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Die Erfindung betrifft eine zur Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, geeignete polymergraphitische Bipolarplatte. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte.
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Die
DE 102 16 306 B4 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte für eine elektrochemische Zelle. Hierbei wird ein Verbundwerkstoff aus Polypropylen und synthetischem Graphit mit einem Massenanteil an Graphit von mindestens 80 % verwendet. Die gesamte Kontaktplatte wird durch Spritzgießen hergestellt, wobei in einer Plattenoberfläche eine Medienverteilstruktur ausgebildet wird.
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Die
DE 11 2005 001 954 B4 hat eine für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem vorgesehene Bipolarplatte zum Gegenstand, bei welcher es sich um eine Kompositplatte mit einem Polymer und Kohlefasern handelt. Es wird vorgeschlagen, eine Oberfläche der Bipolarplatte chemisch zu behandeln, um eine hydrophile Oberfläche zu erzeugen. Die chemische Behandlung soll durch Eintauchen der Bipolarplatte in ein Säurebad geschehen.
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Die
DE 10 2020 204 303 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Im Rahmen dieses Verfahrens wird eine Formmasse extrudiert. Anschließend wird die Formmasse mit Hilfe mehrerer Walzenpaare gewalzt und geprägt, um eine Folie zu erhalten. Eines der Walzenpaare weist eine mikrostrukturierte Walzenoberfläche auf, welche zur Durchführung des Herstellungsverfahrens erwärmt wird.
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Mögliche geometrische Merkmale einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle sind in der
DE 10 2020 216 095 A1 beschrieben. Die Bipolarplatte weist in diesem Fall eine Einlage für eine Verbindung zu einer Membran-Elektroden-Anordnung auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Bipolarplatten aus polymergraphitischen Werkstoffen gegenüber dem Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Materialverbrauch und Robustheit des Endproduktes, das heißt der Bipolarplatte, angestrebt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine polymergraphitische Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt die einzelne Bipolarplatte sowie einen eine Vielzahl solcher Bipolarplatten umfassenden Zellenstapel, und umgekehrt.
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Die anmeldungsgemäße, für die Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, vorgesehene polymergraphitische Bipolarplatte umfasst mindestens eine dreidimensional strukturierte Polymergraphitplatte, welche erste Flachbereiche aufweist, die in einer ersten Ebene liegen, sowie zweite Flachbereiche, die eine von der ersten Ebene um ein Mehrfaches der mittleren Wandstärke der Polymergraphitplatte parallel beabstandete zweite Ebene tangieren, so dass die gesamte Polymergraphitplatte zwischen den beiden genannten Ebenen angeordnet ist. Hierbei sind die verschiedenen Flachbereiche durch Flanken der Polymergraphitplatte miteinander verbunden, wobei mindestens einer der drei genannten Bereiche, das heißt Flachbereiche und Flanken, eine Materialanhäufung, verglichen mit einem unverformten Abschnitt der Polymergraphitplatte, bezogen auf eine Projektion auf die erste Ebene, aufweist, und zugleich in mindestens einem der beiden Flachbereiche eine Abprägung, das heißt ein Abschnitt verringerter Wandstärke, verglichen mit der mittleren Wandstärke der Polymergraphitplatte, ausgebildet ist.
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Die Polymergraphitplatte kann mit einem polyolefinen Binder gefertigt sein. Der Graphitanteil der Polymergraphitplatte kann 80 Gewichtsprozent oder mehr betragen.
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Das Verfahren zur Herstellung der aus einer einzigen Polymergraphitplatte oder einer Mehrzahl solcher Platten, insbesondere zwei Stück, aufgebauten Bipolarplatte umfasst folgende Schritte:
- - Bereitstellung mindestens einer Polymergraphitfolie als Ausgangsprodukt des Herstellungsverfahrens,
- - Einlegen der Polymergraphitfolie in ein Werkzeug und Erzeugen einer Prägestruktur in einem kombinierten Präge- und Fließpressvorgang unter Temperatureinwirkung derart, dass Material der Polymergraphitfolie innerhalb eines in unveränderter Winkellage verbleibenden Abschnitts der Polymergraphitfolie verschoben und zumindest teilweise zum Wandstärkeaufbau in einem anderen Abschnitt, nämlich einer Flanke, der Polymergraphitfolie genutzt wird.
