Wie richtige Armaturen die Leistung von Wasserstoff-Kraftstoffsystemen verbessern

Jul 07, 2023

19. Januar 2022

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Da die Forschung an Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen intensiviert wird, ist es von entscheidender Bedeutung, die Herausforderung der Entwicklung sicherer und zuverlässiger Brennstoffzellen anzuerkennen – eine Herausforderung, die Wasserstoff selbst mit sich bringt.

Da es sich um ein kleinmolekulares Gas handelt, kann Wasserstoff selbst durch kleinste Spalten entweichen und dann von den umgebenden Materialien absorbiert werden. Bei wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen sind mehr als 700 bar Druck erforderlich, um die nötige Energiedichte in den Zellen aufrechtzuerhalten (Abbildung 1). Wenn Wasserstoff an Tankstellen gespeichert wird, können die schnellen Temperatur- und Druckänderungen die Systemintegrität beeinträchtigen, wenn das Gas freigesetzt und dekomprimiert wird. In beiden Anwendungen sind keine Undichtigkeiten zulässig.

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Abbildung 1.Wasserstoff-Kraftstoffversorgungssysteme für Fahrzeuge speichern das Gas bei Drücken von über 700 bar, um die erforderliche Energiedichte zu erreichen.

Aus diesem Grund müssen die Armaturen in Wasserstoffanwendungen, insbesondere diejenigen, die die kritischsten Teile von Hochdruck-Wasserstoff-Brennstoffsystemen verbinden, ein hohes Maß an Leistung und Zuverlässigkeit bieten. Heutzutage stehen spezielle Optionen zur Verfügung, um diesen erhöhten Leistungsanforderungen gerecht zu werden. In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie diese neuen Anschlussoptionen im Vergleich zu herkömmlichen Konus- und Gewindeanschlüssen aussehen, und auch einige spezifische Designmerkmale hervorheben, die die neuen Optionen ideal für Wasserstoffanwendungen machen.

Dichtheit der Dichtung

Da Wasserstoff durch kleinste Öffnungen entweichen kann, sind Dichtigkeit und Leckagesicherheit zwei der wichtigsten Merkmale bei der Armaturenkonstruktion und -auswahl.

Traditionell verfügen Rohrverbindungen über eine einzelne Dichtungskontaktlinie auf einer schmalen Fläche zwischen Rohr und Anschlussstück, was für die meisten Flüssigkeiten und einige Gase gut funktioniert. Allerdings weist Wasserstoff spezifische Eigenschaften auf, die solche Verbindungen schwieriger machen. Einleitungsdichtungen sind außerdem anfällig für Vibrationsschäden.

Für die Eindämmung von Wasserstoff sind Konstruktionen erforderlich, die zwei Kontaktlinien über längere Dichtungsflächen umfassen – eine am Rohr und eine andere am Anschlussstück, die leicht abgewinkelt sind, um das richtige Spannungsniveau bereitzustellen, damit die Dichtungen nicht beeinträchtigt werden. Bestimmte Arten von Rohrverschraubungen mit zwei Klemmringen können diese Art der Dichtungsintegrität gewährleisten.

Rohrgriffstärke

Wie stark die Armatur das Rohr greift, ist ein weiterer entscheidender Faktor bei der Entscheidung, ob eine Armatur für Hochdruck-Wasserstofftankstellen geeignet ist und ob sie den Vibrationen fahrender Fahrzeuge standhalten kann.

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Figur 2. Die gehärtete vordere Zwinge (dunkelgrau) sorgt dafür, dass sich die Verschraubung fest in den Schlauch einklemmt. Die hintere Zwinge (hellgrau) ermöglicht eine leichte Bewegung in der Armatur und behält gleichzeitig Halt und Kraft.

Um die richtige Griffstärke zu gewährleisten, ist das ideale Design für Wasserstoffarmaturen ein mechanischer Spanngriff mit zwei Zwingen (Abbildung 2). Wenn die Verschraubung vorne eine gehärtete Zwinge hat, kann sie in das Rohr eingreifen und so einen Hochdruckbereich erzeugen. Die hintere Klemmhülse ermöglicht es dem Rohr dann, sich leicht in der Verschraubung zu bewegen (sogenanntes „Rückfedern“), während gleichzeitig ein hohes Maß an Halt und Kraft auf das Rohr ausgeübt wird. Dieses System ist vibrationsfest und daher vorteilhaft für den Einsatz in Fahrzeugen und an Tankstellen, wo Kompressoren und dynamische Bedingungen erhebliche Vibrationsprobleme verursachen können.

