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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches eine eigentliche Brennstoffzelle mit einer Anordnung von mehreren jeweils einen Anodenabschnitt, eine Elektrolytmembran und einen Kathodenabschnitt aufweisenden Einzelzellen, eine an einem Anodengaseingang mündende, eine Brennstoffquelle und eine Brennstoff-Dosiereinrichtung umfassende Anodengasversorgung, eine Kathodengasversorgung und eine einen Anodengasausgang mit dem Rezirkulationsgaseingang eines in der Anodengasversorgung angeordneten Mischers verbindende Anodengas-Rezirkulationseinrichtung umfasst. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Hochfahren eines solchen Brennstoffzellensystems nach einem Stillstand.
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Brennstoffzellensysteme der hier in Rede stehenden, eingangs angegebenen Art, bei denen als Brennstoff insbesondere Wasserstoff zum Einsatz kommt, zählen in diversen verschiedenen Varianten - z. B. unterschieden hinsichtlich der Realisierung der Anodengas-Rezirkulation mit einem Förder-Gebläse (sog. „aktive Rezirkulation“) oder aber ohne ein solches (sog. „passive Rezirkulation“) durch Einsatz eines eine Saugwirkung ausübenden, insbesondere als Strahlpumpe ausgeführten Mischers - zum Stand der Technik. Sie stehen aktuell im Fokus wegen ihres Einsatzes in Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb. Gerade - aber nicht nur - für diesen Anwendungsbereich bedürfen wegen der unvermeidbaren häufigen Stillstandzeiten Aspekte besondere Beachtung, welche das Verhalten der Brennstoffzelle und die sich in dieser vollziehenden Vorgänge beim Herunterfahren aus dem Leistungsbetrieb, im anschließenden Stillstand und beim Wieder-Hochfahren nach dem Stillstand betreffen.
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Die
EP 1 627 442 B1 ,
EP 1 897 165 B1 ,
DE 10 2007 037 304 B4 ,
KR 10-1080782 B1 ,
DE 10 2011 105 054 A1 ,
DE 10 2018 218 083 A1 und
US 2019/0148746 A1 , auf deren Inhalt hier Bezug genommen wird, enthalten teilweise qualifizierte, mehr oder weniger umfassende Diskussionen der Vorgänge in einer Brennstoffzelle während deren Stillstands und der sich hieraus ergebenden Probleme. Nach der ein Brennstoffzellensystem mit passiver Anodengas-Rezirkulation betreffenden
US 2019/0148746 A1 ist innerhalb der Anodengas-Rezirkulationseinrichtung ein aktives, über einen Aktuator betätigbares Magnetventil vorgesehen. Dieses kommt, in Verbindung mit einem ebenfalls innerhalb der Anodengas-Rezirkulationseinrichtung vorgesehenen Speichervolumen, zum Einsatz zur gezielten Erzeugung von Turbulenzen, wenn über eine reduzierte Spannung der Brennstoffzelle eine Unterfunktion diagnostiziert wird. Die in der
DE 10 2011 105 054 A1 , welche sich ebenfalls mit einem Brennstoffzellensystem mit passiver Anodengas-Rezirkulation befasst, hergeleiteten Erkenntnisse münden dabei darin, dass zumindest während des Startvorgangs einer Brennstoffzelle zumindest eine Maßnahme zur Verstärkung der Konvektion und/oder von Turbulenzen innerhalb des Anodenabschnitts durchgeführt wird. Als eine solche konvektionsverstärkende Maßnahme wird dabei namentlich eine solche gepulste Betriebsweise einer in der Anodengasversorgung vorgesehenen Ventilanordnung angesehen, welche bereits während der Startphase eine Anodengas-Rezirkulation in Gang setzt, so dass selbst bei geschlossenem Auslassventil des Anodenabschnitts eine intensive Durchmischung der anodenseitigen Gase erzielt wird. Andere Vorschläge gegen in die entgegengesetzte Richtung, nämlich die Durchführung mehr oder weniger komplexer (unproduktiver) Spülzyklen.
