Veiligheid en betrouwbaarheid garanderen in waterstofbrandstofcellen technologie

Vier kwaliteiten om te zoeken in koppelingen voor waterstofbrandstofceltechnologie

Charles Hayes, Lead New Product Development Engineer, en Charles Erml, Product Manager, Swagelok

Een van de meest verontrustende uitdagingen in de ontwikkeling van veilige, betrouwbare en lekvrije waterstofbrandstofcelvoertuigen en infrastructuur is de aard van waterstof zelf.

Waterstof is een klein-moleculair gas. Het kan gemakkelijk ontwijken door de kleinste spleet en diffunderen in de materialen die het bevatten. In de transportmarkt moet waterstof ook opgeslagen worden bij drukken boven 700 bar om de benodigde energiedichtheid op een voertuig te bereiken. En bij tankstations kunnen snelle thermische en drukveranderingen de systeemintegriteit beïnvloeden als waterstof opslagtanks verlaat en decomprimeert.

Deze omstandigheden benadrukken het belang van ongekende prestaties in koppelingen die cruciale delen van hoogdruk waterstofbrandstofsystemen verbinden. Koppelingen voor waterstofbrandstofceltechnologie moeten een paar kritieke kenmerken demonstreren voor langdurige betrouwbaarheid. Terwijl traditionele kegel-en-draadkoppelingen in deze toepassingen zijn gebruikt, zijn er vandaag de dag hoger presterende opties beschikbaar. In dit artikel bekijken we een paar specifieke koppelingsontwerpkenmerken die ideale prestaties in waterstoftechnologie mogelijk maken:

Afichtingstevigheid

Gegeven waterstof's neiging om door de kleinste openingen te glijden, zijn gasafdichtingstevigheid en lekwijderstand een van de belangrijkste prestatiecriteria voor een koppeling.

Veel traditionele buisverbindingen worden afgedicht langs een enkele contactlijn op een smal oppervlak. Hoewel deze afdichting voldoende kan zijn voor veel vloeistoffen en sommige gassen, kan waterstof's onvergevingsaardige aard het in werking compromitteren. Trilling kan ook uitdagend zijn voor een enkele-contactlijn-afdichting.

Een beter ontwerp voor waterstofinheeming omvat twee contactlijnen over langere afdichtingsoppervlakken – één langs de buis, en een andere langs de koppeling. Deze contactoppervlakken moeten licht onder hoek staan, wat het geoptimaliseerde spanningsniveau biedt om een ongekende afdichting te handhaven. Bepaalde stijlen van twee-ferrule buiskoppelingen kunnen dit soort afdichtingsintegriteit leveren.

Grepkracht

De koppeling's grepkracht op de buis is een ander sleutelprestatiekenmerk dat ervoor zorgt dat de koppeling de hoge drukken vereist voor waterstoftanken alsook de significante trilling die in een rijdend voertuig kan optreden, kan weerstaan.

Een colleted mechanische greep met twee ferrules is een ideaal ontwerp voor een waterstofkoppeling om een robuuste greep te creëren. Een geharde voorferrule kan de koppeling in staat stellen fysiek in de buis te bijten, wat een zeer hoge druknominale creëert. Tegenovergesteld, een uniek achterferrule-ontwerp stelt een lichte hoeveelheid beweging in de koppeling toe (genaamd "spring back") terwijl greep en kracht behouden blijven. Dit type ontwerp creëert robuuste trillingsweerstand, ideaal voor zowel boordoperaties als gebruik op tankinfrastructuur, waar compressoren en dynamische omstandigheden significante trilling kunnen creëren.

Een mechanisch, twee-ferrule ontwerp dat spring back toestaat, helpt koppelingen ook dramatische thermische veranderingen te weerstaan die materialen kunnen laten groeien of krimpen. Tijdens tanken kunnen waterstofgastemperaturen variëren van zo laag als -50°C tot omgevingstemperatuur, wat issues veroorzaakt in conventionele kegel-en-draadkoppelingprestaties.

Eenvoudige installatie

Correct koppelingsontwerp is cruciaal voor betrouwbare in-gebruik prestaties. Het kan ook leiden tot significante installatie- en montage-efficiënties voor waterstofbrandstofcelvoertuig OEM's en waterstofinfrastructuurontwikkelaars.

