安全性と信頼性のための水素燃料電池技術

水素燃料電池技術のフィッティングで求められる 4 つの品質

主任新製品開発エンジニア、Charles Hayes および Swagelok プロダクト マネージャー、Charles Erml

安全で信頼性が高く、漏れのない水素燃料電池車とインフラストラクチャの開発における最も手ごわい課題の 1 つは、水素自体の性質です。

水素は低分子ガスです。ごくわずかな隙間から簡単に漏れ出し、それらを封じ込めるように設計された材料に拡散します。輸送市場では、車両で必要なエネルギー密度を達成するために、700 バールを超える圧力で水素を貯蔵する必要もあります。また、燃料補給ステーションでは、水素が貯蔵タンクから出て減圧されるため、急激な熱と圧力の変化もシステムの完全性に影響を与える可能性があります。

これらの状況は、高圧水素燃料システムの重要な部分を結合するフィッティングにおける妥協のない性能の重要性を浮き彫りにしています。水素燃料電池技術のフィッティングは、長期にわたる信頼性のためにいくつかの重要な特性を示さなければなりません。これらのアプリケーションでは従来のコーン アンド スレッド フィッティングが使用されてきましたが、現在はより高性能なオプションを利用できます。この投稿では、水素技術で理想的な性能を実現するいくつかの具体的なフィッティング設計の特徴を詳しく見ていきます:

気密性

水素は非常に小さな開口部をすり抜ける傾向があるため、ガス シールの気密性と漏れ抵抗は、フィッティングの最も重要な性能基準の一部です。

多くの従来のチューブ接続は、狭い表面上の単一の接触線に沿ってシールされています。このシールは、多くの液体や一部の気体には十分な場合がありますが、水素の容赦ない性質により、一度作動すると危険にさらされる可能性があります。単線シールの場合、振動も問題になる可能性があります。

水素封じ込めのより良い設計には、より長いシール面 (チューブに沿ったものとフィッティングに沿ったもの) にわたる 2 つの接触線が含まれます。これらの接触面は、妥協のないシールを維持するために最適化された応力レベルを提供するために、わずかに角度を付ける必要があります。特定のスタイルの 2 フェルール チューブ継手は、この種のシールの完全性を実現できます。

握力

チューブに対するフィッティングのグリップ力は、フィッティングが水素燃料補給に必要な高圧や移動中の車両で発生する可能性のある重大な振動に耐えることを保証するもう 1 つの重要な性能属性です。

2 つのフェルールを使用したコレット メカニカル グリップは、堅牢なグリップを作成するための水素フィッティングの理想的な設計です。硬化したフロントフェルールにより、フィッティングがチューブに物理的に食い込むことができ、非常に高い圧力定格が作成されます。一方、独自のバックフェルール設計により、グリップと力を維持しながら、フィッティングのわずかな動き (「スプリングバック」と呼ばれる) が可能になります。このタイプの設計は堅牢な耐振動性を実現し、車両での操作と、コンプレッサーや動的条件によって大きな振動が発生する可能性がある燃料補給インフラストラクチャでの使用の両方に最適です。

スプリング バックを可能にする機械的な 2 つのフェルール設計により、フィッティングは、材料の膨張または収縮を引き起こす劇的な熱変化に耐えることができます。燃料補給中、水素ガスの温度は、-50ºC という低い温度から周囲温度まで変化する可能性があり、従来のコーンとスレッドのフィッティング性能に問題を引き起こします。

簡単なインストール

適切なフィッティング設計は、信頼できる使用中のパフォーマンスにとって重要です。また、水素燃料電池自動車の OEM や水素インフラの開発者にとって、設置と組み立ての効率が大幅に向上する可能性があります。

一部の利用可能なメカニカル グリップ フィッティングは、事前に組み立てられたカートリッジで設計されています。これにより、設置者は一般的なツールを使用できるようになり、迅速でエラーのない組み立てを実現するための最小限のトレーニングで済みます。 Swagelok ^® のような革新的な設計は、水素燃料補給システムで伝統的に使用されてきた従来のコーン アンド スレッド フィッティングと比較して、 FK シリーズのフィッティングは、設置と組み立てに大きなメリットをもたらします。

信頼性の高いコーンとスレッドの接続には、専用の機器と高度な施工技術が必要であり、通常、組み立てとテストには Swagelok FK シリーズの 5 倍の時間がかかります。車両製造はスピードがすべてであり、水素インフラストラクチャがスケールアップするにつれて、設置の容易さが重要になります。適切なフィッティング技術は、両方を加速できます。

素材の完全性

チューブ継手が信頼できる性能を発揮することが期待される用途では、腐食制御が重要です。腐食は、金属原子が流体によって酸化されると発生し、金属表面の材料が失われます。この損失により、コンポーネントの壁の厚さが減少し、機械的な故障が発生しやすくなります。水素輸送アプリケーションでは、車両と燃料補給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のある腐食に耐えられることが特に重要になります。

さらに、水素分子はステンレス鋼の表面に吸収され、個々の原子がバラバラになります。それらは非常に小さい直径を持ち、はるかに大きな鉄、ニッケル、クロム、およびモリブデン原子によって形成されたオーステナイト結晶格子に拡散することができます. 316/316L ステンレス鋼への拡散は非常にゆっくりと発生しますが、高圧下で長期間にわたって、かなりの量の水素原子が格子内に蓄積する可能性があります。この現象は水素脆化として知られています。高濃度で存在する場合でも、水素原子が 316/316L の強度に悪影響を与える傾向はありません。ただし、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介して伝播するのを容易にします。性能の低い合金は、長期的にはこの問題の影響を受けやすくなる可能性があります。

流体システム コンポーネント内のクロムとニッケルの濃度を高くすると、重要なコンポーネントの延性が高くなり、一般的な腐食や水素脆化を防ぐことができます。米国材料試験協会 (ASTM) では、316 ステンレス鋼に最低 10% のニッケルが必要です。ただし、12% の最小ニッケルを含む高品質の 316 ステンレス鋼は、水素特有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できるさまざまな圧縮管継手やその他のスタイルがありますが、水素アプリケーションが必要と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ほとんどありません。

Swagelok の FK シリーズ継手は例外です。特許取得済みの設計、EC-79 および EIHP 認定、および最大 1050 bar の圧力定格を備えた FK シリーズは、水素アプリケーションでの使用に特化して設計されています。最小ニッケル含有量が 12% の 316 ステンレス鋼で作られており、導入以来、さまざまな業界や用途で使用されており、現在および将来の車両やインフラストラクチャに最適な選択肢であり続けています。

水素輸送の長期的な実行可能性は、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。重要なシステムに適切なコンポーネントを選択して指定することは、これらの目標を達成するのに役立ちます。もっと学びたいですか？今すぐスウェージロックに連絡して、お客様の輸送ニーズにどのように役立つかをご相談ください。