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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug unter Verwendung einer AMTEC-Einrichtung.
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Wie allgemein bekannt ist, verfügen herkömmliche Kraftfahrzeuge, die derzeit die ganz überwiegende Mehrheit aller zugelassenen Kraftfahrzeuge darstellen, über eine Brennkraftmaschine, zu dessen Betrieb ein Brennstoff benötigt wird. Mit der Brennkraftmaschine wird nicht nur die für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs erforderliche Leistung erzeugt, sondern mittels einer Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie auch der elektrische Strom, der für die Nebenaggregate des Kraftfahrzeugs erforderlich ist. Bei Hybrid-Fahrzeugen wird die Brennkraftmaschine durch eine Elektromaschine ergänzt, die den für ihren Betrieb erforderlichen Strom aus einem Speicher für elektrische Energie (wiederaufladbare Batterie) bezieht. Daneben sind rein elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge bekannt, die zur Reichweitenverlängerung eine Brennkraftmaschine aufweisen können, mit der ein Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie angetrieben werden kann. Der Brennstoff für die Brennkraftmaschinen wird derzeit ganz überwiegend aus fossilen Erdöl-Vorräten gewonnen.
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Wie ebenfalls allgemein bekannt ist, sind die Vorräte an fossilen Erdöl-Vorräten begrenzt und es ist in den kommenden Jahrzehnten mit einer Verknappung bzw. Erschöpfung dieser Ressource und damit einem starken Preisanstieg zu rechnen.
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Vor diesem Hintergrund werden umfangreiche Bemühungen zur Bereitstellung von alternativen Brennstoffen unternommen. Eine vorbekannte mögliche Alternative zu aus fossilem Erdöl gewonnenen Kohlen-Wasserstoff-Brennstoffen stellen dabei Silane, insbesondere flüssige Silane (SinHm; m = 2n + 2 bei acyclischen Silanen; m = 2n bei cyclischen Silanen; n ≥ 3) dar, die sich dadurch auszeichnen, dass bei ihrer Verbrennung an Luft keine kohlenstoffhaltigen Gase entstehen.
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Verfahren zur Herstellung von Silanen unter Verwendung von ölhaltigen Sanden oder Schiefer sind beispielsweise in den Druckschriften
DE 10 2006 021 960 A1 ,
WO 2007/141017 A2 und
DE 10 2007 058 654 A1 beschrieben.
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Und die
DE 10 2007 028 444 A1 beschreibt einen Hybridantrieb zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs. Dabei werden höhere Silane thermisch in Siliciumradikale und Wasserstoff gespalten. Zur Stromerzeugung wird das Gemisch zunächst in eine Brennstoffzelle geleitet und danach in eine Brennkammer, an die eine Turbine mit Stromgenerator angeschlossen ist.
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Alle oben beschriebenen Anwendungen von Silanen als flüssige Brennstoffe in krafterzeugenden Maschinen und Brennstoffzellen weisen den Nachteil auf, dass wesentliche Teile der Maschine besonders in der Brennkammer und den Abgassträngen dem abrasiven Verschleiß von festen Partikeln aus Siliciumoxid(en) und Siliciumnitrid ausgesetzt sind, die bei der Verbrennung der Silane entstehen. Ein vorzeitiges mechanisches Versagen in Brennstoffzellen, Kolbenmaschinen und Turbinen ist deshalb zu erwarten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein System und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem Silan/Silane zur Gewinnung von Energie in Kraftfahrzeugen ohne vorzeitigen Verschleiß der hierbei verwendeten Komponenten des Kraftfahrzeugs verwendet werden können. Diese Aufgabe wird gelöst durch das System gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein System zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es einen Brennstofftank für Silan(e), eine Brennstoffdosiereinrichtung, eine Verbrennungsluftzuführungseinrichtung, eine Brennkammer zur Verbrennung von Silan(en) sowie eine AMTEC-(Alkali Metal Thermal To Electric Converter)-Einrichtung aufweist, an die bei der Verbrennung entstehende Verbrennungswärme übertragen wird und mit der elektrischer Strom gewonnen wird, der einer fahrzeugseitigen Einrichtung zur Verfügung gestellt wird.
