Einsatz von Brennstoffzellen in Fahrzeugen

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1 Einsatz von Brennstoffzellen in Fahrzeugen Überblick über die Arbeiten des Instituts für Fahrzeugkonzepte DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. in Stuttgart Andreas Brinner Pfaffenwaldring 38-40, D Stuttgart Tel: ++49 (0) Internet:

2 Vortragsinhalt Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Das Geschäftsfeld Verkehr im DLR Das DLR- am Standort Stuttgart Motivation der System- und Komponentenentwicklung System und Subsystem laufende Entwicklungen und neueste Produkte Systemkomponenten Produkte und neue Entwicklungsansätze Zusammenfassung

3 DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Forschungszentrum - Luftfahrt - Raumfahrt - Energie - Verkehr Raumfahrt-Agentur Projektträger

4 Mobilität Essenziell für Volkswirtschaften Sichert und fördert wirtschaftliche Entwicklung - Verkehr stellt mehr als 18 Millionen Arbeitsplätze in der EU - Automobilindustrie sorgt für weitere 14 Millionen Arbeitsplätze - Verkehr hält 13% Anteil am EU BSP Ermöglicht kulturelle und sportliche Veranstaltungen Befriedigt persönliche Bedürfnisse Bedarf für schnellen, zuverlässigen und sicheren Verkehr

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

6 Die Forschungsfelder des Institutes - Zielrichtungen - Optimierung von Antriebsstrang Architekturen und Betriebsstrategien - Signifikante Fortschritte bei nichtkonventionellen Energiewandlern für Straßen- und Schienenfahrzeuge Innovative Fahrzeugkonzepte für Straße- und Schiene - Expertise für Konzeptbewertung für (teil-)elektrifizierte Fahrzeugsysteme - Etablierter Partner für Cradle-tograve Modellierungen und für das Niedrig CO 2 -Auto Alternative Antriebe & Energiewandlung Kraftstoff- & Energiespeicher Leichtbau & Hybridbauweisen Innovative Fahrzeugsysteme & Technikbewertung - Systeminnovationen für anerkanntes Multimaterial- Design und Integration technischer Funktionen - Konzept eines 5/500 Fahrzeugs

7 Forschungsfeld Alternative Antriebe und Energiewandlung Elektrifizierung des Fahrzeug-Antriebsstrangs Reduktion der Abhängigkeit von fossilen Kraftstoffen durch Entwicklung von robusten Elektrifizierungs- und Brennstoffzellensystemen Bereitstellung von Nutzenergie bisher ungenutzter Fahrzeug- Energieflüsse CO2-Minderung von ca. 5% durch Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom mittels TEG Alternative Energiewandler mit hoher Effizienz FKLG- Konzept ermöglicht bis zu 20% η-verbesserung gegenüber konventionellem Antriebsstrang (Otto)

8 Kraftstoff- und Energiespeicherung Sorptions-Wasserstoffspeicher Erzielung einer Beladung bis zu 6,5 Gewichts-%, Reduktion des Energieaufwandes für die Speicherung um mehr als 60% Untersuchung von elektrischen Energiespeichern neuester Generation Verbesserte Anwendung von Doppelschichtkondensatoren in elektrifizierten Fahrzeugen Gastank 60% Gewichtsreduktion gegenüber konventionellen Stahltanks, Packageoptimiert Wasserstoffbeladung Kühlsystemanbindung Wasserstoffabgabe 2 parallele Hydridspeicher

9 Prüfeinrichtungen Verifizierung von Antriebs- und Fahrzeugstrukturen Analyse der Komponenten und Subsysteme Bewertung von Fahrzeugtechnologien Komponenten Subsysteme Entwicklungsplattformen Prüstand elektrische Energiespeicher Heißgasprüfstand Prüfstand 20 kw Brennstoffzellensystem Prüfstand TEMA (Teststand für Energiemanagement und elektrische Antriebe) Allrad- Klimarollenprüfstand - H 2 -tauglich - Klimatisierung - Abgasanalyse Prüfstand Elektrisches Energiemanagement

