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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14 und ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
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Stand der Technik
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Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In der Brennstoffzelleneinheit sind eine große Anzahl an Brennstoffzellen zu dem Brennstoffzellenstapel als Brennstoffzellenstack gestapelt. In dem Brennstoffzellenstapel sind Kanäle zum Durchleiten von Brennstoff, Kanäle zum Durchleiten von Oxidationsmittel und Kanäle zum Durchleiten von Kühlmittel integriert. Der Brennstoff wird in einem Druckgasspeicher gespeichert. Dabei sind häufig mehrere Druckgasspeicher als Druckbehälter zu einem Druckbehältersystem zusammengefasst. Das Druckbehältersystem umfasst somit wenigstens einen Druckbehälter. Der Brennstoff ist beispielsweise Wasserstoff in den Druckbehältern. Der Brennstoff wird durch ein Leitungssystem zu der Brennstoffzelleneinheit geleitet zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. In den Druckbehältern ist der Wasserstoff mit einem großen Druck, beispielsweise von 800 bar, gespeichert. Aus diesem Grund ist in den Brennstoffleitungen des Leitungssystems wenigstens ein Druckreduzierungsorgan eingebaut. Das Druckreduzierungsorgan reduziert den Druck aus den Druckbehältern von 800 bar auf einen kleineren Druck von beispielsweise 10 bis 20 bar in einer Mitteldruckleitung oder auf einen Einblasdruck von 1 bis 3 bar für die Brennstoffzelleneinheit. Das Druckreduzierungsorgan unterteilt die Brennstoffleitung fiktiv in einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt. Der erste Abschnitt ist in Strömungsrichtung des Brennstoffes in der Brennstoffleitung vor dem Druckreduzierungsorgan ausgebildet und der zweite Abschnitt ist in Strömungsrichtung des Brennstoffes in der Brennstoffleitung nach dem Druckreduzierungsorgan ausgebildet. Das Druckreduzierungsorgan als ein Druckminderer oder ein Injektor kann jedoch beschädigt sein oder ausfallen. Aus diesem Grund ist in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung ein Druckentlastungsorgan als ein Druckentlastungsventil ausgebildet. Das Druckentlastungsorgan als ein Überdruckventil leitet Kraftstoff ab dem Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldruckes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung in die Umgebung ab. Dadurch wird vermieden, dass bei einem Schaden oder einem Defekt des Druckreduzierungsorganes in dem zweiten Abschnitt ein größerer Druck auftritt als der vorgegebene Maximaldruckes auf welcher der zweite Abschnitt der Brennstoffleitung ausgelegt ist. Dadurch können Schäden an dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung und auch an der Brennstoffzelleneinheit vermieden werden, weil bei einem Schaden des Druckreduzierungsorgan in dem zweiten Abschnitt nicht der Druck des Kraftstoffes in dem ersten Abschnitt der Kraftstoffleitung auftritt. Aufgrund des großen Druckes des Kraftstoffes in den Druckbehältern ist es notwendig, dass bei einem vollständigen Ausfall des Druckreduzierungsorgan ein sehr großer Volumenstrom an Kraftstoff mittels des Druckentlastungsorganes in die Umgebung abgeleitet werden kann. Aufgrund dieser Notwendigkeit und Fähigkeit des Druckentlastungsorganes auch einen sehr großen Volumenstrom an Kraftstoff in die Umgebung ableiten zu können, ist das Druckentlastungsorgan als das Überdruckventil sehr groß zu dimensionieren und weist dadurch in nachteiliger Weise eine große Masse auf und benötigt einen großen Bauraum. Darüber hinaus ist als Folge hiervon das Druckentlastungsorgan in der Herstellung aufwendig und teuer.
