Stand der Entwicklung von H 2 -Brennstoffzellen- & Verbrennungsmotor-Antriebssträngen für Fahrzeuge

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1 Stand der Entwicklung von H 2 -Brennstoffzellen- & Verbrennungsmotor-Antriebssträngen für Fahrzeuge Dipl.-Ing. Andreas Brinner Deutsches Zentrum für Luft- & Raumfahrt e.v. (DLR) (DLR-FK) Pfaffenwaldring 38-40, D Stuttgart Tel: / Fax: andreas.brinner@dlr.de / Internet:

2 Vortragsinhalt Kurzvorstellung des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte Motivation der Entwicklung neuer Antriebsstränge Brennstoffzellen-Technologien und Funktionsprinzipien Architektur von Brennstoffzellen-Antriebssträngen im Fahrzeug Verfahrenstechnisches Konzept eines PEFC-Systems Verfügbarkeit von Brennstoffzellensystemen PEFC-Systempackage im Fahrzeug Wasserstoff-Verbrennungsmotoren und Antriebsstrang Wasserstoffspeicher-Technologien für Fahrzeug

3 Vortragsinhalt Kurzvorstellung des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte Motivation der Entwicklung neuer Antriebsstränge Brennstoffzellen-Technologien und Funktionsprinzipien Architektur von Brennstoffzellen-Antriebssträngen im Fahrzeug Verfahrenstechnisches Konzept eines PEFC-Systems Verfügbarkeit von Brennstoffzellensystemen PEFC-Systempackage im Fahrzeug Wasserstoff-Verbrennungsmotoren und Antriebsstrang Wasserstoffspeicher-Technologien für Fahrzeuge

4 Das Professor Horst E. Friedrich Innovative Fahrzeugkonzepte in einem nachhaltigen Verkehrssystem Alternative Antriebe & Energiewandlung Kraftstoff- & Energiespeicher Leichtbau & Hybridbauweisen Innovative Techniksysteme Synergie Straßen-/ Schienenfahrzeuge Kurzvorstellung des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte

5 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 Kurzvorstellung des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte

7 Motivation für neue Fahrzeugkonzepte und Antriebe Quelle: Dr. Schmidtchen, DWV, F-cell Sept Motivation der Entwicklung neuer Antriebsstränge

8 CO 2 Emissionen von Hybridantriebskonzepten im Vergleich zur Brennstoffzelle Otto-M. Referenz Otto-M. Start/Stop Otto-M. Mikro-Hybrid Otto-M. Mild-Hybrid Otto-M. Voll-Hybrid Fahrzeugbereitstellung Kraftstoffbereitstellung Innerortsfahrten Außerortsfahrten Brennstoffzelle H 2 aus Kohle Brennstoffzelle H 2 aus Erdgas Brennstoffzelle H 2 aus sauberer Kohle Brennstoffzelle H 2 aus Regen. Energie CO 2 Emissionen (kg/jahr) Quellen: DLR. R. Edwards, Well-To-Wheel Analysis, UBA-H2, Entwicklung einer Gesamtstrategie zur Einf. alternat. Kraftstoffe. Pehnt, Ganzheitliche Bilanzierung, Schweimer, Sachbilanz des Golf A4, Wolfsburg. Motivation der Entwicklung neuer Antriebsstränge

9 Antriebsstrang-Wirkungsgrade und Potenziale im Vergleich bei Tank-To-Wheel-Betrachtung Quelle: Dr. Wind, Daimler, F-cell Sept Motivation der Entwicklung neuer Antriebsstränge

11 Klassifizierung der Brennstoffzellen-Technologien Einsatz für Fahrzeugantrieb & APU Quelle: Grundlagen Brennstoffzellen, T. Aigle, WBZU, 2006 Brennstoffzellen-Technologien und Funktionsprinzipien

12 Das Funktionsprinzip der Niedertemperatur-Brennstoffzelle PEFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 2H 2 -> 4 H + + 4e - Anode O 2 + 4H + + 4e - -> 2H 2 O Kathode - Anode: Wasserstoff (H2) wird oxidiert (gibt Elektronen ab) H 2 - Elektrolyt-Membran Protonenleiter aber elektrischer Isolator O 2 H 2 H 2 O H 2 O Polymerelektrolyt-Membran - Kathode: Sauerstoff (O2) wird reduziert (erhält Elektronen) - Typische Werte unter Last 0,7 V Spannung 0,75 A/cm 2 Strom Brennstoffzellen-Technologien und Funktionsprinzipien

14 Direkter Brennstoffzellen- Antriebsstrang Quelle: GM Well to Wheel Analysis... A European Study, GM Adam Opel AG, 2002 Architektur von Brennstoffzellen-Antriebssträngen im Fahrzeug

