Modulare Bauweise von Brennstoffzellensystemen für Fahrzeuge
VDI Business Talks 2008, Hannovermesse International April 2008
DLR-Institut für FahrzeugkonzepteDipl.-Ing. Andreas Brinner, Dipl.-Ing. FH Tilo Maag
Pfaffenwaldring 38-40, D-70569 Stuttgart
Tel: ++(0)711 6862 574 / 298 Fax: ++(0)711 6862 1574 / 258Internet: www.dlr.de/fk
Dipl.-Ing. Andreas Brinner / Dipl.-Ing. FH Tilo Maag April 2008
Institut für Fahrzeugkonzepte
Vortragsinhalt
➢ Kurzvorstellung des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte➢ Motivation zur Nutzung von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen➢ Kurze Erläuterung des Brennstoffzellen-Funktionsprinzips ➢ Brennstoffzellen-Systemkonzepte für Kleinfahrzeuge➢ Brennstoffzellen-Systemkonzepte für KFZ am Beispiel des
DLR-Versuchsträgers HyLite
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Institut für Fahrzeugkonzepte
Das Institut für FahrzeugkonzepteProfessor Horst E. Friedrich
InnovativeTechniksystemeSynergie Straßen-/Schienenfahrzeuge
Kraftstoff- &Energiespeicher
Alternative Antriebe &Energiewandlung
Leichtbau & Hybridbauweisen
Innovative Fahrzeugkonzeptein einem nachhaltigen
Verkehrssystem
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Forschungsfelder Ziele
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.
Alternative Antriebe und Energiewandlung
Schaffen der Voraussetzungen für energieeffiziente und schadstoffarme Energieversorgungssysteme heutiger und zukünftiger Fahrzeugkonzepte.
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Reduzierung der Fahrwiderstände
Erhöhung der Energieeffizienz
Vision: CO2-Reduktion
Synthese
Stoßrichtungen
30
60
90
120
1970 1990 2010 2030
200
400
600
800
Fahr
leis
tung
109
km/a
CO
2-Em
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10
6tC
O2/a
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Institut für Fahrzeugkonzepte
H2-Speicher
Luft
Wasser-abscheider
Luft-verdichter
Filter
Wasser-Ablass
Abblase-Ventil
Luft
Ein
H2
Ein
Einstellventil
H2
Aus
Druck-anzeige
EM-VentilBZ-Block
Sicherheits-Ventil
Aus
EM-Ventil
Flammsperre
Schnellkupplung
Wasserstoff-Versorgung
Luftversorgung
Brennstoffzellen- Modul
Sicherheits-Ventil
Druck-anzeige
Druck-anzeige
Druck-anzeige
Druck-anzeige
Druck-schalter
Druck-schalter
Temperatur-schalter
Kühlluft- Modul
AUS
Wasserstoffspeicher-Modul
Druck-schalter
Ladeluft-kühler
Kleinfahrzeuge mit H2-Luft-Bz-Energieversorgung Blockschaltbild eines luftgekühlten PEFC-Systems
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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
Kleinfahrzeuge mit H2-Luft-Bz-Energieversorgung Blockschaltbild eines wassergekühlten PEFC-Systems
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Modularisierung mit kompakten Teilsystemen:Wasserstoff-SpeichermodulWasserstoff-VersorgungsmodulLuft-VersorgungsmodulPEFC-SystemmodulKühlmodul (Luftkühlung im Systemmodul, Flüssigkühlung separat)Steuerungs-/Energieanpassungsmodul
Standardisierung mit verwechselungssicheren Modulverbindungen: Medienverschlauchung/-verrohrungSteuersignalverkabelungLeistungsübergabeverkabelung
Modularisierung und Standardisierung
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Kleinfahrzeuge mit H2-Luft-Bz-Energieversorgung Fahrzeugbeispiele des DLR
VerkehrserziehungsfahrzeugElektro-Roller
Fahrerloses TransportsystemVorfeld-Kleintransporter
für Flughäfen
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
Wasserstoff-Versorgung
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
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H2-Speichermodul
PEFC-Systemmodul
Steuerungsmodul
Elektroantrieb
H2-Versorgungsmodul
Luft-Versor-gungsmodul
Kleinfahrzeuge mit H2-Luft-BrennstoffzellensystemVFF-Integration des 1,5 / 0,5 kW H2-PEFC Hybridsystems
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H2-Versorgungsmodul
Steuerungsmodul
PEFC-SystemmodulLuft-Versorgungsmodul
Kühlmodul
Kleinfahrzeuge mit H2-Luft-Bz-Energieversorgung 1,2 kWe Brennstoffzellen-System für den Fahrzeugeinsatz
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Vorfeldfahrzeug VFF mit Brennstoffzellen-Hybridantrieb
Fahrzeugbesonderheiten:• Brennstoffzellen-Energieversorgung• Leistung: 1,2 kWn / 3,0 kWp
• Fahrzeugsteuerung per Joystick• Frontantrieb mit 2 Radnabenmotoren• Frei bewegliche Hinterräder• Energiesparende LED-Beleuchtung H2-Speichermodul
PEFC-Systemmodul Steuerungsmodul
H2-VersorgungsmodulLuft-Versorgungsmodul
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Vorfeldfahrzeug VFF mit Brennstoffzellen-HybridantriebEvolution der Brennstoffzellen-Leistung
0,5 kWnom
0,75 kWnom
1,2 kWnom
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300W
500W
750W
Modulbaureihen für Brennstoffzellensysteme
1200W
800W -1200W
500W-800W300W – 1200W
Luftversorgung SystemkühlungSystemsteuerung
Wasserstoffversorgung
300W-500W
Flüssig
Luft
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200W450W
500W
Brennstoffzellen-Kernmodule im Leistungsbereich 0,3 – 1,2kW
560W 720W -1440W
600W-1200W
Luftgekühlt Wassergekühlt
360W
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Kleinfahrzeuge mit H2-Luft-Brennstoffzellensystem Beispielhafte Betriebsergebnisse mit flüssig-gekühltem Stack
1 2
31: Leistungsmessung: 747 W (720Wnom)
2: Schnellaufheizung: 50 % sofort
100 %, 5:08 min
3: Minimal-Luftversorgung: λ = 2,35
projektiert: λ = 3,0
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PEFC Kern-modul
Luft-Filterung
Luft-versorgung
Kühl-kreislauf
VE-Wasser-kreislauf
Wasserstoff-versorgung
Wasserstoff-speicher
Hybrid-batterie
System-Frontkühler
Leistungs-elektronik
Steuer-elektronikElektro-
antrieb
PEFC-BlockSpannungs-Messung
Brennstoffzellen-AntriebsstrangpackageDetailblick auf das Systempackage eines 23kW-Systems
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Druckminderer
PEFC-Blöcke
Durchflusssensor
Entspannungsventil
Druckanzeige
Sicherheitsventil
Druckschalter
H2 Druckspeicher
Flammsperre
Druckregler
Installationsraumvolumenfür H2-Teilkreislauf: 10 Liter
Komponentenpackage des Wasserstoff-Kreislaufkonzeptes