Die Brennstoffzelle im Automobil

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1 Die Brennstoffzelle im Automobil f-cell Seminar Schwerpunkt mobil für Lehrer aller Fachrichtungen Haus der Wirtschaft in Stuttgart, 26. September 2006 Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt e.v. (DLR) (IFK) Andreas Brinner mit Beiträgen von Peter Treffinger & Jörg Ungethüm Pfaffenwaldring 38-40, D Stuttgart Tel: Fax: Vortragsinhalt Kurzvorstellung des DLR und des Instituts für Fahrzeugkonzepte IFK Brennstoffzellen-Entwicklungsaktivitäten des IFK Motivation für den Brennstoffzelleneinsatz im Fahrzeug Brennstoffzellen- und Systemprinzipien Beispiele für Brennstoffzellen- und Hybridfahrzeuge Details von Fahrzeugaufbau und PEFC-System am Beispiel HyLite Ausgewählte Ergebnisse des Brennstoffzellen-Fahrbetriebs 1

2 DLR Geschäftsbereiche Luftfahrt Raumfahrt Energie Verkehr Standorte und Mitarbeiter Mitarbeiter arbeiten in 27 Forschungsinstituten und Einrichtungen in 8 Standorten, 7 Außenstellen. Außenbüros in Brüssel, Paris und Washington. Hamburg Neustrelitz Trauen Berlin- Charlottenburg Braunschweig Berlin-- Adlershof Göttingen Köln-Porz Bonn Sankt Augustin Darmstadt Lampoldshausen Stuttgart Oberpfaffenhofen Weilheim 2

3 Verkehrsforschung und Technologieentwicklung Institut für Verkehrsführung und Fahrzeugsteuerung (gegründet 2001) Einrichtung Flughafenwesen und Luftverkehr Institut für Verkehrsforschung (gegründet 1999) Institut für Fahrzeugkonzepte (gegründet 2001) Das Professor Horst E. Friedrich Innovative Fahrzeugkonzepte in einem nachhaltigen Verkehrssystem Alternative Antriebe & Energiewandlung Kraftstoff- & Energiespeicher Leichtbau & Hybridbauweisen Innovative Techniksysteme Synergie Straßen-/ Schienenfahrzeuge 3

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. PEFC-Hybridversuchsfahrzeug HyLite Entwicklungsplattform für Komponentenhersteller Neue Systemkomponenten von Industriepartnern Brennstoffzellenblöcke: NUVERA Systementwicklung und Fahrzeugintegration: DLR Energiemanagementstrategie: DLR 4

5 Kleine Brennstoffzellenfahrzeuge Minimiertes robustes Systemkonzept Luftgekühlte PEFC-Blöcke Keine Befeuchtung Betrieb nahe Umgebungsdruck Modularisierung des Systems Steuerungsmodul Versorgungsmodul PEFC-Block Kernmodul Luftversorgungsmodul Automobile: Antriebsarten und Kraftstoffe diskontinuierliche innere Verbrennung Ottomotor Dieselmotor Benzin, Wasserstoff, Erdgas, Methanol Diesel, RME Verbrennungskraftmaschinen kontinuierliche innere Verbrennung Gasturbine diverse Energieträger Hybrid kontinuierliche äußere Verbrennung Stirlingmotor Dampfmotor diverse Energieträger diverse Energieträger E-Fahrzeug Akkumulatoren Elektroantrieb Energie mitgeführt Brennstoffzellen- E-Fahrzeug Wasserstoff, Methanol, Benzin elektrische Energie zugeführt O-Bus Straßenbahn Infrastruktur Infrastruktur Quelle: Noreikat, DaimlerChrysler,

6 Quelle: Y. Baba, H. Ishitani. Well to Wheel Efficiency of Advanced Technology Vehicles in Japanese. Electric Vehicle Symposium. Long Beach, Streckenverbrauch für verschiedene Antriebe Geschwindigkeit (km / h) Geschwindigkeit (km / h) Geschwindigkeit (km / h) Geschwindigkeit (km / h) Zeit (s) Zeit (s) Zeit (s) Japan Mode US-UDDS NEFZ US-Highway Benzin VMot Benzin-Hybrid Diesel VMot Diesel-Hybrid BZ (CH2) BZ-Hybrid (CH2) -46% -20% Japan1015 US-UDDS NEFZ US-Highway Zeit (s) ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 MJ/km CO 2 -Jahresemissionen für verschiedene Antriebskonzepte Quellen: eigene Abschätzungen DLR, Edwards et el., UBA-H2-Studie, Pehnt, Schweimer 6

7 Vergleich der Wirkungsgradbereiche: Carnot-Kreisprozesse & offene elektrochemische Prozesse Fahrzeug Antrieb & APU Klassifizierung von Brennstoffzellen Niedertemperatur-Brennstoffzellen AFC PAFC Brennstoffzellen PEFC Fahrzeug Antrieb & APU Hochtemperatur-Brennstoffzellen MCFC SOFC Fahrzeug- APU Alkaline Fuel Cell Phosphoric Acid Fuel Cell Polymer Electrolyte Fuel Cell Molten Carbonate Fuel Cell Solid Oxide Fuel Cell C C C C C Wasserstoff Methanol Kohlenwasserstoffe H / O ² ² H ² /Luft IMFC DMFC Erdgas Benzin Sonstige Indirect Methanol Fuel Cell Direct Methanol Fuel Cell 7

8 Das Funktionsprinzip der Niedertemperatur-Brennstoffzelle PEFC (Polymer Electrolyte membrane Fuel Cell) O 2 + 4H + + 4e - -> 2 O 2 -> 4 H + + 4e - Kathode Anode - Anode: Wasserstoff (H2) wird oxidiert (gibt Elektronen ab) - Elektrolyt-Membran Protonenleiter aber elektrischer Isolator - Kathode: Sauerstoff (O2) wird reduziert (erhält Elektronen) Polymerelektrolyt-Membran - Typische Werte unter Last: 0,7 V Spannung 0,75 A/cm 2 Strom Der Aufbau eines PEFC-Brennstoffzellenstapels Prinzip eines Brennstoffzellenblocks Bild einer PEM-Elektrode mit Dichtung Bild eines Brennstoffzellen- Blocks mit 40 Zellen 8

9 Wirkungsgrad Brennstoffzellenstapel & System Abhängigkeit vom Betriebsdruck Druck η BZ, η BZ-System Druck η BZ η BZS 0.0 Leistung BZ-Stapel HyLite Brennstoffzellensystem Verfahrenstechnisches Grundkonzept des PEFC-Systems PEFC-Block Kondensator Spülventil Luftverdichter Ladeluftkühler Druckminderer Druckregler Ausgangsdruck- Regelventil Abscheider 3-Wege-Regelventil Kühlmittel-Kreislauf nicht dargestellt 9

10 Architektur Lean-Brennstoffzellenfahrzeug Brennstoffzellensystem Umrichter Elektromotor M 3 IC Steuergerät Entscheidungskriterien für Architektur: - Effizienz - Komplexität - Dynamik - Kosten Architektur I: Leistungsverzweigter Hybrid Brennstoff- Zellensystem Umrichter Elektromotor M 3 Leistungsaufteilung über 1 DC/DC-Wandler Entscheidungskriterien Elektrischer Energiespeicher IC Steuergerät - Effizienz - Komplexität - Dynamik - Kosten 10

11 Architektur II: Leistungsverzweigter Hybrid Brennstoff- Zellensystem Umrichter Elektromotor M 3 Leistungsaufteilung über 2 DC/DC-Wandler Kriterien Elektrischer Energiespeicher IC Steuergerät - Effizienz - Komplexität - Dynamik - Kosten Architektur III: DLR-Technologie-Träger HyLite Brennstoff- Zellensystem Umrichter Elektromotor M 3 Vorhandenes Elektrobasisfahrzeug Elektrischer Energiespeicher IC Steuergerät Architekturentscheidung: Spannungsanpassung zwischen BZ- System, Batterie & Elektromotor Lastabhängige Medienversorgung mit Wasserstoff & Luft 11

12 Funktionsprinzip des Brennstoffzellen-Antriebsstrangs Energieflüsse und Wandler im Hybridantriebsstrang Luft & Wasser Luft Luftverdichter Luft Leistungsanpassung elektr. elektr. Energiewandler elektr. mech. PEFC Block Bremsenergie DC/DC- Konverter Electr. Motor / Generator Wasserstoffspeicher Fahr energie Abwärme Batterie Chemischer Energiespeicher Energiewandler chem. elektr. elektr. mech. Eletrischer Kurzzeitspeicher HyLite - Fahrzeug mit Brennstoffzellen-Hybridsystem PEFC-System Integration in das Fahrzeug Elektroausrüstung Elektroausrüstung Antriebsstrang Antriebsstrang Fahrgastraumheizung Federung, Federung, Aufhängung Aufhängung Brennstoffzellensystem Brennstoffaufbereitung Brennstoffaufbereitung Luftversorgung Luftversorgung Wasser- Wasser- & Thermomanagement Thermomanagement Steuerung Steuerung / / Regelung Regelung Kühlsystem Kühlsystem Karosserie & Chassis Karosserie & Chassis Sicherheitssysteme Sicherheitssysteme Steuerungssysteme Steuerungssysteme 12

13 Energetische Kopplungen II: Brennstoffzelle - Fahrzeug Zeichnungslegende Brennstoffzellenfahrzeug HydroGen3 liquid Starter -Batterie DC/DC-Wandler BZ-System - Stapel - Luftversorgung - Wärmemanagement - Wassermanagement - Leistungselektronik Elektrischer Antrieb Bildquellen: R. v. Helmholt, Adam Opel AG. Kraftstoffspeicher 13

14 Brennstoffzellenfahrzeug DaimlerChrysler F-Cell Hy kw 220 l 220 kg BZ-System - Stapel - Luftversorgung - Wärmemanagement - Wassermanagement Elektrischer Antrieb Bildquellen: DaimlerChrysler AG und A. Martin, Ballard. Brennstoffzellen-Fahrzeug HyLite DLR Kraftstoffspeicher Brennstoffzellenstapel Elektrische Energiespeicher Luftversorgung Kraftstoffspeicher Elektrischer Antrieb 14

15 Brennstoffzellen-Fahrzeuge Opel HydroGen3 liquid DaimlerChrysler F-Cell DLR-FK HyLite Bildquellen: Adam Opel AG, DaimlerChrysler AG Brennstoffzellen-Fahrzeug HyLite DLR Batterien HAWKER Hauptkühler AKG Fahrumrichter MES-DEA DC/DC-Wandler FhG / DLR Luftfilter MAHLE Brennstoffzellenblöcke NUVERA H2-Speicher AIR LIQUIDE VE-Wasserfilter MAHLE Pumpe DLR / SPECK Magnetventil GSR Ladeluftkühler AKG Primärkühler AKG Verdichter RIETSCHLE-THOMAS 15

16 HyLite Brennstoffzellensystem-Integration Detaileinblick in das HyLite-Systempackage Hybrid Batterie Luftfilter Zellspannungs- Messung Wasserstoff- Versorgung Leistungs- Elektronik PEFC Kernmodul Kühlkreislauf Luftversorgung VE-Wasser- Kreislauf Wasserstoffspeicher System- Kühler Elektrischer Antrieb Steuerung/ Regelung HyLite Brennstoffzellensystem-Integration Wasserstoffsicherheitskonzept des HyLite-Fahrzeugs Umgebung Umgebung Umgebung Flammsperre Wasserstoff- Sensoren Gehäuse des PEFC- Kernmoduls Fahrzeug -Speicherraum 1 Raum für Komponenten des -Kreislaufs Fahrgastraum Wasserstoffsensor -Speicherraum 2 16

17 HyLite Brennstoffzellensystem-Integration Realisierung des Sicherheitskonzeptes Fahrgastraum R 5 -Sensor 2 -Sensor 3 Umgebung Gehäuse des PEFC-Kernmoduls R 4 Umgebung -Sensor 1 -Speicherraum R 1 -Kreislaufbereich R 3a, R 3b -Speicherraum R 2 HyLite PEFC-Systemkonzept Vereinfachte Darstellung des Wasserstoff-Kreislaufs Betankungsleitung 1 FL1 Entspannungsleitung 1 EL1 Entspannungsleitung 2 EL2 Entspannungsleitung 3 EL3 Abgasleitung 3 EP3 Entspannungsleitung 4 EL4 Abgasleitung 1 EP1 CEH H2 in Luft R 3a R 1 R 2 -Speicher- Raum R 1 -Speicher- Raum R 2 -Versorgungsraum HSSC R 3a Abgasleitung 2 EP2 H2 in Air CEH EP3 Abgasleitung 4 EP4 EL1 EL2 EL3 EL4 EP2 CEH R 5 H2 in Luft Fahrggastraum R 5 R 4 PEFC-Blockgehäuse R 4 HSSC R 3b R 3b 17

