Luftmanagement in der Brennstoffzellen - Technologie FEV Motorentechnik GmbH Aachen St. Pischinger, G. Lepperhoff, J. Ogrzewalla

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1 Luftmanagement in der Brennstoffzellen - Technologie FEV Motorentechnik GmbH Aachen St. Pischinger, G. Lepperhoff, J. Ogrzewalla 6. Fachkongress Zukunftsenergien 14. Februar 2002 Essen

2 Einleitung Warum braucht eine Brennstoffzelle ein Luftmanagement? 1) Elektro-chemische Reaktion: Sauerstoff + Wasserstoff 2 Elektronen + Wasser 2) Damit die Luft durch die Gaskanäle des Stacks strömt, benötigt man ein Gebläse mit Antrieb 3) Zur Erhöhung der Leistungsdichte des Brennstoffzellenstacks (W/cm²) muss die O2-Moleküldichte (Partialdruck) erhöht werden. Erhöhung des Luftdrucks (z. B. 2-2,5 bar) durch einen Kompressor mit Antrieb 4) Zur Systemwirkungsgradsteigerung Nutzung des Luftdrucks am Stack-Austritt Expander

3 Einleitung /2/ 5) Zur Verhinderung des Austrocknens der Membran der Polymer Exchange Membran Fuel Cell (PEM-FC) muss die rel. Luftfeuchte > 50 % sein Befeuchtung der Luft mit de-ionisiertem Wasser 6) Zur Vermeidung von Verschmutzung und Vergiftung der PEM-FC Luftfilter + Luftreinigung (z. B. SO2) 7) Zur Aufrechterhaltung des Drucks bei Teillast Druckhalteventil mit Kennfeldsteuerung 8) Zur Reduzierung der Geräuschemissionen Ansaug- und Auslassschalldämpfer, Schalldämmung Kompressor mit Antrieb

4 Luftmanagement in der Brennstoffzellen - Technologie Einfluss des Drucks der Kathodenluft auf die Leistungsdichte und Befeuchtung

5 Einfluss auf Teil- und Volllast Leistungsdichte [W/cm 2 ] Volllast: höhere Leistungsdichte P 2,part -> geringeres Stackgewicht / -volumen -> geringere Stackkosten = P 1,part P 1,part P max,1 p 1 Pmax,2 Teillast: optimierter Systemwirkungsgrad = f (Stack, Kompressor, Expander, Wärmemanagement,...) p 2 > p 1 Stromdichte [A/cm²]

6 Einfluss des Betriebsdrucks bei Volllast rel. Stackgewicht [%] Kathodendruck [bar] Systemwirkungsgrad [%] mech. Lader (Schraubenverdichter) Turbolader (elektr. angetrieben) mech. Lader (Rootsgebläse) Abgasturbolader (mit Expanderbrenner) Kathodendruck [bar]

7 Kompressorleistung und Befeuchtung P compressor / P stack,el. 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 η = 75% siv η el,stack = 50% λ = 3.0 λ = 2.5 λ = 2.0 λ = 1.5 λ = 1.0 0,0 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Pressure ratio [-] Water content [g water /kg air ] λ = 2.0, T = 80 C air air 40% rel. humidity 50% rel. humidity 60% rel. humidity 70% rel. humidity 0 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Pressure ratio [-]

8 Luftmanagement in der Brennstoffzellen - Technologie Befeuchtung der Kathodenluft

9 Befeuchtung der Kathodenluft von PEM-BZ Systemen Ziel: Geschlossener Wasserkreislauf durch Kondensation und Verdampfung Kondensation Kühlung Anode Kathode Wasserpumpe Wärmezufuhr Luft Verdampfung Wassereinspritzung

10 Luftmanagement in der Brennstoffzellen - Technologie Getaktetes Ventil mit Zerstäuberdüse zur Befeuchtung 1 t = 1 ms 1 2 t = 7 ms pulse width pfuel = 10 bar mfuel = 0.2 g/s pair =1 bar Vair = 3 m/s 3 t = 13 ms Mean mass flow [kg/h] 1cm 4 t = 21 ms ,50 gph measurement 0,50 gph calculation Pulse width [%]

11 4 Luftmanagement in der Brennstoffzellen - Technologie Positionierung des Dosierventils im Lader Positionierung des Dosierventils 45 60

12 Luftmanagement in der Brennstoffzellen - Technologie Aufbau der Luftversorgung für Brennstoffzellensysteme im Vergleich mit Verbrennungsmotoren

13 Luftmanagement bei Verbrennungsmotoren 50 kw Verbrennungsmotor Otto: ca. 60 g/s bei 1,8 bar Luftfilter Schalldämpfer Drosselklappe Turbolader Diesel: ca. 75 g/s bei 2,2 bar Ladeluftkühler Bauteile: Luftfilter Luftmassensensor (Drosselklappe bei Ottomotoren) Verdichter (Ladeluftkühler) Ansaugkrümmer Abgasturbine Katalysator

