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Erfindung
Russische Föderation Patent RU2290724

Wasserstoff-Sauerstoff-elektrochemischen Generator

Name des Erfinders: Vorontsov Vladimir (RU); Heads Valery (RU); Vyacheslav A. Nikitin (RU); Perfil'ev Lev (RU); Ritov Alexander (RU); Starostin Alexander (RU); Khudyakov Sergey A. (RU); Sergey Chernov Veniaminovich
Der Name des Patentinhabers: Open Joint Stock Company "Rocket und Space Corporation" Energia "Koroljow"
Korrespondenzanschrift: 141070, Region Moskau, Korolev, st .. Lenin, 4a, JSC "RSC" Energia ". SP Korolev" Abteilung für geistiges Eigentum
Startdatum des Patents: 2005.03.09

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energie und kann in stationären und mobilen Kraftwerke verwendet werden, auf Wasserstoff-Sauerstoff (Luft) elektrochemischen Generatoren betrieben wird. Wobei Erfindung ist es, die Effizienz des elektrochemischen Generators zu erhöhen, indem die Verringerung des Energieverbrauchs für die Erzeugung von Elektrizität durch aus dem Wasserstofftrenneinrichtung zugeführte Wärmeenergie von Wasserstoffgas, und die Bedürfnisse und die Verwendung des elektrochemischen Generators Mischung Hochdruckgasstrom aus dem Reformer kommen. Reduzierter Stromverbrauch wird dadurch erreicht, dass am Austritt des Reformers eingestellten Druckregler, der optimale Druck in dem Reformer erzeugen können, und ein Gemisch aus Hochdruckstrom stromabwärts von einem Druckregler verwendet, um die Turbineneinheit Turbine zu betreiben, die Luft aus der Atmosphäre in die Batterie TE liefert. Der Ausgangsgasstrom Turbineneinheit ist mit einem Nachbrenner zugeführt wird, und thermische Energie verwendet wird, um die Gasmischung in dem Reformer zu erwärmen, und auch für die Verdampfung des Brennstoffs in den Verdampfer und Heizungs Luft in den Brennstoffzellenbatterie eingeben.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energie und kann in stationären und mobilen Kraftwerke verwendet werden, betrieben auf der Wasserstoff-Sauerstoff (Luft) elektrochemische Generatoren.

Ein Analog der vorgeschlagenen Vorrichtung ist eine elektrochemische Generator (EKG) für die Umwandlung von Kohlenwasserstoffen (S.166 N.V.Korovina in dem Buch "Electro Generatoren", "Energie", 1974).

Kraftstoff und entmineralisiertes Wasser in den Reaktor durch eine Heizung zugeführt, wo die Umwandlungsprodukte in den Separator geben mit einer Palladium-Silber-Membran. Gereinigtem Wasserstoff wird nach dem Kühlen des Brennstoffzellenstapel (FC) zugeführt wird.

Bei der Inbetriebnahme wird das System durch die Verbrennung von Kraftstoff erwärmt, wenn die Betriebstemperatur durch die Wärme des EKG und Nachverbrennung der nicht umgesetzten Komponenten der Kohlenwasserstoffe und CO gehalten wird, kommt nach dem Trennzeichen. Das Reaktionsprodukt - Wasser wird dem Wasserstoffgenerator zurückgeführt, und zurückgesetzt.

ECG kann mit einem speziellen Kühlkreislauf ausgestattet werden, die zum Erwärmen des Systems verwendet wird, wenn ECG läuft. Die Gesamtkapazität des ECG, für den Eigenbedarf verbraucht, einschließlich der Luftzufuhrsystem, die Aufrechterhaltung des Umwandlungsprozesses bei der Herstellung von Wasserstoffgas, thermische Steuersystem, etwa 500 Watt oder 12,5%. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage um 15% bei einer Leistung von 500 W bis 35% bei voller Leistung 4,0 kW verändert.

Der Nachteil des betrachteten ECG sind große Energieverbrauch für Hilfsstoffe, Verbrauchsmaterialien auf der Luftversorgungssystem, die zur Aufrechterhaltung der Umwandlungsprozess in der Herstellung von Wasserstoffgas, das Wärmeregelungssystem, um sicherzustellen, dass die festgelegten thermischen Parameter in dem EKG-System, das von etwa 12,5%, die Effizienz des ECG reduziert.

