DE102007028444A1 - Silan-Brennstoffzelle mit Stickstoff-Siliziumverbrennung - Google Patents

Abstract

Die Rohölvorräte sind berechenbar zeitlich begrenzt. Bevor etwa die Autoindustrie, die Luftfahrt, die Waffenindustrie und die Raumfahrt ihre Verbrennungsmaschinen auf Silane umstellen, die bekanntlich den Luftstickstoff in einer heißen Kammer mit verbrennen und dabei atomaren Wasserstoff liefern, muss eine Möglichkeit gefunden werden, von den hohen Erdölpreisen herunterzukommen. Die sehr großen Vorräte an ölhaltigen Sanden und Schiefern liefern die Voraussetzung dafür. Indem der Kohlenwasserstoff der Mineralien Primärenergie liefert, entsteht also Silizium in Kristallblättchen, das entweder in Fotosilizium verwandelt wird oder in Monosilan. Aus dem SiH<SUB>4</SUB> können höhere Silane hergestellt werden. Diese kommen in neuartigen Hybridmotoren zur Anwendung. Der Motor besteht aus einer Brennstoffzelle, die den Wasserstoff der Silankette in Gleichstrom verwandelt. Die übrig gebliebenen SiH<SUP>4</SUP>-Ionen werden nun in einer Verbrennungskammer hinter der Brennstoffzelle mit reinem Stickstoff zu Siliziumnitrid verbrannt. Der Reinstickstoff entsteht von alleine, weil an der Kathode der Brennstoffzelle der Sauerstoff verschwindet, so dass keine Siliziumoxide entstehen können. Durch Kühlung mit Wasser und Pressluft wird über eine Lavalldüse dahingehend Wärme in Arbeit verwandelt, dass der Wasserdampf-Siliziumnitridnebel die Turbine einer Drehstrommaschine antreibt. Der entstandene Strom wird gleichgerichtet und dem Stromspeicher der Brennstoffzelle zugeführt. Das entstandene Siliziumnitrid ...

Description

• Brennstoffzellen arbeiten elektrochemisch wie die Umkehrung einer Elektrolyse. Schon in den fünfziger Jahren existierten Prototypen bis zur Serienreife. Das Apollo-Mondsprogramm der Amerikaner benutzte zur Stromversorgung mit Gleichstrom Brennstoffzellen, da die Tanks für die verschiedenen Raketenstufen mit flüssigem Wasserstoff/Sauerstoff gefüllt waren. Nur so war es möglich auf sehr wirkungsvolle Batterien zurück zu greifen und auf schwere Metallbatterien zu verzichten.
• Ab den sechziger Jahren begann eine euphorische Aufbruchstimmung auch zukünftige Kfz-Motoren mit flüssigem Wasserstoff dahingehend anzutreiben, dass das Auto statt Benzin mit flüssigem Wasserstoff an den bereitstehenden Wasserstoff Tankstellen in einem Isoliertank (Dewar) betankt werden soll. Hierzu sollte die Brennstoffzelle an der Anode Wasserstoff aufnehmen, indem durch katalytische Substanzen das H₂-Molekül in molekularen Wasserstoff H₁ gespalten wird. Das H₁ Atom wird nun als Proton von einem Elektrolyten aufgenommen, während die freien Elektronen von der Anode zu einem Speicher wandern. Von dort aus können sie zu einem Elektromotor fließen, der ein Kfz-Rad antreibt und gelangen so zur Kathode und spalten dort das Sauerstoffmolekül O₂ in der eingespeisten Luft dahingehend, dass das O^2– Atom eine achte Edelgasschale enthält. Zusammen mit den eingespeisten Protonen H⁺ bildet sich nun unter Abgabe von Wärme H₂O, das die Brennstoffzelle verlässt.
• Da in den letzten 40 Jahren die Elektrochemiker und Ingeniere nachhaltig begriffen haben, dass es eine Selbstversorgung mit flüssigem Wasserstoff an Tankstellen nie geben wird, weil die Natur die Gesetze vorschreibt und nicht der Mensch, ist die Brennstoffzelle etwa bei Daimler-Chrysler endgültig als Fehlentwicklung für Automotoren verworfen worden.
• Einer genialen Idee zufolge hat jetzt ein Ingenieur vorgeschlagen, statt flüssigem Wasserstoff einen flüssigen Wasserstoffspeicher zum Einsatz kommen zu lassen. Hierbei handelt es sich um flüssige Siliziumwasserstoffe von der Kettenlänge Si₃H₈ bis Si₈H₁₈. Solche Rohsilangemische wurden schon in den siebziger Jahren am Anorganischen Institut der Universität Köln literweise hergestellt und bis 1974 an einer Kolonne fraktioniert. Hierbei konnten die langkettigen Silane von ihren jeweiligen Isomeren getrennt werden. Zuvor hatte allerdings 1970 der Universitätsassistent Peter Plichta festgestellt, dass langkettige Silane und Germane mit der Kettenlänge höher als Si₃H₈ bzw. Ge₃H₈ vollkommen stabil sind und sich jahrelang unter Luftabschluss ohne Zersetzung (z. B. in Monosilan SiH₄ oder GeH₄) aufbewahren lassen. Ihm gelang die erstmalige Darstellung der höheren Silane pyrolytisch (n- und iso Pentasilane bis n- und iso Dekasilane, Si₁₀H₂₂, Anmeldetag: 5. August 1971, Offenlegung: 15 Februar 1973, Patenterteilung: 1976 DE 2 139 155 ), obwohl bis heute in den Chemiebüchern vermerkt ist, dass Silane mit höherer Kettenlänge instabil sein sollen (Alfred Stock, 1933: Hydrides of Boron and Silicon (by Alfred Stock, Prof. of Inorg. Chem. TH Karlruhe, Cornell University Press, ITHACA, NEW YORK, S. 23) siehe Hollemann-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Auflage, Nils Wiberg, 1995, S. 900). „N. Wiberg hat anscheinend nie flüssiges Tetrasilan gesehen, das bei Raumtemperatur ohne Lichteinwirkung völlig stabil ist, noch ist ihm bekannt, dass n-Heptasilan als ölige Substanz an Luft nicht mehr selbst entzündlich ist.", (Anmerkung des Verfassers) siehe auch Publikationen von P. Plichta u. F. Fehér.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, längerkettige Silane dahingehend zum Einsatz zu bringen, dass der Wasserstoff der Kette in einer Brennstoffzelle zum Einsatz kommt und somit elektrischen Strom erzeugt. Auch die freiwerdenden Siliziumradikale sollen dahingehend Strom bilden, indem sie mit reinem Stickstoff in einem sekundären Prozess so zu Siliziumnitrid verbrannt werden, dass sie über eine Verwandlung von Wärme in Arbeit so Si₃N₄ erzeugen, ohne dass Siliziumoxide entstehen.
• Das Verfahren soll nunmehr an Hand von Ziffern näher erläutert werden, um so seine technische und chemische Neuheit unter Beweis zu stellen.
• 1) Flüssiges Silan in Form eines Rohsilangemisches von den Kettenlängen Si₃H₈ bis Si₉H₂₀, das bei Raumtemperatur selbstentzündlich ist, kommt mit Hilfe einer Einspritzpumpe (1) zur Anwendung. (Dieses Gemisch kann auch durch Pyrolyse langkettiger gemacht werden. Flüssige Silane können auch durch einen chemischen Trick so behandelt werden, dass sie an Luft nicht selbstentzündlich sind, was in einer weiteren Patentanmeldung nachgewiesen werden wird.)
• 2) Das Rohsilan wird durch ein erhitztes Stahlgewebe (2) in Siliziumradikale Si⁴⁺ und atomaren Wasserstoff H₁ unter Wärmebildung gespalten und durch feinste Röhrchen (3) zur Anode (4) geleitet.
• 3) An der Anode werden die Elektronen zu einem Speicher (5) gelenkt und können elektrisch ein Autorad antreiben und gelangen dann zur Kathode (6).
• 4) Die freien Protonen (7) vereinigen sich mit den gespaltenen O₂ Molekülen der Luft (8), so dass über die Bildung von O^2– (9) unter Wärmeabgabe H₂O (10) entsteht. Auch dieses wird durch feinste Röhrchen, genau wie die Luft rückstossfrei geleitet (11).
• 5) Die Siliziumradikale (12) werden nun mit reinem Stickstoff (13) in einer Brennkammer (14) bei sehr hohen Temperaturen von über 2.000° C zu Siliziumnitrid verbrannt, wobei allerdings das vorher entstandene H₂O (10) und zusätzlich zugeführtes Wasser (15) zur Kühlung benutzt wird.
• 6) An den 100-prozentigen Stickstoff gelangt man deswegen, weil der Luft (8) an der Kathode (6) der Sauerstoff entzogen worden ist.
• 7) Das bei 1.900° C flüssige Siliziumnitrid Si₃N₄ ist am Eingang der Lavalldüse (16) schon staubförmig, so dass in dem nachfolgenden geschlossenen Düsentrichter (17) ein Wasserdampf-Staubnebelgemisch (18) vorliegt, das durch zugeführte kalte Pressluft (19) insgesamt auf Temperaturen auf 300° C abgekühlt, auf eine Turbinenschaufel (20) trifft. Diese ist mit Siliziumnitrid beschichtet und erzeugt Drehstrom (21), der wiederum in einen Speicher (22) gelangt.
• 8) Die beiden Elektrospeicher können vereinigt sein, und stellen eine elegante Verbesserung des herkömmlichen Hybridsystems dar, weil nämlich der Oxidationsprozess Kohlenstoff/Sauerstoff durch einen neuartigen Oxidationsprozess Silizium/Stickstoff ersetzt wird. Immerhin enthält Luft viermal soviel Stickstoff wie Sauerstoff.
• 9) Dieselöl und Luft besitzen einen Wirkungsgrad von 45 %, während ein Silan/Stickstoff-Oxidatorsystem einen Wirkungsgrad von über 90 % besitzt, weil in Verbindung mit der Brennstoffzelle der Weltraum nicht geheizt und so fast die gesamte Wärme in Arbeit umgewandelt wird.
• 10) In dem austauschbaren Filtersack (23) wird das staubförmige Si₃N₄ nach dem Stand der Technik in die Industrie abgeführt und in Ammoniak gespalten. Zur Düse (24) kommt nur 100° C heißer Wasserdampf heraus.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs mit dem Treibstoff flüssige höhere Silane, dadurch gekennzeichnet, dass ein KFZ-Motor auf zweifache Weise elektrischen Strom erzeugen soll, indem die Silankette durch Hitze über Drahtgewebe gespalten wird und dabei Wärme liefernd in atomaren Wasserstoff und in Siliziumradikale zerfällt, wobei der Wasserstoff in einer Brennstoffzelle elektrischen Gleichstrom erzeugt, so dass aus den Hydrogeniumatomen die Elektronen die Atombahnen verlassen und die frei werdenden Protonen durch einen Elektrolyten wandern und an der Kathode mit dem 21-prozentigen Sauerstoffanteil der Luft dahingehend H₂O bilden, dass die zweifach negativ geladenen atomaren Sauerstoffatome mit den Protonen Wasser bilden, das in eine Brennkammer geleitet wird, die sich hinter der Brennstoffzelle befindet, wobei das Wasser durch Aufnahme von Energie in komprimierten heißen Wasserdampf überführt wird, weil nämlich die übrig gebliebenen Si⁴⁺-Ionen mit kaltem reinen Stickstoff unter Abgabe von viel Energie zu Siliziumnitrid verbrennen, dass bei 1.900° C flüssig ist und somit durch zugespritztes Wasser, das vorher die Brennstoffzelle gekühlt hat, was den Wirkungsgrad steigert, ein Stoffgemisch bilden. Der reine Stickstoff entsteht einfach dadurch, dass die in die Brennstoffzelle hinein gedrückte Luft ihren Sauerstoff an der Kathode abgegeben hat, so dass in der nach geschalteten Brennkammer keine Siliziumoxide entstehen können, und nunmehr durch chemische Reaktion enthalpisch und entropisch sehr günstig am Ende der Brennkammer über eine Lavalldüse ein Stoffgemisch hoch beschleunigt wird, das aus komprimierten heißen Wasserdampf und pulverförmigen und amorphen Siliziumnitrid besteht, und in Richtung zur verlängerten Lavalldüse mit eingespeister Pressluft eine Drehstromturbine hochtourig zum laufen bringt, so dass insgesamt Wärme in Arbeit verwandelt wird, und der Dampf-Staubnebel auf langsame Geschwindigkeit gebracht und hinter der Drehstromturbine durch einen austauschbaren Filtersack geleitet wird, wobei das stark abgekühlte staubförmige Siliziumnitrid in dem Filtersack gesammelt wird, so dass insgesamt aus dem Auspuff nur noch eine Mischung aus Wasserdampf und Pressluft, auf etwa 100° C abgekühlt, austritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Drehstrom gleichgerichtet und zu dem Batteriespeicher aus 1) geleitet wird, von woher der elektrische Strom zu den Elektromotoren der vier Räder des KFZ's geleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem hier geschilderten Verfahren der herkömmliche Hybridantrieb nicht mehr über einen Otto- oder Dieselmotor verfügt, die eine Drehstromlichtmaschine antreiben sollen, sondern die Verbrennung des Kraftstoffes im ersten Teil des Prozesses elektrochemisch erfolgt, und im zweiten Teil über eine Stickstoffoxidation eine ruhige permanente steuerbare Explosion durch einen Raketenmotor Drehstrom erzeugt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad des neuartigen KFZ-Motors bei über 90 Prozent liegt während der Wirkungsgrad eines Explosionsmotors auf der Basis Kohlenwasserstoff und Luft nur bei 45 Prozent liegt, weil die Zusammensetzung der Luft dieses Planeten dadurch bestimmt ist, dass das Sauerstoff-Stickstoffgemisch viermal soviel Stickstoffanteil wie Sauerstoff enthält. Bei einem Explosionsmotor nimmt der hohe Stickstoffanteil nicht an der Verbrennung teil, sondern muss die Brenntemperatur des Kohlenwasserstoff-Sauerstoffgemisches kühlen, so dass insgesamt mit einer zusätzlichen Wasserkühlung dafür gesorgt wird, dass der Ölfilm nicht reißt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Eingänge der Brennstoffzelle, dort wo das Silan eingespritzt wird, und da wo die Luft zugepresst wird, und an den beiden Ausgängen der Brennstoffzelle, wo die Si⁴⁺-Ionen in die Brennkammer gelangen, und parallel dazu der reine Stickstoff und das H₂O der Brennkammer zugeführt wird, mit siebartigen – mit einem Bündel von sehr dünnen Röhrchen – unter Druck (siehe Anlage) so gearbeitet wird, dass ein Rückschlagen der heißen Verbrennungsgase verhindert wird.