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Nachfolgend werden ein Kraftfahrzeugantriebssystem mit einem Elektroantrieb sowie ein entsprechend ausgerüstetes Kraftfahrzeug beschrieben.
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Kraftfahrzeugantriebssysteme der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik bekannt. Es ist bekannt, Kraftfahrzeuge mit Elektromotoren zu versehen, die von Akkumulatoren mit Energie versorgt werden. Heutige batterie-elektrisch angetriebene Fahrzeuge leiden für gewöhnlich an geringer Reichweite und zusätzlich an langen Ladezeiten. Das Laden der den Antrieb versorgenden Batterie erfordert ein stationäres elektrisches Ladesystem, an das das batterie-elektrische Fahrzeug für die Ladedauer lokal angebunden ist. Außerhalb häuslicher Einrichtungen kann die Verfügbarkeit solcher stationärer elektrischer Ladesysteme eingeschränkt sein. Die Gefahr besteht, dass am Zielort oder Parkplatz keine unbelegte oder gar verfügbare Ladeeinrichtung existiert. Das erhöht die Besorgnis der Nutzer und schränkt die flexible Nutzung des Fahrzeugs empfindlich ein. Damit ist die sorgenfreie Nutzung eines batterie-elektrisch angetriebenen Fahrzeugs oft nur solchen Kunden vorbehalten, die über eine private Ladestation verfügen oder in unmittelbarer Nähe zum Wohnort mehrere elektrische Ladesysteme haben. Dies ist im urbanen Umfeld momentan selten.
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Des Weiteren sind sogenannte Hybridfahrzeuge bekannt, bei denen fossile Brennstoffe verwendet werden, um entweder die Batterien zu laden oder um die Elektromotoren mit Antriebsenergie zu versorgen. In diesen Fällen muss die Leistung des fossilen Antriebs ausreichen, um die Fortbewegung des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten.
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Die
WO 02/29956 offenbart einen zweirädrigen elektrischen Scooter mit einem Elektromotor mit einer Batterie und einer an Bord befindlichen Energiequelle zum Laden der Batterie, wobei die Energiequelle eine Brennstoffzelle sein kann.
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Nachteilig an den bekannten Systemen ist, dass die Energieversorgung der Ladeeinrichtungen groß dimensioniert sind, was einen erheblichen Absicherungsaufwand bedingt und die Ladeeinrichtungen groß und schwer macht.
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Somit stellt sich die Aufgabe ein Kraftfahrzeugantriebssystem der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass einerseits die Reichweite eines Elektroantriebs bei üblichen Benutzungsszenarien erhöht wird und andererseits der Platz- und Gewichtsaufwand zur Vorsehung einer solchen Lademöglichkeit gering bleibt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kraftfahrzeugantriebssystem gemäß Anspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß dem nebengeordneten Anspruch 10. Weiterführende Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Nachfolgend wird ein Kraftfahrzeugantriebssystem beschrieben, das einen Elektroantrieb mit wenigstens einem Elektromotor und einer Akkumulatoranordnung zur Energieversorgung des wenigstens einen Elektromotors mit elektrischer Energie aufweist, wobei eine Ladeeinrichtung in Form einer Brennstoffzelle vorgesehen ist, die mit der Akkumulatoranordnung elektrisch verbunden ist, sodass bei Betrieb der Brennstoffzelle entstehende elektrische Energie zum Laden der Akkumulatoranordnung verwendbar ist, wobei eine Ausgangsleistung der Brennstoffzelle so dimensioniert ist, dass die von der Brennstoffzelle zum Laden zur Verfügung gestellte Energiemenge pro Stunde zwischen einem Zwanzigstel und einem Hundertstel, insbesondere einem Dreißigstel und einem Fünfzigstel, der Ladekapazität der Akkumulatoranordnung entspricht.
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Die Brennstoffzelle ist somit so dimensioniert, dass sie nicht als Energieversorgung des Elektromotors Verwendung findet, sie dient lediglich zum Laden der Akkumulatoranordnung. Auf diese Weise kann bei üblichen Nutzungsprofilen, meist relativ kurzfristigen Verwendung eines Kraftfahrzeugs, auf leichte und kompakte Weise ein Aufladen der Akkumulatoranordnung erreicht werden, das zu einer erheblichen Reichweitenvergrößerung eines entsprechend ausgerüsteten Kraftfahrzeugs führt.
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Dies erhöht die Variabilität und Einsetzbarkeit eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs.
