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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit welchem Brennstoffzellen eingefahren und getestet werden können. Ferner betrifft die Erfindung ein zum Einfahren und Testen von Brennstoffzellen ausgebildetes Testsystem.
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Ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern eines solchen Systems ist beispielsweise in der
US 2017/0229723 A1 beschrieben. Das beschriebene System bietet unter anderem die Möglichkeit, Kühlwasser wahlweise durch einen Brennstoffzellen-Stack oder über einen Bypass zu leiten.
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Ein in der
DE 11 2008 003 451 B4 offenbartes Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems sieht die Erfassung eines Hydrationszustandsindexes vor. Nachdem die Spannung einer Brennstoffzelle gemessen wurde, wird der Stromwert der Brennstoffzelle auf einen Wert gebracht, welcher vom Hydrationszustand in der Brennstoffzelle abhängt.
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Ein während des Betriebs nicht konstanter Maximalwert eines elektrischen Stromes ist auch bei einem in der
US 2020/0136159 A1 beschriebenen Brennstoffzellensystem gegeben. Hierbei werden wiederholt Änderungsbeträge eines maximal zulässigen Stroms bestimmt.
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Die
DE 10 2015 217 821 A1 offenbart eine Aktivierungsvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel, welche automatische Aktivierungs- und Leistungsbeurteilungsvorgänge ermöglichen soll. Die Aktivierungsvorrichtung umfasst Anschlusselemente, welche relativ zum Brennstoffzellenstapel bewegbar sind.
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Die
DE 10 2015 225 761 A1 beschreibt ein System zur Herstellung einer Brennstoffzelle. Das System umfasst eine Presseinrichtung zur Ausübung einer Presskraft auf gestapelte Schichten einer Brennstoffzelle. In geschichteter Form können Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten vorliegen. Im Rahmen des beschriebenen Herstellungsverfahrens kann unter anderem ein Transportroboter als flexible Transporteinrichtung zum Einsatz kommen.
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Die
CN 110957510 A beschreibt Verfahren zum Testen einer Brennstoffzelle beim Hochfahren und Herunterfahren. Die vorgeschlagene Startprozedur soll hierbei einen zuverlässigen Übergang in den bestimmungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzelle ermöglichen.
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Grundsätzlich ist es möglich, Brennstoffzellen entweder direkt mit Wasserstoff zu betreiben oder Wasserstoff zunächst mittels eines Reformers herzustellen. Brennstoffzellenanordnungen mit Reformern sind zum Beispiel in den Dokumenten
DE 10 2017 001 564 B4 und
DE 10 2006 043 349 A1 offenbart.
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Die
DE 10 2015 209 802 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle mit Befeuchter. Beim Einfahren der Brennstoffzelle ist das Zuführen von Inertgas vorgesehen.
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Die
DE 10 2018 104 425 A1 offenbart ein Brennstoffzellenstapel-Einfahrverfahren und ein Einfahrkonditionierungssystem. Als Teil der Herstellung einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle ist hier beschrieben, dass jeder neu zusammengebaute Brennstoffzellenstapel typischerweise zyklisch durch eine Inkubationszeit des Stapelbetriebs geführt wird, um die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) „einzufahren“. Während des Brennstoffzellenstapel-Einfahrverfahrens werden die MEAs konditioniert, wobei die Anschlussspannung des Stapels mit der Zeit allmählich ansteigt, um sicherzustellen, dass sich die Anschlussspannung bei oder nahe einem im Allgemeinen konstanten Spitzenspannungspegel stabilisiert. Ein solches Einfahren wird für die MEAs in einem neu hergestellten Brennstoffzellenstapel offenbart, um eine optimale Leistung für einen Langzeitbetrieb des Stapels zu erhalten. Als Hauptfunktion(en) des MEA-Einfahrens sind hier beschrieben: das Befeuchten der Membran, Entfernen von Restlösungsmitteln und anderen Verunreinigungen, die aus der MEA-Fertigung resultieren, und das Entfernen von Anionen von dem Katalysator, um die Reaktionsstellen zu aktivieren.
