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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt, eine Speichereinheit mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt, eine Steuereinheit zum Durchführen eines Verfahrens zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Brennstoffzellensysteme bekannt. Eines davon ist ein sogenanntes SOFC-System mit einer Festoxidbrennstoffzelle. SOFC-Systeme werden insbesondere für stationäre Anwendungen genutzt. In den letzten Jahren wurden SOFC-Systeme jedoch auch immer häufiger für den mobilen Einsatz entwickelt. SOFC-Systeme bzw. entsprechend ausgestaltete Brennstoffzellensysteme weisen in der Regel wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit wenigstens einem Anodenabschnitt und wenigstens einem Kathodenabschnitt auf. Bei der Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems ist darauf zu achten, dass der Anodenabschnitt bei hohen Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen über 400°C, nicht zu lange mit Sauerstoff in Berührung kommt. Ist dies der Fall, kann am Anodenabschnitt eine Re-Oxidation stattfinden, welche zum umgehenden Bruch des Elektrolyten und/oder zu einem kontinuierlichen Abbau des Anodenmaterials führen kann.
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Gleichwohl gibt es im Stand der Technik Brennstoffzellensysteme, bei welchen der Anodenabschnitt beispielsweise bei einem Ausschaltvorgang des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen von über 400°C mit Sauerstoff bzw. einem Fluid , z. B. mit Luft gespült wird, um den Brennstoffzellenstapel möglichst schnell zu kühlen. Verschiedene Verfahren und Systeme zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels gehen aus der
US 2011/123884 A1 , der
US 2009/253007 A1 , der
WO 2005/101556 A1 sowie der
WO 2008/001119 A2 hervor. Neben der eingangs erwähnten Problematik bezüglich des Spülens des Anodenabschnitts mit sauerstoffhaltigem Gas bei zu hohen Temperaturen weist eine solche Vorgehensweise ein weiteres Problem auf. Bei einem in Rede stehenden Spülvorgang wird durch eine Versorgungsbatterie des Brennstoffzellensystems in der Regel ein Gebläse betrieben, welches Umgebungsluft in den Anodenabschnitt leitet. Dadurch kann die Versorgungsbatterie stark entladen werden. Dies führt dazu, dass entweder eine ausreichend große Versorgungsbatterie verbaut werden müsste, oder die Versorgungsbatterie bei einer mobilen Anwendung entsprechend häufig geladen werden müsste. Beides soll jedoch möglichst verhindert bzw. minimiert werden. Entsprechend sollten während des Ausschaltvorgangs möglichst viele leistungsverbrauchende Komponenten des Brennstoffzellensystems abgeschaltet werden, um den Stromverbrauch der Versorgungsbatterie entsprechend gering zu halten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels, ein Computerprogrammprodukt, eine Speichereinheit, eine Steuereinheit, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, durch welche bzw. in welchen wenigstens eine Komponente eines Brennstoffzellensystems, insbesondere ein Brennstoffzellenstapel, auf stromsparende und sichere Weise gekühlt werden kann, wobei ein Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels vor Beschädigung und/oder Zerstörung geschützt werden kann.
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Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, das Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 10, die Speichereinheit gemäß Anspruch 11, die Steuereinheit gemäß Anspruch 12, das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 13 sowie das Fahrzeug gemäß Anspruch 14 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt, der erfindungsgemäßen Speichereinheit, der erfindungsgemäßen Steuereinheit, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, wobei der Brennstoffzellenstapel einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt aufweist und im Brennstoffzellensystem ein Reformer zum Reformieren von Brennstoff für den Anodenabschnitt angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird Brennstoff im Reformer nur teilweise reformiert und der teilweise reformierte Brennstoff wird zum Kühlen des Anodenabschnitts und somit auch des Brennstoffzellenstapels anschließend dem Anodenabschnitt zugeführt.
