Modulare Bauweise von Brennstoffzellensystemen für Fahrzeuge

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Karl Biermann
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1 Modulare Bauweise von Brennstoffzellensystemen für Fahrzeuge VDI Business Talks 2008, Hannovermesse International April 2008 DLR- Dipl.-Ing. Andreas Brinner, Dipl.-Ing. FH Tilo Maag Pfaffenwaldring 38-40, D Stuttgart Tel: ++(0) / 298 Fax: ++(0) / 258 Internet:

2 Vortragsinhalt Kurzvorstellung des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte Motivation zur Nutzung von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen Kurze Erläuterung des Brennstoffzellen-Funktionsprinzips Brennstoffzellen-Systemkonzepte für Kleinfahrzeuge Brennstoffzellen-Systemkonzepte für KFZ am Beispiel des DLR-Versuchsträgers HyLite

3 Das Professor Horst E. Friedrich Innovative Fahrzeugkonzepte in einem nachhaltigen Verkehrssystem Alternative Antriebe & Energiewandlung Kraftstoff- & Energiespeicher Leichtbau & Hybridbauweisen Innovative Techniksysteme Synergie Straßen-/ Schienenfahrzeuge

4 Forschungsfelder Ziele Alternative Antriebe und Energiewandlung Schaffen der Voraussetzungen für energieeffiziente und schadstoffarme Energieversorgungssysteme heutiger und zukünftiger Fahrzeugkonzepte. Kraftstoff- und Energiespeicherung Darstellung von Speicherkonzepten höherer Leistungsfähigkeit, z. B. Energiedichte, Gestaltfreiheit oder Betankung. Leichtbau und Hybridbauweisen Erforschung und Entwicklung neuer Fahrzeugbauweisen unter Berücksichtigung innovativer Werkstoff- und Verarbeitungstechnologien oder Einbeziehung funktionaler Effekte. Innovative Techniksysteme Analyse, Bewertung und Beschreibung von Fahrzeugkonzepten. Ausnutzung von Synergien Straßen-/Schienenverkehr.

5 Vision: CO 2 -Reduktion CO 2 -Emissionen 10 6 tco 2 /a Fahrleistung 10 9 km/a Erhöhung der Energieeffizienz Stoßrichtungen Reduzierung der Fahrwiderstände Synthese

6 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Bz-Energieversorgung Blockschaltbild eines luftgekühlten PEFC-Systems Wasserstoff-Versorgung Flammsperre Druckschalter AUS Wasserstoffspeicher- Modul Sicherheits- Schnellkupplung H2-Speicher Sicherheits- Druckschalter EM- Abblase- Luftversorgung EM- H2 Ein Luft Ein BZ-Block H2 Aus Luft Aus Temperaturschalter Einstellventil Luftverdichter Ladeluftkühler Druckschalter Filter Wasserabscheider Brennstoffzellen- Modul Wasser- Ablass Kühlluft- Modul

7 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Bz-Energieversorgung Blockschaltbild eines wassergekühlten PEFC-Systems Wasserstoff-Versorgung AUS Wasserstoffspeichermodul AUS Flammsperre Abblas- n 2 Sicherheits- Luftversorgung Filter Linear-Oszillator Luftverdichter FS4 1 H2-Sp1 Druckschalter Ein-Hand- Wasserstoffspeicher Sicherheits- Schnellkupplung H2-Sp2 ps3 ps1 3 elektromagn. 5 Wasserabscheider Wasser- Ablass H2 Ein Luft Ein H2-Vordruck- Regelung TT1 BZ-Block 2 x 40 Zellen 24V/30A H2 Aus PEFC- Temperaturregelung Luft Aus Temp.- Sensor PEFC-Kernmodul Durchflussmesser Durchflussschalter Ladeluftkühler Kühlmittelvorrat Kühlmittelpumpe PEFC- Hauptkühler 4 7 TS TC2 elektromagn. Man. Einstellventil Man. Einstellventil AUS AUS Druckschalter Temperaturschalter Flüssig- Kühlmodul

8 Modularisierung und Standardisierung Modularisierung mit kompakten Teilsystemen: Wasserstoff-Speichermodul Wasserstoff-Versorgungsmodul Luft-Versorgungsmodul PEFC-Systemmodul Kühlmodul (Luftkühlung im Systemmodul, Flüssigkühlung separat) Steuerungs-/Energieanpassungsmodul Standardisierung mit verwechselungssicheren Modulverbindungen: Medienverschlauchung/-verrohrung Steuersignalverkabelung Leistungsübergabeverkabelung

