Modulare Brennstoffzellensysteme und hoch integrierte Komponenten für Fahrzeuge

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1 Modulare Brennstoffzellensysteme und hoch integrierte Komponenten für Fahrzeuge Modular Fuel Cell Systems and Highly Integrated System Components for Vehicles DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. in Stuttgart Andreas Brinner Pfaffenwaldring 38-40, D Stuttgart Tel: ++49 (0) Internet:

2 Vortragsinhalt Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Das Geschäftsfeld Verkehr im DLR Das DLR- am Standort Stuttgart Motivation der System- und Komponentenentwicklung System und Subsystem laufende Entwicklungen und neueste Produkte Systemkomponenten Produkte und neue Entwicklungsansätze Zusammenfassung

3 DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Forschungszentrum - Luftfahrt - Raumfahrt - Energie - Verkehr Raumfahrt-Agentur Projektträger

4 Standorte und Mitarbeiter Mitarbeiter arbeiten in 29 Forschungsinstituten und Einrichtungen in 13 Standorten DNW Hamburg Bremen- Neustrelitz Trauen Berlin- Braunschweig Büros in Brüssel, Paris und Washington ETW Köln Bonn Göttingen Partner von European Transsonic Wind Tunnel (ETW) German Dutch Wind Tunnels (DNW) Lampoldshausen Stuttgart Oberpfaffenhofen Weilheim

5 Mobilität Essenziell für Volkswirtschaften Sichert und fördert wirtschaftliche Entwicklung - Verkehr stellt mehr als 18 Millionen Arbeitsplätze in der EU - Automobilindustrie sorgt für weitere 14 Millionen Arbeitsplätze - Verkehr hält 13% Anteil am EU BSP Ermöglicht kulturelle und sportliche Veranstaltungen Befriedigt persönliche Bedürfnisse Bedarf für schnellen, zuverlässigen und sicheren Verkehr

6 Mobilität Zentrale Herausforderungen Nachhaltige Mobilität erreichen in einer Balance von - Wirtschaft - Gesellschaft - Umwelt durch Sicherung der Mobilität für Menschen und Güter Verbesserung der Sicherheit Schutz von Umwelt und Ressourcen

7 Vision Nachhaltige, sichere und finanzierbare Individuelle Mobilität Innovative Fahrzeugkonzepte für Straße- und Schiene Signifikant verbesserte Nutzung der Energiepotenziale für Fahrzeug- / und Transportsysteme Durchbruch bei emissions- / CO 2 -freien oder neutralen Antriebstechnologien Beispiel: Fahrzeugtaugliche Brennstoffzellensysteme Erweiterung der Energieträger im Verkehr Leistungsfähige Wasserstoffspeicher

8 Mission Innovative Fahrzeugkonzepte für Straße- und Schiene Erhöhung der Energieeffizienz Forschungsfelder Reduzierung der Fahrwiderstände Synthese Neue Fahrzeugkonzepte FK gestaltet und demonstriert Innovationen für Fahrzeugkonzepte und Technologien zukünftiger Transportsysteme

9 Entwicklung von Brennstoffzellensystemen Entwicklungsplattformen & Teststände zur Komponentenentwicklung Neue Systemkomponenten Systemkonzepte & Fahrzeugintegration Energiemanagement für Antriebsstrang & Fahrzeug Leistung < 5 kw Leistung > 5 kw Minimales & robustes Brennstoffzellensystem Luft- & wassergekühlte Blöcke Keine Befeuchtung Betrieb nahe Atmosphärendruck Minimaler Eigenverbrauch Modularisierung A. Brinner System & Subsystem Entwicklung

10 HyLite Fahrzeug mit Hybrid-Brennstoffzellenantrieb Brennstoffzellen-Systemintegration ins Fahrzeug Elektrische Ausrüstung Elektrische Ausrüstung Antriebsstrang Antriebsstrang Fahrgastzellen-Heizung Fahrwerk Fahrwerk Brennstoffzellensystem Brennstoffversorgung Brennstoffversorgung Luftversorgung Luftversorgung Wasser- Wasser- & Thermomanagement Thermomanagement Steuerung Steuerung / / Regelung Regelung Kühlsystem Kühlsystem Karosserie / Chassis Karosserie / Chassis Sicherheitssysteme Steuerungseinrichtungen System & Subsystem Entwicklung

11 Brennstoffzellen-Antriebsstrangpackage 23 kw N / 32 kw p Details der Systemmodularisierung & Integration PEFC Kernmodul Luft- Filterung Block Spannungs-Messung Wasserstoffspeicher Hybridbatterie System- Frontkühler Steuerelektronik Elektroantrieb Leistungselektronik Kühlkreislauf Luftversorgung VE-Wasserkreislauf Wasserstoffversorgung Systempackagekonzept & technische Umsetzung

