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Die Erfindung betrifft ein Absperrventil nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, in welchem wenigstens ein derartiges Absperrventil eingesetzt wird.
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Absperrventile zum Absperren von Gasleitungen mit einem Ventilsitz und einem Ventilkörper sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt.
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Insbesondere in Brennstoffzellensystemen ist es nun so, dass bestimmte Bereiche des Brennstoffzellensystems während des Stillstands gegenüber der Umgebung abgesperrt werden sollten. Dies gilt insbesondere für den sogenannten Kathodenraum der Brennstoffzelle, welcher im regulären Betrieb mit Luft versorgt wird. Beim Abstellen eines Brennstoffzellensystems wird idealerweise die Luft in dem Kathodenraum vollständig aufgebraucht, da beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems die Anwesenheit von Sauerstoff in der Brennstoffzelle, und zwar insbesondere im Anodenraum, schädlich ist. Da in längeren Stillstandsphasen Luft bzw. der in der Luft enthaltene Sauerstoff jedoch durch die Membranen der Brennstoffzelle vom Kathodenraum in den Anodenraum diffundieren kann, kann eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer der Brennstoffzelle dadurch erreicht werden, dass im Stillstand der Kathodenraum der Brennstoffzelle zuverlässig gegenüber der Umgebung abgedichtet wird, um so das Nachströmen von Luft beispielsweise durch Windeffekte und Konvektion zu verhindern. Hierdurch kann dann auch kein Sauerstoff in den Anoderaum diffundieren und der schädliche Mechanismus beim Wiederstart wird unterbunden.
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Problematisch ist dies nun insbesondere dadurch, dass in Gasleitungen, und dies gilt insbesondere für die Zuluftleitungen und Abluftleitungen zu einem Kathodenraum einer Brennstoffzelle neben den Gasen auch andere Bestandteile, insbesondere Wasserdampf und gegebenenfalls in flüssiger Form vorliegendes Wasser, strömen können. Kommt es nun zu Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts beim abgestellten Brennstoffzellensystem, dann kann hierdurch das Wasser einfrieren bzw. Feuchtigkeit auskondensieren und dann ebenfalls einfrieren. Besonders kritisch ist dies, wenn es im Bereich des Absperrventils, insbesondere zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilkörper, auftritt. In diesem Fall kann durch die Eisbildung das Ventil blockiert sein, sodass dieses sich beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems nicht öffnen lässt, was zu erheblichen Problemen führen kann.
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Aus dem Stand der Technik sind daher elektrische Ventilheizungen bekannt. Diese sind jedoch sehr energieintensiv und verzögern insbesondere die Zeit bis zu einem erfolgreichen Wiederstart des Brennstoffzellensystems, was, insbesondere beim Einsatz von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen, einen erheblichen Nachteil darstellt, da das Fahrzeug dann erst nach einer gewissen Wartedauer überhaupt erst gestartet werden kann.
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In diesem Zusammenhang ist aus der japanischen
JP 2008-041622 A ein Brennstoffzellensystem bekannt, welches Absperrventile insbesondere in den Zuluftleitungen und Abluftleitungen des Kathodenraums aufweist, die in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur aktiv angesteuert werden können. Sie werden im Betrieb des Brennstoffzellensystems durch eine Steuerung aktiv geöffnet und im Stillstand des Brennstoffzellensystems geschlossen. Nun ist es so, dass zusätzlich die Temperatur überwacht wird, sodass ein Öffnen der Ventileinrichtungen bei einem Abfall der Temperaturen in die Nähe des Gefrierpunkts oder unterhalb des Gefrierpunkts möglich ist. Hierdurch wird zwar wiederum Luft in den Kathodenraum gelangen, die Gefahr eines Einfrierens in der geschlossenen Stellung kann jedoch sicher und zuverlässig verhindert werden. Alternativ zu der beschriebenen aktiven Ansteuerung ist in der Schrift auch erwähnt, dass eine passive Ansteuerung im Falle des Abfallens der Temperaturen beispielsweise durch ein Bimetall oder eine Formgedächtnislegierung erfolgen könnte. Problematisch ist dabei immer, dass das Absperrventil ganz geöffnet wird, sodass ein vergleichsweise großer Querschnitt für das Nachströmen von Luft freigegeben wird.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Absperrventil für eine Gasleitung von und/oder zu einer Brennstoffzelle anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Absperrventil mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Ferner löst ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Absperrventil die Aufgabe. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Weiterbildung aus einem abhängigen Unteranspruch.
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Das erfindungsgemäße Absperrventil ist so aufgebaut, dass der Ventilkörper von einer Gasströmung in der Gasleitung gegen die Kraft eines Federelements abhebbar ist. Zusätzlich ist es so, dass ein passives thermisch aktivierbares Element vorgesehen ist, welches unterhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur seine Form ändert und damit den Ventilkörper gegen die Kraft des Federelements von dem Ventilsitz abhebt. Das Absperrventil gemäß der Erfindung ist also vollständig passiv ausgebildet. Sobald eine Gasströmung auftritt, öffnet sich der Ventilkörper durch den Staudruck gegen die Kraft eines Federelements. Wird die Gasströmung abgestellt, dann führt dies dazu, dass das Federelement den Ventilkörper wieder gegen den Ventilsitz drückt und damit die Gasleitung absperrt. Kommt es nun zu kritischen Temperaturen, beispielsweise zu Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, wenn Wasserdampf oder Wasser in dem Gas in der Gasleitung enthalten sind, dann besteht potenziell die Gefahr, dass der Ventilkörper am Ventilsitz festfriert. Dies wird bei dem erfindungsgemäßen Absperrventil dadurch verhindert, dass ein passives thermisch aktivierbares Element vorgesehen ist, welches unterhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur, insbesondere also – in dem hier beschriebenen Beispiel – einer Temperatur in der Größenordung des Gefrierpunkts, von Wasser, seine Form ändert und damit den Ventilkörper vom Ventilsitz abhebt. Dabei reicht es durchaus aus, wenn dieser um ein kleines Wegstück abgehoben wird. Dies führt dazu, dass Ventilkörper und Ventilsitz nicht aneinander festfrieren können, sodass, für den Fall, das eine Gasströmung wieder eingeschaltet wird, der Ventilkörper vom Staudruck sehr leicht wieder vom Ventilsitz abgehoben werden kann. Der Aufbau ist vollkommen passiv und erfordert keinerlei Sensorik und Steuerung. Daher kann auf Mess- und Steuerleitungen verzichtet werden. Auch beim Ausfall von elektrischer Energie, oder wenn im abgestellten Zustand eines das Absperrventil aufweisenden Systems keine Energie zur Verfügung steht, spricht das Absperrventil sicher und zuverlässig an.
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Die Kraft des Federelements wird dabei idealerweise so gewählt, dass unerwünschte Strömungseffekte wie sie beispielsweise durch Konvektion oder Wind auftreten, keinen ausreichend hohen Staudruck erzeugen, um den Ventilkörper vom Ventilsitz abzuheben. Außerdem ist es möglich, das Wegstück, um welchen der Ventilkörper vom Ventilsitz im Falle des Ansprechens des passiven thermisch aktivierbaren Elements abgehoben wird, sehr klein zu gestalten. Dies reicht typischerweise aus, um einen eventuellen Wasserfilm zwischen den beiden beteiligten Partnern so von den jeweiligen Partnern zu trennen, dass im Falle eines Einfrierens die Bewegung nicht blockiert wird. Andererseits kann durch das nur sehr kleine Wegstück, um welches der Ventilkörper unterhalb der Grenztemperatur vom Ventilsitz abgehoben ist, die Durchströmung der Gasleitung in dieser Situation auf ein Minimum reduziert werden, sodass einerseits ein Einfrieren verhindert wird, und andererseits die bei der potenziellen Durchströmung entstehenden Nachteile durch eine Minimierung des Volumenstroms begrenzt werden können.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Absperrventils ist es dabei vorgesehen, dass das thermisch aktivierbare Element als Schnappelement ausgebildet ist. Ein solches Schnappelement zeichnet sich dadurch aus, dass es in seiner ersten Position verharrt und erst unterhalb der Grenztemperatur schlagartig in seine andere Position springt. Dies führt zu einer vergleichsweise großen Kraft des Schnappelements. Hierdurch ist es möglich, die vorgegebene Temperatur sehr dicht am Gefrierpunkt des Wassers, wenn das Absperrventil beispielsweise gegen ein Einfrieren im Falle von vorliegendem Wasser geschützt werden soll, gewählt werden kann. Durch die vergleichsweise große Kraft des Schnappelements kann auch bei beginnendem Festfrieren der Ventilsitz noch von dem Ventilkörper abgehoben werden. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass der Ventilkörper erst so spät wie möglich von dem Ventilsitz abgehoben werden muss. Hierdurch können Situationen, in denen das Absperrventil nicht geschlossen ist, zeitlich über den Gesamtbetrieb betrachtet, minimiert werden, wodurch nachteilige Effekte, die mit einer Durchströmung des Absperrventils einhergehen, ebenfalls minimiert werden.
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Das thermisch aktivierbare Element kann dabei insbesondere als Thermobimetall ausgebildet sein, beispielsweise als Thermobimetall-Schnappscheibe, welche um eine zentrale Achse der Ventileinrichtung angeordnet wird, gegenüber welcher der Ventilkörper in axialer Richtung verschiebbar ist. Alternativen zu einem solchen Thermobimetall können jedoch auch Dehnstoffelemente oder insbesondere bidirektionale Formgedächtnislegierungen bilden, welche ebenfalls für das erfindungsgemäße Absperrventil geeignet sind.
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Im Anspruch 9 ist ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle angegeben, welches eines oder mehrere der erfindungsgemäßen Absperrventile nutzt. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass wenigstens ein derartiges Absperrventil in der Zuluftleitung und/oder der Abluftleitung zu einem Kathodenraum der Brennstoffzelle angeordnet ist. Typischerweise reicht es aus, wenn ein einziges Ventil beispielsweise in der Zuleitung oder der Ableitung zu dem Kathodenraum angeordnet wird. Hierdurch wird eine Durchströmung verhindert. Die im Kathodenraum befindlichen Gase, beispielsweise die an Sauerstoff vollständig abgereicherte Luft, im Wesentlichen also Stickstoff, sorgen dann für ein entsprechendes Gaspolster, welches auch bei Wind oder Konvektionseffekten nicht oder nicht nennenswert bewegt werden kann. Hierdurch wird das Nachströmen von Sauerstoff in den Kathodenraum verhindert, was bei einer Brennstoffzelle beim Wiederstart zu erheblichen Vorteilen hinsichtlich der mit der Brennstoffzelle zu erzielenden Lebensdauer führt.
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Da in Brennstoffzellensystemen als Feuchtigkeit bzw. Flüssigkeit in den Strömen typischerweise bei elektrochemischen Prozessen der Brennstoffzelle entstehendes hochreines Wasser auftritt, soll gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Brennstoffzellensystems die vorgegebene Grenztemperatur bei dem oder knapp oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser liegen. Hierdurch wird ein Einfrieren des Absperrventils sicher und zuverlässig verhindert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Absperrventils sowie eines Brennstoffzellensystems mit einem derartigen Absperrventil 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 Brennstoffzellensystem in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
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2 ein Absperrventil in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung in einem geschlossenen Zustand bei Temperaturen oberhalb der Grenztemperatur; und
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3 ein Absperrventil in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung in einem geschlossenen Zustand bei Temperaturen unterhalb der Grenztemperatur.
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches in einem Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung dienen soll. Das Brennstoffzellensystem in der 1 ist sehr stark vereinfacht dargestellt, da es nur zur Erläuterung der Absperrventile dienen soll. Dem Fachmann ist selbstverständlich klar, dass es alternative Ausführungsvarianten eines Brennstoffzellensystems gibt, für welche das Gesagte ebenso relevant ist.
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Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche typischerweise als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, beispielsweise in PEM-Technologie aufgebaut ist. Dieser Brennstoffzellenstapel 3 weist einen Kathodenraum 4 und einen Anodenraum 5 auf. In dem hier dargestellten stark vereinfachten Ausführungsbeispiel wird der Anodenraum 5 mit Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 7 versorgt. Über eine Abgasleitung 8 gelangt nicht verbrauchter Wasserstoff aus dem System. Genauso gut wäre hier ein Anodenkreislauf oder ähnliches denkbar. Dies ist für die vorliegende Erfindung jedoch von untergeordneter Bedeutung, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird. Diese Ausführungsformen sind dem Fachmann jedoch geläufig.
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Über eine Luftfördereinrichtung 9 wird dem Kathodenraum 4 Luft über eine Zuluftleitung 10 zugeführt. An Sauerstoff abgereicherte Abluft gelangt über eine Abluftleitung 11 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in die Umgebung. Auch hier ist es dem Fachmann klar, dass weitere Komponenten wie beispielsweise Befeuchter, eine Abluftturbine, Wasserabscheider oder dergleichen in dem System vorgesehen sein können.
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Um nun insbesondere im Stillstand des Brennstoffzellensystems zu verhindern, dass Sauerstoff in den Kathodenraum 4 nachströmt, weist das hier dargestellte Brennstoffzellensystem 1 wenigstens eines von zwei in der Darstellung der 1 angedeuteten Absperrventilen 12 auf. Diese Absperrventile 12 in der Zuluftleitung 10 und/oder der Abluftleitung 11 sind so ausgebildet, dass diese sich schließen, wenn durch die Luftfördereinrichtung 9 keine Luft gefördert wird, das Brennstoffzellensystem 1 also nicht betrieben wird.
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Der Aufbau des oder der Absperrventile 12 kann dabei insbesondere so sein, wie es in 2 in einer Schnittdarstellung der oberen Hälfte des Absperrventils 12 prinzipmäßig angedeutet ist. Das Absperrventil 12 ist in der Darstellung der 2 in seinem geschlossenen Zustand gezeigt. Ein Ventilkörper 13 liegt über ein Ventildichtelement 14 dichtend an einem Ventilsitz 15 an, welcher Teil eines in seiner Gesamtheit mit 16 bezeichneten Ventilgehäuses ist. In anderen Ebenen als der hier dargestellten Schnittebene hat das Ventilgehäuse 16 dabei eine oder mehrere mit 17 bezeichnete und gestrichelt angedeutete Durchgangsöffnungen, sodass die in der Strömungsrichtung S anströmende Luft durch das Ventilgehäuse 16 bzw. die Durchgangsöffnungen 17 hindurch in den Bereich des Ventilkörpers 13 gelangen kann. Das Absperrventil 12 weist außerdem eine zentrale Bohrung 18 in dem Ventilkörper 16 auf. Im Inneren der Bohrung 18 verläuft eine axial bewegliche Welle bzw. Achse 19, welche wiederum fest mit dem Ventilkörper 13 verbunden ist. An dem dem Ventilkörper 13 gegenüberliegenden Ende der Achse 19 befindet sich ein Anschlagelement 20, welches in dem geöffneten Zustand des Absperrventils 19 zum Anschlag an ein Gegenelement 21 des Ventilgehäuses 16 ausgebildet ist. Zwischen dem Ventilgehäuse 16 und dem Anschlagelement 20, welches mit der Achse 19 verbunden ist, befindet sich außerdem ein Federelement 22, beispielsweise eine Druckfeder. Die Achse 19 und damit auch der Ventilkörper 13 können sich nun gegen die Kraft dieser Druckfeder 22 so weit bewegen, bis das Anschlagelement 20 am Gegenelement 21 anschlägt. In diesem Zustand ist zwischen dem Ventilsitz 15 und dem Ventilkörper 13 bzw. seinem Ventildichtelement 14 ein vergleichsweise großer Querschnitt freigegeben, sodass die Luft beispielsweise zu dem Kathodenraum 4 hin- oder von dem Kathodenraum 4 wegströmen kann. Sobald sich eine entsprechende Strömung in Strömungsrichtung S aufbaut, drückt also der am Ventilkörper 13 entstehende Staudruck den Ventilkörper 13 zusammen mit der Achse 19 entgegen der Kraft der Druckfeder 22 auf. Wird die Strömung abgestellt oder liegt eine sehr geringe Strömung vor, beispielsweise lediglich durch Konvektion oder Windeffekte, dann reicht der Staudruck typischerweise nicht aus, um den Ventilkörper 13 gegen die Kraft der Feder 22 vom Ventilsitz 15 abzuheben. Dieser Zustand ist in der Darstellung der 2 gezeigt.
