水素燃料電池技術における安全性と信頼性の確保

水素燃料電池技術向けフィッティングに求められる 4 つの特性

チャールズ・ヘイズ、リード ニュー プロダクト デベロップメント エンジニア、およびチャールズ・アームル、プロダクト マネージャー、スウェージロック

安全で信頼性が高く、リークタイトな水素燃料電池車両とインフラの開発において、最も手強い課題の一つは水素そのものの性質にあります。

水素は小さな分子を持つガスです。微細な隙間から容易に漏洩し、封じ込めるための材料に拡散します。輸送市場では、車両上で必要なエネルギー密度を得るため、700 bar を超える圧力で水素を貯蔵する必要があります。また、充填ステーションでは、水素が貯蔵タンクから出て減圧する際、急激な熱的・圧力変化がシステム完全性に影響を与えます。

これらの状況は、高圧水素燃料システムの重要な部分を接合するフィッティングにおいて、妥協のない性能がいかに重要かを浮き彫りにします。水素燃料電池技術向けフィッティングは、長期的な信頼性のためにいくつかの重要な特性を示す必要があります。従来のコーン&スレッドフィッティングがこれらの用途で使用されてきましたが、今日ではより高性能な選択肢が利用可能です。ここでは、水素技術で理想的な性能を発揮するいくつかの具体的なフィッティング設計特性を詳しく見ていきます：

シール緊密性

水素が微細な隙間をすり抜ける傾向を考慮すると、ガスシールの緊密性と漏洩耐性は、フィッティングにとって最も重要な性能基準の一つです。

多くの従来型チューブ接続は、狭い面上の単一の接触線でシールされます。このシールは多くの液体と一部のガスには十分かもしれませんが、水素の容赦ない性質は、運転中にこれを破綻させる可能性があります。振動も単一ラインシールにとっては挑戦的です。

水素封じ込めに適したより良い設計は、より長いシール面上で 2 つの接触線を設けることです — 1 つはチューブ側、もう 1 つはフィッティング側です。これらの接触面はわずかに角度を持たせ、最適化された応力レベルで妥協のないシールを維持するようにします。特定のタイプのツーフェルールチューブフィッティングが、この種のシール完全性を提供できます。

グリップ強度

フィッティングのチューブに対するグリップ強度は、水素充填に必要な高圧と、走行車両で発生し得る大幅な振動に耐えられることを保証するもう一つの重要な性能属性です。

ツーフェルールを用いたコレット型メカニカルグリップは、水素フィッティングが堅牢なグリップを生み出すための理想的な設計です。硬化フロントフェルールにより、フィッティングが物理的にチューブに食い込み、非常に高い定格圧力を実現します。一方、ユニークなバックフェルール設計は、グリップと力を維持しながらフィッティングにわずかな動き（「スプリングバック」と呼ばれる）を許容します。このタイプの設計は、堅牢な耐振動性を生み出し、車載運転と、コンプレッサと動的条件が大幅な振動を生み出す充填インフラでの使用の両方に最適です。

スプリングバックを許容するメカニカルなツーフェルール設計は、材料の伸縮を引き起こす劇的な熱変化にフィッティングが耐えることも助けます。充填時、水素ガス温度は -50°C から常温まで変化し得るため、従来のコーン&スレッドフィッティングの性能に問題を引き起こします。

シンプルな設置

適切なフィッティング設計は、信頼性の高い実用性能にとって不可欠です。また、水素燃料電池車両 OEM と水素インフラ開発者にとって、大幅な設置・組立効率化にもつながります。

一部のメカニカルグリップフィッティングは、プレアッセンブルされたカートリッジ設計になっています。これにより、設置者は一般的な工具を使用でき、最小限のトレーニングで迅速かつ間違いのない組立が可能です。従来水素充填システムで使用されてきたコーン&スレッドフィッティングと比較すると、スウェージロック® FK シリーズフィッティングのような革新的な設計は、設置と組立において大きなメリットを示します。

信頼性の高いコーン&スレッド接続には、専用機器、高度な設置者スキルが必要で、通常スウェージロック FK シリーズの 5 倍の時間を組立と試験に要します。車両製造はスピードが命であり、設置の容易さは水素インフラのスケールアップにおいて極めて重要になります。適切なフィッティング技術は、両方を加速させます。

材料完全性

チューブフィッティングが信頼性の高い性能を発揮するあらゆるアプリケーションで、腐食制御は重要です。腐食は、金属原子が流体によって酸化されることで発生し、金属表面の材料損失を招きます。この損失はコンポーネントの肉厚を減らし、機械的故障を起こしやすくします。水素輸送アプリケーションでは、車両と充填ポンプの両方が定期的に悪天候にさらされるため、構成材料がシステムの寿命を通じて問題となる腐食に耐えられることが特に重要です。

さらに、水素分子はステンレス鋼の表面に吸着し、個々の原子に分裂します。非常に小さな直径を持ち、はるかに大きな鉄、ニッケル、クロム、モリブデン原子によって形成されるオーステナイト結晶格子に拡散し得ます。316/316L ステンレス鋼への拡散は非常に遅く起こりますが、高圧下で長期間にわたると、相当量の水素原子が格子内に蓄積する可能性があります。この現象は水素脂化として知られています。高濃度で存在しても、水素原子は 316/316L の強度に悪影響を与える傾向はありません。しかし、コンポーネントに疲労亀裂が存在する場合、水素原子はこれらの亀裂がコンポーネントを貫通して伝播しやすくします。低性能合金は、長期的にこの問題の影響を受けやすい可能性があります。

流体システムコンポーネントにより高濃度のクロムとニッケルを含ませることで、一般的な腐食と水素脆化の双方に対し、クリティカルなコンポーネントの延性をより多く保持することで防御できます。米国材料試験協会（ASTM）は 316 ステンレス鋼に最低 10% のニッケルを要求しています。しかし、最低 12% ニッケルを含む高品質 316 ステンレス鋼が、水素の独自の課題により適していることが示されています。

水素システムのニーズを満たす

水素燃料システムに適用可能なコンプレッションチューブフィッティングやその他のスタイルは多様ですが、水素アプリケーションが要求する多くの独自の性能要求を満たすように設計されているものはごく少数です。

スウェージロックの FK シリーズフィッティングは例外です。特許取得済み設計、EC-79 & EIHP 認証、最大 1,050 bar の定格圧力を備え、FK シリーズは水素用途向けに特別に設計されました。最小 12% ニッケル含有量の 316 ステンレス鋼製で、導入以来、幅広い業界とアプリケーションで採用され、今日の — そして明日の — 車両とインフラにとって最適な選択肢であり続けています。

水素輸送の長期的な生存可能性は、安全で信頼性が高く、耐久性のある水素車両とインフラにかかっています。クリティカルなシステムに適切なコンポーネントを選定・仕様決定することで、これらの目標達成を支援できます。詳細を知りたいですか？今すぐスウェージロックにお問い合わせいただき、輸送ニーズへの支援方法についてご相談ください。