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Der nur teilweise reformierte Brennstoff kann am Anodenabschnitt im Rahmen einer besonders wirksamen endothermen Reaktion umgewandelt werden. Dadurch werden der Anodenabschnitt bzw. der Brennstoffzellenstapel entsprechend gekühlt. Das Kühlen mittels des nur teilweise reformierten Brennstoffs stellt eine besonders einfach anzuwendende und energiesparende Maßnahme dar, da grundsätzlich keine Zusatzvorrichtungen erforderlich sind. Darüber hinaus schützt die reduzierte Umgebung den Anodenabschnitt vor einer Oxidation. Dadurch, dass der Anodenabschnitt bei hohen Temperaturen von beispielsweise über 400°C, insbesondere über 300°C, nicht mit Luft, sondern zumindest vorerst nur oder hauptsächlich mit dem nur teilweise reformierten Brennstoff beaufschlagt wird, kann der in der Beschreibungseinleitung erwähnten Problematik ausreichend Rechnung getragen werden. Der Anodenabschnitt wird insbesondere mit reformierten oder nur teilweise reformierten Brennstoff beaufschlagt, welcher im Wesentlichen, insbesondere komplett frei von Sauerstoff ist. Beschädigungen oder Zerstörungen durch Sauerstoff im Anodenabschnitt bei zu hohen Temperaturen können dadurch verhindert werden. Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auf den Betrieb eines Gebläses, das zum Spülen des Anodenabschnitts mit Luft betrieben wird, zumindest zeitweise verzichtet werden kann, da der Anodenabschnitt aktiv gekühlt wird. Durch diesen Verzicht kann Strom gespart werden und der Ladezustand einer Versorgungsbatterie des Brennstoffzellensystems kann entsprechend hoch gehalten werden. Dies ist insbesondere bei einem mobilen Einsatz des Brennstoffzellensystems bzw. des vorgeschlagenen Verfahrens von Vorteil. Durch den stromsparenden Betrieb des Brennstoffzellensystems kann eine Versorgungsbatterie des Brennstoffzellensystems unter Verwendung des vorliegenden Verfahrens weiterhin vor einer unerwünschten Tiefenentladung geschützt werden. Mithin dient das Verfahren auch zum Schutz des Brennstoffzellensystems. Weiter ist es vorteilhaft, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren ein aktives Abkühlen erfolgt, weshalb auf ein Kathodengebläse verzichtet werden kann. Es ist günstig, wenn der Brennstoff, welcher Methan umfasst, im Reformer zumindest derart teilweise reformiert wird, dass Methan zumindest teilweise aus dem Reformer ausgeströmt und in den Brennstoffzellenstapel eingebracht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch in Kombination mit einem Kathodengebläse verwendet werden. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel in einem ersten Schritt erfindungsgemäß gekühlt und in einem zweiten Schritt mit dem Kathodengebläse gekühlt werden.
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Weiter ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft, um eine Rußbildung an der Anode bzw. im Anodenabschnitt zu verhindern. Dafür wird eine Temperatur des Reformers so verändert, dass eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels in kurzer Zeit durch teilweise reformiertem Brennstoff gesenkt wird. In einem weiteren Schritt wird der Brennstoffzellenstapel, insbesondere der Anodenabschnitt, mit vollständig reformiertem Brennstoff gespült.
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Unter teilweise reformierten Brennstoff ist im Rahmen der Erfindung zu verstehen, dass nicht der gesamte Brennstoff reformiert wird, sondern ein vorbestimmter Anteil an Brennstoff unreformiert aus dem Reformer austritt. Als Brennstoff wird insbesondere Methan verwendet. Eine teilweise Reformierung des Brennstoffes kann insbesondere durch ein Halten einer vorbestimmten Reformertemperatur erreicht werden. Grundsätzlich scheint ein Refomierungsgrad des Brennstoffes von der Reformertemperatur abhängig zu sein, wobei gilt, dass je höher die Reformertemperatur ist umso mehr Brennstoff wird reformiert. Folglich wird bei einer nur teilweisen Reformierung die Reformertemperatur auf einem konstanten niedrigen Wert gehalten, beispielsweise im Bereich von etwa 500°C bis 600°C.
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Der nur teilweise reformierte Brennstoff wird anschließend am Anodenabschnitt weiter reformiert. Diese Umwandlung findet im Rahmen einer besonders wirksamen endothermen Reaktion statt. Der Anodenabschnitt weist eine wärmere Temperatur auf als der teilweise reformierte Brennstoff, weshalb dieser aufgrund der endothermen Reformierungsreaktion gekühlt wird. Es kann vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellenstapel mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bis zu einer vorbestimmten Temperatur, insbesondere etwa 300°C oder weniger, gekühlt wird, ab welcher Sauerstoff eingeführt werden kann, ohne dass der Brennstoffzellenstapel beschädigt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders bevorzugt bei einem Ausschaltvorgang eines Brennstoffzellensystems verwendet, bei welchem kein Strom erzeugt wird.
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Unter dem Kühlen des Brennstoffzellenstapels ist vorliegend zumindest ein teilweises Kühlen des Brennstoffzellenstapels oder ein zumindest teilweises Kühlen des Brennstoffzellensystems zu verstehen. Erfindungsgemäß wird insbesondere der Anodenabschnitt gekühlt. Dies kann sich selbstverständlich auch auf andere Komponenten des Brennstoffzellensystems auswirken.