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Die
DE 10 2015 219 766 A1 zeigt ein Druckbehältersystem für ein brenngasbetriebenes Kraftfahrzeug, umfassend: mindestens einen Druckbehälter zur Speicherung von Brenngas; mindestens ein Druckbehälterventil; und mindestens eine Steuerung, wobei die Steuerung ausgebildet ist, die zeitliche Veränderungsrate der Brenngasdichte im Druckbehälter zumindest zu reduzieren, wenn ein Veränderungsratengrenzwert für die zeitliche Veränderungsrate der Brenngasdichte im Druckbehälter überschritten wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem zur Leitung und Speicherung von Kraftstoff für ein Kraftahrzeug, umfassend ein Druckbehältersystem mit wenigstens einem Druckbehälter zur Befüllung mit einem Fluid als Kraftstoff, eine Brennstoffleitung zur Leitung des Kraftstoffes von dem wenigstens einen Druckbehälter zu einer Umwandlungseinheit, ein Druckreduzierungsorgan zur Reduzierung des Druckes des Kraftstoffes in der Brennstoffleitung, so dass in Strömungsrichtung des Kraftstoffes in einem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung nach dem Druckreduzierungsorgan der Druck des Kraftstoffes kleiner ist als in einem ersten Abschnitt der Brennstoffleitung in Strömungsrichtung des Kraftstoffes vor dem Druckreduzierungsorgan, wobei in den ersten Abschnitt der Brennstoffleitung ein Schließorgan eingebaut ist und mit dem Schließorgan der erste Abschnitt der Brennstoffleitung wenigstens teilweise schließbar ist in Abhängigkeit von dem Druck des Kraftstoffes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung. Bei einem zu großen Druck des Kraftstoffes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung kann somit mittels des wenigstens teilweisen Schließens des Schließorganes in der Brennstoffleitung in dem ersten Abschnitt der Volumenstrom des Kraftstoffes, welcher durch ein insbesondere defektes oder schadhaftes Druckreduzierungsorgan strömt, reduziert werden, sodass ein Druckentlastungsorgan als Überdruckventil wesentlich kleiner dimensioniert werden kann oder kein Druckentlastungsorgan notwendig ist. Das Druckentlastungsorgan weist damit in vorteilhafter Weise eine kleine Masse auf und benötigt einen geringen Bauraum.
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In einer weiteren Ausführungsform ist mit dem Schließorgan der erste Abschnitt der Brennstoffleitung vollständig schließbar.
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In einer ergänzenden Variante ist das Schließorgan ab dem Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldruckes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, schließbar. Bei einem vollständig geöffneten Schließorgan ist die Strömungsquerschnittsfläche für den Brennstoff in dem Schließorgan maximal und bei einem vollständig geschlossenen Schließorgan ist die Strömungsquerschnittsfläche für den Brennstoff in dem Schließorgan null und bei einem teilweise geöffneten oder teilweise geschlossenen Schließorgan ist die Strömungsquerschnittsfläche für den Brennstoff in dem Schließorgan zwischen der maximalen Strömungsquerschnittsfläche und einer Strömungsquerschnittsfläche von null.
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In einer zusätzlichen Ausgestaltung umfasst das Kraftstoffsystem ein Druckentlastungorgan zur Ableitung von Kraftstoff ab dem Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldruckes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung in die Umgebung. Vorzugsweise entspricht der vorgegebenen Maximaldruck des Druckentlastungorganes im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 10% oder 5%, dem vorgegebenen Maximaldruck des Schließorganes. Der vorgegebene Maximaldruck des Schließorganes ist der Druck des Brennstoffes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung ab dessen Überschreiten das Schließorgan wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, schließbar ist. Der Druck des Brennstoffes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung zur Steuerung und/oder Regelung des Schließorganes ist vorzugsweise mit einem Drucksensor erfassbar.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Betriebsstellung des Druckentlastungorgans ab dem Überschreiten des vorgegebenen Maximaldruckes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung von einer geschlossenen Betriebsstellung in eine geöffnete Betriebsstellung veränderbar und in der geöffneten Betriebsstellung des Druckentlastungorgans Kraftstoff mittels des Druckentlastungorgans aus dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung in die Umgebung ableitbar ist.
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Vorzugsweise befindet sich das Druckentlastungorgan bis zum Erreichen des vorgegebenen Maximaldruckes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung in einer geschlossenen Betriebsstellung und in der geschlossenen Betriebsstellung des Druckentlastungorgans kein Kraftstoff mittels des Druckentlastungorgans aus dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung in die Umgebung ableitbar ist.
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In einer ergänzenden Ausgestaltung ist das Schließorgan in Abhängigkeit von der Betriebsstellung des Druckentlastungorgans steuerbar und/oder regelbar. Das Schließorgan ist beispielsweise in Abhängigkeit von der Betriebsstellung des Druckentlastungsorganes steuerbar und/oder regelbar indem zwischen dem Druckentlastungsorgan und dem Schließorgan eine direkte oder eine indirekte Steuerungs- und/oder Regelverbindung ausgebildet ist. Bei einer direkten Steuerungs- und/oder Regelverbindung besteht beispielsweise eine mechanische, hydraulische oder pneumatische Steuerungs- und/oder Regelverbindung direkt zwischen dem Druckentlastungsorgan und dem Schließorgan, sodass ein Öffnen des Druckentlastungsorganes ein Schließen des Schließorganes bewirkt und umgekehrt. Die mechanische Steuerungs- und/oder Regelverbindung ist beispielsweise als ein beweglicher Stab ausgebildet, sodass aufgrund eines zusätzlichen Mechanismus das Öffnen des Druckentlastungsorganes das Schließen des Schließorganes bewirkt und umgekehrt. Die notwendigen Kräfte zur Steuerung und/oder Regelung des Schließorganes in Abhängigkeit von der Betriebsstellung des Druckentlastungsorganes werden somit mechanisch übertragen und bei einer hydraulischen oder pneumatischen Steuerungs- und/oder Regelverbindung werden die notwendigen Kräfte hydraulisch oder pneumatisch übertragen. Bei einer indirekten elektrischen Steuerungs- und/oder Regelverbindung ist in den zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung ein Drucksensor eingebaut. Ab dem Überschreiten des vorgegebenen Maximaldruckes in dem zweiten Abschnitt wird selbsttätig mit einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit das Schließorgan geschlossen und ab dem Unterschreiten des vorgegebenen Maximaldruckes in dem zweiten Abschnitt wird selbsttätig mit der Steuerungs- und/oder Regeleinheit das Schließorgan geöffnet. Die Steuerungs- und/oder Regeleinheit ist somit mittels einer entsprechenden Datenleitung mit dem Drucksensor an dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung verbunden und ab dem Überschreiten des vorgegebenen Maximaldruckes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung wird das Schließorgan, insbesondere ein Schließventil, wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, geschlossen und umgekehrt. Das Schließorgan wird somit in Abhängigkeit von der Betriebsstellung des Druckentlastungsorganes gesteuert und/oder geregelt und in Abhängigkeit von dem Druck des Kraftstoffes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung.
