BZ-Kleinantriebe für leichte Nutzfahrzeuge PEFC-betriebener Vorfeldfahrzeugdemonstrator VFF

Transkript

1 BZ-Kleinantriebe für leichte Nutzfahrzeuge PEFC-betriebener Vorfeldfahrzeugdemonstrator VFF VDI-Stand D36 Halle 2, Hannover Messe International, April 2006 DLR-, Stuttgart Cardec Hydrogen Technologies, Frankfurt Prokar Entwicklungs- & Vertriebs-GmbH, Überlingen

2 Vortragsinhalt Vorstellung des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte Brennstoffzellen-Systemkonzepte für Kleinfahrzeuge Vorfeldfahrzeugdemonstrator mit PEFC-Hybridsystem PEFC-Modulsystemkonzept Anforderungen an Systembetrieb und Systemkomponenten Neue PEFC-Systemkomponenten für die Serienherstellung

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

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.

5 Institutsneubau Einblicke Büroflächen Labore und Werkstätten nicht von FK belegte Flächen Leichtbau-Labore Fügetechnik Smart Systems etc. Prüfstände Antriebsstrang BZ-Prüfstand 100kW Energiemanagement Komponentenprüfung etc Rollenprüfstand Klima, H 2 Leichtbau-Labore Bauteilprüfung etc. Werkstätten EG UG Laborfläche: m 2 Bürofläche: m 2

6 Kleinfahrzeuge Minimales und robustes Brennstoffzellensystem Luftgekühlte Stapel Keine Befeuchtung Betrieb nahe Atmosphärendruck Modularisierung Steuerungsmodul H 2 -Versorgungsmodul BZ-Modul Luftversorgungsmodul

7 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellen-Energieversorgung Applikationsbereiche & Betriebsarten für PEFC-Kleinsysteme 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

8 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellen-Energieversorgung Modularisierung und Standardisierung Modularisierung durch Systemaufbau aus 4 6 kompakten Teilsystemen: Wasserstoff-Speichermodul Wasserstoff-Versorgungsmodul Luft-Versorgungsmodul PEFC-Systemmodul Kühlmodul Steuerungs-/Energieanpassungsmodul Standardisierung durch verwechselungssichere Modulverbindungen: Medienverschlauchung/-verrohrung Steuersignalverkabelung Leistungsübergabeverkabelung

9 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellen-Energieversorgung Blockschaltbild eines luftgekühlten PEFC-Systems Wasserstoff-Versorgung Flammsperre Druckanzeige 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 Luftverdichter Druckanzeige Druckschalter Druckanzeige Filter Wasserabscheider Brennstoffzellen- Modul Wasser- Ablass Kühlluft- Modul

10 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellen-Energieversorgung Energetische Kopplungen Fahrzeug PEFC-System Zeichnungslegende

11 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellen-Energieversorgung 2006: Vorfeldfahrzeug VFF mit PEFC-Hybridantrieb 1,5 kwp / 0,5 kwn - Hybridantriebssystem VFF-Projektpartner

12 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellen-Energieversorgung Vorfeldfahrzeug VFF mit PEFC-Hybridantrieb Fahrsteuerung mit Joystick PEFC-Batterie- Hybridsystem Anhänger- Kupplung Frontantrieb mit 2 Radnabenmotoren Frei bewegliche Hinterräder

13 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellen-Energieversorgung Details des Vorfeldfahrzeugs VFF mit PEFC-Hybridantrieb PEFC-Batterie- Hybridsystem Fahrsteuerung mit Joystick Cramer- Anhänger- Kupplung Anhänger- Kupplung Frei bewegliche Hinterräder Frontantrieb mit 2 Radnabenmotoren

14 Fzg-Steuerung Kleinfahrzeuge mit PEFC-Energieversorgung Fahrzeugintegration eines 0,5 kw H 2 -PEFC System PEFC-System H 2 -Speicher PEFC-System- Steuerung Radnabenantrieb

15 Kleinfahrzeuge mit PEFC-Energieversorgung Neueste Generation eines 0,5 kw N PEFC-System in Modulbauweise Luft-Versorgungsmodul Steuerungsmodul H 2 -Versorgungsmodul PEFC-Systemmodul

16 Kleinfahrzeuge mit PEFC-Energieversorgung Fahrzeugintegration eines 0,5 kw H 2 -PEFC System H 2 -Speichermodul Steuerungsmodul Elektroantrieb Luft-Versorgungsmodul PEFC-Systemmodul H 2 -Versorgungsmodul

