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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Konditionierungsvorrichtung für Brennstoffzellen und ein Verfahren für die Konditionierung von Luft (oder allgemeiner: einem Prozessgas) für Brennstoffzellen, wie sie insbesondere bei Prüfständen zum Einsatz kommt.
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Der Wirkungsgrad und auch die Lebensdauer von Brennstoffzellen werden sehr stark von den Bedingungen des zugeführten Prozessgases beeinflusst. Einerseits steigt im Allgemeinen bei einer hohen Luftfeuchte des Prozessgases der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und andererseits können sich bei einer zu hohen Luftfeuchte Feuchtigkeitstropfen bilden, die die feinen Gaskanäle in der Brennstoffzelle blockieren. Auch kann u.U. ein Anschwellen der Membran durch Wasseraufnahme stattfinden, was den Wirkungsgrad reduziert.
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So ist es bei der Brennstoffzellenentwicklung von hoher Bedeutung, mit effektiven Mitteln unterschiedliche Prozessgasbedingungen, insbesondere Druck und Temperatur z.B. unter Laborbedingungen zu bereitzustellen. Hierfür wird eine flexible Prozessgasversorgung benötigt, mit der unterschiedliche Drücke, Luftfeuchteanteile und Temperaturen des Prozessgases eingestellt werden können.
WO 2018/121957 betrifft ein Verfahren zur Konditionierung von einem Prozessgas für eine Brennstoffzelle, bei der auch erläutert wird, dass es für Prüfstände unterschiedliche Verfahren für die Befeuchtung der Reaktanden gibt. So ist über diese Schrift bekannt, dass bei Forschungsprüfständen „Bubbler“ genutzt werden können, über die von unten Gas durch einen Behälter mit Wasser geblasen wird, um dieses Gas zu befeuchten. Jedoch kommt diese Schrift bereits zu dem Ergebnis, dass mit dieser Anordnung v.a. konstante Feuchtebedingungen hergestellt werden können, dabei aber dynamische Änderungen kaum möglich sind. Auch erkennt diese Schrift, dass von einem Kessel Wasserdampf erzeugt werden kann, welches über Ventile dem Prozessgas beigemengt wird und dass dabei aber der Wasserdampf nur schwer dosiert werden kann. Um eine flexiblere Prozessgasversorgung zu erzielen, kommt
WO 2018/121957 zu dem Ergebnis, dass Wasser im überkritischen Zustand verwendet werden soll.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Bereitstellung von einem konditionierten Prozessgas zu entwickeln. Dabei wäre es insbesondere vorteilhaft, wenn der Feuchtegrad möglichst exakt und dynamisch schnell ansprechend eingestellt werden kann, bevorzugt bei einer gleichzeitigen Steuerung von der Temperatur und dem Druck. Da die von
WO 2018/2121957 gefundene Lösung unter Verwendung von überkritischem Wasser eine hohe Temperatur und einen hohen Druck benötigt, soll die erfindungsgemäße Lösung ohne diese aufwändigen technischen Bedingungen auskommen und so bevorzugt auch ökonomisch vorteilhaft sein. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Bei einem Verfahren zur Konditionierung von einem Prozessgas für dessen Zuführung zu einer Brennstoffzelle, wird ein erstes Gas, insbesondere getrocknete Luft, in einer ersten Konditionierungstrecke in einen ersten konditionierten Zustand gebracht. In einer zweiten Konditionierungsstrecke wird Feuchtigkeit mit einem zweiten Gas, bevorzugt Luft vermischt und in einen zweiten konditionierten Zustand gebracht und beide konditionierten Gase werden für die Bildung des Prozessgases zusammengeführt. Auf diese Weise ist es möglich, Gase mit einer unterschiedlichen Feuchtigkeit bereitzustellen und durch eine entsprechende Zusammenführung/Mischung ist es möglich, mit einer kurzen Reaktionszeit ein konditioniertes Prozessgas zu erhalten. Das erste und/oder zweite Gas können insbesondere getrocknete Luft sein, da derartige (Druck-)Luft in Gebäudeinstallationen von Entwicklungsbereichen häufig als ein Teil der Infrastruktur bereitgestellt wird und ohne besonderen Aufwand darauf zurückgegriffen werden kann.