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In einer weiteren Variante ist in der geschlossenen Betriebsstellung des Druckentlastungorgans das Schließorgan geöffnet.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform ist in der geschlossenen Betriebsstellung des Druckentlastungorgans das Schließorgan vollständig geöffnet.
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In einer ergänzenden Ausgestaltung ist in der geöffneten Betriebsstellung des Druckentlastungorgans das Schließorgan wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, geschlossen.
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Zweckmäßig ist das Schließorgan in Abhängigkeit von der Betriebsstellung Druckentlastungsorganes steuerbar und/oder regelbar, so dass je weiter das Druckentlastungorgan geöffnet ist, desto weiter das Schließorgan geschlossen ist und umgekehrt.
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In einer ergänzenden Variante ist das Schließorgan in Abhängigkeit von der Betriebsstellung des Druckentlastungorgans steuerbar und/oder regelbar mittels einer elektrischen und/oder pneumatischen und/oder hydraulischen und/oder mechanischen Steuerungs- und/oder Regelverbindung zwischen dem Schließorgan und dem Druckentlastungorgan.
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In einer weiteren Ausführungsform fungiert das Druckreduzierungsorgan zur teilweisen oder vollständigen Reduzierung des Druckes zwischen dem Druck des Kraftstoffes in dem wenigstens einen Druckbehälter und dem Betriebsdruck des Kraftstoffes für die Umwandlungseinheit.
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Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit, einen Kraftstoffsystem zur Leitung und Speicherung von Brennstoff mit einem Druckbehältersystem und einem Leitungssystem, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei das Kraftstoffsystem als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Kraftstoffsystem ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug, umfassend eine Karosserie, mehrere Räder, ein Kraftstoffsystem zur Leitung und Speicherung von Kraftstoff mit einem Druckbehältersystem und einem Leitungssystem, wenigstens eine Umwandlungseinheit als eine Brennstoffzelleneinheit und/oder einen Verbrennungsmotor, welcher mit dem brennbaren Fluid aus dem Kraftstoffsystem betreibbar ist, zur Umwandlung elektrochemischer Energie des brennbaren Fluides in elektrische und/oder mechanische Energie, wobei das Kraftstoffsystem als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Kraftstoffsystem ausgebildet ist.
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Vorzugsweise ist der vorgegebene Maximaldruck des Brennstoffes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung größer, insbesondere um wenigstens 1 %, 5 %, 10 %, 20 % oder 30 % größer, als der Solldruck des Brennstoffes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung und der Solldruck des Brennstoffes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung ist von dem Druckreduzierungsorgan als einem Organ zur Steuerung und/oder Regelung des Druckes des Brennstoffes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung steuerbar und/oder regelbar. Der Solldruck in einer Mitteldruckleitung nach dem Druckminderer beträgt beispielsweise zwischen 10 und 20 bar und der Solldruck in einer Zufuhrleitung für Brennstoff nach einem Injektor beträgt beispielsweise zwischen einem bar und 3 bar.
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In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst das Kraftstoffsystem mehrere Druckreduzierungsorgane. Die Druckreduzierungsorgane unterteilen die Brennstoffleitung fiktiv in mehrere erste Abschnitte und mehrere zweite Abschnitte, wobei je einem ersten und zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung ein Druckreduzierungsorgan zugeordnet ist.