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Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstapel auf. D.h., das Brennstoffzellensystem kann auch mehrere Brennstoffzellenstapel aufweisen. Mithin ist der Brennstoffzellenstapel als zumindest ein Brennstoffzellenstapel zu verstehen. Unter dem Brennstoff ist vorzugsweise reiner Brennstoff oder ein Brennstoffgemisch mit reinem Brennstoff, Luft, einem anderen sauerstoffhaltigen Fluid, Wasser und/oder einem anderen wasserhaltigen Fluid zu verstehen. Der Brennstoff ist vorzugsweise kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff.
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Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise ein SOFC-System, d.h., ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Festoxidbrennstoffzelle. Mithin ist das Verfahren insbesondere zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels in einem SOFC-System bereitgestellt. Unter der teilweisen Reformierung des Brennstoffs ist vorzugsweise die teilweise Umwandlung des Brennstoffs in ein Synthesegas im Rahmen einer Dampfreformierung zu verstehen. Wird als Brennstoff beispielsweise Methan verwendet, findet im Rahmen der Reformierung eine Umwandung von Methan und Wasser in Kohlenmonoxid und Wasserstoff statt. Bei der teilweisen Reformierung wird der Brennstoff nicht vollständig umgewandelt. Beispielsweise werden nur weniger als 90%, insbesondere nur weniger als 70% des Brennstoffs umgewandelt bzw. reformiert.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren der Brennstoff im Reformer während eines Ausschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems teilweise reformiert und der teilweise reformierte Brennstoff wird dem Anodenabschnitt während des Ausschaltvorgangs zugeführt. Das Kühlen des Brennstoffzellenstapels ist insbesondere für den Ausschaltvorgang des Brennstoffzellensystems von Vorteil. Unter einem Ausschaltvorgang ist ein Prozess zu verstehen, bei welchem das Brennstoffzellensystem in einen Zustand versetzt wird, in welchem es keinen Strom mehr erzeugt. Durch das vorliegende Verfahren kann der Brennstoffzellenstapel während des Ausschaltvorgangs schnell heruntergekühlt werden, während der Anodenabschnitt aufgrund der reduzierten Umgebung vor einer unerwünschten Oxidation geschützt wird. Der teilweise reformierte Brennstoff wird dem Anodenabschnitt vorzugsweise über eine vorbestimmte Zeitdauer, insbesondere über einen vordefinierten Anfangszeitraum des Ausschaltvorgangs, zugeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht darauf beschränkt, nur während eines Ausschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems durchgeführt zu werden. Grundsätzlich kann das Verfahren immer dann durchgeführt werden, wenn der Brennstoffzellenstapel oder daran angrenzende Bestandteile des Brennstoffzellensystems gekühlt werden sollen.
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Weiterhin ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, dass in dem Brennstoffzellensystem stromaufwärts des Reformers ein Verdampfer zum Verdampfen des Brennstoffs angeordnet ist, wobei der Brennstoff, insbesondere während des Ausschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems, durch den Verdampfer verdampft wird und der verdampfte Brennstoff dem Reformer zugeführt wird. Mithin kann der Verdampfer während des Ausschaltvorgangs weiter betrieben werden. Dadurch kann der Brennstoff effizient bzw. energiesparend reformiert werden. Unter dem Verdampfer kann ein Wärmetauscher verstanden werden, durch den der Brennstoff mittels Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel oder einem Abgasbrenner des Brennstoffzellensystems erhitzt und dadurch verdampft wird. Der Reformer und somit auch der Verdampfer sind dabei insbesondere stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels angeordnet.
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Von weiterem Vorteil kann es sein, dass bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung stromabwärts des Anodenabschnitts ein Abgasbrenner zum Verbrennen von Anodenabgas und/oder Kathodenabgas angeordnet ist, der mit dem Reformer in thermischer Wirkverbindung steht, wobei der Reformer mittels des Abgasbrenners auf einer vordefinierten Solltemperatur gehalten wird, bei welcher nur ein vordefinierter Teil des Brennstoffs reformiert wird. Eine Temperierung des Reformers mittels des Abgasbrenners ist einfach und kostengünstig realisierbar, da keine separaten Hilfsvorrichtungen benötigt werden. Für einen effektiven Wärmetransport vom Abgasbrenner zum Reformer kann der Abgasbrenner ringförmig um den Reformer herum angeordnet sein. Es sind jedoch auch alle anderen Anordnungen vom Reformer zum Abgasbrenner denkbar. Vorteilhaft ist dabei stets, dass diese so zueinander angeordnet sind, dass Wärme effektiv zwischen diesen transportiert wird oder transportierbar ist. Durch die direkte oder im Wesentlichen direkte thermische Wirkverbindung zwischen dem Reformer und dem Abgasbrenner kann der Reformer zuverlässig gleichmäßig auf einer gewünschten bzw. vordefinierten Temperatur gehalten werden. Dadurch ist auf entsprechend zuverlässige Weise die gewünschte teilweise Reformierung des Brennstoffs möglich. Wärme wird entweder durch Wärmekonvektion, Wärmeleitung oder durch Wärmestrahlung vom Abgasbrenner zum Reformer übertragen. Der Abgasbrenner und der Reformer sind dabei jeweils so ausgebildet und zueinander angeordnet, dass eine entsprechende Wärmeübertragung erfolgen kann. Eine Reformertemperatur kann dadurch geändert werden, dass dem Reformer Luft zugeführt wird, oder dass Wärme des Startbrenners dem Reformer zugeführt wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Brennstoff, welcher den Anodenbereich verlässt, genügend warm ist, um den Reformer auf einer vorbestimmten Temperatur oder einen vorbestimmten Temperaturbereich zu halten. Soll der Reformer gekühlt werden, kann dem Abgasbrenner kalte Luft über den Startbrenner oder über den Kathodenbereich zugeführt werden.
