Технология водородных топливных элементов для обеспечения безопасности и надежности

Четыре качества, на которые следует обращать внимание в фитингах для технологии водородных топливных элементов

Чарльз Хейс, ведущий инженер по разработке новых продуктов, и Чарльз Эрмл, менеджер по продукции, Swagelok

Одной из самых серьезных проблем при разработке безопасных, надежных и герметичных транспортных средств и инфраструктуры на водородных топливных элементах является природа самого водорода.

Водород представляет собой газ с небольшой молекулой. Он может легко вырваться через мельчайшие щели и проникнуть в материалы, предназначенные для их удержания. На рынке транспорта водород также должен храниться при давлении выше 700 бар для достижения необходимой плотности энергии на транспортном средстве. А на заправочных станциях быстрые изменения температуры и давления также могут повлиять на целостность системы, поскольку водород покидает резервуары для хранения и разгерметизируется.

Эти обстоятельства подчеркивают важность бескомпромиссных характеристик фитингов, соединяющих важные детали водородных топливных систем высокого давления. Фитинги для технологии водородных топливных элементов должны демонстрировать несколько критических характеристик для долговременной надежности. В то время как в этих приложениях использовались традиционные конические и резьбовые фитинги, сегодня доступны варианты с более высокими характеристиками. В этом посте мы подробно рассмотрим несколько конкретных характеристик конструкции фитингов, которые обеспечивают идеальную работу в водородной технологии:

Герметичность

Учитывая тенденцию водорода проскальзывать через мельчайшие отверстия, герметичность газового уплотнения и устойчивость к утечкам являются одними из наиболее важных критериев эффективности фитинга.

Многие традиционные трубные соединения герметизированы вдоль одной линии контакта на узкой поверхности. Хотя этого уплотнения может быть достаточно для многих жидкостей и некоторых газов, неумолимый характер водорода может поставить его под угрозу во время работы. Вибрация также может быть проблемой для однолинейного уплотнения.

Лучшая конструкция для удержания водорода включает две линии контакта на более длинных уплотняющих поверхностях — одну вдоль трубы, а другую вдоль фитинга. Эти контактные поверхности должны быть слегка наклонены, чтобы обеспечить оптимальный уровень напряжения для обеспечения бескомпромиссного уплотнения. Некоторые стили трубных фитингов с двумя обжимными кольцами могут обеспечить такую ​​целостность уплотнения.

Сила захвата

Прочность крепления фитинга к трубе – еще один ключевой показатель производительности, благодаря которому фитинг может выдерживать высокое давление, необходимое для заправки водородом, а также значительную вибрацию, которая может возникнуть в движущемся транспортном средстве.

Цанговая механическая рукоятка с двумя наконечниками — идеальная конструкция для водородного фитинга, обеспечивающая надежный захват. Закаленная передняя втулка может позволить фитингу физически врезаться в трубку, создавая очень высокое номинальное давление. Между тем, уникальная конструкция заднего обжимного кольца позволяет слегка перемещать фитинг (так называемый «пружинящий возврат»), сохраняя при этом сцепление и усилие. Этот тип конструкции обеспечивает надежную виброустойчивость, идеально подходящую как для эксплуатации на автомобиле, так и для использования в заправочной инфраструктуре, где компрессоры и динамические условия могут создавать значительную вибрацию.

Механическая конструкция с двумя обжимными кольцами, обеспечивающая возврат пружины, также помогает фитингам выдерживать резкие температурные изменения, которые могут привести к увеличению или усадке материалов. Во время заправки температура газообразного водорода может варьироваться от -50ºC до температуры окружающей среды, что вызывает проблемы в работе обычных фитингов с конусом и резьбой.

Простая установка

Правильная конструкция фитинга имеет решающее значение для надежной эксплуатации. Это также может привести к значительной эффективности установки и сборки для OEM-производителей автомобилей на водородных топливных элементах и ​​разработчиков водородной инфраструктуры.