14 Luftmanagement ohne Expander bei BZ-Systemen Feuchte-,Temperatursensor 50 kw Brennstoffzellen - Elektroantrieb ca. 110 g/s bei 2,0 bar (mit Reformer) Drucksensor Kondensator Drossel E-Motor m. Leistungselektronik Stack Startluftversorgung Luftmassensensor Befeuchter Lader Ansaugluftvorwärmung Schalldämpfer Wassertank Wasser -pumpe Luftfilter Bauteile: Luftfilter Luftmassensensor Ansaugluftvorwärmung Befeuchtung mit Regelung und Sensor Wasserpumpe mit Behälter Startluftversorgung Kompressor E-Motor (ca. 7,5 kw) und Leistungselektronik [Expander]

15 Luftmanagement in der Brennstoffzellen - Technologie Packaging des Aufladesystems im BZ - Fahrzeug Stack E-Motor Rückschlagventil (SLV) Ansaugluftvorwärmung Ölsumpfschmierung Verdichter Startluftversorgung (SLP)

16 Anforderungen an Luftversorgung und Befeuchtung Kosten Hohe Dynamik Dauerhaltbarkeit (z. B. gegen DI-Wasser) Hoher Wirkungsgrad im gesamten Betriebskennfeld Gewicht / Volumen BZ -Anforderungen Π = 1, T in,stack < 90 C rel. Feuchte > 50% Integrierte Befeuchtung (mit Zusatzheizung) Geräusch

17 Ziel eines mobilen Brennstoffzellen - Antriebs Hoher Wirkungsgrad Kleiner Bauraum Niedrige Kosten Optimierungsaufgabe Luftversorgung bzgl. Stack, Verdichter, Expander, Befeuchtung Auslegung von Bauteilen der Luftversorgung Lösungsansatz der Optimierung: Rechenmodell Brennstoffzellensystem

18 Flussdiagramm eines BZ - Systems Fuel Fuel/Water Preheater Fueltank Water- Tank Vaporizer Fuel/Water-Mix (Vapor) Reformer Water Burner Fuel Processing Shift Conv. Air Tail Gas Electric- Motor Fan Water (Vapor) PROX Humidification Comp. Exp. Reformate FC-Stack Cathode Anode Compressed, Humidified Air wet Air Water Power-Management Power Cond. Controls Air Batterie AC - Motor/ Generator Recovery Air Management Air

19 Luftmanagement in der Brennstoffzellen - Technologie Teilsystem Luftversorgung Simulations- modell Physikalisches Modell

20 Luftmanagement in der Brennstoffzellen - Technologie Das Hy.Power Brennstoffzellenfahrzeug Eine Kooperation von Volkswagen, PSI, FEV

21 Brennstoffzellen Demonstrationsfahrzeug Passfahrt am 16. Jan (Simplonpass 2005 m) Fahrzeuggewicht: Fahrzeuggewicht: VW-Boramit mitverbrennungsmotor Verbrennungsmotor VW-Bora Hy.PowerBora Boramit mitbz BZ--Antrieb Antrieb Hy.Power 1400kg kg kg kg 1850 Antrieb: Antrieb: Elektromotor Elektromotor max.leistung Leistung --max. Dauerleistung --Dauerleistung Max.Moment Moment --Max. 75kW kw 75 45kW kw Nm Nm 255 Energiewandler: Energiewandler: Brennstoffzellensystemmit mit Zellen Zellen Brennstoffzellensystem Bruttoleistung 48kW kw Bruttoleistung 48 Energiespeicher: Energiespeicher: H2--Druckgasbehälter Druckgasbehälter 300bar bar H2 300 Supercaps:max. max.speicherenergie: Speicherenergie: Wh Wh Supercaps: Entladungszeit: 15 15sec sec Entladungszeit: (entspricht:50 50kW kwleistung) Leistung) (entspricht:

22 Luftmanagement für den Hy.Power Bora Beteiligungsumfang der FEV Engineering Arbeiten: Verdichtereinheit: Befeuchtung: Lieferumfang: Konzeption, Berechnung und Konstruktion mit Hilfe von FEV - Berechnungsprogrammen Auslegung und Konstruktion des Verdichters mit Antrieb Konzeption, Werkstoffauswahl und Konstruktion mit Hilfe von FEV - Berechnungsprogrammen Schraubenverdichter mit elektrischem Direktantrieb (Fa. Opcon und Fisher) Befeuchtungseinrichtung mit Einspritzung und Pumpe für deionisiertes Wasser Verrohrung und Systemsteuerung Systemtest und Optimierung für den Brennstoffzellenstack

23 Luftmanagement in der Brennstoffzellen - Technologie Hy.Power Bora am Simplon - Pass (2005 m) am

24 Ausstellungstermine 72. Internationaler Auto Salon, Genf, März Aachener Motoren- und Fahrzeugkolloquium Eurogress Aachen, Oktober 2002 FEV dankt der Landesregierung NRW für die finanzielle Unterstützung der Forschungsarbeiten, die die Beteiligung an diesem Fahrzeugprojekt erst ermöglichten