氢燃料电池技术的安全性和可靠性

氢燃料电池技术配件的四大品质

新产品开发首席工程师 Charles Hayes 和世伟洛克产品经理 Charles Erml

在开发安全、可靠和密封的氢燃料电池汽车和基础设施方面，最艰巨的挑战之一是氢本身的性质。

氢气是一种小分子气体。它可以很容易地从最微小的缝隙中逸出，并扩散到设计用来容纳它们的材料中。在运输市场中，氢气还必须在超过 700 巴的压力下储存，以达到车辆所需的能量密度。在加氢站，当氢气离开储罐并减压时，快速的温度和压力变化也会影响系统完整性。

这些情况凸显了连接高压氢燃料系统关键部件的配件的不妥协性能的重要性。氢燃料电池技术的配件必须展示一些关键特性，以实现持久的可靠性。虽然在这些应用中使用了传统的锥面和螺纹接头，但今天有更高性能的选项可用。在这篇文章中，我们将仔细研究一些特定的配件设计特征，这些特征有助于实现氢技术的理想性能：

密封性

鉴于氢气倾向于从最微小的开口中滑出，气密性和耐泄漏性是配件最重要的一些性能标准。

许多传统的管连接沿狭窄表面上的单一接触线密封。虽然这种密封对于许多液体和某些气体来说可能已经足够了，但氢气的无情性质可能会在运行后对其造成损害。对于单线密封件，振动也具有挑战性。

更好的氢气密封设计包括两条跨越较长密封表面的接触线——一条沿着管子，另一条沿着接头。这些接触表面应略微倾斜，提供优化的应力水平以保持不妥协的密封。某些类型的双套圈管接头可以提供这种密封完整性。

握力

接头对管子的抓握强度是另一个关键性能属性，可确保接头能够承受加氢所需的高压以及移动车辆中可能发生的显着振动。

使用两个套圈的夹头机械夹具是氢接头的理想设计，可产生坚固的夹具。硬化的前套圈可以使接头物理咬入管道，从而产生非常高的压力等级。同时，独特的后套圈设计允许在配件中进行少量移动（称为“回弹”），同时保持抓地力和力量。这种类型的设计产生了强大的抗振性，非常适合车载操作和加油基础设施，在这些基础设施中，压缩机和动态条件会产生显着的振动。

允许回弹的机械双套圈设计还有助于配件承受可能导致材料生长或收缩的剧烈热变化。在加油期间，氢气温度可能从低至 -50ºC 到环境温度变化，从而导致传统锥面螺纹接头性能出现问题。

简单安装

正确的接头设计对于可靠的使用性能至关重要。它还可以为氢燃料电池汽车 OEM 和氢基础设施开发商带来显着的安装和组装效率。

一些可用的机械夹具配件设计有预组装的墨盒。这使安装人员能够使用通用工具，并且只需最少的培训即可实现快速、防错的组装。与传统上用于加氢系统的传统锥螺纹接头相比，世伟洛克 ^® 等创新设计 FK 系列接头具有显着的安装和装配优势。

可靠的锥面和螺纹连接需要专门的设备和高水平的安装人员技能，并且组装和测试时间通常比世伟洛克 FK 系列长 5 倍。汽车制造与速度有关，随着氢基础设施的扩大，易于安装将变得至关重要。正确的拟合技术可以加速两者。

材料完整性

腐蚀控制在任何期望管件提供可靠性能的应用中都很重要。当金属原子被流体氧化时会发生腐蚀，从而导致金属表面的材料损失。这种损失减少了组件的壁厚，使其更容易出现机械故障。在氢运输应用中，车辆和加油泵都经常暴露在恶劣的天气条件下，因此结构材料能够在系统的整个生命周期内抵抗腐蚀问题尤为重要。

此外，氢分子可以吸附在不锈钢表面，单个原子分裂。它们的直径非常小，可以扩散到由大得多的铁、镍、铬和钼原子形成的奥氏体晶格中。向 316/316L 不锈钢中的扩散非常缓慢，但在高压和长时间内，晶格中会积聚大量氢原子。这种现象称为氢脆。即使以高浓度存在，氢原子也不会对 316/316L 的强度产生负面影响。然而，如果部件中存在疲劳裂纹，氢原子会使这些裂纹更容易在部件中传播。从长远来看，性能较差的合金可能更容易受到这个问题的影响。

流体系统组件中更高浓度的铬和镍可以通过在关键组件中保持更大的延展性来帮助抵御常见的腐蚀和氢脆。美国材料与试验协会 (ASTM) 要求 316 不锈钢中至少含有 10% 的镍。然而，已经表明，镍含量最低为 12% 的高质量 316 不锈钢更适合氢的独特挑战。

满足氢气系统的需求

虽然有多种压缩管接头和其他类型可能适用于氢燃料系统，但很少有设计用于满足氢应用所需的许多独特性能要求。

世伟洛克的 FK 系列接头是个例外。 FK 系列具有专利设计、EC-79 和 EIHP 认证以及高达 1050 bar 的额定压力，专为氢气应用而设计。它们由 316 不锈钢制成，镍含量最低为 12%，自推出以来已在各种行业和应用中得到广泛应用，并且仍然是当今和未来车辆和基础设施的最佳选择。

氢能运输的长期可行性将取决于安全、可靠和耐用的氢燃料汽车和基础设施。为关键系统选择和指定正确的组件有助于实现这些目标。有兴趣了解更多信息吗？立即联系世伟洛克，讨论我们如何帮助您满足运输需求。