10 Prüfeinrichtungen / Klimarollenprüfstand Arbeiten in 2008 (Auszug) Projekt VECTOR21 / Schadstoffanalyse im Abgas Tests Brennstoffzellen- Antriebe Tests Hybrid- / Traktionsbatterie (Wärmemanagement) Verbrauchsmessungen für flüssige und gasförmige(h 2, CNG u.a.) Kraftstoffe Tests Kaltstart (Betriebsstrategie bei -25 C / Emissionsverhalten) Tests Kraftübertragung im Antriebsstrang Tests des Verhaltens von Fahrerassistenzsystemen Simulation von Feldtests

11 Entwicklung von Brennstoffzellensystemen Entwicklungsplattformen & Teststände zur Komponentenentwicklung Neue Systemkomponenten Systemkonzepte & Fahrzeugintegration Energiemanagement für Antriebsstrang & Fahrzeug Leistung < 5 kw Leistung > 5 kw Minimales & robustes Brennstoffzellensystem Luft- & wassergekühlte Blöcke Keine Befeuchtung Betrieb nahe Atmosphärendruck Minimaler Eigenverbrauch Modularisierung A. Brinner System & Subsystem Entwicklung

12 HyLite Fahrzeug mit Hybrid-Brennstoffzellenantrieb Brennstoffzellen-Systemintegration ins Fahrzeug Elektrische Ausrüstung Elektrische Ausrüstung Antriebsstrang Antriebsstrang Fahrgastzellen-Heizung Fahrwerk Fahrwerk Brennstoffzellensystem Brennstoffversorgung Brennstoffversorgung Luftversorgung Luftversorgung Wasser- Wasser- & Thermomanagement Thermomanagement Steuerung Steuerung / / Regelung Regelung Kühlsystem Kühlsystem Karosserie / Chassis Karosserie / Chassis Sicherheitssysteme Steuerungseinrichtungen System & Subsystem Entwicklung

13 Fahrzeugvorbereitung für den PEFC-Systemeinbau Änderungen der HyLite Fahrzeugstruktur Auslegung und Bau eines PEFC- Kernsystemgehäuses Aufrüstung und Verstärkung des Fahrzeughecks Anpassung der Doppelbodenstruktur Auslegung und Aufbau einer neuen Fahrzeugfront Auslegung und Bau einer neuen Heckschublade

14 Brennstoffzellen-Antriebsstrangpackage 23 kw N / 32 kw p Details der Systemmodularisierung & Integration PEFC Kernmodul Luft- Filterung Block Spannungs-Messung Wasserstoffspeicher Hybridbatterie System- Frontkühler Steuerelektronik Elektroantrieb Leistungselektronik Kühlkreislauf Luftversorgung VE-Wasserkreislauf Wasserstoffversorgung Systempackagekonzept & technische Umsetzung

15 Beispiel: Komponentenpackage der H 2 -Versorgung Wenig Chancen für die Serienrealisierung ohne neue Ideen Druckanzeige PEFC-Blöcke Flammsperre Sicherheitsventil Installationsraumvolumen für H 2 -Kreislauf: 10 Liter H 2 Druckspeicher Magnetventil Druckregler Durchflusssensor Druckminderer Druckschalter Systempackagekonzept & technische Umsetzung

16 Neue Entwicklungsansätze für Brennstoffzellensysteme Konzepte, Subsysteme & Komponenten müssen überarbeitet werden Einfachere Systemkonzepte & Entflechtung der Funktionen - Geringere Kosten - Höhere Zuverlässigkeit - Bessere Anpassung an spezialisierte Applikationen & Einsatznischen Modularisierung der verfahrenstechnischen & elektrischen Subsysteme - Vorfertigung von Baugruppen durch spezialisierte Unternehmen - Höhere Stückzahlen durch Nutzung von Baugruppen in unterschiedlichen Konzeptvarianten - Schnellere Inbetriebnahme und einfachere Integration Zusammenfassung von Funktionen in hoch integrierten Baugruppen - Weniger Bauteile - Höhere Zuverlässigkeit - Geringere Kosten

17 Modulare Systemkonzepte < 5kW Flüssig gekühltes PEFC-System in modularer Bauweise Kühlmodul H 2 -Versorgungsmodul Luft-Versorgungsmodul Steuerungsmodul PEFC-Systemmodul System & Subsystem Entwicklung

