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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel. Dem Brennstoffzellenstapel sind über jeweilige Medienleitungen des Brennstoffzellensystems Reaktanden in Form eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels zuführbar. Der Brennstoffzellenstapel weist elektrische Anschlüsse auf, an welchen infolge eines Zuführens der Reaktanden zu dem Brennstoffzellenstapel eine elektrische Spannung bereitstellbar ist. Ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems dient dem Ansteuern wenigstens einer Funktionseinheit des Brennstoffzellensystems.
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Die
WO 2007/128328 A1 beschreibt eine Kontrollvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel, bei welcher die Kontrollvorrichtung ein Sicherheitskontrollmodul und ein Betriebskontrollmodul umfasst. Das Betriebskontrollmodul stellt hierbei sicher, dass eine ausreichende Menge an Brennstoff und Oxidationsmittel an Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels geliefert werden. Sicherheitsrelevante Sensorbeziehungsweise Aktorsysteme, welche über an das Sicherheitskontrollmodul angeschlossene Datenleitungen angesteuert werden, sorgen demgegenüber dafür, dass der Brennstoffzellenstapel nicht in einen unzulässigen Betriebszustand gerät. Die beiden Baugruppen in Form des Betriebskontrollmoduls und des Sicherheitskontrollmoduls können auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sein. Auch dann ist jedoch sichergestellt, dass eine eigenständige beziehungsweise autarke Betriebsweise für das Sicherheitskontrollmodul erhalten bleibt.
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Des Weiteren beschreibt die
US 2006/0188763 A1 ein modular aufgebautes Brennstoffzellensystem, bei welchem die einzelnen Module jeweilige Leistungselektroniken und Steuerungen aufweisen.
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Etwa bei einer derartigen Architektur eines Brennstoffzellensystems kann vorgesehen sein, dass eine Steuerung der Zufuhr von Medien beziehungsweise Reaktanden einerseits und eines Entladepfads zum elektrischen Deaktivieren des Brennstoffzellenstapels andererseits über verteilte Controller beziehungsweise Steuereinheiten veranlasst wird. Hierbei müssen zur Abbildung der Sicherheit hohe Anforderungen einerseites von den einzelnen Controllern beziehungsweise Steuergeräten selber erfüllt werden. Des Weiteren muss auch die Interaktion der Controller beziehungsweise Steuergeräte untereinander hohe Sicherheitsanforderungen insbesondere mit mehreren Sicherheitsebenen erfüllen. Dies macht das Brennstoffzellensystem vergleichsweise aufwendig.
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Dasselbe gilt, wenn eine Aktivierung und Abschaltung der Zufuhr von Medien beziehungsweise Reaktanden durch ein übergeordnetes System oder verteilte Steuereinheiten beziehungsweise Controllereinheiten verantwortet wird, während ein von diesen Einrichtungen unabhängiges Steuergerät für die elektrische Deaktivierung einer Spannungsquelle in Form des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems zuständig ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem auf besonders einfache Art und Weise eine hohe Betriebssicherheit erreicht ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, welches insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen kann, umfasst einen Brennstoffzellenstapel, welchem über jeweilige Medienleitungen des Brennstoffzellensystems Reaktanden in Form eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels zuführbar sind. Der Brennstoffzellenstapel weist elektrische Anschlüsse auf, an welchen infolge eines Zuführens der Reaktanden zu dem Brennstoffzellenstapel eine elektrische Spannung bereitstellbar ist. Ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems dient dem Ansteuern wenigstens einer Funktionseinheit des Brennstoffzellensystems. Hierbei ist ein und dasselbe Steuergerät sowohl dazu ausgebildet, eine Schalteinrichtung des Brennstoffzellensystems in einen Schaltzustand zu überführen, in welchem eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Anschlüssen des Brennstoffzellenstapels hergestellt ist, als auch dazu ausgebildet, ein Zuführen wenigstens eines der Reaktanden zu dem Brennstoffzellenstapel zu unterbinden. Mit anderen Worten ist also dasselbe Steuergerät beziehungsweise dieselbe Controllereinheit gleichermaßen sowohl für die Entladung des Brennstoffzellenstapels durch Überführen der Schalteinrichtung in den Schaltzustand als auch für die Abschaltung der Reaktandenzufuhr beziehungsweise Medienzufuhr verantwortlich.
