Strom aus Epitaxie-Abgas

Forscher am Fraunhofer Institut IISB in Erlangen haben ein Verstromungssystem für wasserstoffreiche Abgase entwickelt. (Bild: K. Fuchs, Fh.-IISB)

Am Fraunhofer-Institut für Inte­­grierte Systeme und Bau­elemente­­tech­nologie IISB in Erlangen wurde im Rahmen des 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, 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.

Die Forscher des Fraun­­hofer IISB haben es sich zum Auftrag gemacht, die bisher unge­­nutzte Energie des wasserstoff­­reichen Abgases in elektrische Energie zu wandeln und damit den im Epitaxie­­verfahren nur als Träger genutzten Wasser­­stoff einer zweiten Verwendung zuzu­führen. Damit wird die Ressourcen- bzw. Energie­­effizienz von Halbleiter­­fertigungs­­prozessen gesteigert. Angesichts des großen welt­weiten Produktions­­volumens von Halbleiter­­bauele­menten hat das Verfahren hohes Anwendungs­­potential.

Das Herzstück des Verstromungs­­systems bildet eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoff­­zelle, welche den Wasser­­stoff aus dem Abgas mit Sauer­stoff aus der Umgebungs­­luft effizient in elek­trische Energie wandelt. Durch Modi­fi­kationen am Brennstoff­­zellensystem ist es gelungen, dass das Brennstoff­­zellensystem mit Wasserstoff­­konzentra­­tionen zwischen 40 und 100 Volumen­­prozent 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 Volumen­­prozent. Damit gelang die weltweit erst­­malige Verstromung von Epitaxie­abgas in einer Brennstoff­­zelle.

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 bis zu 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. Somit konnten ein attrak­­tives Verfahren für nach­­haltige Pro­duktion entwickelt und ein neues Anwendungs­gebiet für moderne und saubere Brennstoff­­zellen­tech­nologie erschlos­sen werden. (Quelle: Fh.-IISB)

Links: Fraunhofer-Inst. für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, Erlangen • Energieforschungsprojekt SEEDs

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