Hyfindr Tech Talk #44 – Wasserstoffventile für Tanks – Prüfmaschine für Wasserstoffkomponenten

In dieser Folge von Hyfindr Tech Talk tauchen wir tief in die Technik hinter Tankventilen für Wasserstofffahrzeuge ein. Moderator Steven Oji spricht mit Burkhard Harhoff, Technischer Leiter für das Wasserstoffportfolio bei Poppe + Potthoff, darüber, was diese Komponenten sicher, zertifizierbar und bereit für die hohen Drücke in der Wasserstoffmobilität macht.

Von internen Komponenten wie Magnetventilen und Filtern bis hin zu thermischen Sicherheitsmerkmalen und globalen Vorschriften – dieses Gespräch entschlüsselt, was sich im Inneren der Ventile befindet, die 700-bar-Wasserstofftanks steuern, und warum sie für die Brennstoffzellen- und Verbrennungsmotoren-basierte Wasserstoffmobilität so wichtig sind.

Erfahren Sie mehr über On-Tank-Ventile für Wasserstoffsysteme

Wasserstofftanks speichern Energie unter extrem hohen Drücken, oft bis zu 700 bar, und das On-Tank-Ventil ist die Schnittstelle, die diese Energie an Brennstoffzellen oder Motoren weiterleitet. Burkhard erklärt, was bei der Konstruktion einer Komponente zu beachten ist, die unter solch anspruchsvollen Bedingungen sicher, zertifizierbar und leistungsstark ist.

Wichtige Themen des Tech Talks

Was ist ein Tankventil und wo wird es eingesetzt?

Das Tankventil befindet sich oben auf den Wasserstofftanks in Fahrzeugen und dient als Steuerzentrale für Befüllung, Entleerung, Druckregelung und Sicherheitssysteme. Diese Ventile werden eingesetzt in:

• Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs)
• Wasserstoffverbrennungsmotoren
• Stationäre Speichersysteme
• Hochdruck-Wasserstofftankstellen

Aufbau eines Ventils: Das Innere eines Tankventils

Burkhard erklärt anhand einer Explosionszeichnung eines 700-bar-Tankventils die einzelnen Komponenten, darunter:

• Aluminiumgehäuse
• Magnetventil (elektrisch gesteuerte Absperrung)
• Manuelle Absperr- und Entlüftungsventile
• Rückschlagventile und Ein-/Auslassöffnungen
• Temperatursensor
• TPRD (Thermal Pressure Relief Device)

Jedes Teil erfüllt einen bestimmten Zweck – sei es die Durchflussregelung, die Druckregulierung oder die Gewährleistung der thermischen Sicherheit unter extremen Betriebsbedingungen.

Thermische Sicherheit: Wie Wasserstoff sich ausdehnt und erwärmt

Im Gegensatz zu den meisten Gasen erwärmt sich Wasserstoff bei der Ausdehnung. Dies stellt ein potenzielles Risiko für Wasserstofftanks vom Typ IV dar, die aus Kohlefaser und Kunststoffverbundwerkstoffen bestehen. Wenn die Ausdehnung zu viel Wärme erzeugt, kann dies die Tankwand beschädigen.

Um dem entgegenzuwirken, verfügt das Ventil über ein Düsensystem, das den Wasserstoffstrom in mehrere Ströme aufteilt, wodurch die Wärmekonzentration reduziert und die Tankstruktur geschützt wird.

Leckageprävention und robuste Filterung

Sauberer Wasserstoff ist für einen sicheren Betrieb unerlässlich. Selbst kleinste Partikel können Ventile beschädigen oder Filter verstopfen. Aus diesem Grund enthält das Ventil:

• Mehrere Feinfilter vor Magnetventilen und manuellen Ventilen
• Rückschlagventile zur Verhinderung von Rückfluss
• Zwei Strömungswege für Betankung und Entleerung

Der Wasserstoff fließt während des Befüllens und Betriebs durch separate, sichere Leitungen, wodurch die Leistung aufrechterhalten und Verunreinigungen oder Leckagen vermieden werden.

Zertifizierung und Normen: Welche Vorschriften gelten?

Burkhard erläutert, wie Tankventile je nach geografischer Lage und Anwendungsfall strenge internationale Vorschriften erfüllen müssen:

• ISO 11114, ISO 19887 und CHMC 1 für Materialprüfungen
• HGV 3.1, R134 und andere für die Leistung von Bauteilen
• TÜV SÜD und andere Stellen für die Zertifizierung durch Dritte
• Nationale Normen wie GB/T (China) oder koreanische Äquivalente

Er hebt auch die Herausforderung fragmentierter Vorschriften und das Bestreben der Branche nach einheitlichen globalen Standards hervor, um die Entwicklung und die Einhaltung der Vorschriften zu vereinfachen.

Leistungsdaten: Druck, Kv-Wert und Kompaktheit

Wichtige Spezifikationen, die bei der Auswahl eines Ventils zu berücksichtigen sind, sind unter anderem:

• Nenndruck (350 bis 700 bar je nach Anwendung)
• Kv-Wert (Durchflusskoeffizient für Betankungs- und Entleerungsgeschwindigkeit)
• Formfaktor (Ventile müssen enge Platzvorgaben einhalten)

Burkhard erklärt, wie Poppe + Potthoff eine kompakte Höhe von nur 38 mm erreicht, was bei der Fahrzeugkonstruktion, wo Platz und Effizienz eine wichtige Rolle spielen, von entscheidender Bedeutung ist.

Thermische Druckentlastungsvorrichtung (TPRD): Sicherheit im Brandfall

Die TPRD ist ein integrierter Sicherheitsmechanismus, der Wasserstoff entlüftet, wenn das System eine Temperatur von 110 °C überschreitet. Sie funktioniert über:

• Glaskolbenbruch (ausgelöst durch Überhitzung)
• Schmelzsicherungen aus Metall (alternative Konstruktion)
• Direkter Weg zur externen Entlüftung für eine sichere Wasserstoffableitung

Dadurch wird sichergestellt, dass der Wasserstofftank selbst in Extremsituationen wie Bränden keine Gefahr darstellt.

Interne Tests und Drucksimulationen

Poppe + Potthoff entwickelt eigene Hochdruckprüfstände, mit denen Folgendes simuliert werden kann:

• Berstdruckprüfungen
• Ermüdungszyklen (z. B. 0–1000 bar Sinusprofile)
• Validierung unter extremen Temperaturen (–60 °C bis +110 °C)

Diese maßgeschneiderten Tests gehen über die aktuellen Vorschriften hinaus und antizipieren reale Umweltprobleme wie Kaltstartbedingungen in extremen Klimazonen.

Zukünftige Trends im Design von Wasserstoffventilen

Burkhard schließt mit einer Diskussion über zukünftige Trends in der Ventilarchitektur:

• Funktionsintegration: Kombination von Sicherheit, Durchflussregelung und Sensoren in einzelnen Komponenten
• Vereinfachte Konstruktionen: Reduzierung der Komplexität bei gleichzeitiger Erhöhung der Zuverlässigkeit
• Größerer Betriebsbereich: Konstruktion für extremere Temperaturen und Drücke
• Kosteneffizienz: Ausgewogenes Verhältnis zwischen Robustheit und Erschwinglichkeit für den Ausbau des Wasserstofftransports

Er weist auch auf die laufenden Bemühungen der Branche hin, globale Standards zu konsolidieren, wodurch die Ventilentwicklung für OEMs weltweit effizienter und kostengünstiger wird.

Fazit: Warum Tankventile für die Sicherheit von Wasserstoff entscheidend sind

Dieser Hyfindr Tech Talk bietet einen seltenen Einblick hinter die Kulissen einer kritischen Komponente von Wasserstoffsystemen. Ob Sie Ingenieur, OEM oder Entwickler von Wasserstoffinfrastrukturen sind – das Verständnis von Tankventilen ist der Schlüssel zur Bereitstellung sicherer, skalierbarer und zertifizierbarer Wasserstoffmobilitätslösungen.

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