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Trotz des erheblichen Bedarfs hieran fehlt es, wie letztlich auch die Vielzahl der verschiedenen bisher unterbreiteten Vorschläge - vorstehend ist zum Stand der Technik nur eine Auswahl angegeben - zum Ausdruck bringt, für das Hochfahren einer Brennstoffzelle (bzw. eines Brennstoffzellensystems) aus dem Stillstand bisher an einer überzeugenden praxistauglichen Lösung, wobei als relevante Kriterien einer Praxistauglichkeit insoweit insbesondere anzusehen sind ein minimaler Zeitbedarf bis zum Einsetzen des produktiven Betriebs, ein geringer baulicher bzw. apparativer Aufwand, eine hohe energetische Effizienz sowie eine hohe Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit, wobei zwischen diesen Kriterien teilweise ein zu einem Kompromiss zwingender Zielkonflikt besteht (z. B. zwischen minimalem Zeitbedarf bis zum Einsetzen des produktiven Betriebs und hoher energetischer Effizienz). Unter der generellen Zielsetzung der Verbesserung der Brennstoffzellentechnologie liegt, ausgehend von dem dargelegten Stand der Technik, der vorliegenden Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, im Hinblick auf die Stillstands-Problematik von Brennstoffzellen Abhilfe zu schaffen und eine praxistaugliche Lösung insbesondere in Form eines gegenüber dem Verfahren nach der
DE 10 2011 105 054 A1 verbesserten Verfahrens zum nach einem Stillstand erfolgenden Hochfahren einer Brennstoffzelle, insbesondere einer mit Wasserstoff betriebenen Niedertemperatur-Brennstoffzelle, bzw. eines eine solche Brennstoffzelle umfassenden Brennstoffzellensystems bereitzustellen.
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Gelöst wird diese Aufgabenstellung erfindungsgemäß, indem das Hochfahren eines über eine passive Anodengas-Rezirkulationseinrichtung verfügenden Brennstoffzellensystems sich über mindestens zwei Phasen vollzieht dergestalt, dass in einer ersten Phase des Hochfahrens („Initialisierungsphase“) die Brennstoffzelle unter Zufuhr von Brennstoff aus der Brennstoffquelle in Betrieb genommen wird, wobei die Anodengasrezirkulation - ohne eine aktive Absperrung der Anodengas-Rezirkulationseinrichtung mittels eines extern, insbesondere durch die Ansteuerung eines zugeordneten Aktuators durch eine Steuereinheit betätigten Elements - unterdrückt ist, und erst in einer der ersten Phase zeitlich nachfolgenden zweiten Phase des Hochfahrens („Konsolidierungsphase“) zusätzlich zur Zufuhr von Brennstoff aus der Brennstoffquelle eine Anodengasrezirkulation erfolgt. Die Erfindung wendet sich somit ausdrücklich ab von der durch die
DE 10 2011 105 054 A1 vermittelten technischen Lehre, indem in der Startphase eine Anodengasrezirkulation unterdrückt bzw. unterbunden wird. In der Startphase, während derer die Brennstoffzelle unter Zufuhr von Brennstoff aus der Brennstoffquelle in Betrieb genommen wird, ist, anders als nach der
DE 10 2011 105 054 A1 angeregt, ein ggf. im Anodengasausgang vorhandenes Ventil nicht geschlossen, sondern vielmehr geöffnet. Die Erfindung baut somit auf der - der Lehre nach der
DE 10 2011 105 054 A1 zuwiderlaufenden - Erkenntnis auf, dass die Rezirkulation des Anodengases über die Rezirkulationseinrichtung bei der Initialisierung des Hochfahrens der Brennstoffzelle eher nachteilig als vorteilhaft ist. Dabei wird allerdings die Anodengasrezirkulation nicht durch ein in die (passive) Anodengas-Rezirkulationseinrichtung eingebettetes, extern (insbesondere durch die Ansteuerung eines zugeordneten Aktuators durch eine Steuereinheit) betätigtes Element unterdrückt (d. h. vollständig oder zumindest weitestgehend unterbunden); denn ein solches extern betätigtes Element weist die Anodengas-Rezirkulationseinrichtung gerade nicht auf.
