Aufbau und Systemtechnik von Brennstoffzellenfahrzeugen am Beispiel des DLR Technologieträgerfahrzeugs HyLite

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1 Aufbau und Systemtechnik von Brennstoffzellenfahrzeugen am Beispiel des DLR Technologieträgerfahrzeugs HyLite BZ-Fachausbildung -Profi, Einführung in Fahrzeuganwendungen Weiterbildungszentrum Ulm WBzU, 24. März 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-Instituts für Fahrzeugkonzepte in Stuttgart Brennstoffzellen-Entwicklungsaktivitäten des Institutes Antriebsstrangkonzepte für Brennstoffzellen-Fahrzeuge Brennstoffzellensystemeinflüsse auf Antriebsstrang & Fahrzeugkonzept Neue Komponenten für Brennstoffzellensysteme aus dem HyLite-Projekt BZ-Systemsicherheit im Fahrzeug am Beispiel des HyLite-Fahrzeugs Beispielhafte Erläuterung von Systembetriebs-Strategien Ausgewählte Ergebnisse des HyLite-Fahrbetriebs Resumee 1

2 Das Professor Horst E. Friedrich Innovative Fahrzeugkonzepte in einem nachhaltigen Verkehrssystem Alternative Antriebe & Energiewandlung Kraftstoff- & Energiespeicher Leichtbau & Hybridbauweisen Innovative Techniksysteme Synergie Straßen-/ Schienenfahrzeuge 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. 2

3 Institutsneubau Einblicke Büroflächen Labore und Werkstätten nicht von FK belegte Flächen Leichtbau-Labore Fügetechnik Smart Systems etc. 4 Prüfstände Antriebsstrang BZ-Prüfstand 100kW Energiemanagement Komponentenprüfung etc Rollenprüfstand Klima, Leichtbau-Labore Bauteilprüfung etc. Werkstätten EG UG Laborfläche: m 2 Bürofläche: m 2 Fuel Cell System Test Vehicle HyLite Development platform for component manufacturers New system components: Industrial partners Fuel cell stacks: NUVERA System design and integration into the vehicle: DLR Energy management strategy: DLR 3

4 Small Fuel Cell Powered Vehicles Minimal and rugged fuel cell system Air-cooled stacks No humidification Operation near to atmospheric pressure Modularization of the system Control Module Supply Module Fuel Cell Core Module Air Supply Module HyLite Electric Vehicle with Hybrid Fuel Cell System 4

5 Architektur Lean-Brennstoffzellenfahrzeug Brennstoffzellensystem Umrichter Elektromotor M 3 IC Steuergerät Entscheidungskriterien für Architektur: - Effizienz - Komplexität - Dynamik - Kosten Leistungsverzweigter Hybrid Architektur I Brennstoff- Zellensystem Umrichter Elektromotor M 3 Leistungsaufteilung über 1 DC/DC-Wandler Entscheidungskriterien Elektrischer Energiespeicher IC Steuergerät - Effizienz - Komplexität - Dynamik - Kosten 5

6 Leistungsverzweigter Hybrid Architektur II Brennstoff- Zellensystem Umrichter Elektromotor M 3 Leistungsaufteilung über 2 DC/DC-Wandler Kriterien Elektrischer Energiespeicher IC Steuergerät - Effizienz - Komplexität - Dynamik - Kosten Architektur Technologie-Träger HyLite Brennstoff- Zellensystem Umrichter Elektromotor M 3 Gegebenes Basisfahrzeug Architekturentscheidung: Spannungslagen BZ-System, Batterie, Elektromotor Elektrischer Energiespeicher IC Steuergerät Lastabhängige Medienversorgung 6

7 Basic Principle of the HyLite Fuel Cell Power Train Energy Flows in the Hybrid Drive Train Air and water Air Air Compressor Air Power adapter electr. electr. Energy converter electr. mech. Hydrogen Storage Fuel cell Boost converter Electric Motor / Generator Braking energy Drive Energy Waste Heat Battery Chemical Energy Storage Energy Converter chem. electr. electr. mech. Short-time Eletric Energy Storage HyLite Vehicle with Hybrid Fuel Cell System PEFC System Integration into the Vehicle Electrical Equipment Electrical Equipment Drive Train Drive Train Passenger Comp. Heating Passenger Comp. Heating Suspension Suspension Undercarriage Undercarriage Fuel Fuel Cell Cell System System Fuel Fuel Treatment Treatment Air Air Supply Supply Water Water & Thermal Thermal Energy Energy Management Management Control Control Systems Systems Cooling System Cooling System Body & Chassis Body & Chassis Safety Systems Safety Systems Control Systems Control Systems 7

