设计氢气无泄漏系统

使用氢作为燃料来源并不是一个新概念。例如，在工业和加工厂的一些应用中，氢已经使用了很多年。最近，氢作为一种可行的能源正在获得关注燃料解决方案在运输行业内，因为它有很多好处。然而，由于许多标准开发工作仍在进行中，在氢组件需要哪些认证以及oem应如何设计其系统以确保安全、无泄漏和高效方面仍存在一些不确定性。

更多的交通工具原始设备制造商评估转向氢燃料，了解成功的关键和避免什么是至关重要的。本文主要关注帮助确保系统设计正确并保持无泄漏的关键注意事项。

氢燃料系统简介

不久之前，氢一度被视为未来的发展方向，预计将主导交通运输行业的许多领域。这是因为与其他替代品相比，氢有几个优点。首先，它是一种清洁、无碳的燃料，在燃料电池中使用时，它的唯一副产品是水。此外，由于其在高压下的压缩能力，它是高效的，可以延长车辆的行驶里程。但是使用氢的挑战包括无泄漏存储，高成本和缺乏基础设施-之前限制了它的增长。

快进到今天，我们看到一些积极的趋势正在改变格局，并为氢燃料电池汽车提供了一条现实的前进道路。供应商已经逐步消除了许多技术限制，并正在努力降低与氢系统相关的成本。

此外，政策制定者和监管机构正在努力鼓励可持续加油基础设施的建设，以支持氢燃料汽车的发展。随着这些趋势的发展，现在正是整车厂考虑如何将氢能融入现有产品和运营的好时机。

气态与液态氢

需要注意的是，氢可以以气体或液体的形式储存在汽车上。就本文而言，我们主要关注气态氢，因为市场上已经有更大的份额在使用气态氢，而且采用的障碍要小得多。虽然液氢可以为汽车提供更远的行驶里程，并可能被证明是未来首选的氢状态，但目前液氢更昂贵，更难处理。

存储也是一个重要的考虑因素。气态和液态氢需要在专门的储罐中储存。气态氢需要高压罐-车载罐350-700巴，加气站罐甚至更高。相比之下，以液体形式储存氢气需要处理低温。

虽然本文的其余部分主要关注气态氢，但以下大多数设计考虑因素都与这两种介质类型一致，重要的是要确保您所使用的组件和供应商了解应用程序的差异和要求。

氢系统中无泄漏连接的重要性

氢分子本身的性质在指定成分时提出了重大挑战。氢气是小分子气体，可以通过最狭窄的缝隙和裂缝逃逸。再加上高存储压力，很容易理解为什么在连接组件时确保无泄漏密封对安全性、效率和总体拥有成本至关重要。

燃料泄漏从来都不是好事，但当氢是燃料来源时，尤其是在泄漏的可燃气体无法消散的封闭区域，燃料泄漏可能会造成特别大的代价和危险。虽然许多技术进步已经使氢的使用更安全，但在选择系统组件时仍有许多安全标准需要考虑。

因此，与了解氢的性质以及如何设计安全高效系统的供应商合作是很重要的。并不是所有的制造商都有使用氢的经验，所以在选择供应商之前一定要询问公司使用这种挥发性燃料的记录。

材料兼容性问题限制了产品的选择

在今天的市场上，氢系统组件的产品选择可能相当有限。许多材料——包括金属和弹性体——将用于更传统的液压和气动应用，要么与氢气不兼容，要么缺乏承受所需存储压力的坚固性。

氢应用的第一个主要问题是氢脆，也被称为氢辅助开裂或氢诱导开裂。其特征是由于吸收氢而降低金属的延展性。

由于氢原子很小，它们更有可能穿透固体金属。一旦被吸收，氢就会降低金属裂纹产生和扩展所需的应力，从而导致脆化。氢脆主要发生在钢中，也发生在铁、镍、钛、钴及其合金中。甚至某些等级的不锈钢也可能不适合与氢气一起使用。

在为氢气系统选择金属组件时，重要的是不仅要检查金属的等级，还要知道它是如何加工和处理的(包括表面光洁度等)，以及它将如何在整个系统中使用。例如，特定等级的不锈钢可以安全地用于系统低压区域，但在高压区域完全不兼容。

