06 - Komponenten des Wasserstoffsystems im Fahrzeug

Komponenten des Wasserstoffsystems

Übersicht über die Komponenten des Wasserstoffsystems

• Wasserstofffüllanschluss
• Wasserstofftanksystem
• Wasserstofftankventil
• Hochdruckregler
• Rückschlagventil-Verteiler
• Wasserstoff-Leck Sensoren

Der Wasserstofffüllanschluss ist codiert und mit einem Rückschlagventil versehen. Eine Infrarotschnittstelle dient zur Kommunikation der Wasserstofftankstelle mit dem Wasserstoffsteuergerät im Fahrzeug, das den Tankvorgang überwacht.

Vor der eigentlichen Betankung prüft die Tankstelle die Dichtheit der geschlossenen Verbindung durch einen kurzen Druckstoß.

Die Betankung erfolgt immer mit einem höheren Druck an der Tankstelle gegenüber dem Systemdruck im Fahrzeug. Es sind Füllmengen von bis zu 125 g/s möglich.

Der Tank im Wasserstoffsystem muss folgende Eigenschaften aufweisen:

• Druckfestigkeit über 700 bar – da durch höheren Druck im Tank mehr Wasserstoff gespeichert werden kann.
• Dichtigkeit – Wasserstoff ist das Element mit der geringsten Dichte und kann dadurch sehr leicht durch andere Materialien diffundieren. Deswegen werden an den Behälter spezielle Anforderungen bezüglich der Dichtigkeit (Vermeidung von Diffusion) gestellt.
• Der Wasserstofftank besteht aus einem 3-schichtigen Verbundmaterial. (Bild 2)
• Im PKW-Bereich hat der Behälter eine Wandstärke von ca. 25 mm. (Bild 3)
• Die äußerste Schicht besteht dabei aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFRP) und dient hauptsächlich der Stabilität und dem Schutz der Oberfläche. 
• Die mittlere Schicht besteht aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFPR) und ist für die Druckfestigkeit zuständig.
• Die innerste Schicht besteht aus einem Kunststoff-Liner und ist für die zuverlässige Abdichtung verantwortlich.
• Im Pkw-Bereich sind die Wasserstofftanks am Unterboden montiert. Das Tankvolumen wird durch eine Kombination von mehreren Einzeltanks, angepasst an den verfügbaren Platz, bestimmt.

Der Wasserstofftank ist mit einem Multifunktionsventil ausgestattet. Dieses setzt sich aus einem Magnetventil, einem Luft- und Temperatursensor, einem manuellen Handventil und einem TPRD-Ventil (Thermische Druckentlastungsvorrichtung) zusammen.

Das vom Steuergerät betätigte Magnetventil gibt die Wasserstoffzufuhr zur Brennstoffzelle frei bzw. schließt beim Abschalten des Systems.

Der Temperatur- und Luftsensor dient dem Steuergerät zur Erfassung der Betriebszustände im Tank.

Das manuelle Handventil ermöglicht ein Verschließen des Tanks z.B. bei Wartungsarbeiten oder Tausch.

Das TPRD-Ventil dient dem sicheren Ablassen von Wasserstoff aus dem System bei einer zu hohen Temperatur, was eine gefährliche Erhöhung des Systemdrucks zur Folge hätte. Wenn die kritische Temperatur im Tank (> 110°C) erreicht ist, wird eine Glasampulle zerstört und der Wasserstoff entweicht in kürzester Zeit über eine Sicherheitsentlüftung ins Freie.

Die Auslösung des TPRD-Ventils kann durch eine geöffnete Schutzkappe am Ventil diagnostiziert werden.

Abbildung: Tankventil

Der Hochdruckregler besteht aus einem Druckminderventil und einem Mitteldrucksensor.

Um den Systemdruck von 700 bar auf den Arbeitsdruck der Brennstoffzelle von ca. 17 bar zu verringern, wird ein Druckminderungsventil verwendet.

Um andere Bauteile im Wasserstoffsystem (mitteldruckseitig) zu schützen, lässt das Druckminderventil den Überdruck in die Atmosphäre ab. Nach Erreichen des Normaldrucks (17 bar) schließt das Druckreduzierungsventil wieder und das System arbeitet wieder regulär. Der Mitteldrucksensor überwacht den vom Druckminderventil eingestellten Systemdruck und übermittelt die Werte an das Steuergerät der Wasserstoffsteuerung.

Abbildung: Hochdruckregler

Um höhere Reichweiten zu erzielen, werden im Pkw-Bereich mehrere einzelne Tanks am Unterboden verbaut. Diese sind mit einem Verteiler zusammengeschlossen. Im Verteiler befindet das Rückschlagventil. Durch das Rückschlagventil wird ein Zurückströmen von Wasserstoffgas verhindert. Der Hochdrucksensor ist ebenfalls am Verteilerblock verbaut. Er gibt die aktuellen Druckwerte an das Steuergerät weiter.

Abbildung: Rückschlagventil-Verteiler

Zur Überwachung von Undichtigkeiten im Wasserstoffsystem durch das Steuergerät werden Leck-Sensoren eingesetzt. Die Sensoren erzeugen mittels einer elektrochemischen Zelle ein für das Steuergerät verwertbares Spannungssignal. Stellt das Steuergerät eine Undichtigkeit fest, schaltet es das System ab und informiert den Fahrer über eine Fehlermeldung / Warnlampe. Die Sensoren werden in der Regel über den Wasserstofftanks der Brennstoffzelle und evtl. im Fahrzeuginnenraum montiert.