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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems.
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Brennstoffzellen werden aufgrund ihrer Wärmeproduktion flüssiggekühlt. Da die Kühlmittelkanäle, in welchen das Kühlmittel durch die Brennstoffzelle geführt wird, im Vergleich zu den Querschnitten in konventionellen Aggregaten einen sehr geringen Querschnitt besitzen, werden erhöhte Anforderungen an die Partikelreinheit des Kühlmittels gestellt. Im Kühlmittel mitgeführte Partikel könnten sich ansonsten in den Kühlmittelkanälen ansammeln und diese verblocken. Die Folge sind lokale Hot Spots und Bauteilversagen. Daher werden in Brennstoffzellen Partikelfilter zur Entfernung von Partikeln aus dem Kühlmittel eingesetzt.
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Beispielsweise offenbart die
DE 101 01 828 A1 eine Rohrleitung mit integriertem Partikelfilter, die für einen Einsatz in Kühlmittel-, Kondensat- oder Kraftstoffkreisläufen von Brennstoffzellensystemen vorgesehen ist.
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Aus der
DE 10 2005 036 664 A1 geht ebenfalls ein Partikelfilter für ein Brennstoffzellenkühlmittel hervor. Der Partikelfilter weist ein Filtergehäuse mit einem stromaufwärtigen Ende zur Aufnahme des Kühlmittels und einem stromabwärtigen Ende zur Abgabe des Kühlmittels auf. In dem Filtergehäuse befindet sich ein Filterelement. Ein Druckmesser steht in Wirkverbindung mit dem stromaufwärtigen Ende des Filtergehäuses, um einen Druck des Kühlmittels zu messen und anzuzeigen, der einem Blockierungsgrad des Filterelements entspricht.
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Aus der
DE10 2010 063 690 A1 ist ein Partikelfilter mit interner Nebenstromfiltration bekannt, der in einem Brennstoffzellenkühlsystem eingesetzt wird. Das Filterelement umfasst mehrere hülsenförmige Filterkörper aus einem Filtermaterial, die jeweils ein axial offenes Ende und ein axial geschlossenes Ende aufweisen und die parallel durchströmbar angeordnet sind, wobei sich wenigstens zwei dieser Filterkörper hinsichtlich ihrer Geometrie voneinander unterscheiden.
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Man kann den Partikelfilter in den vollen Strom, z.B. direkt vor dem Brennstoffzelleneintritt, platzieren. Ein im vollen Strom angeordneter Partikelfilter kann mit hoher Sicherheit alle Partikel aus dem Kühlmittel filtern; allerdings resultieren hohe Druckverluste durch die Filtration hoher Volumenströme. Die Folge ist ein erhöhter Energieverbrauch der Kühlmittelpumpe. Bei einem Brennstoffzellensystem in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug resultiert daraus ein Reichweitenverlust.
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Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um Partikel aus dem Kühlmittel eines Brennstoffzellensystems abzutrennen, die dabei auftretenden Druckverluste zu minimieren und eine Verstopfung der Kühlmittelkanäle der Brennstoffzelle zu verhindern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 10. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlmittelkreislauf, welcher einen durch mindestens eine Brennstoffzelle geführten Hauptstrang und einen Nebenstrang, in dem ein Partikelfilter angeordnet ist, aufweist. Im Kühlmittelkreislauf sind Mittel vorgesehen, um Partikel, welche sich in den Kühlmittelkanälen der mindestens einen Brennstoffzelle befinden, aus den Kühlmittelkanälen herauszuspülen.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist mindestens eine Brennstoffzelle auf. In einer Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem eine Vielzahl von Brennstoffzellen auf, die zu einem oder mehreren Stapeln, auch „Stacks“ genannt, zusammengefasst sind. Es existieren Ausführungsvarianten mit einem einzigen Stapel (Monostapel) oder mit zwei Stapeln (Duostapel). Auch Varianten mit mehr als zwei Stapeln sind möglich. Üblicherweise wird jeder Stapel über einen eigenen Kühlmittelstrang versorgt. In der vorliegenden Anmeldung wird der Begriff „Brennstoffzelle“ sowohl für eine einzelne Brennstoffzelle als auch für einen Brennstoffzellenstapel gebraucht.
