안전 및 신뢰성을 위한 수소 연료 전지 기술

수소 연료 전지 기술용 피팅에서 찾아야 할 4가지 특성

수석 신제품 개발 엔지니어 Charles Hayes 및 Swagelok 제품 관리자 Charles Erml

안전하고 신뢰할 수 있으며 누출이 없는 수소 연료 전지 차량 및 인프라 개발에서 가장 어려운 과제 중 하나는 수소 자체의 특성입니다.

수소는 저분자 기체입니다. 그것은 가장 작은 틈을 통해 쉽게 빠져나와 그것을 포함하도록 설계된 재료로 확산될 수 있습니다. 운송 시장에서 수소는 차량에 필요한 에너지 밀도를 달성하기 위해 700bar를 초과하는 압력에서도 저장되어야 합니다. 그리고 급유소에서 급격한 열 및 압력 변화는 수소가 저장 탱크를 떠나 압축을 풀 때 시스템 무결성에 영향을 줄 수도 있습니다.

이러한 상황은 고압 수소 연료 시스템의 중요한 부분을 연결하는 피팅에서 타협하지 않는 성능의 중요성을 강조합니다. 수소 연료 전지 기술용 피팅은 오래 지속되는 신뢰성을 위해 몇 가지 중요한 특성을 입증해야 합니다. 이러한 응용 분야에는 전통적인 원추형 및 나사산 피팅이 사용되었지만 오늘날에는 더 높은 성능의 옵션을 사용할 수 있습니다. 이 게시물에서는 수소 기술에서 이상적인 성능을 제공하는 몇 가지 특정 피팅 설계 특성을 자세히 살펴보겠습니다.

밀폐력

가장 작은 구멍을 통해 빠져나가는 수소의 경향을 감안할 때, 가스 밀봉 기밀성과 누출 저항은 피팅의 가장 중요한 성능 기준 중 일부입니다.

많은 전통적인 튜브 연결은 좁은 표면의 단일 접촉 라인을 따라 밀봉됩니다. 이 씰은 많은 액체와 일부 가스에 충분할 수 있지만 수소의 용서할 수 없는 성질은 작동 중에 이를 손상시킬 수 있습니다. 진동은 단일 라인 씰의 경우에도 어려울 수 있습니다.

수소 봉쇄를 위한 더 나은 설계는 더 긴 밀봉 표면을 가로지르는 두 개의 접촉선(하나는 튜브를 따라, 다른 하나는 피팅을 따라)을 포함합니다. 이러한 접촉면은 약간 기울어져 있어 타협하지 않는 밀봉을 유지하기 위해 최적화된 응력 수준을 제공해야 합니다. 특정 스타일의 2-페룰 튜브 피팅은 이러한 종류의 밀봉 무결성을 제공할 수 있습니다.

그립 강도

튜브에 대한 피팅의 그립 강도는 피팅이 수소 연료 보급에 필요한 높은 압력과 움직이는 차량에서 발생할 수 있는 상당한 진동을 견딜 수 있도록 하는 또 다른 핵심 성능 속성입니다.

두 개의 페룰을 사용하는 콜릿형 기계식 그립은 견고한 그립을 만드는 수소 피팅에 이상적인 설계입니다. 강화된 전면 페룰은 피팅이 튜브에 물리적으로 물릴 수 있게 하여 매우 높은 압력 등급을 생성합니다. 한편 독특한 백 페룰 디자인은 그립과 힘을 유지하면서 피팅에서 약간의 움직임("스프링 백"이라고 함)을 허용합니다. 이러한 유형의 설계는 강력한 진동 저항을 생성하여 차량 내 작동 및 압축기 및 동적 조건이 상당한 진동을 생성할 수 있는 급유 인프라 사용에 모두 이상적입니다.

스프링 백을 허용하는 기계식 2개 페룰 디자인은 피팅이 재료가 늘어나거나 줄어들 수 있는 극적인 열 변화를 견딜 수 있도록 도와줍니다. 연료를 보급하는 동안 수소 가스 온도는 최저 -50ºC에서 주변 온도까지 다양하여 기존의 원추형 및 나사산 피팅 성능에 문제를 일으킬 수 있습니다.

간단한 설치

신뢰할 수 있는 사용 성능을 위해서는 적절한 피팅 설계가 중요합니다. 또한 수소 연료 전지 차량 OEM 및 수소 인프라 개발자에게 상당한 설치 및 조립 효율성을 제공할 수 있습니다.