8 Influence of the Fuel-Cell System on Packaging Functional connections Combined process circuits, conduction of media Thermal management Heat removal, internal & external thermal coupling, temperature levels, insulation Control systems System operation, minimisation of internal consumption, systems communicating with driver Safety measures Fuel Electrical, mechanical, for gases, releasers, limiters, safety chains Tank, fuelling, safety Electrical energy management Levels of voltage and current, transients, safety Connection of fuel cell and drive system Adaptation of capacity, energy demand of drive system, recovery of capacity Design of sub-system Compact components, density of packaging, connecting of components Construction of vehicle Division into specific areas, sealing towards interior compartment, defined areas for installations, crash behaviour Energetische Kopplungen Fahrzeug Brennstoffzellen-System Zeichnungslegende 8

9 HyLite Fahrzeug mit PEFC-Hybridsystem Die Entwicklungspartnerschaft von Industrie- und Forschungsfirmen Industrielle Partner und ihre Kompetenzfelder Wärmeübertrager Wasserstoffversorgung Fahrzeugbetrieb Magnetventile Filter & Geräuschdämpfung Sensorik& Messung Leitungen & Verbinder Luftverdichter Sicherheits- Konzept Fahrzeug- Design HyLite Brennstoffzellensystem Package Überblick über die Systemintegration im Fahrzeug 9

10 HyLite Vehicle Structure Improvements Vehicle Preparation for PEFC System Integration Design of a Stack Case Improvements in Trunk Compartment Redesign of Double Layer Interior Design of a new Front Hood Design of a new Trunk Drawer Hybrid Battery Power Electrics HyLite Fuel Cell System Package Detailed View into the PEFC System Package Coolant Circuit Air Supply Air Filtering Stack CVM PEFC Core Module Hydrogen Supply DI-Water Circuit System Coolers Electric Drive Control Equipment Hydrogen Storage 10

11 Overview about improved & new HyLite System Components Battery set HAWKER Front main cooler AKG Drive controller MES-DEA DC/DC-converter FhG / DLR Air intake filter MAHLE Fuel cell stacks NUVERA -storage vessel AIR LIQUIDE Cell voltage meas. unit SMART Separator MAHLE DI-water filter MAHLE Liquid pump DLR / SPECK Solenoid valve GSR Separator vessel DLR Condenser Air compressor AKG Air charge cooler RIETSCHLE-THOMAS AKG Primary heat exchanger AKG Entwicklung von PEFC-Systemkomponenten für Fahrzeuge Beispiele neuer PEFC-Systemkomponenten von Partnerfirmen Luftkühler AKG Wärmetauscher AKG Luftverdichter Rietschle O-Abscheider Mahle Magnet ventil GSR Flüssigkeitsfilter Mahle Luftansaugfilter Mahle Kondensator AKG Front- Hauptkühler AKG 11

12 Entwicklung von PEFC-Systemkomponenten für Fahrzeuge Neue / verbesserte Brennstoffzellen-Systemkomponenten Druckabscheide- Schalldämmbehälter Bi-direktionaler DC/DC-Wandler Niedrigpreis- Fahrumrichter CAN-Bus kontrolliertes Druckregelventil VE-Wasserspeicher- Pumpeneinheit - Hydridspeicher -in-luft- Sicherheitssystem HyLite Fuel Cell System Package Hydrogen Safety Concept Design for the Vehicle Environment Environment Environment Flame Arrestor Hydrogen Detector PEFC- Stack Casing Vehicle -Storage Comp. 1 Space for Components (Solenoid-, Safety Valves) Passenger Compartment Hydrogen Detector -Storage Comp. 2 12

