Silanbetriebene Brennstoffzelle

Beschreibung:

Silizium ist ein dem Kohlenstoff verwandtes Element. Gehandelt wird es für viele Zwecke nur in hochreinem Zustand, z.B. in der Halbleitertechnik und im Einsatz für Solarzellen. Für solche Zwecke werden aus langen Stangen hochreinen Siliziums sogenannte "Waver" gesägt. Das sind dünne Platten, aus denen dann ihrerseits Computer-Chips gemacht werden.

Zur Herstellung sehr dünner Siliziumschichten ist der Weg über Waver ungeeignet. Ergänzend sind deshalb verschiedene Siliziumverbindungen im Handel, meistens Halogensilane und Or- ganylsilane. Mit Hilfe dieser Stoffe werden unter anderem dünne Siliziumschichten auf einem Trägermaterial durch Aufdampfen erzeugt. Das heißt: Die Substituenten des Siliziums (z.B. Chlor, Methylgruppen, Wasserstoff) werden durch Pyrolyse oder Gasentladung getrennt und das reine Silizium verbleibt auf dem Träger. So werden zum Beispiel die meisten Solarzellen mit Silizium beschichtet.

Reine Silizium- Wasserstoffverbindungen - das sind chemisch korrekt die eigentlichen Silane - werden ebenfalls nach dem Stand der Technik angeboten, und zwar zu den gleichen Prozessen. Längere Moleküle als Mono- und Disilan, also ein oder zwei Siliziumatome plus Wasserstoff, findet man dabei auf dem Markt nicht. Dies deshalb, weil nur Mono- und Disilan bei Zimmertemperatur gasförmig sind. Zur Beschichtung mit Silizium im Wege der Silanzersetzung durch Pyrolyse oder Gasentladung eignen sich gasförmige Silane besser als flüssige.

Die Verwendung von Silan, die dazu dient, dass Silizium auf einen Träger aufgebracht wird, hat zur Folge, dass der freiwerdende Wasserstoff nur Abfallprodukt ist.

Nach dem Stand der Technik ist auch die umgekehrte Verwendung von Silan bekannt:

Silan wird als Brennstoff verbrannt. Verbrannt wird es mit dem Sauerstoff und dem Stickstoff der Luft zu den chemisch toten Verbindungen Siliziumoxid und Siliziumnitrid. über das Versuchsstadium ist das aber nicht hinausgekommen. Der wesentliche Nachteil dieser Verwendung ist, dass das wertvolle Silizium als Brennstoff verloren geht.

ERSATZBLATT

Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, Silane so zu verwenden, dass ihr Wasserstoff nutzbar wird und das Silizium erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird erfinderisch damit gelöst, dass Silane im Wege der Pyrolyse eingesetzt werden (Anspruch 1). „Pyrolyse" ist ein chemischer Sammelbegriff für die Hitzezersetzung von Stoffen unter Ausschluss von Sauerstoff bzw. Luft.

Dabei können Silane eingesetzt werden, deren Rohstoff verunreinigtes Silizium war, das für die eingangs dargestellten Prozesse ungeeignet wäre. Dies deshalb, weil jede Pyrolyse einen Reinigungseffekt hat mit der Folge, dass das Silizium nach einer Pyrolyse reiner ist als zuvor (Anspruch 2). Auf diese Weise führt die Verwendung von Silan nach der Erfindung dazu, dass Silizium mit einem so hohen Reinheitsgrad entsteht, dass es als Ausgangsmaterial für die Halbleiterindustrie und für Beschichtungsverfahren geeignet ist.

Das marktgängige Mono- und Disilan haben einen Nachteil, der die praktische Verwendung beeinträchtigt:

Sie sind an Luft selbstentzündlich. Auch Silane mit einer Kettenlänge bis fünf Siliziumatomen, die bereits flüssig sind, können noch selbstentzündlich sein. Jedenfalls ist Silan ab Cyclopentasilan sowie Hexasilan nicht mehr selbstentzündlich. Insbesondere für mobile Verwendungszwecke können diese längerkettigen Polysilane in gleicher Weise gehandhabt werden wie übliche flüssige Brennstoffe wie beispielsweise Benzin oder Alkohol (Anspruch 3).

Zur Herstellung von Silanen für ihre- Verwendung nach der Erfindung werden folgende Verfahren vorgeschlagen:

Die Müller-Rochow-Synthese ist Stand der Technik. Danach wird Silizium mit Chlormethan aufgeschlossen und es entstehen verschiedene Chlor-Methyl-Silane. In einem nachgeschalteten Verfahren wird nun Wasserstoff im überschuss zugegeben. Nach dem Massenwirkungsgesetz führt dies dazu, dass ein Teil der Chlor-Methyl-Silane in „reine" Wasserstoffsilane umgewandelt werden. Diese lassen sich aus dem Reaktionsgemisch destillieren oder filtrieren (Anspruch 4).

Zur Herstellung des Silans zur Verwendung nach der Erfindung wird alternativ eine weitere Abwandlung der Müller-Rochow-Synthese vorgeschlagen: Zum feinpulverisierten verwirbelten Silizium wird bereits im ersten Verfahrensschritt Wasserstoffgas eingetragen (Anspruch 5).

Zur Herstellung des besonders verwendungstauglichen Polysilans nach Anspruch 2 wird als Verfahren vorgeschlagen, Disilan über eine Polymerisierungsreaktion analog zur Polymerisierung von Ethen herzustellen. Dieses Verfahren ist für Polyethylen längst Stand der Großtechnik. Auf diese Weise werden neben Kunststoffen auch synthetische Benzine und öle hergestellt (Anspruch 6).