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Das Herstellungsverfahren kombiniert damit Verfahrensmerkmale des Prägens mit Merkmalen des Fließpressens. Damit sind stark ausgeprägte dreidimensionale Strukturierungen mit hohen Umformgraden bei zugleich weitreichenden Möglichkeiten der Einstellung der Wandstärke erzielbar.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass beim klassischen Tiefziehen zwangsweise die Wandstärke des ursprünglich flächigen, ebenen Werkstücks abnimmt, wobei dieser Effekt umso ausgeprägter ist, je höher der Umformgrad ist. Bei einem durch Tiefziehen hergestellten, eine Prägestruktur aufweisenden Produkt können je nach Verfahrensführung Spannungsspitzen in Flankenbereichen, in Übergangsbereichen zwischen Flanken und ebenen Bereichen oder auch innerhalb eines ebenen Bereichs des umgeformten Werkstücks auftreten. Um all diese Belastungszustände zu beherrschen, wird üblicherweise die Wandstärke des flächigen Ausgangsproduktes derart gewählt, das keine Überbeanspruchung des späteren, fertig umgeformten Werkstücks zu erwarten ist. Dementsprechend ist die Wandstärke des Werkstücks typischerweise in weiten Flächenbereichen überdimensioniert.
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Einer solchen partiellen Überdimensionierung der Wandstärke wird anmeldungsgemäß dadurch wirksam begegnet, dass während des Umformvorgangs Material innerhalb einer Ebene, in der das Werkstück liegt, verschoben und in einen in Relation zu dieser Ebene schräg gestellten Abschnitt des Werkstücks verlagert wird.
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Diese Materialverschiebung wird durch die Temperierung des Werkstücks auf ein Niveau von 120 °C bis 200 °C, insbesondere auf eine Temperatur von 150 °C ± 10 K, bei moderaten Presskräften ermöglicht.
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Gemäß einer möglichen Verfahrensführung wird während des gleichzeitigen Prägens und Fließpressens Werkstoff der Polymergraphitfolie aus einem Flachbereich, das heißt einem in unveränderter Winkellage in einer der beiden genannten, zueinander parallelen Ebenen verbleibenden Abschnitt, teils zum Aufbau einer Verdickung im selben Bereich verwendet und teils in eine Flanke der in der Herstellung befindlichen Polymergraphitplatte verlagert. Als Ergebnis entsteht eine uneinheitliche Wandstärke in mindestens einem der Flachbereiche, wobei zugleich Material im Flankenbereich angehäuft wird. Eine solche Materialanhäufung in der Flanke bedeutet nicht zwangsläufig, dass in dem betreffenden Bereich ein lokales Maximum der Wandstärke existiert. Vielmehr kann das angehäufte Material auch über den gesamten damit verstärkten Bereich gleichmäßig verteilt sein, so dass dessen Wandstärke einheitlich ist. Insbesondere in einem Flachbereich kann je nach Art der Umformung auch ein Maximum und mehrere Minima der Wandstärke erzeugt werden, wobei sich die Minima beispielsweise jeweils am Übergang zu einer Flanke der Polymergraphitplatte befinden.
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Die Flanken der eine mittlere Wandstärke aufweisenden Polymergraphitplatte sind gemäß verschiedener möglicher Ausführungsformen um einen Schrägstellungswinkel α von mindestens 30° und maximal 84° gegenüber den zwei zueinander parallelen Ebenen, in welchen die Flachbereiche liegen, schräg gestellt sind, wobei die Flankenwandstärke folgendermaßen nach unten und oben begrenzt ist:
- - Die Flankenwandstärke der Polymergraphitplatte ist größer als die Quadratwurzel aus dem Produkt aus der mittleren Wandstärke und dem Cosinus des Schrägstellungswinkels α.
- - Die Flankenwandstärke ist kleiner als das Produkt aus der mittleren Wandstärke und dem Cosinus des halben Schrägstellungswinkels α.