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Dies hat den Vorteil, dass sicherheitsrelevante Funktionen in nur einem Steuergerät realisiert zu werden brauchen. Durch die zentrale Funktion zur Steuerung der Medienversorgung beziehungsweise das Unterbinden der Versorgung mit dem wenigstens einen Reaktanden und für die elektrische Aktivierung eines Entlastungspfads mittels desselben Steuergeräts ist auf besonders einfache Art und Weise eine hohe Betriebssicherheit erreicht. Insbesondere kann so der Aufwand entfallen, welcher damit verbunden ist, hohe Qualitätsmerkmale in Form von Integritätsleveln beziehungsweise Sicherheitsebenen auf verschiedenen Steuerinstanzen beziehungsweise Steuergeräten darzustellen. Mit der Verringerung des damit verbundenen Aufwands geht auch eine Verringerung der Kosten für das Brennstoffzellensystem einher.
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Die hohe Betriebssicherheit wird also insbesondere durch die Integration unterschiedlicher Sicherheitsfunktionen in das zentrale Steuergerät des Brennstoffzellensystems erreicht. Einerseits ist nämlich die Funktion in das Steuergerät integriert, mittels welcher sich das Zuführen wenigstens eines der Reaktanden zu dem Brennstoffzellenstapel unterbinden lässt. Andererseits ist in dasselbe Steuergerät die Funktion integriert, mittels welcher sich die Schalteinrichtung in den Schaltzustand überführen lässt, in welchem die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Anschlüssen des Brennstoffzellenstapels hergestellt ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch Komponenten eines Brennstoffzellensystems mit einem zentralen Steuergerät; und
- 2 schematisch eine Schalteinheit des Steuergeräts, welche einen Eingang für Steuersignale sowie mehrere Steuerausgänge aufweist.
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Von einem Brennstoffzellensystem 10, wie es beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen kann, ist in 1 ein Brennstoffzellenstapel 12 gezeigt, welcher eine Mehrzahl von vorliegend nicht näher dargestellten Brennstoffzellen aufweist, Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 werden den Brennstoffzellen über eine erste Medienleitung 14 ein Oxidationsmittel vorliegend in Form von Luft und über eine zweite Medienleitung 16 ein Brennstoff vorliegend in Form von Wasserstoff in an sich bekannter Weise zugeführt. Infolge des Zuführens dieser Reaktanden zu dem Brennstoffzellenstapel 12, bei welchem die einzelnen Brennstoffzellen in einer elektrochemischen Reaktion den Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft umsetzen, stellt der Brennstoffzellenstapel 12 an elektrischen Anschlüssen 18, 20 eine elektrische Spannung bereit.
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Zum Deaktivieren einer die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12 umfassenden Spannungsquelle des Brennstoffzellensystems 10 kann zwischen den elektrischen Anschlüssen 18, 20 eine niederohmige elektrisch leitende Verbindung hergestellt werden. Eine entsprechende Verbindungsleitung 22, durch welche ein Entladepfad parallel zu dem Brennstoffzellenstapel 12 bereitgestellt ist, ist in 1 schematisch gezeigt. Zum Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Anschlüssen 18, 20 über die Verbindungsleitung 22 ist in der Verbindungsleitung 22 eine Schalteinrichtung beispielsweise in Form eines Thyristors 24 angeordnet. Durch Beaufschlagen des Thyristors 24 mit elektrischem Strom und somit Einschalten des Thyristors 24 wird der Thyristor 24 leitend. Die dann beim Entladen des Brennstoffzellenstapels 12 über die Verbindungsleitung 22 anfallende Verlustleistung hängt hierbei vom Innenwiderstand des Brennstoffzellenstapels 12 ab.
