ISBN 978-3-8439-3887-7

978-3-8439-3887-7, Reihe Ingenieurwissenschaften

Michael Steinberger
Verstromung von wasserstoffreichen Gasgemischen mit PEM-Brennstoffzellen am Beispiel einer Epitaxieanlage

321 Seiten, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg (2018), Softcover, B5

Zusammenfassung / Abstract

Wasserstoff gilt nicht nur als wichtiger Energieträger der Zukunft, sondern wird bereits heutzutage als essenzieller Grundstoff für zahlreiche Industrieprozesse verwendet. Bei einigen dieser Prozesse entstehen dabei Gasgemische aus Wasserstoff und anderen Gasen, welche bislang häufig ungenutzt in die Atmosphäre abgeführt werden. Bei Epitaxieprozessen, welche ein wichtiger Prozessschritt für zahlreiche Halbleiterprodukte sind, werden beispielsweise allein in Europa jährlich etwa 16,5 Millionen Kubikmeter Wasserstoff auf diese Weise verschwendet.

Die vorliegende Dissertation widmet sich daher der Entwicklung und Untersuchung eines Verstromungssystems, das derartige Gasgemische mit einem Wasserstoffanteil von 40 - 100 Vol.-% effizient in elektrische Energie wandelt. Für die Verstromung kommt ein modernes Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzellensystemen zum Einsatz. Normalerweise können diese nur mit reinem Wasserstoff mit maximal 0,3 Vol.-% Fremdgasanteil betrieben werden. Durch eine neu entwickelte Purgestrategie wird das PEM-Brennstoffzellensystem in die Lage versetzt, wasserstoffreiche Gasgemische mit signifikantem Fremdgasanteil effizient und robust zu verstromen. Die Purgestrategie wird dabei durch ein neu entwickeltes Simulationsmodell für den Anodenkreis optimal parametrisiert und die Funktionsfähigkeit an einem 8 kW PEM-Brennstoffzellenstack nachgewiesen.

Das Brennstoffzellensystem wird um einen Kompressor und eine Gaskonditionierung zum resultierenden Verstromungssystem erweitert. Mit diesem Verstromungssystem wird erfolgreich demonstriert, dass das wasserstoffreiche Abgas einer Epitaxieanlage in elektrische Energie gewandelt werden kann. Dies erhöht die Effizienz solcher Halbleiterfertigungsprozesse und schont damit wertvolle Ressourcen.