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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte nach dem unabhängigen Anspruch 8 sowie eine Brennstoffzelle nach dem unabhängigen Patentanspruch 9 und ein Kraftfahrzeug nach dem unabhängigen Anspruch 10.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, welche chemische Energie eines Brennstoffes durch eine elektrochemische Reaktion in Elektrizität wandelt.
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Ein spezieller Brennstoffzellentyp ist die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton-Exchange-Membran, PEM-Brennstoffzelle). In diesen Brennstoffzellentypen sind neben Membranen, Elektroden und einem Katalyt auch sogenannte Bipolarplatten vorgesehen. Diese elektrisch leitenden Platten dienen dazu, den elektrischen Strom als Elektroden zu leiten und außerdem ein Fluid durch entsprechend angeordnete Strömungskanäle zu führen.
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Bei diesem Typ von Brennstoffzellen wird zunächst eine grobe Verteilung des Fluides über die Bipolarplatten gewährleistet, bevor das Fluid dann über die Gasdiffusionslagen (GDL), welche auf den Bipolarplatten aufliegen, fein verteilt an die Membran weitergegeben werden.
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Dabei soll nach Möglichkeit der gesamte Kanalquerschnitt der Strömungskanäle der Bipolarplatte genutzt werden können und außerdem vermieden werden, dass sich Reaktionsprodukte, insbesondere Wasser, in den Gasdiffusionslagen ansammeln.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, aufweisend Strömungskanäle zum Verteilen eines Fluides in eine Fluiddiffusionsschicht der Brennstoffzelle vorgeschlagen. Erfindungsgemäß weisen die Strömungskanäle Führungsabschnitte zum Führen des Fluides und Trennstrukturen zum Separieren der Führungsabschnitte auf. Dabei weisen die Trennstrukturen Oberflächen auf, die von den Führungsabschnitten beabstandet und mit der Fluiddiffusionsschicht verbindbar sind. Erfindungsgemäß ist an den Oberflächen eine Auflagestruktur, welche durch Auflagen eine Gitterstruktur bildet, an den Oberflächen angeordnet, die mit der Fluiddiffusionsschicht verbindbar ist, wobei die kleinste räumliche Abmessung der einzelnen Auflagen der Auflagestruktur, die mit der Fluiddiffusionsschicht in Kontakt bringbar ist, kleiner als die kleinste räumliche Abmessung der Flächen der einzelnen Oberflächen ist. Falls das Fluid ein Gas ist, kann also auch von Gasdiffusionsschicht anstatt Fluiddiffusionsschicht die Rede sein. Die Bipolarplatte wird für eine Brennstoffzelle, insbesondere für eine PEM-Brennstoffzelle, vorgeschlagen.
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Mit anderen Worten weist die Bipolarplatte Mittel auf, mit denen ein Fluid, welches insbesondere ein Gas, vorzugsweise Wasserstoff und/oder Luft, sein kann, auf der Bipolarplatte verteilt und in eine Schicht überführt werden kann, in der das Fluid durch Diffusion weiter verteilt wird. Die einzelnen Führungsabschnitte zum Führen des Fluides werden getrennt durch Trennstrukturen, welche den Strom des Fluides an zumindest einer Stelle aufteilen.
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Bei den Trennstrukturen kann es sich insbesondere um Stege handeln, welche eine längliche Form aufweisen können und geeignet sind, die Führungsabschnitte so zu begrenzen, dass diese das Fluid bspw. linear und/oder mäanderförmig über die Bipolarplatte führen. Derartige Trennstrukturen bieten den Vorteil, dass diese kostengünstig, insbesondere durch einen Prägeprozess, hergestellt werden können.
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Alternativ dazu kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Trennstrukturen untereinander nicht verbunden sind und insbesondere die Form von Säulen haben. Diese Trennstrukturen können einen stromlinienförmigen Querschnitt haben. Vereinzelte Trennstrukturen bieten den Vorteil, dass der Strömungswiderstand gegenüber langen Stegen reduziert ist.
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Jede erfindungsgemäße Form von Trennstrukturen weist Oberflächen auf, welche von den Führungsabschnitten beabstandet sind. Diese haben räumliche Abmessungen, bei einer rechteckförmigen Trennstruktur bspw. eine Länge und eine Breite. Diese Oberflächen sind mit einer Fluiddiffusionsschicht verbindbar, sodass das geführte Fluid von der Bipolarplatte in die Fluiddiffusionsschicht eindringen kann. Durch das Verbinden der Oberflächen mit der Fluiddiffusionsschicht entsteht eine Kontaktfläche. Diese Kontaktfläche kann dadurch optimiert werden, dass auf den Trennstrukturen eine Auflagestruktur mit Auflagen angeordnet ist, welche eine kleinere kleinste räumliche Abmessung besitzen.