17 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellen-Energieversorgung Package-Entwicklung am Beispiel eines Luft-Versorgungsmoduls Rollermodul 2004 Basismodul W-Modul W-Modul 2006 FTS-Modul W-Modul W-Modul 2006

18 Kleinfahrzeuge mit PEFC-Energieversorgung Luft-Versorgungsmodul eines 0,5 kw Systems ohne Schalldämm-Maßnahmen Luftfilterung Druckluftausgang Druckluft- Kühler Luftverdichter Druckabfrage Kommunikations-/ Elektroschnittstelle

19 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellen-Energieversorgung Beispielhaftes PEFC-Kernmodul eines 1,5 kw p / 0,5 kw N Systems Sauglüfter Medienzufuhr PEFC-Block mit Kühlluftführung Druckeinstellung Drucklüfter Medienabfuhr

20 Kleinfahrzeuge mit PEFC-Energieversorgung H 2 -Versorgungsmodul eines 0,5 kw Systems Systemanschluss Sicherheitseinrichtungen Speicheranschlüsse Druckeinstellung Kommunikations-/ Elektroschnittstelle

21 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellen-Energieversorgung Dynamische PEFC-Fahrzeugbetriebsbeispiele 40 0,2 Beschleunigung a Bus FTS mit 0,5 / 1,5 kw PEFC-System Leistung P [W] Motorleistung P mech 0,0-0,2-0,4 Beschleunigung a [m/s 2 ] Leistung 18 Gesamtspannung U BZ 6 0 Gegenmoment P geg Zeit t [s] -0,6 Spannung U [V] / Strom I [A] 12 6 Geschwindigkeit v Bus Gesamtstrom I BZ 4 2 Geschwindigkeit v [km/h] Roller mit 0,4 / 1,0 kw PEFC-System Zeit t [s]

22 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellen-Energieversorgung Stationärer 40 V Systembetrieb mit 13 A Laststrom

23 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellen-Energieversorgung Versorgung und Betrieb kleiner Brennstoffzellensysteme 60,00 55,00 Stack Messung Simulation 16,00 14,00 Betriebsrandbedingungen 50,00 12,00 Temperatur ( C) 45,00 40,00 35,00 30,00 Abluft Stack Abluft Speicher 10,00 8,00 6,00 Strom I (A) Lastwechsel bei 5 C (System wärmeisoliert) 25,00 20,00 H 2 -Speicher 4,00 2,00 60 T_Stack oben T_Luft ein T_Luft aus T_MHS I_Last ,00 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 Versuchsdauer (min) Betriebsstart bei Raumtemperatur Temperatur [ C] Laststrom [A] Zeit [min] 0

24 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellen-Energieversorgung Thermischer Haushalt eines 0,5 kw N Luftversorgungsmoduls

25 Entwicklung von PEFC-Systemkomponenten für Fahrzeuge Beispiele neuer PEFC-Systemkomponenten von DLR-Partnerfirmen Luftkühler AKG Luftverdichter Rietschle Schopfheim Luftansaugfilter Mahle H 2 O-Abscheider Mahle Magnet ventil GSR Flüssigkeitsfilter Mahle Kondensator AKG Front- Hauptkühler AKG

26 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 H 2 - Hydridspeicher H 2 -in-luft- Sicherheitssystem

27 Kleinfahrzeuge mit H 2 -Luft-Brennstoffzellen-Energieversorgung PEFC-Kleinantriebe sind dem Versuchsstadium entwachsen Alle Leistungsanforderungen sind direkt oder im Hybrid-Betrieb erfüllbar Ein gemeinsames Systemdesign für alle Anwendungen ist benutzbar Einfache Bedienung, Sicherheit, Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer des Systems sind erreichbar Alle Package-Varianten für die Systemintegration sind machbar Systemkomponenten für den Produktionsstart existieren BZ-Kleinantriebe können Nischenprodukte mit Massenproduktionszahlen sein Großserienumsetzbarkeit des Systems ist erreichbar Systembau-Kostenziele werden erreichbar sein, da Produktionsmethoden und Komponenten mit bekannten Systemen vergleichbar sind Kritische Pfad ist die reproduzierbare, kostengünstige Serienherstellung von BZ-Blöcken

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Für Ihre Fragen zu diesem Vortrag, dem VFF und zur PEFC-Kleinsystementwicklung des DLR allgemein stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung.