Garantindo Segurança e Confiabilidade na Tecnologia de Células de Combustível a Hidrogênio

Quatro Qualidades a Procurar em Conexões para Tecnologia de Células de Combustível a Hidrogênio

Charles Hayes, Engenheiro Líder de Desenvolvimento de Novos Produtos, e Charles Erml, Gerente de Produto, Swagelok

Um dos desafios mais formidáveis no desenvolvimento de veículos e infraestrutura de células de combustível a hidrogênio seguros, confiáveis e à prova de vazamentos é a natureza do próprio hidrogênio.

O hidrogênio é um gás de pequenas moléculas. Ele pode escapar facilmente pelas menores fendas e difundir nos materiais projetados para contê-lo. No mercado de transporte, o hidrogênio também deve ser armazenado a pressões superiores a 700 bar para alcançar a densidade de energia necessária em um veículo. E em estações de abastecimento, mudanças rápidas térmicas e de pressão também podem impactar a integridade do sistema à medida que o hidrogênio sai dos tanques de armazenamento e descomprime.

Essas circunstâncias destacam a importância de desempenho intransigente em conexões que unem partes críticas de sistemas de combustível de hidrogênio de alta pressão. Conexões para tecnologia de células de combustível a hidrogênio devem demonstrar algumas características críticas para confiabilidade duradoura. Embora conexões tradicionais de cone e rosca tenham sido usadas nestas aplicações, existem opções de desempenho superior disponíveis hoje. Neste post, daremos uma olhada de perto em algumas características específicas de projeto de conexões que tornam o desempenho ideal em tecnologia de hidrogênio:

Vedação Estanque

Dada a tendência do hidrogênio de escorregar pelas menores aberturas, a estanqueidade da vedação de gás e resistência a vazamentos são alguns dos critérios de desempenho mais importantes para uma conexão.

Muitas conexões tradicionais de tubos são vedadas ao longo de uma única linha de contato em uma superfície estreita. Embora esta vedação possa ser suficiente para muitos líquidos e alguns gases, a natureza implacável do hidrogênio pode comprometê-la uma vez em operação. Vibração também pode ser desafiadora para uma vedação de linha única.

Um design melhor para contenção de hidrogênio envolve duas linhas de contato através de superfícies de vedação mais longas — uma ao longo do tubo e outra ao longo da conexão. Essas superfícies de contato devem ser levemente anguladas, fornecendo o nível de tensão otimizado para manter uma vedação intransigente. Certos estilos de conexões para tubos de ferrule duplo podem entregar esse tipo de integridade de vedação.

Força de Aderência

A força de aderência da conexão no tubo é outro atributo de desempenho chave que garante que a conexão possa suportar as altas pressões requeridas para abastecimento de hidrogênio, bem como a vibração significativa que pode ocorrer em um veículo em movimento.

Uma aderência mecânica colletada usando dois ferrules é um design ideal para uma conexão de hidrogênio criar uma aderência robusta. Um ferrule frontal endurecido pode permitir que a conexão morda fisicamente a tubulação, criando uma classificação de pressão muito alta. Enquanto isso, um design único de ferrule traseiro permite uma pequena quantidade de movimento na conexão (chamado "retorno elástico") enquanto mantém aderência e força. Este tipo de design cria resistência robusta à vibração, ideal tanto para operação a bordo do veículo quanto para uso em infraestrutura de abastecimento, onde compressores e condições dinâmicas podem criar vibração significativa.

Um design mecânico de ferrule duplo que permite retorno elástico também ajuda as conexões a suportar mudanças térmicas dramáticas que podem causar materiais a crescer ou encolher. Durante o abastecimento, as temperaturas do gás hidrogênio podem variar de tão baixo quanto -50°C a temperaturas ambiente, causando problemas no desempenho de conexões convencionais de cone e rosca.

Instalação Simples

O projeto adequado da conexão é crítico para desempenho confiável em uso. Também pode levar a eficiências significativas de instalação e montagem para OEMs de veículos a células de combustível de hidrogênio e desenvolvedores de infraestrutura de hidrogênio.

Algumas conexões de aderência mecânica disponíveis são projetadas com cartuchos pré-montados. Isso permite que instaladores usem ferramentas comuns e requer treinamento mínimo para alcançar montagem rápida e à prova de erros. Quando comparadas a conexões tradicionais de cone e rosca, que tradicionalmente têm sido usadas em sistemas de abastecimento de hidrogênio, um design inovador como as conexões da série FK da Swagelok mostram benefícios significativos de instalação e montagem.

Uma conexão confiável de cone e rosca requer equipamento especializado, altos níveis de habilidade do instalador, e tipicamente leva 5x mais tempo para montar e testar do que a série FK da Swagelok. A fabricação de veículos é toda sobre velocidade, e a facilidade de instalação será crítica à medida que a infraestrutura de hidrogênio escala. A tecnologia de conexão certa pode acelerar ambos.

Integridade do Material

Controle de corrosão é importante em qualquer aplicação onde conexões para tubos são esperadas para fornecer desempenho confiável. Corrosão ocorre quando um átomo de metal é oxidado por um fluido, levando a uma perda de material na superfície do metal. Esta perda reduz a espessura da parede de um componente e o torna mais propenso a falha mecânica. Em aplicações de transporte de hidrogênio, tanto veículos quanto bombas de abastecimento são regularmente expostos a condições climáticas adversas, tornando especialmente importante que materiais de construção possam resistir à corrosão problemática ao longo da vida útil de um sistema.

Além disso, moléculas de hidrogênio podem ser absorvidas na superfície do aço inoxidável, e os átomos individuais se separam. Eles têm um diâmetro muito pequeno e podem difundir na rede cristalina austenítica formada pelos átomos muito maiores de ferro, níquel, cromo e molibdênio. Difusão em aço inoxidável 316/316L ocorre muito lentamente, mas em altas pressões e ao longo de longos períodos de tempo, quantidades significativas de átomos de hidrogênio podem se acumular na rede. Este fenômeno é conhecido como fragilização por hidrogênio. Mesmo quando presentes em grandes concentrações, átomos de hidrogênio não tendem a afetar negativamente a resistência do 316/316L. No entanto, caso trincas de fadiga estejam presentes em um componente, átomos de hidrogênio tornariam mais fácil para essas trincas se propagarem através de um componente. Ligas de desempenho inferior podem ser mais suscetíveis a este problema a longo prazo.

Concentrações mais altas de cromo e níquel em componentes de sistemas de fluidos podem ajudar a defender contra corrosão comum e fragilização por hidrogênio retendo maior ductilidade em componentes críticos. A Sociedade Americana para Testes e Materiais (ASTM) requer um mínimo de 10% de níquel em aço inoxidável 316. No entanto, demonstrou-se que aço inoxidável 316 de alta qualidade com 12% mínimo de níquel é mais adequado para os desafios únicos do hidrogênio.

Atendendo às Necessidades de Sistemas de Hidrogênio

Embora existam uma variedade de conexões de compressão para tubos e outros estilos que podem ser aplicáveis a sistemas de combustível de hidrogênio, muito poucos são projetados para satisfazer as muitas demandas únicas de desempenho que aplicações de hidrogênio requerem.

As conexões da série FK da Swagelok são a exceção. Com design patenteado, certificações EC-79 e EIHP, e classificações de pressão de até 1050 bar, a série FK foi projetada especificamente para uso em aplicações de hidrogênio. Feitas de aço inoxidável 316 com 12% mínimo de teor de níquel, elas encontraram uso em uma ampla variedade de indústrias e aplicações desde sua introdução, e permanecem uma escolha ideal para os veículos e infraestrutura de hoje — e de amanhã.

A viabilidade a longo prazo do transporte a hidrogênio dependerá de veículos e infraestrutura de hidrogênio seguros, confiáveis e duráveis. Selecionar e especificar os componentes certos para sistemas críticos pode ajudar a atingir esses objetivos. Interessado em saber mais? Entre em contato com a Swagelok hoje para discutir como podemos ajudar com suas necessidades de transporte.