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In einem entsprechenden Verfahren wird das gebildete Gemisch in einem Wärmetauscher gekühlt. Vorteilhaft ist, wenn zumindest die Temperatur in der zweiten Konditionierungsstrecke größer als 100°C ist, da bei höheren Temperaturen die maximale absolute Feuchtigkeit stark steigt und so relativ viel Feuchtigkeit für die Zusammenführung und Bildung des Prozessgases bereitsteht. Bevorzugt wird im Wärmetauscher auf eine Temperatur kleiner als 100°C herabgekühlt, da höhere Temperaturen in Brennstoffzellen i.d.R. nicht zum Einsatz kommen.
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Insbesondere ist die zugeführte Feuchtigkeit bei der Zuführung dampfförmig. Dies ist vorteilhaft, da sie so leichter in der Konditionierungsstrecke verteilt werden kann und ihr so nicht erst in der Konditionierungsstrecke eine Verdunstungsenthalpie zugeführt werden muss. In einer ersten Variante kann die Konditionierungsvorrichtung hierfür einen Verdampfer umfassen. Bevorzugt ist hingegen in einer zweiten Variante, wenn der (Wasser-)Dampf von einer entsprechenden zentralen Gebäudeinstallation her bezogen wird, die Konditionierungsvorrichtung also keinen eigenen Verdampfer umfasst.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn die Temperaturen in der ersten und zweiten Konditionierungstrecke weitgehend gleich sind. Dies kann bspw. insbesondere eine Abweichung von bis zu +/- 20° und bevorzugt bis zu +/-10° mit umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur der ersten und zweiten Konditionierungsstrecken jeweils mindestens 105°C und bevorzugt 125°C +/- 20°C betragen. Die genannten Temperaturen werden bevorzugt am Ausgang der Konditionierungsstrecken gemessen, wobei bspw. Heizungen über die gesamte Länge der Konditionierungsstrecken angeordnet sein können. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform können die Temperaturen zumindest einer (bevorzugt beider) Konditionierungsstrecken mindestens 100°C betragen. Vorteilhaft ist die genannte weitgehend gleiche Temperatur, da hierdurch die Mischung erst einmal einfacher wird, da weniger Verwirbelungen entstehen und zudem die Berechnung der Volumenströme des ersten und zweiten Gases für die Bildung des Prozessgases vereinfacht wird.
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Insbesondere wird ein Kondensat am Ende der zweiten Konditionierungstrecke abgeleitet. Auf diese Weise kann zunächst ein Überschuss an Feuchtigkeit zugesetzt werden, um sicherzustellen, dass 100% relative Feuchte erreicht wird und entsprechend wird ein verbleibender Überschuss nachträglich abgeführt.
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Eine Konditionierungsvorrichtung zur Erzeugung von einem Prozessgas für dessen Zuführung zu einem elektrochemischen Wandler, insbesondere einer Brennstoffzelle, umfasst eine erste Konditionierungstrecke, in der ein erstes Gas, insbesondere getrocknete Luft, in einen ersten konditionierten Zustand bringbar ist. Mit einer zweiten Konditionierungsstrecke kann Feuchtigkeit mit einem zweiten Gas, bevorzugt Luft, vermischt und in einen zweiten konditionierten Zustand gebracht werden. Beide Gase werden zur Bildung des Prozessgases zusammengeführt.
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Bevorzugt weisen die ersten Konditionierungstrecke und die zweite Konditionierungsstrecke jeweils einen Anschluss für das erste bzw. das zweite Gas auf, so dass diese Gase von einem Versorgungssystem eines Gebäudes bezogen werden können, in dem die Konditionierungsvorrichtung steht. Insbesondere können das erste und zweite Gas aus dem gleichen Versorgungssystem bezogen werden und bevorzugt das gleiche Gas sein. Ebenso kann die Feuchtigkeit von einem Dampferzeuger bezogen werden, der von der Konditionierungsvorrichtung getrennt ist und z.B. Bestandteil eines Versorgungssystems eines Gebäudes sein kann, in welchem die Konditionierungsvorrichtung angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn die erste und/oder zweite Konditionierungsstrecke einen Behälter mit einem Füllmaterial, wie insbesondere einer Schüttung des Füllmaterials, umfasst. In diesem Sinne hat