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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach
der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Aus
der gattungsgemäßen
DE 10 2006 043 573 A1 ist
ein Verfahren bzw. ein Aufbau zur Verringerung des Austritts von
flüssigem Wasser mit dem Abgas eines Brennstoffzellensystems,
mit einer als PEM-Brennstoffzelle ausgebildeten Niedertemperatur-Brennstoffzelle,
bekannt. Bei diesem Brennstoffzellensystem wird Wärme im
Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems genutzt, um Produktwasser im
Abgas des Brennstoffzellensystems so weit zu erwärmen,
dass dieses zumindest weitgehend verdampft wird, um zu vermeiden,
dass flüssiges Wasser aus dem Auspuff des Systems austritt.
Damit kann ein Benetzen der Umgebung mit flüssigem Wasser
verhindert werden, was insbesondere bei Temperaturen unterhalb des
Gefrierpunkts und beim Einsatz eines derartigen Brennstoffzellensystems
in einem Transportmittel, wie beispielsweise einem Kraftfahrzeug,
zu erheblichen Nachteilen bezüglich der Verkehrssicherheit
führen könnte.
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Der
Aufbau zum Verdampfen des flüssigen Produktwassers im Abgas
ist vergleichsweise komplex und benötigt über
den Kühlkreislauf mehrere Wärmeübergänge
zum Eintrag der entsprechenden thermischen Energie in das flüssige
Produktwasser. Außerdem wird Wasser in einem Brennstoffzellensystem
nicht nur über das Abgas entsorgt, sondern muss gegebenenfalls
in flüssiger Form aus den Abgasen abgeschieden werden,
beispielsweise um den Eintritt von Tröpfchen in eine Abgasturbine
zu verhindern. Auch das so anfallende abgeschiedene Wasser muss
an die Umgebung abgegeben werden.
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Es
ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bei Brennstoffzellensystemen,
und hier insbesondere bei Brennstoffzellensystemen in Transportmitteln,
wie beispielsweise Kraftfahrzeugen, bekannt, dass die von der Brennstoffzelle
erzeugte Abwärme im Allgemeinen sehr schwer wegzukühlen
ist. Aufgrund der, im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor, sehr
viel niedrigeren Temperatur einer Brennstoffzelle sind weitaus größere
Kühlflächen zum Kühlen der Abwärme
einer Brennstoffzelle notwendig, als dies bei einer Verbrennungskraftmaschine
der Fall ist. Damit stellt die Kühlung einer Brennstoffzelle,
insbesondere in Transportmitteln, immer eine besondere Herausforderung
dar.
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Es
ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, den oben
genannten Aufbau dahingehend zu verbessern, dass Wasser, welches
im Wasserabscheider an verschiedenen Stellen des Brennstoffzellensystems
gesammelt wird, in dampfförmigem Zustand an die Umgebung
abgegeben werden kann, und dass außerdem der Kühlkreislauf
des Brennstoffzellensystems entlastet wird.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems sind in den Unteransprüchen
beschrieben. Eine vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
ergibt sich aus Anspruch 10.
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Dadurch,
dass die Flüssigkeit aus den Flüssigkeitsabscheidern
zumindest teilweise einer Seite eines Wärmetauschers zuführbar
ist, welcher auf der anderen Seite von der verdichtenden Luft durchströmt
ist, wird Wärme aus der verdichteten Luft direkt in die
Flüssigkeit eingetragen. Dadurch kommt es einerseits zu
einer Verdampfung der Flüssigkeit bzw. eines Großteils
der Flüssigkeit und andererseits wird die nach dem Verdichten
sehr heiße Luft durch diese Verdampfung von Flüssigkeit
effizient gekühlt. Damit kann entweder ganz auf einen Ladeluftkühler verzichtet
werden, oder dieser kann entsprechend entlastet werden, sodass der
Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems an sich entlastet
wird und mit weniger Kühlfläche auskommt. Andererseits
wird das flüssige Wasser aus den Flüssigkeitsabscheidern
im Bereich des Wärmetauschers verdampft, und kann danach
als Dampf an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben
werden.