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Um den Thyristor 24 in einen Schaltzustand zu überführen, in welchem die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Anschlüssen 18, 20 hergestellt ist, weist das Brennstoffzellensystem ein Steuergerät 26 mit einer Schalteinheit 28 oder Schaltlogik auf.
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Wenn die Schalteinheit 28 den Thyristor 24 oder einen derartigen Schalter ansteuert, um die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Anschlüssen 18, 20 herzustellen, so hätte eine Weiterversorgung des Brennstoffzellenstapels 12 mit Reaktanden in Form der Luft und des Wasserstoffs unerwünschte Folgen, selbst wenn eine derartige Weiterversorgung nicht geplant ist. Denn der Brennstoffzellenstapel 12 würde dann im elektrischen Kurzschluss betrieben. Ein solcher Kurzschlussbetrieb des Brennstoffzellenstapels 12 bringt eine thermische und elektrische Überlastung mit sich und kann den Brennstoffzellenstapel 12 schädigen. Dies wird jedoch vorliegend verhindert, was im Folgenden erläutert werden wird.
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Eine Möglichkeit einer Sicherheitsabschaltung des Brennstoffzellenstapels 12, durch welchen eine elektrische Spannungsquelle des Brennstoffzellensystems 10 bereitgestellt ist, besteht also aus dem Entladepfad in Form der Verbindungsleitung 22 und dem in dem Entladepfad beziehungsweise der Verbindungsleitung 22 angeordneten beziehungsweise enthaltenen Schalter, welcher vorliegend als der Thyristor 24 ausgebildet ist. Zur sicheren Abschaltung der Spannungsquelle in Form des Brennstoffzellenstapels 12 kann vorliegend also der Thyristor 24 geschlossen und folglich der Brennstoffzellenstapel 12 entladen werden, sodass keine gefährlichen Spannungen mehr nach außen wirken können beziehungsweise an den elektrischen Anschlüssen 18, 20 vorliegen. Des Weiteren kann beispielsweise in Gefahrensituationen durch die Entladung, welche durch Schließen des Schalters bewirkt werden kann, Restwasserstoff beziehungsweise Restsauerstoff abgebaut beziehungsweise neutralisiert werden.
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Dieses Konzept birgt bei einer elektrischen Abschaltung jedoch einer weiter bestehenden Medienversorgung des Brennstoffzellenstapels 12, also bei einem fortdauernden Zuführen von Luft über die erste Medienleitung 14 und von Wasserstoff über die zweite Medienleitung 16 die Gefahr, dass der Brennstoffzellenstapel 12 einen unkontrollierten elektrischen Strom liefert. In diesem Fehlerfall kann nämlich ein im Vergleich zum Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 12 untypisch hoher elektrischer Strom erzeugt werden, speziell der bereits erwähnte Kurzschlussstrom. Dieser Strom kann insbesondere bei einer unkontrollierten Medienzufuhr beziehungsweise Reaktandenzufuhr zu hohen Belastungen und insbesondere einer Schädigung des Brennstoffzellenstapels 12 durch Überhitzung führen.
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Vorliegend wird diese Gefahr vermieden, indem die Steuerungen der Medienversorgung und des Entladeschalters, welcher etwa als der Thyristor 24 ausgebildet ist, in ein und demselben Steuergerät 26 vereint sind. Das Steuergerät 26 oder eine derartige Controllereinheit, welche die Entladung des Brennstoffzellenstapels 12 steuert oder veranlasst, ist also vorliegend gleichermaßen für die Abschaltung und die Aktivierung der Zufuhr der Reaktanden beziehungsweise Medien verantwortlich.