die Konditionierungstrecke einen doppelten Effekt. Zunächst dient sie als Feuchtigkeitsspeicher, da in ihr ein gewisses Fluidvolumen vorhandenen ist, das bei einer hohen Temperatur eine hohe absolute Feuchtigkeitsmenge tragen kann. Zudem kann über das Füllmaterial thermische Energie gespeichert werden. Wenn spontan eine größere Menge von temperiertem Prozessgas benötigt wird, werden die entsprechenden Ventile geöffnet und die Gase werden temperiert. Dabei wird das zweite Gas auch befeuchtet. Nachfolgend wird das Gemisch im Wärmetauscher gekühlt. Wenngleich der Vorgang des Erwärmens und nachträglichen Kühlens auf den ersten Blick umständlich erscheinen mag, ist er dennoch überaus vorteilhaft, da hierüber eine bestmögliche und reproduzierbare Befeuchtung möglich ist. Eine gesonderte Bestimmung des Flüssigkeitsgehalts des zweiten Gases nach der zweiten Konditionierungsstrecke muss nämlich nicht gesondert durchgeführt (z.B. gemessen) werden, wenn dessen temperaturabhängige relative Feuchte 100% beträgt. So ist es einfach möglich, aufgrund der 100% relativen Feuchte bei der gegebenen Temperatur die absolute Feuchtigkeitsmenge des konditionierten zweiten Gases zu berechnen und die Parameter der Konditionierungsvorrichtung (z.B. Öffnungsgrad der Ventile) so zu justieren, dass das erzeugte Prozessgas die gewünschten Bedingungen aufweist. Die Bestimmung der Feuchte des ersten Gases ist noch einfacher, da sie sich aus der (geringen Rest-)Feuchte des zugeführten getrockneten Gases unmittelbar ergibt. Das Füllmaterial hat insbesondere eine hohe spezifische Wärmekapazität, um so bei einer Veränderung des Volumenstroms des ersten und/oder zweiten Gases eine Veränderung der Temperatur der jeweils konditionierten Gase weitgehend zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Zwischen einzelnen Einheiten des Füllmaterial, wie insbesondere Körnern, Brocken oder Blöcken befinden sich Fließkanäle bzw. Fließzonen für die Gase. Das Füllmaterial ist für einen verbesserten Temperaturübergang bevorzugt porig. Es können Wärmespeichersteine, wie Schamott oder Magnetit oder ähnliches zum Einsatz kommen. Ebenso kann es vorteilhaft sein, wenn statt dessen z.B. Edelstahl als Füllmaterial zum Einsatz kommt, da man hier sicher sein kann, dass keine Partikel in die Gasströme abgegeben werden.
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An den Eingängen der ersten und zweiten Konditionierungsstrecken oder stromaufwärts davon können bevorzugt jeweils ein Dosierventil für das erste bzw. das zweite Gas angeordnet sein. Bevorzugt ist dann am Ende der Konditionierungstrecken und stromabwärts davon bis inklusive zu der Zusammenführung der konditionierten Gase kein Dosierventil vorgesehen. Naheliegend wäre es für einen Fachmann auf den ersten Blick, wenn die Dosierventile unmittelbar vor der Zusammenführung der Gase angeordnet wären, da hier eine unmittelbare Steuerung möglich ist und die Anordnung der Dosierventile vor den Konditionierungsstrecken eine gewisse Verzögerung und Elastizität der Steuerung bewirkt. Aber es wurde erkannt, dass es einfacher und genauer ist, die Gase eingangsseitig und vor deren Erwärmung zu dosieren.
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Ferner können bevorzugt jeweils die erste und zweite Konditionierungsstrecke einen Regelkreis mit einem thermischen Sensor zur Aktivierung eines Heizelements umfassen. Das Heizelement kann ein elektrisches Heizelement sein. Hierüber werden die Gase (und auch das Füllmaterial) auf ihre geforderte Temperatur gebracht. In Abgrenzung zu einem genannten Stand der Technik können in der ersten und/oder zweiten Konditionierungsstrecke in Bezug auf den Dampfanteil unterkritische Bedingungen vorherrschen. Auch wenn aus dem Stand der Technik bekannt ist, dass überkritische Bedingungen vorteilhaft sein können, wird durch den beschriebenen Aufbau eine mindestens ebenso flexible und schnelle Bereitstellung des Prozessgases ermöglicht, bei der aber der Vorteil eines geringeren technischen Aufwands besteht.
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Die beigefügte 1 dient zur Erläuterung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.
