Seminar Erneuerbare Energien 2018 Hochschule Karlsruhe, EIT · Reset the slide back to its Change the slide layout via menu bar: Dr. Georg Frank Daimler Group, Kirchheim/Teck-Nabern

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Dr. Georg Frank

Daimler Group, Kirchheim/Teck-Nabern

Brennstoffzellentechnik bei Daimler

Seminar Erneuerbare Energien 2018

Hochschule Karlsruhe, EIT



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Inhalt

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1. Einleitung

2. Vom Sandwich-Boden in den Motorraum

3. Das Brennstoffzellenaggregat des GLC F-CELL und seine Innovationen

4. Intelligent kombiniert: Ergänzung des Brennstoffzellenaggregats durch eine Plug-in-Batterie

5. Ausblick



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Disruptive Trends verändern die Automobilindustrie



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Herausforderungen – EU Gesetzesentwurf zur CO2-Regulierung



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High-tech Verbrennungsmotoren

Elektrofahrzeuge mit Batterie oderBrennstoffzelle

Plug-in-Hybride Performance-Hybride

Auf dem Weg zum lokal emissionsfreien Fahren



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Neue Generation Plug-In Hybride



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Concept EQ



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Mercedes-Benz GLC F-CELL



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Inhalt

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1. Einleitung




5. Ausblick



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• > 10 Millionen Kilometer in Europa und USA

• > 300.000 km mit einem Fahrzeug zurückgelegt

• < 3 Minuten durchschnittliche Betankungsdauer auf Basis

von 36.000 Betankungen

• > 5 Millionen Kilometer in Europa

• Pressemittelung eines Betreibers:

> 1 Million Kilometer im Regelbetrieb

1,200 Tonnen CO2 vermieden

Citaro FuelCELL-HybridB-Klasse F-CELL

Erfahrungen Brennstoffzellentechnologie



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Die aktuelle Generation von Brennstoffzellen-Fahrzeugen:Mercedes-Benz B-Klasse F-CELL

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Verteilt auf Vorderwagen und Sandwich-Boden:

Brennstoffzellenaggregat des Mercedes Benz B-Klasse F-CELL

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Brennstoffzellen-

Stapel

Befeuchtereinheit zur

Befeuchtung der

Brennstoffzellen-Zuluft

Ladeluftkühler

Schraubenkompressor

SchalldämpferWasserstoff-

Rezirkulationsgebläse



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Brennstoffzellenaggregat Mercedes Benz GLC F-CELL:Vom Sandwichboden in den Motorraum

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2010 2018

30% kleineres Volumen

90% weniger Platin



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Daimler AG



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Inhalt

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1. Einleitung




5. Ausblick



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Brennstoffzellenaggregat Mercedes Benz GLC F-CELL:Aufbau und technische Daten

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Technische Daten

Brennstoffzellenstapel: Rund 400 PEM-

Brennstoffzellen in einer

Zellreihe

Leistung: 75 kW

Luftversorgung: Elektrischer Turbolader mit

Abluftturbine

Luftbefeuchtung: Membran-Gas-Gas-Befeuchter

Wasserstoff-

Rezirkulation:

Passives System getrieben

durch Strahlpumpe ohne

aktives Gebläse

DC/DC-Wandler: Unidirektionaler Hoch-/

Tiefsetzsteller

Kühlung: 12V-Kühlmittelpumpen,

elektrisches Thermostatventil

Integrierte Tragstruktur als Gehäuse für den Brennstoffzellenstapel

DC/DC-Spannungswandler

Luftaufbereitungseinheit mit Befeuchter

Elektrischer Turbolader

LuftfilterIonentauscher

Wasserstoff-Rezirkulationskreislauf(nicht sichtbar)

Abluftanlage



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Hauptinnovationen im Brennstoffzellenaggregat des GLC F-CELL

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Elektrischer Turbolader mit AbluftturbineTragstruktur mit

Medienverteilerplatte und hochintegrierter Wasserstoff-Rezirkulation

Integrierte Luftaufbereitungs-einheit mit Wasserabscheider und Luftbefeuchter

Kompakter Brennstoffzellenstapel mit verbesserter Leistungsdichte

DC/DC-Spannungswandler zwischen Brennstoffzellen-stapel und Hochvolt-Bordnetz

Zellstapel mit 400 Zellenund metallischen Bipolarplatten



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Integrierte Tragstruktur als stabiles Gehäuse für den Brennstoffzellenstapel

und zur Anbindung von Hilfskomponenten

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Tragarme zur Aufnahme Motorlager

TragstrukturMedienverteilerplatte mit integrierter Wasserstoff-Rezirkulation sowie Zu- und Ableitungen für Luft, Wasserstoff und Kühlmittel

Leeres Gehäuse ohne Zellstapel

Gehäuse mit Medienverteilerplatteund integriertem Zellstapel

Fertiges Aggregat mit angebauten Hilfskomponenten



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Brennstoffzellen-Stapel: Verdopplung der Leistungsdichte bei 90 % weniger Platin gegenüber Stack in der B-Klasse F-Cell

