BRENNSTOFFZELLENENTWICKLUNG UND FERTIGUNG Ansatzpunkte für die Unternehmen im Kreis Göppingen

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1 BRENNSTOFFZELLENENTWICKLUNG UND FERTIGUNG Ansatzpunkte für die Unternehmen im Kreis Göppingen Dipl.-Ing. Andreas Brinner des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) e.v. Pfaffenwaldring 38-40, D Stuttgart Vortragsinhalt: Brennstoffzellen und Brennstoffkreislauf Brennstoffzelle Vom Prinzip zur Nutzung Brennstoffzellenkomponenten und Industriezweige Anwendungsbeispiele für Brennstoffzellensysteme Wasserstoff Der Brennstoff der Zukunft? 1

2 DLR- 2

3 IFK Arbeitsgebiete: -- Saubere Kraftstoffe -- Alternative Antriebe -- Fahrzeug- Leichtbau 3

4 + - 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 4

5 Brennstoffzellen BZ-Klassifizierung 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 5

6 Funktionsprinzip einer PEFC-Zelle 6

7 elektrischer Verbraucher Katalysatorschicht Prinzipieller Aufbau eines Brennstoffzellen- Blocks Membran Anode Kathode + Brennstoff Elektroden Luft Bipolarplatte/ Gasverteiler 7

8 Aufbau eines PEFC-Blocks 8

9 Peripheriekomponenten eines Brennstoffzellensystems 9

10 200 We Brennstoffzellenbatterie REPLACER21 10

11 200 We Brennstoffzellenbatterie REPLACER V AC-Wechselrichter 12 V DC-Ausgang Wasserstoffspeicher Steuerungsmodul PEFC-Block Luft-Versorgungsmodul Wasserstoff-Versorgungsmodul 11

12 200 We Brennstoffzellenbatterie REPLACER21 HAUPTKOMPONENTEN Gehäuse Wasserstoffspeicher PEFC-System Kühlsystem Leistungsanpassung Sicherheitseinrichtungen 12

13 200 We Brennstoffzellenbatterie REPLACER21 SYSTEMMODULE Gehäuse Wasserstoffspeicher PEFC-Block Wasserstoff-Versorgungsmodul Luft-Versorgungsmodul Kühlungsmodul Steuerungsmodul Betriebsstartmodul 12 V DC-Ausgangsmodul 230 V AC-Wechselrichtermodul 13

14 GEHÄUSE Kunststoff-/Metallverarbeitung Betroffene Industriezweige BRENNSTOFFSPEICHER/BRENNSTOFFAUFBEREITUNG Kunststoff-/Metallverarbeitung/Gießereitechnik/Verfahrenstechnik/Anlagenbau PEFC-SYSTEN Verfahrenstechnik/Anlagenbau/Subsystemfertigung/Ingenieurdienstleistung KÜHLSYSTEM Bauteilfertigung/Kunststoff-/Metallverarbeitung/Ingenieurdienstleistung LEISTUNGSANPASSUNG / STEUERUNG Elektrotechnik/Elektronik/Bauteil-/Komponentenfertigung/Verkabelung SICHERHEITSEINRICHTUNGEN Bauteilfertigung/Kunststoff-/Metallverarbeitung SYSTEMFERTIGUNG / TEST / SYSTEMEINBAU Anlagenbau/Organisation/Lagerhaltung/Ablaufsteuerung/Endausrüstung 14

15 SYSTEMMODULE UND BESTANDTEILE Aufbau: Gehäuse, Einbauteile, Halterungen, Befestigungsteile Brennstoffspeicher/-aufb.: Behälter, Metalllegierungen, Kupplungen, Siebe, Metallschäume, Halterungen PEFC-Block: Rahmen, Dichtungen, Endplatten, MEAs, Befestigungselemente, Kupplungen Brennstoffmodul: Druckminderer, Ventile, Leitungen, Kupplungen,Kühler/Heizer, Luft-Versorgungsmodul: Luftförderer, Kühler, Leitungen, Ventile, Kupplungen, Sensoren, Motoren Kühlungsmodul: Wärmeübertrager, Pumpen, Kühler, Leitungen, Kupplungen, Ventile Steuerungsmodul: Platinen, Elektronikbauteile, Sicherungselemente, Relais, Schütze, Abschirmungen, Stecker, Kupplungen, Kabelstränge, ASICS, SPS, Meßsensorik Elektroausgangsmodul: siehe Steuerung zus. Hochleistungsbauelemente H 2 -Sicherheitsmodul: Überwachungssensorik, Ex-Schutztechnik 15

