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Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsabscheider für ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Flüssigkeitsabscheider.
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Flüssigkeitsabscheider, insbesondere Flüssigkeitsabscheider für Brennstoffzellensysteme, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie sind insbesondere dazu da, aus einem Zweiphasengemisch aus typischerweise Abgas bzw. Abluft und Wasser flüssiges Wasser, insbesondere in Form von Tröpfchen, abzuscheiden. Sie schützen so nachfolgende Komponenten vor den Flüssigkeitströpfchen, beispielsweise eine schnelllaufende Turbine im Bereich der Abluft, oder im Bereich des Anodenabgases den Anodenraum der Brennstoffzelle selbst, in welchen das Abgas typischerweise zurückgeführt wird.
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Beispielhaft soll auf eine Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Gasstrom in einem Brennstoffzellensystem verwiesen werden, welche in der
DE 101 29 098 A1 beschrieben ist. Der dort beschriebene Aufbau zeigt ein Gestrick, welches als Tröpfchenabscheider ausgebildet ist, und durch welches der Gasstrom hindurchgeführt wird. Größe und Länge des Gestricks hängen dabei sowohl von der erwarteten Menge an Tröpfchen als auch von der Strömungsgeschwindigkeit des Zweiphasengemischs beim Anströmen des Tröpfchenabscheiders ab. Da die Anströmung sowohl über den Leitungsquerschnitt hinweg als auch in bestimmten Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems sehr unterschiedlich sein kann, wird typischerweise ein Flüssigkeitsabscheider eingesetzt, bei welchem der Tröpfchenabscheider typischerweise vergleichsweise groß ausgebildet ist. Damit lassen sich auch in Extremsituationen Tröpfchen zuverlässig abscheiden. Dies stellt jedoch sowohl hinsichtlich der Kosten als auch hinsichtlich des Gewichts und vor allem hinsichtlich des Bauvolumens einen gravierenden Nachteil dar.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Flüssigkeitsabscheider anzugeben, welcher die genannten Nachteile vermeidet, welcher einen sehr kompakten Aufbau ermöglicht, und welcher bei minimalem Bauvolumen des Tröpfchenabscheiders eine sehr gute Abscheidung von Tröpfchen über annähernd alle Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems hinweg gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Flüssigkeitsabscheider mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Flüssigkeitsabscheiders ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 9 mit einem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheider die Aufgabe, wobei sich auch hier eine vorteilhafte Weiterbildung aus dem abhängigen Unteranspruch ergibt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheider ist es vorgesehen, dass dieser in einem in Strömungsrichtung vor dem Tröpfchenabscheider angeordneten Einströmbereich wenigstens ein Strömungsleitelement zum gleichmäßigen Verteilen der Zweiphasenströmung auf die Querschnittsfläche des Tröpfchenabscheiders aufweist. Über ein solches Strömungsleitelement – oder gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders auch wenigstens zwei Strömungsleitelemente – wird eine Aufteilung der Zweiphasenströmung auf den gesamten anströmbaren Querschnitt des Tröpfchenabscheiders erreicht. Die Aufteilung kann dabei so erfolgen, dass in annähernd allen Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems das Zweiphasengemisch auf die Oberfläche des Tröpfchenabscheiders mit einer über die gesamte Oberfläche gesehen sehr gleichmäßigen verteilten Strömungsgeschwindigkeit auftrifft, sodass die Tröpfchen ideal abgeschieden und nicht durch das Material des Tröpfchenabscheiders hindurch mitgerissen werden können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders ist es ferner vorgesehen, dass zwischen dem Einströmbereich und dem Sammelbereich ein Trennelement mit Öffnungen, insbesondere mit senkrecht zur Strömung des Zweiphasengemischs angeordneten Öffnungen, angeordnet ist. Der Sammelbereich ist also von dem Einströmbereich über ein Trennelement, beispielsweise die Außenwandung eines Leitungselements des Einströmbereichs, getrennt. Dieses Leitungselement bzw. die Wandung weist dabei einzelne Öffnungen auf, welche bevorzugt senkrecht zur Strömungsrichtung des Zweiphasengemischs stehen. Eventuell ausgeschiedene Tröpfchen können durch die Öffnung in den Sammelbereich ablaufen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann dabei im bestimmungsgemäßen Einsatz der Sammelbereich in Richtung der Schwerkraft unten angeordnet sein, wobei das Zweiphasengemisch senkrecht zur Schwerkraft in den Einströmbereich einströmt. Eine solche Anordnung mit einer waagrecht einströmenden Strömung, welche den Einströmbereich überstreicht, sodass eventuelles Wasser durch die Schwerkraft abläuft, insbesondere wenn in einer Trennwand zwischen dem Einströmbereich und dem Sammelbereich die Löcher angeordnet sind, ist besonders einfach und effizient in ihrem Aufbau, da beispielsweise die aus einer Brennstoffzelle austretenden Abgasleitungen typischerweise waagrecht oder annähernd waagrecht verlaufen, sodass keine zusätzlichen Elemente zur Umkehr der Strömungsrichtung notwendig sind.
