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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Luftverdichtungssystems für ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Stand der Technik
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In einem Brennstoffzellensystem wird Sauerstoff benötigt, der in einer Brennstoffzelle des Systems mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf reagiert. Auf diese Weise wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung geliefert, die als Antriebsenergie, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, genutzt werden kann. Als Sauerstoffquelle dient in der Regel Umgebungsluft, die der Brennstoffzelle mittels eines Luftförder- bzw. Luftverdichtungssystems zugeführt wird. Denn der Prozess erfordert einen gewissen Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau.
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Zum Verdichten der Luft wird häufig eine thermische Strömungsmaschine eingesetzt, die ein- oder mehrstufig und/oder mehrflutig ausgeführt sein kann. Bei einem mehrflutigen Verdichter sind mehrere Verdichterräder parallel, vorzugsweise auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Soll eine Energie-Rückgewinnung realisiert werden, ist auf der Welle zusätzlich ein Turbinenrad einer Turbine angeordnet, das von der abströmenden feuchten Luft angeströmt wird. Die Turbine kann als alleiniger Antrieb oder zur Unterstützung eines darüber hinaus vorgesehenen elektromotorischen Antriebs eingesetzt werden. Wird der Verdichter ausschließlich durch eine Turbine angetrieben, ist von einem Turbokompressor oder Turbolader ohne elektromotorischen Antrieb die Rede. Nachfolgend wird hierfür auch die Abkürzung TAC („Turbine driven Air Compressor“) verwendet. Ein mehrstufiges Luftverdichtungssystem mit einem elektromotorisch angetriebenen Verdichter als erste Stufe und einem Turbolader als zweite Stufe der Verdichtung geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 087 912 A1 hervor.
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Im Unterschied zu einem elektromotorisch angetriebenen Verdichter, bei dem die Drehzahl direkt durch das Moment des Elektromotors geregelt werden kann, kann die Drehzahl eines Turbokompressors oder Turboladers - aufgrund des fehlenden Elektromotors - nur indirekt geregelt werden. Bestimmend für die Drehzahl sind dabei die Bedingungen an den Laufrädern sowie die Reibung in den Lagern der Welle. Auf diese Faktoren kann im Betrieb des Turbokompressors oder Turboladers nur bedingt Einfluss genommen werden, so dass die Gefahr einer Überschreitung der maximal zulässigen Drehzahl besteht. In der Folge kann es zu Schäden an den Komponenten des Luftverdichtungssystems kommen. Ferner kann die Sicherheit gefährdet sein.
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Die vorliegende Erfindung will hier Abhilfe schaffen. Insbesondere ist sie mit der Aufgabe befasst, den Komponentenschutz und die Sicherheit im Betrieb eines Turbokompressors oder Turboladers in einem mehrstufigen Luftverdichtungssystem zu erhöhen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Steuergerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines mehrstufigen Luftverdichtungssystems für ein Brennstoffzellensystem wird zumindest eine Stufe der Luftverdichtung durch einen Verdichter mit einem auf einer Welle angeordneten Verdichterrad realisiert, das allein durch ein ebenfalls auf der Welle angeordnetes Turbinenrad einer Abgasturbine angetrieben wird. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass zur Einhaltung einer vorgegebenen maximal zulässigen Drehzahl der Welle
- - die Drehzahl überwacht wird und mindestens eine Drehzahl-Information ermittelt wird, die einem vorab definierten Drehzahlbereich zugeordnet wird, der erkennen lässt, ob ein Eingriff notwendig ist, und
- - bei Erkennen der Notwendigkeit eines Eingriffs mindestens eine Maßnahme eines vorab festgelegten, kaskadierend aufgebauten Maßnahmenkatalogs in Abhängigkeit vom jeweiligen Drehzahlbereich eingeleitet wird.
