Waterstofbrandstofceltechnologie voor veiligheid en betrouwbaarheid

Vier eigenschappen waarnaar u moet zoeken in fittingen voor waterstof-brandstofceltechnologie

Charles Hayes, hoofd ingenieur nieuwe productontwikkeling, en Charles Erml, productmanager, Swagelok

Een van de grootste uitdagingen bij de ontwikkeling van veilige, betrouwbare en lekdichte voertuigen en infrastructuur met waterstofbrandstofcellen is de aard van waterstof zelf.

Waterstof is een gas met kleine moleculen. Het kan gemakkelijk ontsnappen door de kleinste spleten en diffunderen in de materialen die zijn ontworpen om ze te bevatten. Op de transportmarkt moet waterstof ook worden opgeslagen bij een druk van meer dan 700 bar om de noodzakelijke energiedichtheid op een voertuig te bereiken. En bij tankstations kunnen snelle veranderingen in temperatuur en druk ook de systeemintegriteit beïnvloeden, aangezien waterstof opslagtanks verlaat en decomprimeert.

Deze omstandigheden benadrukken het belang van compromisloze prestaties in fittingen die kritieke onderdelen van hogedruk waterstofbrandstofsystemen verbinden. Fittingen voor waterstof-brandstofceltechnologie moeten enkele kritische kenmerken vertonen voor langdurige betrouwbaarheid. Terwijl traditionele conus- en schroefdraadfittingen in deze toepassingen zijn gebruikt, zijn er tegenwoordig beter presterende opties beschikbaar. In dit bericht zullen we een paar specifieke kenmerken van het passende ontwerp onder de loep nemen die zorgen voor ideale prestaties in waterstoftechnologie:

Zegeldichtheid

Gezien de neiging van waterstof om door de kleinste openingen te glippen, zijn de dichtheid van de gasafdichting en de lekbestendigheid enkele van de belangrijkste prestatiecriteria voor een fitting.

Veel traditionele buisverbindingen zijn afgedicht langs een enkele contactlijn op een smal oppervlak. Hoewel deze afdichting voldoende kan zijn voor veel vloeistoffen en sommige gassen, kan het meedogenloze karakter van waterstof het eenmaal in bedrijf in gevaar brengen. Trillingen kunnen ook een uitdaging zijn voor een enkellijnige afdichting.

Een beter ontwerp voor het insluiten van waterstof omvat twee contactlijnen over langere afdichtingsoppervlakken:een langs de buis en een andere langs de fitting. Deze contactoppervlakken moeten een lichte hoek hebben, waardoor het optimale spanningsniveau wordt geboden om een ​​compromisloze afdichting te behouden. Bepaalde stijlen van twee-ferrule buisfittingen kunnen dit soort afdichtingsintegriteit leveren.

Greepsterkte

De grijpkracht van de fitting op de buis is een ander belangrijk prestatiekenmerk dat ervoor zorgt dat de fitting bestand is tegen de hoge drukken die nodig zijn voor het tanken van waterstof, evenals de aanzienlijke trillingen die kunnen optreden in een bewegend voertuig.

Een mechanische greep op spantang met twee ferrules is een ideaal ontwerp voor een waterstoffitting om een ​​robuuste greep te creëren. Een geharde voorste ferrule kan ervoor zorgen dat de fitting fysiek in de slang kan bijten, waardoor een zeer hoge drukwaarde ontstaat. Ondertussen zorgt een uniek ontwerp van de achterste ferrule voor een kleine hoeveelheid beweging in de fitting ("terugvering" genoemd) met behoud van grip en kracht. Dit type ontwerp zorgt voor een robuuste trillingsbestendigheid, ideaal voor zowel gebruik in het voertuig als voor gebruik op tankinfrastructuur, waar compressoren en dynamische omstandigheden aanzienlijke trillingen kunnen veroorzaken.

Een mechanisch ontwerp met twee ferrule dat terugvering mogelijk maakt, helpt fittingen ook om dramatische thermische veranderingen te weerstaan ​​die ervoor kunnen zorgen dat materialen groeien of krimpen. Tijdens het tanken kunnen waterstofgastemperaturen variëren van zo laag als -50ºC tot omgevingstemperaturen, wat problemen kan veroorzaken bij de conventionele conus- en schroefdraadfitting.

Eenvoudige installatie

Een goed passend ontwerp is van cruciaal belang voor betrouwbare prestaties tijdens gebruik. Het kan ook leiden tot aanzienlijke installatie- en assemblage-efficiënties voor OEM's van waterstofbrandstofcelvoertuigen en ontwikkelaars van waterstofinfrastructuur.