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Aus dem Stand der Technik sind sogenannte AMTEC-(Alkali Metal Thermal to Electric Converter)-Systeme bekannt, mit denen thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Hierzu befindet sich in zwei durch einen keramischen Elektrolyt bzw. eine keramische Membran voneinander getrennten Räumen ein Alkalimetall, bei den derzeit gebräuchlichen Ausführungsformen üblicherweise Natrium. In einen der beiden Räume liegt das Alkalimetall bei einer höheren Temperatur und damit mit einem höheren Dampfdruck vor, als das Alkalimetall in dem anderen der beiden Räume, das bei einer niedrigeren Temperatur und damit auch einem geringeren Dampfdruck vorliegt.
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Durch die keramische Membran bzw. den keramischen Elektrolyt, welcher beispielsweise als ß-Aluminiumoxid mit einem geringen Anteil des jeweiligen Alkalimetalls ausgebildet ist, können nun Teilchen des Alkalimetalls von der Seite mit dem hohen Dampfdruck zur Seite mit dem niedrigen Dampfdruck wandern. Dieser Vorgang ist jedoch nur in einer ionisierten Form der Alkalimetallatome möglich, so dass es zu einer Potentialdifferenz zwischen den beiden Seiten der keramischen Membran kommt, welche über Elektroden abgegriffen werden kann.
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Bei einer entsprechenden Verbindung der Elektroden über einen elektrischen Verbraucher kann dem AMTEC-System somit elektrische Leistung entnommen werden. Das Alkalimetall, welches durch die Membran gewandert ist, kann über die Kapillarwirkung eines Dochtsystems oder dergleichen (z. B. mittels einer Pumpe) zurück in den Raum mit der höheren Temperatur gebracht und dort wieder verdampft werden. Hierdurch wird bei dem AMTEC-System ein Alkalimetall-Stoffkreislauf realisiert.
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Um die erforderliche Temperaturdifferenz, welche bei der Verwendung von Natrium bei ca. 800°C liegt, aufrecht zu erhalten, muss der Raum mit den höheren Temperaturen für das Natrium mit dem höheren Dampfdruck beheizt werden, während der Raum mit dem Natrium bei niedrigerem Dampfdruck gegebenenfalls gekühlt werden kann oder muss.
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Die
EP 0 306 624 A1 beschreibt den Aufbau und Details eines mit Dampf beheizten AMTEC-Systems. Das AMTEC-System gemäß dieser Offenlegungsschrift weist einen Aufbau mit konzentrischen, zylindrischen, röhrenförmigen Keramikelementen auf, welche den zylindrischen Außenraum des AMTEC-Systems von dem entsprechenden zylindrischen Innenraum des Systems trennen. Dabei sind die Versorgung des AMTEC-Systems mit Dampf bzw. Heißdampf und eine Kühlung zur Erzeugung der erforderlichen Temperaturdifferenz vorgesehen. Die Rückführung des Natriums aus dem Raum mit niedrigerer Temperatur (niedrigem Dampfdruck) in den Raum mit der höheren Temperatur (höheren Dampfdruck) erfolgt hier mit Hilfe einer Pumpe. Der in
EP 0 306 624 A1 beschriebene Aufbau eignet sich aufgrund der sich ergebenden Größe des Systems insbesondere für eine stationäre Anlage, wie beispielsweise im Kraftwerksbereich oder dergleichen.
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Aus der
US 5,228,922 ist ein Hochspannungs-AMTEC-System bekannt, welches die Zusammenfassung von mehreren zylindrischen AMTEC-Zellen zu einem, eine vergleichsweise hohe Spannung liefernden AMTEC-System beschreibt.
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Und die
DE 100 33157 A1 hat ein Verfahren zum Bereitstellen von elektrischer Energie für elektrische Verbraucher in einem Kraftfahrzeug zum Gegenstand, wobei das Kraftfahrzeug über einen Speicher für ein gasförmiges oder flüssiges Medium verfügt, aus welchem durch eine Verbrennung, insbesondere in einer Brennkraftmaschine, thermische und gegebenenfalls mechanische Energie für das Kraftfahrzeug gewonnen wird, wobei zumindest ein Teil der thermischen Energie über eine AMTEC-Einheit in elektrische Energie umgewandelt und für elektrische Verbraucher (Bordnetz) in dem Kraftfahrzeug bereitgestellt wird.