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Da sowohl in der Zuluftleitung 10, als insbesondere in der Abluftleitung 11 des Brennstoffzellensystems 1 Feuchtigkeit vorliegen kann, welche hier auskondensiert oder in flüssiger Form in der Brennstoffzelle 3 entstanden ist, besteht, sofern die Temperaturen sich unterhalb des Gefrierpunkts befinden, immer die Gefahr, dass der Ventilkörper 13 im Bereich des Ventilsitzes 15 festfriert. Dann wäre auch bei entsprechend großer Strömung in Strömungsrichtung S kein Öffnen des Absperrventils 12 mehr möglich.
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Um dieser Problematik entgegenzuwirken befindet sich in der Darstellung der 2 zwischen dem Ventilgehäuse 16 und dem Ventilkörper 13 eine um die Achse 19 herum angeordnete Schnappscheibe 23, von welcher zur Verdeutlichung der Funktion die untere Hälfte ebenfalls angedeutet ist. Diese Schnappscheibe 23 soll vorzugsweise als Thermobimetall-Schnappscheibe ausgebildet sein. Sie könnte auch beispielsweise als Formgedächtnislegierung mit bidirektionaler Funktionalität realisiert sein. Ab einer vorgegebenen Temperatur des Absperrventils 12, welche vorzugsweise so gewählt wird, dass sie in der Größenordnung des Gefrierpunkts von Wasser liegt, wird die Schnappscheibe 23 dann ihre geometrische Form schlagartig verändern, wodurch eine vergleichsweise große Kraft entsteht. Die Schnappscheibe 23 wird beispielsweise von der in 2 dargestellten Position bei einer Temperatur von ca. 0°C in die in 3 dargestellte Position springen. Deutlich ist zu erkennen, dass hierdurch ein größerer Bauraum von der Schnappscheibe 23 benötigt wird, was insbesondere durch die konstruktive Ausführung des Ventilgehäuses 16 und des Ventilkörpers 13 entsprechend unterstützt wird. In der Folge kommt es zu einem Abheben des Ventilkörpers 13 im Bereich des Ventildichtelements 14 von dem Ventilsitz 15, sodass ein kleiner Luftspalt zwischen dem Ventilsitz 15 und dem Ventildichtelement 14 entsteht. Hierdurch wird die Gefahr eines Einfrierens minimiert. Gleichzeitig ist der geöffnete Querschnitt als kleiner Spalt zwischen dem Ventildichtelement 14 und dem Ventilsitz 15 sehr klein, sodass durch diesen Spalt auch nur sehr wenig Luft in den Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 gelangen kann, sodass die durch den Sauerstoff im Kathodenraum 4 entstehende Problematik beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems 1, auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, minimiert bleibt.
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Durch den konstruktiven Aufbau insbesondere des Ventilkörpers 13 im Bereich der Schnappscheibe 23 ist zu erkennen, dass diese zumindest in der in 2 dargestellten geschlossenen Stellung des Absperrventils 12, und damit letztlich auch in einer durch den Druck der Gasströmung S geöffneten Stellung des Absperrventils 12 keiner permanenten Kraft ausgesetzt ist, sondern locker zwischen dem Ventilgehäuse 16 und dem entsprechend ausgeformten Ventilkörper 13 liegt. Hierdurch wird eine übermäßige Beanspruchung der Schnappscheibe 23 verhindert, sodass diese, wenn sie dann anspricht, auch eine entsprechende Kraft aufbringen kann und nicht bereits durch eine permanente Beaufschlagung mit Kräften ermüdet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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