Cómo los accesorios adecuados mejoran el rendimiento de los sistemas de combustible de hidrógeno

Jul 07, 2023

19 de enero de 2022

Imagen: Adobe Stock

A medida que se intensifica la investigación de vehículos con celdas de combustible de hidrógeno, es fundamental reconocer el desafío de desarrollar celdas de combustible seguras y confiables, un desafío que presenta el propio hidrógeno.

Al ser un gas de molécula pequeña, el hidrógeno puede filtrarse incluso a través de las grietas más pequeñas y luego ser absorbido por los materiales circundantes. En los vehículos propulsados ​​por hidrógeno, se requieren más de 700 bar de presión para mantener la densidad de energía necesaria en las celdas (Figura 1). Cuando el hidrógeno se almacena en las estaciones de servicio, los rápidos cambios térmicos y de presión pueden afectar la integridad del sistema a medida que el gas se libera y se descomprime. No se permiten fugas en ninguna de las aplicaciones.

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Figura 1.Los sistemas de suministro de combustible para vehículos de hidrógeno almacenan el gas a presiones superiores a 700 bar para lograr la densidad de energía necesaria.

Es por eso que los accesorios en las aplicaciones de hidrógeno, particularmente aquellos que conectan las partes más críticas de los sistemas de combustible de hidrógeno de alta presión, deben ser capaces de brindar altos niveles de rendimiento y confiabilidad. Hoy en día, hay opciones especializadas disponibles para contribuir a esas demandas de alto rendimiento. En este artículo, examinaremos cómo se ven esas nuevas opciones de conexión en comparación con las conexiones tradicionales de cono y rosca y también destacamos algunas características de diseño específicas que hacen que las nuevas opciones sean ideales para aplicaciones de hidrógeno.

Estanqueidad del sello

Dado que el hidrógeno puede escapar a través de las aberturas más pequeñas, la hermeticidad del sello y la resistencia a las fugas son dos de las características más importantes en el diseño y la selección de accesorios.

Tradicionalmente, las conexiones de los tubos tienen una sola línea de contacto de sellado en una superficie estrecha entre el tubo y el accesorio, lo que funciona bien para la mayoría de los líquidos y algunos gases. Sin embargo, el hidrógeno tiene características específicas que hacen que tales conexiones sean más tenues. Los sellos de línea simple también son vulnerables al daño por vibración.

La contención de hidrógeno requiere diseños que incluyan dos líneas de contacto a lo largo de superficies de sellado más largas: una en el tubo y otra en el accesorio, ligeramente inclinadas para proporcionar el nivel de tensión adecuado para mantener los sellos intactos. Los tipos específicos de racores de tubo de dos férulas pueden ofrecer ese tipo de integridad de sellado.

Fuerza de agarre del tubo

La fuerza con la que el accesorio se agarra al tubo es otro elemento crítico para determinar si un accesorio es apropiado para estaciones de servicio de hidrógeno a alta presión, así como si es capaz de soportar las vibraciones de los vehículos en movimiento.

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Figura 2. La férula frontal endurecida (gris oscuro) permite que el accesorio muerda físicamente el tubo. La férula trasera (gris claro) permite una ligera cantidad de movimiento en la conexión mientras mantiene el agarre y la fuerza.

Para garantizar la fuerza de agarre adecuada, el diseño ideal para los accesorios de hidrógeno es un agarre mecánico con dos férulas (Figura 2). Si el accesorio tiene una férula frontal endurecida, puede agarrarse físicamente a la tubería para producir una clasificación de alta presión. Luego, la férula posterior proporciona la capacidad para que el tubo se mueva ligeramente en el accesorio (lo que se denomina "retroceso por resorte") y, al mismo tiempo, mantiene altos niveles de agarre y fuerza en el tubo. Este sistema es resistente a las vibraciones, lo que lo hace ventajoso para su uso en vehículos y en las estaciones de servicio, donde los compresores y las condiciones dinámicas pueden causar importantes desafíos de vibraciones.

Un diseño de dos férulas con capacidad de recuperación elástica también permite que los accesorios resistan cambios térmicos drásticos, que a menudo dan como resultado que los materiales crezcan o se encojan. Particularmente durante el reabastecimiento de combustible, las temperaturas del gas hidrógeno pueden oscilar entre -50 °C y la temperatura ambiente, lo que puede afectar el rendimiento de los accesorios convencionales de cono y rosca.

Instalación simplificada

Los accesorios bien diseñados también deben ser fáciles de instalar, lo que ayuda a que la instalación y los ensamblajes sean más eficientes. Esto es de particular importancia para los fabricantes de equipos originales (OEM) de vehículos con celdas de combustible de hidrógeno y los desarrolladores de infraestructura de hidrógeno.

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Figura 3.Para facilitar el montaje, un cartucho de conexión de la serie FK preensamblado incluye una tuerca macho, dos férulas y un eje de plástico extraíble que encaja en el puerto hembra del cuerpo de la conexión.

En el mercado actual de accesorios, algunos accesorios de agarre mecánico vienen con cartuchos preensamblados (Figura 3), lo que significa que los instaladores a menudo pueden lograr un montaje rápido utilizando herramientas cotidianas con pocas posibilidades de error de instalación. Por el contrario, los instaladores necesitan equipo especializado para instalar conexiones confiables de cono y rosca, junto con habilidades especializadas (Figura 4). Además, la instalación de un racor cónico y roscado requiere hasta cinco veces más tiempo de montaje y prueba que un racor de agarre mecánico como la serie Swagelok FK (Figura 5). En la fabricación de vehículos de hidrógeno, la velocidad es importante y los accesorios más fáciles de instalar ahorran tiempo y dinero a medida que se construye la infraestructura de hidrógeno necesaria para servir al mercado en crecimiento.

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Figura 4.Los accesorios de cono y rosca requieren que los operadores creen manualmente una interfaz de cono (que se muestra) y roscas en ambos extremos de la tubería antes de realizar las conexiones.

Satisfacer las necesidades de los sistemas de hidrógeno

Aunque los estilos de accesorios actuales se pueden usar en sistemas de combustible de hidrógeno, solo hay unos pocos en el mercado que están especialmente diseñados para aplicaciones de hidrógeno.

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Figura 5. Los instaladores pueden ensamblar accesorios de compresión de la serie FK aproximadamente cinco veces más rápido que los accesorios de cono y rosca.

Para llenar ese vacío, los racores de la serie FK de Swagelok tienen un diseño patentado, certificaciones EC 79 y EIHP y presiones nominales de hasta 1551 bar, específicamente para que puedan usarse en aplicaciones de hidrógeno. Están construidos con acero inoxidable 316 con un contenido mínimo de níquel del 12% y se han utilizado ampliamente en industrias y aplicaciones desde su introducción, incluida la infraestructura de vehículos de hoy y de mañana.

Es esencial seleccionar y especificar los componentes adecuados para los sistemas de hidrógeno importantes para garantizar la viabilidad a largo plazo del transporte de hidrógeno. La infraestructura y los vehículos de hidrógeno seguros, fiables y duraderos dependen de ello.

Sobre los autores

Chuck Hayes es ingeniero principal de desarrollo de nuevos productos y Chuck Erml es gerente de producto en Swagelok.

Para obtener más información, descargue el libro blanco Anatomía de una conexión de hidrógeno de Swagelok.