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Demgemäß spielt die Anodengas-Rezirkulationseinrichtung während der Initialisierungsphase gewissermaßen keine Rolle, ganz oder zumindest weitgehend so, als sei sie gar nicht vorhanden. Hierdurch ist auch die dort vorhandene Menge an Gas - die Gasmenge ist wegen der typischerweise großen Strömungsquerschnitte der Anodengas-Rezirkulationseinrichtung durchaus erheblich - für die erste Phase des Hochfahrens der Brennstoffzelle irrelevant, d. h. sie wirkt sich insbesondere nicht die Spül- und Initialisierungsprozesse hemmend oder auf sonstige Weise störend aus. Indem während der Initialisierungsphase das Einsetzen der Anodengas-Rezirkulation unterdrückt bzw. unterbunden wird, führt die die Brennstoffzelle spülende Wirkung von deren Beaufschlagung mit Brennstoff früher zu einem solchen Effekt, dass die Brennstoffzelle ihren produktiven Betrieb beginnt, als im Falle des sofortigen Einsetzens der Anodengasrezirkulation. Dieses Ergebnis wird dabei erfindungsgemäß erreicht ohne eine gesonderte aktive Absperreinrichtung, welche mit apparativem und steuerungstechnischem Aufwand sowie notwendigerweise mit nachteiligen Auswirkungen auf Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit verbunden wäre.
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Ist, gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, der Mischer durch eine Strahlpumpe gebildet, so ist es - nach einer weiterhin besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung - allein die Betriebsweise der Strahlpumpe, über die in der Initialisierungsphase eine Anodengasrezirkulation unterdrückt wird. Die Strahlpumpe wird demnach in der Initialisierungsphase dergestalt betrieben, dass ihre an dem Rezirkulationsgaseingang erzeugte Saugwirkung vernachlässigbar oder zumindest nur so gering ist, dass - unter Berücksichtigung der weiteren strömungstechnischen Einflussgrößen - eine nennenswerte Anodengasrezirkulation unterbleibt. Insbesondere unterbleiben somit in der Initialisierungsphase ersichtlich bewusst sämtliche Maßnahmen, die auf eine starke bzw. verstärkte Saugwirkung des Mischers gerichtet sind; zu solchen Maßnahmen wird erst in der Konsolidierungsphase übergegangen, in der - entsprechend verzögert - die Anodengas-Rezirkulation aktiviert wird.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Einflussnahme auf die (den Mischer bildende) Strahlpumpe dahingehend, dass in der Initialisierungsphase an dem Rezirkulationsgaseingang keine eine (nennenswerte) Anodengasrezirkulation hervorrufende Saugwirkung entsteht, allein durch Beeinflussung der Brennstoffzufuhr zu dem Mischer. Namentlich kann hierzu in der Initialisierungsphase bewusst auf eine pulsierende Zufuhr des Brennstoffs zu der Strahldüse verzichtet, d. h. der Brennstoff (Wasserstoff, etc.) der Strahlpumpe möglichst gleichförmig mit einem mehr oder weniger konstanten geringen Massenstrom zugeführt werden. Nach dem vorstehend Gesagten können im Rahmen der vorliegenden Erfindung, gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung derselben, somit die apparativen Konfigurationen der Anodengas-Rezirkulationseinrichtung sowie des Mischers (der Strahlpumpe) in der ersten und der zweiten Phase des Hochfahrens der Brennstoffzelle, d. h. während der Initialisierungsphase und der Konsolidierungsphase identisch sein, indem sich die unterschiedlichen Betriebseigenschaften ausschließlich durch Variation der Brennstoffzufuhr zum Mischer ergeben.