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Bei den Auflagen kann es sich bspw. um Drähte, insbesondere mit kreisförmigem Querschnitt handeln. Dann wäre der Durchmesser der Drähte kleiner als die kleinste räumliche Abmessung der Trennstruktur, bei länglichen Trennstrukturen also deren Breite.
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Bei der Auflagestruktur kann es sich bspw. auch um eine zusammenhängende Struktur handeln, wobei die Auflagen stegartige Verbindungen untereinander bilden, welche bestimmte Stellen der Auflagestruktur freilassen. Die kleinste räumliche Abmessung wäre dann die bspw. die Breite der Stege.
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Eine Gitterstruktur muss nicht zwangsläufig aus gegeneinander verschränkten Strukturen bestehen. Erfindungsgemäß kann eine Gitterstruktur auch durch eine Art Rechen gebildet werden. Mit anderen Worten kann die Auflagestruktur aus parallel unter beliebigem Winkel angeordneten oder gekreuzten Stäben bestehen. Diese können sowohl verwoben sein, sodass die einzelnen Stäbe über- und untereinander verlaufen, um die Gitterstruktur zu bilden, oder aber alle in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein, wobei sich die Gitterstruktur durch eine periodische Anordnung von Ausnehmungen in einer Art Platte ergibt. Die Gitterstruktur kann durch ein Drahtgeflecht gebildet sein, welches besonders günstig herstellbar ist. Weiterhin kann die Gitterstruktur auch durch ein Lochblech gebildet werden. Lochbleche bieten den Vorteil, dass sich die Form und Anzahl der Ausnehmungen besonders variabel anpassen lässt. Es kann vorgesehen sein, dass die Gitterstruktur der Anordnung der Trennstrukturen entspricht. Dies bietet den Vorteil, dass die Fläche der Auflagenstruktur, die mit der Fluiddiffusionsschicht in Kontakt bringbar ist, besonders gering ist. Es kann vorgesehen sein, dass die Auflagenstruktur über die Ausmaße der Bipolarplatte hinweg eine homogene Gitterstruktur aufweist. Dies bietet den Vorteil, dass solche Auflagenstrukturen kostengünstig herstellbar sind. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass die Auflagenstruktur über die Ausmaße der Bipolarplatte hinweg eine inhomogene Gitterstruktur aufweist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn auch die Trennstrukturen nicht gleichmäßig auf der Bipolarplatte angeordnet sind. In einem solchen Fall kann auch dann die Fläche der Auflagenstruktur, die mit der Fluiddiffusionsschicht in Kontakt steht, weitere reduziert werden
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Dadurch wird die Ablagerung von Reaktionsprodukten der Brennstoffzelle an der Kontaktfläche reduziert. Es kann vorgesehen sein, dass die Auflagestruktur auf die Trennstrukturen lediglich aufgelegt ist. Das bietet den Vorteil, dass beim Aufbau einer Brennstoffzelle, bei dem Bipolarplatten mit den Fluiddiffusionslagen und den Membranen verpresst werden, auch die Auflagestruktur befestigt würde, sodass weitere Befestigungsmittel eingespart werden können. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Auflagestruktur fest mit den Trennstrukturen verbunden wird, sodass ein besonders sicherer Kontakt zwischen den Trennstrukturen der Auflagestruktur und der Fluiddiffusionsschicht gewährleistet ist.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Ausmaße der Auflagestruktur der Bipolarplatte entsprechen. Dies bietet den Vorteil, dass die Ansammlung von Reaktionsprodukten überall auf der Bipolarplatte reduziert wird.
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Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte die Gitterstruktur, insbesondere über eine effektive Strömungsrichtung durch alle Strömungskanäle hinweg, inhomogen ist. Je nach der Position, wo das Fluid in der Bipolarplatte zu- und abgeführt wird, kann es sinnvoll sein, die Strömung des Fluides durch vergrößerte oder verkleinerte Strömungskanäle zu erhöhen oder zu reduzieren. Dies bietet den Vorteil, dass der Strömungswiderstand insgesamt reduziert werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass stromabwärts die Ausnehmungen der Gitterstruktur ebenfalls vergrößert/verkleinert sind, sodass dort der Strömungswiderstand des Fluides reduziert ist.
