Оптимизация выбора компонентов для транспортных средств на водородных топливных элементах

Оптимизация выбора компонентов для транспортных средств на водородном топливе

Чак Хейз (Chuck Hayes), главный инженер

Во всем мире в сектор транспортных средств на водородном топливе и соответствующую инфраструктуру вкладываются значительные инвестиции.

Почему? По мере того как производители транспортных средств стремятся все больше и больше повышать эффективность и снижать выбросы, производство и применение водородных топливных элементов становится все более привлекательным. Транспортные средства на водородных топливных элементах используют газообразный водород и кислород для вырабатывания электричества в топливном элементе; электричество приводит в действие электродвигатель, во время работы которого не образуются вредные выбросы, при этом мощность и крутящий момент двигателя позволяют применять его в тяжелых условиях эксплуатации.

Это перспективная технология, и рынок быстро и активно развивается. Правительства и ведущие компании отрасли направляют свои силы на устранение барьеров к внедрению технологии и реально вкладывают средства в поддержку и развитие транспорта на водороде. Что касается компонентов, то мы работаем над разработкой подходящих решений для производства и применения водородных топливных элементов, которые позволили бы использовать весь потенциал этой технологии как в отношении самих транспортных средств, так и в отношении активно формирующейся инфраструктуры, которая потребуется при масштабном внедрении технологии.

Для обеспечения надежной работы транспортных средств и инфраструктуры необходимо обращать внимание на ряд важных факторов при выборе компонентов для транспортных средств на водородном топливе и составлении технических условий для их производства. Необходимо принимать во внимание следующее.

Материал имеет значение. Предотвращение коррозии имеет важное значение при любом применении трубных обжимных фитингов, но влияние водорода — это особый, уникальный вызов. Присутствие водорода может приводить к охрупчиванию нержавеющей стали 316, сплава, который широко используется для изготовления фитингов, клапанов и трубок, в том числе тех, которые часто используются в компоновке транспортных средств на водородном топливе.

В частности, данное явление имеет место из-за того, что водород состоит из очень маленьких молекул — настолько маленьких, что водород может проникать в стенки кристаллической решетки материала, разрывая молекулярные связи и нарушая целостность материала. В сущности, в присутствии водорода некоторые марки нержавеющей стали могут охрупчиваться и вести себя скорее как чугун: становиться очень хрупкими и предрасположенными к образованию трещин.

Следовательно, разработчики инфраструктуры для транспортных средств на водородном топливе должны обращать особое внимание на состав нержавеющей стали. Высокое содержание хрома и никеля может предотвратить водородное охрупчивание благодаря повышению пластичности и стойкости к коррозии. Согласно требованиям Американского общества по испытанию материалов (American Society for Testing and Materials, ASTM) нержавеющая сталь 316 должна содержать как минимум 10 % никеля, но для водородных систем лучше подходит нержавеющая сталь 316 более высокого качества с содержанием никеля 12 %. Компания Swagelok использует нержавеющую сталь с содержанием никеля как минимум 12 %.

Подробнее об учебном курсе Swagelok по материаловедению

Работа под давлением. В жидкостных и газовых системах отсутствие утечек крайне важно. Однако применение в транспортных средствах на водородном топливе и соответствующей инфраструктуре требует особого внимания при выборе компонентов для соединений и составлению технических условий для их производства.

Прежде всего следует отметить, что водород находится под высоким давлением; чем выше давление, тем больше дальность следования транспортного средства. На сегодняшний день в транспортных средствах на водородном топливе газ находится под давлением 350 или 700 бар (5000 или 10 200 фунтов на кв. дюйм) в зависимости от требований области применения. Например, на многих транспортных средствах, совершающих поездки на короткие расстояния, используется давление 350 бар (5000 фунтов на кв. дюйм), когда каждое транспортное средство может каждый вечер вернуться на центральную станцию для заправки. В транспортных средствах, совершающих поездки на более длинные расстояния, например на грузовиках, используется давление 700 бар (10 000 фунтов на кв. дюйм), которое обеспечивает дальность следования до 1000 км (400 миль). Чем выше давление, тем должна быть выше надежность компонентов, и традиционные варианты исполнения просто исключены.

Виброустойчивость также крайне важна. Наряду с тем что виброустойчивость важна в промышленных системах, фитинги и соединения для применения в водородных системах должны быть надежными и выдерживать повторяющиеся и постоянные вибрации, связанные с движением транспортного средства. К примеру, соединения на основе фитингов с конусом и резьбой выполняются вручную. Качество подготовки трубок зависит от лица, осуществляющего монтаж, а водород не прощает несовершенства. Может происходить утечка крохотных молекул газа через ничтожно малые зазоры, и даже самые незначительные утечки могут стать большой проблемой. Только современные надежные фитинги, такие как фитинги Swagelok серии FK, могут обеспечить надежную работу.

Компоненты для конкретных областей применения. Несмотря на общие принципы устройства транспортных средств на водородном топливе, у разных транспортных средств разные требования к конструкции и компонентам. Возьмем, к примеру, городские автобусы, наиболее перспективный вид транспорта для применения энергии водородных топливных элементов. Из-за того, что у них баки для хранения топлива размещаются на крышах, топливная система автобуса требует наличия некоторой гибкости по сравнению с транспортными средствами для перевозок на дальние расстояния; соответственно, такую гибкость могут обеспечить шланги, способные выдержать давление 350 бар (5000 фунтов на кв. дюйм), а не система жестких стальных трубок.

В этом случае важно, чтобы выбор шлангов осуществлялся по правильным критериям. По тем же причинам, по которым в водородных системах следует рассматривать использование трубок и фитингов из высококачественной нержавеющей стали 316, шланги с полимерной центральной трубкой и металлической оплеткой не подойдут для использования в автобусах на водородном топливе. Разработчики должны подходить к выбору шлангов с учетом тех же факторов и выбирать шланги из высококачественных материалов, подходящих для конкретных областей применения.

Надежное техническое обслуживание. Стремясь к максимальному использованию потенциала транспортных средств на водородном топливе, разработчики и производители должны стремится к сотрудничеству с поставщиками компонентов, у которых есть обширный опыт в этой сфере.

Наши специалисты работают с газовыми системами, в том числе и с водородом, на протяжении всей истории нашей организации. Наш опыт в обеспечении работоспособности компонентов и глубокое знание материалов в сочетании с надежным обслуживанием и технической поддержкой по всему миру могут помочь производителям транспортных средств на водородном топливе не упустить новые и растущие возможности в этой сфере.

Хотите узнать больше? Свяжитесь с компанией Swagelok уже сегодня и узнайте, как мы можем помочь вам создать надежные транспортные средства на водородном топливе и построить инфраструктуру для них.

Узнать подробнее о решениях Swagelok для транспортных средств на водородном топливе