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Zweckmäßig umfasst das Kraftstoffsystem wenigstens ein Druckreduzierungsorgan, insbesondere mehrere Druckreduzierungsorgane.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kraftstoffsystem einen Drucksensor zur Erfassung des Druckes des Kraftstoffes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung und der erste Abschnitt der Brennstoffleitung wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, schließbar und/oder öffenbar ist in Abhängigkeit von dem Druck des Kraftstoffes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung indem mit dem Drucksensor der Druck des Kraftstoffes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung erfassbar ist und mit den von dem Drucksensor erfassten Daten des Druckes des Kraftstoffe in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung mittels einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit das Schließorgan wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, schließbar und/oder öffenbar ist. Die Steuerungs- und/oder Regeleinheit ist mit einer Daten- und/oder Steuerleitung mit dem Drucksensor und dem Schließorgan verbunden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Schließorgan als ein Schließventil ausgebildet mit einem beweglichen Schließelement zum Öffnen und Schließen einer Strömungsöffnung in dem Schließventil.
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Vorzugsweise ist das bewegliche Schließelement des Schließventils mittels der Steuerungs- und/oder Regelverbindung bewegbar und/oder mittels eines Aktuators.
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In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der Aktuator des Schließventils als ein Elektromagnet oder ein Elektromotor, insbesondere Servoelektromotor, und/oder Hydraulikmotor ausgebildet.
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In einer ergänzenden Variante ist das Schließorgan ab dem Unterschreiten des vorgegebenen Maximaldruckes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, öffenbar.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Betriebsstellung des Druckentlastungorgans ab dem Unterschreiten des vorgegebenen Maximaldruckes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung von einer geöffneten Betriebsstellung in eine geschlossene Betriebsstellung veränderbar und in der geschlossenen Betriebsstellung des Druckentlastungorgans kein Kraftstoff mittels des Druckentlastungorgans aus dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung in die Umgebung ableitbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist in der Brennstoffleitung in Strömungsrichtung des Brennstoffes zwischen dem Druckreduzierungsorgan und dem wenigstens einen Druckbehälter ein Druckbehälterschließorgan ausgebildet.
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In einer ergänzenden Variante sind die Druckbehälter, insbesondere sämtliche Druckbehälter, mit einer Verbindungsleitung, insbesondere einem Brennstoffleitungsrail, fluidleitend miteinander verbunden und die Verbindungsleitung einen Strömungsraum begrenzt.
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In einer zusätzlichen Ausgestaltung mündet die Brennstoffleitung in ein Betriebsventil als Schließorgan zur Leitung des Fluides zu einer Umwandlungseinheit, insbesondere einer Brennstoffzelleneinheit.
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Vorzugsweise sind die Druckbehälter mit je einer Fluidöffnung ausgebildet zur Ein- und Ausleitung des Fluides in und aus den Druckbehältern durch die Fluidöffnungen und die Fluidöffnungen der Druckbehälter, insbesondere sämtlicher Druckbehälter, mit je einem Druckbehälterschließorgan öffenbar und schließbar sind. Vorzugsweise weisen die Druckbehälter nur je eine Fluidöffnung auf und bei dem geschlossenen Druckbehälterschließorgan ist keine Fluid aus dem Druckbehälter ein- und ausleitbar.
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In einer weiteren Variante sind die Druckbehälter mit nur je einer Fluidöffnung ausgebildet sind zur Ein- und Ausleitung des Fluides in und aus den Druckbehältern durch die Fluidöffnungen.
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In einer zusätzlichen Variante umfasst das Kraftstoffsystem ein Betriebsschließorgan, insbesondere ein Betriebsventil.
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Vorzugsweise ist das Betriebsschließorgan, insbesondere Betriebsventil, aktiv schließbar und öffenbar, insbesondere mittels eines Aktuators, insbesondere eines Elektromagneten, und vorzugsweise in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Brennstoffzelleneinheit. Während des Betriebes der Umwandlungseinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit, ist somit das Betriebsschließorgan geöffnet und in einem abgeschalteten Betriebszustand der Umwandlungseinheit, insbesondere der Brennstoffzelleneinheit, ist das Betriebsschließorgan geschlossen.
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In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte.
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In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.
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Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas, insbesondere CNG (compressed natural gas als komprimiertes Erdgas).
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Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Komponenten im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
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In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
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Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
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Figurenliste
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Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
- 1 einen Querschnitt eines Druckbehältersystems mit drei Druckbehältern,
- 2 einen Längsschnitt eines Druckbehälters gemäß 1,
- 3 eine stark vereinfachte Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Kraftstoffsystem in einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine stark vereinfachte Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Kraftstoffsystem in einem zweiten Ausführungsbeispiel und
- 5 eine perspektivische Ansicht eines Kraftfahrzeuges.