Der Prototyp der vorgeschlagenen Vorrichtung ist ein EKG von U.S. Patent №6063515 von 05.10.2000 g Diese Vorrichtung ein System von Methanol und Wasser Einlass für die Verdampfung des Flüssigkeitsstroms zum Verdampfer aufweist, zu erzeugen , die katalytische Reformer darin einen Strom, der Wasserstoffgas und CO _2, die Wasserstoffabscheider mit Palladium Membran, bei der die Trennstrom zu Wasserstoffgas tritt dann in eine TE-EKG, und Verunreinigungen, die die katalytischen Brenner geben den Kühlmittelstrom zu erwärmen, verwendet, um den Reformer und den Verdampfer zu erhitzen. Steuer katalytischer Brenner ist mit einem Temperatursensor durchgeführt und eine Druckregelstrom am Auslaß des katalytischen Brenners in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal des Temperatursensors.

ECG diskutierten Nachteil ist, dass es Erwärmung des Brennstoffreformers vor dem Start und dem Verdampfer Hydraulikweg ECG von Eingangsleistung durchgeführt, welche die Effizienz der Verwendung von Energie für den beabsichtigten Zweck der Kraftstoffverbrennung ECG verglichen reduziert.

Die Aufgabe der Erfindung ist, die Effizienz zu erhöhen, indem die Verringerung des Energieverbrauchs für die durch die Verwendung von thermischer Energie von Wasserstoffgas aus dem Wasserstofftrenneinrichtung zugeführten Strom in dem elektrochemischen Generator zu erzeugen brauchen einen Hochdruckgasstrom ECG Mischung aus dem Reformer kommen zu verwenden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der elektrochemische Generator einen Brennstoffzellenstapel umfasst, der Verdampfer, der Reformer, der Wasserstoff-Separator mit einer Palladium-Membran, einem Nachbrenner, einem Temperatursensor in dem Nachbrenner, eine Drossel stromabwärts von dem Nachbrenner, turbine zur Turbine, Brennkammer, Wärmetauscher der Gasmischung aus Wasserstoffgas, Luftvorwärmung Wärmespeicher, Kompressor Gas für Wasserstoff Betankungsventil, ein Behälter mit vodometanolovoy Gemisch mit einem Füllventil, einem Druckschalter mit der Ausgangskapazität mit vodometanolovoy Mischung mit einem Füllventil über ein Absperrventil und eine Hochdruckpumpe in Verbindung mit dem Einlass des Verdampfers und durch ein Rückschlagventil mit dem Auslass der Verbrennungskammer verbunden ist, ist die Temperatur, Start-up-Modus Sensor elektrisch mit einem Absperrventil und Auslöseeinheit Hochdruckpumpe; Verdampferausgang in Verbindung mit dem Einlaß des Reformers, dessen Ausgang über Druckturbine Turbineneinheit-Controller verbunden ist, der Ausgang, der mit dem ersten Eingang des Nachbrenners in Verbindung steht, und dessen zweiter Eingang über ein Absperrventil mit dem Ausgang des Turbineneinheit verbunden ist, berichtet über die Atmosphäre Eingang und dem Ausgang des Nachbrenners durch die Drossel berichtet Wärmetauscher mit dem Eingang des Gasgemisches, dessen Ausgang mit der Atmosphäre in Verbindung steht; Turbineneinheit-Ausgang kommuniziert gleichzeitig mit Einlaß- Luft-Heizungswärmetauscher, dessen Ausgang mit dem ersten Eingang des dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist; Wasserstoffabscheider Ausgang mit einem Eingang des Wasserstoffgas-Wärmetauscher gekoppelt ist, dessen Ausgang mit einem zweiten Eingang des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, und durch ein Rückschlagventil - mit dem Gaszylinder für Wasserstoff; Wasserstoffabscheider durch Kontakt mit einem Palladiummembran Reformers, die wiederum in Kontakt mit dem Nachbrenner über eine gemeinsame Wand; einen Verdampfer-Wärmetauscher der Gasmischung aus Wasserstoffgas-Wärmetauscher und der Heiz-Wärmetauscher und die Luft werden in einem gemeinsamen Gehäuse mit der Wärmekapazität Füllstoff kombiniert wird, einen Wärmespeicher zu bilden; der erste Eingang der Verbrennungskammer für die Wasserstoffgaszylinder, und dessen zweiter Eingang über ein Rückschlagventil mit einem Luftkompressor in Verbindung mit einem Eingang in Verbindung mit der Atmosphäre Auslass-Sperrventil in Verbindung durch; Brennkammer mit Druckschaltern versehen, die elektrisch verbunden sind, jeweils mit der Kompressoreinheit und aus Gasflasche Absperrventil für die Wasserstoffleitung - die Brennkammer.