对于弹性体，渗透性、温度和兼容性问题也会限制其在氢环境下的使用，特别是在高压应用中。同样，与了解材料兼容性并能推荐适合氢系统的解决方案的供应商合作是很重要的。

当使用氢气时，组件设计的特殊注意事项

虽然合适的选择似乎是一个简单的过程，但在使用更具挑战性的介质(如氢气)时，还有更多的影响和事情需要考虑。如前所述，材料兼容性是首要也是最关键的考虑因素。然而，还有其他几个重要的因素需要检查，从组装，维护，以及特定的应用变量(如振动和包络空间)。例如，在大多数交通方式中普遍存在的振动，包括公路上和非公路上的车辆、火车和公共汽车，可以在系统内引起结构问题并导致泄漏。

在满足了材料兼容性需求之后，考虑各种装配限制也是很重要的。许多运输车辆都有狭窄的空间和狭窄的弯曲，这使得它很难运行管道或使用需要更大间隙的装配过程。在评估选择时，可以先问以下问题:

• 管制造过程中的重复性有多重要?
• 扭矩是装配的首选方法吗?
• 在系统使用寿命的后期维护和更换系统部件(如阀门、过滤器、歧管)的能力有多重要?

当涉及到配件时，决定通常归结为使用压缩配件或o形环面密封(ORFS)配件。压缩接头是一种较老的技术，已经成功地应用于许多使用氢气的应用，特别是在大型工业环境中，如加工厂。ORFS配件最初是为苛刻的农业和建筑市场开发的，在过去的几十年里，由于几个独特的设计特点，使其在运输行业特别具有吸引力，已成功应用于替代燃料市场(CNG, LNG, H2)。

通过在接头设计中引入弹性密封，ORFS接头在较高压力下更加坚固、无泄漏，在高振动应用中具有更好的性能，并且由于可更换的o形环，可以轻松维护。从组装的角度来看，ORFS有很多优点。

首先，ORFS接头的几何形状允许零间隙配合，这使得管道和安装在狭窄空间的过程更加简单。其次，这些配件可以使用扭矩进行组装，这可以实现不同技术人员之间的重复性，以及无论是原始装配还是MRO的工艺一致性。最后，接头的平面意味着不可能出现过度扭矩，因为接头可以承受高达200%的额定扭矩值。所有这些都降低了安装成本，简化了维护，最重要的是，减少了通过管接头的潜在泄漏路径。

今天，有各种各样的ORFS配件，每个都有自己的属性。然而，并不是所有的氢都是一样的，也不是所有的氢都适合使用。这就是为什么与ORFS制造商讨论氢气应用是至关重要的，以确保他们有适当的经验、材料和认证来满足您的系统要求。

与配件一样重要的是，在使用氢气时，它们并不是唯一值得特别考虑的部件。在选择阀门、调节器和过滤器等时，还必须考虑材料兼容性和产品特性。重要的是要查看整个系统以及各种组件如何组合在一起。同样重要的是，选择一个提供全套氢认证产品的供应商——前置和后置调节器——可以简化设计过程，为最终用户提供额外的价值，并确保氢燃料的安全运输。

结论

任何部件都可能成为燃料系统中的薄弱环节并造成泄漏，特别是在使用氢等小分子介质时。因此，一定要仔细评估氢气系统中的每个组件的兼容性，并确认它可以处理整个系统中使用的各种压力。

使用系统方法，与了解氢系统独特挑战和需求的值得信赖的供应商合作，不仅可以确保指定氢批准的组件，还可以确保它们的尺寸适合其燃料系统的区域。这样您就知道应用程序有正确的组件在哪里他们需要设计一个无泄漏的氢气系统。

必须更多地关注整个系统，甚至包括最小的组件，如配件。虽然体积小，经常被忽视，但配件对系统的整体完整性至关重要。现实情况是，氢气系统的设计可以确保每个人都完全安全。有许多工程师致力于确保进入整个系统的每个单独组件都能集成到这些安全系统中。然而，即使是最小的部件，如配件，如果配件不合适，它们也会导致一个良好的燃油系统与一个真正无泄漏的增值系统之间的差异。

作者简介:Cody Yarletts是公司的业务发展经理帕克内森·格林(Nathan Green)是帕克公司的应用工程师。