수소 연료전지 기술의 안전성과 신뢰성 확보: 피팅 선택의 4대 핵심 요소

수소 연료전지 기술용 피팅에서 찾아야 할 4가지 필수 특성

찰스 헤이즈, 리드 신제품 개발 엔지니어, 찰스 어멀, 제품 매니저, 스웨즈락

안전하고 신뢰할 수 있으며 누출이 없는 수소 연료전지 차량과 인프라 개발에서 가장 힘든 과제 중 하나는 수소 자체의 본질입니다.

수소는 소분자 가스입니다. 미세한 틈새로 쉽게 빠져나가고, 이를 가두도록 설계된 자재로 확산됩니다. 운송 시장에서 수소는 차량에서 필요한 에너지 밀도를 달성하기 위해 700 bar를 초과하는 압력으로 저장되어야 합니다. 그리고 충전소에서는 수소가 저장 탱크를 떠나 감압될 때 급격한 열적, 압력 변화가 시스템 무결성에 영향을 미칠 수 있습니다.

이러한 상황은 고압 수소 연료 시스템의 중요한 부분을 연결하는 피팅에서 타협 없는 성능의 중요성을 강조합니다. 수소 연료전지 기술용 피팅은 오래 지속되는 신뢰성을 위해 몇 가지 중요한 특성을 입증해야 합니다. 전통적인 콘 앤 스레드 피팅이 이러한 애플리케이션에 사용되어 왔지만, 오늘날 더 높은 성능의 옵션이 있습니다. 이 글에서는 수소 기술에서 이상적인 성능을 내는 몇 가지 구체적인 피팅 설계 특성을 자세히 살펴보겠습니다.

씰 밀착성(Seal Tightness)

수소가 미세한 틈새로 빠져나가려는 경향을 고려할 때, 가스 씰 밀착성과 누출 저항성은 피팅의 가장 중요한 성능 기준 중 일부입니다.

많은 전통적인 튜브 연결은 좁은 표면에서 단일 라인의 접촉으로 밀봉됩니다. 이 씰은 많은 액체와 일부 가스에는 충분할 수 있지만, 수소의 용서하지 않는 본질은 일단 작동하면 이를 손상시킬 수 있습니다. 진동도 단일 라인 씰에 도전적일 수 있습니다.

수소 봉입에 더 나은 설계는 더 긴 씰링 표면을 따라 두 줄의 접촉을 포함합니다. 하나는 튜브를 따라, 다른 하나는 피팅을 따라. 이 접촉 표면은 약간 경사져 있어, 타협 없는 씰을 유지하기 위한 최적의 응력 수준을 제공합니다. 특정 스타일의 투 페룰 튜브 피팅이 이러한 씰 무결성을 제공할 수 있습니다.

그립 강도(Grip Strength)

피팅의 튜브에 대한 그립 강도는 피팅이 수소 충전에 필요한 고압과 이동 차량에서 발생할 수 있는 상당한 진동을 견딜 수 있도록 보장하는 또 다른 핵심 성능 속성입니다.

경화된 프론트 페룰을 사용하는 콜레티드 기계적 그립은 수소 피팅이 견고한 그립을 생성하기 위한 이상적인 설계입니다. 경화된 프론트 페룰은 피팅이 튜빙에 물리적으로 물리게 하여 매우 높은 압력 등급을 가능하게 합니다. 한편, 독특한 백 페룰 설계는 그립과 힘을 유지하면서 피팅에 약간의 움직임('스프링 백')을 허용합니다. 이러한 유형의 설계는 차량 탑재 작동과 충전 인프라에서의 사용 모두에 이상적인 견고한 진동 저항을 생성합니다. 여기서 압축기와 동적 조건이 상당한 진동을 만들 수 있습니다.

스프링 백을 허용하는 기계적 투 페룰 설계는 재료가 자라거나 수축하게 만드는 극적인 열적 변화를 견디는 데도 도움이 됩니다. 충전 중 수소 가스 온도는 최저 -50°C에서 주변 온도까지 변할 수 있으며, 이는 전통적인 콘 앤 스레드 피팅 성능에 문제를 일으킵니다.

간편한 설치(Simple Installation)

적절한 피팅 설계는 신뢰할 수 있는 사용 중 성능에 필수적입니다. 또한 수소 연료전지 차량 OEM과 수소 인프라 개발자에게 상당한 설치 및 조립 효율성을 가져올 수 있습니다.

