Untersuchung der Eignung eines neuartigen Verfahrens zur Erzeugung von Wasserstoff mit Hilfe von Silizium für den Einsatz in Kraftfahrzeugen [online]

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur technischen
Wasserstofferzeugung zur Zersetzung von Wasser durch Silizium
untersucht, das im Wesentlichen nach der Reaktion
Si + 2 H2O ? SiO2 ? + 2 H2 ?
abläuft. Besonders wird dabei berücksichtigt, ob sich das
Verfahren für den Einsatz in Brennstoffzellen-Pkw eignet.
Die technisch nutzbare Wasserstofferzeugung mit Silizium ist nur
durch die Zersetzung von alkalischen Laugen bei Temperaturen
über 60 °C möglich. Dabei verbraucht sich die Alkalilauge, so
dass zuerst ein Teilverfahren zur Laugeregeneration gesucht
wird, bei dem wasserfreies Siliziumdioxid abgeschieden wird. Wie
die Literatur und eigene experimentelle Untersuchungen zeigen,
muss die verbrauchte Lauge auf mindestens 200 °C erhitzt werden,
damit wasserfreies Siliziumdioxid in der Form von Quarz
auskristallisiert.
Im ersten Teil der Arbeit wird das Verfahren theoretisch mittels
einer mathematischen Funktion, welche die Löslichkeit von Quarz
in Abhängigkeit der Temperatur und der Alkalizusammensetzung
beschreibt, untersucht. Ein Verfahrensablauf für den Einsatz in
Fahrzeugen wird beschrieben, der eine ausreichend hohe
... mehr
Lastspreizung bei möglichst hohem Gesamtwirkungsgrad sicherstellt.
Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Vorentwurf für einen Apparat
zur Umsetzung des beschriebenen Verfahrensablaufs entwickelt, um
zu überprüfen, ob das Verfahren nach dem derzeitigen
Kenntnisstand bereits für den vorgesehenen Einsatzfall geeignet
ist. Die Dimensionierung des Apparates und der einzelnen
Teilapparate erfolgt mittels Analogiebetrachtungen zum
geläufigen Stand der Technik. Ein Apparat für ein
Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer Antriebsleistung von 50 kW
wiegt 242 kg und braucht einen Bauraum von 104 l. Einschließlich
eines 30%-igen Zuschlags für Rohrleitungen, Gestell und
Isolation sowie eines Siliziumvorrats für 10 kg Wasserstoff
betragen das Gesamtgewicht 389 kg und der Gesamtbauraum 195 l.
Damit überschreitet das System die Bauraumanforderungen um ein
Drittel, jedoch liegt das Gewicht fast 100% über den
Anforderungen. Damit ist die Wasserstofferzeugung mit Hilfe von
Silizium für den Serieneinsatz in Pkw noch nicht geeignet,
jedoch stellt sie in Verbindung mit Brennstoffzellen eine sicher
handhabbare gewichts- und kostengünstige Alternative zu
Batteriesystemen dar, die in Nischenanwendungen bereits sinnvoll
eingesetzt werden kann.

Abstract

This report concerns a procedure for the technical generation of
hydrogen to decompose water by silicon essentially according to
the following reaction:
Si + 2 H2O ? SiO2 ? + 2 H2 ?
Particular attention is given to the question of whether this
procedure is suitable for use in passenger car fuel cells.
The technically useful generation of hydrogen with silicon can
only be accomplished by decomposing alkaline solutions at
temperatures above 60°C. The alkaline solution is consumed in
the process, therefore a subprocess is sought to regenerate the
alkaline solution in which water-free silicon dioxide is
precipitated. As shown in the literature and a few experimental
investigations, the consumed alkaline solution must be heated to
at least 200°C so that water-free silicon dioxide crystallized
in the form of quartz.
In the first part of this report, the procedure is theoretically
investigated using a mathematical function that describes the
solubility of quartz as a function of temperature and the alkali
composition. A strategy for the use of the procedure in
vehicles is described that ensures a sufficiently high load
distribution with maximum overall efficiency.
In the second part of the report, a preliminary draft is
developed of an apparatus for implementing the described
procedure to examine if the procedure is suitable for the
intended use given the present level of technology. The
apparatus and the individual components are dimensioned by
considering analogies with the present state of the art. An
apparatus for a fuel cell vehicle with a propulsion power of 50
kW weighs 242 kg and requires an installation space of 104 l.
Add to this an additional 30% for pipes, frame and insulation as
well as a silicon supply for 10 kg hydrogen, and the overall
weight is 389 kg, and the installation space is 195 l. The
system hence exceeds the installation requirements by one-third,
and the weight is nearly 100% above requirements. The generation
of hydrogen by means of silicon is therefore unsuitable for mass
production in passenger cars, however in conjunction with fuel
cells, it represents an easily manageable, low-weight and
low-cost alternative to battery systems that can be immediately
useful in certain niche applications.