Sicherheit und Zuverlässigkeit in Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie gewährleisten

Vier Qualitätsmerkmale für Verschraubungen in Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie

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

Eine der größten Herausforderungen bei Entwicklung sicherer, zuverlässiger, leckagefreier Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge und -infrastruktur ist die Natur des Wasserstoffs selbst.

Wasserstoff ist ein Kleinmolekülgas. Er entweicht leicht durch kleinste Ritzen und diffundiert in Materialien, die ihn eindämmen sollen. Im Transportmarkt muss Wasserstoff auch bei Drücken über 700 bar gespeichert werden, um nötige Energiedichte im Fahrzeug zu erreichen. An Tankstellen können schnelle thermische und Druckänderungen die Systemintegrität beeinträchtigen, wenn Wasserstoff Speichertanks verlässt und dekomprimiert.

Diese Umstände unterstreichen die Wichtigkeit kompromissloser Leistung bei Verschraubungen, die kritische Teile von Hochdruck-Wasserstoffkraftstoffsystemen verbinden. Verschraubungen für Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie müssen einige kritische Charakteristika für langanhaltende Zuverlässigkeit demonstrieren. Während traditionelle Kegel-Gewinde-Verschraubungen in diesen Anwendungen genutzt wurden, gibt es heute leistungsstärkere Optionen. In diesem Beitrag betrachten wir spezifische Verschraubungsdesign-Charakteristika, die ideale Leistung in Wasserstofftechnologie ermöglichen:

Dichtheit

Angesichts Wasserstoffs Tendenz, durch winzigste Öffnungen zu schlüpfen, sind Gasdichtheit und Leckwiderstand zu den wichtigsten Leistungskriterien für eine Verschraubung.

Viele traditionelle Rohrverbindungen dichten entlang einer einzelnen Kontaktlinie auf schmaler Fläche. Während diese Dichtung für viele Flüssigkeiten und einige Gase ausreichen mag, kann Wasserstoffs unnachgiebige Natur sie im Betrieb kompromittieren. Vibration fordert auch eine Einzel-Linien-Dichtung heraus.

Ein besseres Design für Wasserstoffeindämmung umfasst zwei Kontaktlinien über längere Dichtflächen – eine entlang des Rohrs, eine entlang der Verschraubung. Diese Kontaktflächen sollten leicht angewinkelt sein, um den optimierten Spannungsgrad für eine kompromisslose Dichtung aufrechtzuerhalten. Bestimmte Zwei-Ring-Rohrverschraubungen können diese Dichtintegrität liefern.

Griffkraft

Die Griffkraft der Verschraubung am Rohr ist ein weiteres Schlüssel-Leistungsmerkmal, das sicherstellt, dass die Verschraubung den für Wasserstoffbetankung erforderlichen Hochdrücken sowie der signifikanten Vibration in fahrenden Fahrzeugen standhält.

Ein geklemmter mechanischer Griff mit zwei Ringen ist ein ideales Design für eine Wasserstoffverschraubung, um einen robusten Griff zu schaffen. Ein gehärteter Vorderring ermöglicht der Verschraubung, physisch in das Rohr zu beißen und eine sehr hohe Druckfestigkeit zu schaffen. Gleichzeitig erlaubt ein einzigartiges Hinterring-Design eine geringe Bewegung in der Verschraubung („Federkraft“) bei Beibehaltung von Griff und Kraft. Dieses Design schafft robuste Vibrationsfestigkeit – ideal für Bordbetrieb und Betankungsinfrastruktur, wo Kompressoren und dynamische Bedingungen signifikante Vibration erzeugen.

Ein mechanisches Zwei-Ring-Design mit Federkraft hilft Verschraubungen auch, dramatische thermische Änderungen zu überstehen, die Materialien wachsen oder schrumpfen lassen. Beim Betanken können Wasserstoffgastemperaturen von -50 °C bis Umgebungstemperatur variieren, was Probleme in konventionellen Kegel-Gewinde-Verschraubungsleistungen verursacht.

Einfache Installation

Richtiges Verschraubungsdesign ist kritisch für zuverlässige Betriebsleistung. Es kann auch signifikante Installations- und Montageeffizienzen für Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug-OEMs und Wasserstoffinfrastruktur-Entwickler bringen.

