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Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler für ein Brennstoffzellensystem, mit mindestens einer Kühlplatte, vorzugsweise aber mit einem Stapel aus Kühlplatten, wobei in zumindest einer der Kühlplatten mindestens ein Flüssigkeitskanal ausgebildet ist. Es können mehrere der Flüssigkeitskanäle vorhanden sein. Die Kühlplatte ist eingerichtet, von einem durch einen Verdichter erwärmten Frischgasstrom bestrichen zu werden. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Ladeluftkühler.
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Brennstoffzellen dienen dazu, durch eine elektrochemische Reaktion elektrische Energie bereitzustellen mit der Umsetzung der Edukte Wasserstoff und Sauerstoff zu dem Produkt Wasser. Das Leitungssystem mit den Strömungskanälen dient daher dazu, die Edukte als Reaktanten der Brennstoffzelle zuzuführen. Dies erfolgt, indem der Brennstoffzelle kathodenseitig, in der Regel durch den Verdichter komprimierte, Luft zugeführt wird und anodenseitig der Brennstoff. Bei der Komprimierung wird die Luft sehr warm, weshalb sie für eine effiziente Betriebsweise der Brennstoffzellen zunächst mit Hilfe eines Ladeluftkühlers heruntergekühlt, mithin vorkonditioniert wird. Die Effizienz der Brennstoffzellen hängt aber neben der vorherrschenden Temperatur auch vom Feuchtegehalt der protonenleitenden Membran der Brennstoffzellen ab, die die Anode von der Kathode trennt. Aus diesem Grunde ist dem Ladeluftkühler zur Feuchteregulierung zumeist ein Befeuchter nachgeschaltet, um den Frischgasstrom hinsichtlich seiner relativen Feuchte einzustellen, mithin also ebenfalls vorzukonditionieren. Um eine ausreichende Wasserübertragung durch die Befeuchtermembran von der trockenen auf die feuchte Seite des Befeuchters bereitzustellen, müssen derartige Befeuchter vergleichsweise groß ausgebildet sein und benötigen daher viel Bauraum. Aus diesem Grund weisen sie auch ein entsprechend hohes Gewicht auf. Außerdem muss genügend flüssiges Wasser für die Befeuchtung bereitgestellt werden, was bei einer Gewinnung der Feuchte nur aus dem Abgas nicht immer hinreichend gewährleistet ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ladeluftkühler und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, mit denen eine effektive Kühlung unter gleichzeitiger Integration einer Befeuchtungsfunktion einhergehend, und die dadurch den Entfall eines gesonderten Befeuchters oder eine Baugrö-ßenreduzierung eines vorhandenen Befeuchters begünstigen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Ladeluftkühler mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 und durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Ladeluftkühler zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der mindestens eine Flüssigkeitskanal in einen hygroskopisches Material umfassenden oder aus einem solchen gebildeten Materialkern der Kühlplatte eingearbeitet ist. Damit kann also die Flüssigkeit durch das hygroskopische Material aufgenommen werden, um damit den über die Kühlplatte streichenden vom Verdichter erwärmten Frischgasstrom herunter zu kühlen und vorzugsweise zu befeuchten. Der mindestens eine Flüssigkeitskanal oder die Vielzahl an Flüssigkeitskanälen sind dabei vorzugsweise membranfrei in der Kühlplatte ausgebildet. Eine diskontinuierlich in die Flüssigkeitskanäle eingeleitete Flüssigkeit wird dabei durch das hygroskopische Material aufgenommen und in Abhängigkeit der relativen Feuchte und der Temperatur des Frischgasstroms homogen in diesen abgegeben. Damit ist der Vorteil verbunden, dass die Ladeluft einerseits heruntergekühlt wird und andererseits auch befeuchtet werden kann, sodass ein nachfolgender Befeuchter entweder kleiner ausgelegt werden oder gänzlich entfallen kann.