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Kern der Erfindung ist der kaskadierend aufgebaute Maßnahmenkatalog, wobei sich „kaskadierend“ auf die Stärke des Eingriffs bezieht, den eine Maßnahme bewirkt. Der Maßnahmenkatalog kann dabei Maßnahmen enthalten, die keinen Eingriff, einen leichten Eingriff oder einen schweren Eingriff zur indirekten Regelung der Drehzahl darstellen. Die mindestens eine einzuleitende Maßnahme wird dabei in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahl-Information gewählt. Diese wird einem Drehzahlbereich zugeordnet, dem wiederum mindestens eine Maßnahme des kaskadierend aufgebauten Maßnahmenkatalogs zugeordnet ist. Jede Stufe des kaskadierend aufgebauten Maßnahmenkatalogs kann dabei eine oder mehrere Maßnahmen umfassen. Die Stufen geben vorzugsweise die Abfolge der Maßnahmen vor.
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Bei den Maßnahmen einer ersten Stufe des Maßnahmenkatalogs kann es sich beispielsweise um reine Überprüfungsmaßnahmen handeln. Auf diese Weise kann eine ermittelte Drehzahl-Information verifiziert werden, bevor in das System eingegriffen wird. Ferner kann die Drehzahl-Überwachung mit einer Entprellung ausgestattet werden, um einen Ausreißer und/oder einen Messfehler auszuschließen. Hierzu werden mehrere Drehzahl-Informationen ermittelt die zeitlich auseinanderliegen und verglichen werden. Alternativ oder ergänzend kann aus den mehreren Drehzahl-Informationen ein Mittelwert gebildet werden. Darüber hinaus kann bestimmt werden, dass ein Eingriff erst erfolgt, wenn der Regelbereich eines vorhandenen Reglers zur Regelung des Luftmassenstroms und des Drucks ausgeschöpft ist, wobei der Regelbereich wahlweise erweitert werden kann.
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Auf die erste Stufe kann eine zweite Stufe folgen, die Maßnahmen beinhaltet, die einen Eingriff bewirken. Dieser hat aber bevorzugt noch keine Reduzierung der Leistungsanforderung („Derating“) zur Folge. Auf diese Weise können die Leistungsanforderungen so lange wie möglich aufrechterhalten werden. Maßnahmen der zweiten Stufe können den Abgasmassenstrom in Richtung der Turbine betreffen. Beispielsweise kann der Abgasmassenstrom und/oder das Druckverhältnis bzw. die Druckdifferenz über der Turbine gesenkt werden, um einen unzulässig hohen Anstieg der Drehzahl zu verhindern. Sofern die Turbine eine variable Turbinengeometrie („VTG“) besitzt, kann diese verstellt werden, so dass das Antriebsmoment abnimmt. Alternativ oder ergänzend kann der Luftmassenstrom in Richtung des Verdichters erhöht werden, um einen weiteren Drehzahlanstieg zu verhindern.
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In einer dritten Stufe können Maßnahmen eingeleitet werden, die zu einem stärkeren Eingriff, beispielsweise einem Derating führen. Diese Maßnahmen können eine Reduzierung der Antriebsleistung einer dem Verdichter vorgeschalteten weiteren Verdichterstufe beinhalten. Da diese Maßnahme mit einer Reduzierung des Luftmassenstroms für das Brennstoffzellensystem einhergeht, können die Anforderungen des Brennstoffzellensystems nicht mehr eingehalten werden, das heißt, dass die Ist-Leistung nicht mehr der angeforderten Leistung entspricht und somit ein Derating erfolgt. Die Antriebsleistung der vorgeschalteten Verdichterstufe kann dabei graduell in Abhängigkeit vom Anstieg der Drehzahl reduziert werden, das heißt, dass eine moderate Reduzierung der Antriebsleistung bei einem langsamen Drehzahlanstieg und eine starke Reduzierung der Antriebsleistung bei einem schnellen Drehzahlanstieg vorgenommen wird.