15 Hybrid-Brennstoffzellen-Antriebsstrang Quelle: GM Well to Wheel Analysis... A European Study, GM Adam Opel AG, 2002 Architektur von Brennstoffzellen-Antriebssträngen im Fahrzeug

16 Vortragsinhalt Kurzvorstellung des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte Motivation der Entwicklung neuer Antriebsstränge Brennstoffzellen-Technologien und Funktionsprinzipien Architektur von Brennstoffzellen-Antriebssträngen im Fahrzeug Funktion und Aufbau eines PEFC-Systems und Antriebsstrangs Verfügbarkeit von Brennstoffzellensystemen Verfügbarkeit von Brennstoffzellensystemen PEFC-Systempackage im Fahrzeug Wasserstoff-Verbrennungsmotoren und Antriebsstrang Wasserstoffspeicher-Technologien für Fahrzeuge

17 Verfahrenstechnisches Basiskonzept eines PEFC-Systems Funktion und Aufbau eines PEFC-Systems und Antriebsstrangs

18 Blockschaltbild eines wassergekühlten modularen PEFC-Systems Wasserstoff-Versorgung AUS Wasserstoffspeichermodul AUS Flammsperre Abblas- Ventil Druckanzeigen pi 2 pi Sicherheits- Ventil Luftversorgung Filter Linear-Oszillator Luftverdichter FS4 1 H2-Sp1 Druckschalter Ein-Hand- Wasserstoffspeicher Sicherheits- Schnellkupplung Ventil H2-Sp2 ps3 ps1 pi 3 elektromagn. Ventil Druckanzeige pi 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 Druckanzeige Durchflussmesser Durchflussschalter Ladeluftkühler Kühlmittelvorrat Kühlmittelpumpe PEFC- Hauptkühler Druckanzeige pi 4 pi 7 TS TC2 elektromagn. Ventil Druckanzeige Man. Einstellventil Man. Einstellventil AUS AUS Druckschalter Temperaturschalter Flüssig- Kühlmodul Funktion und Aufbau eines PEFC-Systems und Antriebsstrangs

19 Teilsysteme eines Brennstoffzellen-Antriebsstrangs Quelle: System Integration, Modeling and Validation of a Fuel Cell Hybride Electric Vehicle, Ogburn at Virginia Polytech, 2000 Funktion und Aufbau eines PEFC-Systems und Antriebsstrangs

20 Funktionseinheiten eines Brennstoffzellenfahrzeugs Elektrische Ausrüstung Elektrische Ausrüstung Antriebsstrang Fahrzeugklimatisierung Federung Federung Brennstoffzellensystem Brennstoffaufbereitung Brennstoffaufbereitung Luftversorgung Luftversorgung Wasser- Wasser- & Thermoenergiemanagement Thermoenergiemanagement Steuerungseinrichtungen Steuerungseinrichtungen Kühlsystem Karosserie/ Chassis Karosserie/ Chassis Sicherheitssysteme Steuerungssysteme Funktion und Aufbau eines PEFC-Systems und Antriebsstrangs

21 Vortragsinhalt Kurzvorstellung des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte Motivation der Entwicklung neuer Antriebsstränge Brennstoffzellen-Technologien und Funktionsprinzipien Architektur von Brennstoffzellen-Antriebssträngen im Fahrzeug Funktion und Aufbau eines PEFC-Systems und Antriebsstrangs Verfügbarkeit von Brennstoffzellensystemen PEFC-Systempackage im Fahrzeug Wasserstoff-Verbrennungsmotoren und Antriebsstrang Wasserstoffspeicher-Technologien für Fahrzeuge

22 Beispiele verfügbarer Brennstoffzellenmodule verschiedener Hersteller (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) Nuvera Powerflow, 5kW Nedstack PS6-100, 6-100kW Proton Motors MH30, 18-38kW Nuvera Andromeda, 50kW Hydrogenics HyPM HD65, 65kW Ballard Mark902, 85kW Verfügbarkeit von Brennstoffzellensystemen

24 Modulares PEFC-Systemkonzept mit weitgehenden Packagefreiheiten für die Fahrzeugintegration Kühlmodul H 2 -Versorgungsmodul Luft-Versorgungsmodul PEFC-Systemmodul Steuerungsmodul PEFC-Systempackage im Fahrzeug

25 Unterboden-Packagekonzept des PEFC-Antriebsstrangs im Mercedes B-Klasse F-cell F-Cell Daimler B-Klasse Integrationsbeispiel PEFC-System im Doppelboden PEFC-Systempackage im Fahrzeug

26 Motorraum-Packagekonzept des PEFC-Antriebsstrangs in GM- und Opel-Brennstoffzellenfahrzeugen Chevrolet Equinox Fuel Cell Opel / GM HydroGen 1 Quelle: Dr. Eberle GM / Opel Fuel Cell Activities, F-cell 2007 Quelle: Technische Daten des HydroGen 1, GM Adam Opel AG, 2002 PEFC-Systempackage im Fahrzeug