12 Beispiel: Komponentenpackage der H 2 -Versorgung Wenig Chancen für die Serienrealisierung ohne neue Ideen Druckanzeige PEFC-Blöcke Flammsperre Sicherheitsventil Installationsraumvolumen für H 2 -Kreislauf: 10 Liter H 2 Druckspeicher Magnetventil Druckregler Durchflusssensor Druckminderer Druckschalter Systempackagekonzept & technische Umsetzung

13 Neue Entwicklungsansätze für Brennstoffzellensysteme Konzepte, Subsysteme & Komponenten müssen überarbeitet werden Einfachere Systemkonzepte & Entflechtung der Funktionen - Geringere Kosten - Höhere Zuverlässigkeit - Bessere Anpassung an spezialisierte Applikationen & Einsatznischen Modularisierung der verfahrenstechnischen & elektrischen Subsysteme - Vorfertigung von Baugruppen durch spezialisierte Unternehmen - Höhere Stückzahlen durch Nutzung von Baugruppen in unterschiedlichen Konzeptvarianten - Schnellere Inbetriebnahme und einfachere Integration Zusammenfassung von Funktionen in hoch integrierten Baugruppen - Weniger Bauteile - Höhere Zuverlässigkeit - Geringere Kosten

14 EXT AUS Flam Arrestor Bleed Valve FS4 / 24V Linear-Oszillating Filter Air Compressor CM-AI-1 24V Flammsperre Pressure Indicator LOW HIGH pi pi ps bar Pressure Switch Pressure Switch 2,0 bar SV2 Safety Valve Flow Switch Flow Sensor Ladeluftkühler Membran-Kolben Filter Luftverdichter ps3 1,1b Intercooler Druckanzeige aus ein pi pi 2 ps3 ps1 Druckanzeige EXT 30 bar SV-H2-1 Pressure Indicator MV-H2-1 1,2-1,5 bar pi 3 CAC-1 12V Safety Valve EM-Valve Pressure Indicator 1,2bar pi 5 Water Separator Water Bleed Druckanzeige pi 3 AUS H2 IN Luft IN Quick Coupling elektromagn. Ventil H2-Pressure Controller Coolant Pump beidseitig sperrende Schnellkupplung H2 Ein Luft Ein Coolant Storage TT1 Coolant 3-way Control Valve TT1 MV-H2-2 Pressure Indicator 24V pi 4 NO Clocking H2 OUT EM-Valve Tmax=75 C TS TC2 /24V TC2 Luft Temperature OUT Switch Air Pressure pi Temperature 7 Adjustment Sensor Pressure Indicator PEFC Radiator Cooler H2 Aus Luft Aus Druckanzeige pi 4 Druckanzeige PEFC Temperature Controller elektromagn. Ventil TS TC2 EXT Einstellventil für den Luftdruck EXT AUS AUS Modulare Brennstoffzellensysteme für Fahrzeuge Systembeispiele mit Leistungen < 5kW Flughafen- Vorfeldtransporter Hydrogen Supply Module Air Supply Module FS4 1,1b ps3/24v ps1/24v 24V NC Hydrogen Storage Module H2-Sp1/25 bar 0,5 mn3 H2-Sp2/25 bar 0,5 mn3 Tmax=38 C PEFC-Stack 40 Cells 24V/50A PEFC Core Module 200 mbar below pi3 during purge Δp=0,2 bar Cooling Module with Liquid Coolant Bordnetzversorgung Flüssiggekühltes System Ein Systemkonzept mit zwei Varianten für alle Anwendungen Luftgekühltes System Wasserstoff-Versorgung ps1/24v 1 H2-Speicher Wasserstoffspeicher- Modul H2-Speicher BZ-Block 40 Zellen Luftversorgung pi 7 Fahrerloses Transportsystem pi 5 ps4 Sicherheits- Ventil Druckschalter Druckschalter Temperaturschalter Kühlluft- Modul Wasserabscheider Wasser- Ablass Abblase- Ventil Sicherheits- Ventil Brennstoffzellen- Modul Elektroroller System & Subsystem Entwicklung

15 Modulare Systemkonzepte < 5kW Flüssig gekühltes 1,2kW e PEFC-System in modularer Bauweise Kühlmodul H 2 -Versorgungsmodul Luft-Versorgungsmodul Steuerungsmodul PEFC-Systemmodul System & Subsystem Entwicklung