16 KLEINSYSTEME: Busmodell I I mit mit luftgekühltem PEFC- PEFC- System für für hohe hohe Geschwindigkeit und und geringe Beladung Busmodell II II für für geringe Geschwindigkeit und und hohe hohe Beladung 16

17 KLEINSYSTEME: PEFC-Systeme für für den den dynamischen Wasserstoff-Luft- Betrieb aus aus Serienbauteilen im im Leistungsbereich 0,1 0,1 0,8 0,8 kw kw e e 17

18 Brennstoffzellenbetriebenes Busmodell 18

19 Wasser-Glykol-gekühltes dynamisches 2 kw e PEFC-System Luftversorgung Wasserstoffversorgung PEFC-Block Wärmeübertrager Kühlmittel- Kühler Wasser- Rückgewinnung VE-Wasser- Kreislauf 19

20 Externe Verfahrensschritte um einen PEFC-Block Luftversorgung Brennstoffversorgung PEFC- Block Kühlung Kühlung Wasserkondensation Druckregelung Druckregelung Temperaturregelung Kühl- Kreislauf Wasserumlaufregelung Wasserversorgung 20

21 Blockschaltbild einer PEFC-Klimatisierungsanlage WASSERSTOFF Pel WÜ-H2 LUFT PEFC-Block WÜ-LU M WÄRME- ÜBERTRAGER- KREISLAUF WÜ-H2O KÜHLKREISLAUF PUMPE PUMPE WASSERSTOFF LUFT VE-WASSER VERDICHTER VERDAMPFER LUFT DROSSEL FRIGEN WASSER-GLYKOL KONDENSATOR NUTZ-KREISLAUF 21

22 PEFC - Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit Dynamischem Kühler und Hallenheizer 22

23 KLEINSYSTEME: Kinderdemofahrzeug mit mit luftgekühltem PEFC-System in in Kompakt-Bauweise; System universell einsetzbar in in Kleinfahrzeugen bis bis 0,4 0,4 kw kw m und und 1 kw kw p p Leistungsbedarf, dm dm 3 3 Raumbedarf 23

24 Studie Packaging des des PEFC-Systems im im Kinderfahrzeug 24

25 Funktionsblöcke eines Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb Fahrzeugelektrik Antriebsstrang Fahrzeugklimatisierung Fahrwerk Brennstoffzellensystem Brennstoffaufbereitung Luftversorgung Wasser- und und Wärmehaushalt Steuerung/ Regelung Kühlsystem Karosserie & Chassis Karosserie & Chassis Sicherheitssysteme Regelung & Steuerung Regelung & Steuerung 25

26 Beispiel eines Zulieferindustrie- Projektes Hylite Basierend auf den erarbeiteten Forschungsergebnissen auf dem Gebiet der Brennstoffzelle wird als erstes Projekt gemeinsam mit 8 Partnern ein Konzeptfahrzeug mit BZ-Antrieb erstellt. 26

27 Mögliche Konzepte der Brennstoffversorgung beim Einsatz von PEFC-Brennstoffzellen in mobilen Anwendungen Tankstelle Kraftfahrzeug Wasser & Strom Elektrolyse Wasserstoff Methanol PEFC Gasreinigung Gasreinigung Erdgas Reformer Reformer 27

28 Funktionsprinzip eines Photovoltaik-Elektrolysesystems Photovoltaikgenerator Leistungsanpassung Alkalischer Wasserelektrolyseur 28

29 Betriebsgebäude der 350 kw p Photovoltaik-Elektrolyseanlage PV-Feldkontrolle & Leistungsanpassung Wasserstoff- & Sauerstoffauslass Wasser- Tank Kontrollraum & Kühlsysteme Elektrolyse- Betriebsraum Wasserstoff- Reinigung & Kompression Wasserstoff- Speichersystem 29

30 Alkalischer 0,5 MW N Druckelektrolyseur zur Wasserstoffherstellung H 2 -Wasser- Trennung Wasserabscheider Elektrolyseblock Laugen- Kreislauf N 2 -Spül- System Wasser- Kreislauf 30

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