Оптимизация выбора компонентов для транспортных средств, работающих на водородных топливных элементах

Оптимизация выбора компонентов для автомобилей на водородных топливных элементах

Чак Хейс, главный инженер

Во всем мире вкладывают значительные средства в водородную мобильность и инфраструктуру, которая делает это возможным.

Почему? По мере того, как производители транспортных средств стремятся повысить эффективность и сократить выбросы, технология водородных топливных элементов становится все более привлекательной. Транспортные средства на водородных топливных элементах используют газообразный водород и кислород для выработки электроэнергии в топливном элементе, который приводит в действие электродвигатель, обеспечивая работу с нулевым уровнем выбросов, большую мощность и крутящий момент, необходимые для тяжелых условий эксплуатации.

Это многообещающая технология и рынок, который быстро движется и быстро развивается. Правительства и лидеры отрасли устраняют барьеры на пути внедрения и действительно инвестируют в поддержку и развитие транспортировки водорода. С точки зрения компонентов, мы работаем над тем, чтобы предоставить правильные решения для технологии водородных топливных элементов, чтобы полностью раскрыть ее потенциал, как в самих транспортных средствах, так и в рамках растущей инфраструктуры, которая потребуется для крупномасштабного внедрения.

Есть несколько важных соображений, которые необходимо учитывать при выборе и спецификации водородных компонентов для надежной работы транспортных средств и инфраструктуры. Вот несколько вещей, о которых следует помнить:

Выбор материалов имеет значение

Борьба с коррозией важна в любом применении, где речь идет о трубных фитингах, но удержание водорода представляет собой особую, уникальную проблему. Водородное охрупчивание может повлиять на нержавеющую сталь 316, широко распространенный тип сплава, используемый для фитингов, клапанов и труб, в том числе тех, которые обычно используются в водородной архитектуре транспортных средств.

Это явление происходит отчасти потому, что водород состоит из очень маленьких молекул — настолько маленьких, что водород может проникать в сетчатые стенки материала кубической решетки, распаковывая его молекулярные связи и нарушая целостность материала. По сути, водородное охрупчивание может привести к тому, что некоторые марки нержавеющей стали будут вести себя как чугун:очень хрупкие и подверженные растрескиванию.

Таким образом, проектировщики водородной инфраструктуры должны уделять особое внимание составу нержавеющей стали. Более высокая концентрация хрома и никеля может защитить от водородного охрупчивания, повышая пластичность и коррозионную стойкость. Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM) требует не менее 10% никеля в рецептурах нержавеющей стали 316, но более качественная нержавеющая сталь 316 с минимальным содержанием никеля 12% лучше подходит для уникальных задач, связанных с водородом. Swagelok использует нержавеющую сталь с содержанием никеля не менее 12 %.

Производительность под давлением

Сопротивление утечкам имеет решающее значение в любой жидкостной системе. Но в водородных транспортных средствах и инфраструктурных приложениях необходимо учитывать некоторые особенности при выборе и определении типов компонентов при выполнении соединений.

Во-первых, хранилище водорода находится под высоким давлением; чем выше давление, тем дальше дальность действия автомобиля. Современные водородные автомобили хранят газ под давлением 350 бар или 700 бар (5000 или 10 200 фунтов на квадратный дюйм), в зависимости от потребностей применения. Многие автопарки ближнего действия, например, используют давление 350 бар (5000 фунтов на кв. дюйм), зная, что каждое транспортное средство может каждую ночь возвращаться в центральный узел для дозаправки. В приложениях с большим радиусом действия, таких как грузовые перевозки, 700 бар (10 000 фунтов на квадратный дюйм) обеспечивают гораздо больший диапазон, где производители стремятся к 400 милям (1000 км). Для более высоких давлений требуются компоненты с более высокими характеристиками, а традиционные варианты просто неприменимы.

Виброустойчивость также имеет решающее значение. Фитинги и соединения, важные для промышленных применений, должны надежно выдерживать повторяющиеся и постоянные вибрации, связанные с движущимся транспортным средством. Конусные и резьбовые фитинги, например, изготавливаются вручную. Качество подготовки труб может варьироваться в зависимости от установщика, а водород не прощает недостатков. Газ с крошечными молекулами может выйти даже через самые крошечные пространства, и даже самые маленькие утечки могут стать серьезной проблемой. Только передовые технологии стабильной посадки, такие как серия FK компании Swagelok, могут обеспечить надлежащую производительность.

Компоненты приложения

Во всем пространстве транспортировки водорода разные транспортные средства имеют разные требования к конструкции и компонентам. Возьмем, к примеру, муниципальные автобусные парки — главную область возможностей для использования энергии водородных топливных элементов. Поскольку у них есть резервуары для хранения на крыше, автобусная архитектура требует определенной гибкости по сравнению с транспортными средствами дальнего следования; как таковые, надежные шланги, способные выдерживать давление 350 бар (5000 фунтов на кв. дюйм), обеспечивают некоторую гибкость вместо жесткости стальных труб.

Здесь важно, чтобы выбор шланга соответствовал правильным критериям. По тем же причинам, по которым следует рассматривать высокоэффективные составы из нержавеющей стали 316 для труб и фитингов в водородных приложениях по всем направлениям, шланги с полимерным сердечником с металлической оплеткой не будут резать его в водородных автобусах. Дизайнеры должны подходить к выбору шлангов с одинаковыми соображениями, выбирая шланги, изготовленные из высококачественных материалов для конкретного применения.

Надежная поддержка

Стремясь реализовать потенциал, который представляет собой транспортировка водорода, проектировщики и производители должны стремиться к сотрудничеству с поставщиками компонентов, обладающими значительным и разносторонним опытом в водородной сфере.

Наши команды работали с газовыми системами, включая водород, на протяжении всей истории нашей организации. Наш опыт в области производительности компонентов и передового опыта в области материаловедения в сочетании с надежным, глобальным обслуживанием и поддержкой может помочь производителям в сфере транспортировки водорода повсеместно использовать новые и растущие возможности.

Хотите узнать больше? Свяжитесь с компанией Swagelok сегодня, чтобы узнать, как мы можем помочь в создании надежных транспортных средств и инфраструктуры для транспортировки водорода.