FEV bringt die Brennstoffzelle auf die Straße

280 Kilometer Reichweite, 120 Km/h Höchstgeschwindigkeit, 0 Emissionen: Im Rahmen des Projektes „BREEZE!“ hat FEV einen Brennstoffzellen-Range-Extender entwickelt und in ein existierendes batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) der Subkompaktklasse integriert. Bei der Umsetzung entschieden sich die Ingenieure für ein FEV-Elektrofahrzeug auf Basis des Fiat 500, das eine besondere Herausforderung mit Blick auf den vorhandenen Bauraum darstellt.

Range-Extender-Konzepte (REX) bestehen aus einem seriellen Hybrid-Antriebsstrang, bei dem die Antriebsenergie primär aus der extern aufladbaren Batterie bereitgestellt wird. Im Gegensatz hierzu nutzen Plug-In-Hybride die Batterie überwiegend zum „Boosten“, zur Bremsenergierückgewinnung, zur Lastpunktverschiebung oder zum lokal emissionsfreien Fahren im Stadtverkehr.

Dimensionierung des Range-Extenders

Bei der Auslegung der REX-Leistung im Vergleich zur Antriebsleistung des BEV entschieden sich die FEV-Experten für eine szenariobasierte Auslegung anstelle eines zyklusbasierten Ansatzes, um auch bei niedrigem Batterieladezustand (SoC) die volle Fahrleistung bereitstellen zu können.
Das Ergebnis: Die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs beträgt – unabhängig vom SoC – 120 km/h. Zudem verfügt das System über eine kleine Leistungsreserve, sodass Steigungen auf Autobahnen nicht vollständig über die Batterie gepuffert werden müssen. Bauraumbedingt ist die Reichweite der Batterie auf 80 km und die zusätzliche Reichweite des Brennstoffzellen-REX von etwa 200 km durch den Wasserstofftank begrenzt. Ein Nachtanken von Wasserstoff wäre innerhalb weniger Minuten erfolgt und die Fahrt könnte bei gleicher Höchstgeschwindigkeit fortgesetzt werden.
Das Volumen des Zellstapels beträgt ca. 15,5 l und erzielt damit eine volumetrische Bruttoleistungsdichte von 2,2 kW/l. Das gesamte REX-Modul erzielt mit einem Volumen von 67 l eine volumetrische Nettoleistungsdichte von 0,45 kW/l und eine gravimetrische Leistungsdichte von 0,25 kW/l einschließlich Betriebsmitteln. Damit liegt der Brennstoffzellen-Range-Extender in der gleichen Größenordnung wie verbrennungsmotorische Range-Extender.

Platzsparende Auslegung des Systems

Das Platzangebot im Fiat 500 ist sehr begrenzt. Daher entschloss FEV sich, das gesamte REX-Modul im Bereich der Reserveradmulde unterzubringen und den Tank unterhalb der Rücksitzbank. Dies machte umfangreiche Maßnahmen und genaue Planung notwendig, um das Modul sowie diverse Komponenten, Nebenaggregate und Sensoren zu integrieren, welche für die Versorgung der Brennstoffzelle mit Luft, Wasserstoff und Kühlmittel erforderlich sind.

Modulare Fahrzeugintegration

Für das Fahrzeugintegrationskonzept wurden alle Komponenten in Funktionsmodulen zusammengefasst und vorhandenen Fahrzeugbauräumen zugeordnet.
Das Kühlmodul, bestehend aus Ausgleichsgefäß, Ionenaustauscher, Niedertemperaturkühler für die Traktionsmaschine sowie Leistungselektronik und Hochtemperaturkühler für den Brennstoffzellen-REX, wurde im Frontend des Fahrzeugs verbaut. Die übrigen Komponenten, die direkt den Betrieb des Zellstapels beeinflussenden, wurden im REX-Modul zusammengefasst. Dabei wurde ein wesentlicher Teil dieser Komponenten direkt in eine Endplatte des Zellstapels integriert.
Als Schnittstelle zum Wasserstoffspeicher und -verteilungsmodul hat sich das MD-Niveau angeboten, da der Druckminderer und das Sicherheitsventil nicht als integrierbare Komponenten verfügbar sind. Die Funktionen des HD-Systems sind abgesehen von den Betankungsfunktionen bereits im Tankventil zusammengefasst. Aufgrund der Abmaße verfügbarer Wasserstoffdrucktanks war das größtmögliche Tankvolumen als gewichtsparendes Ein-Tank-System nur unterhalb der Rücksitzbank mit einem 34-Liter Typ III Tank zu realisieren. Die mechanischen Anforderungen an das REX-Modul, die aus der Fahrzeugintegration erwachsen, wurden in die Konzeptentwicklung der Strukturkomponenten integriert. Die Elemente zur Aufnahme der Verspannkräfte der Zellen sind so gestaltet, dass sie ausreichend massive Aufhängepunkte für die Anbindung an die Aggregatlager im Fahrzeug bieten, die unabhängig von der temperatur- und betriebsbedingten Längenänderung des Zellenstapels sind. Diese Strukturbauteile, die teilweise in das Gehäuse des Moduls integriert sind, können Kräfte und Biegemomente resultierend aus Quer- und Vertikalbeschleunigungen von 5g aus dem Fahrbetrieb aufnehmen, ohne die Dichtigkeit des Zellstapels oder den sicheren Betrieb des Moduls zu gefährden. Die Verträglichkeit des Stapels gegenüber Vibrationsanregungen wurde auf einem Vibrationsprüfstand mit einem aufgeprägten zufällig verteilten Anregungsspektrum nach ISO12405-1 in allen drei Achsen bestätigt.

