Strom aus Epitaxieabgas

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.

Fh.-IISB / JOL