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Bei der Medienversorgung der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12 werden typischerweise als Brennstoff Wasserstoff und als Oxidationsmittel Sauerstoff zugeführt. In dem Brennstoffzellenstapel 12 werden hierbei der Wasserstoff der Anode und der Sauerstoff der Kathode zugeführt. Der Sauerstoff kann insbesondere in Form von Luftsauerstoff der Kathode des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt werden. Um eine weitergehende Brennstoffzellenreaktion in dem Brennstoffzellenstapel 12 zu unterbinden, genügt es grundsätzlich, das Zuführen eines der Reaktanden zu stoppen. Denn so kommt eine Stromerzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 12 zum Erliegen.
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In der Praxis und aus verfahrenstechnischen Gründen ist es jedoch vorteilhaft, wenn das Steuergerät 26 dazu ausgebildet ist, das Zuführen des Wasserstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zu unterbinden. Denn wenn ein Verschließen beziehungsweise Unterbinden der Wasserstoffversorgung mit der Entladung des Brennstoffzellenstapels 12 gekoppelt ist, so kann gleichzeitig mit dem Entladen die Zufuhr des Wasserstoffs gestoppt werden. Dies ist insofern von Bedeutung, als bei Wasserstoff die Möglichkeit besteht, dass dieser mit Luft beziehungsweise Luftsauerstoff ein explosionsfähiges Gemisch bildet. Daher kann Wasserstoff als Gefahrenstoff gewertet werden.
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Eine einseitige Versorgung des Brennstoffzellenstapels 12 mit Sauerstoff beziehungsweise Luft bei gleichzeitig abnehmender Wasserstoffversorgung geht jedoch aufgrund der Wasserstoffverarmung mit einem potentiell schädigenden Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 einher. Vorteilhaft ist es daher, wenn durch das Steuergerät 26 die Zufuhr beider Reaktanden gestoppt wird. Die Wasserstoffversorgung kann gestoppt werden, indem das Steuergerät 26 ein Schließen eines Ventils 30 bewirkt. Das Ventil 30 kann, wie vorliegend beispielhaft gezeigt, in der zweiten Medienleitung 16 angeordnet sein, über welche dem Brennstoffzellenstapel 12 der Wasserstoff zugeführt wird. Das Ventil 30 kann jedoch auch an einem (nicht gezeigten) Wasserstofftank angeordnet sein.
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Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels 12 mit Sauerstoff erfolgt vorliegend, also bei dem mit Luft versorgten Brennstoffzellenstapel 12, durch Antreiben eines Verdichters 32 beziehungsweise Luftverdichters. Das Steuergerät 26 kann dazu ausgebildet sein, den Verdichter 32 beziehungsweise Luftverdichter zu deaktivieren und so die Sauerstoffversorgung abzuschalten. Besonders rasch lässt sich ein weiteres Zuführen von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 12 jedoch verhindern, indem eine Zufuhr von Luft zu der Kathode des Brennstoffzellenstapels 12 direkt unterbunden wird. Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn das Steuergerät 26 dazu ausgebildet ist, das Zuführen von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zu unterbinden, indem das Steuergerät ein Schließen eines weiteren Ventils 34 bewirkt, welches vorliegend in der zum Zuführen der Luft ausgebildeten ersten Medienleitung 14 angeordnet ist. Das Abschalten des Luftstroms durch das Verschließen der Kathode des Brennstoffzellenstapels 12, indem das Steuergerät 26 das weitere Ventil 34 ansteuert, erfolgt einerseits erheblich schneller als beim Deaktivieren des Verdichters 32. Zudem ist auf diese Weise das Risiko einer Beschädigung des Brennstoffzellenstapels 12 durch einseitige Wasserstoffverarmung minimiert. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Steuergerät 26 sowohl den Verdichter 32 oder Luftverdichter als auch das die Kathode absperrende Ventil 34 ansteuert, insbesondere gleichzeitig ansteuert.
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In 2 ist die Schalteinheit 28 beziehungsweise die Logikeinheit oder Schaltlogik des Steuergeräts 26 schematisch und im Detail vergrößert dargestellt. Demgemäß kann ein besonders sicherer Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 gewährleistet werden, wenn Steuerausgänge 36, 38, 40, 42 der Schalteinheit 28 analog verknüpft sind.