18 Modulare Systemkonzepte < 5kW Modularisierung und Standardisierung Modularisierung durch Systemaufbau aus 4 6 kompakten Teilsystemen: - Wasserstoff-Speichermodul - Wasserstoff-Versorgungsmodul - Luft-Versorgungsmodul - PEFC-Systemmodul - Kühlmodul (Luftkühlung im Systemmodul, Flüssigkühlung separat) - Steuerungs-/Energieanpassungsmodul Standardisierung durch verwechselungssichere Modulverbindungen: - Medienverschlauchung/-verrohrung - Steuersignalverkabelung - Leistungsübergabeverkabelung System & Subsystem Entwicklung

19 Modulbaureihen-Entwicklung für Brennstoffzellensysteme Luftversorgung Systemsteuerung Kühlsysteme 1200W 800W W 750W Flüssigkühlung 300W 2400W 500W W 500W Luftkühlung 300W Wasserstoffversorgung 300W - 500W System & Subsystem Entwicklung

20 Brennstoffzellen-Kernmodule luft- und wassergekühlt Luftgekühlt Wassergekühlt 560W 500W 200W 450W 720W 1440W 600W2000W 360W A. Brinner

21 Zentrale Subsystementwicklung Eine Steuerung für alle Systemvarianten A. Brinner System & Subsystem Entwicklung

22 Entwicklung von Brennstoffzellen-Systemkomponenten Aktuelle Produkte, Entwicklungen und Ansätze Speichersicherheitseinrichtung H 2 -Speicher Regel- & Sicherheitsventil Sicherheits- & Gasabgabeventil Spülventil Wasserstoff Luft Kühlmittelpumpe PEFC Druckregelventil Luftverdichter Vordruck- Regelventil Bypass-Druck- Regelventil Wärmeübertrager Kühlmittelregler Kühlmittelkreislauf Komponentenentwicklung

23 HyLite Systemkomponenten-Entwicklungen Akkusatz HAWKER PEFC- Frontkühler AKG Fahrumrichter MES-DEA DC/DC-Umrichter FhG / DLR Luftansaugfilter MAHLE PEFC-Blöcke NUVERA H 2 -Speicher AIR LIQUIDE/JSW Zellspgs-messung SMART Abscheider MAHLE VE-Wasserfilter MAHLE Liquid pump DLR / SPECK EM-Ventil GSR Abscheider/ Sammler DLR Ladeluftkühler AKG Kondensator Luftverdichter AKG RIETSCHLE-THOMAS Wärmeübertrager AKG

24 Beispiele neu entwickelter Systemkomponenten für den HyLite PEFC-Antriebsstrang Ladeluftkühler AKG Wärmeübertrager AKG Luftverdichter Rietschle H 2 0-Abscheider Mahle EM- Ventil GSR Flüssigkeitsfilter Mahle Lufteinlassfilter Mahle Kondensator AKG PEFC- Frontkühler AKG

25 Lösungen für die Wasserstoffversorgung 4 hochintegrierte Komponenten können zukünftig 35 Komponenten ersetzen Regel- & Sicherheitsventil Sicherheits- & Gasabgabeventil Spülventil (in Bearbeitung) Wasserstoffspeicher- Sicherheitsventil Betankungs- Leitung 1 FL1 Entspannungs- Leitung 1 EL1 Entspannungs- Leitung 2 EL2 Entspannungs- Leitung 3 EL3 Auslass- Leitung 3 EP3 Entspannungs- Leitung 4 EL4 Auslass- Leitung 1 EP1 Wasserstoffvorwärmer für Hydridspeichereinsatz H2 in Luft CEH Wasserstoff-Versorgungsbereich HSSC R 3a Auslass- Leitung 2 EP2 R2 Auslass- Leitung 4 EP4 CEH R 5 HSSC R 3b Wärmeübertrager für Hydridspeicher Wärmeübertrager für Hydridspeicher H2 in Luft CEH EL 1 EL 2 EL 3 EL 4 H2 in Luft R 4 PEFC-Blockgehäuse R 4 Wasserstoff- Speicher Fahrerseite R 1 Wasserstoff- Speicher Beifahrerseite R 2 EP 3 EP 2 Fahrgastraum R 5 Komponentenentwicklung

