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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für eine Wasserstoffzufuhr bei einer Brennstoffzelle, eine Brennstoffzelleneinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Regeleinrichtung für eine Wasserstoffzufuhr bei einer Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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Bei bekannten Brennstoffzellensystemen sind Feuchtesensoren meist in den Zuleitungen und Rückführleitungen der Komponenten des Prüfstands eingebaut, da Feuchtesensoren verhältnismäßig groß sind. Zur verbesserten Funktionsweise von Turbinen und Komponenten in einem Brennstoffzellensystem kann es vorteilhaft sein, eine Regulierungsmöglichkeit und damit verbunden auch eine Messvorrichtung für den Feuchtegrad im Gassystem von der Brennstoffzelle zu haben. Im Produkt eines Brennstoffzellensystem kann demnach der Parameter „Feuchtegehalt“ im Stackmodul und in der Turbine, der für einen effizienten und lebensdauererweiternden Betrieb vorteilhaft sein kann, üblicherweise über Berechnungsmodelle ermittelt werden, die aus Erkenntnisse von Entwicklungsmustern abgleitet sind.
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In der
DE112006003013B4 wird ein Tank mit einer Armatur und einem Ventil beschrieben, wobei das Ventil in der Armatur befestigt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Regeleinrichtung für eine Wasserstoffzufuhr bei einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, eine Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 5 und ein Verfahren zum Betreiben einer Regeleinrichtung für eine Wasserstoffzufuhr bei einer Brennstoffzelle nach Anspruch 9.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine Regeleinrichtung für eine Wasserstoffzufuhr bei einer Brennstoffzelle, eine Brennstoffzelleneinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Regeleinrichtung für eine Wasserstoffzufuhr bei einer Brennstoffzelle anzugeben, wobei eine Ermittlung der Feuchtigkeit in dem Abgas von einer Brennstoffzelle verbessert werden kann.
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Erfindungsgemäß umfasst die Regeleinrichtung für eine Wasserstoffzufuhr bei einer Brennstoffzelle eine Sensoreinrichtung, mit welcher ein Feuchtegrad in einem Abgas von der Brennstoffzelle ermittelbar ist; eine Steuereinrichtung, welche mit der Sensoreinrichtung verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, den ermittelten Feuchtegrad mit einem vorbestimmten Feuchtegrenzwert für das Abgas zu vergleichen und zwischen diesen beiden einen Differenzwert zu bestimmen; und eine Regulierungseinheit mit welcher der Feuchtegrad im Abgas regulierbar ist, und welche durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit vom Differenzwert steuerbar ist.
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Der Feuchtegrad kann einem Anteil von Feuchtigkeit, etwa von Wasserdampf, in einem Gas, welches von der Brennstoffzelle abgegeben werden kann, entsprechen. Dabei kann dieser Anteil der Feuchtigkeit, etwa im Abgas vor der Turbine, dadurch reguliert werden, dass dieser durch ein Mischen des Gases mit anderen Anteilen von Gas in der Leitung verändert werden kann und/oder der Wasserdampf durch einen Wasserabscheider oder durch ein bestimmtes und dafür vorgesehenes Ventil aus der Leitung abgelassen werden kann.
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Die Leitung kann dabei eine Abgasleitung für das Gas im Kathodenkreis, zur Turbine oder an die Umgebung, sein. Der vorbestimmte Feuchtegrenzwert kann an die verbauten Bauteile im Kathodenkreis und an die Brennstoffzelle selbst sowie an eine Turbine, die im Kathodenkreis angeordnet sein kann, entsprechend angepasst und für eine vorteilhafte Funktionsweise dieser Bauelemente oder Komponenten ausgelegt sein und dem Hersteller oder Betreiber bekannt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Regeleinrichtung ist die Sensoreinrichtung dazu eingerichtet, als Feuchtegrad eine relative Feuchtigkeit in dem Abgas zu ermitteln.
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Durch die relative Feuchtigkeit kann ein einfacher und einfach ermittelbarer Vergleichswert erhalten werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Regeleinrichtung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Regulierungseinheit derart zu betreiben, dass der Feuchtegrad einer relativen Feuchtigkeit im Bereich von größer 0.9 und kleiner 1.0 entspricht.
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In einem Bereich zwischen 0.9 und 1.0 kann der Brennstoffzellenstapel im Prinzip sehr nahe an der relativen Feuchte von 1.0 betrieben werden, dennoch aber unterhalb dieser bleiben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Regeleinrichtung umfasst die Regulierungseinheit eine Drosselklappe, welche in einer Abgasleitung für das Abgas montierbar ist oder mit dieser verbindbar ist.
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Durch die Drosselklappe kann einfach und schnell eine vorteilhafte Regulierungsmöglichkeit für die Abgaszufuhr in die Abgasleitung erzielt werden, wodurch dann der Gehalt des Wasserdampfs in dem Abgas gesteuert werden kann.
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Die Drosselklappe kann den Dampfdruck des Abgases ändern, wodurch mehr oder weniger Feuchte von dem Abgas aufgenommen werden kann. Es geht hier um das Kathodenabgas, also das verbrauchte Luft-Gas-Gemisch, das aus dem Stapel (Stack) im Kathodenpfad kommen kann.
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Erfindungsgemäß umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenkreis und einem Kathodenkreis; eine erfindungsgemäße Regeleinrichtung, welche mit einer Abgasleitung des Kathodenkreises verbunden ist oder in diese integriert ist; eine Turbine, mit welcher ein Wirkelement antreibbar ist, welche mit der Abgasleitung verbunden ist, wobei die Regulierungseinheit und die Sensoreinrichtung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Turbine in oder an der Abgasleitung angeordnet sind; und einen Wasserabscheider, welcher zwischen der Regulierungseinheit und der Turbine mit der Abgasleitung verbunden ist und durch welchen der Feuchtegrad verringerbar ist.
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Im Fall, dass der Feuchtegrad vor der Turbine einen Wert von 100% relativer Feuchtigkeit erreichen würde, könnten Tropfen an der Turbine und im Abgas vorhanden sein. Um eine Gefahr einer Schädigung der Turbine zumindest zu verringern, kann der Feuchtegehalt vor der Turbine (Eingang Turbine vom Rücklauf von der Brennstoffzelle kommend) gemessen und unter einen geforderten Wert (<100%) geregelt werden oder die Wahrscheinlichkeit dieses Ziel zu erreichen zumindest erhöht werden.
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Ein erfindungsgemäßer Vorteil kann dabei erzielt werden, dass ein Schaufelrad vor Beschädigungen durch Tropfen geschützt werden kann oder zumindest die Wahrscheinlichkeit zur Schädigung verringert werden kann und somit eine höhere Lebensdauer erreicht werden kann, und dies bei maximal möglicher Energierückgewinnung am Turbinenschaufelrad.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffzelleneinrichtung bei welcher das Wirkelement ein Generator und/oder eine elektrische Maschine ist.
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Mit dem genannten Wirkelement kann folglich der Generator und/oder die elektrische Maschine in Wirkung als Generator angetrieben werden und zusätzlich zur Stromerzeugung an der Brennstoffzelle einen eigenen Anteil von elektrischen Strom erzeugen.
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Die Turbine kann dabei in deren Wirkweise optimiert werden, indem der Feuchtegrad in dem Abgas, welches die Turbine antreiben kann, gesteuert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffzelleneinrichtung ist die Sensoreinrichtung in oder an der Abgasleitung und als der Turbine unmittelbar vorangestelltes Bauelement vor der Turbine angeordnet und mittels welcher der Feuchtegrad an einer Turbinenschaufel der Turbine ermittelbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffzelleneinrichtung umfasst diese einen Turbinenbypass mit einem Turbinenbypassventil, durch welchen ein Druck vor der Turbine regulierbar ist und der Feuchtegrad, etwa in der Abgasleitung, beeinflussbar ist, derart dass eine relative Feuchtigkeit in der Turbine verringerbar ist und dazu das Abgas zumindest teilweise über den Turbinenbypass leitbar ist, wenn die relative Feuchtigkeit einen Grenzwert übersteigt.