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Die
DE 10 2018 104 425 A1 offenbart weiterhin, dass gegenwärtige Verfahren zum Einfahren von MEAs in einen Brennstoffzellenstapel mehrere Stunden eines Brennstoffzellenbetriebs erfordern können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelte, besonders rationelle Möglichkeiten des Einfahrens von Brennstoffzellen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Einfahren von Brennstoffzellen gemäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Testsystem gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Testsystem erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Einfahrverfahren und umgekehrt.
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Unter einem „Einfahren“ einer Brennstoffzelle wird eine erste Inbetriebnahme einer Brennstoffzelle oder eines Zellstapels umfassend mehrere Brennstoffzellen verstanden, bei welcher die erforderlichen Betriebsmedien angeschlossen und der/den Brennstoffzellen zugeführt werden sowie eine elektrische Last angelegt wird. Es erfolgt weiterhin ein Testlauf, bei dem unterschiedliche Parameter, wie eine Durchflussrate der Betriebsmedien, der Mediendruck, die Zelltemperaturen, die elektrische Last usw. variiert werden, um verschiedene Betriebszustände zu simulieren und die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle(n) optimal einzustellen. Während und nach Abschluß des Testlaufs wird die Einsatzfähigkeit und erreichte Leistung der Brennstoffzelle oder des Zellstapels anhand der erfassten Testparameter und Leistungsdaten festgestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einfahren von Brennstoffzellen umfasst folgende Schritte:
- - Bereitstellung mindestens einer Brennstoffzelle, welche an einem ersten Ort, insbesondere dem Herstellungsort, einer Ausgangsprüfung unterzogen, jedoch noch nicht eingefahren wurde,
- - Verladen der Brennstoffzelle auf eine transportable Einfahr- und Testvorrichtung und Anschluss der Brennstoffzelle an Leitungen für die Zu- und Abfuhr von Medien,
- - Durchführung einer Einfahrprozedur, wobei während des Transports der Brennstoffzelle Messdaten, welche die Einfahrprozedur betreffen, gewonnen werden,
- - Abladen der Brennstoffzelle von der transportablen Einfahr- und Testvorrichtung an einem Zielort, das heißt beim Abnehmer der Brennstoffzelle, und Übergabe der während des Transports aufgenommenen Messdaten.
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Gegenüber herkömmlichen Einfahrverfahren ist somit ein wesentlicher Vorteil darin gegeben, dass die Einfahrprozedur während eines ohnehin erforderlichen Transports der Brennstoffzelle durchführbar ist.
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Ein nach Anspruch 7 ausgebildetes erfindungsgemäßes Testsystem, welches das Einfahren und Testen von Brennstoffzellen ermöglicht, umfasst allgemein eine transportable Test- und Einfahrvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine Mehrzahl an Brennstoffzellen während eines Transports von einem Startort zu einem Zielort einzufahren und dabei zu testen, sowie eine mit der Test- und Einfahrvorrichtung datentechnisch gekoppelte Auswerte- und Steuereinheit, welche zur Speicherung und Auswertung von während des Transports der Brennstoffzellen gewonnenen Messdaten ausgebildet ist.
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Die Test- und Einfahrvorrichtung kann vollständig oder in Teilen auf einem Fahrzeug, insbesondere einem Lastkraftwagen, installiert sein. Der Begriff „Fahrzeug“ umfasst hier nicht nur einen Transport der Brennstoffzellen mittels PKW, LKW usw., sondern auch einen Transport mittels eines schienengebundenen Fahrzeugs, insbesondere per Bahn, oder einen Transport mit einem Flugzeug oder per Schiff. Ist die Test- und Einfahrvorrichtung zumindest teilweise in einen mittels eines Fahrzeugs transportablen Container eingebaut, so sind besonders gute Voraussetzungen gegeben, beliebige Anteile der Test- und Einfahrprozedur wahlweise während des Transports oder stationär, insbesondere am Startort oder Zielort, durchzuführen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung können während des Transports mehrere Brennstoffzellen zumindest zeitweise gleichzeitig getestet werden, wobei die einzelnen Brennstoffzellen betreffende Testzyklen in Abhängigkeit von Testkapazitäten, die durch die mobile Einfahrvorrichtung vorgegeben sind und insbesondere die Zu- und Ableitung von Energie und Fluiden betreffen, durchgeführt werden.
