Konzeption, Entwicklung und Demonstration einer additiv gefertigten Ventilschaltung für eine Metallhydridkältemaschine

Abstract

Das Konzept der offenen Klimaanlage ermöglicht die Effizienzsteigerung eines Brennstoffzellenfahrzeugs, indem die gespeicherte potenzielle Energie des Wasserstoffs im Drucktank genutzt wird. Dafür wird dieser Wasserstoff in einem Metallhydridspeicher absorbiert und die bei der anschließenden Desorption erzeugte Kälte wird für die Klimatisierung des Fahrgastraumes genutzt. Zur konstanten Kälteerzeugung wird das System mit zwei alternierenden Metallhydridspeichern betrieben und mit zwei Wärmetauschern verbunden. Im Zuge dieser Arbeit wird angestrebt die bestehende Ventilschaltung durch einen hochintegrierte additiv gefertigten Ventilblock zu ersetzen. Methodisch wird hierfür ein iterativer konvergierender Entwicklungsprozess genutzt. Es werden zunächst verschieden Verfahren und Materialen zur generativen Fertigung einander gegenübergestellt und die konstruktiven Anforderungen eines Wegeventils für ein Reaktorkonzept im Brennstoffzellenfahrzeug diskutiert. Die Materialauswahl wurde anhand von Vorversuchen weiter konkretisiert und Synergien zwischen Kunststoffen beobachtet und genutzt. Diese bestanden aus Quellversuchen und Druckparameteranpassungen. Auf Basis von vier Entwicklungsiterationen werden Prüfkörper gefertigt. Der Schaltprozess des NEMA 17 wird von einer ESP32 basierten Elektronik gesteuert die simultan zum Entwicklungsprozess aufgebaut wird. Aus Basis dessen wird ein funktionstüchtiger Prüfkörper gefertigt, mit dem das Schalt- und Dichtkonzept geprüft wird. Der finale Ventilblock, bestehend aus zwei 4/2 Wegeventilanordnungen, wird aus HTPLA im FDM-Verfahren gefertigt. In einem angepassten Prüfstand wurden die Ventile abschließend evaluiert. Hierfür wurden Schaltversuche und Extremwert- Versuche durchgeführt mit Temperaturgrenzen von 0 bis 80 °C. Mit dem validierten Ventilblock wurde erstmalig ein funktionelles, additiv gefertigtes Wegeventil getestet und das Schaltkonzept für eine Metallhydridkältemaschine um über 90 % verkleinert. Das Ventil trennt Volumenströme mit einem durchschnittlichen Temperaturdelta von 0,13 K. Der vollständige Schaltvorgang benötigt weniger als eine Sekunde und bedarf dabei weniger als 5 W. Die finalen Ventile sind bistabil und benötigen keine Energie zum Halten der Position. Damit bildet die gefertigte Ventilanordnung einen weiteren wichtigen Schritt für die Integration einer Metallhydridkältemaschine in die mobile Anwendung im wasserstoffbetriebenen Straßen- oder Schienenverkehr. Neben den Ergebnissen der Vorversuche und einem funktionstüchtigen Ventilblock bietet diese Arbeit ferner Anregung für weiterführende Versuche im Bereich der additiven Fertigung und Konzepte zur Ergänzung des Ventilblocks durch Wasserstoffventile.