Neue Komponenten und Subsysteme für den ...¤sentation_HMI_2010_v6.pdf · PEFC Core Module Safety Valve Pressure Indicator Pressure Switch Temperature Switch EXT Hydrogen Storage

Neue Komponenten und Subsysteme für den BrennstoffzelleneinsatzNew Components and Subsystems for Fuel Cell Systems

DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. in StuttgartInstitut für FahrzeugkonzepteAndreas Brinner

Pfaffenwaldring 38-40, D-70569 StuttgartTel: ++49 (0) 711 6862 574E-mail: [email protected]

Internet: www.dlr.de/fk

Institut für Fahrzeugkonzepte

Vortragsinhalt

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)

Das Geschäftsfeld “Verkehr” im DLR

Das DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte FK am Standort Stuttgart

Brennstoffzellen-Systementwicklung im DLR Institut für Fahrzeugkonzepte

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Was ist ein Brennstoffzellensystem?

Aktuelle DLR- und Partnerentwicklungen für Brennstoffzellensysteme

Zusammenfassung


DLR – Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

ForschungszentrumLuftfahrtRaumfahrtEnergieVerkehr

Raumfahrt-AgenturProjektträger

5.900 Mitarbeiter arbeiten in 29 Forschungsinstituten und Einrichtungen in 13 Standorten

Büros in Brüssel, Paris und Washington

Partner von European Transsonic

Wind Tunnel (ETW) German Dutch Wind

Tunnels (DNW)

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)


Mobilität – Essenziell für Volkswirtschaften

Sichert und fördert wirtschaftliche Entwicklung Verkehr stellt mehr als 18 Millionen Arbeitsplätzein der EUAutomobilindustrie sorgt für weitere 14 Millionen ArbeitsplätzeVerkehr hält 13% Anteil am EU BSP

Ermöglicht kulturelle und sportliche VeranstaltungenBefriedigt persönliche Bedürfnisse

Bedarf für schnellen, zuverlässigen und sicheren Verkehr

Das Geschäftsfeld “Verkehr” im DLR


Vision Nachhaltige, sichere und finanzierbare

„Individuelle Mobilität“

Signifikant verbesserte Nutzung der Energiepotenziale für Fahrzeug- / und Transportsysteme Beispiel: Fahrzeugtaugliche Brennstoffzellensysteme

Durchbruch bei emissions- / CO2-freien oder neutralen AntriebstechnologienBeispiel: Wasserstoff-BrennstoffzellensystemeErweiterung der Energieträger im VerkehrBeispiel: Leistungsfähige Wasserstoffspeicher

Innovative Fahrzeugkonzeptefür Straße- und Schiene

Das DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte FK


Mission

Synthese

Reduzierung der FahrwiderständeForschungsfelder

Erhöhung der Energieeffizienz

Neue Fahrzeugkonzepte

FK gestaltet und demonstriert Innovationen für Fahrzeugkonzepte und Technologien zukünftiger Transportsysteme

Innovative Fahrzeugkonzeptefür Straße- und Schiene

Das DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte FK


Brennstoffzellen-SystementwicklungEntwicklungsplattformen & Teststände Neue SystemkomponentenSystemkonzepte & FahrzeugintegrationEnergiemanagement für Antrieb & Fahrzeug

„Minimales“ & robustes BZ-SystemModularisierungMinimaler EigenverbrauchFunktionsintegration in wenige Komponenten

IndustriefahrzeugeStrassenfahrzeuge

Projekt HyLite

Projekt VFF Vorfeldfahrzeug

Brennstoffzellen-Systementwicklung


Wie funktioniert eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle? PEFC (Polymer Electrolyte membrane Fuel Cell)

Polymerelektrolyt-Membran

O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O 2H2 -> 4 H+ + 4e-

AnodeKathode

+

+

+

+

+ +

+ +

- Typische Werte unter Last:0,7 V Spannung0,75 A/cm2 Strom

- Anode: Wasserstoff (H2) wird oxidiert (gibt Elektronen ab)

- Elektrolyt-MembranProtonenleiter aber elektrischer Isolator

- Kathode: Sauerstoff (O2) wird reduziert (erhält Elektronen)



Was braucht man, damit eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle funktioniert?

Brennstoff: WASSERSTOFFOxidationsmittel: SAUERSTOFF aus der Umgebungsluft

KÜHLMITTEL zur Abfuhr der Abwärme des elektrochemischen Prozesses

BRENNSTOFFZELLE, der Energiewandler, in dem aus elektrochemischer

Energie elektrische und thermische Energie erzeugt wird

ELEKTRISCHER VERBRAUCHER, der den elektrochemischen Prozess in der

BRENNSTOFFZELLE ablaufen lässt und den Laststrom festlegt

SICHERHEITSBEGRENZER die das Auftreten von extremen Betriebswerten im

Brennstoffzellenblock verhindern

STEUERUNG für den Betrieb aller Systemkomponenten, die Bereitstellung

elektrischer Leistung für den Eigenverbrauch und als sichere Verbindung zum

Energieverbraucher



Modulare Brennstoffzellensysteme für FahrzeugeBlockschaltbild des wassergekühlten PEFC-Systems

pI4

Abblas-Ventil

LuftEin

H2Ein

pI7

Man. Einstellventil

pI1 H2-Sp1

H2-Sp2

pS3

pS1

H2

LuftAus

TT1

TSTC2

pI3

pI2

elektromagn. Ventil

BZ-Block2 x 40 Zellen

24V/30A

Sicherheits- Ventil

Aus

elektromagn. Ventil

Flammsperre

Wasserstoffspeicher

Wasserstoff-Versorgung

PEFC-Kernmodul

Sicherheits-Ventil

Druckanzeige

Druckanzeigen

Druckanzeige

Druckanzeige Druck-schalter

Temperatur- schalter

Flüssig-Kühlmodul

AUS

AUS Wasserstoffspeichermodul

AUS

AUS

H2-Vordruck-Regelung

Wasser-abscheider

Linear-OszillatorLuftverdichterFilter

Wasser-Ablass

Druck-anzeige

pI5

FS4

Luftversorgung

Durchfluss-messer

Durchfluss-schalter

Ladeluft-kühler

Kühlmittel-vorrat

Kühlmittel-pumpe

PEFC-Hauptkühler

PEFC-Temperatur-regelung

Temp.-Sensor

Man. Einstellventil

Ein-Hand-Schnellkupplung

Druck-schalter



Modulfunktionen eines Niedertemperatur-Brennstoffzellensystem

Wasserstoffbereitstellung erfolgt aus dem Wasserstoffvorrat des WasserstoffspeichermodulsWasserstoffkonditionierung, d.h. lastgerechte Druck- und Mengeneinstellung erfolgt im WasserstoffversorgungsmodulSauerstoffbereitstellung aus der Umgebungsluft mit Filtrierung und lastgerechter Druck- und Mengeneinstellung ist die Aufgabe des LuftversorgungsmodulsDer Transport der thermischen Leistung aus der Wärmequelle Brennstoffzellenblock zu den Wärmesenken Radiatorkühler und Sorptionsspeicher(optional) ist Aufgabe des Kühl- / ThermomanagementmodulsFeineinstellung, Überwachung und Notabschaltung des elektrochemischen Prozesses im Brennstoffzellenblock sind die Aufgaben des PEFC-KernmodulsÜberwachung der Sicherheit, elektrische Versorgung aller Komponenten, Steuerung / Regelung aller Betriebsabläufe sind die Kernaufgaben des Steuerungsmoduls



Modulare Systemkonzepte Flüssig gekühltes 1,2kWe PEFC-System in modularer Bauweise

H2-Versorgungsmodul

SteuerungsmodulLuft-Versorgungsmodul

Kühlmodul

PEFC-Kernmodul



Einfachere Systemkonzepte & Entflechtung der FunktionenKostenreduktionErhöhung der ZuverlässigkeitAnpassung an Spezialfälle & Einsatznischen

Modularisierung der verfahrenstechnischen & elektrischen SubsystemeVorfertigung von BaugruppenNutzung gleicher Baugruppen für alle KonzeptvariantenSchnelle Inbetriebnahme und einfache Integration

Hoch integrierte BauteileWeniger Bauteile durch gruppenweise Funktions-ZusammenfassungHöhere ZuverlässigkeitGeringere Kosten

Neue Entwicklungsansätze für BrennstoffzellensystemeKonzepte, Subsysteme & Komponenten müssen überarbeitet werden



Modulare Brennstoffzellensysteme für FahrzeugeSystembeispiele mit Leistungen < 5kW

ElektrorollerFahrerloses

Transportsystem

Flughafen-Vorfeldtransporter

pI4

Wasser-abscheider

Membran-KolbenLuftverdichterFilter

Wasser-Ablass

Abblase-Ventil

LuftEin

H2

Ein

pI7

Einstellventilfür den Luftdruck

pI1 H2-Speicher

H2-Speicher

pS3

pS1

pS1/24V

H2

LuftAus

TT1

TSTC2

pI3

pI2

Druckanzeige

pI5 pS4

einaus

elektromagn. Ventil

BZ-Block40 Zellen

Sicherheits- Ventil

Aus elektromagn. Ventil

Flammsperre

beidseitig sperrende Schnellkupplung


Luftversorgung

Brennstoffzellen- Modul

Sicherheits-Ventil

Druckanzeige

Druckanzeige

Druckanzeige

Druckanzeige

Druck-schalter

Druck-schalter

Temperatur- schalter

Kühlluft- Modul

AUS

AUS

Wasserstoffspeicher-Modul

AUS

AUS

Ladeluft-kühler

pI4

Tmax=38°C

BleedValve

LuftIN

H2

INNO

MV-H2-224V

Clocking

pI7

Air PressureAdjustment

pI1

Tmax=75°C

H2-Sp1/25 bar 0,5 mN3

H2-Sp2/25 bar 0,5 mN3

30 bar SV-H2-1

pS31,1b

pS12bar

pS3/24V

pS1/24V

H2

Luft

TT1

TSTC2

TC2 /24V

p=0,2 bar

pI3

200 mbar belowpI3 during purge

1,2 - 1,5 barMV-H2-124V NC

pI2

2,0 bar SV2

HIGHLOW

EM-Valve

PEFC-Stack40 Cells

24V/50A

Flam Arrestor

Quick Coupling

Hydrogen Supply Module

PEFC Core Module

Safety Valve

Pressure Indicator

Pressure Switch

Temperature Switch

EXT Hydrogen Storage Module

H2-PressureController

WaterSeparator

Linear-OszillatingAir CompressorFilter

CAC-112V

WaterBleed

CM-AI-124V

pI5

FS41,1b

FS4 / 24V

1,2bar

Air Supply Module

Flow Sensor

Flow Switch

Intercooler

TemperatureSensor

Cooling Module with

Liquid CoolantCoolantStorage

CoolantPump

PEFCRadiator Cooler PEFC

TemperatureController

Pressure Indicator

Safety Valve

EXT

EXT

OUT

OUTEXT

PressureIndicator

Pressure Indicator

Pressure Indicator

EM-Valve

Pressure Switch

Coolant3-way

Control Valve

Flüssiggekühltes System

Luftgekühltes System

Gepäckwagen-Schlepper

Ein Systemkonzept mit zwei Variantenfür alle Anwendungen



300W

500W

750W

BZ-Modulbaureihen für die Kleinserienfertigung

1400W 800W -1400W

500W -1200W

300W – 7500W

Luftversorgung KühlsystemeSystemsteuerung

Wasserstoffversorgung

300W -500W

Flüssigkühlung

Luftkühlung



200W450W

500W

Brennstoffzellen-Kernmodule für die Kleinserienfertigung

560W 720W -1440W

600W-1200W

Luftgekühlt Wassergekühlt

360W



Zentrale SubsystementwicklungEine Steuerung für alle Systemvarianten



Starterakku

Ablaufsteuerung Leistungsanschluss

Blocküberwachung

Laderegler/Bordnetz

PEFC-Steuerungs- & LeistungsanpassungsmodulLeistungsbereich: 0,3 – 7,5kW Systemleistung

Subsystemabsicherung


Nufringen, Baden-Württemberg


PEFC-Steuerungs- & LeistungsanpassungsmodulLeistungsbereich: 0,3 – 7,5kW Brennstoffzellenblock-Leistung


Eine zentrale Steuerung und Leistungselektronik für alle Systemleistungen

12, 24, 48V Blöcke einsetzbar

Ausgangsströme bis 160 Ampere derzeitig darstellbar

Stabilisiertes Bordnetz für alle Systemmodule bis 600 Watt bei 24 VDC

Betriebsstart des System aus internen Starterakkus

Ladung des Startakkus im Betrieb in Schwachlastzeiten

Fremdstartmöglichkeit über externe Ladebuchse

Aufbau der Steuerung aus gängigen Komponenten ohne Spezialbauteile


Wasserstoffversorgung heuteDiskreter Aufbau

35 Einzelkomponenten10 Liter BauvolumenKomplexes PackageAbdichtung schwierig

Wasserstoff-Vorwärmer

Volumenstrom-messer

Entspannungs-leitungen

Druckregler

Seitentasche über Hinterreifen, FahrerseiteR 3a

Speicher

Speicherräume in den Schwellerbereichen

Umgebung

Flamm-durchschlag-sicherung

Speicher

R2


Druckminderer

Filter

Flammsperre/Rückflussicherung

Betankung

Umgebung

Flammen-durchschlag-

sicherung

Undichtigkeiten in Räumen

Speicherraum Fahrerseite

Blockgehäuse

Seitentasche Wasserstoff

EM-Absperrventil




1

1

1 1

2 2 2 3

3 3

4

Wasserstoffversorgung morgen – die bessere IdeeZusammenfassung vieler Funktionen in wenigen Komponenten =Funktionelle Hochintegration

3

EL3

CEH

CEH

CEH

FL1 EL1 EL2 EL4EP3

EP1

EP2 EP4

H2 in Luft

H2 in Luft

H2 in Luft

EP 2

EP 3

EL 1

EL 2

EL 3

EL 4



Systemanschluss

Druckeinstellung Kommunikations-/Elektroschnittstelle

Sicherheits-einrichtungen

Speicher-anschlüsse

Abblase-Ventil

EM-Ventil

Sicherheits-Ventil

Flammsperre


Sicherheits-Ventil

Druck-anzeige

Druck-anzeige

Druck-schalter

AUS

Druck-schalter

AUS

Wasserstoffversorgung – wichtige ZwischenlösungModulaufbau mit diskreten Komponenten in Integrationsadaptern



Entspannungs-Leitung 3 EL3

R 4

CEH

CEH

R 5

CEH

Wasserstoff-Speicher

FahrerseiteR 1

R2

Wärmeübertragerfür Hydridspeicher

Betankungs-Leitung 1 FL1




Auslass-Leitung 3 EP3




H2 in Luft

H2 in Luft

H2 in Luft

Wasserstoff-Speicher

BeifahrerseiteR 2

Wärmeübertragerfür Hydridspeicher

Wasserstoff-Versorgungsbereich HSSC R 3a

PEFC-BlockgehäuseR 4

HSSC R 3b

Fahrgastraum R 5

EP 2

EP 3

EL 1

EL 2

EL 3

EL 4

Wasserstoffvorwärmerfür Hydridspeichereinsatz

Hoch integrierte BauteileDie Wasserstoffversorgung für morgen4 Komponenten können zukünftig 35 Komponenten ersetzen

Regel- & Sicherheitsventil

Sicherheits- & Gasabgabeventil

H2-Speicher-Sicherheitsventil

Spül- & Stack-Sicherheitsventil

1

2 3 4



Sicherheits- & GasabgabeventilRegel- & Sicherheitsventil

Lösungen für die Wasserstoffversorgung2 hochintegrierte Komponenten sind bereits marktgerecht

Funktionen in einer Baugruppe:• EM-Isolationsventil zur Stackabsicherung• EM- 3/2-Wege-Ventil zur

• Druckminderung• Druckregelung• Entlüftung

• Integrierter Filter• Durchflussbegrenzung über Fixdrossel• Drucksensierung

Funktionen in einer Baugruppe:• EM-Isolationsventil zur Abtrennung der

Wasserstoffstrecke vom Brennstoffspeicher• Druckminderung• Integrierter Filter• Durchflussbegrenzung über Fixdrossel• Überströmventil• Drucksensierung


Fellbach,BadenWürttemberg


Sicherheits- & Gasabgabeventil, 2. Gen.Regel- & Sicherheitsventil, 2. Gen.

Lösungen für die WasserstoffversorgungDie neue Generation berücksichtigt bereits Feld-Erprobungsergebnisse!

Funktionen in einer Baugruppe:• EM-Isolationsventil• EM- 3/2-Wege-Ventil zur

• Druckminderung/ -regelung• Entlüftung

• Integrierter Filter• Durchflussbegrenzung• Drucksensierung• Sicherheitsabschaltung

Funktionen in einer Baugruppe:• EM-Isolationsventil• Druckminderung• Integrierter Filter• Durchflussbegrenzung• Überströmventil• Drucksensierung


Fellbach,BadenWürttemberg


PEFC Periphere SubsystemeLuftversorgung mit Schalldämmung auf Linearverdichterbasis

Druckluft-Ausgang

Motorumrichter

Druckluftkühler Luftverdichter

Luftmassenabfrage Kommunikations-Elektroschnittstelle

Wasser-abscheider

Luft-verdichter

Filter

Wasser-Ablass

Druck-anzeige

Luftversorgung

Druck-schalter

Ladeluft-kühler



Luftversorgung - Der konsequente Schritt:Integration aller externen Komponenten in den Luftverdichter

Linearverdichter YP70

120 Watt65Nl/min

60 Watt80Nl/min


Zusätzliche Vorteile:Gehäuseintegration des LadeluftkühlersGewichtseinsparung durch leichteres GehäuseEnergieeinsparung durch AntriebsoptimierungHöhere Luftmenge durch Strömungsoptimierung


PEFC Subsystem Hoch integriertes Luftverdichtermodul

DruckluftausgangMotorumrichter

Verdichterkopf Luftverdichter-Schwingantrieb

Luftdruckabfrage

Kommunikations-Elektroschnittstelle

24V-Versorgung

Steuersignal

Notausschleife


Uhldingen,BadenWürttemberg


PEFC- LuftversorgungsmodulLinearverdichtertechnik für hoch effiziente Luftversorgung


Luftmenge 12 – 400 Nl/min mit den derzeitig erhältlichen Verdichtern

Erhöhung der Luftlieferleistung um ca. 15% durch Wegfall von Strömungswiderständen im Modul

Druckbereich: 0,02 – 0,3 barü

Regelbarkeit 20 – 100% der Luftmenge durch Frequenzumrichter

Minimaler Energieverbrauchs durch abgestimmte Wicklungstechnik

Leistungsverbrauch gegenüber Standardmodell um ca. 50% reduziert

Verwendung leiser ölfreier Linearmembranverdichter mit 27 – 45 db(A)