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Es hat sich als sinnvoll erwiesen, wenn die Kühlplatte ein Flussfeld für den Frischgasstrom umfasst, welches aus Trennstegen und aus je zwischen zwei Trennstegen liegenden Kanälen gebildet ist. Vorzugsweise ist dabei der mindestens eine Flüssigkeitskanal in einem der Trennstege ausgebildet, sodass die Flüssigkeit zuerst im Trennsteg gespeichert und dann an den in den Kanälen strömenden Frischgasstrom homogen und gleichmäßig abgegeben wird. Geradlinige, d. h. keinen Umlenkungen unterliegende Kanäle beugen dabei einem zu großen Druckverlust vor.
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Das hydrophile, kapillaraktive und hygroskopische Material ist beispielsweise ein Silikat, insbesondere Calciumsilikat, oder ein Zeolith. Alternativ kann das hygroskopische Material zusätzlich kapillaraktiv sein. Dabei kann das hygroskopische Material alternativ oder zusätzlich auch durch einen größeren Metallschaum, ein gesintertes Metall oder durch einen Polymerschaum gebildet sein.
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Vorzugsweise ist der Materialkern von einem Plattenrahmen umgeben oder in einem solchen aufgenommen. Der Materialkern kann dabei in den Plattenrahmen eingepresst sein. Der Plattenrahmen oder eine Trägerplatte aus dem hydroproben, also nicht wasserleitenden Material, verhindert einen Wassertransport nach außen und dichtet somit den Ladeluftkühler gegenüber der Umgebung ab.
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Das hygroskopische Material kann aber auch aus einer Beschichtung gebildet sein, wobei dann der Materialkern einen Materialträger umfasst, auf welchen das hygroskopische Material aufgebracht ist. Eine solche Ausgestaltung kann die Fertigung der einzelnen Kühlplatten erleichtern. Außerdem lässt sich über die Schichtdicke für das hygroskopische Material auch dessen Speicherverhalten innerhalb des Ladeluftkühlers für Flüssigkeit einstellen.
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Aus diesem Grund hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn der Materialträger T-förmigen Querschnitts unter Ausbildung mindestens einer Lamelle gebildet ist. Mit dieser Konfiguration ist die Oberfläche, die mit dem hygroskopischen Material beschichtet ist, deutlich vergrößert und ein Frischgasstrom und/oder auch ein Abgasstrom gelangt mit dieser vergrößerten Oberfläche stärker in Kontakt, sodass durch den T-förmigen Querschnitt die Leistung das Ladeluftkühlers erhöht ist. Der T-förmige Querschnitt kann auch dazu geeignet sein, dass die Lamelle als Kühlfinne agiert um eine noch bessere Kühlung des Frischgasstroms hervorzurufen.
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Um die Leistungsfähigkeit des Ladeluftkühlers zusätzlich zu erhöhen, kann dieser auch ausgestaltet sein, dem Abgasstrom Feuchtigkeit zu entziehen, sodass neben der über die Flüssigkeitskanäle zugeführten Flüssigkeit auch die im Abgas vorhandene Flüssigkeit zur Befeuchtung und Kühlung des Frischgasstroms genutzt werden kann. In dieser Konfiguration sind dabei also neben den Anschlüssen für die Durchleitung des Frischgasstroms auch Anschlüsse für die Durchleitung eines von einer Brennstoffzelle bereitgestellten Abgasstroms vorhanden. Die Kühlplatte ist dabei eingerichtet, ebenfalls vom Abgasstrom bestrichen zu werden, wobei der Kühlplatte ein Trennelement zur Trennung des Frischgasstroms vom Abgasstrom zugeordnet ist. Durch dieses Trennelement wird also der trockene Gasstrom vom feuchten Gasstrom hinreichend getrennt, wobei dieser vorzugsweise zusätzlich flüssigkeitsdicht gestaltet ist. Aufgrund einer vorhandenen Kapillaraktivität bei den Kühlplatten kann dabei die Feuchtigkeit von der Kühlplatte durch das hygroskopische Material aufgenommen und auf die trockene Seite transportiert werden, ohne dass eine Membran im Trennelement vorliegen müsste.