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In 1 ist ein Druckbehältersystem 21 und in 2 ein Längsschnitt eines Druckbehälters 19 als ein Druckgasspeicher 20 abgebildet. In einem Druckgasspeicher 20 ist ein Fluid, nämlich das Gas Wasserstoff als Brennstoff, unter einem Druck von ungefähr 400 bis 800 bar in einem Innenraum 27 des Druckbehälters 19 gelagert. Der Innenraum 27 ist von einer zylindermantelförmige Behälterseitenwandung 23, einer im Wesentlichen scheibenförmigen Rückwandung 24 und einer ebenfalls im Wesentlichen scheibenförmigen Vorderwandung 25 begrenzt. Die Behälterseitenwandung 23, die Rückwandung 24 und die Vorderwandung 25 ist dabei aus Metall, insbesondere Stahl, oder einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet. In der Vorderwandung 25 ist eine Fluidöffnung 26 ausgebildet. Im Bereich der Fluidöffnung 26 der Vorderwandung 25 ist ein Ablassventil 28 als ein TPRD 29 (temperatur pressure relief device) befestigt. Das Ablassventil 28 weist eine Einleitungsöffnung 30 auf und die Fluidöffnung 26 der Vorderwandung 25 mündet in die Einleitungsöffnung 30. Ferner ist das Ablassventil 28 fluiddicht mit der Vorderwandung 25 verbunden. Ab dem Überschreiten nur eines vorgegebenen Grenzwertes eines Ausleitungsparameters des Ablassventil 28, nämlich dem Ableitungsparameter eines vorgegebenen Druckes des Fluides in dem Innenraum 27 und einer vorgegebenen Temperatur des Ablassventils 28, öffnet das Ablassventil 28 und leitet das Fluid von dem Innenraum 27 des Druckbehälters 19 in die Umgebung aus Sicherheitsgründen ab, um einen gefährlichen Überdruck zur Vermeidung einer Explosion zu verhindern. Das Ablassventil 28 ist thermisch gut leitend mit der Vorderwandung 25 des Druckbehälters 19 verbunden, sodass die Temperatur des Fluides in dem Innenraum 27 im Wesentlichen der Temperatur des Ablassventils 28 entspricht. Die vorgegebene Temperatur des Ausleitungsparameters ist beispielsweise 120° C oder 200°C und der vorgegebene Druck des Ausleitungsparameters bei einem maximal zulässigen Betriebsdruck des Druckbehälters 19 von 800 bar beträgt 850 bar. Dies bedeutet, dass bei einem Überschreiten des maximal zulässigen Betriebsdruck des Druckbehälters 19 um 50 bar das Ablassventil 28 geöffnet wird. In dem in 1 dargestellten Druckbehältersystem 21 sind 3 Druckbehälter 19 angeordnet und von einem im Wesentlichen quaderförmig Gehäuse 22 umschlossen. Das Gehäuse 22 ist fluiddicht ausgebildet. Die Druckbehälter 19 bilden somit das Druckbehältersystem 21.
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Der Innenraum 27 des Druckbehälters 19 ist mit einer Druckleitung 10 als einer Brennstoffleitung 11 verbunden zum Ausleiten des Fluides aus dem Druckbehälter 19 für einen normalen Betrieb einer Brennstoffzelleneinheit 1 (3). In 3 ist ein Brennstoffzellensystem 5 mit einem Kraftstoffsystem 47 und der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2 als einen Brennstoffzellenstack 2 und der Brennstoffzellenstack 2 ist von einem nicht dargestellten Gehäuse und vorzugsweise einer nicht dargestellten Anschlussplatte umschlossen. In dem Brennstoffzellenstack 2 sind eine große Anzahl an Brennstoffzellen 3, nämlich PEM-Brennstoffzellen 4, gestapelt angeordnet. Aufgrund der großen Anzahl der gestapelten Brennstoffzellen 3 von ungefähr 300 bis 400 Brennstoffzellen 3 sind diese in 3 aus Vereinfachungsgründen nicht alle dargestellt. In dem Brennstoffzellenstack 2 sind Kanäle zum Durchleiten des Brennstoffes Wasserstoff, Kanäle zum Durchleiten des Oxidationsmittel Luft und Kanäle zum Durchleiten von Kühlmittel ausgebildet (nicht dargestellt). Der Brennstoff Wasserstoff wird zu Anoden und das Oxidationsmittel Luft wird zu Kathoden der Brennstoffzellen 3 geleitet. Das Oxidationsmittel Luft wird mit einer Zufuhrleitung 9 und einer Gasfördereinrichtung 6, beispielsweise einem Gebläse 7 oder einem Kompressor 8, aus der Luft der Umgebung in den Brennstoffzellenstack 2 eingeleitet.