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In einer vierten Stufe kann der Maßnahmenkatalog insbesondere Maßnahmen umfassen, an deren Ende die Notabschaltung des Systems steht.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass bei der Durchführung des Verfahrens mehrere Maßnahmen schritt- oder stufenweise aufeinanderfolgend und/oder parallel eingeleitet werden. Das heißt, dass eine bestimmte Abfolge der Maßnahmen vorgegeben ist. Unter Umständen können sich die Drehzahlbereiche für die verschiedenen Maßnahmen auch überlappen, so dass nicht nur Maßnahmen derselben Stufe, sondern auch Maßnahmen unterschiedlicher Stufen parallel angewandt werden. Die vorgeschlagene Vorgehensweise besitzt den Vorteil, dass Maßnahmen, die ein Derating zur Folge haben, so lange wie möglich hinausgeschoben werden.
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In Weiterbildung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass zur Überwachung der Drehzahl aus den ermittelten Drehzahl-Informationen mindestens ein Drehzahlgradient gebildet und ausgewertet wird. Die Auswertung des mindestens einen Drehzahlgradienten gibt Aufschluss über die Dynamik eines Drehzahlanstiegs, so dass hierauf noch besser mit einer geeigneten Maßnahme reagiert werden kann. Bei kleineren Gradienten kann versucht werden, den Betrieb des Brennstoffzellensystems zunächst unverändert aufrechtzuerhalten bzw. nur moderate Maßnahmen einzuleiten. Bei großen Gradienten, bei denen die Gefahr einer Überschreitung der maximal zulässigen Drehzahl größer als bei kleinen Gradienten ist, können Maßnahmen eingeleitet werden, die zu einem stärkeren Eingriff führen bzw. das System komplett abschalten. Mit Hilfe der Gradientenüberwachung kann demnach der Komponentenschutz weiter verbessert bzw. die Sicherheit weiter erhöht werden.
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Bei der Durchführung des Verfahrens kann die mindestens eine Drehzahl-Information mittels eines Sensors und/oder anhand eines Modells ermittelt werden. Bei dem Sensor kann es sich insbesondere um einen Drehzahlsensor handeln. Dieser ermöglicht eine sehr genaue Erfassung der aktuellen Drehzahl. Sofern die Drehzahl-Information anhand eines Modells ermittelt wird, kann dieses beispielsweise auf Kennfeldern basieren. Zum Beispiel kann aus Massenstrom und Druckverhältnis über dem Verdichterrad sowie basierend auf dem Verdichter-Kennfeld die Drehzahl zumindest näherungsweise ermittelt werden.
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Bevorzugt wird zusätzlich zur mindestens einen Drehzahl-Information mindestens eine weitere Information, die den Luftmassenstrom, den Druck, die Temperatur und/oder den Feuchtegehalt der Luft im Bereich des Verdichters betrifft, ermittelt und zur Plausibilisierung der Drehzahl-Information genutzt. Auf diese Weise kann die Aussagekraft der ermittelten Drehzahl-Information erhöht bzw. deren Richtigkeit verifiziert werden.
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Wird im Rahmen der Überwachung erkannt, dass ein Eingriff in Form einer indirekten Regelung der Drehzahl der Welle erforderlich ist, kann hierzu mindestens eine der folgenden Maßnahmen eingeleitet werden:
- - Verringerung des Antriebsmoments der Abgasturbine durch Veränderung der Turbinengeometrie und/oder durch Verringerung des Massenstroms über dem Turbinenrad, beispielsweise durch Öffnen eines Turbinen-Bypasspfads und/oder durch teilweises Schließen eines stromaufwärts des Turbinenrads angeordneten Druckregelventils, und/oder
- - Erhöhung der Druckdifferenz über dem Verdichterrad des Verdichters, beispielweise durch Schließen eines Verdichter-Bypasspfads.
