Modulare Bauweise von Brennstoffzellensystemen für Fahrzeuge · FH Tilo Maag April 2008 Institut...

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



Das Institut für FahrzeugkonzepteProfessor Horst E. Friedrich

InnovativeTechniksystemeSynergie Straßen-/Schienenfahrzeuge

Kraftstoff- &Energiespeicher

Alternative Antriebe &Energiewandlung

Leichtbau & Hybridbauweisen

Innovative Fahrzeugkonzeptein einem nachhaltigen

Verkehrssystem



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.



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

issi

onen

10

6tC

O2/a



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



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


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



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



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


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



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



H2-Versorgungsmodul

Steuerungsmodul

PEFC-SystemmodulLuft-Versorgungsmodul

Kühlmodul

Kleinfahrzeuge mit H2-Luft-Bz-Energieversorgung 1,2 kWe Brennstoffzellen-System für den Fahrzeugeinsatz



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



Vorfeldfahrzeug VFF mit Brennstoffzellen-HybridantriebEvolution der Brennstoffzellen-Leistung

0,5 kWnom

0,75 kWnom

1,2 kWnom



300W

500W

750W

Modulbaureihen für Brennstoffzellensysteme

1200W

800W -1200W

500W-800W300W – 1200W

Luftversorgung SystemkühlungSystemsteuerung

Wasserstoffversorgung

300W-500W

Flüssig

Luft



200W450W

500W

Brennstoffzellen-Kernmodule im Leistungsbereich 0,3 – 1,2kW

560W 720W -1440W

600W-1200W

Luftgekühlt Wassergekühlt

360W



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



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



Druckminderer

PEFC-Blöcke

Durchflusssensor

Entspannungsventil

Druckanzeige

Sicherheitsventil

Druckschalter

H2 Druckspeicher

Flammsperre

Druckregler

Installationsraumvolumenfür H2-Teilkreislauf: 10 Liter

Komponentenpackage des Wasserstoff-Kreislaufkonzeptes

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