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Unter der mittleren Wandstärke wird hierbei die ursprüngliche Wandstärke der noch nicht verformten Polymergraphitplatte verstanden. Die genannten Grenzen können sowohl bei Ausführungsformen, bei denen die Wandstärke einer Flanke in sich einheitlich ist, als auch bei Varianten mit uneinheitlicher Flankenwandstärke gültig sein.
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Unabhängig von der genauen geometrischen Gestaltung der Polymergraphitplatten ist in sehr vielen Fällen die Möglichkeit gegeben, zwei gleichartige oder unterschiedliche Polymergraphitplatten zu einer Bipolarplatte zusammenzusetzen. An den beiden Au-ßenoberflächen der Bipolarplatte können, insbesondere im Bereich eines Aktivfeldes, beliebige strömungsleitende Strukturen, beispielsweise in Form von geraden oder gewellten Kanälen in Form einer alternierenden Tropfengeometrie, ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang wir beispielhaft auf die
DE 10 2021 105 373 A1 hingewiesen. Hohlräume zwischen den miteinander verbundenen Polymergraphitplatten sind insbesondere zur Durchleitung eines Kühlmediums nutzbar.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 eine aus zwei Polymergraphitplatten zusammengesetzte Bipolarplatte für ein elektrochemisches System,
- 2 und 3 weitere Gestaltungsmöglichkeiten von Polymergraphitplatten für elektrochemische Systeme,
- 4 in schematisierter Ansicht eine Anlage zur Fertigung der Bipolarplatte nach 1.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Bipolarplatte, die ein- oder mehrlagig aufgebaut sein kann, ist zur Verwendung in einem nicht weiter dargestellten Stapel elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, vorgesehen. Die Bipolarplatte 1 ist durch eine einzige Polymergraphitplatte 3 oder durch eine Anordnung aus zwei aufeinander liegenden, dauerhaft miteinander verbundenen Polymergraphitplatten 3, 4 gebildet. Die Polymergraphitplatten 3, 4 weisen in beiden Fällen einen Graphitanteil von mindestens 80 Gew.-% und einen polyolefinen Binder auf. Ausgangsprodukt zur Herstellung der Polymergraphitplatten 3, 4 ist eine Folie 19, das heißt Polymergraphitfolie, mit einer Wandstärke dM. Bei der fertiggestellten Polymergraphitplatte 3, 4 stellt dM die mittlere Wandstärke dar.
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Jede Polymergraphitplatte 3, 4 tangiert eine erste Ebene E1 sowie eine hiervon parallel beabstandete Ebene E2. Der Abstand zwischen den Ebenen E1, E2 stellt die Dicke DH der Polymergraphitplatte 3, 4 dar. Sind zwei Polymergraphitplatten 3, 4 zu einer Bipolarplatte 1 zusammengesetzt, so wird jede Polymergraphitplatte 3, 4 auch als Halbplatte bezeichnet.
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Bereiche der Polymergraphitplatte 3, welche auf der ersten Ebene E1 aufliegen, werden als erste Flachbereiche 8 bezeichnet. In entsprechender Weise werden Bereiche der Polymergraphitplatte 3, 4, welche die zweite Ebene E2 tangieren, als zweite Flachbereiche 9 bezeichnet. Sind zwei Polymergraphitplatten 3, 4 zu einer einzigen Bipolarplatte 1 zusammengesetzt, wie in 1 skizziert, so fällt die erste Ebene E1 der ersten Halbplatte 3 mit der ersten Ebene E1 der zweiten Halbplatte 4 zusammen und bildet eine Mittelebene ME der Bipolarplatte 1. Die mit DG bezeichnete Gesamtdicke der Bipolarplatte 1 entspricht der Summe aus der Dicke DH der ersten Halbplatte 3 und der Dicke DH der zweiten Halbplatte 4, wobei die Halbplatten 3, 4 nicht notwendigerweise gleich dick sind.