Sommige beschikbare mechanische greepkoppelingen zijn ontworpen met voorgeassembleerde cartridges. Dit stelt monteurs in staat om gemeenschappelijke gereedschappen te gebruiken en vereist minimaal training om snelle, foutloze montage te bereiken. Vergeleken met traditionele kegel-en-draadkoppelingen, die traditioneel in waterstoftanksystemen zijn gebruikt, tonen innovatieve ontwerpen als de Swagelok® FK-serie koppelingen significante installatie- en montagevoordelen.

Een betrouwbare kegel-en-draadverbinding vereist gespecialiseerde apparatuur, hoge niveaus van monteurvaardigheid, en duurt typisch 5x langer om te monteren en te testen dan de Swagelok FK-serie. Voertuigfabricatie gaat om snelheid, en gemak van installatie zal cruciaal zijn naarmate waterstofinfrastructuur opschaalt. De juiste koppelingstechnologie kan beide versnellen.

Materiële integriteit

Corrosiebeheer is belangrijk in elke toepassing waar buiskoppelingen betrouwbare prestaties verwacht worden. Corrosie treedt op wanneer een metaalatoom geoxideerd wordt door een vloeistof, wat leidt tot materiaalverlies in het metaaloppervlak. Deze verlies vermindert de wanddikte van een component en maakt het vatbaarder voor mechanische falen. In waterstoftransporttoepassingen zijn zowel voertuigen als tankpompen regelmatig blootgesteld aan ongunstige weersomstandigheden, wat het bijzonder belangrijk maakt dat constructiematerialen probleemcorrosie gedurende een systeemlevensduur kunnen weerstaan.

Bovendien kunnen waterstofmoleculen geabsorbeerd worden op het oppervlak van roestvrij staal, en de individuele atomen splitsen zich. Ze hebben een zeer kleine diameter en kunnen diffunderen in het austenitische kristalrooster gevormd door de veel grotere ijzer, nikkel, chroom en molybdeen atomen. Diffusie in 316/316L roestvrij staal gebeurt zeer langzaam, maar bij hoge drukken en over lange perioden kunnen significante hoeveelheden waterstofatomen in het rooster accumuleren. Dit fenomeen staat bekend als waterstofverspronding. Zelfs wanneer aanwezig in grote concentraties, neigen waterstofatomen er niet toe de sterkte van 316/316L negatief te beïnvloeden. Echter, zouden vermoeidheidskraken aanwezig zijn in een component, zouden waterstofatomen het gemakkelijker maken voor deze kraken om door een component te propageren. Lager presterende legeringen kunnen gevoeliger zijn voor dit issue op de lange termijn.

Hogere concentraties chroom en nikkel in fluïdensysteemcomponenten kunnen helpen beschermen tegen veelvoorkomende corrosie en waterstofverspronding door grotere duktiliteit in cruciale componenten te behouden. De American Society for Testing and Materials (ASTM) vereist een minimum van 10% nikkel in 316 roestvrij staal. Echter, is aangetoond dat hogerwaardig 316 roestvrij staal met 12% minimum nikkel beter geschikt is voor de unieke uitdagingen van waterstof.

Voldoen aan de behoeften van waterstofsystemen

Hoewel er een verscheidenheid aan compressiebuiskoppelingen en andere stijlen zijn die toepasbaar kunnen zijn op waterstofbrandstofsystemen, zijn er zeer weinig ontworpen om de veel unieke prestatie-eisen te voldoen die waterstoftoepassingen vereisen.

Swagelok's FK-serie koppelingen zijn de uitzondering. Met een gepatenteerd ontwerp, EC-79 & EIHP certificeringen, en druknominalen tot 1050 bar, is de FK-serie specifiek geengineerd voor gebruik in waterstoftoepassingen. Gemaakt van 316 roestvrij staal met 12% minimum nikkelinoud, hebben ze toepassing gevonden in een grote verscheidenheid aan industrieën en toepassingen sinds hun introductie, en blijven een optimale keuze voor vandaag – en morgen – voertuigen en infrastructuur.

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