適切な取り付けにより水素燃料システムの性能がどのように向上するか

Jul 07, 2023

2022 年 1 月 19 日

画像: Adob​​e Stock

水素燃料電池自動車の研究が強化されるにつれ、安全で信頼性の高い燃料電池を開発するという課題、つまり水素自体によってもたらされる課題を認識することが重要です。

水素は低分子ガスであるため、たとえ小さな隙間からも漏れ、周囲の物質に吸収される可能性があります。 水素で動く自動車では、セル内で必要なエネルギー密度を維持するために 700 bar 以上の圧力が必要です (図 1)。 水素が給油ステーションで保管されている場合、ガスが放出されて減圧されるときに、急速な熱と圧力の変化がシステムの完全性に影響を与える可能性があります。 どちらの用途でも漏れは許されません。

画像: スウェージロック

図1。水素自動車の燃料供給システムは、必要なエネルギー密度を達成するために 700 bar を超える圧力でガスを貯蔵します。

そのため、水素用途の継手、特に高圧水素燃料システムの最も重要な部品を接続する継手は、高レベルの性能と信頼性を実現できなければなりません。 現在、こうした高いパフォーマンス要求に応えるための特殊なオプションが用意されています。 この記事では、これらの新しいフィッティング オプションが従来のコーンとネジのフィッティングと比較してどのようなものかを検証し、新しいオプションを水素用途に最適にするいくつかの具体的な設計特性にも焦点を当てます。

シールの気密性

水素は最小の開口部から逃げる可能性があるため、シールの気密性と耐漏れ性は継手の設計と選択において最も重要な特性の 2 つです。

従来、チューブ接続では、チューブとフィッティングの間の狭い表面に 1 本のシール接触があり、ほとんどの液体と一部の気体に適しています。 しかし、水素には、そのようなつながりをより希薄にする特有の特性があります。 単線シールは振動による損傷にも弱いです。

水素を封じ込めるには、より長いシール面全体に 2 つの接触線を含む設計が必要です。1 つはチューブ上、もう 1 つは継手上で、シールを妥協しないように適切な応力レベルを提供するためにわずかに角度が付けられています。 特定のタイプの 2 フェルール チューブ継手は、この種のシールの完全性を実現できます。

チューブグリップ力

継手がチューブをどれだけ強くグリップするかは、継手が高圧水素給油ステーションに適しているかどうか、また走行中の車両の振動に耐えられるかどうかを決定するもう 1 つの重要な要素です。

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図2。硬化されたフロントフェルール (ダークグレー) により、フィッティングがチューブに物理的に食い込みます。 バックフェルール (ライトグレー) により、グリップと力を維持しながら、フィッティング内のわずかな動きを許容します。

適切なグリップ強度を確保するための水素フィッティングの理想的な設計は、2 つのフェラルを使用した集合型メカニカル グリップです (図 2)。 継手のフロントフェルールが硬化している場合、チューブに物理的にグリップして高圧定格を生成することができます。 次に、バックフェルールは、チューブが継手内でわずかに動く能力 (「スプリングバック」と呼ばれます) を提供すると同時に、チューブに対する高レベルのグリップと力を維持します。 このシステムは耐振動性があるため、コンプレッサーや動的条件によって重大な振動の問題が発生する可能性がある車両や給油ステーションでの使用に有利です。

スプリングバック機能を備えた 2 つのフェルール設計により、継手は、多くの場合材料の膨張または収縮を引き起こす劇的な熱変化に耐えることができます。 特に燃料補給中は、水素ガスの温度が -50°C から室温まで変動する可能性があり、従来のコーンおよびネジ継手の性能に影響を与える可能性があります。

簡単な設置

また、適切に設計された継手は取り付けが簡単である必要があり、取り付けと組み立ての効率が向上します。 これは、水素燃料電池自動車の相手先商標製品製造業者 (OEM) および水素インフラ開発者にとって特に重要です。

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図3.組み立てを容易にするため、事前に組み立てられた FK シリーズ フィッティング カートリッジには、オス ナット、2 つのフェルール、およびフィッティング本体のメス ポートにフィットする取り外し可能なプラスチック アーバーが含まれています。

今日の継手市場では、一部のメカニカル グリップ 継手には組み立て済みのカートリッジが付属しています (図 3)。これは、設置者が日常の工具を使用して、取り付けエラーの可能性がほとんどなく、迅速な組み立てを実現できることを意味します。 逆に、設置者には、専門的なスキルとともに、信頼性の高いコーンとネジの接続を取り付けるための専門的な機器が必要です (図 4)。 さらに、コーンとネジのフィッティングの取り付けには、Swagelok FK シリーズのような機械式グリップ フィッティングに比べて最大 5 倍の組み立て時間とテスト時間が必要です (図 5)。 水素自動車の製造ではスピードが重要であり、成長する市場にサービスを提供するために必要な水素インフラが構築されているため、取り付けが簡単なフィッティングにより時間とコストが節約されます。

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図4.コーンおよびネジ継手では、接続を行う前にオペレーターが手動でコーン インターフェイス (図示) とチューブの両端にネジを作成する必要があります。

水素システムのニーズに応える

現在の取り付けスタイルは水素燃料システムで使用できますが、特に水素用途向けに設計されたものは市場にはほんのわずかしかありません。

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図 5. 設置者は、FK シリーズ圧縮継手を、コーンおよびねじ継手よりも約 5 倍速く組み立てることができます。

このギャップを埋めるために、スウェージロックの FK シリーズ 継手は特許取得済みの設計、EC 79 および EIHP 認証、および最大 1551 bar の圧力定格を備えており、特に水素用途で使用できるようにしています。 これらは最低 12% のニッケル含有量を含む 316 ステンレス鋼で作られており、その導入以来、今日および将来の車両インフラを含む業界および用途にわたって広く使用されています。

水素輸送の長期的な実行可能性を確保するには、重要な水素システムに適切なコンポーネントを選択して指定することが不可欠です。 安全、信頼性、耐久性に優れた水素自動車とインフラは水素に依存しています。

著者について

Chuck Hayes は新製品開発主任エンジニアであり、Chuck Erml は Swagelok の製品マネージャーです。

詳細については、スウェージロックの水素継手の構造に関するホワイト ペーパーをダウンロードしてください。