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In einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass im bestimmungsgemäßen Einsatz der Tröpfchenabscheider entgegen der Richtung der Schwerkraft durchströmt wird. Eine solche Durchströmung des Tröpfchenabscheiders entgegen der Richtung der Schwerkraft trägt dazu bei, dass die Tröpfchen aufgrund der Schwerkraft gegen die Strömungsrichtung zurücklaufen und so nur sehr schwer von der Gasströmung bzw. der Zweiphasenströmung mitgerissen werden können. Die Abscheidewirkung lässt sich damit erhöhen.
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Dies gilt insbesondere in Kombination mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform, bei welcher das Zweiphasengemisch waagrecht einströmt und dann bei dieser vorteilhaften Weiterbildung in die Richtung entgegen der Schwerkraft umgelenkt werden muss, bevor es den Tröpfchenabscheider durchströmt. Insbesondere in diesem Umlenkbereich können dann die erfindungsgemäßen Leitelemente angeordnet sein und so für eine gleichmäßige Verteilung der gesamten Zweiphasenströmung auf die Querschnittsfläche des Tröpfchenabscheiders sorgen.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Tröpfchenabscheiders kann es ferner vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Strömungsleitelement Öffnungen, insbesondere im bestimmungsgemäßen Gebrauch senkrecht zur Schwerkraft angeordnete Öffnungen, aufweist. Über solche Öffnungen in dem oder den Strömungsleitelementen kann ebenfalls das Abfließen von Tröpfchen in Richtung der Schwerkraft nach unten begünstigt werden. Dies gilt insbesondere wenn zusätzlich in einem Trennelement zwischen dem Sammelbereich und dem Einströmbereich Öffnungen angeordnet sind, da dann in allen in Strömungsrichtung vor dem Tröpfchenabscheider liegenden Bereichen das Abfließen von Tröpfchen in den Sammelbereich durch die Öffnungen einfach und effizient möglich wird.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders kann es ferner vorgesehen sein, dass die Richtung der Strömung des Zweiphasengemischs, wenn dieses in den Einströmbereich einströmt, senkrecht auf der Richtung der Strömung des Gases nach dem Tröpfchenabscheider steht. Dieser besonders effiziente Aufbau integriert eine Richtungsumkehr des Gases in den Flüssigkeitsabscheider, sodass dieser einerseits mit sehr wenig Bauraum auskommt und andererseits durch die Kombination aus Richtungsumkehr und Tröpfchenabscheider seine Abscheidewirkung nochmals verbessert.
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Der Tröpfchenabscheider selbst kann dabei beispielsweise über ein Gestrick, mit Lamellen oder einer Schüttung oder auch einer Kombination dieser Bauformen ausgebildet sein, sodass in seinem Bereich flüssige Tröpfchen aus dem Zweiphasengemisch sicher und zuverlässig auf einer vergleichsweise kurzen durchströmten Länge abgeschieden werden, und insbesondere mit Hilfe der Schwerkraft abgeleitet werden können.