Die Zeichnung ist ein Diagramm des ECG, wobei:

Elektrochemischer Generator weist eine Startvorrichtung für den hydraulischen Pfad ECG Vorwärmen. Startvorrichtung besteht aus einem Luftkompressor 21 zum Absperren der Verdichter 29, eine Brennkammer 18 und Wasserstoffgaszylinder 16. In diesem Fall ist der erste Eingang der Verbrennungskammer wird über das Absperrventil 17 mit dem Gaszylinder 16 und dem zweiten Eingang verbunden ist - über ein Rückschlagventil 20 mit einem Luftkompressor 21. in diesem Fall ist der Gaszylinder 16 für Wasserstoff Eingang über ein Rückschlagventil 15 mit einer Leitung verbunden, um das Wasserstoffgas-Auslaß des Wärmetauschers 24 mit einem zweiten Eingang an die Batterie 14 von TE und dem Ausgang der Verbrennungskammer 18 durch ein Rückschlagventil 22 verbunden, in Leitung zwischen dem Auslass der Pumpe verbindenden Druck 3 und der Eingang zu dem Verdampfer 4. Vorfüllen Gasbehälter für Wasserstoff 16 wird Wasserstoff durch das Füllventil 31 in den Gasbehälter des Wasserstoffs in der Leitung zwischen dem Einlaß 16 und das Rückschlagventil 15 angedockt durchgeführt.

ECG umfasst einen Behälter mit vodometanolovoy mit 1 zu dem Ausgang über das Absperrorgan angeschlossen Ventil 2 und die Hochdruckpumpe 3 mit dem Eingang des Verdampfers 4. Am Eingang zum Tank mit vodometanolovoy mit 1 festgelegt das Füllventil 30. Der Ausgang des Verdampfers 4 durch die Hydraulikleitung mit dem Eingang in Reformer 9 in Kontakt mit einem Wasserstoff-Trennvorrichtung 8 durch die Palladiummembran Wasserstoffabscheider 8. in Nachbrenner 9 wird der Reformer 11 durch eine gemeinsame Wand kontaktiert. Ausbeute Reformer 9 über Druckregler 7 ist mit dem Einlaß der Turbine 6. Die Ausgabe der Turbineneinheit Turbineneinheit Turbine 6 über eine Hydraulikleitung mit dem ersten Eintrag in dem Nachbrenner 11 und einem Nachbrenner Auslass über eine Drossel 23 verbunden ist mit dem Eingangsgasgemisch in Wärmetauscher 19 aus dem Gasauslaß des Wärmetauschers mischen das Gasgemisch 19 in die Atmosphäre gelangt.

Ausbeute Wasserstoffabscheider 8, die verläuft durch die Palladiummembran des Reformers 9, Wasserstoffgas verbunden ist mit einem Eingang des Wasserstoffgas-Wärmetauscher 24, und der Ausgang des Wasserstoffgas-Wärmetauscher 24 über die Hydraulikleitung mit dem zweiten Eintrag in der BZ-Stapel 14, sondern auch durch ein Rückschlagventil 15 - an die Gaszylinder für Wasserstoff 16.

Log Turbineneinheit 5 ist mit der Atmosphäre und der Auslaß durch die erste Hydraulikleitung ein Absperrventil 12 ist mit dem zweiten Eingang 11 in Nachbrenner verbunden ist; über eine zweite der Turbineneinheit Hydraulikleitung Ausgang 25 zum Eingang des Luft Heizwendel verbunden ist, dessen Ausgang über die Hydraulikleitung verbunden ist mit dem ersten Eingang der Brennstoffzellenbatterie 14.