사용 가능한 일부 기계식 그립 피팅은 사전 조립된 카트리지로 설계되었습니다. 이를 통해 설치자는 공통 도구를 사용할 수 있으며 빠르고 오류 방지 조립을 달성하기 위해 최소한의 교육만 필요로 합니다. 전통적으로 수소 연료 보급 시스템에 사용되어 온 기존의 원추형 및 나사산 피팅과 비교할 때 Swagelok ^® 와 같은 혁신적인 디자인은 FK 시리즈 피팅은 상당한 설치 및 조립 이점을 보여줍니다.

안정적인 원추 및 나사 연결을 위해서는 전문 장비, 높은 수준의 설치 기술이 필요하며 일반적으로 Swagelok FK 시리즈보다 조립 및 테스트 시간이 5배 더 오래 걸립니다. 차량 제조는 속도에 관한 것이며 수소 인프라가 확장됨에 따라 설치 용이성이 중요할 것입니다. 올바른 피팅 기술은 두 가지 모두를 가속화할 수 있습니다.

재료 무결성

부식 제어는 튜브 피팅이 안정적인 성능을 제공할 것으로 예상되는 모든 응용 분야에서 중요합니다. 부식은 금속 원자가 유체에 의해 산화되어 금속 표면의 물질이 손실될 때 발생합니다. 이 손실은 구성요소의 벽 두께를 감소시키고 기계적 고장을 일으키기 쉽습니다. 수소 운송 응용 분야에서 차량과 연료 보급 펌프는 모두 악천후 조건에 정기적으로 노출되므로 구성 재료가 시스템 수명 내내 문제가 되는 부식에 저항할 수 있어야 하는 것이 특히 중요합니다.

또한, 수소 분자는 스테인리스 스틸 표면에 흡수되어 개별 원자가 분리될 수 있습니다. 그들은 매우 작은 직경을 가지며 훨씬 더 큰 철, 니켈, 크롬 및 몰리브덴 원자에 의해 형성된 오스테나이트 결정 격자로 확산될 수 있습니다. 316/316L 스테인리스강으로의 확산은 매우 느리게 발생하지만 고압 및 장기간에 걸쳐 상당한 양의 수소 원자가 격자에 축적될 수 있습니다. 이 현상을 수소 취성이라고 합니다. 높은 농도로 존재하더라도 수소 원자는 316/316L의 강도에 부정적인 영향을 미치지 않는 경향이 있습니다. 그러나 부품에 피로 균열이 있는 경우 수소 원자로 인해 이러한 균열이 부품을 통해 더 쉽게 전파됩니다. 성능이 낮은 합금은 장기적으로 이 문제에 더 취약할 수 있습니다.

유체 시스템 구성 요소의 더 높은 농도의 크롬 및 니켈은 중요한 구성 요소의 더 큰 연성을 유지함으로써 일반적인 부식 및 수소 취성을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 미국재료시험협회(ASTM)는 316 스테인리스강에 최소 10%의 니켈을 요구합니다. 그러나 최소 니켈이 12%인 고품질 316 스테인리스강이 수소라는 독특한 문제에 더 적합한 것으로 나타났습니다.

수소 시스템의 요구 사항 충족

수소 연료 시스템에 적용할 수 있는 다양한 압축 튜브 피팅 및 기타 스타일이 있지만, 수소 응용 분야에서 요구하는 많은 고유한 성능 요구 사항을 충족하도록 설계된 제품은 거의 없습니다.

Swagelok의 FK 시리즈 피팅은 예외입니다. 특허 받은 설계, EC-79 및 EIHP 인증, 최대 1050bar의 압력 정격을 갖춘 FK 시리즈는 수소 응용 분야에 사용하도록 특별히 설계되었습니다. 최소 니켈 함량이 12%인 316 스테인리스 스틸로 제작된 이 제품은 출시 이후 다양한 산업 및 응용 분야에서 사용되어 왔으며 현재와 미래의 차량 및 기반 시설을 위한 최적의 선택으로 남아 있습니다.

수소 운송의 장기적 생존 가능성은 안전하고 신뢰할 수 있으며 내구성이 뛰어난 수소 차량 및 인프라에 달려 있습니다. 중요한 시스템에 적합한 구성 요소를 선택하고 지정하면 이러한 목표를 달성하는 데 도움이 됩니다. 더 배우고 싶으신가요? 지금 Swagelok에 연락하여 귀하의 운송 요구 사항을 어떻게 도울 수 있는지 논의하십시오.