferner kann in diesem Fall ein Großteil der elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt werden (z. B. über einen erzwungenen schlechten Wirkungsgrad oder über Nebenaggregate).
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Wird das Kraftfahrzeug in der Garage abgestellt, kann z. B. auf eine hohe Wasserabscheidung (z. B. durch Strömung und Temperatur des Wasserabscheiders) und/oder Verdünnung im System geachtet werden. Beispielsweise kann an einer Kathode der mindestens einen Brennstoffzelle Oxidationsmittel bereitgestellt werden, wobei das stöchiometrische Verhältnis λ des Oxidationsmittels zumindest zeitweise mindestens 2, ferner bevorzugt mindestens 3; und besonders bevorzugt mindestens 4 oder 5 beträgt. Alternativ kann eine Teilmenge dieses erhöhten Oxidationsmittelstroms über einen Bypass am Stack vorbeigeführt werden. Vorteilhaft wird dabei vergleichsweise viel Energie durch den Oxidationsmittelförderer verbraucht. Insbesondere bei geringen Umgebungstemperaturen können so Pfützen und Eisflächen vermieden werden. Bei höheren Temperaturen der Brennstoffzellen, beispielsweise oberhalb von 20°C, kann es sinnvoll sein, das stöchiometrische Verhältnis wieder zu reduzieren, insbesondere derart, dass der ionenselektive Separator nicht austrocknet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1546601 B1 [0001]
- DE 102012218857 A1 [0003]
- DE 102012218856 A1 [0003]
- DE 3022802 A1 [0004]
- DE 10202172 A1 [0005]
- US 2009176135 A [0007]