Der Verdampfer 4, Wärmetauscher 19 wird das Gasgemisch Wasserstoffgas-Wärmetauscher 24, Erwärmen der Luft-Wärmetauscher 25 im Wärme installiert Akkumulator 26. Der Stellantrieb in dem Nachbrenner Modus installiert, 10 ist der Temperatursensor elektrisch mit einem Absperrventil 2 über den Startblock und der Hochdruckpumpe 28 - mit einer Hochdruckpumpe 3. in der Verbrennungskammer 18 eingerichtet, der Druckschalter 27 mit dem Absperrventil elektrisch verbunden ist 17 und aus durch den 29 Kompressor fließen - mit einem Luftkompressor 21.

Vorgeschlagene Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Bevor man einen Behälter mit einem Gemisch aus 1 vodometanolovoy durch das Füllventil 30 beginnen mit einem Gemisch aus vodometanolovoy und Gasbehälter für Wasserstoff 16 gefüllt ist - durch das Füllventil 31 ist Wasserstoff.

Ausgangs ECG (Startmodus) durchgeführt, um die Verbrennungskammer 18 über das Absperrventil 17 von dem Wasserstoffgaszylinder 16 Wasserstoff zuzuführen, wobei Luft aus dem Kompressor 21 durch das Rückschlagventil 20 mit Luft versorgt.

Als Ergebnis der Verbrennung in der Verbrennungskammer 18, die Wasserstoffgas und Sauerstoffgemischen Gasstrom von Hochtemperaturverbrennungsluft durch das Rückschlagventil 22 zugeführt, in den Verdampfer 4, dem Reformer 9, Nachbrenner 11, Wärmetauscher 19 wird das Gasgemisch, wird das Ausgangssignal, das in die Atmosphäre abgegeben.

Nach Erreichen von 11, um die Temperatur in dem Nachbrenner, der in einem Nachbrenner der primären EKG beginnend mit der Startmodus Temperatursensor 10 installiert liefert 11 empfängt den Befehl, das Absperrventil 2 für die Öffnung und die Starthochdruckpumpeneinheit 28, um die Hochdruckpumpe 3, den Druck zu drehen erstellt in Hydraulikweg ECG Hochdruckpumpe 3, das Rückschlagventil 22 schließt. Der Druck in der Verbrennungskammer 18 ansteigt.

Bei Erreichen der Verbrennungskammer 18 bei dem Solldruck des Druckschalters es 27 den Befehl eingibt 17 das Absperrventil zum Verschließen und des Kompressors über den Startblock 29 - den Luftkompressor 21. In Abwesenheit des Zugriffs auf die Brennkammer 18, gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff auszuschalten der Prozess der Verbrennungsluft automatisch ist endet.

eine Hochdruckpumpe 3 vodometanolovaya Mischung im Verdampfer 4, bei hoher Temperatur (~ 450 ° C) eintritt verdampft und dem Reformer 9. In dem Reformer 9 unter hoher Temperatur und Katalysatoren chemischer Reaktionen Umwandlung eines Gasgemisches auftreten zu bilden geliefert , bestehend aus H ₂ , N, CO, CO ₂ und Wasserdampf. Weil Wasserstoffgas Reformers 9 difundiruet durch eine Palladiummembran Wasserstoffabscheider 8, dessen Ausgang Eingang mit dem Wasserstoffgas-Wärmetauscher 24. Ein Teil der Wärmeenergie durch den Wärmetauscher fließt, erwärmt auf ~ 450 ° C ist die Wasserstoffgas durch den Wärmespeicher 26 zu dem Verdampfer geleitet wird 4 Verdampfung kommenden vodometanolovoy Mischung und Erhitzen der Luft-Wärmetauscher 25 zum Erhitzen auf ~ 70 ° C von der Turbineneinheit 5 kommt mit dem ersten Eingang TE 14 Luftbatterie. Da das Wasserstoffgas-Auslaß des Wärmetauschers 24 wird der Wasserstoff mit dem zweiten Eingang FC Stapel 14 zugeführt und durch das Rückschlagventil 15 strömt in den Wasserstoffgaszylinder 16, um es nachzufüllen.