Die Verwendung von Silan nach der Erfindung bietet sich für Brennstoffzellen (1) an (Anspruch 7). Wasserstoff, der mit der Pyrolyse des Silans gewonnen wurde, wird durch eine Wasserstoffleitung (2) in die Brennstoffzelle eingeleitet. Mit der durch die Luftleitung (3) eingeleiteten Luft entsteht elektrischer Strom, der durch eine Stromleitung (4) abgeführt wird, sowie Wasser, das durch eine Wasserleitung (5) abfließt.

Diese Verwendung wird einmal für stationäre Brennstoffzellen vorgeschlagen, die nach dem Stand der Technik bereits eingesetzt werden, beispielsweise zur Ausnutzung von Wasserstoff, der bei industriellen Prozessen anfällt. Für stationäre Brennstoffzellen ist der Einsatz von selbstentzündlichen Silanen technisch beherrschbar (Anspruch 8).

Silane lassen sich nach der Erfindung ebenso in mobilen Brennstoffzellen, insbesondere im Kfz-Bereich, verwenden, wobei in der Regel die Verwendung von Silanen mit einer höheren Kettenlänge ab Cyclopentasilan bzw. Hexasilan und aufwärts vorteilhaft ist (Anspruch 9).

Für den Betrieb einer Brennstoffzelle mit Silan nach der Erfindung wird sie mit folgenden technischen Merkmalen vorgeschlagen:

Das Silan wird über eine Silanleirung (6) zu einem Pyrolyseraum (7) geleitet, in dem die Pyrolyse mit der Folge abläuft, dass dort atomares festes Silizium und Wasserstoffgas freigesetzt werden. (Anspruch 10).

Sowohl für die stationäre wie auch für die mobile Brennstoffzelle ist es vorteilhaft, wenn sie mit einem Silantank (8) ausgestattet ist, von dem die Silanleitung (6) zum Pyrolyseraum (7) führt (Anspruch 11).

Besonders vorteilhaft ist es, wenn Pyrolyseraum und Brennstoffzelle zumindest dort eine gemeinsame Wand (9) haben, wo sich die Brennstoffzelle beim Betrieb stark erwärmt (Anspruch 12).

Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese gemeinsame Wand (9) aus einem gut wärmeleitenden Material besteht (Anspruch 13).

Dies hat zwei Effekte. Einmal wird in der Startphase der Pyrolyseraum durch die Brennstoffzelle zur Betriebstemperatur für die Pyrolyse aufgewärmt. Im Zuge der anschließenden Pyrolyse wird der Effekt dann umgekehrt: In Folge ihres Wärmebedarfs hat die Pyrolyse einen Kühleffekt, mit dem die Brennstoffzelle aufgefahrlosen Temperaturen gehalten wird.

Zur Trennung des Siliziums von Wasserstoff ist eine Trennvorrichtung (10) vorgesehen (Anspruch 14). Sie wird als wasserstoffdiffusionsdurchlässige Membran, Elektrofilter oder Zentrifuge vorgeschlagen, wobei es ebenfalls als vorteilhaft vorgeschlagen wird, solche Trennungsvorrichtungen in Reihe hintereinander zu schließen (Anspruch 15).

Der Siliziumstaub wird in einem Feststoffsammeiraum (11) gesammelt und wird von dort entnommen (Ansprüche 16, 19 und 21).

Die Pyrolyse setzt erst ab einer bestimmten Betriebstemperatur ein, die höher ist als die gewöhnliche Umgebungstemperatur.

Zur Vorbereitung des Starts der Brennstoffzelle wird vorgeschlagen, eine Teilmenge des Wasserstoffes abzuzweigen. Zweckmäßig geschieht dies durch eine Wasserstoffabzweigleitung (12), deren Mündung zweckmäßig im Bereich der Einleitung des Wasserstoffs in die Brennstoffzelle angebracht ist, also in dem Bereich, in dem der Wasserstoff bereits vom Feststoff vollständig getrennt ist. Diese Wasserstoffabzweigleitung mündet in einen Wasserstoffspeicher (13), in dem der Wasserstoff gesammelt wird. Mit diesem Wasserstoffvorrat wird die Brennstoffzelle in der

Weise gestartet, dass der Wasserstoff zunächst von dort in die Brennstoffzelle eingeführt wird. Die Brennstoffzelle wird mit dem Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher solange betrieben, bis sie die Betriebstemperatur erreicht hat, die für die Pyrolyse notwendig ist (Ansprüche 17, 18).

Zur Versorgung von Kraftfahrzeugen mit Brennstoffzellen, die nach der Erfindung betrieben werden, wird vorgeschlagen, dass das "Betanken" mit zwei parallelen Schläuchen geschieht, die gleichzeitig eingesetzt werden. Einer der Schläuche saugt das pulverförmige Silizium aus dem Feststoffsammeiraum ab. Mit dem zweiten Schlauch wird zugleich der Silantank (8) befüllt (Anspruch 19). In der Tankstelle wird ein transportabler Siliziumcontainer vorgehalten und zur Hydrierung gefahren. Von der Hydrierung wird das Silan wieder zur Tankstelle gebracht. Bei gasförmigem Silan geschieht dies mit Transportern nach dem Stand der Technik, wie sie beispielsweise zum Transport von Butangas eingesetzt werden. Beim Transport con flüssigem Silan können Tankwagen eingesetzt werden, wie sie zum Transport von jedem flüssigen Treibstoff längst Stand der Technik sind. Polysilan ohne Kettenanteile unter fünf Siliziumatomen hat die gleiche Gefahrstoffklasse wie Benzin.

Vor allem für stationäre Einrichtungen bietet sich der Verzicht auf Betankungsgerät an. Hier kann die Zufuhr von Silan und ebenso die Entnahme des Siliziums aus genormten Behältern erfolgen (Ansprüche 21 und 22).