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Vorzugsweise kann die Regelung dabei derart erfolgen, dass eine relative Feuchtigkeit in der Turbine unter 1.0 haltbar ist oder die Wahrscheinlichkeit zum Erzielen dieses Wertes erhöht wird.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben einer Regeleinrichtung für eine Wasserstoffzufuhr bei einer Brennstoffzelle ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung; ein Ermitteln des Feuchtegrads in einem Abgas von der Brennstoffzelle durch die Sensoreinrichtung; ein Vergleichen des ermittelten Feuchtegrads mit einem vorbestimmten Feuchtegrenzwert für das Abgas durch die Steuereinrichtung und Bestimmen eines Differenzwerts zwischen dem vorbestimmten Feuchtegrenzwert und dem ermittelten Feuchtegrad; und ein Regulieren des Feuchtegrads im Abgas durch ein Steuern der Regulierungseinheit in Abhängigkeit vom Differenzwert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Feuchtegrad als eine relative Feuchtigkeit im Bereich von größer 0.9 und kleiner 1.0 in einer Abgasleitung von der Brennstoffzelle und an einer Turbine, welche mit der Abgasleitung verbunden ist, gehalten.
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Die Regeleinrichtung und/oder die Brennstoffzelleneinrichtung kann sich auch durch die in Verbindung mit dem Verfahren genannten Merkmalen und dessen Vorteilen auszeichnen und umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelleneinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 3 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Betreiben einer Regeleinrichtung für eine Wasserstoffzufuhr bei einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Eine Regeleinrichtung 10 für eine Wasserstoffzufuhr bei einer Brennstoffzelle BZ umfasst eine Sensoreinrichtung 2, mit welcher ein Feuchtegrad in einem Abgas von der Brennstoffzelle BZ ermittelbar ist, und umfasst eine Regulierungseinheit RE, mit welcher der Feuchtegrad im Abgas regulierbar ist, und welche durch eine Steuereinrichtung in Abhängigkeit vom Differenzwert steuerbar ist.
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Ein Brennstoffzellenstapel BS kann einen Anodenkreis und einen Kathodenkreis K aufweisen, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Brennstoffzelle BZ mit einer Anodenseite BZ-A und mit einer Kathodenseite BZ-K umfasst. An der Kathodenseite BZ-K kann eine Abgasleitung AL von dieser weggeführt sein. Die Brennstoffzelleneinrichtung (BZE) kann eine Regeleinrichtung 10 umfassen, welche mit der Abgasleitung AL des Kathodenkreises verbunden ist oder in diese integriert ist. Die Brennstoffzelleneinrichtung umfasst weiterhin eine Turbine TB, mit welcher ein Wirkelement EM antreibbar ist, welche mit der Abgasleitung AL verbunden ist, wobei die Regulierungseinheit RE und die Sensoreinrichtung 2 zwischen dem Brennstoffzellenstapel BS und der Turbine TB in oder an der Abgasleitung AL angeordnet sind.
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Die Brennstoffzelleneinrichtung kann einen Wasserabscheider WA umfassen, welcher zwischen der Regulierungseinheit RE und der Turbine TB mit der Abgasleitung AL verbunden ist und durch welchen der Feuchtegrad verringerbar ist.
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Ein Feuchtegrad oder Wert der relativen Luftfeuchte kann direkt am Turbineneingang gemessen und unter einen geforderten Wert (von z.B. 98%) geregelt werden oder zumindest die Wahrscheinlichkeit dazu erhöht werden. Als Stellglied für die Regelung dient die Drosselklappe (nach dem Ausgang der Brennstoffzelle und vor der Turbine).
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Eine stärker geschlossene Drosselklappe senkt den Druck hinter der Drosselklappe ab, was zu einer höheren Feuchtigkeitsaufnahme der Luft hinter der Drosselklappe führt und somit zu einer geringeren Tröpfchenbildung vor der Turbine führen kann.
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Der Wasserabscheider zwischen Drosselklappe und der Turbine kann einen bestimmten Abscheidegrad bei einem bestimmten Volumenstrom aufweisen.
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Zwischen dem Wasserabscheider WA und der Kathodenseite kann ein Befeuchter HU in der Abgasleitung und/oder einer Zuleitung zur Anodenseite eingefügt sein.
