적절한 피팅이 수소 연료 시스템의 성능을 향상시키는 방법

Jul 07, 2023

2022년 1월 19일

이미지: 어도비 스톡

수소 연료 전지 차량에 대한 연구가 강화됨에 따라 안전하고 신뢰할 수 있는 연료 전지를 개발하는 과제, 즉 수소 자체가 제시하는 과제를 인식하는 것이 중요합니다.

소분자 가스이기 때문에 수소는 아주 작은 틈으로도 새어나올 수 있으며 주변 물질에 흡수될 수 있습니다. 수소 구동 차량의 경우 셀에 필요한 에너지 밀도를 유지하려면 700bar 이상의 압력이 필요합니다(그림 1). 수소가 충전소에 저장되면 가스가 방출되고 압축이 풀리면서 급격한 열 및 압력 변화가 시스템 무결성에 영향을 미칠 수 있습니다. 두 응용 분야 모두에서 누출이 허용되지 않습니다.

이미지: 스웨즈락

그림 1.수소 자동차 연료 공급 시스템은 필요한 에너지 밀도를 달성하기 위해 700bar를 초과하는 압력에서 가스를 저장합니다.

이것이 바로 수소 응용 분야의 피팅, 특히 고압 수소 연료 시스템의 가장 중요한 부품을 연결하는 피팅이 높은 수준의 성능과 신뢰성을 제공할 수 있어야 하는 이유입니다. 오늘날에는 이러한 높아진 성능 요구 사항에 기여할 수 있는 특수 옵션이 제공됩니다. 이 기사에서는 기존의 원추형 및 스레드형 피팅과 비교하여 새로운 피팅 옵션이 어떤 모습인지 살펴보고 새로운 옵션을 수소 응용 분야에 이상적으로 만드는 몇 가지 특정 설계 특성을 강조할 것입니다.

밀봉 견고성

수소는 가장 작은 구멍을 통해 빠져나갈 수 있기 때문에 밀봉 견고성과 누출 저항성은 피팅 설계 및 선택에서 가장 중요한 두 가지 특성입니다.

전통적으로 튜브 연결은 튜브와 피팅 사이의 좁은 표면에 단일 밀봉 접촉 라인을 갖고 있으며 이는 대부분의 액체와 일부 가스에 잘 작동합니다. 그러나 수소에는 그러한 연결을 더욱 약하게 만드는 특정한 특성이 있습니다. 단일 라인 씰은 진동 손상에도 취약합니다.

수소 봉쇄에는 더 긴 밀봉 표면에 걸쳐 두 개의 접촉 선이 포함된 설계가 필요합니다. 하나는 튜브에 있고 다른 하나는 피팅에 있으며 밀봉이 손상되지 않도록 적절한 응력 수준을 제공하기 위해 약간 기울어져 있습니다. 특정 유형의 2페럴 튜브 피팅은 이러한 종류의 씰 무결성을 제공할 수 있습니다.

튜브 그립 강도

피팅이 튜브를 얼마나 강하게 잡는지는 피팅이 고압 수소 충전소에 적합한지, 움직이는 차량의 진동을 견딜 수 있는지 여부를 결정하는 또 다른 중요한 요소입니다.

이미지: 스웨즈락

그림 2. 강화된 전면 페럴(진한 회색)을 통해 피팅이 튜브에 물리적으로 물릴 수 있습니다. 후면 페룰(밝은 회색)은 그립력과 힘을 유지하면서 피팅에서 약간의 움직임을 허용합니다.

적절한 그립 강도를 보장하기 위해 수소 피팅의 이상적인 설계는 두 개의 페룰을 사용하는 콜레트 기계식 그립입니다(그림 2). 피팅에 강화된 전면 페룰이 있는 경우 튜브에 물리적으로 고정되어 높은 압력 등급을 생성할 수 있습니다. 그런 다음 백 페룰은 튜브가 피팅에서 약간 움직일 수 있는 기능("스프링백"이라고 함)을 제공하는 동시에 튜브에 대한 높은 수준의 그립력과 힘을 유지합니다. 이 시스템은 진동에 강하므로 압축기 및 동적 조건으로 인해 심각한 진동 문제가 발생할 수 있는 차량 및 주유소에서 사용하기에 유리합니다.

스프링백 기능을 갖춘 2개의 페룰 설계를 통해 피팅은 급격한 열 변화를 견딜 수 있으며 이로 인해 종종 재료가 늘어나거나 줄어들게 됩니다. 특히 연료를 보급하는 동안 수소 가스 온도는 -50°C에서 실온 사이일 수 있으며 이는 기존 콘 및 스레드 피팅의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

단순화된 설치

잘 설계된 피팅은 설치도 쉬워야 설치 및 조립이 더욱 효율적으로 이루어집니다. 이는 수소 연료 전지 차량 OEM(Original Equipment Manufacturer)과 수소 인프라 개발자에게 특히 중요합니다.