Die restlichen 9 in dem Reformer Gasgemisch einschließlich H _2, N, CO, CO ₂ und Wasserdampf, wird in den Druckregler 7, optimalen Druck in dem Reformer Bereitstellen 9 für den Betrieb und die Leistung der Palladiummembran Wasserstoffabscheider 8.

Der Ausgang des Druckreglers 7 wird die Strömung des Mischgases zu der Turbine der Turbineneinheit Eingang 6 zugeführt, bei dem Arbeitsturbine 5 spritzt Luft aus der Atmosphäre, von dem ein Teil durch das Absperrventil 12 mit einem zweiten Eingang des Nachbrenners 11, und ein Teil geliefert wird - mit dem Eingang des Wärmetauschers Erwärmen der Luft 25 aus dem Ausgangs die Luft auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird an den ersten Eingang 14 von TE Batterie versorgt.

6, die Strömung des Mischgases zu dem ersten Eintrag in dem Nachbrenner 11 zugeführt, in dem die katalytische Verbrennungsgasgemisch mit Sauerstoff strömenden Wärmeenergie zur Erwärmung des Gasgemisches in dem Reformer 9 über eine gemeinsame Wand über die Temperatur von 450 ° C von der Ausgabe der Turbineneinheit Turbine freigegeben ist ausreichend, um eine Reaktionsgasmischung chemische Umwandlung in den Reformer 9 in der katalytischen Verbrennung in Nachbrenner 11 das Gasgemisch mit Sauerstoff CO Nachbrennen auftritt.

Der Ausgang des Nachbrenners 11 durch eine Gasmischung Strömungsbegrenzer 23 mit dem Eingangsgasgemisch in den Wärmetauscher 19, der durch den Wärmetauscher 19 Abgas umweltverträgliche des Gasgemisches ermöglicht entlüften.

Die zugeführte Gasgemisch mit einem Strom von Wärmeenergie verwendet, um den Verdampfer 4 durch den Wärmespeicher 26 mit der Verdampfung von in Wärme vodometanolovoy Mischung kommt, sondern auch die eintretende Luft durch die Heizwendel 25 in die Brennstoffzellenbatterie 14 Luft zu erhitzen.

Somit macht es die vorgeschlagene Lösung es möglich, die Effizienz des ECG zu erhöhen, indem der Energieverbrauch reduziert wird. Dies wird erreicht durch:

1. Auf dem Reformer montierten Druckregler zu verlassen, so dass Sie den optimalen Druck in dem Reformer für den Betrieb und die Leistung der Palladiummembran Wasserstoff-Separator zu schaffen.

2. Die Strömung des Hochdruck am Ausgang des Druckreglers Gemisch wird für die Turbineneinheit Turbine verwendet, die Luft aus der Atmosphäre in die Batterie FC und durch das offene und das Absperrventil in dem Nachbrenner Verbrennungsorganisation zusammen mit dem Gasgemisch zugeführt, aus dem Reformer zuführt.

3. Wärmefluss von Wasserstoffgas bei einer Temperatur T ~ 450 ° C Wärme aus dem Wasserstoffabscheider zugeführt und die Hochtemperatur-Gasgemisch aus dem Nachbrenner kommenden jeweils Wasserstoffgas in dem Wärmetauscher und dem Wärmetauscher der Gasmischung, montiert mit dem Verdampfer und der Heizungswärmetauscher in der Luft Wärmespeicher, wodurch die Verdampfung des Kraftstoffs zu dem Verdampfer und Heizungsluft versorgt Eingabe der Brennstoffzellenbatterie.

Vorheizen des hydraulischen Pfad EKG auf eine Temperatur in dem Nachbrenner, der über die Startvorrichtung der Entfernung des EKG auf einem stationären Modus bereitstellt, die aus einer Verbrennungskammer, die aus einem Gaszylinder für Wasserstoff und Luft aus der Hoch durch das Rückschlagventil Kompressor eingespritzt durch die Verbrennung des ankommenden Wasserstoffgas organisiert Verbrennung des Gasgemisches aus der Atmosphäre. Erhitzen Hydraulikweg ECG wird durch Aufbringen einer hohen Temperatur der Gasmischung in der Verbrennungskammer, bis die Temperatur in der Nachbrennkammer durchgeführt wird, die einen festen Start ECG liefert.