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Der
erfindungsgemäße Aufbau des Brennstoffzellensystems
ermöglicht also einerseits eine Entlastung des Kühlkreislaufs
des Brennstoffzellensystems und andererseits ein Verdampfen der
in den Flüssigkeitsabscheidern gesammelten Flüssigkeit, sodass
diese dampfförmig an die Umgebung gelangt und nicht als
Flüssigkeit aus dem Brennstoffzellensystem herausläuft.
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Dies
kann insbesondere beim Einsatz in Transportmitteln, wie beispielsweise
in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder dergleichen sinnvoll sein, da
in derartigen fahrbaren Transportmitteln der Austritt von Flüssigkeit
häufig unerwünscht oder aufgrund gesetzlicher
Vorschriften nicht erlaubt ist. Der Grund hierfür liegt
häufig in Sicherheitsvorschriften, welche ein Benetzen
der Fahrwege mit flüssigem oder bei Temperaturen unterhalb
des Gefrierpunkts eventuell sogar gefrierender Flüssigkeit,
insbesondere Wasser, verhindern wollen, um andere Verkehrsteilnehmer
nicht zu gefährden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels
deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur erläutert
wird.
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Die
einzige beigefügte Figur zeigt eine schematische Darstellung
eines Brennstoffzellensystems.
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In
der einzigen beigefügten Figur ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch
angedeutet. Es kann sich dabei insbesondere um das Brennstoffzellensystem 1 in
einem Transportmittel, beispielsweise einem Kraftfahrzeug, handeln.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann dort zur Erzeugung von
Vortriebsenergie ebenso eingesetzt werden, wie zur Bereitstellung
von elektrischer Energie, welche beispielsweise für elektrische
Nebenverbraucher in dem Kraftfahrzeug Verwendung findet. Das Brennstoffzellensystem 1 weist
eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle 2 auf, welche beispielsweise
als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein kann. Die Brennstoffzelle 2 weist
einen Kathodenbereich 3 und einen Anodenbereich 4 auf,
welche entsprechend dem oben dargestellten Beispiel von einer PE-Membran
getrennt sind.
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Die
Versorgung des Kathodenbereichs 3 mit einem sauerstoffhaltigen
Medium erfolgt typischerweise mit Luft, welche über einen
Verdichter 5 bereitgestellt und auf das benötigte
Druckniveau verdichtet wird. Die Abluft aus dem Kathodenbereich 3 gelangt dann
wieder in die Umgebung, wobei sie in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
eine Turbine 6 durchströmt, über welche
Wärme und Druckenergie aus dem aus dem Kathodenbereich 3 strömenden Abgas
zurück gewonnen werden. Die Turbine 6 kann die
so zurück gewonnene Energie als mechanische Energie entweder
dem Verdichter 5 zur Verfügung stellen, wie es
hier angedeutet ist, oder sie könnte gemeinsam mit dem
Verdichter 5 auf eine hier nicht dargestellte elektrische
Maschine wirken, welche in an sich bekannter Weise den Verdichter 5 zusammen mit
der Turbine 6 antreibt, und welche bei Energieüberschuss
von der Turbine 6 generatorisch angetrieben werden kann,
um elektrische Energie zu erzeugen.
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Der
Anodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 wird in
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung 7 mit
Wasserstoff versorgt. Unverbrauchter Wasserstoff wird nach dem Durchströmen
des Anodenbereichs 4 über eine Rezirkulationsleitung 8 und
eine Rezirkulationsfördereinrichtung 9 zusammen
mit frischem Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 wieder
dem Anodenbereich 4 zugeführt.
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Ferner
weist das Brennstoffzellensystem 1 in an sich bekannter
Weise einen Befeuchter 10 auf, welcher die zu dem Kathodenbereich 3 strömende Zuluft
durch die von dem Kathodenbereich 3 abströmende
Abluft entsprechend befeuchtet. Typischerweise sind derartige Befeuchter 10 so
ausgerüstet, dass sie die beiden Stoffströme über
eine für Wasserdampf durchlässige Membran voneinander
trennen, sodass Wasserdampf aus der feuchten Abluft des Kathodenbereichs 3 in
die trockene Zuluft zu dem Kathodenbereich 3 übertragen
werden kann. Außerdem ist in dem Brennstoffzellensystem 1 ein
Ladeluftkühler 11 zu erkennen, welcher die nach
dem Verdichter 5 sehr heiße Zuluft zu dem Kathodenbereich 3 auf
ein Temperaturniveau kühlt, welches für den Kathodenbereich 3 der
Niedertemperatur-Brennstoffzelle 2 verträglich
ist, ohne diesen, und hier insbesondere die Membranen, entsprechend
zu schädigen. Der Ladeluftkühler 11 ist,
wie auch die Brennstoffzelle 2 selbst, Teil eines Kühlkreislaufs 12,
welcher hier nur schematisch angedeutet ist. Im Kühlkreislauf 12 wird über
einen Kühlwärmetauscher 13, welcher beispielsweise
beim Einsatz in einem Fahrzeug der übliche Fahrzeugkühler
sein kann, die im Bereich des Ladeluftkühlers 11 und
im Bereich der Brennstoffzelle 2 anfallende Abwärme
an die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 abgegeben.