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Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass bei einem Verfahren der Brennstoff im Reformer während eines Ausschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems teilweise reformiert wird und der teilweise reformierte Brennstoff dem Anodenabschnitt während des Ausschaltvorgangs zugeführt wird, wobei dem Abgasbrenner während des Ausschaltvorgangs weniger oder mehr Sauerstoff zugeführt wird als während eines Normalbetriebs und/oder während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems. Dadurch können auf einfache Weise die Reformertemperatur geregelt und sichergestellt werden, dass der Brennstoff im Reformer in vordefiniertem Umfang nur teilweise und nicht vollständig reformiert wird. Ob dem Abgasbrenner während des Ausschaltvorgangs weniger oder mehr Sauerstoff zugeführt wird, als während eines Normalbetriebs und/oder während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems ist von einer gewünschten Reformertemperatur und/oder einer maximalen Betriebstemperatur des Reformers abhängig. Alternativ oder gleichzeitig kann eine Zuführung von Luft zum Reformer vorgesehen sein, um eine endothermische Reaktion zu erzeugen, sodass eine Temperatur am Reformer autonom reguliert werden kann. Bei einer Zuführung von Luft zum Reformer erfolgt eine katalytische partielle Oxidation. Es kann auch vorgesehen sein, dass Wärme vom Startbrenner zum Reformer geleitet wird, um eine Temperatur des Reformers zu regulieren. Während des Ausschaltvorgangs wird dem Abgasbrenner vorzugsweise nicht nur weniger, sondern gar kein Sauerstoff zugeführt, sodass auf kontrollierte Weise möglichst nur noch die Resthitze des Abgasbrenners genutzt wird. Dadurch können Energieressourcen im Brennstoffzellensystem effizient genutzt bzw. eingespart werden. Es ist folglich stets vorteilhaft, wenn das Gas zum Spülen und/oder Kühlen des Anodenabschnittes frei von Sauerstoff oder im Wesentlichen frei von Sauerstoff ist. Ein vorhandener Sauerstoff würde sich nämlich mit dem Anodenmaterial verbinden, wodurch die Anode oxidiert. Ein Oxidieren des Anodenabschnittes soll jedoch vermieden werden.
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Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich zudem herausgestellt, dass es von Vorteil sein kann, wenn in dem Brennstoffzellensystem stromaufwärts des Reformers ein Verdampfer zum Verdampfen des Brennstoffs sowie ein separat zum Verdampfer angeordneter Brennstoffeinlass zum Zuführen, insbesondere zum bevorzugt direkten Einspritzen, von Brennstoff in den Reformer angeordnet sind, wobei der Brennstoff für das teilweise Reformieren des Brennstoffs im Reformer durch den Brennstoffeinlass dem Reformer zugeführt wird. Der Verdampfer kann dabei auch stromaufwärts des Nachbrenners oder stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein. Der Brennstoff wird bevorzugt in den Reformer eingespritzt, wofür der Brennstoffeinlass insbesondere als Brennstoffinjektor ausgebildet ist. Der Brennstoff kann jedoch auch in den Reformer gesprüht oder gepumpt werden, wofür der Brennstoffeinlass zum Einbringen von gasförmigen Brennstoff ausgebildet ist. Besonders bevorzugt wird der Brennstoff jedoch durch einen Brennstoffinjektor direkt in den Reformer eingespritzt. Durch direktes Einspritzen des Brennstoffs mittels des Brennstoffinjektors kann auf den weiteren Betrieb des Verdampfers verzichtet werden. Dadurch kann die für den Betrieb des Verdampfers benötigte Energie gespart werden. Das Brennstoffzellensystem kann dadurch entsprechend effizient betrieben werden. Es ist jedoch günstig, den Verdampfer bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems unter etwa 300°C zu verwenden, insbesondere bei einem Abschaltvorgang. Weiterhin kann der Brennstoff durch den Brennstoffeinlass oder den Brennstoffinjektor bereits zerstäubt in den Reformer injiziert werden. Dadurch kann der Reformierungsvorgang effizient durchgeführt werden. Der beschriebene Einspritzvorgang mittels des Brennstoffeinlasses wird vorzugsweise während des Ausschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems durchgeführt.