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Die eingangs genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird außerdem durch ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle und wenigstens einem Flüssigkeitsabscheider in einer der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen gelöst. In einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Brennstoffzellensystems kann es dabei vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Flüssigkeitsabscheider in einer Anodenabgasleitung und/oder bevorzugt in einer Kathodenabgasleitung von der Brennstoffzelle angeordnet ist. Insbesondere Abgase von der Brennstoffzelle enthalten vergleichsweise viel Wasser in Bezug auf ihren Volumenstrom, da insbesondere im Kathodenbereich der Brennstoffzelle sehr viel Produktwasser entsteht, welches über den Abluftstrom mit abtransportiert werden muss. Im Verhältnis dazu entsteht im Anodenbereich deutlich weniger Produktwasser, da der Brennstoffstrom, typischerweise ein Wasserstoffstrom, jedoch im Bereich der Brennstoffzelle weitgehend aufgebraucht wird, liegt hier im Verhältnis zum Kathodenbereich ein deutlich kleinerer Volumenstrom vor, sodass das Abgas zusammen mit der deutlich kleineren Menge an Produktwasser immer noch ein vergleichsweise nasses Zweiphasengemisch ist.
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Auf der Anodenseite gilt es, insbesondere wenn eine sogenannte Anodenrezirkulation vorhanden ist, den Eintrag von Produktwasser in den Anodenraum beim Rezirkulieren des Abgases zu verhindern, da das Wasser dort Gasführungskanäle und dergleichen verstopfen könnte, was die Versorgung der Brennstoffzelle bzw. der aktiven Fläche der Brennstoffzelle mit Wasserstoff sehr nachteilig beeinflusst. Auf der Kathodenseite ist der Wasserabscheider insbesondere dafür vorgesehen, nachfolgende Komponenten vor flüssigen Tröpfchen zu schützen. Dies gilt insbesondere für Turbinen, welche typischerweise sehr schnell laufen und durch Tröpfchen sehr leicht beschädigt werden könnten. Wird nun aus der feuchten Abluft des Brennstoffzellensystems über eine Turbine Druckenergie und thermische Energie zurückgewonnen, dann muss ein zuverlässig arbeitender Flüssigkeitsabscheider in Strömungsrichtung vor der Turbine angeordnet werden, um die Turbine vor diesen flüssigen Tröpfchen zu schützen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders sowie eines Brennstoffzellensystems mit einem derartigen Flüssigkeitsabscheider ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem; und
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2 eine mögliche Ausführungsform des Flüssigkeitsabscheiders gemäß der Erfindung in einem prinzipmäßigen Querschnitt.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einer schematischen Darstellung in einem zur Erläuterung der Erfindung relevanten Ausschnitt dargestellt. Es soll innerhalb eines angedeuteten Fahrzeugs 2 angeordnet sein und dient in dem Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, welche einen Kathodenraum 4 und einen Anodenraum 5 aufweist. Diese sind durch eine angedeutete protonenleitende Membran 6 voneinander getrennt. Die Darstellung der Brennstoffzelle 3 ist dabei rein prinzipmäßig zu verstehen, da die Brennstoffzelle 3 typischerweise als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, aufgebaut sein wird, welcher in jeder der Einzelzellen sowohl einen Kathodenraum 4 als auch einen Anodenraum 5 sowie eine protonenleitende Membran 6, welche Teil einer sogenannten Membranelektrodenanordnung ist, aufweist.