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Jede Polymergraphitplatte 3, 4 weist eine Prägestruktur 5 mit Erhebungen 6 auf. Zumindest ein Teil der Erhebungen 6 liegt an der zweiten Ebene E2 an. Im Fall zusammengesetzter Halbplatten 3, 4 ist durch die Prägestrukturen 5 mindestens ein Hohlraum 7 gebildet, der insbesondere zur Durchleitung eines Kühlmittels nutzbar ist.
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Die verschiedenen, an der ersten Ebene E1 beziehungsweise an der zweiten Ebene E2 anliegenden Flachbereiche 8, 9 ein und derselben Polymergraphitplatte 3, 4 sind durch Flanken 11 miteinander verbunden. Der Schrägstellungswinkel einer Flanke 11 gegenüber den Ebenen E1, E2 ist mit α bezeichnet. Zwischen der Flanke 11 und den Flachbereichen 8, 9 existieren abgerundete Bereiche 12, 13 der Polymergraphitplatte 3, 4, wie aus jeder der 1 bis 3 hervorgeht.
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Im Vergleich zu tiefgezogenen Folien sind die Flanken 11 in den Ausführungsbeispielen relativ zu den Flachbereichen 8, 9 nicht oder nur gering in ihrer Wandstärke geschwächt oder sogar verstärkt. Dies wird besonders deutlich bei Betrachtung einer projizierten Wandstärke dP im Bereich der Flanken 11, wie in jeder der 1 bis 3 eingezeichnet. Würde man die Flachbereiche 8, 9 ausschließlich durch Tiefziehen gegeneinander verschieben, so würde die projizierte Wandstärke in jedem Bereich der ursprünglich ebenen Platte, auch im Flankenbereich, der Ausgangswandstärke entsprechen. Die tatsächliche Wandstärke entspräche dann im Flankenbereich zumindest näherungsweise dem Produkt aus der Ursprungswandstärke mit dem Cosinus des Flankenwinkels.
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Im Vergleich mit einem solchen hypothetischen, rein durch Tiefziehen geformten Produkt ist in den Ausführungsbeispielen die mit d11 bezeichnete Flankenwandstärke relativ groß. Dies wird dadurch ermöglicht, dass beim Herstellungsprozess Material mindestens eines Flachbereichs 8, 9 in die Flanke 11 hinein verlagert wird.
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Zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens wird im Folgenden auf das Schema nach 4 verwiesen. Hierin ist eine Fertigungsanlage 10 skizziert, welche als Ausgangsprodukt die Bipolarplatte 1 nach 1 liefert. Ebenso könnte die Fertigungsanlage 10 nach 4 dazu eingerichtet sein, eine Bipolarplatte 1 zu liefern, die aus zwei Polymergraphitplatten 3 nach 2, aus zwei Polymergraphitplatten 3 nach 3, oder aus einer Halbplatte 3 nach 2 und einer Halbplatte 3 nach 3 zusammengesetzt ist.
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In dem in 4 skizzierten Fall wird die erste Halbplatte 3 in einem kontinuierlichen Verfahren und die zweite Halbplatte 4 in einem diskontinuierlichen Verfahren geformt. Abweichend hiervon sind auch Herstellungsverfahren realisierbar, in denen beide Halbplatten 3, 4 in einem kontinuierlichen Verfahren oder beide Halbplatten 3, 4 in einem diskontinuierlichen Verfahren geformt werden.
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Im Verfahren nach 4 wird davon ausgegangen, dass die Folien 19 zunächst als Coil 18 vorliegen. Zur Formung der Halbplatten 3, 4 werden verschiedene Präge- und Fließpressvorrichtungen 20 genutzt, wobei die Formung in jedem Fall durch mechanische Krafteinwirkung und gleichzeitige Temperatureinwirkung erfolgt. Im Fall der ersten Halbplatte 3 wird die Prägestruktur durch Walzen 21, 22 erzeugt, wobei mit Hilfe von Heizelementen 23 ein Temperaturniveau im Bereich zwischen 150° Celsius und 200° Celsius eingestellt ist. Nach dem kontinuierlich ablaufenden Präge- und Fließpressvorgang werden die Halbplatten 3 durch eine Schneidevorrichtung 24 vereinzelt.