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Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Temperatur im Brennstoffzellensystem, insbesondere eine Temperatur am Brennstoffzellenstapel, ermittelt wird, wobei der Anodenabschnitt mit sauerstoffhaltigem Gas gespült wird, sobald die ermittelte Temperatur unter einem vordefinierten Schwellenwert, insbesondere unter 400°C, bevorzugt unter 300°C, liegt. Diese Schwellenwerte sind insbesondere für Feststoffoxidbrennstoffzellen relevant. Dadurch kann der erfindungsgemäße Kühlvorgang, bei welchem der teilweise reformierte Brennstoff verwendet wird, mit einem konventionellen Kühlvorgang, bei welchem sauerstoffhaltiges Fluid als Spül- bzw. Kühlmittel verwendet wird, auf einfache und sichere Weise kombiniert werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass der Anodenabschnitt bei Temperaturen unterhalb von ca. 300°C, wenn Kohlenmonoxid Nickel-Carbonyl bildet bzw. bilden würde, relativ gefahrlos mit sauerstoffhaltigem Fluid, beispielsweise Luft, gespült und dadurch entsprechend gekühlt werden kann. Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass bei Feststoffoxidbrennstoffzellen, welche Metall umfassen, mehr Oxidation toleriert werden oder ein Schwellenwert höher sein kann als bei technologisch anders ausgebildeten Brennstoffzellen. Grundsätzlich scheint ein Temperaturbereich, in welchem eine Oxidation ohne mechanische Schädigung oder Leistungsverminderung auftritt, zwischen etwa 300°C und 500°C zu liegen. Dieser Temperaturbereich ist jedoch von der Ausbildung des Brennstoffzellenstapels abhängig.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ein Wassergehalt im und/oder am Anodenabschnitt ermittelt wird, und abhängig vom ermittelten Wassergehalt der vordefinierte Schwellenwert festgelegt wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass ein Spülen bzw. Kühlen mit Luft abhängig vom Wassergehalt im und/oder am Anodenabschnitt bzw. einem Feuchtigkeitsgehalt im und/oder am Anodenabschnitt auch bei Temperaturen über 300°C von Vorteil sein kann. Grundsätzlich ist möglichst sicherzustellen, dass eine Zersetzung von Kohlenstoff von unverbranntem Brennstoff im Brennstoffzellensystem verhindert wird. Dies ist bei höheren Temperaturen, beispielsweise über 300°C, besser möglich als bei niedrigeren Temperaturen. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass das Risiko einer Kohlenstoffzersetzung stark von einem Wassergehalt bzw. einem Feuchtigkeitsgehalt im Anodenabschnitt, beispielsweise in Anodenkanälen, abhängt. Demnach kann unter Berücksichtigung des Wassergehalts im und/oder am Anodenabschnitt als eine Art Kompromiss bereits bei Temperaturen über 300°C mit einem Spülen des Anodenabschnitts mit sauerstoffhaltigem Fluid begonnen werden, um eine Beschädigung oder Zerstörung des Anodenabschnitts bzw. des Brennstoffzellenstapels zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Um eine Rußbildung insbesondere bei Temperaturen unter 300°C zu verhindern, ist ein Verhältnis zwischen Kohlenstoff, insbesondere Kohlenstoffmonoxyd, und Wasser entscheidend. Der Schwellenwert kann erfindungsgemäß dynamisch festgelegt werden. D.h., der Schwellenwert kann bei verschiedenen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems unterschiedlich festgelegt werden. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem besonders zuverlässig und sicher betrieben werden.