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Auch bei dem erfindungsgemäßen System erfolgt die Bereitstellung der elektrischen Energie mit Hilfe einer AMTEC-Einrichtung, wobei für die vorliegende Erfindung jede aus dem Stand der Technik bekannte und in Zukunft bekannt werdende AMTEC-Einrichtung verwendbar ist. Zum Betrieb der AMTEC-Einrichtung wird erfindungsgemäß Brennstoff in Form von einem Silan oder einer Mischung aus verschiedenen Silanen zusammen mit Verbrennungsluft einer Brennkammer zugeführt und unter Freisetzung von Wärme verbrannt. Die Verbrennungswärme wird vor AMTEC-Einrichtung aufgenommen bzw. an diese übertragen und direkt ohne mechanisch sich bewegende Komponenten als elektrischer Strom an das Kraftfahrzeug abgegeben.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems weist dieses weiter eine auswechselbare Filtereinrichtung zur Abtrennung von bei der Verbrennung des Silans/der Silane entstehender Feststoffpartikel auf.
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Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems weist dieses weiter eine Restwärmetauschereinrichtung auf.
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Gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems bestehen die Prozessgasen ausgesetzten Flächen des Systems aus einem keramischen oder Email-Material und/oder sind mit einem Keramik- oder Email-Material beschichtet.
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Weiter ist es von Vorteil, wenn bei dem erfindungsgemäßen System die AMTEC-Einrichtung Strom liefernde Flachzellen umfasst, die Aluminiumoxid-Hohlkörper aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug mit den Schritten: Bereitstellen eines Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, Zuführen von Silan(en) aus dem Brennstofftank und von Verbrennungsluft mittels der Verbrennungsluftzuführungseinrichtung in die Brennkammer, Verbrennen des Silans/der Silane in der Brennkammer und Übertragen von dabei entstehender Verbrennungswärme zu der AMTEC-Einrichtung, Gewinnen von elektrischem Strom mittels der AMTEC-Einrichtung und zur Verfügung stellen des gewonnenen elektrischen Stroms einer fahrzeugseitigen Einrichtung.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden mittels einer auswechselbaren Filtereinrichtung bei der Verbrennung des Silans/der Silane entstehende Feststoffpartikel abgetrennt.
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Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird mittels einer Restwärmetauschereinrichtung Restwärme einer fahrzeugseitigen Einrichtung zur Verfügung gestellt und/oder zur Vorwärmung des Silans/der Silane verwendet.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems. Die Darstellungen in der Figur sind rein schematisch und nicht maßstabsgerecht.
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Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
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Wie in der Figur schematisch dargestellt ist, weist das erfindungsgemäße System 1 zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug einen Brennstofftank 2 für Silan(e), eine Brennstoffdosiereinrichtung 3, eine Verbrennungsluftzuführungseinrichtung 4, eine Brennkammer 5 zur Verbrennung von Silan(en) sowie eine AMTEC-Einrichtung 6 auf, an die bei der Verbrennung entstehende Verbrennungswärme übertragen wird und mit der elektrischer Strom gewonnen wird, der wenigstens einer (in der Figur nicht dargestellten) fahrzeugseitigen Einrichtung zur Verfügung gestellt wird.
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Bei der Brennkammer 5 handelt es sich um eine solche, in der im Gegensatz von zum Beispiel einer Hubkolbenmaschine oder einer Turbine keine beweglichen Teile vorhanden sind. Somit können die bei der Verbrennung von Silan(en) entstehenden Feststoffpartikel auch keine Abrasionsschäden an der Brennkammer anrichten.