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Der Brennstoff Wasserstoff wird aus dem Druckbehältersystem 21 durch eine Zufuhrleitung 17 in den Brennstoffzellenstack 2 eingeleitet. An jeden Druckbehälter 19 ist ein Druckbehälterschließorgan 34 angeordnet im Bereich des Ablassventils 28. Das Druckbehälterschließorgan 34 als Druckbehälterschließventil 34 dient zum getrennten Schließen und Öffnen der einzelnen Druckbehälter 19. Das Druckbehälterschließorgan 34 ist beispielsweise als ein Schließventil ausgebildet, welches mit einem Elektromagneten als Aktuator betätigbar ist. Zur Zuführung des Brennstoffes von den Druckbehältern 19 zu dem Brennstoffzellenstack 2 können somit in Abhängigkeit von dem Schließzustand des Druckbehälterschließorgan 34 auch nur einzelne Druckbehälter 19 oder nur ein Druckbehälter 19 zur Ausleitung des Brennstoffes zu dem Brennstoffzellenstack 2 genutzt werden. Damit kann wenigstens ein Druckbehälter 19 selektiv ausgewählt werden zum Ausleiten des Brennstoffes zu dem Brennstoffzellenstack 2, sodass nach dem vollständigen Entleeren des wenigstens einen selektiv ausgewählten Druckbehälters 19 das wenigstens eine Druckbehälterschließorgan 34 an den entleerten Druckbehälter 19 geschlossen und an wenigstens einem anderen Druckbehälter 19 das wenigstens eine andere Druckbehälterschließorgan 34 geöffnet wird zum Entleeren dieser anderen Druckbehälter 19. Abweichend hiervon können zum Entleeren des Druckbehältersystems 21 auch simultan sämtliche Druckbehälterschließorgane 34 geöffnet werden, sodass während des Betriebes des Brennstoffzellenstacks 2 sämtliche Druckbehälter 19 simultan entleert werden.
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Die an dem Ablassventil 28 angeschlossene Brennstoffleitung 11 als Druckleitung 10 jeweils an den Druckbehältern 19 münden zunächst in ein Brennstoffleitungsrail 12 als Verbindungsleitung 12, welche auch eine Druckleitung 10 bildet. Von dem Brennstoffleitungsrail 12 wird der Brennstoff aus den 3 Druckbehältern 19 durch eine Hochdruckleitung 14 mit dem Druck von ungefähr 800 bar einem Druckminderer 18 als einem Druckreduzierungsorgan 31 zugeführt. Ein Betriebsventil 15 als ein Betriebsschließorgan 35 in Strömungsrichtung des Brennstoffes kurz vor der Brennstoffzelleneinheit 1 als der Umwandlungseinheit 40 öffnet nur während eines Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 und bei einer abgeschalteten Brennstoffzelleneinheit 1 ist das Betriebsventil 15 geschlossen. In dem Druckminderer 18 erfolgt eine Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in eine Mitteldruckleitung 13 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 13 wird der Brennstoff zu einem Injektor 16 oder einem Dosierventil 16 als einem weiteren zweiten Druckreduzierungsorgan 31 geleitet. An dem Injektor 16 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 16 wird der Brennstoff der Zufuhrleitung 17 für Brennstoff (3) zugeführt und von der Zufuhrleitung 17 den Kanälen für Brennstoff des Brennstoffzellenstacks 2. Die Brennstoffleitungen 11 und die Organe, beispielsweise das Druckreduzierungsorgan 31, das Druckentlastungsorgan 33 und das Schließorgan 42, bilden ein Leitungssystem 41. Das Druckbehältersystem 21 und das Leitungssystem 41 bilden das Kraftstoffsystem 47 zur Speicherung und Leitung von Kraftstoff.
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In dem in 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Kraftstoffsystem 47 weist dieses zwei Druckreduzierungsorgane 31 auf, nämlich den Druckminderer 18 und den Injektor 16. Die Brennstoffleitung 11 ist für jedes Druckreduzierungsorgan 31 fiktiv in einen ersten Abschnitt 45 in Strömungsrichtung des Kraftstoffes in der Brennstoffleitung 11 vor dem Druckreduzierungsorgan 31 unterteilt und in einen zweiten fiktiven Abschnitt 46 in Strömungsrichtung des Kraftstoffes in der Brennstoffleitung 11 nach dem Druckreduzierungsorgan 31 unterteilt. Bezüglich des Druckminderer 18 bildet somit die Mitteldruckleitung 13 den zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11 und beispielsweise das Brennstoffleitungsrail 12 den ersten Abschnitt 45 der