Некоторые доступные фитинги с механической рукояткой разработаны с предварительно собранными картриджами. Это позволяет установщикам использовать стандартные инструменты и требует минимального обучения для обеспечения быстрой и безошибочной сборки. По сравнению с традиционными коническими и резьбовыми фитингами, которые традиционно использовались в системах заправки водородом, инновационная конструкция, такая как Swagelok ^® Фитинги серии FK демонстрируют значительные преимущества при установке и сборке.

Для надежного конусного и резьбового соединения требуется специальное оборудование, высокий уровень навыков монтажника, а сборка и проверка обычно занимает в 5 раз больше времени, чем для серии Swagelok FK. Производство автомобилей зависит от скорости, и простота установки будет иметь решающее значение по мере расширения водородной инфраструктуры. Правильная технология подгонки может ускорить и то, и другое.

Целостность материалов

Борьба с коррозией важна в любом применении, где трубные фитинги должны обеспечивать надежную работу. Коррозия возникает, когда атом металла окисляется жидкостью, что приводит к потере материала на поверхности металла. Эта потеря уменьшает толщину стенки компонента и делает его более подверженным механическим повреждениям. При транспортировке водорода как транспортные средства, так и заправочные насосы регулярно подвергаются неблагоприятным погодным условиям, поэтому особенно важно, чтобы материалы конструкции могли противостоять проблемной коррозии на протяжении всего срока службы системы.

Кроме того, молекулы водорода могут поглощаться поверхностью нержавеющей стали, а отдельные атомы расщепляться. Они имеют очень маленький диаметр и могут диффундировать в аустенитную кристаллическую решетку, образованную гораздо более крупными атомами железа, никеля, хрома и молибдена. Диффузия в нержавеющую сталь 316/316L происходит очень медленно, но при высоких давлениях и в течение длительных периодов времени в решетке может накапливаться значительное количество атомов водорода. Это явление известно как водородная хрупкость. Даже когда они присутствуют в больших концентрациях, атомы водорода не имеют тенденции отрицательно влиять на прочность 316/316L. Однако если в компоненте присутствуют усталостные трещины, атомы водорода облегчат распространение этих трещин по компоненту. Сплавы с более низкими эксплуатационными характеристиками могут быть более подвержены этой проблеме в долгосрочной перспективе.

Более высокие концентрации хрома и никеля в компонентах жидкостной системы могут помочь защитить от обычной коррозии и водородного охрупчивания за счет сохранения большей пластичности критических компонентов. Американское общество испытаний и материалов (ASTM) требует минимум 10% никеля в нержавеющей стали 316. Однако было показано, что более качественная нержавеющая сталь 316 с минимальным содержанием никеля 12% лучше подходит для уникальных задач, связанных с водородом.

Удовлетворение потребностей водородных систем

Несмотря на то, что существует множество компрессионных трубных фитингов и других стилей, которые могут быть применимы к водородным топливным системам, очень немногие из них предназначены для удовлетворения многих уникальных требований к производительности, предъявляемых к водородным приложениям.

Исключение составляют фитинги Swagelok серии FK. Благодаря запатентованной конструкции, сертификатам EC-79 и EIHP и номинальному давлению до 1050 бар серия FK была разработана специально для использования в водородных системах. Изготовленные из нержавеющей стали 316 с минимальным содержанием никеля 12 %, они нашли применение в самых разных отраслях и сферах применения с момента своего появления и остаются оптимальным выбором для современных и будущих транспортных средств и инфраструктуры.

Долгосрочная жизнеспособность транспортировки водорода будет зависеть от безопасных, надежных и долговечных водородных транспортных средств и инфраструктуры. Выбор и определение правильных компонентов для критически важных систем может помочь в достижении этих целей. Хотите узнать больше? Свяжитесь с компанией Swagelok сегодня, чтобы обсудить, как мы можем помочь с вашими транспортными потребностями.