- 1 zeigt rechts einen Anschluss 3 einer Gebäudeinstallation, in welchem eine Konditionierungsvorrichtung 1 angeordnet ist, zur Konditionierung eines Prozessgases 50 auf bestimmte Bedingungen. Die Gebäudeinstallation stellt Druckluft bereit, die bevorzugt getrocknet ist. Da in der Entwicklung und Forschungslaboren häufig Druckluft benötigt wird, ist es vorteilhaft, diese Druckluft zu verwenden, da dadurch der konstruktive Aufwand der Konditionierungsvorrichtung 1 reduziert wird. Auch wenn die Nutzung von bereitgestellter Druckluft ein Vorteil der Konditionierungsvorrichtung 1 ist, so beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht hierauf, sondern umfasst insbesondere auch Varianten, die eine individuelle Druckluftversorgung umfassen. Die Druckluftversorgung ist über Dosierventile 12, 32 und bevorzugt auch über Rückschlagventile 14, 34 mit Konditionierungsstrecken 10 und 30 verbunden. Jede der Konditionierungsstrecken 10, 30 kann einen Tank der Größe von z.B. mindestens 3 I, bevorzugt zwischen 8 und 15 I und/oder kleiner als 50 I umfassen. Die Konditionierungstrecken 10, 30 sind mit einem Füllmaterial, wie z.B. einer Schüttung eines Materials mit einer hohen Wärmekapazität zumindest großteils oder vollständig gefüllt. Die Konditionierungstrecken 10, 30 sind bevorzugt länglich ausgebildet mit Ein- bzw. Auslässen an gegenüberliegenden Enden, so dass die hindurchgeleitete Druckluft möglichst gut in Austausch mit dem Füllmaterial steht, welches zu diesem Zwecke bevorzugt porös ausgestaltet sein kann. Zwischen einzelnen Einheiten des Füllmaterial, wie insbesondere Körnern, Brocken oder Blöcken befinden sich Fließkanäle bzw. Fließzonen für die Gase. Das Füllmaterial kann bspw. Wärmespeichersteine, wie Schamott oder Magnetit oder Stahl, Edelstahl wie bspw. in der Form einer Metallwolle sein.
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Jede der Konditionierungsstrecken 10, 30 umfasst einen Temperaturregelkreis 19, 39 mit einem Thermofühler, der z.B. in Strömungsrichtung abstromseitig angeordnet sein kann und ein Heizelement 18, 38 und eine Steuerung (nicht dargestellt) mit der eine gewünschte Temperatur in den Konditionierungsstrecken 10, 30 eingestellt werden kann. Die Konditionierungsstrecken 10, 30 können teilweise oder komplett mit einer Isolierung 16, 36 umgeben sein. Beide Konditionierungsstrecken weisen abstromseitig einen Auslass auf, wobei die Auslässe (fluidal) zusammengeführt werden und zu einem Wärmetauscher 40 führen. Bei dem Wärmetauscher 40 wird dem Gemisch der Fluidströme der beiden Konditionierungsstrecken 10, 30 Wärme entzogen und so wird das Prozessgas 50 erzeugt.
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Die Konditionierungsstecken 10, 30 sind somit parallel und können bspw. identisch ausgeführt sein, bis auf folgende Unterschiede, nämlich, dass als erster Unterschied die zweite Konditionierungsstrecke 30 eingangsseitig einen Feuchtigkeitseinlass 6 aufweist, bei dem flüssig oder bevorzugt gasförmig Feuchtigkeit zugeführt werden kann, Die Feuchtigkeit kann gesättigter Wasserdampf sein, der aus dem Infrastrukturnetzwerk des Gebäudes bezogen werden kann. Gleiche Wirkung kann alternativ mit einem Verdampfer erzielt werden, der Teil (oder benachbart zu) der Konditionierungsstrecke 30 angeordnet ist. Als zweiter Unterschied kann bevorzugt die zweite Konditionierungsstrecke 30 abstromseitig einen Abfluss 52 für Kondensat umfassen. Die Rückschlagventile 14 und 34 sind so angeordnet, dass kein Fluidstrom von den Konditionierungsstrecken 10, 30 in z.B. die Gebäudeinstallation 3 gelangen kann. Über die Dosierventile 12 und 32 können jeweils die Durchflussmengen der Konditionierungsstrecken 10, 30 unabhängig voneinander bestimmt werden.
