Optimización de la Selección de Componentes para Vehículos con Pilas de Combustible de Hidrógeno

Optimización de la Selección de Componentes para Vehículos con Pilas de Combustible de Hidrógeno

Chuck Hayes, Director de Ingeniería

En todo el mundo se están haciendo importantes inversiones en la movilidad del hidrógeno y la infraestructura que la hace posible.

¿Por qué? A medida que los fabricantes de vehículos tratan de aumentar cada vez más la eficiencia y reducir las emisiones, la tecnología de las pilas de combustible de hidrógeno se ha vuelto cada vez más atractiva. Los vehículos de pila de combustible de hidrógeno utilizan hidrógeno y oxígeno para crear electricidad en una pila de combustible que alimenta un motor eléctrico, ofreciendo un funcionamiento sin emisiones, una gran potencia y el par necesario para aplicaciones de servicio pesado.

Es una tecnología prometedora y un mercado que se mueve y evoluciona rápidamente. Los gobiernos y los líderes de la industria están afrontando los obstáculos a la adopción y están invirtiendo verdaderamente en el apoyo y el desarrollo del transporte mediante el hidrógeno. Desde el punto de vista de los componentes, hemos estado trabajando para proporcionar las soluciones adecuadas para que la tecnología de las pilas de combustible de hidrógeno alcance su máximo potencial, tanto en los vehículos propiamente dichos como en la emergente infraestructura que se requerirá para su adopción a gran escala.

Hay varias consideraciones importantes que deben tenerse en cuenta al seleccionar y especificar los componentes para servicio de hidrógeno y el funcionamiento fiable de los vehículos y la infraestructura. Aquí hay algunos aspectos a tener en cuenta:

La selección de materiales importa. El control de la corrosión es importante en cualquier aplicación en lo que se refiere a los racores para tubo, pero la contención del hidrógeno plantea un desafío específico y único. La fragilidad causada por el hidrógeno puede afectar al acero inoxidable 316, una de las aleaciones más utilizadas para racores, válvulas y tubo, incluidos los que se utilizan habitualmente en la arquitectura de los vehículos de hidrógeno.

El fenómeno se produce, en parte, porque el hidrógeno está compuesto por moléculas tan pequeñas, que pueden desplazarse hacia las paredes de la estructura cúbica del material, desbloqueando sus enlaces moleculares y comprometiendo su integridad. En efecto, la fragilidad inducida por el hidrógeno puede hacer que algunas calidades de acero inoxidable actúen más como hierro fundido: muy frágil y susceptible de agrietarse.

Por lo tanto, los diseñadores de infraestructuras de hidrógeno deben prestar mucha atención a la composición del acero inoxidable. Una mayor concentración de cromo y níquel puede prevenir la fragilidad inducida por el hidrógeno mejorando la ductilidad y resistencia a la corrosión. La Sociedad Americana de Ensayos y Materiales (ASTM por sus siglas en inglés, de American Society of Testing and Materials) requiere un mínimo de 10% de níquel en la composición del acero inoxidable 316, pero el acero inoxidable 316 de mayor calidad con un mínimo de un 12% de níquel es más adecuado para las exigencias únicas del hidrógeno. El acero inoxidable de Swagelok tiene un mínimo de un 12% de níquel

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Rendimiento bajo presión. La resistencia a las fugas es crítica en cualquier sistema de fluidos. Pero en los vehículos de hidrógeno y en las aplicaciones de infraestructuras, hay algunas consideraciones especiales que deben hacerse al seleccionar y especificar los tipos de componentes para hacer las conexiones.

En primer lugar, el hidrógeno se almacena a alta presión; a mayor presión, mayor es la autonomía del vehículo. Los vehículos de hidrógeno actuales almacenan el gas a 350 ó 700 bar (5.000 ó 10.200 psi), dependiendo de las necesidades de la aplicación. Muchas flotas de corta distancia, por ejemplo, utilizan 350 bar (5.000 psi), ya que los vehículos pueden repostar por la noche en una estación de carga central. En aplicaciones de larga distancia como el transporte por carretera, 700 bar (10.000 psi) proporciona una autonomía mucho mayor, donde los fabricantes pronostican hasta 1.000 km (600 millas). Las presiones más altas requieren componentes de mayor rendimiento, y las opciones tradicionales simplemente no son aplicables.

La resistencia a las vibraciones también es crítica. Además de su importancia en las aplicaciones industriales, los accesorios y conexiones en las aplicaciones de hidrógeno deben ser capaces de soportar de manera fiable las vibraciones repetidas y constantes asociadas a un vehículo en movimiento. Los accesorios para tubo conificado y roscado, por ejemplo, se fabrican manualmente. La calidad de la preparación del tubo puede variar dependiendo del instalador, y el hidrógeno es muy severo con las imperfecciones. Las diminutas moléculas del gas pueden escapar a través de los espacios más pequeños, e incluso las fugas más insignificantes pueden convertirse en problemas importantes. Solo una tecnología avanzada y consistente de racores como la de la Serie FK Swagelok, puede ofrecer el rendimiento adecuado.

Componentes específicos de la aplicación. En toda extensión del transporte de hidrógeno, los diferentes vehículos tienen diferentes requisitos de diseño y componentes. Por ejemplo, las flotas de autobuses municipales, un área de oportunidad importante para la energía basada en pilas de combustible de hidrógeno. Debido a que disponen de tanques de almacenamiento en el techo, la arquitectura de los autobuses requiere cierta flexibilidad frente a los vehículos de larga distancia; en este sentido, las mangueras fiables con presiones de servicio hasta 350 bar (5.000 psi) aportan flexibilidad superando en prestaciones a la rigidez del tubo de acero.

Aquí es importante que la selección de la manguera satisfaga los criterios correctos. Por las mismas razones que se deben considerar las aleaciones de acero inoxidable 316 de alto rendimiento para el tubo y los racores en servicio de hidrógeno en vehículos, las mangueras con ánima de polímero y refuerzo de malla metálica, trabajarán bien en los autobuses de hidrógeno. Los diseñadores deberían ver la selección de mangueras con las mismas consideraciones, eligiendo las fabricadas con materiales de alta calidad para tratar una aplicación específica.

Un apoyo robusto. Al tratar de alcanzar el potencial que representa el transporte de hidrógeno, los diseñadores y fabricantes deberían trabajar con proveedores de componentes con una considerable y amplia experiencia en el ámbito del hidrógeno.

Nuestros equipos han trabajado con sistemas de gases, incluyendo el hidrógeno, a lo largo de toda la historia de nuestra organización. Nuestra experiencia en el rendimiento de los componentes y la excelencia en las ciencias de los materiales, combinada con un servicio y un apoyo sólidos y de alcance mundial, puede ayudar a los fabricantes del sector del transporte de hidrógeno a aprovechar nuevas y crecientes oportunidades en cualquier lugar.

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