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Eine alternative Gestaltung der Kühlplatte sieht vor, dass das Flussfeld aus mehreren Noppen gebildet ist, welche das hygroskopische Material zur zumindest zeitweisen Speicherung von Flüssigkeit umfassen, und welche mit Haltestegen zueinander ausgerichtet und/oder fixiert sind. Durch die Verwendung von Noppen entsteht ein sehr offenes Flussfeld, wobei die Noppen selbst als Abstandshalter zwischen einzelnen aufeinander gestapelten Kühlplatten nutzbar sind. Die Haltestege positionieren dabei die einzelnen Noppen zueinander.
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Alternativ oder ergänzend ist zumindest eine der Kühlplatten des Ladeluftkühlers mit einem Flussfeld aus mehreren Taschen gebildet, welche das hygroskopische Material zur zumindest zeitweisen Speicherung von Flüssigkeit umfassen, und welche mit Haltestegen zueinander ausgerichtet und/oder fixiert sind. Auch durch solche Taschen lässt sich die Flüssigkeit zuverlässig speichern, die entweder über die Flüssigkeitskanäle oder durch die Abgasströmung auf das Flussfeld gelangt.
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Die für den erfindungsgemäßen Ladeluftkühler beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, welches mit einem solchen ausgestattet ist.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst dabei mindestens eine Brennstoffzelle, der anodenseitig eine Brennstoffversorgung und kathodenseitige eine Kathodengasversorgung zugeordnet ist. In die Kathodengasversorgung ist stromab eines Verdichters ein Ladeluftkühler eingebunden, der vorzugsweise eine Mehrzahl von gestapelten Kühlplatten umfasst. Auch bei einem solchen Brennstoffzellensystem kann ein hinsichtlich seiner Baugröße verringerter Befeuchter kathodenseitig Einsatz finden oder sogar ganz entfallen. Die Komplexität des Brennstoffzellensystems ist dadurch drastisch reduziert.
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Durch die Produktion von Wasser und die Kondensation des Wasserdampfs am Austritt des Brennstoffzellenstapels fällt flüssiges Wasser an, das in einem Leitungssystem weggeführt und/oder in einem Wasserabscheider gesammelt werden kann. Aus diesem Grunde ist es sinnvoll, wenn das anodenseitig anfallende Wasser und/oder das kathodenseitig anfallende Produktwasser in die Flüssigkeitskanäle des Ladeluftkühlers geleitet ist, um dort zumindest zeitweise gespeichert und an den Frischgasstrom abgegeben zu werden.
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Bei der Abgabe der Flüssigkeit an den Frischgasstrom hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn der Materialkern der Kühlplatte ausgebildet ist, den Frischgasstrom mittels einer Verdampfungskühlung herunter zu kühlen. Somit wird also der Phasenübergang von der flüssigen in die gasförmige Phase genutzt, um den Frischgasstrom herunter zu kühlen. Zusätzlich liegt Wasserdampf vor, der dann zur Befeuchtung des Frischgasstromes genutzt wird, bevor dieser in der Brennstoffzelle bei der Brennstoffzellenreaktion Einsatz findet.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwend-bar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch sepa-rierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervor-gehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems, in dessen Kathodenversorgung unter Entfall eines Befeuchters ein Ladeluftkühler eingebunden ist,
- 2 eine schematische Draufsicht auf eine Kühlplatte eines ersten Ladeluftkühlers,
- 3 eine schematische Draufsicht auf eine Kühlplatte eines weiteren Ladeluftkühlers,
- 4 eine schematische Draufsicht auf eine Kühlplatte eines weiteren Ladeluftkühlers,
- 5 den Schnitt durch einen Trennsteg der Kühlplatte nach 4,
- 6 eine schematische Draufsicht auf eine Kühlplatte eines weiteren Ladeluftkühlers, und
- 7 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem weiteren Ladeluftkühler.
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In 1 ist von einem Brennstoffzellensystem 200 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei das Brennstoffzellensystem 200 einen Brennstoffzellenstapel 208 mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteter Brennstoffzellen umfasst. Dem Brennstoffzellenstapel 208 ist anodenseitig eine Brennstoffversorgung und kathodenseitig eine Kathodengasversorgung zugeordnet, wobei in die Kathodengasversorgung stromab eines Verdichters 202 ein Ladeluftkühler 100 mit einer Mehrzahl an zu einem Stapel zusammengefassten Kühlplatten 102 eingebunden ist.
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In 2 ist eine Draufsicht auf eine Kühlplatte 102 eines Ladeluftkühlers 100 gezeigt, wobei diese ein Flussfeld für den Frischgasstrom umfasst, das aus einer Mehrzahl an Trennstegen 108 und aus einer Mehrzahl von je zwischen zwei Trennstegen 108 liegenden Kanälen 110 gebildet ist. In einigen der Trennstege 108 sind Flüssigkeitskanäle 104 ausgebildet, die insbesondere membranfrei darin ausgebildet sind. Diese Kühlplatte 104 wird mit dem durch den Verdichter 202 erwärmten Frischgasstrom bestrichen, wobei der Frischgasstrom in den Kanälen 110 zwischen den Trennstegen 108 strömt. Das Flussfeld gibt dabei einen Materialkern 106 der Kühlplatte 102 vor, welches vorliegend aus einem hygroskopische Material 114, gebildet und insbesondere zusätzlich kapillaraktiv ist. Dieser Materialkern 106 und insbesondere die Trennstege 108 sind ausgebildet, über die Flüssigkeitskanäle 104 eingebrachte Flüssigkeit zeitweise zu speichern, d. h. aufzunehmen, und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben. Vorzugsweise ist das hygroskopische Material aus Calciumsilikat gebildet oder umfasst ein solches. Alternativ oder ergänzend kann das hygroskopische Material 114 auch ein poröser Metallschaum oder ein gesintertes Metall sein. Der Materialkern 106 ist dabei vorzugsweise einstückig, d. h. monolithisch geformt. Der Materialkern 106 ist vorliegend von einem Plattenrahmen 134 umgeben, der zusätzlich das Flussfeld begrenzt. Durch den hydrophoben Plattenrahmen 134 des Flussfelds wird ein unerwünschtes Austreten von flüssigem Wasser aus dem Ladeluftkühler 100 verhindert. Durch den Plattenrahmen 134 wird der Ladeluftkühler mit anderen Worten zusätzlich nach außen hin abgedichtet.
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Die sich geradlinig und parallel zueinander ausgebildete Erstreckung der einzelnen Kanäle 110 ermöglicht dabei eine Führung des darin strömenden Gases mit einem lediglich geringen Druckverlust.
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In 3 wird auf die Möglichkeit verwiesen, dass das hygroskopische Material 114 lediglich als eine Beschichtung vorliegt, wobei der Materialkern 106 dann einen Materialträger 112 umfasst, auf welchen das hygroskopische Material 114 aufgebracht ist. Auch hier sind in die Trennstege 108 die Flüssigkeitskanäle 104 eingebracht, durch die die Flüssigkeit strömt um in der Beschichtung des hygroskopischen Materials 114 aufgenommen zu werden. Das mit Flüssigkeit beladene Flussfeld weist dabei dann einen vorzugsweise geringeren Querschnitt der einzelnen Kanäle 110 auf, sodass die Veränderung des Querschnitts eine veränderte Strömungsgeschwindigkeit und damit ein verbessertes Befeuchtungs- oder Kühlverhalten vorliegt.
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In 4 ist eine weitere Gestaltung des Materialträgers 112 zu erkennen, wobei der Materialträger 112 T-förmigen Querschnitts unter Ausbildung einer Lamelle 116 gebildet ist. Somit ist also jeder Trennsteg 108 im Querschnitt T-förmig gestaltet, wie sich aus der Schnittansicht gemäß 5 ergibt. Durch die Ausbildung der Lamelle 116 vergrößert sich die Oberfläche, die vom Frischgasstrom, oder auch vom Abgasstrom, bestrichen wird. Die Lamelle 116 kann jedoch auch nach Art einer Kühlfinne ausgestaltet sein, um eine gesteigerte Kühlleistung des Ladeluftkühlers 100 bereitzustellen.