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Zwingend ist vorstehendes indessen nicht. Vielmehr kommt durchaus auch in Betracht, dass sich die apparative Konfiguration der Anodengas-Rezirkulationseinrichtung und/oder des Mischers (der Strahlpumpe) in der Initialisierungsphase von der in der Konsolidierungsphase unterscheidet - mit der Maßgabe, dass hierfür die Anodengas-Rezirkulationseinrichtung aber nicht mit einer aktiv schaltbaren Absperreinrichtung (vgl.
US 2019/0148746 A1 ) ausgestattet wird. Die Änderung der apparativen Konfiguration des Mischers (der Strahlpumpe) kann dabei beispielsweise über eine - ggf. direkt von dem in der Brennstoffzufuhr bestehenden Brennstoff-Eingangsdruck abhängige, durch entsprechende Druckveränderungen unmittelbar hervorgerufene - Modifikation der Lage der Treibdüse relativ zu den übrigen Komponenten erfolgen; denn das Saugverhalten der Strahlpumpe ist hiervon entscheidend abhängig. Ähnliches gilt für eine - wiederum ggf. direkt von dem in der Brennstoffzufuhr bestehenden Brennstoff-Eingangsdruck abhängige, durch entsprechende Druckveränderungen unmittelbar hervorgerufene - Modifikation sonstiger geometrischer Gegebenheiten der Strahldüse (z. B. Diffusorwinkel, Diffusorlänge, Öffnungsquerschnitt des Sauganschlusses, etc.).
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Die Änderung der apparativen Konfiguration der Anodengas-Rezirkulationseinrichtung kann insbesondere über eine optionale passive Verschlusseinrichtung erfolgen. Als passive Verschlusseinrichtung in diesem Sinne ist dabei eine solche die Durchströmung der Anodengas-Rezirkulationseinrichtung beeinflussende Einrichtung anzusehen, die ohne Fremdenergie und ohne externe Ansteuerung arbeitet und geeignet ist, den Strömungsquerschnitt der Anodengas-Rezirkulationseinrichtung zu sperren. Das Umschalten zwischen der Sperrstellung und der (vollständig) geöffneten Stellung erfolgt dabei selbsttätig, automatisch und ohne Weiteres aufgrund einer internen Größe, namentlich der im Bereich der Verschlusseinrichtung selbst herrschenden Druckverhältnisse.
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Im Interesse einer besonders hohen Effizienz des Brennstoffzellensystems weist die passive Verschlusseinrichtung dabei einen ausgeprägten Schaltpunkt auf, so dass sie, wenn die entsprechenden Voraussetzungen (z. B. Druckverhältnisse) vorliegen, mehr oder weniger schlagartig aus ihrem Sperrzustand in den Zustand der Freigabe des maximalen Durchströmungsquerschnitts übergeht (umschaltet). Eine Verschlusseinrichtung, die sich hierfür als ganz besonders geeignet erweist, ist weiter unten im Detail beschrieben.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand zweier in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten zur Durchführung der Erfindung geeigneten Brennstoffzellensystems, wobei die Brennstoffzelle anhand einer ihrer Einzelzellen symbolisiert ist,
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten zur Durchführung der Erfindung geeigneten Brennstoffzellensystems und
- 3 in vergrößerter Darstellung die bei dem Brennstoffzellensystem nach 2 implementierte passive Verschlusseinrichtung in geschlossener sowie in geöffneter Stellung.