Brennstoffleitung 11. In jeden der zwei zweiten Abschnitte 46 bezüglich der zwei Druckreduzierungsorgane 31 der Brennstoffleitung 11 ist ein Druckentlastungsorgan 33 als ein Druckentlastungsventil 36 eingebaut. Diese Integration des Druckentlastungsorganes 33 in den zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11 wird ausgeführt indem entweder das Druckentlastungsorgan 33 unmittelbar in die Brennstoffleitung 11 eingebaut ist oder gleichbedeutend damit das Druckentlastungsorgan 33 mit einer Brennstoffleitung 11 mit der Brennstoffleitung 11 zur Durchleitung des Brennstoffes zu der Brennstoffzelleneinheit 1 fluidleitend verbunden ist. Das Druckentlastungsorgan 33 ist als ein Überdruckventil ausgebildet, welches ab dem Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldruckes in dem jeweils zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11 Brennstoff aus dem zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11 durch eine Ableitungsleitung 48 in die Umgebung abgeleitet. Das Druckentlastungsorgan 33 zur Ableitung von Brennstoff aus dem zweiten Abschnitt 46 als der Mitteldruckleitung 13 leitet beispielsweise ab einem Druck von 25 bar Brennstoff in die Umgebung ab. In der Mitteldruckleitung 13 beträgt der Druck normalerweise 10 bis 20 bar, sodass bei einem Schaden an dem Druckminderer 18 als dem Druckreduzierungsorgan 31 in der Mitteldruckleitung 13 ein Druck von 25 bar als Maximaldruckes nicht überschritten wird. In analoger Weise ist in den zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11 in Strömungsrichtung des Kraftstoffes nach dem Injektor 16 ein weiteres Druckentlastungsorgan 33 eingebaut, welches ab einem Maximaldruck von 5 bar Kraftstoff in die Umgebung abgeleitet. Der normale Druck in der Brennstoffleitung 11 in Strömungsrichtung des Kraftstoffes nach dem Injektor 16 beträgt ungefähr 1 bis 3 bar, sodass bei einem Schaden des Injektors 16 in der Brennstoffleitung 11 in Strömungsrichtung des Kraftstoffes nach dem Injektor 16 kein größerer Druck als 5 bar auftreten kann. Dadurch kann an der Brennstoffleitung 11 in Strömungsrichtung des Kraftstoffes nach dem Injektor 16 als auch in der Brennstoffzelleneinheit 1, insbesondere in den Kanälen für Brennstoff der Brennstoffzelleneinheit 1, kein Schaden aufgrund eines zu großen Druckes über 5 bar entstehen.
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In den jeweils ersten Abschnitt 45 der Brennstoffleitung 11 bezüglich des Druckminderers 18 und Injektors 16 als zwei Druckreduzierungsorganen 31, d. h. insgesamt zwei erste Abschnitte 45, ist je ein Schließorgan 42 eingebaut. Mit dem Schließorgan 42 als ein Schließventil 42 kann der erste Abschnitt 45 der Brennstoffleitung 11 wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, in Abhängigkeit von dem Druck des Kraftstoffes in dem zweiten Abschnitt der Brennstoffleitung 11 geschlossen und/oder geöffnet werden. Hierzu ist das Druckentlastungsorgan 33 als das Druckentlastungsventil 36 in dem zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11 bezüglich des Druckminderers 18 mit einer mechanischen Steuerungs- und/oder Regelverbindung 43 mit dem Schließorgan 42 verbunden. Bei einem Öffnen des Druckentlastungsorganes 33 werden die notwendigen Kräfte zum Schließen des Schließorganes 42 mit der mechanischen Steuerungs- und/oder Regelverbindung 43 übertragen. Dies gilt auch umgekehrt für das Öffnen des Schließorganes 42 bei einem Schließen des Druckentlastungsorganes 33. Die mechanische Steuerungs- und/oder Regelverbindung 43 ist beispielsweise als ein Stab ausgebildet oder von 2 Seilzügen gebildet. In analoger Weise ist das Schließorgan 42 in dem ersten Abschnitt 45 der Brennstoffleitung 11 bezüglich des Injektor 16 als dem Druckreduzierungsorgan 31 mit dem Druckentlastungsorgan 33 in dem zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11 in Strömungsrichtung des Kraftstoffes nach dem Injektor 16 verbunden. In analoger Weise wird somit das Schließorgan 42 für den Injektor 16 in Abhängigkeit von der Betriebsstellung des Druckentlastungsorganes 33 in Strömungsrichtung des Kraftstoffes nach dem Injektor 16 geöffnet und geschlossen.