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Die bei der Verbrennung des Silans/der Silane entstehende Verbrennungswärme wird von der AMTEC-Einrichtung 6 aufgenommen oder an sie übertragen. Im einfachsten Fall werden die Verbrennungsgase einfach an der/den Zelle(n) 9 der AMTEC-Einrichtung 6 vorbeigeleitet, wobei eine Wärmeübertragung von den Verbrennungsgasen zu den Zellen 9 stattfindet. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die Prozessgasen ausgesetzten Flächen der AMTEC-Einrichtung 6 aus einem keramischen oder Email-Material bestehen und/oder mit einem verschleißfesten Keramik- oder Email-Material beschichtet sind. Derartige Materialien sind besonders verschleißfest. Da die Zelle(n) 9 der AMTEC-Einrichtung 6 immer einen Raum mit einer höheren Temperatur und einen Raum mit einer niedrigeren Temperatur aufweisen muss/müssen, ist es von Vorteil, die Verbrennungswärme überwiegend zu der Kammer zu übertragen, die die höhere Temperatur aufweisen soll, um so den erforderlichen technischen Aufwand, eine ausreichend hohe Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kammern einer AMTEC-Zelle zu erreichen, möglichst gering zu halten.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 1 kann vorgesehen sein, dass die bei der Verbrennung entstehende Wärme über ein Wärmetauschersystem zu der AMTEC-Einrichtung 6 übertragen werden. Im einfachsten Fall kann hierbei die Verbrennungswärme durch die Wandung der Brennkammer 5 hindurch zu der AMTEC-Einrichtung 6 übertragen werden.
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Der gewonnene und zur Verfügung gestellte elektrische Strom kann beispielsweise zum Antrieb des/der Traktionsmotors/Traktionsmotoren von zumindest teilweise elektromotorisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, zum Laden von wiederaufladbaren Batterien und/oder zum Betreiben von Nebenaggregaten des Kraftfahrzeugs, wie Beleuchtungseinrichtungen, Scheinwerfern, Heizungsanlage, Klimaanlage, Radio, Multimedia-Anlage, etc. verwendet werden.
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Wie in der Figur weiter schematisch dargestellt ist, weist das System in vorteilhafter Weise auch eine auswechselbare Filtereinrichtung 7 zur Abtrennung von bei der Verbrennung des Silans/der Silane entstehender Feststoffpartikel auf.
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Wie in der Figur ebenfalls gezeigt ist, kann das System weiter auch eine Restwärmetauschereinrichtung 8 aufweisen, mit dem im Verbrennungsgas vorhandene, für die AMTEC-Einrichtung nicht verwendbare oder nicht verwendete Restwärme übertragen werden kann. Diese Restwärme kann dann wenigstens einer fahrzeugseitigen Einrichtung zur Verfügung gestellt werden. Bei dieser fahrzeugseitigen Einrichtung wird es sich in der Regel um eine Heizeinrichtung handeln, mit der beispielsweise die Luft des Innenraums, das Motorkühlwasser, Sitz(e), das Lenkrad, etc. des Kraftfahrzeugs temperiert werden kann. Alternativ oder ergänzend kann die durch die Restwärmetauschereinrichtung 8 gewonnene Restwärme zur Vorwärmung des Silans/der Silane verwendet werden.
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In vorteilhafter Weise bestehen alle Prozessgasen ausgesetzten Flächen des Systems
1 aus einem keramischen oder Email-Material und/oder sind mit einem Keramik- oder Email-Material beschichtet. Dieses gilt – wie oben bereits erwähnt – auch für die Strom liefernden Zellen der AMTEC-Einrichtung
6, die als Flachzellen
9 ausgebildet sein und verschleißfeste Aluminiumoxid-Hohlkörper aufweisen können, wie dies in der
DE 10 033 157 A1 beschrieben ist.
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Im Idealfall wird die Strömung der Prozessgase vom Einlass bis zum Auslass derart gesteuert, dass sie isobar oder quasi isobar erfolgt. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Strömungsgeschwindigkeit so niedrig gewählt wird, dass kein nennenswerter abrasiver Verschleiß an den Komponenten des Systems 1 auftritt.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug unter Verwendung des erfindungsgemäßen Systems 1 gemäß den Ansprüchen 6 bis 8.
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Für die für das erfindungsgemäße System 1 verwendbaren Komponenten und Einrichtungen gelten keine besonderen Einschränkungen oder Anforderungen und es können alle geeigneten Komponenten und Einrichtungen verwendet werden. Einem Fachmann sind derartige Komponenten und Einrichtungen bekannt. Gleiches gilt für den Aufbau des erfindungsgemäßen Systems 1, dem Zusammenwirken der einzelnen Komponenten des Systems sowie der Materialwahl. Die für das System 1 unter den verschiedenen Gesichtspunkten optimalen Prozessparameter kann ein Fachmann mit einigen wenigen Versuchen ermitteln.