일부 기계적 그립 피팅은 사전 조립된 카트리지로 설계되어 있습니다. 이는 설치자가 일반 도구를 사용하고 최소한의 교육으로 빠르고 오류 방지 조립을 달성할 수 있게 합니다. 전통적으로 수소 충전 시스템에 사용되어 온 콘 앤 스레드 피팅과 비교할 때, 스웨즈락® FK 시리즈 피팅 같은 혁신적인 설계는 상당한 설치 및 조립 이점을 보여줍니다.

신뢰할 수 있는 콘 앤 스레드 연결에는 특수 장비, 높은 수준의 설치자 기술이 필요하며, 일반적으로 스웨즈락 FK 시리즈보다 조립 및 테스트에 5배 더 오래 걸립니다. 차량 제조는 속도가 전부이며, 설치 용이성은 수소 인프라가 확장됨에 따라 필수적일 것입니다. 올바른 피팅 기술은 둘 다 가속화할 수 있습니다.

자재 무결성(Material Integrity)

부식 제어는 튜브 피팅이 신뢰할 수 있는 성능을 제공할 것으로 기대되는 모든 애플리케이션에서 중요합니다. 부식은 금속 원자가 유체에 의해 산화되어 금속 표면의 물질 손실을 초래할 때 발생합니다. 이 손실은 부품의 벽 두께를 줄여 기계적 고장에 더 취약하게 만듭니다. 수소 운송 애플리케이션에서 차량과 충전 펌프는 정기적으로 악천후 조건에 노출되므로, 구성 자재가 시스템 수명 내내 문제가 되는 부식에 저항할 수 있는 것이 특히 중요합니다.

또한 수소 분자는 스테인리스강 표면에 흡착될 수 있고, 개별 원자로 분해됩니다. 이들은 매우 작은 직경을 가지고 있어 훨씬 더 큰 철, 니켈, 크롬, 몰리브덴 원자로 형성된 오스테나이트 결정 격자로 확산될 수 있습니다. 316/316L 스테인리스강으로의 확산은 매우 느리게 발생하지만, 고압과 긴 시간 동안 상당한 양의 수소 원자가 격자에 축적될 수 있습니다. 이 현상을 수소 취성이라고 합니다. 큰 농도에서도 수소 원자는 316/316L의 강도에 부정적인 영향을 미치는 경향이 없습니다. 그러나 피로 균열이 부품에 존재한다면, 수소 원자는 이러한 균열이 부품을 통해 전파되기 쉽게 만듭니다. 저성능 합금은 장기적으로 이 문제에 더 취약할 수 있습니다.

유체 시스템 부품의 더 높은 크롬과 니켈 농도는 중요한 부품에서 더 큰 연성을 유지함으로써 일반적인 부식과 수소 취성을 방어하는 데 도움이 됩니다. 미국재료시험학회(ASTM)는 316 스테인리스강에 최소 10% 니켈을 요구합니다. 그러나 12% 최소 니켈을 가진 고품질 316 스테인리스강이 수소의 고유한 과제에 더 적합함이 입증되었습니다.

수소 시스템의 요구 충족

다양한 압축 튜브 피팅과 기타 스타일이 수소 연료 시스템에 적용 가능할 수 있지만, 수소 애플리케이션이 요구하는 많은 고유한 성능 요구사항을 만족하도록 설계된 것은 매우 적습니다.

스웨즈락의 FK 시리즈 피팅이 예외입니다. 특허받은 설계, EC-79 및 EIHP 인증, 최대 1,050 bar의 압력 등급을 가진 FK 시리즈는 수소 애플리케이션용으로 특별히 엔지니어링되었습니다. 12% 최소 니켈 함량의 316 스테인리스강으로 제작되어 도입 이후 다양한 산업과 애플리케이션에서 사용되어 왔으며, 오늘날과 내일의 차량 및 인프라에 최적의 선택으로 남아 있습니다.

수소 운송의 장기적 생존 가능성은 안전하고 신뢰할 수 있으며 내구성 있는 수소 차량과 인프라에 달려 있습니다. 중요한 시스템에 적합한 부품을 선택하고 사양화하면 이러한 목표를 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 더 알고 싶으십니까? 오늘 스웨즈락에 연락하여 귀사의 운송 수요를 어떻게 도울 수 있는지 논의해 보십시오.