Optimización de la selección de componentes para vehículos de pila de combustible de hidrógeno

Optimización de la selección de componentes para vehículos de pila de combustible de hidrógeno

Chuck Hayes, ingeniero principal

En todo el mundo, se están realizando importantes inversiones en movilidad de hidrógeno y la infraestructura que la hace posible.

¿Por qué? A medida que los fabricantes de vehículos buscan impulsar una eficiencia cada vez mayor y reducir las emisiones, la tecnología de celdas de combustible de hidrógeno se ha vuelto cada vez más atractiva. Los vehículos con celdas de combustible de hidrógeno utilizan gas de hidrógeno y oxígeno para crear electricidad en una celda de combustible que alimenta un motor eléctrico, lo que brinda una operación con cero emisiones, una gran potencia y el par requerido para aplicaciones de servicio pesado.

Es una tecnología prometedora y un mercado que se está moviendo y evolucionando rápidamente. Los gobiernos y los líderes de la industria están abordando las barreras para la adopción e invirtiendo verdaderamente en el apoyo y desarrollo del transporte de hidrógeno. Desde el punto de vista de los componentes, hemos estado trabajando para brindar las soluciones adecuadas para que la tecnología de celdas de combustible de hidrógeno alcance todo su potencial, tanto dentro de los vehículos como parte de la infraestructura floreciente que se requerirá para su adopción a gran escala.

Hay varias consideraciones importantes que deben tenerse en cuenta al seleccionar y especificar los componentes de hidrógeno para un funcionamiento fiable de los vehículos y la infraestructura. Aquí hay algunas cosas a tener en cuenta:

La selección de materiales importa

El control de la corrosión es importante en cualquier aplicación en la que se trate de accesorios para tubos, pero la contención de hidrógeno plantea un desafío específico y único. La fragilización por hidrógeno puede afectar al acero inoxidable 316, un tipo de aleación ampliamente utilizado para accesorios, válvulas y tuberías, incluidos los que se utilizan comúnmente en la arquitectura de vehículos de hidrógeno.

El fenómeno ocurre, en parte, porque el hidrógeno se compone de moléculas muy pequeñas, tan pequeñas que el hidrógeno puede moverse hacia las paredes de la red de celosía cúbica del material, descomprimiendo sus enlaces moleculares y comprometiendo la integridad del material. En efecto, la fragilización por hidrógeno puede hacer que algunos grados de acero inoxidable actúen más como el hierro fundido:muy frágiles y susceptibles de agrietarse.

Como tal, los diseñadores de infraestructuras de hidrógeno deben prestar mucha atención a la composición del acero inoxidable. Una mayor concentración de cromo y níquel puede defenderse contra la fragilización por hidrógeno al promover una mayor ductilidad y resistencia a la corrosión. La Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM) requiere un mínimo de 10 % de níquel en formulaciones de acero inoxidable 316, pero el acero inoxidable 316 de mayor calidad con un mínimo de 12 % de níquel es más adecuado para los desafíos únicos del hidrógeno. Swagelok utiliza acero inoxidable que tiene un mínimo de 12 % de níquel.

Rendimiento bajo presión

La resistencia contra fugas es fundamental en cualquier sistema de fluidos. Pero dentro de los vehículos de hidrógeno y las aplicaciones de infraestructura, hay que tener en cuenta algunas consideraciones especiales al seleccionar y especificar los tipos de componentes al realizar las conexiones.

Primero, el almacenamiento de hidrógeno está altamente presurizado; cuanto mayor sea la presión, mayor será el alcance del vehículo. Los vehículos de hidrógeno actuales almacenan el gas a 350 bar o 700 bar (5000 psi o 10 200 psi), según las necesidades de la aplicación. Muchas flotas de corto alcance, por ejemplo, utilizan 350 bar (5000 psi), sabiendo que cada vehículo puede regresar a un centro de operaciones todas las noches para repostar. En aplicaciones de mayor alcance como camiones, 700 bar (10 000 psi) proporciona un alcance mucho mayor, donde los fabricantes apuntan a 400 millas (1000 km). Las presiones más altas requieren componentes de mayor rendimiento y las opciones tradicionales simplemente no son aplicables.

La resistencia a las vibraciones también es crítica. Si bien son importantes en las aplicaciones industriales, los accesorios y las conexiones en las aplicaciones de hidrógeno deben poder resistir de manera confiable las vibraciones repetidas y constantes asociadas con un vehículo en movimiento. Los accesorios de cono y rosca, por ejemplo, se fabrican manualmente. La calidad de la preparación de los tubos puede variar según el instalador, y el hidrógeno no perdona las imperfecciones. El gas de molécula diminuta puede escapar incluso a través de los espacios más minúsculos, e incluso las fugas más pequeñas pueden convertirse en un problema importante. Solo la tecnología avanzada y de ajuste uniforme, como la serie FK de Swagelok, puede proporcionar el rendimiento adecuado.

Componentes específicos de la aplicación

En todo el espacio de transporte de hidrógeno, diferentes vehículos tienen diferentes requisitos de diseño y componentes. Considere las flotas de autobuses municipales, un área de oportunidad principal para la energía de celdas de combustible de hidrógeno. Debido a que tienen tanques de almacenamiento en el techo, la arquitectura de los autobuses requiere cierta flexibilidad inherente frente a los vehículos de larga distancia; como tal, las mangueras confiables que pueden manejar 350 bar (5,000 psi) brindan cierta flexibilidad en lugar de la rigidez de la tubería de acero.

Aquí, es importante que la selección de la manguera cumpla con los criterios correctos. Por las mismas razones por las que se deben considerar formulaciones de acero inoxidable 316 de alto rendimiento para tubos y accesorios en aplicaciones de hidrógeno en todos los ámbitos, las mangueras con núcleo de polímero con metal sobre trenzado no funcionarán en autobuses de hidrógeno. Los diseñadores deben ver la selección de mangueras con las mismas consideraciones, eligiendo las fabricadas con materiales de alta calidad para manejar una aplicación específica.

Apoyo robusto

Al tratar de alcanzar el potencial que representa el transporte de hidrógeno, los diseñadores y fabricantes deberían buscar trabajar con proveedores de componentes con una experiencia considerable y amplia en el espacio del hidrógeno.

Nuestros equipos han estado trabajando con sistemas gaseosos, incluido el hidrógeno, a lo largo de la historia de nuestra organización. Nuestra experiencia en el rendimiento de los componentes y la excelencia en la ciencia de los materiales, combinada con un sólido servicio y soporte de alcance mundial, puede ayudar a los fabricantes en el espacio del transporte de hidrógeno a aprovechar oportunidades nuevas y crecientes en todas partes.

¿Interesado en aprender más? Póngase en contacto con Swagelok hoy mismo para saber cómo podemos ayudarle a construir infraestructuras y vehículos de transporte de hidrógeno fiables.