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Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Verfahren als Brennstoff Methan verwendet wird. Methan hat sich bei verschiedenen Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung als vorteilhaftes Ausgangsmaterial für den erfindungsgemäßen Kühlvorgang erwiesen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Methan beschränkt. Neben Methan können auch Brennstoffe wie Ethanol oder Diesel verwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Das Computerprogrammprodukt ist zum Durchführen eines wie vorstehend im Detail beschriebenen Verfahrens konfiguriert und ausgestaltet. Das Computerprogrammprodukt kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogrammprodukt kann auf einer computerlesbaren Speichereinheit (Datendisk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nichtflüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie eine Steuereinheit derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogrammprodukt in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden bzw. sein, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann. Das Computerprogrammprodukt kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d.h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d.h. in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, d.h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden bzw. sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Speichereinheit bereitgestellt, auf welcher ein wie vorstehend beschriebenes Computerprogrammprodukt gespeichert ist. Außerdem wird eine Steuereinheit für ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, wobei die Steuereinheit, insbesondere mittels eines wie vorstehend beschriebenen Computerprogrammprodukts, zum Durchführen des vorstehend beschriebenen Verfahrens konfiguriert und ausgestaltet ist. Damit bringen die erfindungsgemäße Speichereinheit sowie die erfindungsgemäße Steuereinheit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie vorstehend ausführlich beschrieben worden sind. Die Steuereinheit kann in Form eines Fahrzeug-Steuergeräts ausgestaltet sein.
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Weiterhin wird ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, das einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Reformer zum Reformieren von Brennstoff, wobei zwischen dem Reformer und dem Anodenabschnitt eine fluidkommunizierende Verbindung ausgestaltet ist, einen Abgasbrenner zum Verbrennen von Anodenabgas und/oder Kathodenabgas, und eine wie vorstehend beschriebene Steuereinheit zum Durchführen des eingangs beschriebenen Verfahrens, aufweist. Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise als SOFC-System ausgestaltet. Das Brennstoffzellensystem ist ferner für die Verwendung im mobilen Einsatz ausgelegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug mit einem wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich. Das Fahrzeug weist vorzugsweise eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben bzw. Beschleunigen des Fahrzeugs auf, wobei das Brennstoffzellensystem für eine Stromversorgung der Antriebsvorrichtung angeordnet und ausgestaltet ist. Unter dem Fahrzeug ist vorzugsweise ein Kraftfahrzeug wie ein Personenkraftfahrzeug oder ein Lastkraftfahrzeug zu verstehen. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. So kann unter dem Fahrzeug nicht nur ein Straßenfahrzeug, sondern auch ein Schienenfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahrzeug verstanden werden. Das Fahrzeug kann sogar als Roboter verstanden werden, welcher durch das in Rede stehende Brennstoffzellensystem mit Energie bzw. Strom versorgt wird.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 ein Blockschaltbild zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems mit einer Steuereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Steuereinheit eine Speichereinheit und ein darauf gespeichertes Computerprogrammprodukt aufweist,
- 2 ein Blockschaltbild zum Darstellen eines Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 3 ein Ablaufdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, und
- 4 ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 100a in Form eines SOFC-Systems gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100a weist einen Brennstoffzellenstapel 10 mit einem Anodenabschnitt 11 und einem Kathodenabschnitt 12 auf. Das Brennstoffzellensystem 100a weist ferner einen Reformer 20 zum Reformieren von Brennstoff, vorliegend flüssiger Brennstoff, auf. Zwischen dem Reformer 20 und dem Anodenabschnitt 11 ist eine fluidkommunizierende Verbindung ausgestaltet, durch welche zumindest teilweise reformierter Brennstoff vom Reformer 20 zum Anodenabschnitt 11 geleitet werden kann. Das Brennstoffzellensystem 100a weist außerdem einen Abgasbrenner 30 zum Verbrennen von Anodenabgas und/oder Kathodenabgas auf. Der Abgasbrenner 30 ist vorliegend ringförmig um den Reformer 20 herum angeordnet.
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Stromaufwärts des Reformers 20 ist ein Verdampfer 40 zum Verdampfen des Brennstoffs angeordnet. D.h., über den Verdampfer 40 kann verdampfter Brennstoff zum Reformer 20 geleitet werden. Stromaufwärts des Verdampfers 40 ist ein Brennstofftank 80 angeordnet, durch welchen der Verdampfer 40 mit Brennstoff versorgt werden kann. Dies kann über eine erste Brennstoffpumpe P1 bewerkstelligt werden. Das Brennstoffzellensystem 100a weist ferner einen Startbrenner 50 für einen Startvorgang des Brennstoffzellensystems 100a auf. Alternativ kann auch der Abgasbrenner 30 selbst als Startbrenner genutzt werden. Der Startbrenner 50 steht sowohl mit dem Brennstofftank 80 als auch mit dem Abgasbrenner 30 in einer fluidkommunizierenden Verbindung. Brennstoff aus dem Brennstofftank 80 kann dem Startbrenner 50 über eine zweite Brennstoffpumpe P2 zugeführt werden. Bei einem Startvorgang des Brennstoffzellensystems 100a können der Abgasbrenner 30 und somit auch der Reformer 20 durch verbrannten Brennstoff im Startbrenner 50 auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Für die Verbrennung im Startbrenner 50 kann diesem Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Fluid zugeführt werden. Dies kann durch ein Gebläse 70 des Brennstoffzellensystems 100a realisiert werden. Das Gebläse 70 ist zudem für einen Sauerstofftransport zum Kathodenabschnitt 12 des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet und konfiguriert. Durch entsprechende Stellung eines Ventils V1 kann die Luft durch das Gebläse 70 zum Startbrenner 50 und/oder zum Kathodenabschnitt 12 gefördert werden.
