brennstoffzellen im kraftfahrzeug · elektrolyt pre-kommerzielle anwendungen: • sulzer hexis...
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Vortrag WTI-e.V. 15.04.2003 1
Brennstoffzellen im Kraftfahrzeug
Dr. Christian WunderlichWebasto Thermosysteme GmbH
Vortrag WTI-e.V. 15.04.2003 2
Brennstoffzellentechnologien – Entwicklungsstand 2003
AFC – Die Wasserstoff – Sauerstoffzelle des Apollo-Zeitalterskommerziell wenig interessant (?)
PAFC – erstes industrielles Produkt UTC(IFC, ONSI) BHKW 200 kW(> 200 Anlagen weltweit @ 3000US$kW)Entwicklung ohne Zukunftspotential (?)
DMFC – Sonderform der PEM Brennstoffzelle zum Betrieb mitflüssigem Methanolhohes Potential Batterieersatz 10-250W
MCFC - Eine Brennstoffzelle für große stationäre Anlagenweltweit sehr wenig Entwickler (FuelCellEnergy – MTU Hot Module)Lebensdauer ?
Vortrag WTI-e.V. 15.04.2003 3
Elektrisches Verhalten einer Zelle
hohe Leistungguter Wirkungsgrad
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000
Stromdichte [A/cm2]
Zells
pann
ung
[V]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Zell/
Sta
ck W
irkun
gsgr
ad [%
LH
V]
Linien konstanter Leistungsdichte
0.3 W/cm2
0.6 W/cm2
Verringerte Lebensdauer
0.9 W/cm2
Kennlinie stationärer Stack
Kennlinie Einzelzelle
Arbeitspunkt Automobilstack
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Brennstoffzellen Technologiestatus PEM
O2H2 H+
Nafion
H2O
PEM80 °C
ElektrolytProtonenleitende Membran
Kommerzielle Anwendungen:Ballard Notstromgenerator 1kWPlug (H-Power) Module 250W
Pre-kommerzielle Anwendungen:• Hausheizgeräte (Vaillant 7kW)• Kfz.-Antriebe auf H2-Basis
alle Hersteller 5 –250kW
Kritische Faktoren:Stack:• Kosten (!!), Massenfertigung• Lebensdauer(!!)• Befeuchtung(!)• Dichtheit• Höhere Membrantemperatur ??
Systemintegration:• Systemkosten• Reinheit Brenngase (Reformat, Ionen)• Wassermanagement• Luftzufuhr aufgeladene Systeme• Wärmeauskopplung• Leistungselektronik
Vortrag WTI-e.V. 15.04.2003 5
Brennstoffzellen Technologiestatus SOFC
H2O
O2O2-
YSZ
H2, CO
SOFC800 °C
KeramikschichtElektrolyt
Pre-kommerzielle Anwendungen:• Sulzer Hexis Heizgerät 1kW (planar)• Siemens-Westinghouse BHKW
220kW (tubular)• APU Demonstration Delphi 5kW
Kritische Faktoren:Stack:• Kosten (!!!), (Fertigungsprozess,
Materialeinsatz)• Thermisches Zyklieren, Redoxstabilität• Mechanische Stabilität
Systemtechnik:Hochtemperaturwerkstoffe
• Internes/externes Reforming• Wärmemanagement• Kombination mit Nachbrenner/Gasturbine• Starten / Abschalten / Dynamischer Betrieb• Leistungselektronik und Regelung
Vortrag WTI-e.V. 15.04.2003 6
Antriebsstrang Wasserstoff-Fahrzeug
Quelle: VW
Entscheidende Voraussetzung zur Realisierbarkeit dieses Konzeptes ist die Verfügbarkeit einer MEA; die bei ca. 100°C ohne zusätzliche Befeuchtung von Anode und Kathode betrieben werden kann.
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Wirkungsgradvergleich Diesel - Brennstoffzellenantrieb
Quelle: VW
Der eigentliche Vorteil eines Brennstoffzellenantriebs besteht nicht im Bestpunkt des Antriebskennfeldes, sondern in der Lage und Ausdehnung des Bereiches eines hohen Wirkungsgrades
Im Zusammenhang mit der Elektrifizierung aller Fahrzeugfunktionen können völlig neue Freiheiten in Funktionalität, Design und Fertigungskonzept umgesetzt werden
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4 Technologieführer
Ballard Power Systems United Technologies Fuel Cells- Daimler Chrysler - Hyundai- Ford - Nissan- Honda - Renault- Mazda
GM/Hydrogenics Toyota
Brennstoffzellen für den Antriebsstrang
Vortrag WTI-e.V. 15.04.2003 9
Energieverbräuche Well-to Wheel
Quelle: LBST Ottobrunn 2002
Vortrag WTI-e.V. 15.04.2003 10
Gesamtemissionsbilanz Treibhausgase Well-to-Wheel
Quelle: LBST Ottobrunn 2002
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Brennstoffzellen Antrieb 2003 - Meldungen
Toyota, Honda, Nissan, GM und DaimlerChrysler liefern 2003 erste Prototypenflotten mit ca. 30 Fahrzeugen (Wasserstoff) aus.
Daimler Chrysler macht erste Flottenversuche mit Bussen und Lieferfahrzeugen. Infrastruktur weniger kritisch, aber Kraftstoffkosten (?)
Methanol-Reformierung funktioniert, wird aber von der Mineralölindustrie abgelehnt. Benzin-Reformierung mit PEM ist bei den OEM de-facto eingestellt (aber: Nuvera + Avia, HydrogenSource)
Die Frage der Wasserstoff-Infrastruktur ist ungelöst (energetisch günstigster Pfad Erdgas Reformierung; ökologisch wünschenswerter Pfad alternative Energien und Elektrolyse); Sonderweg: Borohydrochlorid+Recycling??
Kurzfristig besteht eher ein Trend zu Hybridfahrzeugen (japanische Hersteller, GM, Ford)Die California Fuel Cell Partnership neues Ziel 250 ZEV 2005 – 2008;keine Serienfahrzeuge vor 2007; kein Massenmarkt vor 2015
Die US-Regierung diskutiert Milliardenbeträge in die Entwicklung von Wasserstofftechnologie und Brennstoffzellen zu pumpen.
BMW, Renault propagieren das (Delphi)-APU Konzept
Es besteht dringender Bedarf an Elektroenergie im Fahrzeug.
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Aufbau einer APU
Quelle: BMW
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Alternative APU-Systeme
Reformer800 °C
NTS200 °C
HTS400 °C
Sel. Ox.180 °C
PEMFC80 - 90 °C
Kat.Brenner
400 °C
ElektrischeEnergie
Wasser
Luft
Reformer800 °C
SOFC800 °C
Kat.BrennerLuVo
900 °C
Luft
PEM-System SOFC-System
ElektrischeEnergie
Abgas Abgas
Wasser
Brennstoff
Brenner/Erhitzer
1400 °C
Kühler
100 °C
GeneratorZylinderElektrischeEnergie
Stirling-Motor Dampf-Motor
Abgas
Luft
ArbeitsgasBrenner/Verdampfer
1200 °C
Konden-sator
100 °C
GeneratorExpansionsmaschine Elektrische
Energie
AbgasWasser
Brennstoff
Luft
Brennstoff
Luft
Brennstoff
LuftWasser
1. Verbrennungsmotor
2. Stirlingmotor
3. Dampfmotor
4. PEM - FC
5. SOFC - FC
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Auxiliary Power Unit - Ziele
Standheizung, die Wärme und zusätzlich Strom erzeugt !
Ziele: Leistung: 5 kW elektrisch nettoWirkungsgrad > 30%Baugröße: < 50 LiterGewicht: < 50 kg
Markteintritt: 2007 – 2009
Erste Applikation: LKW
AuxiliaryPowerUnit
Benzin Diesel
Luft
el. Strom (> 30%)
Wärme (> 50%)
Abgas (<20%)
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Kundennutzen durch APU
Vorteile für Endkunden:
• Abdeckung des steigenden Energiebedarfs für Komfortfunktionen und Telematik• Möglichkeit der Fahrzeugklimatisierung im Stillstand
Vorteile für den Fahrzeughersteller:• Basis für 42V und x by wire im PKW – neue Bedienkonzepte• Entfall von Batterien / Generatoren• Substitution von Mechanik und Hydraulik
Ökologische Vorteile:
• Entfall „Truck Idling“ • Verringerter Kraftstoffverbrauch und verringerte CO2 Emissionen
Ein klarer Kundennutzen gegenüber etablierten Technologien macht dieAPU zu einem vom Markt gesuchten Produkt auf Brennstoffzellenbasis.
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Das Projekt
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Building on In-house Technologies
Burner< 1200 °C
Fuel cellstack
700 – 900 °C
Reformer700 – 900 °C
electricity
fan
VaporizerMixer
20 - 500 °C
gasolineDieseltank
fuel
air
fan
heat
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Systemschema
One unit
E-1
E-2
E-3 E-4
E-5
E-6
E-7
E-8
E-9
E-10
E-9
E-11
E-12
mixer
D
C
B
ACOMPANY LOGO
EAT
M. Boltze
Webasto Thermosysteme GmbH
Piping and Instrumentation Diagram
APU - System CPOX
SIZE Stricly confidential DWG NO REV
A3 ABC-123 1
SCALE 1:1 SHEET 1 OF 1
TTI-1
I-2P-20P-21
Air intake
450 °C
E-9
650 °C
650 °C
λ ~ 0.4
Tsoll = 450 °C
I-4
FrI-5
outlet
20 °C50 mbar -5 mbar
-5 mbar 50 mbar 40 mbar
20 mbar
10 mbar
option
Cooling circuit
I-6
PTI-7
I-8
450 °C
20 °C
400 °C1 mbar
20 °C10 bar 40 mbar
O2I-10
I-11E-18
Load demand
ITI-13
Supply limit
WebastoOEM
Optionalcomponents
TTI-17
I-18
TTI-19
I-20
30 mbar
20 mbar
E-20One unit
ITI-23
PTI-25
I-24
TTI-29
I-28
ITI-30I-32
TTI-34
I-33
TTI-35
I-36
TTI-38
I-37I-39
O2I-40
750 °C
850 °C
750 °C
M
TAG nomination manufactorer type modelE-1 fuel filter Mann xx
E-10 fuel tank OEME-11 vaporizer Webasto xxxE-12 POX blower Webasto xxxE-18 electrical heater WebastoE-2 cathode blower Elmo 2BH 100
E-20 recirculation ejector / bypass Webasto xxxE-3 fuel pump Scherzinger xxxE-4 POX reactor Webasto xxxE-5 SOFC-Stack GTE xxxE-6 heat exchanger Webasto xxxE-7 air filter Mann xxxE-8 afterburner Webasto xxxE-9 DC-Motor 24 V Bühler xxxE-9 DC-Motor 24 V Bühler xxxE-9 DC-Motor 24 V Bühler xxxI-1 thermoelement TT
I-10 Thermoelement O2I-13 currant meter ITI-17 thermoelement TTI-19 temerature sensor TTI-22 thermoelement TTI-23 currant meter ITI-25 differential pressure transmitter PTI-29 thermoelement TTI-30 currant meter ITI-34 thermoelement TTI-35 thermoelement TTI-38 thermoelement TTI-4 flowmeter
I-40 lambda sensor O2I-5 flowmeter vortexI-7 differential pressure transmitter PTM actuator injector
bill of materials
Burner/Heat Exchanger
Mixer/VaporizerReformer
SOFC Stack
Injektor
D
C
A
4 3 2 1
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Systementwicklung ( APU alpha system )
Top-Down Systemkonzept
Lastenheft
Matlab Simulationsmodellin Erweiterung
Hardware Packaging V1.0 50l
Elektrische Integration
• Hardware für alle Module / Komponenten in Entwicklung
• Systemprüfstand im Aufbau
• Komponentenprüfstand im Aufbau
APU alpha APU alpha systemsystem
Reformer
InjektorNachbrenner / WT
DruckstoßEinspritzung
Gebläse
Stack
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Globale Einflußfaktoren APU Projekt
SOFC APUPEM APUMineralölindustrie• schwefelarm• alternativer Brennstoff• WasserstoffAutomobilhersteller
• Technologiesupport• Make or Buy, Supply Chain• Wettbewerb
UnternehmenTeam
Kunden
Normung
Andere Technologien• Li-Polymer Batterie• Dampfmotor• Stirlingmotor
• planar• mikrotubulär
• Hochtemp. PEM• H2-PEM
StackLeistungselektronik
Fuel ProcessingKraftstoffsteuer
F&E FörderungEU - J, USA
EmissionsgrenzwerteBrennstoffzellen
Wasserstoff
MobilitätKlimaschutz
DruckbelüftungWehrtechnikSicherheit
Meinung Öffentlichkeit Politik BZ-Technologie
Chancen /Herausforderungen
WettbewerbWebasto Industrie
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Brennstoffzellen Antrieb 2003 - Status
Es besteht dringender Bedarf an Elektroenergie im Fahrzeug 100%
Brennstoffzellenantriebe arbeiten mit PEM Brennstoffzellen 90%
Brennstoffzellenantriebe arbeiten mit Wasserstoff 80%
Wasserstoff wird on-board gasförmig gespeichert 70%
Diesel/Benzin Systeme dominieren als Antrieb in den nächsten 80%20 Jahren, im Segment Langstrecken-Truck noch deutlich länger
Die APU wird früher als der Brennstoffzellenantrieb eingeführt 80%
Die APU nutzt on-board verfügbaren Primärkraftstoff 70%
Die SOFC Technologie bietet das Potential zu geringeren 60%Stack- und Systemkosten gegenüber PEM
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Zusammenfassung
1. Die Brennstoffzellen-APU ist im Unterschied zu vielen anderen Konzepten ein Produkt mit einer klaren „Market Pull“ Situation
2. Vor 2007, vielleicht 2015 wird es kaum Brennstoffzellen im automobilen Antriebsstrang geben; wenn kommt nur ein reines Wasserstoffsystem in Frage
3. Für fossile, flüssige Brennstoffe ist die SOFC Technologie die geeignete Lösung. Die technischen Herausforderungen sind hoch und die Technologie befindet sich am Übergang von der Forschung zur Kommerzialisierung.
4. Die Anzahl tatsächlicher Entwickler in der Europäischen Industrie ist gegenüber Japan und den USA geringer, weil Rahmenbedingungen in der Wirtschaft und in der europäischen Forschungsförderung nichtgeeignet sind.
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Webasto Einstiegsmärkte für die APU
Trucks
PKW
Boote
ab 2007
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PEM Systeme für Nischenapplikationen
M-V hat einzigartige Voraussetzungen für Nischenapplikationen mit geringer Kostensensitivität
• maritimer Bereich• Freizeitbereich• dezentrale Energieerzeugung an ökologisch sensiblen, autarken Standorten• Windkraftkopplung
Webasto als Automobilzulieferer
• technologische Kompetenz Brennstoffzellen, Systeme und Komponenten• Marktzugang OEM und Endkunde (Vertriebskompetenz)• Marktzugang Komponentenindustrie (Einkaufsorganisation)• angestrebte lokale Vernetzung
Kristallisationskeim für Brennstoffzellenprodukte in M-V
• Bündelung der Kompetenzen• Standardisierung, Zusammenführung als Chance• kritische Masse für kommerzielle Anwendung
mittelfristiges Ziel ist eine selbsttragende kommerzielle Entwicklung für die Partner