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In 6 ist eine weitere, alternative oder ergänzende Ausgestaltung des Flussfeldes einer Kühlplatte 102 zu erkennen, wobei hier bei den Trennstegen 108 entweder Noppen 128 oder Taschen 132 vorliegen, die mittels Haltestegen 130 zueinander ausgerichtet und fixiert sind. Durch solche Noppen oder auch durch die Taschen lässt sich zuverlässig Flüssigkeit speichern, die bei besonders trockenen Zuständen der Brennstoffzelle sehr homogen wieder an einen Frischgasstrom abgegeben werden kann. Zudem bietet diese Konfiguration den Vorteil eines sehr offenen Flussfelds, wobei sowohl die Noppen 128 als auch die Taschen 132 einerseits bzw. andererseits als Abstandshalter zu anderen Kühlplatten 102 genutzt werden können.
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Allen Ladeluftkühlervarianten ist gemein, dass deren Kühlplatten 102 das hygroskopische Material 114 umfassen, sodass vorzugsweise jeder ihrer Materialkerne 106 ausgebildet ist, den Frischgasstrom mittels einer Verdampfungskühlung herunter zu kühlen.
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Abschließend sei anhand der schematischen 7 noch die vorteilhafte Möglichkeit erörtert, dass auch der Abgasstrom zur Befeuchtung des Frischgases, vorzugsweise zusätzlich, genutzt werden kann. Der in 7 gezeigte Ladeluftkühler 100 weist neben den Anschlüssen 118, 120 für die Durchleitung des Frischgasstroms auch Anschlüsse 122, 124 für die Durchleitung eines von einer Brennstoffzelle bereitgestellten Abgasstroms auf, wobei die Kühlplatten 102 eingerichtet sind, ebenfalls vom Abgasstrom bestrichen zu werden, und wobei den Kühlplatten 102 ein Trennelement 126 zur Trennung des Frischgasstroms vom Abgasstrom zugeordnet ist. Das Trennelement 126 ist dabei beispielsweise eine Trennwand oder eine Trennplatte, die insbesondere gasdicht, aber auch flüssigkeitsdicht gestaltet sein kann. Aufgrund der Kapillaraktivität der Beschichtung oder des hygroskopischen Materials 114 kann die Flüssigkeit im Abgasstrom von der Kühlplatte 102 aufgenommen und auf die trockene Seite der Kühlplatte 102 transportiert werden, um dort den Frischgasstrom zu kühlen und ggfs. zu befeuchten.
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Durch den erfindungsgemäßen Ladeluftkühler 100 und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 200 liegt eine erhöhte Integration einzelner Bauteile vor, die den ohnehin nur sehr begrenzt vorhandenen Bauraum zuverlässig ausnutzen und/oder einsparen. Kathodenseitig kann dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler 100 optional ein weiterer Ladeluftkühler 100 vor- oder nachgeschaltet sein. Ebenso ist es möglich, einen stromab des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers 100 angeordneten, aber mit nur geringen Abmessungen gebildeten Befeuchter einzusetzen. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler 100 kann optional zusätzlich mit etwaigen Flüssigwasserabscheidern gebildet sein, um das hygroskopische Material 114 mit Feuchtigkeit zu beladen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Ladeluftkühler
- 102
- Kühlplatte
- 104
- Flüssigkeitskanal
- 106
- Materialkern
- 108
- Trennsteg
- 110
- Kanal
- 112
- Materialträger
- 114
- hygroskopisches Material
- 116
- Lamelle
- 118
- Anschluss (Frischgaszuleitung)
- 120
- Anschluss (Frischgasableitung)
- 122
- Anschluss (Abgaszuleitung)
- 124
- Anschluss (Abgasableitung)
- 126
- Trennelement
- 128
- Noppen
- 130
- Haltesteg
- 132
- Tasche
- 134
- Plattenrahmen
- 200
- Brennstoffzellensystem
- 202
- Verdichter
- 204
- Kathodenzufuhrleitung
- 206
- Kathodenabgasleitung
- 208
- Brennstoffzellenstapel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8216736 B2 [0003]
- WO 2009/112922 A2 [0003]
- JP 2005119923 A [0003]
- DE 102013004799 A1 [0003]
- DE 102015122144 A1 [0003]
- DE 102015222635 A1 [0003]
