Garantizar Seguridad y Fiabilidad en Tecnología de Celdas de Combustible de Hidrógeno

Cuatro Cualidades a Buscar en Racores para Tecnología de Celdas de Combustible de Hidrógeno

Charles Hayes, Ingeniero Principal de Desarrollo de Nuevos Productos, y Charles Erml, Gestor de Producto, Swagelok

Uno de los desafíos más formidables en el desarrollo de vehículos de celdas de combustible de hidrógeno e infraestructura seguros, fiables y a prueba de fugas es la naturaleza del propio hidrógeno.

El hidrógeno es un gas de molécula pequeña. Puede escapar fácilmente por las grietas más diminutas y difundirse en los materiales diseñados para contenerlo. En el mercado del transporte, el hidrógeno también debe almacenarse a presiones superiores a 700 bar para lograr la densidad de energía necesaria en un vehículo. Y en las estaciones de recarga, los cambios rápidos térmicos y de presión también pueden afectar la integridad del sistema a medida que el hidrógeno sale de los tanques de almacenamiento y se descomprime.

Estas circunstancias destacan la importancia de un rendimiento intransigente en los racores que unen partes críticas de sistemas de combustible de hidrógeno a alta presión. Los racores para tecnología de celdas de combustible de hidrógeno deben demostrar algunas características críticas para una fiabilidad duradera. Si bien los racores tradicionales de cono e hilo se han usado en estas aplicaciones, hoy hay opciones de mayor rendimiento disponibles. En esta publicación, examinaremos de cerca algunas características específicas de diseño de racores que hacen un rendimiento ideal en tecnología de hidrógeno:

Hermeticidad del Sello

Dada la tendencia del hidrógeno a deslizarse por las aberturas más diminutas, la hermeticidad del sello de gas y la resistencia a fugas son algunos de los criterios de rendimiento más importantes para un racor.

Muchas conexiones de tubo tradicionales se sellan a lo largo de una sola línea de contacto en una superficie estrecha. Si bien este sello puede ser suficiente para muchos líquidos y algunos gases, la naturaleza implacable del hidrógeno puede comprometerlo una vez en operación. La vibración también puede ser un desafío para un sello de una sola línea.

Un mejor diseño para la contención de hidrógeno involucra dos líneas de contacto a lo largo de superficies de sellado más largas —una a lo largo del tubo, y otra a lo largo del racor. Estas superficies de contacto deben estar ligeramente anguladas, proporcionando el nivel de tensión optimizado para mantener un sello intransigente. Ciertos estilos de racores de tubo de dos ferrulas pueden ofrecer este tipo de integridad de sello.

Fuerza de Agarre

La fuerza de agarre del racor en el tubo es otro atributo clave de rendimiento que asegura que el racor pueda soportar las altas presiones requeridas para la recarga de hidrógeno, así como la vibración significativa que puede ocurrir en un vehículo en movimiento.

Un agarre mecánico colletado usando dos ferrulas es un diseño ideal para un racor de hidrógeno para crear un agarre robusto. Una ferula frontal endurecida puede permitir que el racor muerda físicamente la tubería, creando una calificación de presión muy alta. Mientras tanto, un diseño único de ferula trasera permite una ligera cantidad de movimiento en el racor (llamado "retorno elástico") mientras mantiene el agarre y la fuerza. Este tipo de diseño crea una resistencia a la vibración robusta, ideal tanto para operación a bordo del vehículo como para uso en infraestructura de recarga, donde compresores y condiciones dinámicas pueden crear vibración significativa.

Un diseño mecánico de dos ferrulas que permite el retorno elástico también ayuda a los racores a soportar cambios térmicos dramáticos que pueden causar que los materiales crezcan o encojan. Durante la recarga, las temperaturas del gas de hidrógeno pueden variar desde -50 °C hasta temperaturas ambiente, causando problemas en el rendimiento de racores convencionales de cono e hilo.

Instalación Simple

El diseño adecuado del racor es crítico para un rendimiento fiable en uso. También puede llevar a eficiencias significativas de instalación y ensamblaje para OEMs de vehículos de celdas de combustible de hidrógeno y desarrolladores de infraestructura de hidrógeno.