16 Modulare Systemkonzepte < 5kW Modularisierung und Standardisierung Modularisierung durch Systemaufbau aus 4 6 kompakten Teilsystemen: - Wasserstoff-Speichermodul - Wasserstoff-Versorgungsmodul - Luft-Versorgungsmodul - PEFC-Systemmodul - Kühlmodul (Luftkühlung im Systemmodul, Flüssigkühlung separat) - Steuerungs-/Energieanpassungsmodul Standardisierung durch verwechselungssichere Modulverbindungen: - Medienverschlauchung/-verrohrung - Steuersignalverkabelung - Leistungsübergabeverkabelung System & Subsystem Entwicklung

17 Modulbaureihen-Entwicklung für Brennstoffzellensysteme Luftversorgung Systemsteuerung Kühlsysteme 1200W 800W W 750W Flüssigkühlung 300W 2000W 500W W 500W Luftkühlung 300W Wasserstoffversorgung 300W - 500W System & Subsystem Entwicklung

18 Zentrale Subsystementwicklung Eine Steuerung für alle Systemvarianten A. Brinner System & Subsystem Entwicklung

19 PEFC-Energieversorgung < 5kW Steuerungsmodul 0,5 2,0 kwn Stacküberwachung Starterakku SubsystemAbsicherung Laderegler/ Bordnetz Ablaufsteuerung A. Brinner Leistungsabgabe System & Subsystem Entwicklung

20 PEFC-Steuerung aus einer Hand für alle Leistungsklassen system elektrotechnik Gotthold Keller GmbH (SET) ist ein unternehmergeführter mittelständischer Familienbetrieb mit ca. 30 Mitarbeitern im 30 km südlich von Stuttgart gelegenen Nufringen SET hat 3 Geschäftsbereiche: Kabeltechnik, KFZ-Zubehör und Dienstleistungen SET besitzt ein gültiges DIN ISO 9001: 2000 Zertifikat Erste Prototypen von Brennstoffzellensteuerungen wurden von SET für das DLR Ende 2008 fertig gestellt. Mit dieser zukunftsweisenden Technologie möchte sich SET die kommenden Jahrzehnte Beschäftigen und somit seine Zukunft sichern System & Subsystem Entwicklung

21 PEFC Subsysteme Brennstoffzellen-Kernmodule Kühlkreislauf Vordruckregelung PEFC Block mit Flüssigkühlung 1,2 2,0 kwn Blockmodul mit Wasserkühlung Luftgekühltes 0,5kWN Blockmodul Gasein-/Auslässe Gasspüleinstellung A. Brinner System & Subsystem Entwicklung

22 PEFC Subsystems 1,2kW Luftversorgung mit Schalldämmung Luftversorgung Druckluftkühler Luftverdichter Druckluft- Ausgang Druckschalter Ladeluftkühler Druckanzeige Filter Wasserabscheider Luftverdichter Wasser- Ablass Motorumrichter Luftmassenabfrage Kommunikations- Elektroschnittstelle System & Subsystem Entwicklung

23 PEFC Subsysteme 1,4kW Kühlmodul mit geregeltem Kühlmittelkreislauf Temp-Schalter Steuerventil Temp.-Sensor Kühlmittelbehälter Ionentauscher Kühlmittelpumpe Radiator mit Lüftern System & Subsystem Entwicklung

24 Entwicklung von Brennstoffzellen-Systemkomponenten Aktuelle Produkte, Entwicklungen und Ansätze Speichersicherheit H 2 -Speicher Regel- & Sicherheitsventil Sicherheits- & Gasabgabeventil Spülung Wasserstoff Luft Kühlmittelpumpe PEFC Druckregelung Luftverdichter Vordruck- Regelventil Bypass-Druck- Regelventil Wärmetauscher Kühlmittelregelung Kühlmittelkreislauf Komponentenentwicklung

25 Lösungen für die Wasserstoffversorgung 4 hochintegrierte Komponenten können zukünftig 35 Komponenten ersetzen Regel- & Sicherheitsventil Sicherheits- & Gasabgabeventil Spülventil (in Bearbeitung) Wasserstoffspeicher- Sicherheitsventil Betankungs- Leitung 1 FL1 Entspannungs- Leitung 1 EL1 Entspannungs- Leitung 2 EL2 Entspannungs- Leitung 3 EL3 Auslass- Leitung 3 EP3 Entspannungs- Leitung 4 EL4 Auslass- Leitung 1 EP1 Wasserstoffvorwärmer für Hydridspeichereinsatz H2 in Luft CEH Wasserstoff-Versorgungsbereich HSSC R 3a Auslass- Leitung 2 EP2 R2 Auslass- Leitung 4 EP4 CEH R 5 HSSC R 3b Wärmeübertrager für Hydridspeicher Wärmeübertrager für Hydridspeicher H2 in Luft CEH EL 1 EL 2 EL 3 EL 4 H2 in Luft R 4 PEFC-Blockgehäuse R 4 Wasserstoff- Speicher Fahrerseite R 1 Wasserstoff- Speicher Beifahrerseite R 2 EP 3 EP 2 Fahrgastraum R 5 Komponentenentwicklung