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1 zeigt schematisch ein zur Durchführung der Erfindung geeignetes Brennstoffzellensystem 1. Dieses umfasst insbesondere eine - anhand einer ihrer Einzelzellen symbolisierte - Brennstoffzelle 3 und eine Brennstoff-Dosiereinrichtung in Form einer Strahlpumpen-Regelventil-Einheit 5. Die Brennstoffzelle 3 weist in üblicher Weise einen Anodenraum 7, einen Kathodenraum 9 und eine den Anodenraum 7 und den Kathodenraum 9 voneinander trennende Elektrolytmembran 11 auf. Die Strahlpumpen-Regelventileinheit 5 umfasst eine - einen Mischer bildende - Strahlpumpe 13 und ein Brennstoffgas-Regelventil 15 und ist über einen Sauganschluss 17 und einen Druckanschluss 19 an den Anodenraum 7 angeschlossen. Sie dient der dosierten Beschickung des Anodenraums 7 mit Brennstoffgas sowie, je nach Betriebsphase und -modus (s. u.), der Rezirkulation eines Anodengases über eine Anodengas-Rezirkulationseinrichtung 21. Hierfür passiert das in der Brennstoffquelle 25 unter Hochdruck stehende Brennstoffgas zunächst ein geöffnetes Absperrventil 27, bevor sein Druck in einem Druckminderer 29 reduziert wird. Geregelt durch das Brennstoffgas-Regelventil 15 strömt das Brennstoffgas, das Treibgas bildend, anschließend in die Strahlpumpe 13, d. h. in deren Treibstrahldüse ein.
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Eine Steuereinheit C des Brennstoffzellensystems wirkt insbesondere auf das Brennstoffgas-Regelventil 15 ein. Über die entsprechende Einwirkung lässt sich die Brennstoffzufuhr zu der Strahlpumpe 13 in mehrfacher Hinsicht beeinflussen. Zum einen ist der (über die Zeit gemittelte) Brennstoffdurchsatz, d. h. die durchschnittliche Menge Brennstoff pro Zeiteinheit einstellbar. Zum anderen ist die Charakteristik der Brennstoffzufuhr einstellbar, und zwar innerhalb einer erheblichen Bandbreite. Diese reicht von einer auf unterschiedliche Durchsätze einstellbaren stetigen, kontinuierlichen Durchströmung des Brennstoffgas-Regelventils 15 mit Brennstoffgas bis hin zu gepulsten Strömungsverläufen mit unterschiedlicher Frequenz, unterschiedlicher Relation der Dauer von Öffnungs- und Schließphasen zueinander sowie unterschiedlichen Öffnungs- und/oder Schließcharakteristiken (z. B. Rechteckverlauf, Dreieckverlauf, Sägezahnverlauf, Wellenverlauf, etc.). Durch entsprechende Beeinflussung der Durchströmung des Brennstoffgas-Regelventils 15 mit Brennstoffgas lässt sich auf das Saugverhalten der Strahlpumpe 13 Einfluss nehmen, und zwar namentlich dergestalt, dass in einer ersten Phase des Hochfahrens („Initialisierungsphase“) die Brennstoffzelle unter Zufuhr von Brennstoff aus der Brennstoffquelle in Betrieb genommen wird, wobei mangels eines hinreichenden Saugverhaltens der Strahlpumpe 13 eine Rezirkulation des Anodengases durch die Anodengas-Rezirkulationseinrichtung 21 hindurch unterdrückt ist und unterbleibt, wohingegen in einer der ersten Phase zeitlich nachfolgenden zweiten Phase des Hochfahrens („Konsolidierungsphase“) infolge eines hinreichenden Saugverhaltens der Strahlpumpe 13 zusätzlich zur Zufuhr von Brennstoff aus der Brennstoffquelle 25 eine Rezirkulation des Anodengases durch die Anodengas-Rezirkulationseinrichtung 21 hindurch erfolgt. In der Konsolidierungsphase reißt - in bekannter Weise, ebenso wie später nach Abschluss des Hochfahrens der Brennstoffzelle in deren Leitungsbetrieb - der Brennstoffgasstrom in der Mischkammer der Strahldüse 13 Anodengas mit, welches durch den Sauganschluss 17 angesaugt und mit dem (frischen) Brennstoffgas zu Mischgas vermischt wird. Das Mischgas verlässt die Strahlpumpe 13 durch den Druckanschluss 19 und strömt an dem Sicherheitsventil 35 vorbei und durch einen (optionalen) ersten Kondensatabscheider 37 hindurch, bevor es durch einen Anodenraumeingang 39 in den Anodenraum 7 der Brennstoffzelle 3 einströmt. Im Bereich des Anodenraumeingangs 39 werden steuerungs- und betriebsrelevante Zustandsparameter des Mischgases (z. B. Temperatur, Druck, Gasmischverhältnis) mittels eines Sensors 41 erfasst. Das aus dem Anodenraum 7 durch einen Anodenraumausgang 43 abgesaugte Anodengas passiert einen der Abscheidung von Kondensatwasser dienenden (zweiten) Kondensatabscheider 45 und strömt an einem Spülventil 47 vorbei, welches das Entfernen von im Anodenraum angesammelten Fremdgasen (z. B. Stickstoff) ermöglicht. Im ggf. vorgesehenen ersten Kondensatabscheider 43 bzw. zweiten Kondensatabscheider 45 abgeschiedenes Kondensatwasser kann über ein Kondensatablassventil 49 abgelassen werden.
