Memastikan Keselamatan dan Keandalan Teknologi Sel Bahan Bakar Hidrogen

Empat Kualitas yang Harus Diperhatikan dalam Fitting untuk Teknologi Sel Bahan Bakar Hidrogen

Charles Hayes, Insinyur Pengembangan Produk Baru Utama, dan Charles Erml, Manajer Produk, Swagelok

Salah satu tantangan paling signifikan dalam pengembangan kendaraan sel bahan bakar hidrogen dan infrastruktur yang aman, andal, dan tahan kebocoran adalah sifat hidrogen itu sendiri.

Hidrogen adalah gas molekul kecil. Ia dapat dengan mudah melarikan diri melalui celah yang sangat kecil dan menyebar ke dalam bahan yang dirancang untuk menahnya. Di pasar transportasi, hidrogen juga harus disimpan pada tekanan di atas 700 bar untuk mencapai densitas energi yang diperlukan pada kendaraan. Dan di stasiun pengisian ulang, perubahan suhu dan tekanan yang cepat juga dapat mempengaruhi integritas sistem saat hidrogen keluar dari tangki penyimpanan dan dekompresi.

Kondisimo menyoroti pentingnya kinerja tanpa kompromi dalam fitting yang menyambungkan bagian-bagian kritis sistem bahan bakar hidrogen tekanan tinggi. Fitting untuk teknologi sel bahan bakar hidrogen harus menunjukkan beberapa karakteristik kritis untuk keandalan jangka panjang. Sementara fitting kerucut dan ris tradisional telah digunakan dalam aplikasi ini, ada opsi yang berkinerja lebih tinggi yang tersedia saat ini. Dalam tulisan ini, kita akan melihat beberapa karakteristik desain fitting spesifik yang membuat kinerja ideal dalam teknologi hidrogen:

Kepadatan Penyegelan

Mengingat kecenderungan hidrogen untuk meluncur melalui pembukaan yang sangat kecil, kepadatan penyegelan gas dan resistensi kebocoran adalah beberapa kriteria kinerja paling penting untuk fitting.

Banyak koneksi tabung tradisional di-sel di sepanjang satu garis kontak pada permukaan sempit. Sementara penyegelan ini mungkin cukup untuk banyak cairan dan beberapa gas, sifat yang tidak mengampuni hidrogen dapat mengkomprominya setelah dalam operasi. Getaran juga dapat menantang untuk penyegeran satu garis.

Desain yang lebih baik untuk penahanan hidrogen melibatkan dua garis kontak di sepanjang permukaan penyegelan yang lebih panjang—satu di sepanjang tabung, dan satu di sepanjang fitting. Permukaan kontak ini harus sedikit miring, memberikan tingkat stres yang dioptimalkan untuk mempertahankan penyegelan yang tidak dikompromikan. Beberapa gaya fitting tabung ferrule ganda dapat memberikan integritas penyegelan seperti ini.

Kekuatan Grip

Kekuatan grip fitting pada tabung adalah atribut kinerja kunci lainnya yang memastikan fitting dapat menahan tekanan tinggi yang diperlukan untuk pengisian ulang hidrogen serta getaran signifikan yang dapat terjadi dalam kendaraan yang bergerak.

Grip mekanis colleted menggunakan dua ferrule adalah desain ideal untuk fitting hidrogen untuk menciptakan grip yang kuat. Ferrule depan yang keras dapat memungkinkan fitting untuk secara fisik gigit ke dalam tabung, menciptakan rating tekanan yang sangat tinggi. Sementara itu, desain ferrule belakang yang unik memungkinkan sejumlah gerakan yang sedikit dalam fitting (disebut "spring back") sambil mempertahankan grip dan gaya. Jenis desain ini menciptakan resistensi getaran yang kuat, ideal baik untuk operasi di kendaraan maupun untuk digunakan di infrastruktur pengisian ulang, di mana kompresor dan kondisi dinamis dapat menciptakan getaran signifikan.

Desain mekanis, dua ferrule yang memungkinkan spring back juga membantu fitting menahan perubahan suhu dramatis yang dapat menyebabkan bahan berkembang atau menyusut. Selama pengisian ulang, suhu gas hidrogen dapat bervariasi dari -50°C hingga suhu ruang, yang menyebabkan masalah pada kinerja fitting kerucut dan ris konvensional.

Pemasangan Sederhana

Desain fitting yang tepat sangat penting untuk kinerja penggunaan yang andal. Ini juga dapat mengarah pada efisiensi pemasangan dan perakitan yang signifikan bagi OEM kendaraan sel bahan bakar hidrogen dan pengembang infrastruktur hidrogen.