Algunos racores de agarre mecánico disponibles están diseñados con cartuchos preensamblados. Esto permite a los instaladores usar herramientas comunes y requiere capacitación mínima para lograr un ensamblaje rápido y a prueba de errores. Cuando se comparan con los racores tradicionales de cono e hilo, que se han usado tradicionalmente en sistemas de recarga de hidrógeno, un diseño innovador como los racores de la serie FK de Swagelok muestran beneficios significativos de instalación y ensamblaje.

Una conexión confiable de cono e hilo requiere equipo especializado, altos niveles de habilidad del instalador, y típicamente toma 5 veces más tiempo para ensamblar y probar que la serie FK de Swagelok. La fabricación de vehículos se trata de velocidad, y la facilidad de instalación será crítica a medida que la infraestructura de hidrógeno se escala. La tecnología de racor correcta puede acelerar ambos.

Integridad del Material

El control de corrosión es importante en cualquier aplicación donde se espera que los racores de tubo proporcionen un rendimiento fiable. La corrosión ocurre cuando un átomo de metal es oxidado por un fluido, llevando a una pérdida de material en la superficie del metal. Esta pérdida reduce el espesor de pared de un componente y lo hace más propenso a fallo mecánico. En aplicaciones de transporte de hidrógeno, tanto vehículos como bombas de recarga están regularmente expuestos a condiciones climáticas adversas, lo que hace especialmente importante que los materiales de construcción puedan resistir la corrosión problemática a lo largo de la vida útil de un sistema.

Además, las moléculas de hidrógeno pueden absorberse en la superficie del acero inoxidable, y los átomos individuales se separan. Tienen un diámetro muy pequeño y pueden difundirse en la red cristalina austenítica formada por los átomos de hierro, níquel, cromo y molibdeno mucho más grandes. La difusión en acero inoxidable 316/316L ocurre muy lentamente, pero a altas presiones y durante largos períodos de tiempo, cantidades significativas de átomos de hidrógeno pueden acumularse en la red. Este fenómeno se conoce como fragilización por hidrógeno. Incluso cuando están presentes en grandes concentraciones, los átomos de hidrógeno no tienden a afectar negativamente la resistencia del 316/316L. Sin embargo, si hay grietas por fatiga en un componente, los átomos de hidrógeno harían más fácil que estas grietas se propaguen a través de un componente. Aleaciones de menor rendimiento pueden ser más susceptibles a este problema a largo plazo.

Concentraciones más altas de cromo y níquel en componentes de sistemas de fluidos pueden ayudar a defender contra la corrosión común y la fragilización por hidrógeno al retener mayor ductilidad en componentes críticos. La Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) requiere un mínimo de 10% de níquel en acero inoxidable 316. Sin embargo, se ha demostrado que el acero inoxidable 316 de mayor calidad con un 12% mínimo de níquel es más adecuado para los desafíos únicos del hidrógeno.

Satisfacer las Necesidades de los Sistemas de Hidrógeno

Si bien hay una variedad de racores de tubo de compresión y otros estilos que pueden ser aplicables a sistemas de combustible de hidrógeno, muy pocos están diseñados para satisfacer las muchas demandas de rendimiento únicas que requieren las aplicaciones de hidrógeno.

Los racores de la serie FK de Swagelok son la excepción. Con un diseño patentado, certificaciones EC-79 y EIHP, y calificaciones de presión de hasta 1050 bar, la serie FK fue diseñada específicamente para uso en aplicaciones de hidrógeno. Fabricados en acero inoxidable 316 con un contenido mínimo de níquel del 12%, han encontrado uso en una amplia variedad de industrias y aplicaciones desde su introducción, y siguen siendo una opción óptima para los vehículos e infraestructura de hoy —y de mañana.

La viabilidad a largo plazo del transporte de hidrógeno dependerá de vehículos e infraestructura de hidrógeno seguros, fiables y duraderos. Seleccionar y especificar los componentes correctos para sistemas críticos puede ayudar a lograr estos objetivos. ¿Interesado en aprender más? Contacte a Swagelok hoy para discutir cómo podemos ayudar con sus necesidades de transporte.