18 HyLite Brennstoffzellensystem-Package - Kreislaufkomponenten und Einbauweise Druckspeicher PEFC-Blöcke Installationsraumvolumen für -Teilkreislauf: 10 Liter Druckanzeige Flammsperre Sicherheitsventil Entspannungsventil Druckregler Massendurchflusssensor Druckminderer Druckschalter HyLite Brennstoffzellensystem-Package Einbaukonzept des - Kernsystems & technische Ausführung Connectors for Cell Voltage Measurement Expansion Pipe for Stack Case PEFC-Kernsystem vor dem Einbau PEFC-Kernsystem Packagekonzept DI-Water Connectors Electric Power Connectors Air Connectors Hydrogen Connectors 18

19 Brennstoffzellensystem Schlüsselproblem Luftversorgung Kompressor Befeuchter Druckhalteventil Kompressor ist größter Hilfsenergieverbraucher - Schraubenkompressoren - Turbokompressoren Entwicklungstrends/(-ziele) Systeme ohne Befeuchtung Kein flüssiges Wasser im System Abscheider Brennstoffzellenblock Brennstoffzellensystem Luftversorgung mit Kompressor/Expander Kompressor Expander Elektromotor Ladeluftkühler Ladeluftkühler Rückgewinnung von Kompressionsenergie über Expander Abscheider Brennstoffzellenblock 19

20 Brennstoffzellensystem Luftversorgung mit Kompressoren Schraubenverdichter Bildquelle: Opcon Turboverdichter Bildquelle: DaimlerChrysler Wirkungsgrad / % Turbo-Kompressor Schrauben-Kompressor Luftmassenstrom / (kg/h) Quelle: Lamm, DaimlerChrysler, Aachen Lesitung / W Einfache, luftgekühlte Brennstoffzellensysteme Betrieb als APU und für die Kleinfahrzeug-Energieversorgung Wasserstoff-Versorgung Druckanzeige Flammsperre Druckschalter Wasserstoffspeicher- Modul Sicherheits- Ventil Schnellkupplung H2-Speicher Sicherheits- Ventil Druckanzeige Druckschalter Druckanzeige EM-Ventil Abblase- Ventil Luftversorgung EM-Ventil H2 Ein Luft Ein BZ-Block H2 Aus Luft Aus Temperaturschalter Einstellventil Filter Wasserabscheider Luftverdichter Druckanzeige Druckschalter Druckanzeige Brennstoffzellen- Modul Wasser- Ablass Kühlluft- Modul 20

21 Kleinfahrzeuge mit PEFC-Energieversorgung 0,5 kw -PEFC System in einem Vorfeldfahrzeug PEFC-Systemmodul Elektroantrieb Luft-Versorgungsmodul -Speichermodul Steuerungsmodul -Versorgungsmodul HyLite-Fahrzeug Versuchsergebnisse des Hybridbetriebs 21

22 Ergebnisse des HyLite-Brennstoffzellen-Systembetriebs Einzelzellspannungsverhalten bei Laststromführung volatge / mv voltage / mv voltage / mv voltage / mv t = 9 s, I = 1 A t = 15,5 s, I = 75 A t = 26 s, I = 140 A t = 86 s, I = 140 A Anzahl number der Brennstoffzellen cell HyLite-Fahrzeug Systemwirkungsgrad im Fahrversuch 22

23 HyLite Fahrzeug Energieflussdiagramm aus Fahrversuch Purge 7.4% Wärme 35.4% Eigenverbrauch BZ-System 14.8% Verlust Speicher, DC/DC 2.4% Verlust Antrieb 9.6% Fahrleistung 30.4% Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Sie finden uns unter: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Pfaffenwaldring 38-40, D Stuttgart Internet: Tel: ++49 (0) , Fax: ++49 (0)