Integration aller Modulkomponenten direkt in den Verdichter

Robuste wartungsarme gehäusegeschützte Technik


Flüssig-Kühlmodul

TS 2

+ -

ALARM-KETTE

Hydridspeicher-Thermomanagement

Brennstoffzellen-Kühlung WärmenutzungHydridspeicher

Hoch integriertes Kühlmodul für PEFC-SystemeGeregeltes Kühlmodul mit Nutzerschnittstelle für thermische Leistung

Radiatorkühlermit Lüftern

Zentralmodul des Kühlsystems

Brennstoffzellen-Kühlanschlüsse

AnschlüsseWärmenutzung

Kühler-anschlüsse



Steuerventil

Kühlmittelpumpe

Temp-Schalter Temp.-Sensor Kühlmittelbehälter

Ionentauscher

Hoch integriertes Kühlmodul für PEFC-SystemeZentralmodul des Kühlsystems ohne Kühlmittelbehälter

Flüssig-Kühlmodul

TS 2

+ -

ALARM-KETTE

Brennstoffzellen-Kühlung

Wär

men

utzu

ng H

ydrid

spei

cher



PEFC- ThermomanagementmodulEffiziente Kühlung und Wärmeenergienutzung


Autonomes Kühlmodul ohne äußeren Steuer- & Regeleingriff

Min. Energieverbrauch mit 20 – 40 Watt je nach Wärmebelastung bei 1,4kW

Kühlmittel-Temperaturbereiche (1) bis 90°C und (2) bis 150°C

3 gekoppelte Kühlmittelkreisläufe für (K1) Brennstoffzelle mit Bypass,

(K2) Wärmenutzung Hydridspeicher mit T-Regelung und

(K3) Kühlkreislauf mit T-Regelung

Betrieb mit voll entsalztem Wasser oder versch. Kühlmittelgemischen

Temperaturregelung mit thermohydraulischen Ventilen und T-Vorwahl

Forcierte Wärmeabgabe mit einzeln drehzahlgeregelten Lüftern

Für alle PEFC-Systeme mit Flüssigkühlung einsetzbar


H2-Speicher

PEFC

LuftverdichterLuftversorgung

Wasserstoff

Luft

Vordruck-Regelventil

Bypass-Druck-Regelventil

Entwicklung von Brennstoffzellen-Systemkomponenten Aktuelle Produkte, Entwicklungen und Ansätze

Wärme-tauscher

Kühlmittel-regler

Luft-Druckregler

Spülung

Thermomanagement-kreislauf

Speichersicherheit

Regel- & Sicherheitsventil

Sicherheits- & Gasabgabeventil



Zusammenfassung

Zusammnenfassung

Systemminimierung & Modularisierung mit Industriepartnern läuft.Erste Subsysteme werden in Kleinserie hergestellt und sind industriellverfügbar.Brennstoffzellenblöcke sind als Kleinserienprodukte zu Kosten von ca.1.200 –3.000 € pro Kilowatt Leistung verfügbar.Die Kostenziele von ca. 1.000,-- Euro / kW können durch die Maßnahmen der

(1) drastische Systemvereinfachung,(2) Komponenten- / Subsysteme-Serienherstellung,(3) Funktionsintegration in einer reduzierten Zahl von Komponenten sowie(4) Nutzung von Großserien-Produktionsmethoden

absehbar erreicht werden.


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Für Ihre Fragen zu diesem Vortragund zu unseren Exponaten stehe ich Ihnen gerne zur

Verfügung.

Deutsches Zentrum für Luft- & Raumfahrt e.V. (DLR)Institut für Fahrzeugkonzepte (DLR-FK)Dipl.-Ing.Andreas BrinnerPfaffenwaldring 38-40, D-70569 StuttgartTel: 0711 6862 574 / Fax: 0711 6862 1574E-mail: [email protected] / Internet: www.dlr.de/fk

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