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Das erfindungsgemäße System ist nicht auf die Verwendung von flüssigen Silanen beschränkt, auch wenn diese bevorzugt verwendet werden. Selbstverständlich können auch gasförmige Silane verwendet werden. Auch können als Brennstoff eine einzige Silanart verwendet werden, oder eine Mischung aus mehreren verschiedenen Silanen. Je nach verwendeter Silanart bzw. Mischung von Silanen wird ein Fachmann die geeignete Brennstoffdosiereinrichtung 3 wählen, die Verbrennungsluftzufuhr einstellen, etc.
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Das erfindungsgemäße System 1 kann weitere, hier nicht ausdrücklich erwähnte Komponenten aufweisen, wie beispielsweise Regel- und Steuereinrichtungen, mit denen der Verbrennungsvorgang des Silans/der Silane, die Temperatur der Verbrennungsgase, die Geschwindigkeit der Prozessgase im Inneren des Systems, die Entleerung der auswechselbaren Filtereinrichtung 7, die Restwärmetauschereinrichtung 8, etc. gesteuert und/oder geregelt werden können. Auch kann das erfindungsgemäße System 1 selbstverständlich ein Dochtsystem oder dergleichen (z. B. Pumpe) aufweisen, mit der das Alkalimetall zurück in den Raum mit der höheren Temperatur gebracht werden kann, um einen Alkalimetall-Stoffkreislauf zu realisieren.
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Durch die vorliegende Erfindung werden ein System und ein Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug unter Verwendung einer AMTEC-Einrichtung 6 zur Verfügung gestellt. Dabei werden als Brennstoff Silan(e), bevorzugt flüssige(s) Silan(e) eingesetzt, die umweltneutral zu festen Siliciumoxid(en), Siliciumnitrid und Wasser verbrennen.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Verwendungen von Silan(en) als Brennstoff sind insoweit von Nachteil, als ihre Verwendung in klassischen Verbrennungsmotoren und Turbinen nicht geeignet ist. Auch eine Brennstoffzelle nimmt aufgrund der bei der Verbrennung von Silan(en) entstehenden Feststoffpartikel Schaden.
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Diese Nachteile werden durch die vorliegende Erfindung überwunden. Bei einer AMTEC-Einrichtung 6 existieren keine bewegten Teile, keine hohen Gasdrücke oder schnelle Gasströmungen. Des Weiteren ermöglicht eine AMTEC-Einrichtung 6 eine einfache Prozessführung, weil nur die Verbrennungswärme – im optimalen Fall isobar – genutzt wird. Die Oberflächen in der Brennkammer 5 müssen lediglich den Prozessgasen standhalten und gegebenenfalls die Wärme weiterleiten. Sie müssen im Gegensatz zu einer Brennstoffzelle jedoch nicht auch durchlässig für Gase sein.
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Weitere Vorteile die vorliegenden Erfindung ergeben sich dadurch, dass für elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge Fahrzeugreichweiten erzielt werden können, die denen heutiger Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor entsprechen oder doch nahe kommen. Bei der Verbrennung von Silan(en) entstehen keine kohlenstoffhaltigen Abgase an die Umwelt. Flüssige(s) Silan(e) kann/können ähnlich wie derzeit übliche Treibstoffe (Benzin, Diesel, LPG) einfach an Tankstellen getankt werden. Und durch die Verwendung von Silan(en) ergibt sich eine Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System
- 2
- Brennstofftank
- 3
- Brennstoffdosiereinrichtung
- 4
- Verbrennungsluftzuführungseinrichtung
- 5
- Brennkammer
- 6
- AMTEC-Einrichtung
- 7
- Filtereinrichtung
- 8
- Restwärmetauschereinrichtung
- 9
- Zellen der AMTEC-Einrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006021960 A1 [0005]
- WO 2007/141017 A2 [0005]
- DE 102007058654 A1 [0005]
- DE 102005005934 A1 [0006]
- DE 102006038912 A1 [0006]
- DE 102006009907 A1 [0006]
- DE 102007028444 A1 [0007]
- EP 0306624 A1 [0015, 0015]
- US 5228922 [0016]
- DE 10033157 A [0017]
- DE 10033157 A1 [0035]
