- Welche Arten von Medien müssen in Brennstoffzellensystemen abgedichtet werden?
- Was sind die besonderen Anforderungen an Wasserstoff im Zusammenhang mit der Abdichtung von Brennstoffzellenventilen?
- Was ist der Unterschied zwischen statischer und dynamischer Abdichtung?
- Dichtungen für Wasserstoffventile in Kraftstoffverarbeitungssystemen
- Ventilkonstruktion und Ventiltypen und ihre Auswirkungen auf die Auswahl der Dichtungsart
- Weichdichtende Kontaktdruckeigenschaften an Hochdruck-Wasserstoff-Zylinderfüllventilen
- Kolben- oder Stangendichtung für statische und dynamische Abdichtung
Stöbern Sie auf unserem Marktplatz nach Dichtungen von führenden Anbietern!
Welche Arten von Medien müssen in Brennstoffzellensystemen abgedichtet werden?
- Kondensat (H20)
- Luft
- Wasserstoff (H2)
Was sind die besonderen Anforderungen an Wasserstoff im Zusammenhang mit der Abdichtung von Brennstoffzellenventilen?
Jedes Bauteil, das mit Wasserstoff in Berührung kommt, muss sorgfältig ausgewählt werden, um diese besonderen Anforderungen zu erfüllen und die damit verbundenen Risiken zu mindern:
- Hohe Druckbeständigkeit
- Integrität der Versiegelung (bei Lagerung und elektrochemischem Prozess)
- Thermisches Management von Ventilen
- Verhinderung von Infiltration und Versprödung von Dichtungen
- Keine Leckage
Zu diesen Bauteilen, die mit Wasserstoff in Berührung kommen, gehören Ventile, aber auch Verbindungen, zugehörige Rohrleitungen, Kupplungen und Armaturen.
Diese Anforderungen sind besonders wichtig für den Hochdruck-Wasserstofftank, der sowohl an der Wasserstofftankstelle als auch in einem mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle betriebenen Fahrzeug oder einer Maschine zu finden ist.
Was ist der Unterschied zwischen statischer und dynamischer Abdichtung?
a) Statische Abdichtung
Eine statische Dichtung zeichnet sich dadurch aus, dass es keine Bewegung zwischen der Dichtfläche und der Gegenfläche gibt. Je nach Konstruktion der Verbindung fungieren statische Dichtungen als radiale statische Dichtung, z. B. in Rohren oder Zylindern, oder als axiale statische Dichtung, z. B. in Flanschen. Die gängigsten statischen Dichtungen sind O-Ringe und Flachdichtungen. Um die Dichtungsfunktion herzustellen, werden die statischen Dichtungen bei der Montage zusammengedrückt.
Beispiel einer statischen Abdichtung
b) Quasi-statische Abdichtung
Dichtungen in Druckentlastungs- und Auf/Zu-Anwendungen sind hauptsächlich quasi statische Dichtungen. Sie bzw. das Ventil müssen jedoch so ausgelegt sein, dass sie entweder bei Erreichen eines bestimmten Drucks oder bei Betätigung öffnen. Die Dichtfunktion muss gewährleistet sein, sobald der Durchgang wieder geschlossen ist. Je nach den Anforderungen der Anwendung kann die Anzahl der Zyklen stark variieren.
Beispiel für eine quasi statische Abdichtung
c) Dynamische Abdichtung
Proportionalventile haben eine Regelfunktion. Sie regeln den Volumenstrom einer Flüssigkeit oder eines Gases. Sie werden insbesondere für dynamisch wechselnde Flüssigkeitsmengen eingesetzt. Sie werden auch als Regelventile bezeichnet oder als Druckregler eingesetzt. Zwischen der Dichtfläche und der Gegenfläche findet je nach Kontrollanforderung eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung statt. Diese Relativbewegung zwischen der Dichtung und dem Gegenstück definiert eine dynamische Dichtung. Bei der Wahl der dynamischen Dichtung müssen die Art (Translation / Rotation) und die Geschwindigkeit der Bewegung berücksichtigt werden.
Beispiel für eine dynamische Versiegelung
Dichtungen für Wasserstoffventile in Kraftstoffverarbeitungssystemen
Welche Rolle spielt ein Ventil in Kraftstoffverarbeitungssystemen?
Brennstoffzellensysteme werden in vier Teilsysteme unterteilt:
- Kraftstoffverarbeitungssystem
- Luftaufbereitungssystem
- Wärmemanagement-System
- Brennstoffzellenstapel
Die Funktionen aller Teilsysteme sind perfekt aufeinander abgestimmt, um die bestmögliche Leistung der Brennstoffzelle zu erreichen.
