H₂アプリケーション用水素バルブ

気体システムの動作中にバルブに差圧が発生することがよくあり、その結果、バルブ出口の圧力が入口側よりも高くなります。いわゆる背圧 (入口よりも出口の圧力が高い) により、流れに逆らってバルブが開いたり、意図せず閉じるプロセスが遅れたりする可能性があります。直動式または強制制御用バルブは、その強力な閉鎖ばねにより、より優れた背圧安全性を提供します。EN 161規格は、背圧の安全性およびバルブのクラスに関する優れた基礎を提供します。

周囲温度は、多くのアプリケーションではあまり重要ではありません。周囲温度が50℃を超える場合は、電磁バルブがこの温度での長期使用向けに設計されているかどうかを確認する必要があります。温度が上昇すると、電磁コイルの銅巻線の抵抗が「増加」します。これにより、電力および性能が低下します。水素システムの設置スペース、遮音、機能的保護が制限されている場合、熱の蓄積により性能の低下、ひいては機能の制限が生じる可能性があります。

定置型燃料電池のコンパクトな設計およびスタックへの空間的な近接は、2つの課題を同時に引き起こす可能性があります。第一に、周囲温度が通常より高いこと、第二に、プロセスインターフェースの数が多いことです。各インターフェース自体が水素の少量の漏れを表しており、その後の水素濃縮につながる可能性があります。拡散と温度の結果として、顧客および/またはテストセンターは、スタック制御部をATEXゾーン1またはカテゴリ2と定義することがよくあります。

ジュール・トムソン効果とは、気体が周囲と熱交換することなくスロットルを通して膨張するときに起こる物理現象です。これは気体の温度変化をもたらします。ジュール・トムソン効果では、気体はそのジュール・トムソン係数によって、膨張する際に加熱または冷却されます。この開始点は、気体の逆転温度です。水素の場合、この逆転温度は-80℃以上です。そのため、水素は膨張すると発熱します。

システム内粒子は、望ましくない漏れを引き起こす可能性があります。純水素にかかわらず、試運転前にシステムを確実に洗浄し、ブローすることが重要です。最も小さな粒子であっても、スタックに損傷を与えるだけでなく、バルブシートの硬くて繊細なシール面にも損傷を与えます。したがって、給油または整備による上流の汚染を避けるため、システムにフィルターを取り付けてください。

水素アプリケーションでは、比例バルブに対する要求が特に高くなります。最大40 barの圧力に耐えるだけでなく、高温でも安全に機能する必要があります。圧力と温度の関係は、特に気体の制御において特別な役割を果たします。例えば、酸素を気体状に保つためには、圧力が上昇したときに温度を下げる必要があります。理想気体の法則は、この気体の圧力と温度の関係を説明しています。つまり、一定量の気体および一定の体積では圧力が上昇すると温度が上昇し、その逆も同様です。

他のアプリケーションとは異なり、水素の生産または利用には、特に高い気密性がバルブに要求されます。漏れが発生した場合、これは異常な危険源となり、システムの効率を低下させます。したがって、比例バルブの気密性は10^〜4 mbar∙l/sを確保する必要があります。

• ISO15848 – 工業用アーマチャおよびバルブのテスト手順および漏れクラスを定義
• 技術指示書 (TA) -空気 - 工業プラントからの排出を規制
• ATEX - 爆発の可能性がある雰囲気で使用されるコンポーネントの認証
• ASME B16.34 – 加圧アプリケーションにおけるバルブの要件を規定
• PED - バルブを含む圧力機器の設計と使用を規制
• 製造者宣言 - 性能、品質、信頼性に関するバルブ製造者の認証

エラストマーは原子状水素および分子状水素を透過します。ガス圧が低い場合でも、水素はエラストマーシール材に浸透します。大幅な圧力低下の際、貯蔵された水素をすぐに逃がすことができません。このプロセスにより、シール効果が失われるほどシールがひどく損傷します。シール材上に気泡が形成される場合は、爆発的減圧の兆候です。損傷は、切り替えプロセスの際の高い差圧によって発生します。したがって、バルブの適切な材料の選択に注意を払う必要があります。Peekは、非常に高い圧力の場合の最初の選択肢です。

水素脆化は、ステンレス鋼の金属格子への水素原子の侵入によって引き起こされる機械的特性の変化です。動作上高いH ₂システム圧力がこのプロセスを促進します。いわゆる水素誘起応力腐食割れの結果、金属に微小亀裂が発生し、機械的特性が損なわれることがあります。ステンレス鋼の降伏強度が低下し、材料が脆くなります。  電磁バルブの特に動的負荷がかかるコンポーネントは、プラグ付きのコアガイドチューブなどです。荷重変化に対応できるだけでなく、磁性鋼および非磁性鋼を使用しています。溶接工程などで生じる脆弱箇所を回避するために、水素高圧弁の構成部品はねじ止めされ、密閉されています。  

これについては、圧力範囲と予想される最大漏れ量の問題があります。外部に対する気密性は、通常、1x 10^-5 mbar l/sの範囲で耐用年数を損なうことなく実現できます。バルブシートの動的シール点では、より複雑になります。シート漏れ、最大1,000 barの圧力または-40 °Cの流体温度で10^-4 ml/sのシート漏れを実現するには、ハードシールと精密な機構が必要になります。高い閉止力により、金属シールとプラスチックシールの両方に極度のストレスがかかります。切替サイクル数が増加するにつれて、シート漏れが少ないことを保証するために水素エリアのバルブはサービス間隔の影響を受けることになります。約8万～10万回の切替サイクル後にテストすることをお勧めします。

電解中に生成される水素の圧力は30～40 barです。商業的に使用する場合は、保管および輸送する必要があります。この目的のために、ガスコンプレッサーを2～3段階で使用して160または350 barまで圧縮し、複数のシリンダーで輸送、または貯蔵タンクに保管します。ガソリンスタンドの運営では、中間貯蔵施設 (内容量0.4～1.2 t) の貯蔵圧力が500または1,034 bar (15,000 psi) に増加します。これにより、溢出を使用して受動的な供給 (コンプレッサーなし) を行うことができます。中間貯蔵施設の蓄えにより、約30回タンクを充填することができます。車両の最大許容タンク温度は85 °Cです。水素はタンク内で膨張し、フィラーネックの温度が上昇するため、圧縮後に-10～-40 °Cまで冷却されます。環境からの凝縮水が冷たいバルブケースに溜まるため、高圧バルブは外部から氷結します。プラスチックスリーブがバルブを氷結から保護し、耐久性を高めます。