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In
dem Brennstoffzellensystem 1 sind außerdem diverse
Flüssigkeitsabscheider 14.1, 14.2, 14.3 und 15 zu
erkennen. Diese Flüssigkeitsabscheider 14, 15 sind
dabei an beispielhaften Positionen angedeutet. Sie müssen
nicht zwingend an diesen Positionen sitzen, und sie müssen
ebenfalls nicht zwingend in der hier vorhandenen Zahl vorhanden
sein. Es wäre durchaus denkbar, dass lediglich einer oder zwei
der Flüssigkeitsabscheider 14, 15 vorhanden wären,
oder, dass alternativ dazu, mehr Flüssigkeitsabscheider
als dargestellt in dem Brennstoffzellensystem 1 ausgebildet
sind.
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Der
Flüssigkeitsabscheider 14.1 an der Position unmittelbar
vor dem Kathodenbereich 3 kann dazu dienen, Tröpfchen
abzuscheiden, welche sich nach der Befeuchtung in der Zuluft zu
dem Kathodenbereich 3 ansammeln. Diese Tröpfchen
könnten im Bereich des Kathodenbereichs 3 beispielsweise
die Zuleitung der Zuluft zu den Membranen in einem so genannten
Flow-Field behindern. Daher kann die Flüssigkeit in diesem
Bereich durch den Flüssigkeitsabscheider 14.1 abgeschieden
werden. Der Flüssigkeitsabscheider 14.2 ist in
dem Brennstoffzellensystem 1 sehr wichtig. Er ist am Austritt
der Abluft aus dem Kathodenbereich 3 angeordnet. Diese
Abluft wird einen großen Teil des in der Brennstoffzelle 2, bei
der chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, entstehenden
Produktwassers mit sich führen. Im Bereich des Flüssigkeitsabscheiders 14.2 wird
sich also eine große Menge an flüssigem Wasser
ansammeln. Der Flüssigkeitsabscheider 14.3 ist insbesondere
dann sinnvoll und notwendig, wenn eine Turbine 6 in dem
Brennstoffzellensystem 1 genutzt wird. Er verhindert nämlich,
dass flüssige Tröpfchen in den Bereich der Turbine 6 gelangen.
Da eine derartige Turbine 6 mit sehr hohen Drehzahlen von mehreren
10.000 U/min läuft, könnten hier flüssige Tröpfchen
zu einer Beschädigung von laufenden Bauteilen der Turbine 6 führen.
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Der
letzte hier dargestellte Flüssigkeitsabscheider 15 ist
im Bereich des Anodenbereichs 4 angeordnet. Auch in der
Anode bildet sich bis zu einem gewissen Grad Produktwasser, welches über
den Flüssigkeitsabscheider 15 abgeschieden werden kann.
Durch diesen Flüssigkeitsabscheider 15 wird außerdem
verhindert, dass flüssige Tröpfchen in den Bereich
der Rezirkulationsfördereinrichtung 9 gelangen
und deren Betrieb nachteilig beeinflussen.
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Jeder
der Flüssigkeitsabscheider 14, 15 kann
insbesondere mit einer hier nicht dargestellten Ventileinrichtung
versehen sein, sodass die Flüssigkeitsabscheider 14, 15 beispielsweise
in Abhängigkeit der Betriebszeit oder auch in Abhängigkeit
eines, über Sensoren erfassten oder über eine
Simulation errechneten, Füllstandes entsprechend entleert
werden kann. Hierfür weist jeder der Flüssigkeitsabscheider 14, 15 eine entsprechende
Ableitung auf, welche sich in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
des Brennstoffzellensystems 1 im Bereich eines Zwischenspeichers 16 treffen.