26 Lösungen für die Wasserstoffversorgung 2 hochintegrierte Komponenten sind bereits marktgerecht Regel- & Sicherheitsventil Sicherheits- & Gasabgabeventil Funktionen in einer Baugruppe: EM-Isolationsventil zur Abtrennung der Wasserstoffstrecke vom Brennstoffspeicher Druckminderung Integrierter Filter Durchflussbegrenzung über Fixdrossel Überströmventil Drucksensierung Funktionen in einer Baugruppe: EM-Isolationsventil zur Stackabsicherung EM- 3/2-Wege-Ventil zur Druckminderung Druckregelung Entlüftung Integrierter Filter Durchflussbegrenzung über Fixdrossel Drucksensierung

27 Hochintegrierte Komponenten für Brennstoffzellensysteme Innovation Erfahrung Tradition Die im Jahre 1938 gegründete Firma OTTO EGELHOF GmbH & Co. KG ist ein weltweit agierendes Unternehmen, mit Sitz in Fellbach. Seit Jahrzehnten behauptet sich Egelhof durch stetige Weiterentwicklung seiner Produkte sowie durch schnelle Reaktion auf neue Rahmenbedingungen am Markt. Durch die Entwicklung verschiedenster hochpräziser Expansionsventile etablierte sich die Firma als Spezialist auf dem Sektor der Autoklimaanlagen. Thermostatventile und Temperatursensoren mit hoher Regelgenauigkeit und langer Lebensdauer zeichnen den Bereich Wärmetechnik aus. Regelkomponenten für Brennstoffzellenanwendungen runden die Produktpalette ab Die Fertigung an den Standorten in Frankreich, USA und China ist das Herzstück des Unternehmens. Unsere Produktentwicklung arbeitet Hand in Hand mit unserer Prozessentwicklung und ermöglicht eine schnelle Umsetzung der Kundenanforderung. Ein kompetentes Mitarbeiterteam aus Konstruktion, Qualität und Produktion vermehrt kontinuierlich sein Know-how und lässt jahrzehntelange Erfahrung in neue Produktentwicklungen einfließen.

28 Aktuelle Entwicklungsbeispiele von Systemkomponenten Wasserstoff-Sicherheitseinrichtung für Hydridspeicher Speicher- Sicherheitseinrichtung Neue technische Details für den Hydridspeicherbetrieb - Überdruck-Sicherung: 130bar - Direkt betriebenes Magnetventil - Niederdruck-Durchflussbegrenzer - Über-Temp. Sicherung: 110 C - Betriebstemperaturbereich: C Funktionen - Abschalt-Magnetventil - Handventil - Überdruck-Sicherung - Übertemp.-Sicherung - Durchflussbegrenzer Entwicklungsbasis Zulassung einer 200bar H 2 Sicherheitseinrichtung 1. Entwicklungsschritt 200bar-Kleinserien Produkt 2. Entwicklungsschritt Prototyp für Hydridspeicher Komponentenentwicklung

29 Aktuelle Entwicklungsbeispiele von Systemkomponenten Kühlmittel-Regelventil Motorisches 3-2-Wege-Regelventil für verschiedene Kühlmittel mit minimalem Eigenverbrauch Technische Details : Wichtigste Betriebsbedingungen: - geeignet für alle Brennstoffzellengängigen Kühlflüssigkeiten - Trockenlauf ohne Schmiermittel Leistungsaufnahme: 2,4 Watt bei 24V DC zugelassene Kühlmitteltemp.: C Umgebungstemperatur: C Regelgeschwindigkeit: 0 90 in 1,8 sec min. Schnitt durch den Ventilkörper Komponentenentwicklung

30 Zusammenfassung BZ-Systemvereinfachung und Modularisierung mit Industriepartnern ist auf dem Weg. Erste Ergebnisse erfolgreich abgeschlossener Komponentenentwicklungen werden industrieseitig für Kunden verfügbar gemacht. Erste Subsysteme werden in Kleinserie hergestellt und industriell verfügbar gemacht. Brennstoffzellenblöcke sind als Kleinserienprodukte zu Kosten im Bereich pro Kilowatt Leistung verfügbar. Die Kostenziele von ca. 1000,-- Euro pro kw können durch die Maßnahmen (1) Systemvereinfachung, (2) Serienherstellung, (3) Funktionsintegration, (4) Nutzung von Großserien-Produktionsmethoden absehbar erreicht werden. Das DLR arbeitet auch an weiteren Komponenten und Subsystemen, die in dieser Präsentation nicht genannt sind. Bei Interesse wenden Sie sich bitte direkt an uns. Luftverdichter Sorptionsspeicher Zusammnenfassung