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Im Rahmen der Herstellung der Halbplatten 4, in 4 unten, befindet sich die Schneidevorrichtung 24 zwischen dem Coil 18 und der hier diskontinuierlich arbeitenden Präge- und Fließpressvorrichtung 20. Die Präge- und Fließpressvorrichtung 20 umfasst in diesem Fall ein Werkzeugoberteil 25 und ein Werkzeugunterteil 26, wobei auch hier der Präge- und Fließpressvorgang unter Temperatureinwirkung erfolgt. Ergebnis dieses Vorgangs ist die fertiggeformte Halbplatte 4, die zum Fügen mit der ersten Halbplatte 3 bereitgestellt wird. In beiden in 4 veranschaulichten Präge- und Fließpressprozessen wird eine präzise Geometrie der Endprodukte, das heißt der Polymergraphitplatten 3, 4 trotz vergleichsweise weit tolerierter geometrischer Eigenschaften der als Ausgangsprodukte verwendeten Folien 19 erzielt.
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Die Halbplatte 3 nach 2 weist, anders als die Halbplatten 3, 4 nach 1, uneinheitliche Wandstärken der Flachbereiche 8, 9 auf. Gut erkennbar sind Abprägungen 15, das heißt Abschnitte verringerter Wandstärke, in den Flachbereichen 8, 9. Die Wandstärke im Bereich der Abprägung 15 ist mit d15 bezeichnet und deutlich geringer als die mittlere Wandstärke dM. Während des Präge- und Fließpressvorgangs, der durch Werkzeuge 21, 22, 25, 26 bewirkt wird, wird Material aus dem Flachbereich 8, 9 in die Flanke 11 verlagert, sodass sich dort eine Materialanhäufung 14 bildet. Zugleich wird während des kombinierten Prägens und Fließens Material innerhalb der Flachbereiche 8, 9 verlagert. Dies führt zur Ausbildung von lokalen Verdickungen 16, 17, das heißt Wandstärkemaxima, in den Flachbereichen 8, 9.
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Eine besonders starke Ausprägung der Materialanhäufung 14 ist im Fall 3 gegeben. In diesem Fall ist die Wandstärke d11 im Bereich der Flanke 11 wesentlich größer als die Wandstärke d8 im ersten Flachbereich 8 sowie die Wandstärke d9 im zweite Flachbereich 9. Die Wandstärke d15 im Bereich der Abprägung 15 stimmt in diesem Fall mit der Wandstärke d9 überein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bipolarplatte
- 2
- Prägestruktur
- 3
- Halbplatte, Polymergraphitplatte
- 4
- Halbplatte, Polymergraphitplatte
- 5
- Prägestruktur
- 6
- Erhebung
- 7
- Hohlraum
- 8
- erster Flachbereich
- 9
- zweiter Flachbereich
- 10
- Fertigungsanlage
- 11
- Flanke
- 12
- abgerundeter Bereich
- 13
- abgerundeter Bereich
- 14
- Materialanhäufung in der Flanke
- 15
- Abprägung, Abschnitt verringerter Wandstärke
- 16
- lokale Verdickung in der Erhebung
- 17
- lokale Verdickung im ersten Flachbereich
- 18
- Coil
- 19
- Folie
- 20
- Präge- und Fließpressvorrichtung
- 21
- Walze
- 22
- Walze
- 23
- Heizelement
- 24
- Schneidevorrichtung
- 25
- Werkzeugteil
- 26
- Werkzeugteil
- α
- Winkel
- d8
- Wandstärke im ersten Flachbereich
- d9
- Wandstärke im zweiten Flachbereich
- d11
- Flankenwandstärke
- d15
- Wandstärke im Bereich der Abprägung
- dM
- mittlere Wandstärke
- dP
- projizierte Wandstärke
- DG
- Gesamtdicke
- DH
- Dicke einer Halbplatte
- E1
- erste Ebene
- E2
- zweite Ebene
- ME
- Mittelebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10216306 B4 [0002]
- DE 112005001954 B4 [0003]
- DE 102020204303 A1 [0004]
- DE 102020216095 A1 [0005]
- DE 102021105373 A1 [0018]