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In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Kraftstoffsystem 47 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 3 beschrieben. Das Kraftstoffsystem 47 umfasst nur ein Druckreduzierungsorgan 31, d. h. den Druckminderer 18. Der Druckminderer 18 reduziert den Druck in der Hochdruckleitung 14 von ungefähr max. 800 bar auf den Einblasdruck von 1 bis 3 bar für die Brennstoffzelleneinheit 1. In der Zufuhrleitung 17 für Brennstoff in Strömungsrichtung des Kraftstoffes nach dem Druckminderer 18, welcher den zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11 bildet, ist ein Drucksensor 32 eingebaut. Der Drucksensor 32 ist mit einer nicht dargestellten Datenleitung mit einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit 44 verbunden. Der Drucksensor 32 erfasst ständig den Druck des Kraftstoffes in dem zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11 und ab dem Überschreiten des vorgegebenen Maximaldruckes in dem zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11, nämlich den Druck von 5 bar, wird das Schließorgan 42 vollständig geschlossen. Ab dem Unterschreiten des vorgegebenen Maximaldruckes von 5 bar wird das Schließorgan 42 vollständig geöffnet. Das Öffnen und Schließen des Schließorganes 42 wird ausgeführt, indem das Schließorgan 42 mit einer nicht dargestellten Datenleitung mit der Steuerungs- und/oder Regeleinheit 44 verbunden ist und mit dieser nicht dargestellten Datenleitung Steuersignale von der Steuerungs- und/oder Regeleinheit 44 zu dem Schließorgan 42 übermittelt werden in Abhängigkeit von dem Druck in dem zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11. In dem zweiten Ausführungsbeispiel des Kraftstoffsystem 47 liegt somit eine indirekte elektrische Steuerungs- und/oder Regelverbindung 43 zwischen dem Druckentlastungsorgan 33 und dem Schließorgan 42 vor, weil ab dem vorgegebenen Maximaldruck von 5 bar das Druckentlastungsorgan 43 geöffnet wird mit oder ohne der Steuerungs- und/oder Regeleinheit 44 und ab dem identischen vorgegebenen Maximaldruck von 5 bar, welcher von dem Drucksensor 32 erfasst wird, mittels der Steuerungs- und/oder Regeleinheit 44 das Schließorgan 42 geschlossen wird.
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Ein in 5 dargestelltes Kraftfahrzeug 37, beispielsweise ein Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, umfasst eine Karosserie 39 und 4 Räder 38. In das Kraftfahrzeug 37 ist das in 3 dargestellte Kraftstoffsystem 47 mit dem Brennstoffzellensystem 5 mit der Brennstoffzelleneinheit 1 und dem Kraftstoffsystem 47 eingebaut. Die Brennstoffzelleneinheit 1 wandelt die in dem Brennstoff Wasserstoff vorhandene elektrochemische Energie in elektrische Energie um. Die elektrische Energie als elektrischer Strom, welcher von der Brennstoffzelleneinheit 1 erzeugt wird, wird in dem Kraftfahrzeug 37 insbesondere dazu verwendet, um einen Antriebsmotor als Traktionselektromotor zur Traktion und zum Antrieb des Kraftfahrzeuges 37 mit elektrischer Energie zu versorgen. Das Druckbehältersystem 21 ist untenseitig unter der Karosserie 39 des Kraftfahrzeuges 37 befestigt.
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Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffsystem 47, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 5 und dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug 37 wesentliche Vorteile verbunden. In den ersten Abschnitt 45 der Brennstoffleitung 11 in Strömungsrichtung des Kraftstoffes vor dem Druckreduzierungsorgan 31 ist ein Schließorgan 42 zum wenigstens teilweisen Schließen des zweiten Abschnittes 46 der Brennstoffleitung 11 eingebaut. Bei einem Öffnen des Druckentlastungsorganes 33 ab dem Überschreiten des vorgegebenen Maximaldruckes wird das Schließorgan 42 wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, geschlossen, sodass der Volumenstrom an Kraftstoff, welcher durch das Druckreduzierungsorgan 31 in den zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11 eintritt bei dem geöffneten Druckentlastungsorgan 33 wesentlich, insbesondere vollständig, reduziert ist. Bei einem Schaden an dem Druckreduzierungsorgan 31 und dem hieraus im Allgemeinen resultierenden ungehinderten Durchströmen von Kraftstoff durch das Druckreduzierungsorgan 31 wird somit der Volumenstrom des Kraftstoffes, welcher durch das Druckreduzierungsorgan 31 in den zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11 eintritt, mittels des Schließorganes 42 wesentlich reduziert. In vorteilhafter Weise kann dadurch das Druckentlastungsorgan 33 entsprechend klein dimensioniert werden, weil das Druckentlastungsorgan 33 nur einen sehr kleinen Volumenstrom an Kraftstoff in die Umgebung abzuleiten hat, damit der Druck in dem zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11 nicht den vorgegebenen Maximaldruck überschreitet. Darüber hinaus kann in dem Kraftstoffsystem 47 gegebenenfalls auch auf das Druckentlastungsorgan 33 verzichtet werden, weil ab dem Überschreiten des vorgegebenen Maximaldruckes in dem zweiten Abschnitt 46 der Brennstoffleitung 11 beispielsweise bei der Steuerung und/oder Regelung des Schließorganes 42 mittels der Steuerungs- und/oder Regeleinheit 44 mit der indirekten Steuerungs- und/oder Regelverbindung 43 das Schließorgan 42 entsprechend insbesondere vollständig automatisch und selbstständig geschlossen wird und dies ist auch bei einer direkten Steuerungs- und/oder Regelverbindung 43 ausführbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015219766 A1 [0003]