Beberapa fitting grip mekanis yang tersedia dirancang dengan kartus yang telah dipasang sebelumnya. Ini memungkinkan pemasang untuk menggunakan alat umum dan memerlukan pelatihan minimal untuk mencapai pemasangan yang cepat dan bebas kesalahan. Ketika dibandingkan dengan fitting kerucut dan ris tradisional, yang telah digunakan secara tradisional dalam sistem pengisian ulang hidrogen, desain inovatif seperti fitting seri FK Swagelok^® menunjukkan manfaat pemasangan dan perakitan yang signifikan.

Koneksi kerucut dan ris yang andal memerlukan peralatan khusus, tingkat keterampilan pemasang yang tinggi, dan biasanya memakan waktu 5 kali lebih lama untuk dirangkit dan diuji dibandingkan dengan seri FK Swagelok. Manufaktur kendaraan adalah tentang kecepatan, dan kemudahan pemasangan akan kritis seiring berkembangnya infrastruktur hidrogen. Teknologi fitting yang tepat dapat mempercepat keduanya.

Integritas Material

Kontrol korosi penting dalam setiap aplikasi di mana fitting tabung diharapkan memberikan kinerja yang andal. Korosi terjadi ketika atom logam dioksidasi oleh fluida, yang mengakibatkan kehilangan material pada permukaan logam. Kehilangan ini mengurangi ketebalan dinding komponen dan membuatnya lebih rentan terhadap kegagalan mekanis. Dalam aplikasi transportasi hidrogen, baik kendaraan maupun pompa pengisian ulang secara terpapar cuaca buruk secara teratur, membuatnya sangat penting bahwa bahan konstruksi dapat menahan korosi yang bermasalah selama umur sistem.

Selain itu, molekul hidrogen dapat terserap pada permukaan stainless steel, dan atom individual terpisah. Mereka memiliki diameter yang sangat kecil dan dapat menyebar ke dalam jaring kristal austenitic yang dibentuk oleh atom besi, nikel, kromium, dan molibdenum yang jauh lebih besar. Difusi ke dalam stainless steel 316/316L terjadi sangat lambat, tetapi pada tekanan tinggi dan seiring waktu yang lama, jumlah atom hidrogen yang signifikan dapat menyimpan di jaring. Fenomena ini dikenal sebagai kerapuhan hidrogen. Bahkan saat ada pada konsentrasi yang besar, atom hidrogen cenderung tidak memengaruhi negatif kekuatan 316/316L. Namun, seharusnya retakan kelelahan ada dalam komponen, atom hidrogen akan memudahkan retakan tersebut untuk menyebar melalui komponen. Alloy yang berkinerja lebih rendah mungkin lebih rentan terhadap masalah ini dalam jangka panjang.

Konsentrasi kromium dan nikel yang lebih tinggi dalam komponen sistem fluida dapat membantu bertahan terhadap korosi umum dan kerapuhan hidrogen dengan mempertahankan ductilitas yang lebih besar dalam komponen kritis. American Society for Testing and Materials (ASTM) memerlukan minimal 10% nikel dalam stainless steel 316. Namun, telah terbukti bahwa stainless steel 316 berkualitas tinggi dengan minimal 12% nikel lebih cocok untuk tantangan unik hidrogen.

Memenuhi Kebutuhan Sistem Hidrogen

Sementara ada berbagai fitting kompresi tabung dan gaya lain yang mungkin berlaku untuk sistem bahan bakar hidrogen, sangat sedikit yang dirancang untuk memenuhi banyak tuntutan kinerja unik yang diperlukan aplikasi hidrogen.

Fitting seri FK Swagelok adalah pengecualian. Dengan desain yang dipatenkan, sertifikasi EC-79 & EIHP, dan rating tekanan hingga 1050 bar, seri FK dirancang secara khusus untuk digunakan dalam aplikasi hidrogen. Terbuat dari stainless steel 316 dengan konten nikel minimal 12%, mereka telah digunakan dalam berbagai industri dan aplikasi sejak diperkenalkan, dan tetap menjadi pilihan optimal untuk kendaraan dan infrastruktur hari ini—dan masa depan.

Keberlanjutan jangka panjang transportasi hidrogen akan bergantung pada kendaraan dan infrastruktur hidrogen yang aman, andal, dan tahan lama. Memilih dan menentukan komponen yang tepat untuk sistem kritis dapat membantu mencapai tujuan ini. Terkecinta untuk mempelajari lebih lanjut? Hubungi Swagelok hari ini untuk membahas bagaimana kami dapat membantu dengan kebutuhan transportasi Anda.