Assurer la sécurité et la fiabilité dans la technologie des piles à combustible hydrogène

Quatre qualités à rechercher dans les raccords pour la technologie des piles à combustible hydrogène

Charles Hayes, Ingénieur Principal Développement Nouveaux Produits, et Charles Erml, Responsable Produit, Swagelok

L'un des défis les plus formidables dans le développement de véhicules et d'infrastructures à pile à combustible hydrogène sûrs, fiables et étanches est la nature même de l'hydrogène.

L'hydrogène est un gaz à petites molécules. Il peut facilement s'échapper par les plus infimes interstices et diffuser dans les matériaux conçus pour le contenir. Sur le marché du transport, l'hydrogène doit aussi être stocké à des pressions excédant 700 bar pour atteindre la densité énergétique nécessaire sur un véhicule. Et aux stations de ravitaillement, des changements thermiques et de pression rapides peuvent aussi impacter l'intégrité du système quand l'hydrogène quitte les réservoirs de stockage et se décompresse.

Ces circonstances soulignent l'importance d'une performance sans compromis dans les raccords qui joignent les parties critiques des systèmes de carburant hydrogène à haute pression. Les raccords pour la technologie des piles à combustible hydrogène doivent démontrer quelques caractéristiques critiques pour une fiabilité durable. Bien que les raccords cône et filetage traditionnels aient été utilisés dans ces applications, il existe aujourd'hui des options plus performantes. Dans cet article, nous examinerons de près quelques caractéristiques de conception de raccord spécifiques qui font une performance idéale dans la technologie hydrogène :

Étanchéité du joint

Donnée la tendance de l'hydrogène à glisser à travers les plus petites ouvertures, l'étanchéité du joint de gaz et la résistance aux fuites sont parmi les critères de performance les plus importants pour un raccord.

De nombreuses connexions tubulaires traditionnelles sont scellées le long d'une seule ligne de contact sur une surface étroite. Bien que ce joint puisse suffire pour de nombreux liquides et certains gaz, la nature impitoyable de l'hydrogène peut le compromettre une fois en opération. La vibration peut aussi être un défi pour un joint à ligne unique.

Une meilleure conception pour le confinement de l'hydrogène implique deux lignes de contact sur des surfaces de joint plus longues — une le long du tube, et une autre le long du raccord. Ces surfaces de contact devraient être légèrement inclinées, fournissant le niveau de contrainte optimisé pour maintenir un joint sans compromis. Certains styles de raccords tubulaires à double ferrule peuvent délivrer ce genre d'intégrité de joint.

Force de prise

La force de prise du raccord sur le tube est un autre attribut de performance clé qui assure que le raccord peut résister aux hautes pressions requises pour le ravitaillement hydrogène ainsi qu'aux vibrations significatives qui peuvent se produire dans un véhicule en mouvement.

Une prise mécanique à collet utilisant deux ferrules est une conception idéale pour un raccord hydrogène pour créer une prise robuste. Une ferrule avant durcie peut permettre au raccord de mordre physiquement dans le tubage, créant une pression nominale très élevée. Pendant ce temps, une conception unique de ferrule arrière permet une légère quantité de mouvement dans le raccord (appelée « retour élastique ») tout en maintenant la prise et la force. Ce type de conception crée une résistance aux vibrations robuste, idéale pour l'opération embarquée et l'utilisation sur l'infrastructure de ravitaillement, où les compresseurs et conditions dynamiques peuvent créer des vibrations significatives.

Une conception mécanique à double ferrule qui permet le retour élastique aide aussi les raccords à résister aux changements thermiques dramatiques qui peuvent causer l'expansion ou la contraction des matériaux. Pendant le ravitaillement, les températures du gaz hydrogène peuvent varier de -50 °C jusqu'aux températures ambiantes, causant des problèmes dans la performance des raccords cône et filetage conventionnels.

Installation simple

Une conception de raccord appropriée est critique pour une performance fiable en utilisation. Elle peut aussi mener à des efficacités significatives d'installation et d'assemblage pour les OEM de véhicules à pile à combustible hydrogène et les développeurs d'infrastructure hydrogène.