Einige verfügbare mechanische Griffverschraubungen sind mit vormontierten Kartuschen designed. Dies ermöglicht Installateuren Nutzung gängiger Werkzeuge und erfordert minimales Training für schnelle, fehlerfreie Montage. Im Vergleich zu traditionellen Kegel-Gewinde-Verschraubungen, die traditionell in Wasserstoffbetankungssystemen genutzt wurden, zeigt ein innovatives Design wie Swagelok® FK-Serien-Verschraubungen signifikante Installations- und Montagevorteile.

Eine zuverlässige Kegel-Gewinde-Verbindung erfordert Spezialausrüstung, hohes Installateur-Skill-Level und dauert typischerweise 5x länger zum Zusammenbau und Test als die Swagelok FK-Serie. Fahrzeugherstellung dreht sich um Geschwindigkeit, und Installationsleichtigkeit wird kritisch, wenn Wasserstoffinfrastruktur skaliert. Die richtige Verschraubungstechnologie beschleunigt beides.

Materialintegrität

Korrosionskontrolle ist wichtig in jeder Anwendung, wo Rohrverschraubungen zuverlässige Leistung erwarten. Korrosion tritt auf, wenn ein Metallatom durch ein Fluid oxidiert wird, was zu Materialverlust an der Metalloberfläche führt. Dieser Verlust reduziert Wandstärke einer Komponente und macht sie anfälliger für mechanisches Versagen. In Wasserstofftransportanwendungen sind sowohl Fahrzeuge als auch Betankungspumpen regelmäßig widrigen Wetterbedingungen ausgesetzt, was es besonders wichtig macht, dass Werkstoffe korrosionsbeständig bleiben über die Systemlebensdauer.

Zusätzlich können Wasserstoffmoleküle an der Oberfläche von Edelstahl absorbiert werden und sich in einzelne Atome aufspalten. Sie haben sehr kleinen Durchmesser und können in das austenitische Kristallgitter diffundieren, das von den viel größeren Eisen-, Nickel-, Chrom- und Molybdänatomen gebildet wird. Diffusion in 316/316L-Edelstahl erfolgt sehr langsam, aber bei hohen Drücken und über lange Zeiträume können signifikante Mengen Wasserstoffatome im Gitter akkumulieren. Dieses Phänomen heißt Wasserstoffversprödung. Selbst bei großen Konzentrationen neigen Wasserstoffatome nicht dazu, die Festigkeit von 316/316L negativ zu beeinflussen. Sollten jedoch Ermüdungsrisse in einer Komponente vorhanden sein, erleichtern Wasserstoffatome deren Fortpflanzung durch die Komponente. Niedrigere Legierungen können langfristig anfälliger für dieses Problem sein.

Höhere Chrom- und Nickelkonzentrationen in Fluid-System-Komponenten helfen, gängige Korrosion und Wasserstoffversprödung abzuwehren, indem sie größere Duktilität in kritischen Komponenten bewahren. Die American Society for Testing and Materials (ASTM) fordert mindestens 10 % Nickel in 316-Edelstahl. Es hat sich jedoch gezeigt, dass höherwertiger 316-Edelstahl mit 12 % Mindestnickel besser für die einzigartigen Herausforderungen von Wasserstoff geeignet ist.

Bedürfnisse von Wasserstoffsystemen erfüllen

Während diverse Kompressionsrohrverschraubungen und andere Stile für Wasserstoffkraftstoffsysteme anwendbar sein mögen, sind sehr wenige darauf ausgelegt, die vielen einzigartigen Leistungsanforderungen zu erfüllen, die Wasserstoffanwendungen fordern.

Swageloks FK-Serien-Verschraubungen sind die Ausnahme. Mit patentiertem Design, EC-79- & EIHP-Zertifizierungen und Druckfestigkeiten bis 1.050 bar wurde die FK-Serie spezifisch für Wasserstoffanwendungen entwickelt. Gefertigt aus 316-Edelstahl mit 12 % Mindestnickelgehalt haben sie seit ihrer Einführung in vielfältigen Branchen und Anwendungen Verwendung gefunden und bleiben eine optimale Wahl für heutige – und morgige – Fahrzeuge und Infrastruktur.

Die langfristige Tragfähigkeit von Wasserstofftransport hängt von sicheren, zuverlässigen, langlebigen Wasserstofffahrzeugen und -infrastruktur ab. Die Auswahl und Spezifikation der richtigen Komponenten für kritische Systeme hilft, diese Ziele zu erreichen. Interessiert an mehr? Kontaktieren Sie Swagelok heute, um zu besprechen, wie wir Ihre Transportbedürfnisse unterstützen können.