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In einer ersten möglichen weiterführenden Ausgestaltung können die Akkumulatoranordnung und die Brennstoffzelle an einer gemeinsamen Gleichstromsammelleitung angeschlossen sein. Auf diese Weise lässt sich die elektrische Verschaltung des Kraftfahrzeugantriebssystems vereinfachen.
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In einer anderen weiterführenden Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Brennstoffzelle ein DC/DC-Wechselrichter nachgeschaltet ist. Auf diese Weise können die Ein- und Ausgangsspannungen von Akkumulatoranordnung und/oder Brennstoffzelle aufeinander angepasst werden und insbesondere auf die in der Gleichstromsammelleitung herrschende Spannung gebracht werden. Somit kann der Aufbau des elektrischen Bordnetzes vereinfacht werden.
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In einer anderen weiterführenden Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC-Brennstoffzelle) ist. Eine solche Brennstoffzelle lässt sich mit Methan, Ethanol oder Erdgas betreiben, was das Auftanken entsprechender Tanks vereinfacht. Ein entsprechender Tankvorgang lässt sich im Wesentlichen genauso ausgestalten wie bei einem herkömmlichen Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, insbesondere einem solchen mit Gasantrieb.
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Alternativ dazu kann die Brennstoffzelle als oder eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle ausgestaltet sein. Eine solche kann mit reinem Wasserstoff und atmosphärischem Sauerstoff betrieben werden.
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In einer anderen weiterführenden Ausgestaltung kann ein elektrischer Ladeanschluss zum Laden der Akkumulatoranordnung über ein externes Stromnetz vorgesehen sein. Auf diese Weise kann ein entsprechend ausgerüstetes Kraftfahrzeug auch über ein stationäres Stromnetz geladen werden, beispielsweise wenn eine schnellere Ladung erforderlich ist.
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Gemäß einer anderen möglichen weiteren Ausgestaltung kann eine Steuerung vorgesehen sein, die den Betrieb der Brennstoffzelle und/oder das Laden der Akkumulatoranordnung steuert. Die Steuerung kann beispielsweise die Brennstoffzelle nach Erreichen eines gewissen Ladestandes der Akkumulatoranordnung abschalten oder die Brennstoffzelle anschalten, wenn ein gewisser Ladestand unterschritten wird. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch reduziert werden und die Akkumulatoranordnung wird geschont.
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Die Steuerung kann in manchen Ausgestaltungen über ein Bussystem mit anderen Kraftfahrzeugkomponenten kommunizieren.
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Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle dauerhaft in Betrieb ist, um Hilfsgeräte und Bordelektronik, zum Beispiel in autonomen Fahrzeugen, dauerhaft mit Strom versorgen zu können, ohne die Reichweite des Elektrofahrzeuges zu reduzieren.
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Gemäß einer weiterführenden Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Steuerung an ein Bussystem des Kraftfahrzeuges angeschlossen ist. Somit kann eine Kommunikation mit anderen, an das Bussystem angeschlossenen Vorrichtungen des Kraftfahrzeuges erfolgen und die Steuerung kann die Brennstoffzelle in Abhängigkeit von über das Bussystem erhaltenen Informationen steuern.
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Gemäß einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass ein Bewegungssensor mit der Steuerung verbunden ist, beispielsweise über das Bussystem. Auf diese Weise kann ein Laden der Akkumulatoranordnung vom Fahrzustand des Kraftfahrzeugs abhängig gemacht werden, beispielsweise eine Ladung im Stillstand des Kraftfahrzeugs bevorzugt werden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann die Steuerung dazu eingerichtet sein, den Ladezustand der Akkumulatoranordnung permanent zu überwachen.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung kann die Steuerung mit einer Fernkommunikationseinrichtung verbunden sein, beispielsweise über das Bussystem. Auf diese Weise kann die Brennstoffzelle mittels Fernkommunikationsmitteln, beispielsweise über ein Mobiltelefon, gesteuert werden.
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Ein erster unabhängiger Gegenstand betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Kraftfahrzeugantriebssystem. Ein entsprechendes Kraftfahrzeug weist eine gegenüber herkömmlichen elektroangetriebenen Kraftfahrzeugen, die ihre Energie aus Akkumulatoranordnungen beziehen, erheblich größere Reichweite auf und dies bei einer besseren Umweltbilanz als bei Hybridfahrzeugen.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei zeigen schematisch:
- 1 eine Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten Ausführungsform eines Kraftfahrzeugantriebssystems;
- 2 eine zweite Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs mit einem Kraftfahrzeugantriebssystem sowie
- 3 ein Diagramm mit typischen Benutzungs- und Ladezuständen.
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Gleiche oder gleichwirkende Bauteile werden im Nachfolgenden zur besseren Lesbarkeit mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 2 mit einem Kraftfahrzeugantriebssystem 4 (gestrichelt umrahmt) in einer ersten Ausgestaltung.
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Das Kraftfahrzeugantriebssystem 4 weist eine Gleichstromsammelleitung 6 auf, in der eine konstante Spannungsdifferenz bereitgehalten wird.
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Des Weiteren ist eine Festoxidbrennstoffzelle 12 mittels eines zweiten DC/DC-Konverters 14 angeschlossen. Der DC/DC-Konverter 14 dient zur Anpassung der jeweiligen Spannung auf die Spannung der Gleichstromsammelleitung 6.
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Die Feststoffbrennstoffzelle 12 arbeitet unter Verwendung von Methan, welches als Methangas oder als Erdgas bereitgestellt werden kann.
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Die Festoxidbrennstoffzelle 12 weist eine sehr geringe Leistung verglichen mit einer üblichen Antriebsleistung des Kraftfahrzeugs 2 auf. Die Feststoffbrennstoffzelle 12 ist so dimensioniert, dass sie pro Stunde ein Fünfzigstel der Energiemenge zur Verfügung stellen kann, die in der Akkumulatoranordnung 8 speicherbar ist.
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Die Dimensionierung der Festoxidbrennstoffzelle 12 kann in anderen Ausführungsformen anders ausfallen, insbesondere so, dass diese pro Stunde zwischen einem Zwanzigstel und einem Hundertstel oder mehr der Energiemenge der Akkumulatoranordnung 8 zur Verfügung stellen kann.
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Je nach Verbrauch des Fahrzeuges und Größe des Akkus sind 500-1500W Ausgangsleistung der Festoxidbrennstoffzelle 12 vorgesehen. Bei hohen Akkukapazitäten der Akkumulatoranordnung 8 reicht ein Hundertstel der Energiemenge, die in der Akkumulatoranordnung 8 speicherbar ist, um hohe Reichweiten zu erreichen. Die Effizienz des Festoxidbrennstoffzellensystems 12 ist am höchsten, wenn es ohne Unterbrechung dauerhaft laden/laufen kann.
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Das Laden der Akkumulatoranordnung 8 rein über die Festoxidbrennstoffzelle 12 würde somit, über einen kompletten Ladezyklus betrachtet, etwa 50 Stunden bis über 100h (ohne Berücksichtigung evtl. Wirkungsgrade) dauern. Die Festoxidbrennstoffzelle 12 kann somit so kleiner dimensioniert werden, dass der dafür notwendige Platzbedarf und die entsprechende Leistungslogistik klein ausfallen kann, was das System preisgünstig und leicht macht. Zudem sind entsprechend kompakt dimensionierte Brennstoffzellen kostengünstig zu warten.
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Des Weiteren kann ein Kondensator 16 vorgesehen sein, der mittels Schaltern 18 an die Gleichstromsammelleitung 6 ankoppelbar ist.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs 2' mit einem Kraftfahrzeugantriebssystem 4.
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Das Kraftfahrzeugantriebssystem 4 weist eine Gleichstromsammelleitung 6 auf, in der eine konstante Spannungsdifferenz bereitgehalten wird. An die Gleichstromsammelleitung 6 ist eine Akkumulatoranordnung 8 angeschlossen.
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Des Weiteren ist eine Festoxidbrennstoffzelle 12 mittels eines DC/DC-Konverters 14 angeschlossen. Der DC/DC-Konverter 14 dient zur Anpassung der jeweiligen Spannung auf die Spannung der Gleichstromsammelleitung 6.
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Die Feststoffbrennstoffzelle 12 arbeitet unter Verwendung von Methan, welches als Methangas, Ethanol oder als Erdgas bereitgestellt werden kann.