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Mit Hilfe dieser Maßnahmen - einzeln oder in unterschiedlichen Kombinationen - kann einem weiteren Anstieg der Drehzahl der Welle entgegengewirkt bzw. die Drehzahl der Welle verringert werden. Denn, wie eingangs erwähnt, die Bedingungen an den Laufrädern sowie die Reibung in den Lagern der Welle sind bestimmend für die Drehzahl. Da eine Änderung der Reibung in den Lagern im Betrieb des Systems schwer realisierbar ist, müssen die Bedingungen an den Laufrädern, das heißt am Verdichterrad und/oder am Turbinenrad, verändert werden.
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Reichen diese Maßnahmen nicht aus, kann bei fortschreitendem Drehzahlanstieg - alternativ oder ergänzend zu den zuvor genannten Maßnahmen - die Antriebsleistung eines vorgeschalteten elektromotorisch angetriebenen Verdichters reduziert werden, welcher der Realisierung einer weiteren Stufe der Luftverdichtung dient. Diese Maßnahme geht mit einem verringerten Luftmassenstrom einher und führt demzufolge zu einem Derating. Die Einleitung dieser Maßnahme erfolgt daher bevorzugt erst nach Durchführung der zuvor genannten Maßnahmen. Es kann jedoch Situationen geben, in denen untere Stufen des kaskadierend aufgebauten Maßnahmenkatalogs übersprungen werden und zu einem Derating führende Maßnahmen eingeleitet werden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn im Wege der Gradientenüberwachung ein hochdynamischer Drehzahlanstieg detektiert wurde, so dass ein Derating unausweichlich ist, um die maximale Drehzahl abzusichern. Vorteilhafterweise wird die Antriebsleistung graduell reduziert und zwar in Abhängigkeit vom Anstieg der Drehzahl. Steigt die Drehzahl sehr schnell/sehr stark an, wird die Antriebsleistung stärker reduziert als bei einem langsameren bzw. schwächeren Drehzahlanstieg. Die Stärke des Eingriffs kann somit optimal an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden.
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Das vorgeschlagene Verfahren hält eine Vielzahl an Maßnahmen bereit, die - je nach Einzelfall - zur Anwendung gelangen. Auf diese Weise kann der notwendige Komponentenschutz mit Maßnahmen erreicht werden, die nicht zwingend zu einem Derating führen, sondern nur dann, wenn schwächere Maßnahmen eines kaskadierend aufgebauten Maßnahmenkatalogs nicht zu dem gewünschten Ergebnis führen. Am Ende des Maßnahmenkatalogs steht die Notabschaltung.
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Bei der Auswahl einer geeigneten Maßnahme aus dem Maßnahmenkatalog können auch verschiedene Maßnahmen kombiniert werden, das heißt parallel eingeleitet werden. Ferner muss der Turbokompressor bzw. Turbolader des vorgeschlagenen mehrstufigen Luftverdichtungssystems nicht zwingend mit einer weitre thermischen Strömungsmaschine als weitere Verdichtungsstufe kombiniert werden. Die weitere Verdichtungsstufe, insbesondere die erste Verdichtungsstufe, kann auch mit Hilfe einer Kolbenmaschine, einem Scrollverdichter, einem Schraubenkompressor oder dergleichen realisiert werden.
