Optimisation de la sélection des composants pour les véhicules à pile à combustible à hydrogène

Optimisation de la sélection des composants pour les véhicules à pile à combustible à hydrogène

Chuck Hayes, ingénieur principal

Partout dans le monde, des investissements importants sont réalisés dans la mobilité hydrogène et les infrastructures qui la rendent possible.

Pourquoi? Alors que les constructeurs automobiles cherchent à atteindre une efficacité de plus en plus élevée et à réduire les émissions, la technologie des piles à combustible à hydrogène est devenue de plus en plus attrayante. Les véhicules à pile à combustible à hydrogène utilisent de l'hydrogène gazeux et de l'oxygène pour créer de l'électricité dans une pile à combustible qui alimente un moteur électrique, offrant un fonctionnement à zéro émission, une puissance importante et le couple requis pour les applications intensives.

C'est une technologie prometteuse et un marché qui bouge et évolue rapidement. Les gouvernements et les chefs de file de l'industrie s'attaquent aux obstacles à l'adoption et investissent véritablement dans le soutien et le développement du transport à l'hydrogène. Du point de vue des composants, nous nous sommes efforcés de fournir les bonnes solutions pour que la technologie des piles à combustible à hydrogène atteigne son plein potentiel, à la fois dans les véhicules eux-mêmes et dans le cadre de l'infrastructure en plein essor qui sera nécessaire pour une adoption à grande échelle.

Plusieurs considérations importantes doivent être prises en compte lors de la sélection et de la spécification des composants hydrogène pour un fonctionnement fiable des véhicules et des infrastructures. Voici quelques éléments à garder à l'esprit :

La sélection des matériaux est importante

Le contrôle de la corrosion est important dans toute application où les raccords de tubes sont concernés, mais le confinement de l'hydrogène pose un défi spécifique et unique. La fragilisation par l'hydrogène peut avoir un impact sur l'acier inoxydable 316, un type d'alliage répandu utilisé pour les raccords, les vannes et les tubes, y compris ceux couramment utilisés dans l'architecture des véhicules à hydrogène.

Le phénomène se produit, en partie, parce que l'hydrogène est composé de très petites molécules - si petites que l'hydrogène peut se déplacer dans les parois du réseau cubique du matériau, déballant ses liaisons moléculaires et compromettant l'intégrité du matériau. En effet, la fragilisation par l'hydrogène peut faire en sorte que certaines nuances d'acier inoxydable agissent davantage comme de la fonte :très cassantes et susceptibles de se fissurer.

Ainsi, les concepteurs d'infrastructures hydrogène doivent porter une attention particulière à la composition de l'acier inoxydable. Une concentration plus élevée de chrome et de nickel peut se défendre contre la fragilisation par l'hydrogène en favorisant une plus grande ductilité et résistance à la corrosion. L'American Society for Testing and Materials (ASTM) exige un minimum de 10 % de nickel dans les formulations d'acier inoxydable 316, mais l'acier inoxydable 316 de qualité supérieure avec un minimum de 12 % de nickel est mieux adapté aux défis uniques de l'hydrogène. Swagelok utilise de l'acier inoxydable contenant au moins 12 % de nickel.

Performances sous pression

La résistance aux fuites est essentielle dans tout système de fluide. Mais dans les véhicules à hydrogène et les applications d'infrastructure, certaines considérations particulières doivent être prises en compte lors de la sélection et de la spécification des types de composants lors de la réalisation des connexions.

Premièrement, le stockage de l'hydrogène est hautement pressurisé; plus la pression est élevée, plus l'autonomie du véhicule est grande. Les véhicules à hydrogène d'aujourd'hui stockent le gaz à 350 bar ou 700 bar (5 000 psi ou 10 200 psi), selon les besoins de l'application. De nombreuses flottes à courte portée, par exemple, utilisent 350 bars (5 000 psi), sachant que chaque véhicule peut retourner à un hub central chaque nuit pour faire le plein. Dans les applications à longue portée comme le camionnage, 700 bar (10 000 psi) offre une portée beaucoup plus longue, là où les fabricants visent 400 miles (1 000 km). Des pressions plus élevées nécessitent des composants plus performants et les options traditionnelles ne sont tout simplement pas applicables.

La résistance aux vibrations est également essentielle. Bien qu'importants dans les applications industrielles, les raccords et les connexions dans les applications à l'hydrogène doivent pouvoir résister de manière fiable aux vibrations répétées et constantes associées à un véhicule en mouvement. Les raccords coniques et filetés, par exemple, sont réalisés manuellement. La qualité de la préparation des tubes peut varier en fonction de l'installateur et l'hydrogène ne pardonne pas les imperfections. Le gaz de minuscules molécules peut s'échapper même dans les espaces les plus minuscules, et même les plus petites fuites peuvent devenir un problème majeur. Seule une technologie avancée et cohérente, telle que la série FK de Swagelok, peut fournir les bonnes performances.

Composants spécifiques à l'application

Dans l'ensemble de l'espace de transport de l'hydrogène, différents véhicules ont des exigences de conception et de composants différentes. Considérons les flottes d'autobus municipaux, un secteur d'opportunités de choix pour l'énergie des piles à combustible à hydrogène. Parce qu'ils ont des réservoirs de stockage sur le toit, l'architecture des bus nécessite une certaine flexibilité inhérente par rapport aux véhicules long-courriers; en tant que tels, des tuyaux fiables pouvant supporter 350 bars (5 000 psi) offrent une certaine flexibilité au lieu de la rigidité des tubes en acier.

Ici, il est important que la sélection des tuyaux réponde aux bons critères. Pour les mêmes raisons que les formulations en acier inoxydable 316 hautes performances doivent être envisagées pour les tubes et les raccords dans les applications d'hydrogène à tous les niveaux, les tuyaux à âme en polymère avec métal sur tresse ne le couperont pas dans les bus à hydrogène. Les concepteurs doivent considérer la sélection des flexibles avec les mêmes considérations, en choisissant ceux fabriqués avec des matériaux de haute qualité pour gérer une application spécifique.

Assistance robuste

En cherchant à atteindre le potentiel que représente le transport de l'hydrogène, les concepteurs et les fabricants devraient chercher à travailler avec des fournisseurs de composants possédant une expertise considérable et étendue dans le domaine de l'hydrogène.

Nos équipes ont travaillé avec des systèmes gazeux, y compris l'hydrogène, tout au long de l'histoire de notre organisation. Notre expertise en matière de performances des composants et d'excellence en science des matériaux, associée à un service et à une assistance robustes à l'échelle mondiale, peut aider les fabricants du secteur du transport de l'hydrogène à saisir partout de nouvelles opportunités croissantes.

Intéressé à en savoir plus? Contactez Swagelok dès aujourd'hui pour découvrir comment nous pouvons vous aider à construire des véhicules et des infrastructures de transport à hydrogène fiables.