Entwurf einer aktiven Ventil-Regler-Einheit für den Betrieb mit gasförmigem Wasserstoff bis 87,5 MPa zum Einsatz in Brennstoffzellen-Fahrzeugen

Komprimierter gasförmiger Wasserstoff kann als Energiespeichermedium genutzt werden. Versuche für H2-Systeme wurden in der Vergangenheit oft mit Luft anstatt mit Wasserstoff durchgeführt. Daher wurde untersucht, ob Versuchsergebnisse dieser beiden Medien übertragen werden können. Des Weiteren ist im Gegensatz zum idealen Gasbereich bei realem Gas momentan kein ṁ-Modell für Drosselelemente mit Strömungsverlusten verfügbar. Die entwickelte mechatronische Ventil-Regler-Einheit vereint die hohe Dichtheit von Kegel-Sitz-Ventilen und die gute Regelbarkeit von Schieberventilen. Die Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen mit Ersatzmedien konnte anhand der ṁ-Charakteristik und des Joule-Thomson-Effekts untersucht werden. Das ṁ-Modell nach ISO 6358 wurde im Bereich realer Gase angewendet und mit Messungen verifiziert. Die Ventil-Regler-Einheit weist im Vergleich zu einem passiven Hochdruckregler eine um den Faktor 9 höhere Druckregelgüte auf und die Führungsgröße des aktiven Systems kann im Betrieb variiert werden. Die Funktion wurde auch mit H2-Tests nachgewiesen. Die mit Helium gemessene Leckage hat den zulässigen Wert etwa um den Faktor 100 unterschritten. Die untersuchte Übertragbarkeit von Luft- und H2-Versuchen führte zu Abweichungen der ṁ-Charakteristik von ±14,5%. Die Temperaturunterschiede zwischen Luft und H2 aufgrund des Joule-Thomson-Effekts betragen bis zu 68°C. Im Gegensatz zu Luft stellt die Isenthalpe für H2 eine gute Näherung dar. Die Extremtemperaturen im H2-System liegen zwischen -90,8°C und +127,8°C. Das getestete ṁ-Modell ist zur Anwendung im Realgasbereich geeignet und führt zu ṁ-Abweichungen von 1%. Die lokale Gültigkeit der Modellparameter wurde nachgewiesen und eine Berechnung vorgeschlagen, um den Einfluss des realen Gases zu kompensieren.