Aufbau des Antriebssystems

Auf der Luftseite wird das System von einem elektrisch angetriebenen Radialverdichter mit Luft versorgt. Dabei handelt es sich um einen durch FEV und VKA elektrifizierten Rotrex C8-8. Die angesaugte Luft wird durch einen Luftfilter von Partikeln und Schadgasen, wie flüchtigen organischen Verbindungen (VOC; z.B. Butan, Toluol) oder Schwefeldioxid, gereinigt. Ein Wärmetauscher konditioniert die Temperatur der Luft vor deren Eintritt in den Zellstapel und die sauerstoffabgereicherte Abluft durchläuft einen Schalldämpfer, bevor sie an die Umgebung abgegeben wird.
Auf der Wasserstoffseite speist sich das System aus einem Typ III Hochdrucktank, der über einen SAE J2600 konformen Tanknippel an jeder Wasserstofftankstelle wieder aufgefüllt werden kann. Über einen Druckminderer gelangt der Wasserstoff vom Hochdruck- (HD) ins Mitteldrucksystem (MD) und von dort über ein Dosierventil in den Zellstapel. Der Druck auf der Anodenseite orientiert sich am Kathodendruck zuzüglich eines konstant aufgeschlagenen Differenzdrucks. Die Anreicherung von Inertgasen wie Stickstoff und Wasserdampf wird durch ein Spülventil, das sogenannte Purge-Ventil, abgebaut. Das abgegebene Spülgas wird im Kathodenabgas verdünnt. Hinter dem Zellstapel austretendes Anodengas wird in einem Wasserabscheider von flüssigem Wasser separiert und über eine Kombination aus Gebläse und Strahlpumpe rezirkuliert. Das flüssige Wasser gelangt dann über ein Ventil ebenfalls ins Kathodenabgas.

Sicherheit im Fokus

Unterschiedliche Sensoren, darunter Druck-, Temperatur-, Massenstrom- und Wasserstoffkonzentration auf der Luft- und Wasserstoffseite, stellen eine umfassende Überwachung des Systems sicher. Im Falle eines Feuers, das den Tank unzulässig erhitzt, oder im Falle eines unzulässigen Druckanstiegs im Mitteldrucksystem, wird Wasserstoff über separate Entlüftungsleitungen an die Umgebung abgegeben, um das Bersten von Bauteilen und unkontrollierten Wasserstoffaustritt zu vermeiden. Das Wasserstoffsystem erfüllt die Vorgaben der EC79/2009 und besteht im MD- und HD-System ausschließlich aus zertifizierten Komponenten.
Bei Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen haben alle zu- und abgeführten Medien Kontakt zu den Hochspannungspolen und zur Fahrzeugmasse. Dadurch stellen diese Medienkanäle potentielle Fehlerquellen für die Isolation dar. Trockene Luft und trockener Wasserstoff sind zwar schlechte elektrische Leiter, jedoch sind diese bis zum Zellstapelaustritt mit Produktwasser aus der Brennstoffzelle befeuchtet worden und führen im Gasstrom teilweise Partikel oder Fasern aus der Gasdiffusionsschicht mit sich, die vielfach aus Graphit besteht, sodass sich der Leitwert der Gase erhöhen kann. Daher sind bei der Auslegung der Medienkanäle insbesondere für eine Serienanwendung u.a. auch konstruktive Maßnahmen einzuplanen, um Wartungsintervalle auch unter ungünstigen Randbedingungen sicher zu gewährleisten.
Zudem immobilisiert der Tanknippel während des Tankvorgangs das Fahrzeug, sodass ein Wegfahren des Fahrzeugs während des Tankvorgangs ausgeschlossen werden kann.

Herausforderndes Thermomanagement

Im Vergleich zum serienmäßig eingesetzten Kühler des verbrennungsmotorischen Fiat 500 ist für die Brennstoffzelle ein deutlich vergrößerter Kühler mit erhöhter Lüfterleistung notwendig. Dies ist erforderlich, da Brennstoffzellen ihre Abwärme im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren nahezu ausschließlich über das Kühlmittel und auf niedrigerem Temperaturniveau abgeben. Letzteres liegt in Abhängigkeit des Lastpunkts zwischen 60 und 80°C. Der eingesetzte Kühler ermöglicht es, den REX im Auslegungspunkt ohne zusätzlichen Fahrtwind bei einer Außentemperatur von 20°C zu betreiben. Bei einer Umgebungstemperatur von 40°C kann diese Leistung ab einer Geschwindigkeit von 80 km/h bereitgestellt werden. Auch steilere Bergetappen wie der Großglockner sind bei einer Umgebungstemperatur von 40°C möglich. Bei diesem Kühler wie auch beim Ladeluftkühler handelt es sich um flussmittelfreie reine Aluminium Kühler, um den elektrischen Leitwert des Kühlmittels niedrig zu halten.