14. Brennstoffzellenantrieb Flashcards
Überblick über Optionen CO2-neutraler Mobilität
-> Folie 3
Bei Überschuss an erneuerbarer Energie (z.B. falls sehr windig) kann Wasserstoff als Energiespeicher verwendet werden.
Aus dem Wasserstoff kann auch Methan oder synthetischer Kraftstoff (E-Fuels) hergestellt werden. Damit könnten z.B. große Fahrzeuge wie bisher weiter betrieben werden.
Auch Biogas zur Methanherstellung kann eine Option sein.
…
Wirkungsgradkette Well-to-Wheel auf Basis von regenerativ produzierten Kraftstoffen
E-Motor: Sehr hoher Gesamtwirkungsgrad (?(1)?%)
Wasserstoff(H2): niedrigerer Gesamtwirkungsgrad von ?(2)?%)
Methan(CH4): nur noch Gesamtwirkungsgrad von ?(3)?%
e-Diesel/eGasoline: nur noch ?(4)?%
(1) 85
(2) 26-31
(3) 15-23
(4) 13-15
Wirkungsgradkette Well-to-Wheel auf Basis von regenerativ produzierten Kraftstoffen
Folie 4 ansehen, wichtig!!!!
…
Reichweite vs. Wirkungsgrad
siehe Folie 5!!
!
Wasserstoff - der zukünftige Energieträger?
- grobe Prozesseinführung
Strom aus Erneuerbaren Energiequellen —> Elektrolyse —> Wasserstoff, Sauerstoff und Abwärme wird gewonnen
Danach vers. Möglichkeiten:
- Direktnutzung des Wasserstoffes
- Weiterverarbeitung zu Methan
- Weiterverarbeitung zu EFuels
Folie 6!!
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Vergleich Energiespeicher
Dieselkraftstoff; Druckwasserstoff; Li-Ion Batterie
Folie 7 ansehen!!!
…
Speicherung von Wasserstoff: Gasförmig
Als Wasserstoffspeicher in Fahrzeugen haben sich ?(1)? durchgesetzt. Um die erforderlichen Fahrzeugreichweiten darzustellen, haben sich in PKW ?(2)? etabliert.
Typischerweise kommen pro Fahrzeug ?(3)?Druckzylinder zum Einsatz, die meistens im ?(4)? des Fahrzeugs angeordnet sind.
In einem Zylinder können ?(5)?kg Wasserstoff gespeichert werden. […]
(1) Druckgasspeicher
(2) Druckspeicher für 700 bar
(3) 2-3
(4) Heck
(5) 2 - 3
Speicherung von Wasserstoff: Gasförmig
Abbildung (Aufbau) Druckgasspeicher mit 700bar
FOLIE 8!
!!
Wichtig für Druckgasspeicher(tanks) ist, dass sie sicher sind!
Also crash-sicher, keine Explosionsgefahr bei Autobrand etc. —> schon ausreichend erforscht, um die Standards zu erfüllen!!!
…
Speicherung von Wasserstoff: Flüssig
Flüssiggasspeicherung
Dazu wird Wasserstoff bei einer Temperatur von ?(1)? °C in flüssiger Form gespeichert.
Die ?(2)? können dadurch signifikant erhöht werden.
Problematisch an diesem Konzept ist der ?(3)? und auch die ?(4)? der Behälter im Fahrzeug.
Da sich der Wasserstoff zwangsläufig durch Wärmeeintrag erwärmt, erhöht sich der ?(5)? im Behälter.
Da diese Behälter nur für einen begrenzten ?(5)? ausgelegt sind, muss ab einem bestimmten Druckniveau Wasserstoff ?(6)? werden. Diesen Vorgang wird „?(7)?“ genannt.
(1) -252
(2) Speicherdichten
(3) Energiebedarf zur Kühlung
(4) thermische Isolation
(5) Druck
(6) abgelassen
(7) boil off
Speicherung von Wasserstoff: Flüssig
- Flüssiggasspeicherung
Aufbau auf Folie 9 ansehen!!!
!!
Wasserstoffnutzung im Verbrennungsmotor: Bsp. BMW, 2006 und KEYOU 2019
War ein Experiment und wurde damals wieder eingestampft. (Folie 10)
(Motoren für Wasserstoff in Nutzfahrzeugen schon ziemlich gut erforscht mittlerweile. Könnte hohe Relevanz haben für die Zukunft)
…
Entwicklungslinien der Brennstoffzellentechnik
—> Folie 12
Wichtig hier eigentlich nur:
Brennstoffzellen prinzipiell in welche beiden Typen einteilbar?