13 HyLite Fuel Cell System Package Realization of the Hydrogen Safety Concept -Sensor 2 -Sensor 3 Vehicle Interior R 5 -Storage Compartment R 1 Ambient PEFC- Stack Case R 4 Ambient -Sensor 1 -Supply System Compartment R 3a, R 3b -Storage Compartment R 2 Overview about the HyLite FuelCellPower Train P&I-Principle of the PEFC-System 13

14 Filling Expansion Line 1 FL1 Line 1 EL1 HyLite Fuel Cell System Package Simplified - Circuit Components and Installation Location Expansion Line 2 EL2 Expansion Line 3 EL3 Exhaust Pipe 3 EP3 Expansion Line 4 EL4 Exhaust Pipe 1 EP1 CEH H2 in Air R 3a R 1 R 2 -Storage Compartment R 1 -Storage Compartment R 2 -Supply System Compartment HSSC R 3a Exhaust Pipe 2 EP2 H2 in Air CEH EP3 Exhaust Pipe 4 EP4 EL1 EL2 EL3 EL4 EP2 CEH R 5 H2 in Air Vehicle Interior R 5 PEFC-Stack Case R 4 R 4 HSSC R 3b R 3b HyLite Fuel Cell System Package - Circuit Components and Installation Location Pressure Storage Fuel Cell Stacks Installation Volume of the Hydrogen Supply Subsystem: 10 Liters Pressure Indicator Flame Arrestor Safety Valve Vent Valve Pressure Controller Mass Flow Sensor Pressure Reducer Pressure Switch 14

15 HyLite Fuel Cell System Package Stack and Core System Package Connectors for Cell Voltage Measurement Expansion Pipe for Stack Case Stack Core System prior to Installation Stack Core System Package Design DI-Water Connectors Electric Power Connectors Air Connectors Hydrogen Connectors p / bar m Air / (g/s) Results of Fuel Cell System Operation Examination of different operating strategies of air supply with NUVERA fuel cell stacks maximum supply load following (m air ) load following (m air, p) I / A Quelle: Treffinger et. al., VDI-Tagung, Innovative Fahrzeugantriebe, Dresden

16 Results of Fuel Cell System Operation Operation Strategy Load Following of m air & p With load following supply the requested dynamic can not be reached The dynamic is limited by the minimum single cell voltage voltage / V power mean cell voltage minimum cell voltage power / kw I / A set current actual current time / s Operation Strategy Constant Maximum Supply of Fuel & Air Maximum constant supply of the stacks improves the power dynamics very much The requested follow up of the set current can, however, not be fulfilled Results of Fuel Cell System Operation Voltage / V Power mean cell voltage maximum cell voltage Power / kw Current / A set current actual current 0 Time / s 16

17 Results of Fuel Cell System Operation Operation Strategy Load Following of m air & p m air / (kg/s) m air λ oxygene λ oxygene p / bar p hydrogene p air 1.2 current / A set current actual current time / s Results of Fuel Cell System Operation Operation Strategy Constant Maximum Supply of Fuel & Air Spannung / V mean cell voltage minimum cell voltage P / kw m air / (kg/s) Strom / A p / bar p 1.6 hydrogene 1.2 p air t / s set current actual current λ oxygene 17

18 Results of Fuel Cell System Operation Single Cell Voltage Behavior during Load Following 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 number of cell HyLite Systemwirkungsgrad im Fahrversuch 18

19 HyLite Energieflussdiagramm aus Fahrversuch Spülung 7.4% Wärme 35.4% Eigenverbrauch BZ-System 14.8% Verlust Speicher, DC/DC 2.4% Verlust Antrieb 9.6% Fahrleistung 30.4% Energieflussdiagramm des Audi A2H2 Quelle: Van Doorn, DGES

20 Zusammenfassung Effizienz von Brennstoffzellensystemen steht in vielfältiger Wechselwirkung mit weiteren Kriterien Luftversorgung Schlüssel für hohe Systemeffizienz Brennstoffzellenhybrid eröffnet Spielräume zur Abstimmung Fahrzeugarchitektur Brennstoffzellensystem Beispiel Technologieträger HyLite - lastabhängige Medienversorgung - Für Technologieträger ausreichender Gesamtwirkungsgrad - Wasserstoffnutzungsgrad erhöhen - Kompressorleistung senken 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)