In diesem Zusammenhang sind Ventile in der Kraftstoffaufbereitungsanlage erforderlich, um den Wasserstoffstrom am Einlass zuzuführen und zu regulieren und das Kondensat am Auslass des Geräts zu spülen. In der Regel werden zwei Arten von Ventilen verwendet. Eines mit Ein/Aus-Funktion zum Ablassen von Kondensat oder zum Absperren des Behälters, ein Proportionalventil zur Dosierung des Durchflusses zum Schornsteineinlass. Wasserstoffregelventile oder Tanküberlaufventile sind Beispiele hierfür.
Welche Rolle spielt die Dichtung in Wasserstoffventilen in Kraftstoffverarbeitungssystemen?
Dichtungen sind Bauteile, die an Schnittstellen zwischen zwei Funktionselementen in technischen Systemen eingesetzt werden. Die Aufgabe der Dichtung besteht darin, den unerwünschten Verlust von Medien oder Druck im System zu verhindern. Die Dichtung sollte keinen Einfluss auf das optimale Funktionieren des Geräts haben. In der Praxis ist jedoch insbesondere bei dynamischen Dichtungen ein Kompromiss erforderlich. Denn Reibung und Materialeigenschaften der Dichtung haben einen erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad.
Darüber hinaus ist die Handhabung von Wasserstoff von entscheidender Bedeutung, da das Gas extrem flüchtig und leicht entzündlich ist.
Daher erfüllen die Dichtungen in Wasserstoffventilen von Brennstoffzellensystemen eine sehr wichtige Funktion. Von ihnen hängt nicht nur die Effizienz, Prozessstabilität und Wiederholbarkeit, sondern auch die Sicherheit des gesamten Systems ab.
Welche Ausführungen und Materialien werden für Dichtungen in Wasserstoffventilen verwendet?
Um kleinstmögliche Leckraten im statischen und dynamischen Betrieb zu gewährleisten, muss die Konstruktion und der Werkstoff der Dichtung perfekt auf den Bauraum und die Anwendungsdaten abgestimmt sein. Für Wasserstoffventile sind federbelastete Dichtungen in einer speziellen Ausführung eine gute Wahl. Das maßgeschneiderte Design des Dichtungskörpers und des Stützrings unterstützt die Druckbeständigkeit. In der Regel werden hochdruckfeste Materialien mit geringer Verformung unter Last und sehr niedrigen Permeationsraten verwendet, wie z. B. modifizierte PTFE- und PEEK-Verbindungen. Aber auch kostengünstigere Materialien könnten eine Wahl sein, wenn die Funktionalität nachgewiesen ist.
Was sind die wichtigsten Leistungskriterien/Anforderungen für die Abdichtung von Brennstoffzellenventilen in Wasserstoffventilen?
Die wichtigsten Leistungsanforderungen an Dichtungen sind:
- Widersteht hohen Drücken über 800 bar
- Geringe Leckage im statischen und dynamischen Betrieb
- Hohe funktionelle und chemische Stabilität
- Hohe Zuverlässigkeit
- Geringe Reibung und Verschleiß
- Bewältigung extremer Bedingungen, wie hohe/niedrige Temperaturen oder Vibrationen
- Einhaltung der Sicherheitsanforderungen während der erwarteten Lebensdauer
Ventilkonstruktion und Ventiltypen und ihre Auswirkungen auf die Auswahl der Dichtungsart
Wasserstoffventile müssen den Wasserstofffluss praktisch leckfrei steuern, was durch die Verwendung zuverlässiger Dichtungen mit geringer Wasserstoffpermeation erreicht wird. Für die Abdichtung von Medien in Brennstoffzellensystemen werden verschiedene Arten von Ventilen verwendet:
- Nadelventil
- Kugelhahn
- Plunger-/Kolbenventil
- Drehventil
- Faltenbalg-Magnetventil
Der Betätigungsmechanismus eines Ventils hat einen großen Einfluss auf die Wahl des Dichtungstyps, der verwendet wird.
Ventildichtungen werden in verschiedenen Arten von Ventilen eingebaut, die in Brennstoffzellensystemen verwendet werden. Diese lassen sich in Proportional- oder Druckregelventile, die eine dynamische Abdichtung erfordern, und in Druckentlastungs- und Auf/Zu-Ventile unterteilen, die jeweils eine statische Abdichtung erfordern:
a) Proportionalventil
- Einlass-Dosierventil des Brennstoffzellenstapels
- Druckregulierendes Ventil
b) Druckbegrenzungsventil
- thermisches Druckbegrenzungsventil
- Druckregelventil
- Abdampfventil
- Sicherheits-/Absperrventil
- Entleerungs-/Ablassventil
c) Auf/Zu-Ventil
- Wasserstofftank-Absperrventil
- Kondensatablassventil für Brennstoffzellen
- Wasserstofftankstelle Ladeventil
- Wasserstoffflaschen-Absperrventil (Tankstelle)
Weichdichtende Kontaktdruckeigenschaften an Hochdruck-Wasserstoff-Zylinderfüllventilen
Das Ladeventil ist eine wichtige Komponente im Ladeanschluss eines Hochdruck-Wasserstoffspeichers (HP-HSC). Es ist als Öffnungsventil konzipiert und wird normalerweise geschlossen, wenn der HP-HSC mit Wasserstoff gefüllt ist. Sollte die Dichtung des Ladeventils beschädigt werden, hat dies schwerwiegende Auswirkungen auf den stabilen Betrieb des Wasserstoffversorgungssystems und kann sogar zu Sicherheitsproblemen führen. Die Dichtungsleistung des Ladeventils ist daher sehr wichtig.
Zu den Parametern, die sich auf die Leistung einer solchen Ladungsventildichtung auswirken, gehören die Vorkompression, die Breite der Dichtung und der Wasserstoffdruck an der Kontaktfläche der Dichtung. In Kombination üben diese einen so genannten Anpressdruck auf die Dichtung aus und tragen zu unerwünschten oder positiven Verformungen, d. h. Formänderungen, des Dichtungsmaterials bei. Dieses Phänomen kann zur Verbesserung der Dichtungsleistung bei der Konstruktion eines Ladeventils genutzt werden, das in HP-HSC-Anlagen an Wasserstofftankstellen verwendet wird.
Hochdruckpumpe mit Dichtungen
Kolben- oder Stangendichtung für statische und dynamische Abdichtung
Dichtungslösungen für Wasserstoffspeicher, Mobilitäts- und Brennstoffzellenanlagen erfordern Werkstoffkenntnisse in Bezug auf Polymere, synthetische Kautschukmischungen und wasserstoffspezifische Metalle. Dies ist besonders kritisch bei Konstruktionen, die eine dynamische Versiegelung beinhalten, wie sie mit Hilfe von:
- Hochgeschwindigkeits-Lippendichtungen
- Reibungsarme Lippendichtungen
Metallische Dichtungen allein führen bei dynamischen Dichtungsanwendungen selten zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Außerdem muss bei Wasserstoffanwendungen die Versprödung berücksichtigt werden. Flexible oder formnachgiebige Dichtungen aus Verbindungen wie synthetischem Kautschuk, Nitril-Butadien oder PTFE-Verbindungen erfüllen die dynamischen Dichtungsanforderungen wesentlich besser. Speziell für Wasserstoffventile sind folgende Bauteile aus diesen Materialien relevant:
- Dichtungsringe für Brennstoffzellenventile
- Radialdichtungen für Brennstoffzellenventile
- Brennstoffzellenventil-Lippendichtungen
Viele Konstruktionen erfordern jedoch einen Verbundansatz, bei dem Metall und weiche Materialien kombiniert werden, um die gewünschten Anpressdruckeigenschaften und eine geringe Wasserstoffdurchlässigkeit zu erreichen.
Federbelastete Radialdichtungen oder federbelastete Lippendichtungen haben bei allen wichtigen Leistungsparametern, die bei der Abdichtung von statischen und dynamischen Hochdruck-Wasserstoffventilen einzuhalten sind, sehr zufriedenstellende Ergebnisse erbracht.
Beitrag von ElringKlinger Engineered Plastics
ElringKlinger-Kunststofftechnik – Innovationen aus Hochleistungskunststoffen – seit über 50 Jahren gehört ElringKlinger Kunststofftechnik zu den Technologieführern für Dichtungen, Konstruktionselemente, Baugruppen und Module. Innovation beginnt bei ElringKlinger immer beim Material. Dank eigener Materialentwicklung und Compoundierung können Polytetraflon™-PTFE-Materialien und Moldflon™-Thermoplast-Materialien kundenspezifisch angepasst werden. Optimale Leistungen für unsere Kunden werden nicht nur durch Bauteiloptimierungen mit der Finite-Elemente-Methode (FEA), sondern auch durch die Auswahl geeigneter Materialien erreicht.
Letzte Aktualisierung: 15.1.2023