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Das Brennstoffzellensystem gemäß dem in 2 veranschaulichten zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen nach 1 nur durch eine zusätzliche, in der Anodengas-Rezirkulationseinrichtung 21 vorgesehene passive Verschlusseinrichtung 51. Diese umfasst, wie - hinsichtlich der Größenverhältnisse teilweise schematisch - in 3 gezeigt, ein Gehäuse 53 mit einem Eingang 55 und einem Ausgang 57. Innerhalb des Gehäuses 53 ist eine Anordnung mehrerer in ihrer Form abgewinkelter Tellerfedern ähnelnder nachgiebiger Ringe 59 und einer Abschlusskappe 61 untergebracht, welche - bei Abwesenheit eines an dem Ausgang 57 wirkenden nennenswerten Unterdrucks - mittels einer sehr weichen Feder 63 in Kontakt miteinander gehalten sind (links gezeigt). Der somit durch die Anordnung der Ringe 59 und die Abschlusskappe 61 dichtend geschlossen begrenzte Innenraum 65 steht dabei fluidisch mit dem Eingang 55 in Verbindung, der die besagte Anordnung außen umgebende Außenraum 67 hingegen mit dem Ausgang 57. Entsteht, durch einen entsprechenden Betrieb der Strahlpumpe 13 (s. o.), an dem mit dem Ausgang 57 der Verschlusseinrichtung 51 strömungstechnisch verbundenen Sauganschluss 17 der Strahlpumpe 13 ein nennenswerter Unterdruck, so öffnen sich die Ringspalte zwischen den Ringen 59. Es entsteht schlagartig eine sehr große Durchtrittsfläche für das Rezirkulationsgas, so dass dieses ohne nennenswerten Strömungswiderstand die Anodengas-Rezirkulationseinrichtung 21 durchströmen kann. Die einsetzende Rezirkulationsströmung übt auf die Abschlusskappe 61 einen - der Schließkraft der Feder 63 entgegen gerichteten - Sog aus, so dass die Verschlusseinrichtung 51 selbst bei innerhalb gewisser Grenzen schwankenden Druckverhältnissen ihre vollkommen geöffnete (rechts gezeigte) Durchgangsstellung beibehält. Den Ringen 59 und der Kappe 61 zugeordnete Führungs- und Anschlagelemente, welche die Öffnungswege zwischen den Ringen 59 untereinander, zwischen dem Gehäuse 53 und dem diesem benachbarten Ring sowie zwischen der Kappe 61 und dem dieser benachbarten Ring begrenzen und für eine Führung der Ringanordnung sorgen, sind der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1627442 B1 [0003]
- EP 1897165 B1 [0003]
- DE 102007037304 B4 [0003]
- KR 101080782 B1 [0003]
- DE 102011105054 A1 [0003, 0004, 0005]
- DE 102018218083 A1 [0003]
- US 2019/0148746 A1 [0003, 0009]
