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Modulare Brennstoffzellensysteme und hoch integrierte Komponenten für Fahrzeuge Modular Fuel Cell Systems and Highly Integrated System Components for Vehicles
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
A. Brinner 24.04.09Institut für Fahrzeugkonzepte
Vortragsinhalt
► Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
► Das Geschäftsfeld Verkehr im DLR
► Das DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte am Standort Stuttgart
► Motivation der System- und Komponentenentwicklung
► System und Subsystem – laufende Entwicklungen und neueste Produkte
► Systemkomponenten – Produkte und neue Entwicklungsansätze
► Zusammenfassung
A. Brinner 24.04.09Institut für Fahrzeugkonzepte
DLR – Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
► Forschungszentrum- Luftfahrt- Raumfahrt- Energie- Verkehr
► Raumfahrt-Agentur► Projektträger
A. Brinner 24.04.09Institut für Fahrzeugkonzepte
Köln
Lampoldshausen
Stuttgart
Oberpfaffenhofen
Braunschweig
Göttingen
Berlin-
Bonn
Trauen
HamburgNeustrelitz
Weilheim
Bremen-
Standorte und Mitarbeiter
► 5.900 Mitarbeiter arbeiten in 29 Forschungsinstituten und Einrichtungen in
13 Standorten
► Büros in Brüssel, Paris und Washington
► Partner vonEuropean Transsonic Wind Tunnel (ETW)German Dutch Wind Tunnels (DNW)
ETW
DNW
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Mobilität – Essenziell für Volkswirtschaften
► Sichert und fördert wirtschaftliche Entwicklung - Verkehr stellt mehr als 18 Millionen Arbeitsplätze
in der EU- Automobilindustrie sorgt für weitere 14 Millionen
Arbeitsplätze- Verkehr hält 13% Anteil am EU BSP
► Ermöglicht kulturelle und sportliche Veranstaltungen► Befriedigt persönliche Bedürfnisse
⇒ Bedarf für schnellen, zuverlässigen und sicheren Verkehr
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Mobilität – Zentrale Herausforderungen
► Nachhaltige Mobilität erreichen in einer Balance von- Wirtschaft- Gesellschaft- Umwelt
durch► Sicherung der Mobilität für Menschen und Güter► Verbesserung der Sicherheit► Schutz von Umwelt und Ressourcen
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Vision Nachhaltige, sichere und finanzierbare
„Individuelle Mobilität“
► Signifikant verbesserte Nutzung der Energiepotenziale für Fahrzeug- / und Transportsysteme
► Durchbruch bei emissions- / CO2-freien oder neutralen AntriebstechnologienBeispiel: Fahrzeugtaugliche Brennstoffzellensysteme
► Erweiterung der Energieträger im VerkehrLeistungsfähige Wasserstoffspeicher
Innovative Fahrzeugkonzeptefür Straße- und Schiene
A. Brinner 24.04.09Institut für Fahrzeugkonzepte
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
A. Brinner 24.04.09Institut für Fahrzeugkonzepte
Entwicklung von Brennstoffzellensystemen► Entwicklungsplattformen & Teststände zur
Komponentenentwicklung► Neue Systemkomponenten► Systemkonzepte & Fahrzeugintegration► Energiemanagement für Antriebsstrang &
Fahrzeug
Leistung > 5 kWLeistung < 5 kW
► „Minimales“ & robustes Brennstoffzellensystem
► Luft- & wassergekühlte Blöcke► Keine Befeuchtung► Betrieb nahe Atmosphärendruck► Minimaler Eigenverbrauch► Modularisierung
System & Subsystem Entwicklung
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Brennstoffzellensystem► Brennstoffversorgung► Luftversorgung► Wasser- & Thermomanagement► Steuerung / Regelung
Brennstoffzellensystem► Brennstoffversorgung► Luftversorgung► Wasser- & Thermomanagement► Steuerung / Regelung
KühlsystemKühlsystem
Fahrgastzellen-HeizungFahrgastzellen-Heizung
FahrwerkFahrwerk
Elektrische AusrüstungElektrische Ausrüstung AntriebsstrangAntriebsstrang
Karosserie / ChassisKarosserie / Chassis SicherheitssystemeSicherheitssysteme SteuerungseinrichtungenSteuerungseinrichtungen
HyLite® Fahrzeug mit Hybrid-BrennstoffzellenantriebBrennstoffzellen-Systemintegration ins Fahrzeug
System & Subsystem Entwicklung