In diesem Zwischenspeicher 16 sammelt sich somit die Flüssigkeit, im
Allgemeinen Wasser, aus dem Bereich aller Flüssigkeitsabscheider 14, 15.
Der Bereich 16 muss dabei nicht zwingend als Zwischenspeicher 16 ausgebildet
sein, eine reine Zusammenführung der Leitungen aus den
einzelnen Flüssigkeitsabscheidern 14, 15 wäre
ebenso denkbar. Aus dem Bereich des Zwischenspeichers 16 gelangt
die Flüssigkeit dann in den Bereich eines Wärmetauschers 17.
Anstelle des Sammelns der Leitungen im Bereich 16 wäre
es selbstverständlich auch denkbar, die Flüssigkeit
aus den einzelnen Flüssigkeitsabscheidern 14, 15 direkt in
den Bereich des Wärmetauschers 17 zu leiten, ohne
diese zuvor zu sammeln.
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In
dem Wärmetauscher 17 wird die Flüssigkeit
nun auf einer Seite des Wärmetauschers 17 eingebracht.
Auf der anderen Seite wird der Wärmetauscher 17 von
heißer verdichteter Zuluft aus dem Verdichter 5 durchströmt.
In dem Wärmetauscher 17 gelangt also die Wärme
aus der heißen verdichteten Zuluft in den Bereich der abgeschiedenen
Flüssigkeit. Die Flüssigkeit wird in dem Wärmetauscher 17 verdampft.
Der Dampf kann dann an die Umgebung abgelassen werden oder kann
beispielsweise mit der Abluft aus der Turbine 6 gemischt
und dann in die Umgebung abgelassen werden. Durch die Verdampfung
der Flüssigkeit aus den Flüssigkeitsabscheidern 14, 15 wird
erreicht, dass keine Flüssigkeit in flüssigem
Zustand an die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 abgegeben
wird, sondern dass lediglich Dampf aus dem Brennstoffzellensystem 1 in
den Bereich der Umgebung gelangt. Dieser Dampf, welcher typischerweise
in der Atmosphäre aufsteigt, ist dabei weniger kritisch
als Flüssigkeit, welche den Bereich unterhalb des Austritts
und damit im Allgemeinen unterhalb des Brennstoffzellensystems 1 benetzen
würde.
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Außerdem
wird durch das Verdampfen der Flüssigkeit im Wärmetauscher 17 erreicht,
dass die nach dem Verdichter 5 sehr heiße Zuluft
zu dem Kathodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 entsprechend gekühlt
wird, sodass in dem Ladeluftkühler 11 eine deutlich
geringere Abkühlung der Zuluft erfolgen muss. Dadurch wird
der Kühlkreislauf 12 des Brennstoffzellensystems 1 entsprechend
entlastet und kleinere Flächen des Kühlwärmetauschers 13 können bereits
ausreichen, um die Abwärme der Brennstoffzelle 2 in
allen Betriebssituationen sicher abzuführen.
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Der
Wärmetauscher 17 kann als Teilbereich des Ladeluftkühlers 11 ausgeführt
sein bzw. mit diesem zusammen in einem Bauteil realisiert werden. Dies
hat insbesondere hinsichtlich des Packagings und hinsichtlich der
Anzahl der verwendeten Bauteile entsprechende Vorteile. Es wäre
jedoch auch denkbar, den Wärmetauscher 11 komplett
getrennt vom Ladeluftkühler 11 auszuführen,
wenn dies zweckdienlich erscheint.
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Je
nach anfallender Menge an abgeschiedener Flüssigkeit wäre
es auch denkbar, auf den Ladeluftkühler 11 in
bestimmten Systemen gänzlich zu verzichten, da durch das
Verdampfen der Flüssigkeit im Bereich des Wärmetauschers 17 der
verdichteten Luft eine sehr hohe Mengen an Wärme entzogen werden
kann. Da typischerweise bei höheren Leistungen nicht nur
ein höherer Luftbedarf auftritt, sondern auch eine höhere
Menge an Produktwasser anfällt, wäre es durchaus
denkbar, insbesondere in Systemen, welche hinsichtlich von Temperaturschwankungen
der Zuluft vergleichsweise tolerant sind, auf einen Ladeluftkühler 11 gänzlich
zu verzichten. Bei einem derartigen Aufbau wäre es sinnvoll,
den Bereich des Zwischenspeichers 16 in jedem Fall als echten
Zwischenspeicher 16 auszubilden. Dieser kann insbesondere
so angeordnet werden, dass er so über dem Wärmetauscher 17 liegt,
dass eine Förderung der Flüssigkeit in dem Bereich
des Wärmetauschers 17 über die Schwerkraft
erfolgen kann. Alternativ dazu wäre jedoch auch ein entsprechendes Fördermittel
denkbar, oder die Flüssigkeit kann von im Bereich der Flüssigkeitsabscheider
befindlichen Gasen, welche gegenüber der Umgebung natürlich unter
einem erhöhten Druck stehen, in den Bereich des Zwischenspeichers
und von dort weiter in den Bereich des Wärmetauschers 17 gefördert
werden.
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Wenn über
einen Zwischenspeicher 16 eine entsprechende Menge an auskondensierter
Flüssigkeit zur Verfügung steht, so kann diese
auch verwendet werden, um im Bereich des Wärmetauschers 17 eine
gezielte Kühlung der über den Verdichter 5 verdichteten
Zuluft zu realisieren. Hierfür kann in der Zuleitung der
Flüssigkeit zu dem Wärmetauscher 17 eine
entsprechende Einrichtung zur Variation des Durchflusses angeordnet
werden. Eine solche Einrichtung könnte beispielsweise ein
Proportionalventil oder ein getaktetes Ventil sein. Beim Einsatz
einer entsprechenden Fördereinrichtung wäre es
auch denkbar, diese drehzahlvariabel auszugestalten. Alternativ
oder ergänzend dazu, kann auch ein Teil der Zuluft und/oder
der Flüssigkeit in einem Bypass um den Wärmetauscher 17 herumgeführt
werden, sodass die Menge des mit der heißen Zuluft in Verbindung kommenden
flüssigen Kondensats jeweils so angepasst werden kann,
dass die gewünschte Kühlwirkung der verdichteten
Zuluft erzielt wird.
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Insbesondere
im Bereich des Flüssigkeitsabscheiders 15 in der
Rezirkulationsleitung 8 um den Anodenbereich 4 kann
neben der Flüssigkeit auch Gas mit abgelassen werden, welches
sich im Bereich der Rezirkulationsleitung 8 befindet. Dies
kann beispielsweise Stickstoff sein, welcher durch die Membranen
der Brennstoffzelle 2 hindurch in den Anodenbereich 4 diffundiert,
und welcher sich durch die Kreislaufführung der Anodengase
dort anreichert. Zusammen mit der Flüssigkeit kann dieses
Gas, welches typischerweise auch immer einen kleinen Anteil an Wasserstoff
enthalten wird, ebenfalls in den Bereich des Zwischenspeichers 16 und
des Wärmetauschers 17 gelangen. Um zu verhindern,
dass Wasserstoff mit der verdampften Flüssigkeit an die
Umgebung gelangt, wäre es denkbar, im Bereich des Zwischenspeichers 16 oder
des Wärmetauschers 17, und hier insbesondere im
Bereich des Wärmetauschers 17, ein katalytisches
Material bzw. eine Katalysator anzuordnen, an welchem der Wasserstoff
mit Restsauerstoff, welcher über einen der Flüssigkeitsabscheider 14 ebenfalls
in diesen Bereich gelangen wird, abreagieren kann. Dadurch kann
eine unerwünschte Emission von Wasserstoff in die Umgebung
des Brennstoffzellensystems 1 verhindert werden. Die bei
der Reaktion entstehende Wärme dient ebenfalls zur Verdampfung
der abgeschiednen Flüssigkeit.
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Grundsätzlich
ist dieser Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 für
alle Brennstoffzellensysteme denkbar. Seine bevorzugte Anwendung
liegt jedoch in der Verwendung in einem Transportmittel, wie beispielsweise
einem Kraftfahrzeug oder dergleichen. Hier ist es, wie bereits mehrfach
erwähnt, besonders wichtig, kein flüssiges Wasser
an die Umgebung gelangen zu lassen und außerdem eine gute
Kühlleitung des Systems zu realisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006043573
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