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Der Kühlmittelkreislauf des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems weist einen Hauptstrang auf, in dem ein Hauptstrom des Kühlmittels durch die mindestens eine Brennstoffzelle geführt wird, sowie einen vom Hauptstrang abzweigenden und sich an einer Stelle stromabwärts der Abzweigung wieder mit dem Hauptstrang vereinigenden Nebenstrang, in dem ein Nebenstrom des Kühlmittels geführt wird.
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In einer Ausführungsform sind im Hauptstrang mindestens eine Kühlmittelpumpe und ein Kühler angeordnet. Die mindestens eine Kühlmittelpumpe pumpt einen Kühlmittelstrom durch den Kühlmittelkreislauf. Der Kühler regelt die Temperatur des Kühlmittelstroms auf einen gewünschten Wert.
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In dem Nebenstrang des Kühlmittelkreislaufs ist ein Partikelfilter angeordnet, der dafür eingerichtet ist, im Kühlmittel enthaltene Partikel zurückzuhalten und dadurch aus dem Kühlmittel zu entfernen. Geeignete Partikelfilter sind dem Fachmann im Prinzip bekannt. Beispielsweise können die in den oben genannten Patentanmeldungen beschriebenen Partikelfilter Verwendung finden. In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Partikelfilter um einen Partikelfilter, welcher nach dem Siebprinzip die Partikel aufhält und im Filter ansammelt. In einer Ausführungsform ist der Nebenstrang als Bypass der Brennstoffzelle ausgeführt, d.h. er zweigt stromaufwärts der Brennstoffzelle vom Hauptstrang ab und mündet stromabwärts der Brennstoffzelle wieder in den Hauptstrang.
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Durch die Platzierung eines Partikelfilters in einem Nebenstrang des Kühlmittelkreislaufs wird nur ein Teilstrom filtriert. Dadurch verringern sich die durch die Filtration verursachten Druckverluste, was einen geringeren Energieverbrauch zur Folge hat. Da nur ein Teilstrom filtriert wird, können jedoch Partikel im Kühlmittel verbleiben und in die mindestens eine Brennstoffzelle gelangen. Eine Partikelakkumulation in den Kühlmittelkanälen der mindestens einen Brennstoffzelle wird erfindungsgemäß vermieden durch einen Spülmodus, durch welchen angelagerte Partikel wieder aus der mindestens einen Brennstoffzelle ausgetragen werden. Dadurch wird eine Verstopfung der Kühlmittelkanäle der mindestens einen Brennstoffzelle verhindert.
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Im Kühlmittelkreislauf sind Mittel vorgesehen, um Partikel, welche sich in den Kühlmittelkanälen der mindestens einen Brennstoffzelle befinden, aus den Kühlmittelkanälen herauszuspülen.
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In einer Ausführungsform sind die Mittel dafür eingerichtet, den Fördervolumenstrom und somit den Druckgradienten über das zu spülende Bauteil, d.h. die Kühlmittelkanäle der mindestens einen Brennstoffzelle, zu erhöhen. Dadurch werden Partikelakkumulationen aufgebrochen und durch die Kühlmittelkanäle der Brennstoffzelle gepresst.
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In einer Ausführungsform erfolgt dies durch die Verwendung einer Hauptkühlmittelpumpe, welche für den Normalbetrieb überdimensioniert ist, d.h. deren Förderleistung über den für den Normalbetrieb des Kühlmittelkreislaufs erforderlichen Wert hinaus erhöht werden kann.