Dank der Konstruktion mit zwei Klemmhülsen und der Fähigkeit zur Rückfederung können die Fittings auch dramatischen thermischen Veränderungen standhalten, die häufig dazu führen, dass Materialien wachsen oder schrumpfen. Insbesondere beim Betanken können die Temperaturen des Wasserstoffgases zwischen -50 °C und Raumtemperatur liegen, was die Leistung herkömmlicher Konus- und Gewindeanschlüsse beeinträchtigen kann.

Vereinfachte Installation

Gut durchdachte Beschläge sollten außerdem einfach zu installieren sein und so zu einer effizienteren Installation und Montage beitragen. Dies ist von besonderer Bedeutung für Erstausrüster (OEMs) von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen und Entwickler von Wasserstoff-Infrastrukturen.

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Figur 3.Zur einfacheren Montage enthält eine vormontierte Fitting-Kartusche der FK-Serie eine Außenmutter, zwei Aderendhülsen und einen abnehmbaren Kunststoffdorn, der in den Innenanschluss des Fitting-Körpers passt.

Auf dem heutigen Markt für Armaturen werden einige Armaturen mit mechanischem Griff mit vormontierten Kartuschen geliefert (Abbildung 3), was bedeutet, dass Installateure die Montage mit gewöhnlichen Werkzeugen oft schnell durchführen können, ohne dass die Gefahr von Installationsfehlern gering ist. Umgekehrt benötigen Installateure spezielle Ausrüstung, um zuverlässige Kegel- und Gewindeverbindungen zu installieren, sowie spezielle Fähigkeiten (Abbildung 4). Darüber hinaus erfordert die Installation einer Konus- und Gewindeverschraubung bis zu fünfmal mehr Montage- und Prüfzeit als eine mechanische Klemmverschraubung wie die Swagelok FK-Serie (Abbildung 5). Bei der Herstellung von Wasserstofffahrzeugen ist Geschwindigkeit wichtig und einfacher zu installierende Armaturen sparen Zeit und Geld, während die notwendige Wasserstoffinfrastruktur zur Bedienung des wachsenden Marktes aufgebaut wird.

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Figur 4.Bei Konus- und Gewindeanschlüssen müssen Bediener manuell eine Konusschnittstelle (siehe Abbildung) und Gewinde an beiden Enden des Rohrs erstellen, bevor sie Verbindungen herstellen.

Den Anforderungen von Wasserstoffsystemen gerecht werden

Obwohl aktuelle Anschlussarten in Wasserstoff-Kraftstoffsystemen verwendet werden können, gibt es auf dem Markt nur eine Handvoll Armaturen, die speziell für Wasserstoffanwendungen entwickelt wurden.

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Abbildung 5. Installateure können Klemmringverschraubungen der FK-Serie etwa fünfmal schneller montieren als Konus- und Gewindeanschlüsse.

Um diese Lücke zu schließen, verfügen die Fittings der FK-Serie von Swagelok über ein patentiertes Design, EC 79- und EIHP-Zertifizierungen sowie Druckwerte bis zu 1551 bar, sodass sie speziell in Wasserstoffanwendungen eingesetzt werden können. Sie bestehen aus Edelstahl 316 mit einem Nickelgehalt von mindestens 12 % und werden seit ihrer Einführung in zahlreichen Branchen und Anwendungen eingesetzt, darunter auch in der Fahrzeuginfrastruktur von heute und morgen.

Es ist wichtig, die richtigen Komponenten für wichtige Wasserstoffsysteme auszuwählen und zu spezifizieren, um die langfristige Rentabilität des Wasserstofftransports sicherzustellen. Sichere, zuverlässige und langlebige Wasserstofffahrzeuge und -infrastrukturen sind darauf angewiesen.

Über die Autoren

Chuck Hayes ist leitender Ingenieur für die Entwicklung neuer Produkte und Chuck Erml ist Produktmanager bei Swagelok.

Für weitere Informationen laden Sie Swageloks Whitepaper „Anatomy of a Hydrogen Fitting“ herunter.