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Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Mit Hilfe des Steuergeräts kann das Verfahren weitgehend automatisiert werden, so dass ein Eingriff von außen nicht erforderlich ist. Ferner können im Steuergerät Kennfelder oder Modelle abgelegt sein, welche die Ermittlung und/oder die Auswertung einer Drehzahl-Information ermöglichen. Zudem kann mit Hilfe des Steuergeräts - in Abhängigkeit vom Ergebnis der Ermittlung und/oder Auswertung der mindestens einen Drehzahl-Information - eine geeignete Maßnahme aus dem kaskadierend aufgebauten Maßnahmenkatalog ausgewählt und eingeleitet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kathodenpfads eines Brennstoffzellensystems mit einem mehrstufigen Luftverdichtungssystem, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist,
- 2 eine schematische Darstellung einer ersten Maßnahmenabfolge eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Maßnahmenabfolge eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 4 eine schematische Darstellung einer Gradientenüberwachung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte Luftverdichtungssystem für ein Brennstoffzellensystem umfasst zwei Stufen. Beide Stufen werden jeweils mit Hilfe einer thermischen Strömungsmaschine realisiert. Die erste Stufe wird durch einen zweiflutigen Verdichter 10 ausgebildet, der zwei auf einer Welle 13 angeordnete Verdichterräder 11, 12 sowie einen Elektromotor 14 zum Antreiben der Welle 13 aufweist. Dem Verdichter 10 wird über einen Kathodengaspfad 15 Luft als Kathodengas zugeführt, die der Umgebung 23 entnommen wird. Dem Verdichter 10 ist vorliegend ein Luftfilter 22 vorgeschaltet. Die zweite Stufe des Luftverdichtungssystems wird durch einen Verdichter 1 realisiert, der ein im Kathodengaspfad 15 angeordnetes Verdichterrad 2 und ein in einem Kathodenabgaspfad 16 angeordnetes Turbinenrad 4 einer Abgasturbine 5 aufweist. Das Verdichterrad 2 und das Turbinenrad 4 sind auf einer gemeinsamen Welle 3 angeordnet, so dass der Antrieb des Verdichterrads 2 mit Hilfe des Antriebsmoments des Turbinenrads 4 bewirkt wird. Der Verdichter 1 weist keinen Elektromotor auf, sondern wird allein durch die Abgasturbine 5 angetrieben. Bei dem Verdichter 1 handelt es sich demnach um einen Turbokompressor bzw. einen Turbolader (TAC).
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Mit Hilfe des Verdichters 10 der ersten Stufe wird die der Umgebung 23 entnommene Luft vorverdichtet und anschließend dem Verdichter 1 der zweiten Stufe des Lufttverdichtungssystems zugeführt. Dabei bestimmt die Antriebsleistung des Elektromotors 14 des Verdichters 10 der ersten Stufe (zusammen mit den Ventilstellungen im System) den Luftmassenstrom und den Druck im Kathodengaspfad 15. Über den Luftmassenstrom und den Druck kann wiederum Einfluss auf die Drehzahl der Welle 3 des Verdichters 1 der zweiten Stufe genommen werden. Eine direkte Regelung der Drehzahl des Welle 3 ist in Ermangelung eines Elektromotors des Verdichters 1 der zweiten Stufe nicht möglich. Die Drehzahl der Welle 3 kann nur indirekt geregelt werden. Neben dem Luftmassenstrom und dem Druck im Kathodengaspfad 15 kann eine indirekte Regelung auch über den Abgasmassenstrom und den Druck im Kathodenabgaspfad 16 vorgenommen werden. Ferner kann die Antriebsleistung des Elektromotors 14 des Verdichters 10 der ersten Stufe variiert werden. Wird die Antriebsleistung des Elektromotors 14 gesenkt, geht dies in der Regel mit einem Derating einher, da die Ist-Leistung nicht mehr der angeforderten Leistung entspricht. Um auch ohne Derating eine indirekte Regelung der Drehzahl der Welle 3 des Verdichters 1 der zweiten Stufe des Luftverdichtungssystems zu ermöglichen, sind zur Umgehung des Verdichters 1 ein Verdichter-Bypasspfad 7 sowie zur Umgehung der Abgasturbine 5 ein Turbinen-Bypasspfad 6 vorgesehen. Durch Schließen eines im Verdichter-Bypasspfad 7 angeordneten Ventils 9 wird der gesamte Luftmassenstrom über den Verdichter 1 geführt. Dies hat zur Folge, dass sich die Druckdifferenz über den Verdichterrad 2 erhöht, so dass dieses gebremst wird. Alternativ oder ergänzend kann ein im Turbinen-Bypasspfad 6 angeordnetes Ventil 8 geöffnet werden, so dass die Antriebsleistung der Abgasturbine 5 sinkt. Jede dieser Maßnahmen - allein oder in Kombination - führt zu einer Reduzierung der Drehzahl der Welle 3 und trägt somit dazu bei, dass eine maximal zulässige Drehzahl nicht überschritten wird.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können demzufolge unterschiedliche Maßnahmen ergriffen werden, die von einem moderaten Eingriff bis hin zu einem Derating reichen. Nicht ausgeschlossen ist natürlich auch eine Notabschaltung des Systems als allerletzte Maßnahme. Um ein Derating so lange wie möglich hinauszuschieben, sieht das vorgeschlagene Verfahren eine bestimmte Maßnahmenabfolge vor, die durch einen kaskadierend aufgebauten Maßnahmenkatalog vorgegeben wird. Das heißt, dass verschiedene Maßnahmen verschiedenen Stufen zugeordnet sind, die sich hinsichtlich der Stärke des jeweiligen Eingriffs unterscheiden.