27 Packagekonzept des PEFC-Antriebsstrangs in Brennstoffzellenbussen Mercedes Benz Citaro Brennstoffzellenbus Proton Motors FC City Bus Pojekt FCZ H 2 bus Quelle: PEM Fuel Cells in Hybrid Configuration, B. Eska, F-cell 2007 Quelle: Brennstoffzellen im mobilen Einsatz, F. Panik, F-cell 2007 PEFC-Systempackage im Fahrzeug

28 Brennstoffzellen-Lokomotiven für den Wasserstoffbetrieb Konzepte und Prototypen 250kW PEFC-Leistung 20kW PEFC-Leistung Quelle: Final Technical Report, Cooperative Agreement: DE-FC36-99GO10458, 1/28/2003 Quelle: A.R. Miller et al. / Journal of Power Sources 173 (2007) Lokomotive bei Umbaubeginn 1200kW PEFC-Leistung Quelle: A.R. Miller et al. / Journal of Power Sources 157 (2006)

30 Antriebsstrang mit Verbrennungsmotor Quelle: GM Well to Wheel Analysis... A European Study, GM Adam Opel AG, 2002 Wasserstoff-Verbrennungsmotoren und Antriebsstrang

31 BMW Hydrogen 7 mit bivalentem H 2 -Verbrennungsmotor Motordaten: 6l Hubraum 191kW 390Nm / /min Quelle: Autopresse.de, Dez Quelle: Saubere-autos.at, Dez Tankdaten: 8kg H 2 bei -252 C H 2 -Flüssigtanksystem hinter der Rücksitzbank Quelle: Claus Ableiter, 2008 Wasserstoff-Verbrennungsmotoren und Antriebsstrang

32 MAN Busse mit H 2 -Verbrennungsmotoren MAN-Bus Typ Lion s City H Quelle: TOTAL, Werner Weisflog, 2008 Motordaten: Wasserstoff-Verbrennungsmotor MAN Typ H 2876 UH H 2876 UH H2876 LUH01 12,8l 12,8 l 150kW / /min 200kW / /min 760Nm / /min 1000Nm / /min Quelle: The Knack, 2008 Wasserstoff-Verbrennungsmotoren und Antriebsstrang

33 Andere Fahrzeug-Beispiele mit H 2 -Verbrennungsmotor Mazda RX-8 Hydrogen RE Ford Focus C-MAX H2-ICE 2,3l, 82kW für H 2 -Betrieb Linde Gabelstapler Baureihe 39x mit VW Industriemotor 2l, 43kW für H 2 -Betrieb Quelle: motortalk.de, Jul Quelle: linde-mh.de.de, Mär Quelle: hybrid-autos.info, 2006 Wasserstoff-Verbrennungsmotoren und Antriebsstrang

34 Der Freikolben-Lineargenerator FKLG als neues H 2 -Verbrennungsmotorkonzept in der Entwicklung Weltweit erster Verbrennungsmotor mit variabler Verdichtung und variablem Hubraum Flexfuel-Eigenschaften für optimale Verbrennung aller Kraftstoffe wie Benzin, Diesel, Erdgas, Biokraftstoff, Wasserstoff Sehr niedrige Bauhöhe von 15 cm realisierbar 95 g CO2/km in 2020 erreichbar Wasserstoff-Verbrennungsmotoren und Antriebsstrang

36 Die Grenzen des Wasserstoffs als Kraftstoff / Brennstoff Quelle: Dr. Schmidtchen, DWV, F-cell 2007 Wasserstoffspeicher-Technologien für Fahrzeuge

37 Wasserstoffspeichertechnologien & ihre Betriebsrandbedingungen Quelle: Dr. Eberle GM / Opel Fuel Cell Activities, F-cell 2007 Wasserstoffspeicher-Technologien für Fahrzeuge

38 Tanksystem für komprimierten gasförmigen Wasserstoff: 350 bar Leichtgewichtsspeicher Quelle: Carbon to Hydrogen Roadmaps for Passenger Cars, Ricardo, 2002 Wasserstoffspeicher-Technologien für Fahrzeuge

39 Tanksystem für tiefkalten flüssigen Wasserstoff Quelle: Carbon to Hydrogen Roadmaps for Passenger Cars, Ricardo, 2002 Wasserstoffspeicher-Technologien für Fahrzeuge

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41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Für Ihre Fragen zu diesem Vortrag stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung. Deutsches Zentrum für Luft- & Raumfahrt e.v. (DLR) (DLR-FK) Dipl.-Ing.Andreas Brinner Pfaffenwaldring 38-40, D Stuttgart Tel: / Fax: andreas.brinner@dlr.de / Internet: