Forscher am Fraunhofer IISB in Erlangen haben ein Verstromungssystem entwickelt, welches wasserstoffreiches Abgas aus einer Halbleiterfertigungsanlage in elektrische Energie verwandelt. Das Herzstück der Verstromungsanlage bildet ein Brennstoffzellensystem. Den Forschern des IISB ist es gelungen, dass damit auch nicht-reine wasserstoffreiche Gasgemische verstromt werden können.
Siliziumkarbid-Bauelemente
Am Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen wurde im Rahmen des bayerischen Energieforschungsprojekts SEEDs ein Verstromungssystem entwickelt, welches wasserstoffreiches Abgas aus einer Halbleiterfertigungsanlage in Strom verwandelt. Das Institut forscht seit vielen Jahren an der Optimierung von Epitaxieprozessen für die Herstellung von modernen Halbleitern – besonders auf dem Feld der Siliziumkarbid-Bauelemente (SiC), welche für moderne leistungselektronische Systeme benötigt werden.
Für den Epitaxieprozess, bei dem dünne Schichten von Halbleitermaterial erzeugt werden, wird Wasserstoff in großen Mengen als Trägergas benötigt. Dieser bildet zusammen mit anderen Prozessgasen den wasserstoffreichen Abgasstrom der Epitaxieanlage. Der Abgasstrom wird bisher gereinigt und dann in die Atmosphäre entlassen. Der Energiegehalt des Wasserstoffes bleibt dabei ungenutzt.
Wasserstoff im Prozessabgas aus Halbleiterfertigungsanlagen kann mit dem Verstromungssystem des Fraunhofer IISB in elektrische Energie gewandelt und damit weiterverwertet werden. (Quelle: Kurt Fuchs/Fraunhofer IISB)
Intelligente Lösung: Brennstoffzellentechnologie
Das Herzstück des Verstromungssystems bildet eine Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle, welche den Wasserstoff aus dem Abgas mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft in elektrische Energie wandelt. Durch Modifikationen am Brennstoffzellensystem, die von IISB-Forschern entwickelt wurden, ist es gelungen, dass das Brennstoffzellensystem mit Wasserstoffkonzentrationen zwischen 40 und 100 Vol.-% arbeiten kann. Es ist damit in der Lage, auch nicht-reinen Wasserstoff bzw. ein Wasserstoffgemisch zu verstromen. Herkömmliche Brennstoffzellensysteme erfordern hingegen eine Wasserstoffreinheit von mindestens 99,97 Vol.-%.
25 Prozent elektrischer Gesamtwirkungsgrad
Zwischen Abgasstrang und Brennstoffzellensystem kommt ein spezieller Membrankompressor zum Einsatz. Dieser verdichtet das auf Atmosphärendruck vorliegende Abgas vor der Brennstoffzelle und entkoppelt so Verstromung und Epitaxieprozess. Das Verstromungssystem hat dadurch keinerlei Rückwirkungen auf den empfindlichen Epitaxieprozess und dessen Prozessqualität sowie auf das Gasreinigungssystem der Anlagen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die Anwendbarkeit des Verfahrens in der Halbleiterfertigung. Das Verstromungssystem wurde bereits an der im Reinraumlabor am IISB betriebenen industriellen Epitaxieanlage erfolgreich getestet und erzielte einen elektrischen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 25 Prozent.
Im Ergebnis kann ein Viertel des im Wasserstoffabgas enthaltenen Heizwertes in elektrische Energie gewandelt werden. Der Unterschied zu Brennstoffzellensystemen für reinen Wasserstoff mit etwa 50 - 60 Prozent Wirkungsgrad liegt an zusätzlichen Verlusten im Membrankompressor sowie im Brennstoffzellensystem, um das wasserstoffreiche Gas ohne Schädigung der Brennstoffzelle verstromen zu können. Es sind jedoch weitere Entwicklungsstufen im Aufbau, mit denen der Gesamtwirkungsgrad auf über 30 Prozent gesteigert und vor allem die Verluste im Brennstoffzellensystem weiter reduziert werden sollen. (fei)