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 ? ablauft. Besonders wird dabei berucksichtigt, ob sich das Verfahren fur den Einsatz in Brennstoffzellen-Pkw eignet. Die technisch nutzbare Wasserstofferzeugung mit Silizium ist nur durch die Zersetzung von alkalischen Laugen bei Temperaturen uber 60 °C moglich. 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 Loslichkeit von Quarz in Abhangigkeit der Temperatur und der Alkalizusammensetzung beschreibt, untersucht. Ein Verfahrensablauf fur den Einsatz in Fahrzeugen wird beschrieben, der eine ausreichend hohe Lastspreizung bei moglichst hohem Gesamtwirkungsgrad sicherstellt. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Vorentwurf fur einen Apparat zur Umsetzung des beschriebenen Verfahrensablaufs entwickelt, um zu uberprufen, ob das Verfahren nach dem derzeitigen Kenntnisstand bereits fur den vorgesehenen Einsatzfall geeignet ist. Die Dimensionierung des Apparates und der einzelnen Teilapparate erfolgt mittels Analogiebetrachtungen zum gelaufigen Stand der Technik. Ein Apparat fur ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer Antriebsleistung von 50 kW wiegt 242 kg und braucht einen Bauraum von 104 l. Einschlieslich eines 30%-igen Zuschlags fur Rohrleitungen, Gestell und Isolation sowie eines Siliziumvorrats fur 10 kg Wasserstoff betragen das Gesamtgewicht 389 kg und der Gesamtbauraum 195 l. Damit uberschreitet das System die Bauraumanforderungen um ein Drittel, jedoch liegt das Gewicht fast 100% uber den Anforderungen. Damit ist die Wasserstofferzeugung mit Hilfe von Silizium fur den Serieneinsatz in Pkw noch nicht geeignet, jedoch stellt sie in Verbindung mit Brennstoffzellen eine sicher handhabbare gewichts- und kostengunstige 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.