Certains raccords à prise mécanique disponibles sont conçus avec des cartouches pré-assemblées. Cela permet aux installateurs d'utiliser des outils courants et nécessite une formation minimale pour atteindre un assemblage rapide et à l'épreuve des erreurs. Comparés aux raccords cône et filetage traditionnels, qui ont traditionnellement été utilisés dans les systèmes de ravitaillement hydrogène, une conception innovante comme les raccords de la série FK Swagelok® montrent des avantages significatifs d'installation et d'assemblage.

Une connexion cône et filetage fiable nécessite un équipement spécialisé, des niveaux élevés de compétence de l'installateur, et prend généralement 5 fois plus de temps à assembler et tester que la série FK Swagelok. La fabrication de véhicules est une question de vitesse, et la facilité d'installation sera critique alors que l'infrastructure hydrogène monte en échelle. La bonne technologie de raccord peut accélérer les deux.

Intégrité du matériau

Le contrôle de la corrosion est important dans toute application où les raccords tubulaires sont attendus pour fournir une performance fiable. La corrosion se produit quand un atome de métal est oxydé par un fluide, menant à une perte de matériau dans la surface du métal. Cette perte réduit l'épaisseur de paroi d'un composant et le rend plus enclin à la défaillance mécanique. Dans les applications de transport hydrogène, les véhicules et pompes de ravitaillement sont régulièrement exposés à des conditions météorologiques défavorables, rendant surtout important que les matériaux de construction puissent résister à la corrosion problématique tout au long de la vie d'un système.

De plus, les molécules d'hydrogène peuvent être absorbées sur la surface de l'acier inoxydable, et les atomes individuels se séparent. Ils ont un diamètre très petit et peuvent diffuser dans le réseau cristallin austénitique formé par les atomes de fer, nickel, chrome et molybdène bien plus grands. La diffusion dans l'acier inoxydable 316/316L se produit très lentement, mais à hautes pressions et sur de longues périodes, des quantités significatives d'atomes d'hydrogène peuvent s'accumuler dans le réseau. Ce phénomène est connu sous le nom de fragilisation par l'hydrogène. Même présentes à de grandes concentrations, les atomes d'hydrogène n'ont pas tendance à affecter négativement la résistance du 316/316L. Cependant, si des fissures de fatigue sont présentes dans un composant, les atomes d'hydrogène rendraient plus facile la propagation de ces fissures à travers le composant. Les alliages de performance inférieure peuvent être plus sensibles à ce problème sur le long terme.

Des concentrations plus élevées de chrome et nickel dans les composants de systèmes fluides peuvent aider à se défendre contre la corrosion commune et la fragilisation par l'hydrogène en conservant une plus grande ductilité dans les composants critiques. La Société Américaine pour les Tests et Matériaux (ASTM) exige un minimum de 10 % de nickel dans l'acier inoxydable 316. Cependant, il a été démontré que l'acier inoxydable 316 de haute qualité avec 12 % minimum de nickel est mieux adapté aux défis uniques de l'hydrogène.

Répondre aux besoins des systèmes hydrogène

Bien qu'il y ait une variété de raccords tubulaires à compression et d'autres styles qui peuvent être applicables aux systèmes de carburant hydrogène, très peu sont conçus pour satisfaire les nombreuses demandes de performance uniques que les applications hydrogène requièrent.

Les raccords de la série FK Swagelok sont l'exception. Avec une conception brevetée, certifications EC-79 et EIHP, et des pressions nominales jusqu'à 1 050 bar, la série FK a été conçue spécifiquement pour l'utilisation dans les applications hydrogène. Fabriqués en acier inoxydable 316 avec 12 % minimum de teneur en nickel, ils ont trouvé usage dans une grande variété d'industries et applications depuis leur introduction, et restent un choix optimal pour les véhicules et infrastructures d'aujourd'hui — et de demain.

La viabilité à long terme du transport hydrogène dépendra de véhicules et infrastructures hydrogène sûrs, fiables et durables. Sélectionner et spécifier les bons composants pour les systèmes critiques peut aider à atteindre ces objectifs. Intéressé à en savoir plus ? Contactez Swagelok aujourd'hui pour discuter comment nous pouvons aider avec vos besoins de transport.