Niedertemperatur-Brennstoffzellen
Hochtemperatur-Brennstoffzellen
—> eher für stationäre Anwendung geeignet
Brennstoffzellenarten
1) Nenne bsph. 2 Brennstoffzellentypen, welche den Niedertemperaturbrennstoffzellen angehören
2) …2 welche den Hochtemperaturbrennstoffzellen angehören
1) Polymerelektrolyt Brennstoffzelle (WICHTIG, MERKEN!!)
Alkalische
2)
Schmelzkarbon
Festoxid
(Folie 13!)
Welcher Brennstoffzellentyp hat sich für die PKWs und LKWs durchgesetzt?
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC)
—> den Niedertemperatur-Brennstoffzellen zuzuorden
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC)
Wirkungsgrad: ??
Betriebstemp.: ??
Elektrolyt: ??
Brennstoff: ??
Anwendung: ??
Wirkungsgrad: 50 - 70%
Betriebstemp.: 0 - 80°C
Elektrolyt: Polymermembran
Brennstoff: Wasserstoff
Anwendung: Mobil (Fahrzeuge, Boote) und stationär (Wärme- und Stromproduktion)
Brennstoffzelle - Einordnung
Vgl. Vor- und Nachteile des Diesel-Verbrennungsmotors und PEM-Brennstoffzelle
—> Folie 14!!!!!!
!!!
Brennstoffzelle - Einordnung
Wo liegen die Nachteile der PEM-Brennstoffzelle? (2)
Kosten (aktuell)
Kraftstoffverfügbarkeit
Brennstoffzelle - Einordnung
Wo liegen die Nachteile beim Diesel-Verbrennungsmotor? (2)
Geräusch
Emissionen
—> dort PEM-Brennstoffzelle deutlich besser!
Tanken: Gasförmiger Wasserstoff
1) Tankdauer: ??
2) Die Tankdauer ist u.a. abhängig wovon? (2)
1) 3-5min.
2)
Temperatur des Fahrzeugtanks
Temperatur der Tankstelle
(Folie 15 ansehen)
Betankung nach SAE J2601
Rahmenbedingungen für Wasserstoffbetankung
Tmax = ??°C
pmax = ??
Max. Dichte = ??
Tmax = 85°C
pmax = 87,5MPa
Max. Dichte = 40,2 g/L (bestimmt Tank-SOC)
(Grafik Folie 16)
Betankung nach SAE J2601
Betankungsgeschwindigkeit wird bestimmt durch: ?? (3)
- Umgebungstemperatur
- Tanktemperatur & Gastemperatur
- SOC des Gastanks & Tankdruck
—> Tabellen führen die maximale Betankungsgeschwindigkeit auf (siehe Folie 17)
Betankungsprotokoll für eine 700bar Betankung
—> siehe Folie 17
….
Wettbewerg / Ergänzung BEV und FCEV (Brennstoffzellenfahrzeug)
Brennstoffzellenfahrzeuge können mit extrem viel höherer Ladeleistung aufgeladen werden.
Wahr/Falsch?
Wahr
Siehe als Bsp. auch Folie 18
Aufbau & Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle
Nenne 3 wichtige Komponenten
Gasdiffusionsschicht
Bipolarplatte
PE-Membran
Folie 19 zuordnen!!!!!!!!
Aufbau & Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle
Aufgabe der Bipolarplatte: ?? (4)
- Kühlung
- Medientransport
- Einleitung des Wasserstoffs
- El. Kontaktierung
(..)
Aufbau & Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle
Aufgaben der Gasdiffusionsschicht: ?? (3)
Verteilung der Gase
Feuchtemanagement
El. Kontaktierung
Aufbau & Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle
Aufgaben der PE-Membran: ?? (2)
protonenleitend
Elektrischer Isolator
Aufbau & Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle
Worauf basiert die PE-Membran?
Teflon basierend!
Für was steht PE-Membran bzw. PEM?
Proton exchange membrane
Protonenaustauschmembran
U/I- Kennlinie einer PEM-Brennstoffzelle
FOLIE 20 ansehen, benennen und Text dazu lesen!!!!!!!
!!!
Brennstoffzelle: Betriebsbereiche
Nenne 3 Betriebsbereiche!
—> dazu dann Folie 21 ansehen und diese in die Grafik zuordnen
Betriebsbereich aufgrund von Spannungs-Beschränkungen
Betriebsbereich für hohe Effizienz
Betriebsbereich für optimales H2O-Management
Bei der Auslegung des Antriebs mit Brennstoffezelle ist zu beachten, dass der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen nicht ?? ist.