Vorheizen des hydraulischen Pfad durch Produkte der Verbrennung von Wasserstoffgas und Luft ist weniger teuer im Vergleich zu elektrische Heizung liefert, die zusätzliche Energie erfordert das Gerät und die Batterie mit Strom zu versorgen. Energetisch gerechtfertigt und Sauerstoff als das Oxidationsmittel aus der Luft für die Brennstoffzellen-Batterien sowie für eine Nachbrennkammer und der Startvorrichtung verwendet werden.

Vorgeschlagene elektrochemische Generator kann verwendet werden, sowohl in Fahrzeugen und zusätzlichen Strom an die verschiedenen Bedürfnisse der Industrie zu erzeugen.

FORDERUNGEN

Elektrochemischer Generator einen Brennstoffzellenstapel umfasst, den Verdampfer, den Reformer, der Wasserstoff-Separator mit einer Palladium-Membran, ein Nachbrenner, einen Temperatursensor in dem Nachbrenner, eine Drossel stromabwärts von dem Nachbrenner, dadurch gekennzeichnet, dass es Turbine mit einer Turbine umfasst, eine Verbrennungskammer, die Wärmetauscher der Gasmischung, aus gasförmigem Wasserstoff, Luftheizung, Wärmespeicher, Luftkompressor, Gas für Wasserstoff-Betankungsventil, ein Behälter mit einer Mischung aus vodometanolovoy mit Füllventil, Druckschalter; wobei mit vodometanolovoy Mischung der Ausgangskapazität über ein Absperrventil mit einem Füllventil und einer Hochdruckpumpe in Verbindung mit dem Einlass des Verdampfers und durch ein Rückschlagventil mit dem Auslass der Verbrennungskammer verbunden ist, ist der Startmodus Sensor zu einem Absperrventil und Auslöseeinheit Hochdruckpumpe elektrisch verbunden, wobei der Ausgang des Verdampfers in Verbindung mit dem Einlaß des Reformers, dessen Ausgang über eine Turbine Turbineneinheit Druckreglerausgang verbunden ist, der mit dem ersten Eingang des Nachbrenners in Verbindung steht, und dessen zweiter Eingang über ein Absperrventil mit dem Ausgang des Turbineneinheit verbunden ist, berichtet der Luft am Eingang und der Ausgang des Nachbrenners durch die Drossel kommuniziert mit Eintritt in den Wärmetauscher der Gasmischung Ausgang mit der Atmosphäre in Verbindung steht, während die Ausgangsturbineneinheit mit dem Spuleneinlaß Luftvorwärmung in Verbindung steht, dessen Ausgang mit dem ersten Eingang des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, der Ausgang des Wasserstoffabscheider zum Einlaß Wasserstoffgas-Wärmetauscher, dessen Ausgang verbunden ist mit einem zweiten Eingang des Brennstoffzellenstapels und durch ein Rückschlagventil - mit dem Gaszylinder für Wasserstoff, das Wasserstoff-Separator in Kontakt durch eine Palladiummembran Reformers, die wiederum in Kontakt mit dem Nachbrenner durch die gemeinsame Wand, der Verdampfer, der Wärmetauscher der Gasmischung, der Wärmetauscher Wasserstoffgas und ein Wärmetauscher Erwärmen der Luft kombiniert werden, in einem gemeinsamen Gehäuse Wärmekapazität Füllstoff, einen Wärmespeicher bildet, wobei der erste Eingang der Verbrennungskammer durch das Absperrventil Auslassgas Zylinder für Wasserstoff und seinem zweiten Eingang über ein Rückschlagventil mit einem Luftkompressor mit einem Einlaß in Verbindung mit der Atmosphäre, die Verbrennungskammer ist mit einem Druckschalter, der elektrisch kommuniziert mitgeteilt ist jeweils mit der Verdichtereinheit zugeordnet ist, und Gaszylinder Absperrventil für die Wasserstoffleitung aus - der Verbrennungskammer.

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Erscheinungsdatum 06.02.2007gg

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