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Es ist ein weiteres Ventil V2 vorgesehen, über dessen Stellung Luft durch das Gebläse 70 zum Reformer 20 gefördert wird. Durch eine Zuführung von Luft zum Reformer 20 kann dort eine endotherme Reaktion stattfinden, welche Wärme freisetzt und dadurch eine Reformertemperatur erhöht oder reguliert. Gemäß 1 durch dasselbe Gebläse 70 gefördert wie die Luft, welche von diesem zum Startbrenner 50 und/oder zum Kathodenabschnitt 12 gefördert wird. Hierfür wird die Leitung stromabwärts des Gebläse 70 in drei Teilleitungen geteilt, wobei in einer ersten Teilleitung das weitere Ventil V2 und in einer zweiten Teilleitung das Ventil V1 angeordnet ist. Grundsätzlich können jedoch auch zwei oder mehr Gebläse 70 vorgesehen sein, welche Luft in jeweils eine Leitung fördern. In 1 ist auch gezeigt, dass Luft über eine Stellung des weiteren Ventils V2 stromaufwärts des Reformers 20 und stromabwärts des Verdampfers 40 einer Leitung zugeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass diese Luft direkt oder über eine eigene Leitung in dem Reformer 20 eingeführt oder eingespritzt wird.
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Das Brennstoffzellensystem 100a gemäß 1 weist ferner einen Wärmetauscher 60 auf, der zum Erhitzen der Luft bzw. eines entsprechenden Kathodenzuführgases mittels Abgases aus dem Abgasbrenner 30 stromabwärts des Abgasbrenners 30 und stromaufwärts des Kathodenabschnitts 12 angeordnet ist. Dabei sind eine Kathodengaszuführleitung und eine Abgasbrenner-Abgasleitung fluidtechnisch getrennt voneinander angeordnet. Das verbrannte Abgas aus dem Abgasbrenner 30 wird über den Wärmetauscher 60 zum Verdampfer 40 und von dort aus dem Brennstoffzellensystem 100a heraus geleitet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das verbrannte Abgas aus dem Abgasbrenner 30 zuerst zum Verdampfer 40 und anschließend zum Wärmetauscher 60 geleitet wird, bevor dieses aus dem Brennstoffzellensystem 100a heraus geleitet wird (nicht dargestellt in 1). Eine solche Vertauschung des Verdampfers 40 mit dem Wärmetauscher 60 in einer Darstellung gemäß 1 oder 2 ist grundsätzlich bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten möglich.
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Das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 100a weist außerdem eine Steuereinheit 1 auf. In der Steuereinheit 1 ist eine Speichereinheit 2 installiert, auf welcher ein Computerprogrammprodukt 3 gespeichert ist. Die Steuereinheit 1 und das Computerprogrammprodukt 3 sind zum Durchführen eines Verfahrens konfiguriert, das später mit Bezug auf 3 erläutert wird.
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In 2 ist ein Brennstoffzellensystem 100b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100b gemäß der zweiten Ausführungsform weist einen Brennstoffeinlass 90, welcher hier als Brennstoffinjektor ausgebildet ist, zum Einspritzen, insbesondere zum direkten Einspritzen, von Brennstoff in den Reformer 20 auf. Vorteilhaft kann es auch sein, wenn der Brennstoff über einen nicht dargestellten Verdampfer in den Reformer 20 eingebracht wird, um diesen vor einem Einbringen in den Reformer 20 energiesparend zu verdampfen. Der Brennstoff kann auch bereits gasförmig im Brennstoffeinlass 90 vorliegen. Der übrige Aufbau entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des Brennstoffzellensystems 100a gemäß der ersten Ausführungsform.
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Mit Bezug auf 3 wird anschließend ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels 10 in einem wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem 100a, 100b erläutert.
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In einem ersten Schritt S1 wird zunächst ein Ausschaltvorgang des Brennstoffzellensystems 100a, 100b aktiviert.
