Komprimierter gasförmiger Wasserstoff (H2) kann als Energiespeichermedium genutzt werden. Der hohe Speicherdruck erforderte die Entwicklung einer Komponente zur Druckreduktion zwischen Tank und Brennstoffzelle. 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. Das reale Gasverhalten wurde miteinbezogen, die Extremzustände des Fluids berechnet und die thermodynamischen Annahmen der isenthalpen Zustandsänderung von Luft und H2 analysiert. Des Weiteren ist im Gegensatz zum idealen Gasbereich bei realem Gas momentan kein m˙-Modell für Drosselelemente mit Strömungsverlusten verfügbar, das zur Berechnung pneumatischer Systeme genutzt werden kann. Die entwickelte mechatronische Ventil-Regler-Einheit wurde zweistufig mit aktiver Druckregelung realisiert. Sie vereint die hohe Dichtheit von Kegelsitzventilen und die gute Regelbarkeit von Schieberventilen. Die Druckregelgüte und die Leckage wurden gemessen und mit dem Stand der Technik verglichen. Die Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen mit Ersatzmedien konnte anhand der m˙-Charakteristik und des Joule-Thomson-Effekts untersucht werden. Das m˙-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, wobei die interne Leckage ein deutliches Hystereseverhalten zeigte. Die untersuchte Übertragbarkeit von Luft- und H2-Versuchen führte zu Abweichungen der m˙-Charakteristik von ± 14,5%. Die Temperaturunterschiede zwischen Luft und H2 aufgrund des Joule-Thomson-Effekts betragen bis zu 68 °C. Die Annahmen der isenthalpen Zustandsänderung einer Drosselung von H2 bzw. Luft wurden experimentell verifiziert. Im Gegensatz zu Luft stellt die Isenthalpe für H2 eine gute Näherung dar, allerdings wurden die Abweichungen durch unterschiedliche Störgrößen verursacht. Die Extremtemperaturen im H2-System liegen zwischen -90,8 °C und +127,8 °C. Das getestete m˙-Modell ist zur Anwendung im Realgasbereich geeignet und führt zu m˙-Abweichungen von 1%. Die lokale Gültigkeit der Modellparameter wurde nachgewiesen und eine Berechnung vorgeschlagen, um den Einfluss des realen Gases zu kompensieren.

    Compressed gaseous hydrogen can be used to store energy. The high storage pressure from 1,5 to 87,5 MPa requires a valve for pressure reduction between vessel and fuel cell, which needed to be developed. In the past tests were often made with air instead of hydrogen (H2). Test results from H2 and air were investigated to see if they are transferable. The real gas behaviour was considered at these investigations, extreme states of the fluid were computed and the thermodynamic assumptions of the isenthalpic change of state from air and H2 were analysed. Furthermore in contrast to the ideal gas region, there is no m˙-model available for throttles with losses in the real gas region, which can be used to calculate pneumatic systems. The developed mechatronic valve-controller-unit was made using a two-stage pressure controller with active output stage. It combines the high leak-tightness of cone-valves and the good controllability of slide-valves in one unit. The pressure control performance and the leakage were measured and compared with the state of the technology. The transferability of the test results with substitute media was investigated by means of the m˙-characteristic and the Joule-Thomson-Effect. The m˙-model according to ISO 6358 was applied to the real gas area and verified through measurements. The valve-controller-unit has a factor 9 higher pressure control performance compared to a passive high pressure controller. Additionally the command variable of the active system can be varied when using. The function was also proven with H2-tests. The helium measured leakage is about 100 times lower than the allowable amount, in doing so the internal leakage shows an important hysteresis. The transferability of air- and H2-tests lead to deviation of the m˙-characteristic up to ± 14,5%. The temperature difference between air and H2 due to the Joule-Thomson-Effect was up to 68 °C. The assumptions of the isenthalpic change of state were experimentally investigated when hydrogen respectively air are throttled. Contrary to air, the isenthalpic change of state provides a good approximation for hydrogen, in doing so deviation is caused through differing disturbance variables. The extreme temperatures in the H2-System are in between -90,8 °C and +127,8 °C. The tested m˙-model can be applied in the real gas area and leads to m˙-deviation of 1%. The local validity of the model-parameters was proven and a calculation is suggested in order to compensate the influence of the real gas behaviour.


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    Title :

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


    Contributors:


    Publication date :

    2014


    Size :

    183 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen




    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    German