Membrandicke reduziert → erhöhte Protonen-Leitfähigkeit

Chemische Zusammensetzung Membran verbessert → erhöhte Protonen-Leitfähigkeit

Optimierte Geometrie der Bipolarplatten → Verbesserte Versorgung mit Reaktanden

Anpassung Betriebsbedingungen zur weiteren Verbesserung der Performance

Ze

lls

pa

nn

un

g [

-]

Stromdichte [-]

GLC F-CELL B-Klasse F-CELL

Steigerung der maximalen Stromdichte um ~ 100%



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Elektrischer Turbolader statt Schraubenkompressor: Höhere Effizienz und kompaktere Bauform

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Air flow (kg/h)

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Air flow (kg/h)

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Turbolader

Schrauben-

kompressor

Höherer Wirkungsgrad vor allem im Teillastbereich

Reduzierte Leistungsaufnahme dank Energierückgewinnung über die Turbine

Weniger Gewicht und Bauraumbedarf verschafft Freiheitsgrade im Package

Verringertes Niveau an Geräuschen und Vibrationen

Inverter

Elektroantrieb Turbine

Verdichter



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Page 21

Einführung eines DC/DC-Wandlers zur Schaffung von zusätzlichen

Freiheitsgraden bei Zellstapel, HV-Architektur und Kaltstart

Anpassung der Brennstoffzellenspannung an variable HV-Bordnetzspannungen

Schaffung von Freiheitsgraden in der Anzahl von gestapelten Brennstoffzellen

Sehr hoher Wirkungsgrad von > 98%

Ermöglicht Strategien für einen schnellen Gefrierstart, da die Brennstoffzellenspannung starkabgesenkt werden kann und damit temporär und gezielt Wärme im Zellstapel freigesetzt werden kann

Anschluss HV-Bordnetzdes Fahrzeugs



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Integration von Luftbefeuchtung und Wasserabscheider in einer Komponente: Die Luftaufbereitungseinheit

Befeuchterkartusche

Integration mehrerer Luftaufbereitungskomponenten in einem Bauteil

Gehäuse aus Kunststoff – serienfertigungstauglich und weniger Gewicht

Einsparung von Bauraum und damit wesentlicher Beitrag zur Leistungsdichte des Aggregats



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Wasserstofftanksystem - Hauptkomponenten

Wasserstofftank-Behälter

Tank Ventil

Systemabsperrventil

Hochdruck-RegelventilHochdrucksensor



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Das V-Modell der Produktentwicklung:

Fahrzeug

Antriebstrang

Systeme

Komponenten



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Inhalt

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1. Einleitung




5. Ausblick



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Daimler AG

Antriebsystem des Mercedes-Benz GLC F-CELL Brennstoffzellen-Plug-in-Hybridfahrzeugs

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Daimler AGMercedes-Benz GLC F-CELL: preproduction model

Steigerung der Reichweite auf 437 km aus

Wasserstoff und 49 km aus der HV-Batterie

Kosteneffiziente Übernahme von

zahlreichen Hochvoltkomponenten aus

dem Mercedes-Benz Baukasten

Antriebsleistung: 147 kW

Übergang auf Plug-in-Batterie, um

schrittweisem Aufbau der H2-Infrastruktur in

idealer Weise gerecht zu werden

Die nächste Generation von Brennstoffzellen-Fahrzeugen:„Die Brennstoffzelle bekommt einen Stecker“



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Mercedes-Benz GLC F-CELL: preproduction model

Mercedes-Benz GLC F-CELL auf Wintererprobung



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Inhalt

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1. Einleitung




5. Ausblick



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Flexibler und modularer Einsatz von Brennstoffzelle und Batterieals Energiequelle



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Daimler AG

Bis 2023:

~400Öffentliche Wasserstoff-Tankstellen

~90 kmDistanz zwischen Autobahntankstellen und um die Metropolregionen

>10Wasserstofftankstellen in Metropolregionen

Partners (shareholders) of initiative:

NIP contact:

Associated partners:

Infrastruktur: H2 Mobility GmbH in Deutschland

ca100 Öffentliche Wasserstofftankstellen

Bis Ende 2018:



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Daimler AG

Source: www.energie-fuer-immer.de

THE DRIVING FORCE

Energiewende braucht eine starke Partnerschaft



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Daimler AG

Hydrogen Council: Industrieübergreifende Vision für Wasserstoff

18%des Energiebedarfes

6 GtJährliche C02

Einsparung

2.5 Bn $ Jährlicher Umsatz(Wasserstoff und Komponenten)

30 Mioneue Jobs

Ausblick in die Wasserstoffwirtschaft 2050



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Daimler AG

Automobile Brennstoffzellen für Datencenter-Stromversorgung



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Daimler AG Mercedes-Benz GLC F-CELL: preproduction model

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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