9 H2 H2 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Bz-Energieversorgung Fahrzeugbeispiele des DLR Vorfeld-Kleintransporter für Flughäfen Wasserstoff-Versorgung Flammsperre AUS ps1/24v aus ein ps1 2 1 H2-Speicher Wasserstoffspeicher- Modul Fahrerloses Transportsystem AUS Sicherheits- beidseitig sperrende Schnellkupplung H2-Speicher AUS ps3 3 TT1 4 Abblase- Sicherheits- Druckschalter elektromagn. Ein BZ-Block 40 Zellen Aus elektromagn. TS TC2 Luftversorgung Luft Ein Luft Aus Temperaturschalter 7 Einstellventil für den Luftdruck AUS Ladeluftkühler Membran-Kolben Filter Luftverdichter 5 ps4 Wasserabscheideschalter Druck- Wasser- Ablass Brennstoffzellen- Modul Verkehrserziehungsfahrzeug Kühlluft- Modul Elektro-Roller

10 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellensystem VFF-Integration des 1,5 / 0,5 kw H 2 -PEFC Hybridsystems PEFC-Systemmodul Elektroantrieb Luft-Versorgungsmodul H 2 -Speichermodul Steuerungsmodul H 2 -Versorgungsmodul

11 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Bz-Energieversorgung 1,2 kw e Brennstoffzellen-System für den Fahrzeugeinsatz Kühlmodul H 2 -Versorgungsmodul Steuerungsmodul Luft-Versorgungsmodul PEFC-Systemmodul

12 Vorfeldfahrzeug VFF mit Brennstoffzellen-Hybridantrieb Luft-Versorgungsmodul H2-Versorgungsmodul Fahrzeugbesonderheiten: Brennstoffzellen-Energieversorgung Leistung: 1,2 kwn / 3,0 kwp Fahrzeugsteuerung per Joystick Frontantrieb mit 2 Radnabenmotoren Frei bewegliche Hinterräder PEFC-Systemmodul Energiesparende LED-Beleuchtung Steuerungsmodul H2-Speichermodul Dipl.-Ing. Andreas Brinner / Dipl.-Ing. FH Tilo Maag April 2008

13 Vorfeldfahrzeug VFF mit Brennstoffzellen-Hybridantrieb Evolution der Brennstoffzellen-Leistung 0,5 kw nom 0,75 kw nom 1,2 kw nom

14 Modulbaureihen für Brennstoffzellensysteme Luftversorgung Systemsteuerung Systemkühlung 1200W 800W W 750W Flüssig 300W 1200W 500W- 800W 500W Luft 300W Wasserstoffversorgung 300W- 500W

15 Brennstoffzellen-Kernmodule im Leistungsbereich 0,3 1,2kW Luftgekühlt Wassergekühlt 560W 500W 200W 450W 720W 1440W 600W1200W 360W Dipl.-Ing. Andreas Brinner / Dipl.-Ing. FH Tilo Maag April 2008

16 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellensystem Beispielhafte Betriebsergebnisse mit flüssig-gekühltem Stack : Leistungsmessung: 747 W (720W nom ) 2: Schnellaufheizung: 50 % sofort 100 %, 5:08 min 3: Minimal-Luftversorgung: λ = 2,35 projektiert: λ = 3,0

17 Brennstoffzellen-Antriebsstrangpackage Detailblick auf das Systempackage eines 23kW-Systems PEFC Kernmodul Luft- Filterung PEFC-Block Spannungs-Messung Wasserstoffspeicher Hybridbatterie System- Frontkühler Steuerelektronik Elektroantrieb Leistungselektronik Luftversorgung Kühlkreislauf VE-Wasserkreislauf Wasserstoffversorgung

18 Komponentenpackage des Wasserstoff- Kreislaufkonzeptes H 2 Druckspeicher PEFC-Blöcke Installationsraumvolumen für H 2 -Teilkreislauf: 10 Liter Flammsperre Sicherheitsventil Entspannungsventil Druckregler Durchflusssensor Druckminderer Druckschalter

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