Neues Brennstoffzellen-System funktioniert auch mit Wasserstoff-Gemisch

Erlangen - Bisher wurden wasserstoffreiche Abgase aus einer Anlage zur Herstellung von Halbleitern nach einer Reinigung einfach in die Atmosphäre geleitet. Das soll sich in Zukunft durch den Einsatz eines neuen Brennstoffzellen-Systems ändern.

Am Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen wurde ein Verstromungssystem entwickelt, das die nicht-reinen Wasserstoff-Abgase aus einer Halbleiter-Produktionsanlage in elektrische Energie verwandelt. Dieses Verfahren schont Ressourcen und erhöht die Effizienz in der Halbleiterproduktion.

Energiegehalt des Wasserstoffs in Industrieabgasen bisher ungenutzt

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). Diese werden für moderne leistungselektronische Systeme benötigt. Für den Epitaxieprozess, bei dem dünne Schichten von Halbleitermaterial erzeugt werden, wird Wasserstoff in großen Mengen als Trägergas benötigt. Dieser Wasserstoff 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.

Neues Brennstoffzellensystem kann auch wasserstoffangereicherte Abgase nutzen

Das Herzstück des neuen Verstromungssystems bildet eine Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle, welche den Wasserstoff aus dem Abgas mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft effizient 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 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 ist weltweit erstmalig die Verstromung von Epitaxieabgas in einer Brennstoffzelle gelungen.

Membrankompressor verdichtet Abgas

Zwischen Abgasstrang und Brennstoffzellensystem kommt ein spezieller Membrankompressor zum Einsatz. Dieser verdichtet das auf Atmosphärendruck vorliegende Abgas vor der Brennstoffzelle. Nur durch die Entkopplung von Verstromung und Epitaxieprozess ist das Verfahren anwendbar. 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. 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, teilen die Fraunhofer-Forscher mit.

Quelle: IWR Online