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Alternativ kann ein zusätzlich vorhandenes Turbinenbypassventil mittels des Feuchtesignals (ermittelter und ausgewerteter Messwert über den Feuchtegrad und Vergleich mit dem Differenzwert) angesteuert werden. Das Turbinenbypassventil sorgt dafür, dass der Druck vor der Turbine möglichst groß für eine maximale Energierückgewinnung sein kann (Feuchtegehalt nahe 99%), aber vorzugsweise nicht so groß, dass Tröpfchen entstehen (Feuchtegehalt 100%). Falls plötzlich Tröpfchen durch einen Feuchtewert von 100% detektiert werden, kann das Turbinenbypassventil auch dazu verwendet werden, die Luft mit den Tröpfchen über den Turbinenbypass abzuleiten.
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Eine derartige Bypassleitung kann einer Verbindung in der Leitung nach dem Wasserabscheider WA (in Richtung zur Turbine TB hin) entsprechen und eine Verbindung um die Turbine TB herum zur dort anliegenden Abgasleitung AL darstellen, etwa einer Abgasleitung AL nach der Turbine zur Abgabe an die Umgebungsluft hin. In der 1 ist an dieser Verbindung ein Turbinenbypassventil in Verbindung mit der Abgasleitung AL gezeigt.
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Das Wirkelement kann eine elektrische Maschine EM umfassen, welche weiterhin mit einem Kompressor CP verbunden sein kann, welcher weiterhin eine Zuleitung, etwa für ein Gas für eine Zuleitung zur Kathodenseite, beispielsweise Wasserstoff, betreiben kann. Dem Kompressor CP kann dann ein Intercooler IK nachgeordnet sein, und ein Filter FT kann dem Kompressor CP vorgeschaltet sein, etwa um Umgebungsluft amb_e anzusaugen. Zwischen der Turbine und der elektrischen Maschine EM kann ein Kühlsystem KH angeschlossen sein, etwa ein bereits an einem Fahrzeug FZ vorhandenes Kühlsystem. Das Abgas kann (teilweise oder vollständig) durch die Turbine TB verlaufen und über einen Muffler (Abluftklappe/Ablufteinrichtung) mf an die Umgebung amb_a abgegeben werden.
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Die Abgasleitung kann hinter dem Stapel (Stack) anfangen und endet erst in der Atmosphäre (Umgebungsluft).
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelleneinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die gezeigte Brennstoffzelleneinrichtung BZE umfasst einen Brennstoffzellenstapel BS mit einem Anodenkreis und einem Kathodenkreis, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Brennstoffzelle BZ mit einer Anodenseite BZ-A und mit einer Kathodenseite BZ-K umfasst. An der Kathodenseite BZ-K kann eine Abgasleitung AL von dieser weggeführt sein. Die Brennstoffzelleneinrichtung BZE kann eine Regeleinrichtung 10 umfassen, welche mit der Abgasleitung AL des Kathodenkreises verbunden ist oder in diese integriert ist. Die Brennstoffzelleneinrichtung BZE umfasst weiterhin eine Turbine TB, mit welcher ein Wirkelement EM antreibbar ist, welche mit der Abgasleitung AL verbunden ist, wobei die Regulierungseinheit RE und die Sensoreinrichtung 2 zwischen dem Brennstoffzellenstapel BS und der Turbine TB in oder an der Abgasleitung AL angeordnet sind.
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Die Steuereinrichtung SE kann mit der Sensoreinrichtung 2 verbunden sein, und dazu eingerichtet sein, den ermittelten Feuchtegrad mit einem vorbestimmten Feuchtegrenzwert für das Abgas zu vergleichen und zwischen diesen beiden einen Differenzwert zu bestimmen.
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3 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Betreiben einer Regeleinrichtung für eine Wasserstoffzufuhr bei einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Regeleinrichtung für eine Wasserstoffzufuhr bei einer Brennstoffzelle erfolgt ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung; ein Ermitteln S2 des Feuchtegrads in einem Abgas von der Brennstoffzelle durch die Sensoreinrichtung; ein Vergleichen S3 des ermittelten Feuchtegrads mit einem vorbestimmten Feuchtegrenzwert für das Abgas durch die Steuereinrichtung und Bestimmen S4 eines Differenzwerts; und ein Regulieren S5 des Feuchtegrads im Abgas durch ein Steuern der Regulierungseinheit in Abhängigkeit vom Differenzwert.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112006003013 B4 [0003]
