Comment des raccords appropriés améliorent les performances des systèmes d'alimentation en hydrogène

Jul 07, 2023

19 janvier 2022

Image : Adobe Stock

Alors que la recherche sur les véhicules à pile à combustible à hydrogène s'intensifie, il est essentiel de reconnaître le défi de développer des piles à combustible sûres et fiables - un défi présenté par l'hydrogène lui-même.

Étant un gaz à petite molécule, l'hydrogène peut s'infiltrer même dans les plus petites crevasses, puis être absorbé par les matériaux environnants. Dans les véhicules à hydrogène, plus de 700 bars de pression sont nécessaires pour maintenir la densité d'énergie nécessaire dans les cellules (Figure 1). Lorsque l'hydrogène est stocké dans des stations de ravitaillement, les changements thermiques et de pression rapides peuvent affecter l'intégrité du système lorsque le gaz est libéré et décompressé. Aucune fuite n'est autorisée dans les deux applications.

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Figure 1.Les systèmes d'alimentation en carburant des véhicules à hydrogène stockent le gaz à des pressions supérieures à 700 bars pour atteindre la densité d'énergie nécessaire.

C'est pourquoi les raccords des applications hydrogène, en particulier ceux qui relient les parties les plus critiques des systèmes de carburant à hydrogène haute pression, doivent être capables de fournir des niveaux élevés de performance et de fiabilité. Aujourd'hui, des options spécialisées sont disponibles pour contribuer à ces exigences de performances accrues. Dans cet article, nous examinerons à quoi ressemblent ces nouvelles options de raccord par rapport aux raccords coniques et filetés traditionnels et mettrons également en évidence certaines caractéristiques de conception spécifiques qui rendent les nouvelles options idéales pour les applications à l'hydrogène.

Étanchéité du joint

Étant donné que l'hydrogène peut s'échapper par les plus petites ouvertures, l'étanchéité et la résistance aux fuites sont deux des caractéristiques les plus importantes dans la conception et la sélection des raccords.

Traditionnellement, les raccords de tube ont une seule ligne de contact étanche sur une surface étroite entre le tube et le raccord, ce qui fonctionne bien pour la plupart des liquides et certains gaz. Cependant, l'hydrogène a des caractéristiques spécifiques qui rendent ces connexions plus ténues. Les joints simple ligne sont également vulnérables aux dommages causés par les vibrations.

Le confinement de l'hydrogène nécessite des conceptions qui incluent deux lignes de contact sur des surfaces d'étanchéité plus longues - une sur le tube et une autre sur le raccord, légèrement inclinées pour fournir le niveau de contrainte approprié pour maintenir les joints sans compromis. Des types spécifiques de raccords pour tubes à deux viroles peuvent fournir ce type d'intégrité d'étanchéité.

Force de préhension du tube

La force avec laquelle le raccord saisit le tube est un autre élément critique pour déterminer si un raccord est approprié pour les stations de ravitaillement en hydrogène à haute pression, ainsi que s'il est capable de résister aux vibrations des véhicules en mouvement.

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Figure 2. La virole avant durcie (gris foncé) permet au raccord de mordre physiquement dans le tube. La virole arrière (gris clair) permet un léger mouvement dans le raccord tout en maintenant l'adhérence et la force.

Pour assurer une bonne force de préhension, la conception idéale pour les raccords à hydrogène est une pince mécanique à pince utilisant deux ferrules (Figure 2). Si le raccord a une virole avant durcie, il peut s'agripper physiquement au tube pour produire une pression nominale élevée. Ensuite, la virole arrière permet au tube de se déplacer légèrement dans le raccord (appelé "retour élastique") tout en maintenant simultanément des niveaux élevés d'adhérence et de force sur le tube. Ce système est résistant aux vibrations, ce qui le rend avantageux pour une utilisation dans les véhicules et sur les stations de ravitaillement, où les compresseurs et les conditions dynamiques peuvent causer des problèmes de vibrations importants.

Une conception à deux viroles avec capacité de retour élastique permet également aux raccords de résister à des changements thermiques spectaculaires, qui entraînent souvent la croissance ou le rétrécissement des matériaux. En particulier pendant le ravitaillement en carburant, les températures de l'hydrogène gazeux peuvent varier entre -50°C et la température ambiante, ce qui peut affecter les performances des raccords coniques et filetés conventionnels.

Installation simplifiée

Des raccords bien conçus doivent également être faciles à installer, ce qui rend l'installation et les assemblages plus efficaces. Ceci est particulièrement important pour les fabricants d'équipement d'origine (OEM) de véhicules à pile à combustible à hydrogène et les développeurs d'infrastructures d'hydrogène.

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Figure 3.Pour faciliter l'assemblage, une cartouche de raccord préassemblée de la série FK comprend un écrou mâle, deux viroles et un arbre en plastique amovible qui s'insère dans l'orifice femelle du corps du raccord.

Sur le marché actuel des raccords, certains raccords à prise mécanique sont livrés avec des cartouches préassemblées (Figure 3), ce qui signifie que les installateurs peuvent souvent réaliser un assemblage rapide à l'aide d'outils quotidiens avec peu de risque d'erreur d'installation. À l'inverse, les installateurs ont besoin d'un équipement spécialisé pour installer des raccords filetés et coniques fiables, ainsi que de compétences spécialisées (Figure 4). De plus, l'installation d'un raccord conique et fileté nécessite jusqu'à cinq fois plus de temps d'assemblage et de test qu'un raccord à serrage mécanique comme la série Swagelok FK (Figure 5). Dans la fabrication de véhicules à hydrogène, la rapidité est importante, et des raccords plus faciles à installer permettent d'économiser du temps et de l'argent à mesure que l'infrastructure d'hydrogène nécessaire pour desservir le marché en pleine croissance est en cours de construction.

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Figure 4.Les raccords coniques et filetés nécessitent que les opérateurs créent manuellement une interface conique (illustrée) et des filetages aux deux extrémités du tube avant d'effectuer les connexions.

Répondre aux besoins des systèmes à hydrogène

Bien que les styles de raccords actuels puissent être utilisés dans les systèmes à hydrogène, seuls quelques-uns sur le marché sont spécialement conçus pour les applications à l'hydrogène.

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Figure 5. Les installateurs peuvent assembler les raccords à compression de la série FK environ cinq fois plus rapidement que les raccords coniques et filetés.

Pour combler cette lacune, les raccords de la série FK de Swagelok ont ​​une conception brevetée, les certifications EC 79 et EIHP et des pressions nominales jusqu'à 1 551 bar, spécifiquement pour pouvoir être utilisés dans les applications d'hydrogène. Ils sont construits en acier inoxydable 316 avec une teneur minimale en nickel de 12 % et ont été largement utilisés dans toutes les industries et applications depuis leur introduction, y compris l'infrastructure automobile d'aujourd'hui et de demain.

Il est essentiel de sélectionner et de spécifier les composants appropriés pour les systèmes d'hydrogène importants afin d'assurer la viabilité à long terme du transport de l'hydrogène. Des véhicules et des infrastructures à hydrogène sûrs, fiables et durables en dépendent.

à propos des auteurs

Chuck Hayes est ingénieur en chef du développement de nouveaux produits et Chuck Erml est chef de produit chez Swagelok.

Pour plus d'informations, téléchargez le livre blanc Anatomie d'un raccord à hydrogène de Swagelok.