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Vorliegend weist die Schalteinheit einen ersten Steuerausgang 36 auf, an welchem ein erstes Schaltsignal 44 ausgebbar ist. Das erste Schaltsignal 44 dient dem Überführen des Thyristors 24 in den Schaltzustand, in welchem die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Anschlüssen 18, 20 hergestellt ist. Die Schalteinheit 28 weist weitere Steuerausgänge 38, 40, 42 auf. An diesen weiteren Steuerausgängen 38, 40, 42 können weitere Schaltsignale 46, 48, 50 ausgegeben werden, welche das Zuführen der Reaktanden zu dem Brennstoffzellenstapel 12 unterbinden. So sorgt das Ausgeben eines zweiten Schaltsignals 46 an einem zweiten Steuerausgang 38 für das Schließen des Ventils 30, welches in der zweiten Medienleitung 16 angeordnet ist und die Zufuhr von Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 12 unterbindet.
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Des Weiteren sorgt das Ausgeben eines weiteren Schaltsignals 48 an einem weiteren Steuerausgang 40 für das Schließen des Ventils 34, welches in der ersten Medienleitung 14 angeordnet ist und somit die Zufuhr von Sauerstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 12 unterbindet. Und das an dem vorliegend vierten Steuerausgang 42 der Schalteinheit 28 ausgebbare weitere Schaltsignal 50 sorgt für das Deaktivieren des Verdichters 32.
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Vorzugsweise sind die Steuerausgänge 36, 38, 40, 42 also wie erwähnt analog verknüpft, sodass die parallele, assoziierte Ansteuerung der Steuerausgänge 36, 38, 40, 42 von keinerlei Softwarefunktionalität abhängig ist. Vielmehr führt das Ausgeben der Steuersignale 44, 46, 48, 50 zum Schalten der jeweiligen Komponente, ohne dass ein Algorithmus oder Programm von einem Rechner ausgeführt zu werden braucht. Dadurch kann auf den Aufwand verzichtet werden, welcher ansonsten zum Sicherstellen einer hohen Ausfallsicherheit von Recheneinrichtungen oder Rechnern betrieben werden müsste, welche derartige Algorithmen beziehungsweise Programme anwenden.
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Die Schalteinheit 28 beziehungsweise Schaltlogik des Steuergeräts 26 weist zudem einen Steuereingang 52 auf, über welchen der Schalteinheit 28 Steuersignale zugeführt werden können. Durch das Vorsehen des Steuereingangs 52 für die Steuersignale 54 kann vorliegend zentral und ohne dass eine Abstimmung mehrerer Steuergeräte oder Steuerinstanzen erforderlich wäre, über die Freigabe des Brennstoffzellenstapels 12 hinsichtlich einer Versorgung mit Medien beziehungsweise Reaktanden und hinsichtlich einer Stromwandlung verfügt werden. Hierbei ist die Schalteinheit 28 oder Schaltlogik vorzugsweise frei von Software ausgebildet.
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Die Beispiele zeigen, wie eine zentrale Aktivierung und Deaktivierung einer Brennstoffzellenspannungsquelle auf besonders einfache Art und Weise erreicht werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellensystem
- 12
- Brennstoffzellenstapel
- 14
- Medienleitung
- 16
- Medienleitung
- 18
- Anschluss
- 20
- Anschluss
- 22
- Verbindungsleitung
- 24
- Thyristor
- 26
- Steuergerät
- 28
- Schalteinheit
- 30
- Ventil
- 32
- Verdichter
- 34
- Ventil
- 36
- Steuerausgang
- 38
- Steuerausgang
- 40
- Steuerausgang
- 42
- Steuerausgang
- 44
- Schaltsignal
- 46
- Schaltsignal
- 48
- Schaltsignal
- 50
- Schaltsignal
- 52
- Steuereingang
- 54
- Steuersignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/128328 A1 [0002]
- US 2006/0188763 A1 [0003]