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Die Festoxidbrennstoffzelle 12 weist eine sehr geringe Leistung verglichen mit einer üblichen Antriebsleistung des Kraftfahrzeugs 2 auf. Die Feststoffbrennstoffzelle 12 ist so dimensioniert, dass sie pro Stunde ein Fünfzigstel der Energiemenge zur Verfügung stellen kann, die in der Akkumulatoranordnung 8 speicherbar ist. Das Laden der Akkumulatoranordnung 8 rein über die Brennstoffzelle würde somit, über einen kompletten Ladezyklus betrachtet, etwa 50 Stunden (ohne Berücksichtigung evtl. Wirkungsgrade) dauern. Je nach Kapazität der Akkumulatoranordnung 8 kann sich diese Zeit erheblich verlängern und z.B. über hundert Stunden betragen, da die Ladegeschwindigkeit sich an dem gemittelten Energiebedarf des Kraftfahrzeuges 2 orientiert. Die Festoxidbrennstoffzelle 12 kann somit so kleine dimensioniert werden, dass der dafür notwendige Platzbedarf und die entsprechende Leistungslogistik klein ausfallen kann, was das System preisgünstig und leicht macht.
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Des Weiteren kann ein Kondensator 16 vorgesehen sein, der mittels Schaltern 18 an die Gleichstromsammelleitung 6 ankoppelbar ist.
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Des Weiteren ist ein Ladeanschluss 30 vorgesehen, über den die Akkumulatoranordnung 8 geladen werden kann.
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Eine Steuerung 32 steuert die Festoxidbrennstoffzelle 12 sowie die Akkumulatoranordnung 8. Die Steuerung 32 ist über ein Bussystem 33 mit einer Kommunikationsvorrichtung34 verbunden, mit Hilfe derer weitere Funktionen, beispielsweise Fernsteuerung des Ladevorgangs, bewirkt werden können.
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Die Festoxidbrennstoffzelle 12 wird von einem Gastank 36 gespeist. Gastank 36 und Festoxidbrennstoffzelle 12 ist ein Reformer 38 zwischengeschaltet.
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In einer Ausführungsform, in der eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle vorgesehen ist, entfällt der Reformer.
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3 zeigt ein Diagramm, in dem ein typisches Nutzerprofil mit typischem Ladeverhalten des Kraftfahrzeugs 2 dargestellt ist. Auf der linken Skala ist die Ladekapazität in % dargestellt.
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Das Kraftfahrzeug 2 wird im Berufsverkehr verwendet, das heißt morgens und abends und ruht dazwischen für den meisten Teil des Tages. Ausgehend von einer Ladekapazität von 100 Prozent am Montagmorgen wird für die erste Fahrt zur Arbeit eine gewisse Energiemenge benötigt, die die Ladekapazität der Akkumulatoranordnung 8 auf etwa 85 Prozent reduziert. Durch das sehr langsame Laden mittels der Festoxidbrennstoffzelle 12 kann die Ladekapazität auf ungefähr 95 Prozent im Laufe des Tages erhöht werden. Am Abend des Montags findet eine längere Fahrt statt, sodass die Ladekapazität auf etwa 45 Prozent abfällt. Über Nacht wird die Akkumulatoranordnung 8 auf etwa 65 Prozent geladen. Im Laufe der Woche schwankt die Ladekapazität der Akkumulatoranordnung 8 abhängig von der Benutzung zwischen knapp unter 40 Prozent bis knapp über 80 Prozent, das Kraftfahrzeug kann jedoch die ganze Woche ohne Einschränkungen und ohne Nachladen an einer stationären Ladestation verwendet werden. Lediglich nach einer längeren Fahrt am Samstag könnte ein solches Nachladen geboten sein, da hier die Ladekapazität auf unter 20 Prozent abgefallen ist. Ein Nachladen ist jedoch auch hier nicht unbedingt notwendig, sofern keine längere Fahrt ansteht. Wie in der Situation zwischen Montagabend und Samstag früh gezeigt, ist das Kraftfahrzeugantriebssystem 4 in der Lage, die Akkumulatoranordnung 8 stets so zu laden, dass bei üblichem Gebrauch ausreichend elektrische Energie zur Verfügung steht, sofern genügend Methangas im Gastank 36 gespeichert ist. Es ist des Weiteren zu erkennen, dass die Entladung im Fahrbetrieb sehr viel schneller vonstattengeht als die Ladung, was sich durch die Steigungen in den Entlade- und Ladezeiten zeigt.
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Obwohl der Gegenstand im Detail durch Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Kraftfahrzeugantriebssystem
- 6
- Gleichstromsammelleitung
- 8
- Akkumulatoranordnung
- 12
- Festoxidbrennstoffzelle
- 14
- DC/DC-Konverter
- 16
- Kondensator
- 18
- Schalter
- 28
- Elektromotor
- 30
- Ladeanschluss
- 32
- Steuerung
- 33
- Bussystem
- 34
- Kommunikationsvorrichtung
- 36
- Gastank
- 38
- Reformer
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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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