26 Lösungen für die Wasserstoffversorgung 2 hochintegrierte Komponenten sind bereits marktgerecht Regel- & Sicherheitsventil Sicherheits- & Gasabgabeventil Funktionen in einer Baugruppe: EM-Isolationsventil zur Abtrennung der Wasserstoffstrecke vom Brennstoffspeicher Druckminderung Integrierter Filter Durchflussbegrenzung über Fixdrossel Überströmventil Drucksensierung Funktionen in einer Baugruppe: EM-Isolationsventil zur Stackabsicherung EM- 3/2-Wege-Ventil zur Druckminderung Druckregelung Entlüftung Integrierter Filter Durchflussbegrenzung über Fixdrossel Drucksensierung

27 Aktuelle Entwicklungsbeispiele von Systemkomponenten Wasserstoff-Sicherheitseinrichtung für Hydridspeicher Speicher- Sicherheitseinrichtung Neue technische Details für den Hydridspeicherbetrieb - Überdruck-Sicherung: 130bar - Direkt betriebenes Magnetventil - Niederdruck-Durchflussbegrenzer - Über-Temp. Sicherung: 110 C - Betriebstemperaturbereich: C Funktionen - Abschalt-Magnetventil - Handventil - Überdruck-Sicherung - Übertemp.-Sicherung - Durchflussbegrenzer Entwicklungsbasis Zulassung einer 200bar H 2 Sicherheitseinrichtung 1. Entwicklungsschritt 200bar-Kleinserien Produkt 2. Entwicklungsschritt Prototyp für Hydridspeicher Komponentenentwicklung

28 HyLite PEFC-Systempackage Wasserstoff-Sicherheitskonzept für das Fahrzeug Umgebung Umgebung Umgebung Flammsperre H 2 Waserstoff- Detektor H 2 PEFC- Stackgehäuse Fahrzeug Raum für Wasserstoff- Teilkreislauf Fahrgastzelle Wasserstoff-Detektor H 2 -Speicherraum 1 H 2 H 2 -Speicherraum 2

29 HyLite Brennstoffzellensystem-Integration Realisierung des Sicherheitskonzeptes Fahrgastraum R 5 H 2 -Sensor 2 H 2 -Sensor 3 Umgebung Gehäuse des PEFC-Kernmoduls R 4 Umgebung H 2 -Sensor 1 H 2 -Speicherraum R 1 H 2 -Kreislaufbereich R 3a, R 3b H 2 -Speicherraum R 2

30 Steuergeräte EMU (DLR) VMU (AVL) M 3 IC Vehicle management unit (VMU) Driving mode detection, pedal to torque mapping, load change characteristics Energy management unit (EMU) Energy allocation unit (EAU, fuel cell control unit (FCCU), battery management unit (BMU), DC control unit (DCU)

31 Ergebnisse des HyLite-Fahrbetriebs - Hybridisierung P / P ref 1,2 0,8 0,4 0,0-0,4-0,8 1,0 Fuel cell power Battery power i / i ref 0,8 0,6 0,4 0,2 0, time / s

32 Ergebnisse des Brennstoffzellensystembetriebs Betriebsstrategie Konstante Maximalversorgung mit H 2 und Luft Maximale konstante Versorgung der Blöcke erhöht die Leistungsdynamik sehr stark Trotzdem kann die geforderte Sprungantwort des Stroms nicht vollständig erfüllt werden. Voltage / V Current / A Power mean cell voltage maximum cell voltage Time / s set current actual current Power / kw

33 Projekt ELBASYS, Bugradantrieb Antriebsaufbau Nose Wheel Drive - Two nose wheel motors with 25 kw, powered over two inverters with a power supply of 600 V DC - Motor to be mounted on the standard NLG - permanent magnet excitated synchronous machine - Two stage planetary gear with ration 1:10 (taxiing) - Possibility for ratio 1:1 (landing) - Possibility for freewheel function