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Die Brennstoffzellen können während der Test- und Einfahrprozeduren in vorteilhafter Verfahrensführung kontrollierten, mittels der mobile Einfahrvorrichtung vorgebbaren, nicht notwendigerweise während einer gesamten Einfahrprozedur konstanten Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden. Hierbei kann die Test- und Einfahrvorrichtung Mittel zur einzeln gesteuerten Klimatisierung der Brennstoffzellen umfassen. Diese optionale Gestaltung bedeutet, dass mehrere Brennstoffzellen während desselben Transports gleichzeitig unter unterschiedlichen Bedingungen getestet werden können.
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In jedem Fall weist die transportable Test- und Einfahrvorrichtung sämtliche Anschlüsse auf, die zur Durchführung der kompletten Einfahr- und Testprozedur erforderlich sind. Hierzu kann auch ein Anschluss zum Einleiten von Inertgas in die Brennstoffzelle zählen.
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In besonders vorteilhafter Verfahrensführung werden Messdaten bereits während des Transports von der mobilen Einfahrvorrichtung an einen stationären Empfänger übermittelt, wobei die weitere, ebenfalls nicht stationäre Durchführung der Einfahrprozedur von der Reaktion des stationären Empfängers auf die übermittelten Messdaten abhängig sein kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird bei der Durchführung der Einfahrprozedur gewonnene elektrische Energie zumindest teilweise zum Antrieb und/oder Betrieb des die mobile Einfahrvorrichtung tragenden Fahrzeugs genutzt. Dabei kann prinzipiell jedem elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs der erzeugte Strom zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kommt hierbei ein vollständig oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug zum Einsatz.
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 eine auf einem Fahrzeug in Form eines LKWs installierte Vorrichtung zum Einfahren und Testen von Brennstoffzellen,
- 2 ein unter Nutzung eines Standardcontainers aufgebautes Testsystem zum Einfahren und Testen von Brennstoffzellen,
- 3 in einem Flussdiagramm ein sowohl mit der Vorrichtung nach 1 als auch mit dem System nach 2 durchführbares Verfahren.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander prinzipiell entsprechende Komponenten sind in den 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Testsystem wird zum Einfahren und Testen von Brennstoffzellen genutzt. Kernkomponente des Testsystems 1 ist eine transportable Einfahr- und Testvorrichtung 2, welche auf einem Fahrzeug 3, hier in Form eines Lastkraftwagens, fest installiert (1) oder in Form eines Containers (2) transportierbar ist. Auch Mischvarianten, in welchen lediglich Teile der auch als mobile Einfahrvorrichtung bezeichneten transportablen Einfahr- und Testvorrichtung 2 fest auf einem Fahrzeug 3 montiert sind, sind realisierbar. Auch ein Schienentransport, Lufttransport oder ein Seetransport der mobilen Einfahrvorrichtung 2 ist möglich.
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Die mobile Einfahrvorrichtung 2 hat den Zweck, eine Mehrzahl an Brennstoffzellen 4 während des Transports von einem ersten Standort 19 zu einem zweiten Standort 20 einzufahren und Tests zu unterziehen. In den Ausführungsbeispielen handelt es sich beim ersten Standort 19 um den Betrieb, welcher die Brennstoffzellen 4 herstellt, und beim zweiten Standort 20 um den Abnehmer, das heißt Verwender, der Brennstoffzellen 4. Die Standorte 19, 20 sind mit der transportablen Einfahr- und Testvorrichtung 2 über ein Datennetz DN datentechnisch verknüpft, wobei ein Funkmodul 18 der transportablen Einfahr- und Testvorrichtung 2 zuzurechnen ist.