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In einer anderen Ausführungsform wird dies erreicht durch die Verwendung mehrerer Pumpen. In einer speziellen Ausführungsform wird zusätzlich zur Kühlmittelpumpe eine Pumpe eines Heizkreislaufs des Kraftfahrzeugs eingesetzt, um den Fördervolumenstrom im Kühlmittelkreislauf zu erhöhen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mindestens zwei Stapel innerhalb der Brennstoffzelle auf. An der Verzweigung des Kühlmittelstrangs zu den mindestens zwei Stapeln ist ein Schaltventil (SV) angeordnet, mit dem der Kühlmittelstrom wahlweise auf die mindestens zwei Stapel verteilt oder durch einen einzigen der mindestens zwei Stapel geleitet wird. Im Spülbetrieb wird der Fördervolumenstrom der Kühlmittelpumpe einzig in einen der Stapel geleitet. Dadurch erhöht sich der Volumenstrom in diesem durchströmten Stapel signifikant.
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In einer anderen Ausführungsform sind die Mittel dafür eingerichtet, die Richtung des Kühlmittelstroms durch die Kühlmittelkanäle der mindestens einen Brennstoffzelle umzukehren. In der Regel sammeln sich die Partikel am Eintritt in den Kühlmittelkanal an und entfalten ihre verblockende Wirkung in der räumlichen Vorzugsrichtung des Normalbetriebs. Kehrt man die Richtung des Kühlmittelstroms um, werden die Partikelakkumulationen aufgebrochen und die Partikel wieder fein im Kühlmittelstrom verteilt.
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In einer Ausführungsvariante sind im Kühlmittelkreislauf Schaltventile sowie Spülleitungen vorhanden, die dafür eingerichtet sind, eine Umkehrung der Richtung des Förderstroms durch den Brennstoffzellenstapel zu ermöglichen. Ist in der Brennstoffzelle mehr als ein Stapel vorhanden, kann der umgekehrte Förderstrom auf die Stapel verteilt oder durch einen einzigen Stapel geleitet werden, um dort einen höheren Fördervolumenstrom zu erzeugen.
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In einer anderen Ausführungsvariante ist ein Heizkreislauf des Kraftfahrzeugs mit dem Brennstoffzellenkühlkreislauf verknüpft. Der Heizkreislauf weist eine eigenständige Pumpe auf. Der Heizkreislauf wird im Normalbetrieb mit heißem Kühlmittel durchströmt, welches aus dem Brennstoffzellenkühlkreislauf nach dem Austritt aus der Brennstoffzelle entnommen wird, um über einen Heizungswärmetauscher (HWT) Wärme an den Innenraum des Kraftfahrzeugs abzugeben. Im Spülbetrieb wird die Pumpe des Heizkreislaufs eingesetzt, um die Brennstoffzelle in Gegenrichtung zum Normalbetrieb zu durchströmen.
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In beiden Fällen werden die Partikel durch den Spülbetrieb nicht aus dem Kühlmittelstrom entfernt. Das ist die Aufgabe des parallel geschalteten Partikelfilters, der in einem Nebenstrang des Kühlmittelkreislaufs angeordnet ist. Es wird aber eine Verblockung der Kühlmittelkanäle der mindestens einen Brennstoffzelle durch die Partikel unterbunden, die zu einer Schädigung der Brennstoffzelle führen könnte.
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Zu den Vorteilen der Erfindung zählt, dass durch niedrige Druckverluste bei der Partikelentfernung aus dem Kühlmittel der Energieverbrauch verringert und damit die Reichweite des Kraftfahrzeugs erhöht wird, wobei der Schutz der Bauteile der Brennstoffzelle gegen Schäden durch Partikeleintrag gewährleistet bleibt.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Kühlmittelstrom eines Brennstoffzellensystems in einen Hauptstrom und einen Nebenstrom aufgeteilt. Der Hauptstrom wird durch die mindestens eine Brennstoffzelle geleitet, der Nebenstrom durch einen Partikelfilter, welcher im Nebenstrom enthaltene Partikel zurückhält und dadurch aus dem Nebenstrom entfernt. Hauptstrom und Nebenstrom werden stromabwärts des Partikelfilters wieder vereinigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen Spülschritt, in dem Partikel, welche sich in den Kühlmittelkanälen der mindestens einen Brennstoffzelle befinden, aus den Kühlmittelkanälen herausgespült werden. In einer Ausführungsform wird im Spülschritt der Volumenstrom des durch die Kühlmittelkanäle der mindestens einen Brennstoffzelle geleiteten Kühlmittels gegenüber dem Volumenstrom bei Normalbetrieb erhöht. In einer anderen Ausführungsform wird im Spülschritt die Richtung des Kühlmittelstroms durch die Kühlmittelkanäle der mindestens einen Brennstoffzelle umgekehrt. In einer Ausführungsform wird der Spülschritt nur dann durchgeführt, wenn sich das Kraftfahrzeug nicht im Fahrbetrieb befindet.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen illustriert und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
- 2 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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1 zeigt schematisch eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelle 11 zwei Brennstoffzellenstapel 11.1 und 11.2, die jeweils aus dem Hauptstrang 16 des Kühlmittelkreislaufs mit Kühlmittel versorgt werden. An der Verzweigung des Hauptstranges 16 zu den beiden Stapeln 11.1 und 11.2 ist ein Schaltventil 15 angeordnet. Im Normalbetrieb verteilt das Schaltventil 15 den Kühlmittelstrom gleichmäßig auf die beiden Stapel 11.1 und 11.2. Im Hauptstrang befinden sich eine Kühlmittelpumpe 14, die das Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf fördert und ein Kühler 12, über den die Temperatur des Kühlmittels reguliert wird. In einem Nebenstrang 17 befindet sich ein Partikelfilter 13, der Partikel aus dem Kühlmittel entfernt. Die Anschlüsse des Nebenstrangs 17 können an verschiedenen Stellen des Hauptstrangs 16 positioniert sein. Neben der dargestellten Variante kann der Nebenstrang 17 beispielsweise auch als Bypass der Brennstoffzelle 11 ausgeführt sein oder als Bypass des Kühlers 12.
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Im Spülbetrieb leitet das Schaltventil 15 den gesamten Fördervolumenstrom der Kühlmittelpumpe 14 einzig in einen der beiden Stapel 11.1 oder 11.2. Dadurch erhöht sich der Volumenstrom in diesem durchströmten Stapel signifikant und in den Kühlmittelkanälen des durchströmten Stapels abgelagerte Partikel werden ausgespült.
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2 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10. Der Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems 10 umfasst einen Hauptstrang 16, in dem eine Brennstoffzelle 11, ein Kühler 12 und eine Kühlmittelpumpe 14 angeordnet sind, und einen Nebenstrang 17 mit einem Partikelfilter 13. Im Hauptstrang 16 sind vier Schaltventile 15 angeordnet, die mit zwei Spülleitungen 18 verbunden sind, wobei eine Spülleitung 18 einen Bypass der Brennstoffzelle darstellt und die zweite Spülleitung 18 einen Bypass der Pumpe 14.
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Im Normalbetrieb lassen die Spülventile den Kühlmittelstrom durch den Hauptstrang 16 und den Nebenstrang 17 zirkulieren; die Spülleitungen 18 sind abgesperrt. Im Spülmodus erfolgt über die Schaltventile 15 sowie die Spülleitungen 18 eine Umkehrung der Richtung des Förderstroms durch die Brennstoffzelle 11. Das Kühlmittel wird von der Kühlmittelpumpe 14 durch das stromabwärts erste Schaltventil 15 und die erste Spülleitung 18 an der Brennstoffzelle 11 vorbeigeleitet und durch ein weiteres Schaltventil 15 hinter der Brennstoffzelle 11 entgegen der Förderrichtung im Normalbetrieb durch die Brennstoffzelle 11 geleitet, wodurch in den Kühlmittelkanälen der Brennstoffzelle 11 abgelagerte Partikel aus der Brennstoffzelle 11 gespült werden. Durch ein weiteres Schaltventil 15 fließt das Kühlmittel über die zweite Spülleitung 18 und ein weiteres Schaltventil 15 wieder zur Saugseite der Pumpe 14.
