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Stand der Technik
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In Brennstoffzellensystemen werden protonenleitende Membrane verwendet, deren Protonenleitfähigkeit stark von einer relativen Luftfeuchtigkeit in einem jeweiligen Brennstoffzellenstapel abhängig ist. Zu trockene Luft kann sich negativ auf eine Leistungsfähigkeit und Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems auswirken, da die Membrane austrocknen.
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Zum Verhindern einer Austrocknung der Membrane wird zu den Membranen strömende Luft mittels eines Befeuchters, insbesondere eines Hohlfaserbefeuchters, befeuchtet.
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Da ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug in der Regel bei 1,5 bis 2,5 bar betrieben wird, wird Luft zum Betrieb des Brennstoffzellensystems mittels eines elektrischen Luftkompressors verdichtet. Durch die Kompression der Luft steigt deren Temperatur auf bis zu 180 °C. Entsprechend muss die Luft gekühlt werden, wofür in der Regel ein gewöhnliches Ladeluftkühlersystem mit Luft bzw. einem Kühlmittel verwendet wird. Die von der Luft freigesetzte Wärmeenergie belastet daher einen Kühlkreislauf des Fahrzeugs.
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In der
DE 101 04 246 C1 wird ein Brennstoffzellensystem mit einer in einer Zuführleitung angeordneten Venturi-Düse beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kontrollieren des Brennstoffzellensystems und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient dazu, eine verbesserte Temperierung eines Antriebs, insbesondere eines Brennstoffzellensystems oder einer Brennkraftmaschine bereitzustellen. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, physikalische Eigenschaften eines Luftstroms zum Betrieb eines Antriebs verlässlich und schnell einzustellen.
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Es wird somit in einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, eine Zuführleitung zum Zuführen von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel, wobei die Zuführleitung eine Venturi-Düse umfasst, ein Befeuchtungssystem mit einer Wasserleitung zum Zuführen von Wasser in die Zuführleitung, und eine mit der Venturi-Düse verbundene Sekundärluftleitung zum Zerstäuben von in der Wasserleitung strömendem Wasser.
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Das vorgestellte Brennstoffzellensystem basiert auf einer Sekundärluftleitung zum Zerstäuben von Wasser, das zur Temperierung und/oder zur Befeuchtung von Luft, die einem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Entsprechend ermöglicht das vorgestellte Brennstoffzellensystem einen Betrieb ohne Einsatz von aktiven Hochdruckpumpensystemen zum Eindosieren von Wasser.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene regelbare Venturi-Düse ist erfindungsgemäß ein Bauteil vorgesehen, das zum Einstellen von Drücken in einer Zuführleitung zum Zuführen von Betriebsfluiden, insbesondere einem Wasser/Luft-Gemisch, zu dem Brennstoffzellenstapel dient. Weiterhin dient die Venturi-Düse zum Einstellen eines Drucks in einem Wassertank. Insbesondere in Kombination mit einem Regelelement kann durch die Venturi-Düse ein Unterdruck in der Zuführleitung und ein Überdruck in dem Wassertank erzeugt werden, sodass Wasser aus dem Wassertank in die Zuführleitung strömt. Dabei eignet sich ein Kühlsystem aus Venturi-Düse, Sekundärluftleitung, Wasserleitung und Wassertank auch zur Temperierung bzw. zur Befeuchtung in einem Ladeluftkühlungssystem zum Betrieb einer Brennkraftmaschine. Entsprechend bildet das Regelelement in Kombination mit der Venturi-Düse eine Venturi-Düse mit regelbarem Durchmesser. Dazu kann das Regelelement bspw. als Schieber oder Lochblende ausgestaltet sein. Das Regelelement kann in die Venturi-Düse integriert sein oder in einem Bereich hinter oder vor der Venturi-Düse angeordnet sein.
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Das in die Zuführleitung strömende Wasser kühlt und befeuchtet in der Zuführleitung strömende Luft, insbesondere Kathoden-Zuluft.
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Um eine Zerstäubung von in die Zuführleitung strömendem Wasser zu erreichen, ist erfindungsgemäß eine Sekundärluftleitung vorgesehen, die mit der Wasserleitung des vorgestellten Brennstoffzellensystems verbunden ist und entsprechend Luft in die Wasserleitung einbläst. Dazu kann die Sekundärluftleitung mit der Venturi-Düse verbunden sein, sodass ein Teil von in die Venturi-Düse strömender Luft durch die Sekundärluftleitung in die Wasserleitung geleitet wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem einen mit der Sekundärluftleitung verbundenen Wassertank und ein Regelelement umfasst. Das Regelelement kann zum Einstellen einer Strömungsgeschwindigkeit von in der Zuführleitung strömendem Fluid und, dadurch bedingt, von Drücken in der Zuführleitung und in dem Wassertrank konfiguriert und an der Zuführleitung oder an der Venturi-Düse angeordnet sein.
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Um jeweilige in dem vorgestellten Brennstoffzellensystem anliegende Drücke, d.h. insbesondere einen in der Zuführleitung anliegenden Druck und/oder einen in einem Wassertank des Brennstoffzellensystems anliegenden Druck einzustellen, d.h. zu regeln bzw. zu steuern, kann ein Regelelement verwendet werden, das den Durchmesser der Zuführleitung reduziert oder weitet. Dadurch wird an der Venturi-Düse eine Fluid/Luftgeschwindigkeit erhöht oder gesenkt.
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Durch eine Erhöhung der Fluidgeschwindigkeit an der Venturi-Düse, wird ein Unterdruck auf Höhe des Regelelements erzeugt. Dabei wird mit Hilfe einer Sekundärluftleitung ein Wassertank mit einem erhöhten statischen Luftdruck aus einem Bereich vor der Venturi-Düse beaufschlagt. Der Druckunterschied zwischen dem statischen Luftdruck im Bereich vor der Venturi-Düse und dem Unterdruck auf Höhe des Regelelements wird genutzt, um Wasser aus dem Wassertank in die Zuführleitung zu fördern. Entsprechend dient die Sekundärluftleitung zum Übertragen des statischen Drucks vor der Venturi-Düse auf einen Wasserspiegel im Wassertank.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Regelelement ein Schieberventil oder eine regelbare Lochblende mit beliebiger Geometrie an einem Wassereintrittspunkt zum Eindosieren von Wasser aus dem Wassertrank in die Zuführleitung ist.
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Mittels eines Schieberventils kann eine robuste und einfach einzustellende mechanische Barriere für in der Zuführleitung strömendes Fluid bereitgestellt werden. Dabei kann das Schieberventil eine gleichmäßige Abrisskante aufweisen oder eine Geometrie aufweisen, die einer vorgegebenen Kennlinie entspricht, um einen der Kennlinie entsprechenden Verlauf einer Dosierung von Betriebsfluid zu dem Brennstoffzellenstapel des vorgestellten Brennstoffzellensystems zu ermöglichen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Wassereintrittspunkt durch eine Vielzahl von kreisförmig angeordneten Öffnungen gebildet ist.
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Durch kreisförmige angeordnete Öffnungen zum Eintritt von Wasser in die Zuführleitung wird eine gleichmäßige Verteilung des Wassers in der Zuführleitung erreicht.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Wassereintrittspunkt als Düse wirkt bzw. eine Düsengeometrie aufweist, um eine bessere Zerstäubung zu erreichen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Teilstrom von in der Sekundärluftleitung strömendem Fluid in einen Luft-Wasser-Mischer geleitet wird, der bspw. in der Wasserleitung angeordnet ist, sodass eine besonders effektive Zerstäubung erreicht wird.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Teilstrom der Sekundärluft durch ein Luftventil die bereitgestellten Sekundärluft zum Zerstäuben des Wassers regelt.
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Mittels eines Luftventils, das bspw. ein Schieberegler oder eine Lochblende sein kann, kann ein durch die Sekundärluftleitung in die Wasserleitung strömender Luftstrom eingestellt werden. Entsprechend kann durch ein Luftventil auch eine Zerstäubung bzw. ein Zerstäubungsgrad von in die Zuführleitung einzudosierendem Wasser eingestellt werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass an der Wasserleitung ein Wasserventil zum Regeln eines der Zuführleitung zuzuführenden Wasserstroms angeordnet ist.
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Mittels eines Wasserventils, das bspw. ein Schieberegler oder eine Lochblende sein kann, kann ein durch die Wasserleitung in die Zuführleitung strömender Wasserstrom eingestellt werden. Entsprechend kann durch ein Wasserventil auch eine Temperatur eines in der Zuführleitung strömenden Fluidstroms eingestellt werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein Heizsystem an der Zuführleitung und/oder an einem Wassertank umfasst.
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Mittels eines oder mehrerer Heizsysteme können in dem vorgestellten Brennstoffzellensystem strömende Fluide, insbesondere in einem Wassertank befindliches Wasser schnell und effizient temperiert werden, sodass ein Einfrieren des Brennstoffzellensystems verhindert wird und/oder eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems schnell erreicht wird.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein elektrisches Heizsystem mit bspw. einer Heizspule bzw. einem Heizdraht verwendet wird. Durch ein elektrisches Heizsystem kann bspw. mittels einer Batterie und entsprechend unabhängig von einem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems elektrische Energie zum Betrieb des Heizsystems bereitgestellt werden, sodass das Brennstoffzellensystem auch in einem deaktivierten Zustand erwärmt werden kann.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Verfahren zum Kontrollieren einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems, bei dem der Zuführleitung zuzuführendes Wasser mit einem durch die Sekundärluftleitung strömenden Luftstrom zerstäubt wird.
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Das vorgestellte Verfahren dient insbesondere zum Kontrollieren, d.h. zum Steuern bzw. Regeln des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
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Optional kann die Zuführleitung des Brennstoffzellensystems mit Hilfe des Regelelements deaktiviert werden, indem der Brennstoffzellenstapel luftdicht abgeschlossen wird.
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In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Kühlsystem zum Kühlen eines Fluidstroms. Das Kühlsystem umfasst eine Fluidleitung zum Leiten des Fluidstroms, wobei die Fluidleitung eine Venturi-Düse umfasst, ein Befeuchtungssystem mit einer Wasserleitung zum Zuführen von Wasser in die Fluidleitung und eine mit der Venturi-Düse verbundene Sekundärluftleitung zum Zerstäuben von in der Wasserleitung strömendem Wasser.
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Das vorgestellte Kühlsystem eignet sich insbesondere zum Kühlen von Betriebsfluiden eines Brennstoffzellensystems oder einer Brennkraftmaschine.
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Insbesondere eignet sich das vorgestellte Kühlsystem zur Ladeluftkühlung für eine Brennkraftmaschine.
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In einem vierten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Fahrzeug mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Kühlsystems, insbesondere in Kombination mit einer Brennkraftmaschine, oder einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
- 2 ein Kühlsystem gemäß einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Erfindung,
- 3 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens, und
- 4 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Fahrzeugs.
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In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 mit einer Zuführleitung 101 dargestellt, die zu einem hier nicht dargestellten Brennstoffzellenstapel führt. Die Zuführleitung 101 wird von einem nicht dargestellten Kompressor mit komprimierter und entsprechend heißer und trockener Luft versorgt, wie durch einen Pfeil 103 angedeutet. Die Frischluft dient dem Brennstoffzellenstapel als Kathodenzuluft.
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Um die heiße und trockene Frischluft abzukühlen und zu befeuchten, umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Venturi-Düse 105 einen Wassertank 107, eine Wasserleitung 109 und eine Sekundärluftleitung 111. Die Venturi-Düse 105 umfasst hier ein Regelelement 113. Entsprechend ist das Regelelement 113 in die Venturi-Düse 105 integriert und bildet eine regelbare Venturi-Düse. Optional kann das Regelelement 113 bspw. in Form eines Schiebers, in einem Bereich in Strömungsrichtung hinter oder vor der Venturi-Düse 105 angeordnet sein.
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Das Regelelement 113 ist aus einem ersten Halbelement 113a und einem zweiten Halbelement 113b gebildet. Das erste Halbelement 113a und das zweite Halbelement 113b sind relativ zueinander bzw. voneinander weg beweglich angeordnet, wie durch die entsprechenden Pfeile 123 und 125 angedeutet. Entsprechend kann durch eine Bewegung des ersten Halbelements 113a und/oder des zweiten Halbelements 113b ein Durchlass der Zuführleitung 101 verengt werden, sodass eine Geschwindigkeit und, dadurch bedingt, ein Druck eines Fluidstroms in der Zuführleitung 101 eingestellt werden können. Die Sekundärluftleitung 111 wird durch den Kompressor bzw. die Venturi-Düse 105 mit Frischluft angeströmt. Entsprechend gibt der Kompressor in der Regel einen Volumenstrom der Frischluft vor, sodass an der Sekundärluftleitung ein statischer Druck anliegt. Durch den statischen Druck an der Sekundärluftleitung ergibt sich eine Druckdifferenz zu einem Strömungsbereich an dem Regelelement 113 bzw. in der Zuführleitung 101. Dies bedeutet, dass im Bereich einer durch das Regelelement 113 gebildeten Verengung in der Zuführleitung 101 ein Unterdruck bzw. ein Sog relativ zu dem statischen Druck vorliegt. Durch den Unterdruck bzw. Sog wird Wasser aus dem Wassertank 107 in die Zuführleitung 101 gefördert und die durch die Zuführleitung 101 strömende Frischluft befeuchtet und gekühlt.
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Um eine besonders feine Zerstäubung von durch die Wasserleitung 109 in die Zuführleitung strömendem Wasser zu erreichen, kann die Wasserleitung 109 mit der Sekundärluftleitung 111 verbunden werden. Dazu kann bspw. ein optionales Luftventil 115 temporär geöffnet werden, sodass Luft durch die Sekundärluftleitung 111 in die Wasserleitung 109 strömt und das Wasser beim Austritt aus der Wasserleitung 109 in die Zuführleitung 101 diskontinuierlich und entsprechend fein zerstäubt abgegeben wird.
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Durch eine besonders feine Zerstäubung wird eine besonders schnelle Kühlleistung und Befeuchtung der Frischluft erreicht, sodass kältere und feuchtere Luft zu dem Brennstoffzellenstapel geleitet wird, wie durch Pfeil 117 angedeutet.
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Mittels eines optionalen Wasserventils 119 kann ein Wasserstrom, der aus dem Wassertank 107 durch die Wasserleitung 109 in die Zuführleitung 101 strömt, eingestellt werden. Entsprechend kann durch ein Zusammenspiel des Sekundärluftventils 115 und des Wasserventils 119 ein Luft/Wasser-Verhältnis, das in die Zuführleitung 101 eingeleitet wird dynamisch eingestellt werden.
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Mittels eines optionalen Heizsystems 121 kann in dem Wassertank 107 befindliches Wasser temperiert und das Brennstoffzellensystem noch vor dessen Aktivierung, bspw. unter Verwendung von elektrischer Energie aus einer Batterie, erwärmt, insbesondere entfrostet werden.
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In 2 ist ein Kühlsystem 200 dargestellt. Das Kühlsystem 200 umfasst eine Venturi-Düse 201 und ein Befeuchtungssystem 203 in Form einer Wasserleitung 205, die mit einem nicht dargestellten Wassertank verbunden ist.
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Die Wasserleitung 205 ist hier kreisförmig an der Venturi-Düse entlang geführt, sodass Wasser an einer Vielzahl Einlassöffnungen in die Venturi-Düse eindosiert werden kann.
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In 3 ist eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens 300 dargestellt.
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Das Verfahren umfasst einen Versorgungsschritt 301, bei dem unter Verwendung von bspw. dem Kühlsystem 200 ein Luftstrom zum Versorgen eines Antriebs mit Wasser versorgt und entsprechend gekühlt und befeuchtet wird.
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In einem optionalen Deaktivierungsschritt 303 wird ein Regelelement verwendet, um einen Fluidstrom durch eine Zuführleitung zu stoppen bzw. die Zuführleitung dicht abzuschließen, sodass ein zu versorgender Antrieb, wie bspw. das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 100 deaktiviert wird.
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In 4 ist ein Fahrzeug 400 dargestellt. Das Fahrzeug 400 umfasst das Brennstoffzellensystem 100 gemäß 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 401 und wird unter Verwendung des Verfahrens 300 gemäß 3 betrieben.
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Optional kann das Fahrzeug 400 eine Brennkraftmaschine umfassen, die mit Ladeluft versorgt wird, die durch ein Kühlsystem, wie bspw. das Kühlsystem 200 gemäß 2 gekühlt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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