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Innerhalb der transportablen Einfahr- und Testvorrichtung 2 befinden sich in den Ausführungsbeispielen jeweils mehrere klimatechnisch voneinander getrennte Ladeabteile 5, 6. In vereinfachten Ausgestaltungen kann auch eine einheitliche Klimatisierung der Einfahr- und Testvorrichtung 2 vorgesehen sein.
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Ferner umfasst die mobile Einfahr- und Testvorrichtung 2 einen Apparateraum 7, in welchem sich unter anderem ein Wasserstofftank 8 und ein Klimatisierungsmodul 10 befindet. Wasserstoffleitungen 9, welche vom Wasserstofftank 8 ausgehen, sind teilweise als Schläuche ausgebildet und an die Brennstoffzellen 4 anschließbar. Vom Klimatisierungsmodul 10 gehen Lüftungskanäle 11 aus, welche in den Ladeabteilen 5, 6 enden. Einrichtungen zur Entlüftung sind nicht dargestellt. Ebenso sind Einrichtungen zur Flüssigkeitskühlung nicht dargestellt.
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Sämtliche Brennstoffzellen 4 sind während des Transports mit einer Auswerte- und Steuereinheit 12 verbunden. Ebenso ist ein Messmodul 14, welches während der Einfahrprozeduren Daten aufnimmt, mit der Auswerte- und Steuereinheit 12 verknüpft. Elektrische Leitungen sind mit 13, Signalleitungen mit 15 bezeichnet. Abweichend von der symbolisierten Darstellung nach 1 können die Auswerte- und Steuereinheit 12 und das Messmodul 14 auch zu einer einzigen Einheit zusammengefasst sein. In allen Fällen werden sowohl Daten erfasst, die die Brennstoffzellen 4 direkt betreffen, unter anderem elektrische Größen und Temperaturen, als auch Daten zu den Umgebungsbedingungen. Umgebungsbedingungen stellen insbesondere die mit Hilfe des Klimatisierungsmoduls 10 einstellbaren Klimatisierungsbedingungen dar. Erfasst werden auch Stoffflüsse, unter anderem der Zufluss an Wasserstoff sowie ausströmender Wasserdampf, welcher über eine Wasserdampfleitung 21 aus der transportablen Einfahr- und Testvorrichtung 2 ausgeleitet wird.
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Während der Einfahrprozedur von den Brennstoffzellen 4 erzeugte elektrische Energie ist einem sogenannten Dummy-Verbraucher 16, welcher sich in der transportablen Einfahr- und Testvorrichtung 2 befindet, zuführbar. Im Dummy-Verbraucher 16 erzeugte thermische Energie ist mittels des Klimatisierungsmoduls 10 abführbar. Handelt es sich bei dem Fahrzeug 3 um ein voll oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem elektrischen Traktionsmotor 17, wie in 1 angedeutet, so ist von den Brennstoffzellen 4 gelieferte Energie insbesondere auch zur Stromversorgung des Traktionsmotors 17 nutzbar. Aber auch anderen elektrischen Verbrauchern des Fahrzeugs 3 kann der Strom zur Verfügung gestellt werden.
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Was den Ablauf der mit Hilfe der transportablen Einfahr- und Testvorrichtung 2 durchführbaren Prozedur betrifft, wird im Folgenden auf 3 verwiesen. In einem ersten Schritt S1 werden die Brennstoffzellen 4 im Herstellungsbetrieb 19 gefertigt. Auch eine Ausgangsprüfung der Brennstoffzellen 4 findet als Schritt S2 noch am ersten Standort 19 statt. Im Schritt S3 wird die Ausgangsprüfung ausgewertet. Im Fall festgestellter Mängel gelangt die Brennstoffzelle 4 im Schritt S4 zurück in den Herstellungsbetrieb 19 zur erneuten, genaueren Prüfung. Ansonsten werden die Brennstoffzellen 4 im Schritt S5 auf das Fahrzeug 3 geladen. Im Fahrzeug 3 beziehungsweise in der als Container ausgebildeten transportablen Einfahr- und Testvorrichtung 2 werden die Brennstoffzellen 4 im Schritt S6 fluidtechnisch und elektrisch an die mobile Einfahrvorrichtung 2 angeschlossen. Der Schritt S7 markiert die Abfahrt des Fahrzeugs 3 vom ersten Standort 19. Während der Fahrt zum zweiten Standort 20 wird im Schritt S8 die Einfahrprozedur gestartet.