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Eine konkrete Abfolge von Maßnahmen, die unterschiedlichen Stufen M1, M2, M3 und M4 zugeordnet werden, ist beispielhaft in der 2 dargestellt. Jeder Stufe ist ein Drehzahlbereich D1, D2, D3 und D4 zugeordnet. Ergibt die Überwachung der Drehzahl der Welle 3, dass die Drehzahl in den Bereich D2 fällt, wird vorzugsweise mindestens eine Maßnahme der Stufe M2 eingeleitet. Steigt die Drehzahl weiter und erreicht den Drehzahlbereich D3, wird mindestens eine Maßnahme der Stufe M3 eingeleitet. Der Drehzahlbereich D1 ist durch eine Drehzahl definiert, die einen unteren Schwellenwert S1 darstellt. Dieser liegt vorliegend innerhalb eines Drehzahlbereichs, der noch dem Normalbetrieb des Verdichters 1 entspricht (schraffierte Fläche). Der Drehzahlbereich D4 ist durch einen oberen Schwellenwert S2 begrenzt, der vorzugsweise noch unterhalb der maximal zulässigen Drehzahl liegt, damit vor Erreichen bzw. Überschreiten der maximal zulässigen Drehzahl das System sicher notabgeschaltet wird. Auf diese Weise wird der notwendige Komponentenschutz erreicht.
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Alternativ zum Ausführungsbeispiel der 2 können Maßnahmen unterschiedlicher Stufen M1, M2, M3, M4 abhängig vom erreichten Drehzahlbereich D1, D2, D3, D4 nicht nur sequentiell, sondern auch parallel eingeleitet werden. Dies ist beispielhaft in der 3 dargestellt.
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Die bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens ermittelten Drehzahl-Informationen können auch zur Bildung von Drehzahlgradienten gdn C1, gdn C2, gdn C3 genutzt werden (siehe 4). Der Drehzahlgradient erlaubt eine Aussage über die Dynamik eines Drehzahlanstiegs C1, C2, C3, so dass diese zusätzliche Information zur Steuerung der Maßnahmen des Maßnahmenkatalogs genutzt werden kann. Bei einem Drehzahlgradienten mit einem besonders steilen Anstieg (z.B. gdn C1) kann eine Maßnahme der Stufe M1 übersprungen und gleich eine Maßnahme der Stufe M2 oder M3 eingeleitet werden, da hier die Gefahr einer Überschreitung der maximal zulässigen Drehzahl besonders groß ist. Bei einem flach ansteigenden Anstieg (z.B. gdn C3) genügt ein moderater Eingriff, so dass vorzugsweise eine Maßnahme der Stufe M1 eingeleitet wird. Mit Hilfe der Gradientenüberwachung kann demnach das Verfahren weiter optimiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011087912 A1 [0003]