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Aus einem Druckgasspeicher 7 wird der Brennstoffzelle 3 bzw. ihrem Anodenraum 5 Wasserstoff als Brennstoff über ein Druckregel- und Dosierventil 8 zugeführt. Abgas aus dem Anodenraum 5, welches typischerweise Restwasserstoff, Inertgase, welche durch die Membranen 6 vom Kathodenraum 4 in den Anodenraum 5 diffundieren, sowie einen Teil des in der Brennstoffzelle 3 entstehenden Produktwassers aufweist, gelangt über eine sogenannte Rezirkulationsleitung 9 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 10 zurück, und wird zusammen mit frischem Wasserstoff dem Anodenraum 5 erneut zugeführt. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 10 ist dabei rein beispielhaft als Gebläse dargestellt. Sie könnte genauso gut als Gasstrahlpumpe oder Kombination einer Gasstrahlpumpe und eines Gebläses ausgebildet sein.
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In der Rezirkulationsleitung 9 ist außerdem ein Flüssigkeitsabscheider 11 zum Abscheiden des in dem Abgas des Anodenraums 5 enthaltenen Produktwasser angeordnet, welcher über eine Ventileinrichtung 12 mit einer Ablassleitung verbunden ist. Von Zeit zu Zeit, beispielsweise in Abhängigkeit des Füllstands, kann dann Wasser abgelassen werden, entweder so, dass Gase ebenfalls mit abgelassen werden, um die Konzentration an Inertgasen in dem Anodenkreislauf zu reduzieren, oder so, dass lediglich Wasser abgelassen wird. Da das Ablassen von Inertgasen aus dem Anodenkreislauf parallel dazu trotzdem notwendig ist, könnte hierzu eine nicht dargestellte Leitung mit einer Ventileinrichtung zum Abblasen von Gas vorgesehen werden.
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Über eine Luftfördereinrichtung 13 wird dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 Luft über einen Befeuchter 14 zugeführt. Die Luft für den Befeuchter 14 wird von der feuchten Abluft, welche aus dem Kathodenraum 4 austritt, befeuchtet, bevor diese über einen Flüssigkeitsabscheider 15 in eine Turbine 16 strömt, sodass Restenergie in Form von Druck und Wärme aus der Abluft zurückgewonnen werden können. Die Turbine 16 bildet dabei zusammen mit der Luftfördereinrichtung 13 einen sogenannten elektrischen Turbolader bzw. ETC (Electric Turbo Charger), welcher neben der Turbine 16 und der Luftfördereinrichtung 13 außerdem eine elektrische Maschine 18 umfasst, welche je nach Leistungsangebot an der Turbine 16 und Leistungsbedarf der Luftfördereinrichtung 13 entweder elektromotorisch betrieben wird oder auch generatorisch betrieben werden kann.
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Weitere Komponenten innerhalb des Brennstoffzellensystems 1 wären an sich denkbar und sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, beispielsweise Filtereinrichtungen, ein Ladeluftkühler oder dergleichen. All dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung, sodass dies nicht dargestellt ist. Die beiden Flüssigkeitsabscheider 11, 15 haben dabei, trotz ihrer unterschiedlichen Anordnung einmal auf der Kathodenseite und einmal auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1, annähernd dieselbe Aufgabe. Sie dienen dazu, die nachfolgenden Komponenten, auf der Kathodenseite insbesondere die Turbine 16 und auf der Anodenseite insbesondere den Anodenraum 5 selbst, von Wasser freizuhalten, welches dort für Fehlfunktionen sorgen könnte. Im Bereich der sehr schnelllaufenden Turbine 16 könnten Wassertröpfchen die Turbine 16 beschädigen, im Bereich des Anodenraums 5 könnte Wasser Gasführungskanäle innerhalb des Anodenraums 5 blockieren und so die Ausnutzung der aktiven Fläche der Brennstoffzelle 3 einschränken.