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Die Aufgabe der Konditionierungsvorrichtung 1 ist es, das Prozessgas 50 bereitzustellen und dabei gewünschte Mengen (also Volumenstrom) bei einer gewünschten Temperatur, bei einer gewünschten Feuchte und/oder einem gewünschten Druck einzustellen. Die Regelung der gewünschten Feuchte wird dadurch erzielt, dass in den beiden Konditionierungsstrecken 10 und 30 Gase mit unterschiedlichen Feuchtewerte bereitgestellt und anforderungsgemäß gemischt werden. Bevorzugt wird in der ersten Konditionierungsstrecke 10 getrocknete Luft aus der Gebäudeinstallation zugeführt, so dass die dort auf z.B. 130°C erwärmte Luft eine überaus niedrige (relative) Feuchte aufweist. Hingegen wird in der zweiten Konditionierungstrecke 30 Feuchte zugeführt, so dass sich bei einer Erwärmung der zweiten Konditionierungsstrecke 30 auf 130°C eine relative Feuchte von 100% ergibt. Da diese relative Feuchte nur durch einen Überschuss an Flüssigkeit erreicht wird, ergibt sich überschüssiges Kondensat 52, welches abgeführt wird. Bevorzugt können beide Konditionierungsstrecken 10 und 30 die gleiche Temperatur aufweisen, da hierdurch die Regelung des Prozessgases 50 vereinfacht wird. In diversen Anwendungen können die Temperaturen der Konditionierungsstrecken zwischen 100°C und 150°C sein.
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Die Regelung der Temperatur des Prozessgases 50 wird durch den Wärmetauscher 40 erreicht. Der Wärmetauscher 40 steht zur Wärmeableitung in Kommunikation mit einer kälteren Umgebung und umfasst bevorzugt einen thermischen Sensor (nicht dargestellt) mit einem entsprechenden Regelkreis, so dass den kombinierten Fluidströmen von den beiden Konditionierungsstrecken 10, 30 die richtige Temperaturmenge entzogen wird, so dass sich darüber die Solltemperatur des Prozessgases einstellt.
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Für die Regelung des Drucks, bzw. des Volumenstroms des Prozessgases 50 ergibt sich ein Zusammenhang dieser beiden Größen aus den baulichen Bedingungen der Konditionierungsvorrichtung 1, nämlich insbesondere dessen Strömungsquerschnitte über das Hagen-Poiseuille-Gesetz. Zudem lässt sich der Volumenstrom (bzw. Druck) über eine gleichgerichtete bzw. proportionale Veränderung beider Dosierventile 12, 32 einstellen. Wenn sie bspw. entsprechend gleichgerichtet weiter geöffnet (bzw. geschlossen) werden, vergrößert, (bzw. verkleinert) sich der Volumenstrom des Prozessgases 50, wobei aber prinzipiell dessen Feuchtigkeit nicht verändert wird.
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Auf diese Weise ist es möglich, durch eine einfache Einstellung von den entsprechenden Parametern gewünschte Bedingungen des Prozessgases zu erhalten. Ein Vorteil der beschriebenen Vorrichtung liegt in dem schnellen Ansprechverhalten bei der Veränderung einer Sollgröße. Die genannten Volumina der Konditionierungsstrecken 10. 30, verbunden mit den Füllkörpern bilden praktisch ein Vorratsreservoir für einerseits trockene und andererseits feuchte Luft, so dass sich unmittelbar durch eine Verstellung der Dosierventile 12 und 34 eine veränderte Mischung ergibt, also eine veränderte Feuchte des Prozessgases 50. Es ist offensichtlich, dass sich die Volumenmenge und die Temperatur des Prozessgases ebenso unmittelbar einstellen lassen.
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Das erhaltene Prozessgas 50 lässt sich als Prozessfluid einer Brennstoffzelle (nicht dargestellt) zuführen und so (wie erläutert) in unterschiedlichen Bedingungen betreiben, so dass unterschiedliche Tests möglich sind. Durch die hohe Flexibilität der Einstellung des Prozessgases 50 lassen sich schnell diverse Bedingungen überprüfen, bzw. Testabläufe realisieren, wodurch sich in einer vereinfachten und beschleunigten Art die Brennstoffzellenentwicklung verbessern lässt.
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Bei Brennstoffzellen ist es häufig üblich, dass die Brennstoffzelle selbst eine Befeuchtungsvorrichtung für die Frischluft aufweist, die dadurch realisiert wird, dass die durch die chemische Reaktion feuchtigkeitshaltige Abluft über eine Membran (im Gegenstrom) entlang der Frischluft geführt wird, so dass über die Membran ein Feuchtigkeitsübertritt in die Frischluft möglich ist. Die Feuchtigkeit der Frischluft wird dabei entsprechend erhöht. Die hier beschriebene Konditionierungsvorrichtung eignet sich auch für derartige Brennstoffzellen, da sie vor diese Befeuchtungsvorrichtung geschaltet werden kann, um so Tests der Befeuchtungsvorrichtung alleine oder in Kombination mit der Brennstoffzelle möglich sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018/121957 [0003]
- WO 2018/2121957 [0004]
