BRENNSTOFFZELLEN IM PORTABLEN EINSATZ - Konzepte und Anwendungsbeispiele -

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1 BRENNSTOFFZELLEN IM PORTABLEN EINSATZ - Konzepte und Anwendungsbeispiele - Dipl.-Ing. Andreas Brinner (IFK) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) e.v. Pfaffenwaldring 38-40, D Stuttgart Vortragsinhalt: Kurzvorstellung des DLR-Institutes für Fahrzeugkonzepte Einführung in den Wasserstoff-Brennstoffkreislauf Funktionsweise von Brennstoffzellen und Systemen Anwendungsfelder und Betriebsweise portabler und mobiler PEFC-Systeme Systembeispiele, Aufbau und Modularisierung 1

2 INSTITUT FÜR FAHRZEUGKONZEPTE (IFK) 2

3 INSTITUT FÜR FAHRZEUGKONZEPTE - Anschrift & Kontakt - Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt e.v. (DLR) Pfaffenwaldring Außenstelle Hysolar-Gebäude Allmandring 19 D Stuttgart Tel.: ++ (0) Fax: ++ (0) Sekretariat: Frau Schrogl 3

4 IFK ARBEITSGEBIETE -- Saubere Kraftstoffe -- Alternative Antriebe -- Fahrzeug- Leichtbau 4

5 VISION EINES EMISSIONSFREIEN MOBILITÄTSKREISLAUFES + O 2 H 2 - Wasserstoff Vision: Vision: Emissionsfreie Emissionsfreie Mobilität Mobilität und und Energieversorgung Energieversorgung der der Zukunft Zukunft Kurz- Kurz-und und mittelfristige mittelfristige Ziele: Ziele: Beiträge Beiträge für für Industrie Industrie und und Gesellschaft Gesellschaft Wasserstoff H 2 5

6 KLASSIFIZIERUNG Brennstoffzellen VON BRENNSTOFFZELLEN Niedertemperatur-Brennstoffzellen Hochtemperatur-Brennstoffzellen AFC PAFC PEFC MCFC SOFC 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 Liquid - Feed Vapour - Feed 6

7 FUNKTIONSPRINZIP EINER PEFC-ZELLE 7

8 QUALITATIVE KENNLINIE EINER PEM-BRENNSTOFFZELLE Durchtrittsüberspannung dominierend Ohmsche Verluste Diffusionsüber spannung wegen Stofftransport O 2 8

9 PRINZIPIELLER AUFBAU EINES BRENNSTOFF- ZELLENSTAPELS Katalysatorschicht elektrischer Verbraucher Membran Anode Kathode + Brennstoff Elektroden Luft Bipolarplatte/ Gasverteiler 9

10 PHYSIKALISCHER AUFBAU EINES PEFC-STAPELS 10

11 PERIPHERIEKOMPONENTEN EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS 11

12 APPLIKATIONSBEREICHE & BETRIEBSARTEN VON PORTABLEN PEFC-SYSTEMEN ANTRIEBSENERGIE- bemannt KFZ / NFZ / Boote VERSORGUNG unbemannt Förderfahrzeuge AUXILIARY POWER UNIT KFZ / NFZ-Bordnetz (APU) Lastkraftwagenkabine Wohnmobil- / Campingwagen-Bordnetz Schiffs-Bordnetz STROMERZEUGER selbstfahrend oder gezogen auf Hänger BETRIEBSARTEN Manuell / Automatik / Laststeuerung Stand-Alone / Gruppenbetrieb / Hybridbetrieb statisch / quasi-statisch / dynamisch 12

13 März 2000 FUNKTIONSBLÖCKE EINES BRENNSTOFFZELLENFAHRZEUGS Fahrzeugelektrik Fahrzeugelektrik Antriebsstrang Antriebsstrang Fahrzeugklimatisierung Fahrwerk Fahrwerk Brennstoffzellensystem Brennstoffaufbereitung Brennstoffaufbereitung Luftversorgung Luftversorgung Wasser- Wasserund und Wärmehaushalt Wärmehaushalt Steuerung/ Steuerung/ Regelung Regelung Kühlsystem Kühlsystem Karosserie & Chassis Karosserie & Chassis Sicherheitssysteme Regelung & Steuerung Regelung & Steuerung 13

14 MOBILES PEFC- KLEINSYSTEM Busmodell mit luftgekühltem PEFC-System für hohe Geschwindigkeit und geringe Beladung 14

15 BETRIEBSDATEN EINER MODELLBUS-VERSUCHSFAHRT 18 6 Gesamtspannung U BZ Spannung U [V] / Strom I [A] 12 6 Geschwindigkeit v Bus Gesamtstrom I BZ 4 2 Geschwindigkeit v [km/h] Zeit t [s] 15

16 NEFZ - LEISTUNGS- & BESCHLEUNIGUNGSVERLAUF 40 0,2 Beschleunigung a Bus Leistung P [W] Motorleistung P mech 0,0-0,2-0,4 Beschleunigung a [m/s ] 2 Leistung Gegenmoment P geg Zeit t [s] -0,6 16

17 MODELLPROJEKT: BRENNSTOFFZELLENBATTERIE REPLACER 21 17

18 GEWICHTSVERGLEICH BATTERIE - PEFC-SYSTEM 12V Batterie, festgelegter Elektrolyt Replacer 21, H2-Speicher aus Alu, 200 W Replacer 21, H2-Speicher aus Stahl, 200 W Replacer 21, Systemgewicht ohne H2- Speicher, 200 W Gewicht in kg Kapazität in Ah 18

19 200 We BRENNSTOFFZELLENBATTERIE REPLACER V AC-WECHSELRICHTER 12 V DC-AUSGANG H 2 - SPEICHER STEUERUNGSMODUL PEFC-BLOCK LUFT-VERSORGUNGSMODUL H 2 - VERSORGUNGSMODUL 19

20 FLÜSSIG-GEKÜHLTES DYNAMISCHES 2 kw e PEFC-SYSTEM Luftversorgung Wasserstoffversorgung PEFC-Block Wärmeübertrager Kühlmittel- Kühler Wasser- Rückgewinnung VE-Wasser- Kreislauf 20

21 SYSTEMMODULE DER PEFC-BATTERIE REPLACER 21 Gehäuse Wasserstoffspeicher Wasserstoff-Versorgungsmodul PEFC-Block Luft-Versorgungsmodul Kühlungsmodul Steuerungsmodul Betriebsstartmodul 12 V DC-Ausgangsmodul 230 V AC-Wechselrichtermodul 21

22 MODULARISIERUNG UND STANDARDISIERUNG Modularisierung durch Systemaufbau aus kompakten Teilsystemen: Wasserstoff-Speichermodul Wasserstoff-Versorgungsmodul Luft-Versorgungsmodul PEFC-Systemmodul Steuerungs-/Energieanpassungsmodul Standardisierung durch verwechselungssichere Modulverbindungen: Medienverschlauchung/-verrohrung Steuersignalverkabelung Leistungsübergabeverkabelung 22

23 PEFC- KLEINSYSTEM- DEMONSTRATOR Kinderfahrzeug mit luftgekühltem PEFC-System in Kompakt- Bauweise 23

24 PEFC-KLEINSYSTEM-DEMONSTRATOR In ein Elektro-Kleinfahrzeug wurde vom DLR ein luftgekühltes Niederdruck-Brennstoffzellensystem integriert. Mit 400 W Leistung maximal 75 kg Zuladung kann das Fahrzeug bis zu 10 km/h schnell und ca km weit fahren. Eine Wasserstoffladung reicht für 8 Stunden Betrieb. Konzeptionell ist diese Brennstoffzellen-Systemart für kleine Fahrzeuge oder selbstfahrende Geräte gedacht. 24

25 PEFC-SYSTEMMODUL IM MOTORRAUM Niederdruck PEFC- System mit: Brennstoffzellenblock (mittig), Steuerungselektronik (links), H 2 -, Luft - Kreislauf (rechts), Kühlsystem mit Gehäuse & Kühlgebläse (über PEFC-Block). 25

26 WASSERSTOFF-SPEICHERMODUL IM HECKRAUM H 2 - Hydridspeichersystem mit: Speicherinhalt max. 2 Nm 3 in 2 Wechsel-Hydridflaschen Druckniveau beim Beladen 25 bar a im Betrieb 6 1,6 bar a Betrieb im Temperaturbereich -10 bis 60 C System mit Sicherheits-Kupplungen, Überdruckventilen und Flammsperre ausgerüstet 26

27 BETRIEBS- & FAHRZEUGGERECHTER SYSTEMBAU (PACKAGING) PEFC-Systemmodul Anpassungsmodul H 2 -Speichermodul Steuerungsmodul H 2 -Versorgungsmodul Luft-Versorgungsmodul 27

28 PACKAGING EINES PEFC-SYSTEMS IN MODULBAUWEISE STEUERUNGSMODUL LUFT-VERSORGUNGSMODUL H 2 -VERSORGUNGSMODUL PEFC-SYSTEMMODUL 28