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Da in einem Fahrzeug 2 immer Gewicht und Bauraum von Komponenten minimiert werden sollten, ist es eine grundlegende Aufgabe an die beiden Flüssigkeitsabscheider 11, 15, diesen Anforderungen zu genügen und bei minimalem Bauvolumen die sichere und zuverlässige Abscheidung von flüssigen Tröpfchen aus dem Zweiphasengemisch, welches diesem entweder aus dem Kathodenraum 4 oder aus dem Anodenraum 5 zuströmt, zu gewährleisten. Ein Aufbau eines derartigen Flüssigkeitsabscheiders 11, 15, welcher hierzu in der Lage ist, ist in der Darstellung der 2 in einem sehr stark schematisierten prinzipmäßigen Schnitt zu erkennen. Der Flüssigkeitsabscheider 11, 15 umfasst einen Einströmbereich 19, einen Sammelbereich 20 für die abgeschiedene Flüssigkeit, einen Tröpfchenabscheider 21 sowie einen Gasauslass 22. Die in der Darstellung der 1 gewählte Ausrichtung des Flüssigkeitsabscheiders 11, 15 gegenüber der Schwerkraft g entspricht dabei der bevorzugten Ausrichtung des Flüssigkeitsabscheiders 11, 15 im bestimmungsgemäßen Einsatz. Ein Zweiphasengemisch aus Gas und Tröpfchen strömt vorzugsweise waagerecht in den Einströmbereich 19 ein. Tröpfchen, die in diesem Bereich bereits abgeschieden werden können, gelangen durch Öffnungen 23 in einer Trennwand 24 zwischen dem Einströmbereich 19 und dem Sammelbereich 20 für die abgeschiedene Flüssigkeit in den Sammelbereich 20 und können beispielsweise über einen Abfluss 25 direkt ablaufen, was bevorzugt auf der Kathodenseite der Fall sein wird, oder gelangen in den Bereich der Ventileinrichtung 12, welche den Ablauf 25 so lange verschließt, bis eine entsprechende Menge an abgeschiedener Flüssigkeit in dem Sammelbereich 20 angefallen ist.
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Der Tröpfchenabscheider 21 kann vorzugsweise mit einem Gestrick, jedoch auch mit einer Schüttung oder geeigneten Lamellen, zum Abscheiden von Tröpfchen ausgebildet sein. Er wird im Wesentlichen in einer Richtung entgegen der Schwerkraft g durchströmt. An dem in Strömungsrichtung dem Tröpfchenabscheider 21 zugewandten Ende des Einströmbereichs 19 sind dabei zwei Strömungsleitelemente 26 angeordnet, welche für eine strömungsoptimierte Zuführung des Zweiphasengemischs zu dem Tröpfchenabscheider 21 sorgen. Sie sind insbesondere so ausgelegt, dass eine möglichst konstante Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit über die gesamte Querschnittsfläche des Tröpfchenabscheiders 21 im annähernd gesamten Lastbereich des Tröpfchenabscheiders 21 erzielt werden kann. Hierdurch wird die gesamte zur Verfügung stehende Fläche des Tröpfchenabscheiders 21 ausgenutzt und unter idealen Bedingungen angeströmt. Mit entsprechend niedrigem Druckverlust und hohem Abscheiderwirkungsgrad lässt sich so bei sehr kleiner Baugröße des Flüssigkeitsabscheiders 11, 15 eine sehr gute Abscheidewirkung erzielen.
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Die Strömungsleitelemente 26 haben dabei ebenfalls Öffnungen 27, sodass typischerweise in Richtung der Schwerkraft g nach unten ablaufende bzw. abfallende Tröpfchen durch die Öffnungen 27 und die Öffnungen 23 in der Trennwand 24 in den Sammelbereich 20 gelangen und über den Auslass 25 ablaufen können. Über den Flüssigkeitsabscheider 11, 15 wird so bei minimalem Bauvolumen und minimalem Gewicht eine sehr hohe Abscheidewirkung erzielt und gleichzeitig eine Umlenkung der Strömung zwischen dem Bereich, in dem das Zweiphasengemisch in den Einströmbereich 19 einströmt und dem Gasauslass 22 erzielt, sodass der Flüssigkeitsabscheider 11, 15 beispielsweise anstelle eines ohnehin benötigten Bogenelements zum Umlenken der Strömung sehr platzoptimiert in dem Brennstoffzellensystems 1 eingesetzt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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