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3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10. Auf die Darstellung eines Partikelfilters 13, welcher in einem Nebenstrang 17 platziert ist und Partikel aus dem Kühlmittelstrom entfernt, ist der Übersichtlichkeit halber in der Darstellung verzichtet worden. In dieser Ausführungsvariante ist ein Heizkreislauf 20 mit eigenständiger Pumpe 14 mit dem Kühlmittelkreislauf der Brennstoffzelle 11 verbunden. Im Heizkreislauf 20 ist ein Heizungswärmetauscher 19 (HWT) angeordnet. Zur Wärmeabgabe an den Innenraum des Kraftfahrzeugs wird dieser im Normalbetrieb mit heißem Kühlmittel durchströmt, welches aus dem Brennstoffzellenkühlkreis stromabwärts der Brennstoffzelle 11 über ein Schaltventil 15 entnommen wird. Nach Durchlaufen der Pumpe 14 und des HWT 19 im Heizkreislauf 20 wird das Kühlmittel über ein weiteres Schaltventil 15 wieder in den Hauptstrang 16 des Kühlmittelkreislaufs zurückgeführt. Das zwischen der Kühlmittelpumpe 14 und der Brennstoffzelle 11 angeordnete Schaltventil 15, das mit einer Spülleitung 18 verbunden ist, leitet im Normalbetrieb den gesamten Kühlmittelstrom von der Pumpe 14 zur Brennstoffzelle 11.
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Im Spülbetrieb wird die Pumpe 14 des Heizkreislaufs 20 eingesetzt, um die Brennstoffzelle 11 in Gegenrichtung zu durchströmen. Hierzu werden die Schaltventile 15 so eingestellt, dass die Pumpe 14 des Heizkreislaufs 20 das Kühlmittel über die beiden zwischen Brennstoffzelle 11 und Kühler 12 angeordneten Schaltventile 15 und die sie verbindende Leitung durch die Brennstoffzelle 11 pumpt, wodurch in den Kühlmittelkanälen der Brennstoffzelle 11 abgelagerte Partikel aus der Brennstoffzelle 11 gespült werden. Über ein weiteres Schaltventil 15 und die Spülleitung 18 fließt das Kühlmittel zur Saugseite der Pumpe 14 des Heizkreislaufs 20 zurück.
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Im einem alternativen Spülmodus wird die Pumpe 14 des Heizkreislaufs 20 eingesetzt, um den Volumenstrom durch die Brennstoffzelle 11 gegenüber dem Normalbetrieb zu erhöhen. Durch die kombinierte Förderleistung beider Pumpen 14 wird ein höherer Volumenstrom im Kühlmittelkreislauf und damit ein höherer Druckgradient über die Kühlmittelkanäle der Brennstoffzelle 11 erzeugt, wodurch in den Kühlmittelkanälen der Brennstoffzelle 11 abgelagerte Partikelagglomerate aufgebrochen und ausgespült werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellensystem
- 11
- Brennstoffzelle
- 11.1
- Brennstoffzellenstapel 1
- 11.2
- Brennstoffzellenstapel 2
- 12
- Kühler
- 13
- Partikelfilter
- 14
- Pumpe
- 15
- Schaltventil
- 16
- Hauptstrang
- 17
- Nebenstrang
- 18
- Spülleitung
- 19
- Heizungswärmetauscher (HWT)
- 20
- Heizkreislauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10101828 A1 [0003]
- DE 102005036664 A1 [0004]
- DE 102010063690 A1 [0005]