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Im Schritt S9 wird wiederkehrend geprüft, ob mit Hilfe des Messmoduls 14 aufgenommene Daten im jeweils zulässigen Bereich liegen. Sollte dies nicht der Fall sein, kann die Prüfprozedur im Schritt S10 gestoppt werden. Eine entsprechende Meldung kann noch während der Fahrt des Fahrzeugs 3 an einen der Standorte 19, 20 oder an beide Standorte 19, 20 übermittelt werden. Nachdem die im Schritt S9 erhobenen, einen bestimmten Abschnitt der Einfahr- und Prüfprozedur betreffenden Daten automatisch gecheckt wurden, wird im Schritt S11 abgefragt, ob bereits alle Abschnitte der Einfahr- und Prüfprozedur durchlaufen wurden.
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Soweit erforderlich, wird die Erfassung und Auswertung von Daten fortgesetzt. Der Abschluss der Einfahr- und Prüfprozedur ist als Schritt S12 bezeichnet. S13 markiert die Ankunft des Fahrzeugs 3 am Zielort 20. Insbesondere in Fällen, in denen die transportable Einfahr- und Testvorrichtung 2 in einen Container eingebaut ist, kann das Einfahren und Testen der Brennstoffzellen 4, soweit erforderlich, stationär fortgesetzt werden. In allen Fällen werden die Brennstoffzellen 4 im Schritt S14 aus der Einfahr- und Testvorrichtung 2 ausgeladen. Zusätzlich wird die Dokumentation der Einfahr- und Testprozedur an den Verwender 20 übermittelt, wobei zumindest Teile der Dokumentation bereits während des Transports über das Datennetz DN an den Herstellungsbetrieb 19 und/oder an den Verwender 20 übermittelt werden können. Damit ist nicht nur der Transport, das Einfahren und Testen der Brennstoffzellen 4 äußerst zeitsparend durchführbar, sondern darüber hinaus auch die Möglichkeit gegeben, auf eventuelle Unregelmäßigkeiten beim Einfahren und Testen der Brennstoffzellen 4 besonders schnell zu reagieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Testsystem
- 2
- transportable Einfahr- und Testvorrichtung
- 3
- Fahrzeug, insbesondere Lastkraftwagen
- 4
- Brennstoffzelle
- 5
- Ladeabteil
- 6
- Ladeabteil
- 7
- Apparateraum
- 8
- Wasserstofftank
- 9
- Wasserstoffleitung
- 10
- Klimatisierungsmodul
- 11
- Lüftungskanal
- 12
- Auswerte- und Steuereinheit
- 13
- elektrische Leitung
- 14
- Messmodul
- 15
- Signalleitung
- 16
- Dummy-Verbraucher
- 17
- Traktionsmotor
- 18
- Funkmodul
- 19
- Herstellungsbetrieb, erster Standort
- 20
- Verwender, zweiter Standort
- 21
- Wasserdampfleitung
- DN
- Datennetz
- S1 ... S14
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017/0229723 A1 [0002]
- DE 112008003451 B4 [0003]
- US 2020/0136159 A1 [0004]
- DE 102015217821 A1 [0005]
- DE 102015225761 A1 [0006]
- US 10181610 B2 [0007]
- DE 102016110451 A1 [0007]
- DE 102014216856 A1 [0007]
- CN 110957510 A [0008]
- DE 102017001564 B4 [0009]
- DE 102006043349 A1 [0009]
- DE 102015209802 A1 [0010]
- DE 102018104425 A1 [0011, 0012]