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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
BlockSpannungs-Messung
Brennstoffzellen-Antriebsstrangpackage 23 kWN / 32 kWpDetails der Systemmodularisierung & Integration
Systempackagekonzept & technische Umsetzung
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Druckminderer
PEFC-Blöcke
Durchflusssensor
Magnetventil
Druckanzeige
Sicherheits-ventil
Druckschalter
H2 Druckspeicher
Flammsperre
Druckregler
Installationsraumvolumenfür H2-Kreislauf: 10 Liter
Beispiel: Komponentenpackage der H2-VersorgungWenig Chancen für die Serienrealisierung ohne neue Ideen
Systempackagekonzept & technische Umsetzung
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► Einfachere Systemkonzepte & Entflechtung der Funktionen- Geringere Kosten- Höhere Zuverlässigkeit- Bessere Anpassung an spezialisierte Applikationen & Einsatznischen
► Modularisierung der verfahrenstechnischen & elektrischen Subsysteme- Vorfertigung von Baugruppen durch spezialisierte Unternehmen- Höhere Stückzahlen durch Nutzung von Baugruppen in unterschiedlichen
Konzeptvarianten- Schnellere Inbetriebnahme und einfachere Integration
► Zusammenfassung von Funktionen in hoch integrierten Baugruppen- Weniger Bauteile- Höhere Zuverlässigkeit- Geringere Kosten
Neue Entwicklungsansätze für BrennstoffzellensystemeKonzepte, Subsysteme & Komponenten müssen überarbeitet werden
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Modulare Brennstoffzellensysteme für FahrzeugeSystembeispiele mit Leistungen < 5kW
Elektroroller
FahrerlosesTransportsystem
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
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
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
Δp=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
System & Subsystem Entwicklung
Bordnetz-versorgung
Ein Systemkonzept mit zwei Variantenfür alle Anwendungen
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Modulare Systemkonzepte < 5kWFlüssig gekühltes 1,2kWe PEFC-System in modularer Bauweise
H2-Versorgungsmodul
SteuerungsmodulPEFC-SystemmodulLuft-Versorgungsmodul
Kühlmodul
System & Subsystem Entwicklung
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► Modularisierung durch Systemaufbau aus 4 – 6 kompakten Teilsystemen:- Wasserstoff-Speichermodul- Wasserstoff-Versorgungsmodul- Luft-Versorgungsmodul- PEFC-Systemmodul- Kühlmodul (Luftkühlung im Systemmodul, Flüssigkühlung separat)- Steuerungs-/Energieanpassungsmodul
► Standardisierung durch verwechselungssichere Modulverbindungen:- Medienverschlauchung/-verrohrung- Steuersignalverkabelung- Leistungsübergabeverkabelung
Modulare Systemkonzepte < 5kW Modularisierung und Standardisierung
System & Subsystem Entwicklung
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300W
500W
750W
Modulbaureihen-Entwicklung für Brennstoffzellensysteme
1200W 800W -1400W
500W -1200W
300W – 2000W
Luftversorgung KühlsystemeSystemsteuerung
Wasserstoffversorgung
300W -500W
Flüssigkühlung
Luftkühlung
System & Subsystem Entwicklung
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Zentrale SubsystementwicklungEine Steuerung für alle Systemvarianten
System & Subsystem Entwicklung
A. Brinner 24.04.09Institut für Fahrzeugkonzepte
Starterakku
Ablaufsteuerung Leistungsabgabe
Stacküberwachung
Laderegler/Bordnetz
PEFC-Energieversorgung < 5kWSteuerungsmodul 0,5 – 2,0 kWN
Subsystem-Absicherung
System & Subsystem Entwicklung
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PEFC-Steuerung aus einer Hand für alle Leistungsklassen
system elektrotechnik Gotthold Keller GmbH (SET)ist ein unternehmergeführter mittelständischer Familienbetriebmit ca. 30 Mitarbeitern im 30 km südlich von Stuttgart gelegenen Nufringen SET hat 3 Geschäftsbereiche: Kabeltechnik, KFZ-Zubehör und Dienstleistungen
SET besitzt ein gültiges DIN ISO 9001: 2000 Zertifikat
Erste Prototypen von Brennstoffzellensteuerungen wurden von SET für das DLR Ende 2008 fertig gestellt.
Mit dieser zukunftsweisendenTechnologie möchte sichSET die kommenden JahrzehnteBeschäftigen und somit seine Zukunft sichern
System & Subsystem Entwicklung
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Gasspüleinstellung
PEFC Subsysteme Brennstoffzellen-Kernmodule
PEFC Block mit Flüssigkühlung
Gasein-/Auslässe
Kühlkreislauf Vordruckregelung1,2 – 2,0 kWN Blockmodul
mit Wasserkühlung
Luftgekühltes 0,5kWN Blockmodul
System & Subsystem Entwicklung
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PEFC Subsystems 1,2kW Luftversorgung mit Schalldämmung
Druckluft-Ausgang
Motorumrichter
Druckluftkühler Luftverdichter
Luftmassenabfrage Kommunikations-Elektroschnittstelle
System & Subsystem Entwicklung
Wasser-abscheider
Luft-verdichter
Filter
Wasser-Ablass
Druck-anzeige
Luftversorgung
Druck-schalter
Ladeluft-kühler
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PEFC Subsysteme1,4kW Kühlmodul mit geregeltem Kühlmittelkreislauf
Steuerventil
Kühlmittelpumpe
Temp-Schalter
Radiator mit Lüftern
Temp.-Sensor Kühlmittelbehälter
Ionentauscher
System & Subsystem Entwicklung
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H2-Speicher
PEFC
Luftverdichter
Wasserstoff
Luft
KühlmittelkreislaufVordruck-Regelventil
Bypass-Druck-Regelventil
Komponentenentwicklung
Entwicklung von Brennstoffzellen-Systemkomponenten Aktuelle Produkte, Entwicklungen und Ansätze
Wärme-tauscher
Kühlmittel-regelung
Druckregelung
Spülung
Kühlmittelpumpe
Speichersicherheit
Regel- & Sicherheitsventil
Sicherheits- & Gasabgabeventil
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Entspannungs-Leitung 3 EL3
R 4
CEH
CEH
R 5
CEH
Wasserstoff-Speicher
FahrerseiteR 1
R2
Wärmeübertragerfür Hydridspeicher
Betankungs-Leitung 1 FL1
Entspannungs-Leitung 1 EL1
Entspannungs-Leitung 2 EL2
Entspannungs-Leitung 4 EL4
Auslass-Leitung 3 EP3
Auslass-Leitung 1 EP1
Auslass-Leitung 2 EP2
Auslass-Leitung 4 EP4
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
Lösungen für die Wasserstoffversorgung4 hochintegrierte Komponenten können zukünftig 35 Komponenten ersetzen
Komponentenentwicklung
Regel- & Sicherheitsventil
Sicherheits- & Gasabgabeventil
Wasserstoffspeicher-Sicherheitsventil
Spülventil (in Bearbeitung)
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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
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Innovation Erfahrung TraditionDie im Jahre 1938 gegründete Firma OTTO EGELHOF GmbH & Co. KG ist ein weltweit agierendes Unternehmen, mit Sitz in Fellbach.
Seit Jahrzehnten behauptet sich Egelhof durch stetige Weiterentwicklung seiner Produkte sowie durch schnelle Reaktion auf neue Rahmenbedingungen am Markt.
Durch die Entwicklung verschiedenster hochpräziser Expansionsventile etablierte sich die Firma als Spezialist auf dem Sektor der Autoklimaanlagen.
Thermostatventile und Temperatursensoren mit hoher Regelgenauigkeit und langer Lebensdauer zeichnen den Bereich Wärmetechnik aus.
Regelkomponenten für Brennstoffzellenanwendungen runden die Produktpalette ab
Die Fertigung an den Standorten in Frankreich, USA und China ist das Herzstück des Unternehmens. Unsere Produktentwicklung arbeitet Hand in Hand mit unserer Prozessentwicklung und ermöglicht eine schnelle Umsetzung der Kundenanforderung.
Ein kompetentes Mitarbeiterteam aus Konstruktion, Qualität und Produktion vermehrt kontinuierlich sein Know-how und lässt jahrzehntelange Erfahrung in neue Produktentwicklungen einfließen.
Hochintegrierte Komponenten für Brennstoffzellensysteme
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Funktionen- Abschalt-Magnetventil- Handventil- Überdruck-Sicherung- Übertemp.-Sicherung- Durchflussbegrenzer
EntwicklungsbasisZulassung einer
200bar H2 Sicherheits-
einrichtung 1. Entwicklungsschritt200bar-Kleinserien
Produkt2. Entwicklungsschritt
Prototypfür Hydridspeicher
Neue technische Details für den Hydridspeicherbetrieb- Überdruck-Sicherung: 130bar- Direkt betriebenes Magnetventil - Niederdruck-Durchflussbegrenzer- Über-Temp. Sicherung: 110°C- Betriebstemperaturbereich: -40 - +85°C
Speicher-Sicherheitseinrichtung
Aktuelle Entwicklungsbeispiele von Systemkomponenten Wasserstoff-Sicherheitseinrichtung für Hydridspeicher
Komponentenentwicklung
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Motorisches 3-2-Wege-Regelventil für verschiedene Kühlmittel mit
minimalem Eigenverbrauch
Aktuelle Entwicklungsbeispiele von Systemkomponenten Kühlmittel-Regelventil
Schnitt durchden Ventilkörper
Wichtigste Betriebsbedingungen:
- geeignet für alle BrennstoffzellengängigenKühlflüssigkeiten
- Trockenlauf ohne Schmiermittel
Technische Details :
► Leistungsaufnahme:2,4 Watt bei 24V DC
► zugelassene Kühlmitteltemp.:-30 – 90°C
► Umgebungstemperatur:-30 – 80°C
► Regelgeschwindigkeit:0 – 90° in 1,8 sec min.
Komponentenentwicklung
A. Brinner 24.04.09Institut für Fahrzeugkonzepte
Zusammenfassung
Das DLR arbeitet auch an weiteren Komponenten und Subsystemen, die in dieser Präsentation nicht genannt sind.Bei Interesse wenden Sie sich bitte direkt an uns.
Sorptionsspeicher
Luftverdichter
Zusammnenfassung
► BZ-Systemvereinfachung und Modularisierung mit Industriepartnern ist auf demWeg.
► Erste Ergebnisse erfolgreich abgeschlossener Komponentenentwicklungen werden industrieseitig für Kunden verfügbar gemacht.
► Erste Subsysteme werden in Kleinserie hergestellt und industriell verfügbar gemacht.
► Brennstoffzellenblöcke sind als Kleinserienprodukte zu Kosten im Bereich1500 – 3500 € pro Kilowatt Leistung verfügbar.
► Die Kostenziele von ca. 1000,-- Euro pro kW können durch die Maßnahmen (1) Systemvereinfachung, (2) Serienherstellung, (3) Funktionsintegration, (4) Nutzung von Großserien-Produktionsmethoden absehbar erreicht werden.