KONSTANT
Von der Einzelzelle zum Brennstoffzellenstapel
Kenngrößen Einzelzellen:
1) aktive Fläche: 350 - 450 cm^2
2) Spannung bei Volllast: 0,6 - 0,65 V
3) Strom bei Volllast: 600A
4) max. Leistung: ca. 350 W
Kenngrößen Fahrzeugstapel
1) aktive Fläche: 15m^2
2) Spannung bei Volllast: 230 - 260 V
3) Strom bei Volllast: 600A
4) max. Leistung: ca. 130 kW
(Nur lesen!)
…
Zelle, Stapel, System
?(1)? sind der mechanische Hauptbestandteil von Brennstoffzellenstacks.
Sie trennen die ?(2)? und ?(3)? voneinander ab und ?(4)? sie in den entsprechenden Brennstoffzellen-Reaktionsbereich.
Darüber hinaus müssen sie ?(5)? und ?(6)? gut leitfähig sowie robust gegenüber ?(7)? Einflüssen in der Zelle sein und hohen ?(8)? in der Zelle standhalten.
—> Folie 23 ansehen!
(1) Bipolarplatten
(2) Reaktionsgase
(3) Kühlmedien
(4) verteilen
(5) elektrisch
(6) thermisch
(7) chemischen
(8) mechanischen Anpressdrücken
Brennstoffzellensystem
Besteht aus 3 wichtigen Kreisläufen: ??
Wasserstoffkreislauf (orange)
Luftkreislauf (Sauerstoff) (grün)
Kühlwasserkreislauf (blau)
FOLIE 24!!!
Medienversorgung und Konditionierung
Nenne die 4 Hauptaufgaben: ??
Hauptaufgaben sind die Regelung…:
- des Massenstorms
- der relativen Feuchte
(damit Memran nicht kaputt geht und lange hält) - des Drucks
(mechanische Überbelastung vermeiden) - der Temperatur
Medienversorgung und Konditionierung
Aufgabe 1: Die Regelung des Massenstorms
Die Menge der zuzuführenden Gase für den Betrieb eines Brennstoffzellen-Systems hängt von der Stromanforderung, die das Brennstoffzellen-Steuergerät vom Fahrzeugsteuergerät erhält, ab.
Aus dem elektrischen Strom bzw. der elektrischen Ladungsmenge können mittels der Faraday’schen Gesetze die benötigten Massenströme für Wasserstoff und Luftsauerstoff bestimmt werden. Die korrespondierende Leistung des Brennstoffzellen-Stacks stellt sich anhand der Strom-Spannungscharakteristik des Brennstoffzellen-Stacks ein
(Lesen)
…
Medienversorgung und Konditionierung
Aufgabe 2: Die Regelung der relativen Feuchte:
Die Performance eines Brennstoffzellen-Stacks ist stark abhängig vom ?(1)? in der ?(2)?, da dieser die ?(3)? und somit den ?(4)? im Stack signifikant beeinflusst.
Das in der elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff gebildete Produktwasser reicht in der Regel nicht aus, um eine entsprechende Befeuchtung der ?(5)? im Betrieb sicher zu stellen, da es üblicherweise über den hohen Massenstrom an der Kathode aus dem System abgeführt wird.
Aus diesem Grund ist das ?(6)? im Brennstoffzellen-System eines der kritischsten Themen.
Typischerweise werden PEM Brennstoffzellen-Stacks bei einer Temperatur zwischen ?(7)?°C betrieben, um Spannungsverluste durch die Reaktionskinetik an der Kathode zu minimieren.
Um eine hohe ?(8)? im Stack bei gleichzeitiger Durchströmung mit großen Massenströmen an Reaktivgasen in diesem Temperaturbereich aufrecht zu erhalten, wird in der Regel das abgeführte Produktwasser ?(9)? und zur ?(10)? der zugeführten Luft verwendet.
Durch Regelung der relativen Feuchte in den zugeführten Medien können das Austrocken der ?(11)? und damit einhergehende Leistungs- und Lebensdauereinbußen durch beschleunigte ?(12)? verhindert werden.