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Vorteilhaft kann bei einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte die Trennstruktur mit der Auflagenstruktur elektrisch leitfähig und/oder stoffschlüssig verbunden sein. Dabei kann vorgesehen sein, die Trennstruktur mit der Auflagestruktur zu verschweißen, wodurch eine besonders sichere Verbindung hergestellt wird. Um die elektrische Leitfähigkeit der Verbindung besonders sicher zu gewährleisten, kann vorgesehen sein, Widerstands- und Diffusionsschweißen zu verwenden, um die Trennstruktur mit der Auflagestruktur zu verbinden. Um eine besonders hohe Leitfähigkeit zu erreichen, kann vorgesehen sein, jeden Auflagepunkt der Auflagestruktur mit der Trennstruktur zu verbinden. Alternativ dazu ist es auch möglich, nur in gewissen Abständen, insbesondere alle 2,5 cm, eine leitfähige und/oder stoffschlüssige Verbindung herzustellen, um die Kosten zu reduzieren.
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Es ist des Weiteren bei einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte denkbar, dass die Auflagen zumindest tlw. voneinander beabstandete sind und sich über die Strömungskanäle erstrecken. Mit anderen Worten kann die Auflagestruktur aus einzelnen Auflagen bestehen, welche über die Strömungskanäle angeordnet werden. Dabei sind die einzelnen Auflagen so angeordnet, dass sich eine Gitterstruktur ergibt. Die Gitterstruktur kann an die Trennstruktur angepasst sein, sodass die Fläche der Auflagestruktur, die mit der Fluiddiffusionslage in Kontakt bringbar ist, reduziert wird.
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Im Rahmen der Erfindung kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen zwei Auflagen zwischen 2 und 0,2 mm, insbesondere zwischen 1 und 0,5 mm, beträgt. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Auflagestruktur eine Art Gitterkonstante zugeordnet werden kann, bei der der Abstand zwischen zwei Auflagen und/oder Ausnehmungen zwischen 2 und 0,2 mm, insbesondere zwischen 1 und 0,5 mm, aufweisen kann. Dies bietet insbesondere den Vorteil, dass der Abstand zwischen 2 Auflagen besonders eng ist, sodass auch bei einem hohen Anpressdruck beim Zusammenbau einer Brennstoffzelle die Gasdiffusionslagen nicht in die Strömungskanäle hineingepresst werden können.
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Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte kann auch dadurch gekennzeichnet sein, dass die Querschnittsfläche der einzelnen Auflagen der Auflagenstruktur jeweils zwischen 5 × 10-2 mm2 und 3 × 10-4 mm2, insbesondere zwischen 1 × 10-2 mm2 und 6 × 10-4 mm2 beträgt. Dies bietet insbesondere den Vorteil, dass die Fläche der Auflagenstruktur, die mit der Fluiddiffusionsschicht in Kontakt bringbar ist, gegenüber der Fläche der Oberflächen der Trennstrukturen besonders stark reduziert ist. Mit anderen Worten haben die einzelnen Auflagen, bspw. ein einzelner Draht aus einem Drahtgeflecht mit einem bestimmten Durchmesser, einen entsprechenden Querschnitt, welcher sich im Beispiel aus dem Durchmesser ergibt.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Trennstruktur und/oder die Auflagestruktur durch Hinzufügen von Material auf die Bipolarplatte und/oder durch Abtragen von Material von der Bipolarplatte hergestellt werden/wird. Mit anderen Worten kann, insbesondere als Alternative zu einem Prägeprozess, auf additive und/oder subtraktive Verfahren zurückgegriffen werden, um die Trennstrukturen und/oder die Auflagestrukturen herzustellen. Dabei können die Auflagestrukturen insbesondere einstückig mit den Trennstrukturen ausgebildet sein. Additive und subtraktive Verfahren bieten den Vorteil, dass gegenüber einem Prägeprozess besonders kleine Strukturen mit einem geringen Strömungswiderstand und/oder einer geringen Oberfläche verwendet werden können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Brennstoffzelle mit zumindest einem Stapel einer Vielzahl von Einheiten vorgesehen, welche zumindest jeweils Bipolarplatten, Fluiddiffusionsschichten und Polymermembranen aufweisen. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest eine Bipolarplatte nach einem Verfahren der vorangegangenen Ansprüche hergestellt wurde. Es kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle eine PEM-Brennstoffzelle ist. Durch die erfindungsgemäße Bipolarplatte ergibt sich der Vorteil, dass die Kontaktfläche der Bipolarplatten mit den Fluiddiffusionsschichten dadurch reduziert ist, dass die Bipolarplatten eine Auflagestruktur aufweisen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug mit einer Energieversorgung, welche zumindest eine Brennstoffzelle nach Anspruch 9 aufweist.
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Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmal und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschrieben worden sind, selbstverständlich auch in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der Brennstoffzelle und/oder dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer konventionell gefertigten Bipolarplatte,
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, welche eine erfindungsgemäße Auflagestruktur aufweist.
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Auflagestruktur mit Auflagen.
- 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, welche mit additiven bzw. subtraktiven Herstellungsverfahren hergestellt sind.
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In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 zeigt eine konventionell hergestellte Bipolarplatte 100, welche Strömungskanäle 120 zum Verteilen eines Fluides in eine Fluiddiffusionsschicht 200 einer Brennstoffzelle aufweist. An einer Fluiddiffusionsschicht 200 ist weiterhin eine Membran 300 angeordnet. Die Strömungskanäle 120 werden gebildet durch Führungsabschnitte 140 zum Führen des Fluides und durch Trennstrukturen 110, die die Führungsabschnitte 140 separieren. Die Trennabschnitte weisen weiterhin eine Oberfläche 130 auf, die von den Führungsabschnitten 140 beabstandet sind. Diese Oberflächen 130 sind in Kontakt mit der Fluiddiffusionsschicht 200 bringbar, wobei sich an diesen Kontaktstellen Reaktionsprodukte, insbesondere Wassertropfen 400, ablagern können.
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In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 100 gezeigt. Auch diese weist Strömungskanäle 120 sowie Führungsabschnitte 140 zum Führen des Gases auf. Diese werden durch Trennabschnitte 110 voneinander separiert, wobei auch diese Trennstrukturen 110 Oberflächen 130 aufweisen. An den Oberflächen 130 der Trennstrukturen 110 ist erfindungsgemäß jedoch eine Auflagestruktur 150 angeordnet. Diese besteht im gezeigten Beispiel aus einzelnen Auflagen 151, welche nebeneinander auf der Oberfläche 130 angeordnet sind und einen Querschnitt 153 aufweisen. Wird nun eine Fluiddiffusionsschicht 200 auf der mit einer Auflagestruktur 150 versehenen Oberfläche 130 angeordnet, steht nun nicht länger die große Oberfläche 130, sondern lediglich die reduzierte Oberfläche der Auflagenstruktur 150 mit der Fluiddiffusionsschicht 200 in Kontakt. Dadurch ist auch die Fläche, an der sich bevorzugt Reaktionsprodukte, insbesondere Wassertropfen 400, bilden können, gegenüber einer konventionellen Bipolarplatte 100 reduziert. Weiterhin ist in der 2 zu sehen, dass die Auflagenstruktur 150 eine Art Gitterstruktur aufweist, wobei die einzelnen Auflagen 151 beabstandet voneinander angeordnet sind. Der Abstand zwischen zwei Auflagen 151 kann zwischen 2 und 0,2 mm, insbesondere zwischen 1 und 0,5 mm, betragen. Die Querschnittsfläche 153 der einzelnen Auflagen der Auflagenstruktur kann jeweils zwischen 5 × 10-2 mm2 und 3 × 10-4 mm2, insbesondere zwischen 1 × 10-2 mm2 und 6 × 10-4 mm2 betragen.
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In der 3 ist eine Auflagenstruktur 150 dargestellt, in der mehrere Auflagen 151 in einem Abstand 152, welcher konstant sein kann, zueinander angeordnet sind. Quer dazu ist eine weitere Auflage 151 angeordnet, sodass sich eine Gitterstruktur bildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass noch weitere, quer aufgelegte Auflagen 151 vorgesehen sind, welche wiederum einen anderen Abstand 152 voneinander aufweisen können. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Abstände 152 über die gesamte Größe der Bipolarplatte, an dessen Größe die Auflagenstruktur 150 angepasst sein kann, variiert.
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In der 4 ist schließlich eine Bipolarplatte 100 dargestellt, welche mit einem additiven oder subtraktiven Herstellungsverfahren hergestellt wurde. Dies ermöglicht, dass die Führungsabschnitte durch die Trennabschnitte 110 in nahezu beliebiger Art und Weise voneinander separiert werden können. Im Ausführungsbeispiel der 4 sind längliche, stegförmige Trennstrukturen 110 gezeigt, wobei additive und subtraktive Herstellungsverfahren auch kleinere, nicht untereinander in Kontakt stehende Trennstrukturen 110 erlauben. Dies bietet den Vorteil, dass der Strömungswiderstand, insbesondere gegenüber im Prägeverfahren hergestellten Bipolarplatten 100, reduziert ist. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass auch die Auflage durch ein additives oder subtraktives Verfahren hergestellt und mit der Oberfläche 130 verbunden werden kann. Dies bietet den Vorteil, dass noch kleinere Strukturen herstellbar sind, welche genauer an die Anforderungen der Brennstoffzelle angepasst werden können.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
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Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