Sommige beschikbare mechanische greepfittingen zijn ontworpen met voorgemonteerde cartridges. Hierdoor kunnen installateurs gewone gereedschappen gebruiken en is er minimale training nodig om een ​​snelle, foutloze montage te realiseren. In vergelijking met traditionele conus- en schroefdraadfittingen, die traditioneel werden gebruikt in waterstoftanksystemen, is een innovatief ontwerp zoals de Swagelok ^® Fittingen uit de FK-serie laten aanzienlijke installatie- en montagevoordelen zien.

Een betrouwbare conus- en schroefdraadverbinding vereist gespecialiseerde apparatuur, een hoog niveau van installateursvaardigheid en duurt doorgaans 5x langer om te monteren en te testen dan de Swagelok FK-serie. Bij de fabricage van voertuigen draait alles om snelheid, en installatiegemak zal van cruciaal belang zijn naarmate de waterstofinfrastructuur groter wordt. De juiste aanpastechnologie kan beide versnellen.

Materiële integriteit

Corrosiebestrijding is belangrijk in elke toepassing waar van buisfittingen wordt verwacht dat ze betrouwbare prestaties leveren. Corrosie treedt op wanneer een metaalatoom wordt geoxideerd door een vloeistof, wat leidt tot verlies van materiaal in het metaaloppervlak. Dit verlies vermindert de wanddikte van een onderdeel en maakt het vatbaarder voor mechanische storingen. Bij waterstoftransporttoepassingen worden zowel voertuigen als tankpompen regelmatig blootgesteld aan ongunstige weersomstandigheden, waardoor het vooral belangrijk is dat constructiematerialen bestand zijn tegen problematische corrosie gedurende de hele levensduur van een systeem.

Bovendien kunnen waterstofmoleculen worden geabsorbeerd op het oppervlak van roestvrij staal, en de afzonderlijke atomen splitsen zich. Ze hebben een zeer kleine diameter en kunnen diffunderen in het austenitische kristalrooster dat wordt gevormd door de veel grotere ijzer-, nikkel-, chroom- en molybdeenatomen. Diffusie in roestvrij staal 316/316L gebeurt zeer langzaam, maar bij hoge drukken en gedurende lange tijd kunnen aanzienlijke hoeveelheden waterstofatomen zich ophopen in het rooster. Dit fenomeen staat bekend als waterstofbrosheid. Zelfs wanneer ze in hoge concentraties aanwezig zijn, hebben waterstofatomen niet de neiging om de sterkte van 316/316L negatief te beïnvloeden. Mochten er echter vermoeiingsscheuren in een component aanwezig zijn, dan zouden waterstofatomen het voor deze scheuren gemakkelijker maken om zich door een component voort te planten. Lager presterende legeringen kunnen op de lange termijn vatbaarder zijn voor dit probleem.

Hogere concentraties chroom en nikkel in componenten van vloeistofsystemen kunnen helpen beschermen tegen veelvoorkomende corrosie en waterstofbrosheid door een grotere ductiliteit in kritieke componenten te behouden. De American Society for Testing and Materials (ASTM) vereist minimaal 10% nikkel in 316 roestvrij staal. Het is echter aangetoond dat 316 roestvrij staal van hogere kwaliteit met minimaal 12% nikkel beter geschikt is voor de unieke uitdagingen van waterstof.

Voldoen aan de behoeften van waterstofsystemen

Hoewel er verschillende compressiebuisfittingen en andere stijlen zijn die van toepassing kunnen zijn op waterstofbrandstofsystemen, zijn er maar weinig ontworpen om te voldoen aan de vele unieke prestatie-eisen die waterstoftoepassingen vereisen.

De fittingen uit de FK-serie van Swagelok zijn de uitzondering. Met een gepatenteerd ontwerp, EC-79 &EIHP-certificeringen en drukclassificaties tot 1050 bar, is de FK-serie speciaal ontworpen voor gebruik in waterstoftoepassingen. Ze zijn gemaakt van roestvrij staal 316 met een nikkelgehalte van minimaal 12%, ze zijn sinds hun introductie in een groot aantal verschillende industrieën en toepassingen gebruikt en blijven een optimale keuze voor de voertuigen en infrastructuur van vandaag en morgen.

De levensvatbaarheid van waterstoftransport op lange termijn zal afhangen van veilige, betrouwbare en duurzame waterstofvoertuigen en infrastructuur. Het selecteren en specificeren van de juiste componenten voor kritieke systemen kan helpen om deze doelen te bereiken. Geïnteresseerd om meer te leren? Neem vandaag nog contact op met Swagelok om te bespreken hoe we u kunnen helpen met uw transportbehoeften.