Eine weitere Aufgabe der Feuchteregelung besteht darin, einer möglichen ?(13)? des Brennstoffzellen-Stacks, die besonders bei transientem Betrieb auftreten kann, entgegenzuwirken. Die Akkumulation von flüssigem Wasser in den porösen Strukturen der Elektroden führt unweigerlich zur Unterversorgung des Stacks durch eingeschränkte ?(14)? und ist daher zu verhindern
(1) Wassergehalt
(2) Polymerelektrolytmembran
(3) Protonenleitfähigkeit
(4) ohmschen Spannungsverlust
(5) Membran
(6) Wassermanagement
(7) 65 °C und 80
(8) relative Feuchte (80% < rH <100%)
(9) kondensiert
(10) Befeuchtung
(11) Membran
(12) Alterung
(13) Überflutung
(14) Gaszufuhr
Medienversorgung und Konditionierung
Aufgabe 3: Die Regelung des Drucks
Die Leistung eines Brennstoffzellen-Stacks steigt maßgeblich mit dem ?(1)? der versorgenden ?(2)? im Brennstoffzellen-System.
Mit ?(3)? wird die Diffusion der Reaktivgase durch die porösen Elektrodenstrukturen, speziell bei hohen Leistungsanforderungen, ?(4)? und somit die ?(5)? im Brennstoffzellen-Stack reduziert.
Jedoch darf es beim Anheben des Systemdrucks zu keiner Zeit zu großen ?(6)? zwischen dem Anoden- und dem Kathodenmodul kommen, da dies zu einer starken mechanischen Überbelastung der Polymerelektrolytmembran führen würde.
Gleichzeitig muss in der Regelungsstrategie berücksichtigt werden, dass der Systemdruck auch die ?(7)? im Brennstoffzellen-System, welche mit steigendem Druck zunimmt, beeinflusst.
Die genaue Regelung des Drucks ist demnach entscheidend für den optimalen Betrieb und die Verlängerung der ?(8)? eines Brennstoffzellen-Stacks.
(1) Druck
(2) Gase
(3) steigendem Druck
(4) gesteigert
(5) Spannungsverluste
(6) Druckdifferenzen
(7) relative Feuchte
(8) Lebensdauer
Medienversorgung und Konditionierung
Aufgabe 4: Die Regelung der Temperatur
Aufgrund physikalischer und thermodynamischer Zusammenhänge von Druck, Temperatur und relativer Feuchte müssen zur Regelung letzterer auch die Temperaturen der Reaktivgase und des Brennstoffzellen-Stacks geregelt werden.
Wie in Aufgabe 2 bereits angeführt wird für den optimalen Betrieb eines Brennstoffzellen-Systems die relative Feuchte typischerweise zwischen ?(1)?% gehalten.
Bei einer hohen ?(2)? wird der Druck im Brennstoffzellen-Stack, wie in Aufgabe 3 beschrieben, angehoben.
Da die relative Feuchte mit dem Druck ?(3)? und sich zusätzlich die Wasserproduktion im Stack bei hohen Lasten ?(4)?, kann es leicht zur ?(5)? des Stacks kommen.
Folglich muss die Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks dementsprechend ?(6)? werden, um die relative Feuchte im Stack konstant halten und eine Flutung der Elektroden verhindern zu können.
(1) 80-100
(2) Lastanforderung
(3) steigt
(4) erhöht
(5) Überflutung
(6) angehoben
Forschungsfahrzeuge von VW mit Brennstoffzelle
—> siehe Folie 28
Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb
—> siehe Folie 29!
Spezifikationen - Toyota Mirai
—> siehe Folie 30
Komponenten des Antriebsstrangs am Beispiel Toyota Mirai
—> siehe Folie 31!!
Komponenten des Antriebsstrangs am Bsp. Toyota Mirai
—> Folie 32
Nachfolger des Mirai
—> Folie 34
Antrieb mit Brennstoffzelle am Beispiel Audi A7 …
—> Folie 35
…
Komponenten für einen E-Antrieb mit Brennstoffzelle
—> siehe Folie 36!!!
…
Brennstoffzellenantrieb GLC F-Cell
—> Folie 37
Brennstoffzellensystem: Daimler aktuelle Generation vs. nächste Generation
—> Folie 38
BMW i Hydrogen Next
—> Folie 39
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Wasserstofftankstellen: Ausbau der Infrastruktur
Für den Aufbau der H2-Infrastruktur in der EU werden u.a. in EU-Richtlinie 2014/94/EU Eckpunkte festgelegt.
—> Folie 41 + 42
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Die Bundesregierung hat am 10.Juni 2020 die Nationale Wasserstoffstrategie veröffentlicht.
—> siehe Folie 44 für die Maßnahmen!!!
Japan hat bereits 2017 seine Wasserstoffstrategie verabschiedet
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