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In einem zweiten Schritt S2 wird dem Reformer 20 Brennstoff bzw. ein Brennstoffgemisch zugeführt. Dies kann bei einem Brennstoffzellensystem 100a gemäß der ersten Ausführungsform über den Verdampfer 40, oder bei einem Brennstoffzellensystem 100b gemäß der zweiten Ausführungsform über den Brennstoffeinlass 90, erfolgen. Hierbei sei darauf hinzuweisen, dass der Brennstoff während des Ausschaltvorgangs auch bei einem Brennstoffzellensystem 100b gemäß der zweiten Ausführungsform ergänzend oder vollständig über den Verdampfer 40 in den Reformer 20 eingebracht werden kann. Eine Temperatur des Reformers 20 kann dabei über eine Brennstoffmenge im Abgasbrenner 30 oder über eine Zuführung von Luft zum Reformer 20 reguliert werden. Wird Luft dem Reformer zugeführt, findet dort katalytische partielle Oxidation statt, welche Wärme erzeugt. Eine solche Zuführung von Luft wird über eine Stellung des weiteren Ventils V2 geregelt. Durch das weitere Ventil V2 kann eine Menge der zugeführten Luft insbesondere stufenlos eingestellt werden, wobei das weitere Ventil V2 eine Zuführung von Luft auch vollständig unterbinden kann.
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In einem dritten Schritt S3 wird der in den Reformer 20 eingebrachte Brennstoff während des Ausschaltvorgangs nur teilweise reformiert. Hierbei kann der Reformer 20 mittels des Abgasbrenners 30 oder über eine Zuführung von Luft auf einer vordefinierten Solltemperatur gehalten werden, bei welcher nur der gewünschte Teil des Brennstoffs reformiert wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass dem Abgasbrenner 30 vom Startbrenner 50 Wärme zugeführt wird. Dem Abgasbrenner 30 wird hierbei weniger (oder gar kein) Sauerstoff zugeführt als während eines Normalbetriebs und/oder während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems 100a, 100b. Die dem Abgasbrenner 30 zugeführte Luft- und somit auch Sauerstoffmenge wird grundsätzlich von der Temperatur des Reformers 20 geregelt, um einen gewünschten Lambda-Wert zu erreichen.
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Danach wird in einem vierten Schritt S4 der teilweise reformierte Brennstoff dem Anodenabschnitt 11 zugeführt. Anschließend wird Abgas zumindest teilweise dem Abgasbrenner 30 zugeführt. In einem fünften Schritt S5 wird eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 ermittelt. Sobald die ermittelte Temperatur unter einem vordefinierten Schwellenwert, beispielsweise unter 400°C oder unter 300°C, liegt, wird die Reformierung des Brennstoffs unmittelbar oder nach einer vorbestimmten Zeitspanne gemäß einem sechsten Schritt S6 beendet und der Anodenabschnitt 11 wird gemäß einem siebten Schritt S7 mit sauerstoffhaltigem Gas, insbesondere mit Luft, gespült. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform können hierbei ein Wassergehalt im und/oder am Anodenabschnitt 11 ermittelt und der vordefinierte Schwellenwert abhängig vom ermittelten Wassergehalt festgelegt werden.
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Die in 3 dargestellten Schritte können nacheinander und/oder zumindest teilweise miteinander durchgeführt werden. Außerdem sind nicht alle in 3 dargestellten Schritte zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendig. So kann beispielsweise auf Schritt S1 verzichtet werden, wenn das Verfahren nicht im Rahmen eines Ausschaltvorgangs eines Brennstoffzellensystems 100a, 100b durchgeführt werden soll.
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In 4 ist ein Fahrzeug 1000 mit einem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform 100a dargestellt. Wie in 4 zu erkennen, wird das Brennstoffzellensystem 100a durch eine Steuereinheit 1, die Teil eines Bordcomputers des Fahrzeugs 1000 ist, gesteuert. Die Steuereinheit 1 kann, wie in 4 dargestellt, separat zum Brennstoffzellensystem 100a bereitgestellt sein, oder zumindest teilweise Bestandteil eines Brennstoffzellensystems 100a, 100b sein.
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Neben den dargestellten Ausführungsformen lässt die Erfindung auch noch weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuereinheit
- 2
- Speichereinheit
- 3
- Computerprogrammprodukt
- 10
- Brennstoffzellenstapel
- 11
- Anodenabschnitt
- 12
- Kathodenabschnitt
- 20
- Reformer
- 30
- Abgasbrenner
- 40
- Verdampfer
- 50
- Startbrenner
- 60
- Wärmetauscher
- 70
- Gebläse
- 80
- Brennstofftank
- 90
- Brennstoffeinlass
- 100a, 100b
- Brennstoffzellensystem
- 1000
- Fahrzeug
- P1
- erste Brennstoffpumpe
- P2
- zweite Brennstoffpumpe
- V1
- Ventil
- V2
- Ventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011123884 A1 [0003]
- US 2009253007 A1 [0003]
- WO 2005/101556 A1 [0003]
- WO 2008/001119 A2 [0003]
