수소 피팅 해부학

수소 피팅 해부학

스웨즈락 총괄 신제품 개발 엔지니어 Charles Hayes와 스웨즈락 제품 매니저 Charles Erml

안전하고 믿을 만하며 누설이 없는 수소 연료 전지 차량 및 인프라를 개발하는 것과 관련하여 가장 어려운 문제는 바로 수소 자체의 특성입니다.

수소는 저분자 가스입니다. 수소는 가장 작은 틈새로도 쉽게 빠져나갈 수 있으며 틈새를 메우도록 설계된 자재로 스며들 수도 있습니다. 운송 분야에서 수소는 차량의 필수 에너지 밀도를 달성할 수 있도록 반드시 700bar를 초과하는 압력 하에 보관해야 합니다. 또한 충전소에서는 수소가 보관 탱크를 벗어나 감압되는 동안, 빠른 온도 및 압력 변화가 시스템의 무결성에 영향을 미칠 수 있습니다.

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이러한 상황은 고압 수소 연료 시스템의 주요 부품에 접합되는 피팅의 타협 없는 성능이 중요함을 시사합니다. 수소 연료 전지 기술 관련 피팅은 반드시 장기적인 안정성에 대해 몇 가지 중요한 특징을 드러내야 합니다. 해당 애플리케이션에서는 전통적인 콘 및 나사 피팅이 사용되고 있지만, 현재 성능이 더욱 우수한 옵션이 제공되고 있습니다. 이 게시글에서는 수소 기술의 이상적인 성능에 기여하는 다음 몇 가지의 특정 피팅 설계 특징을 살펴 보겠습니다.  

씰 견고성

가장 작은 틈새로도 빠져나가는 수소의 성향을 감안하면, 가스 씰 견고성 및 누설 내성은 피팅의 가장 중요한 성능 기준에 포함됩니다.

상당수의 기존 튜브 연결부는 좁은 표면의 단일 접촉 라인을 따라 밀폐되어 있습니다. 이러한 씰이 여러 액체와 일부 가스에는 충분히 통할 수 있으나, 일단 가동되면 수소의 까다로운 특성으로 인해 씰의 성능이 저하될 수 있습니다. 진동 역시 단일 라인 씰에 장애물이 될 수 있습니다.

수소 봉쇄를 더 잘 설계하려면 보다 긴 씰링 표면에 걸쳐 접촉 라인 2개를 배치해야 합니다. 하나는 튜브를 따라, 다른 하나는 피팅을 따라 배치합니다. 이들 접촉 표면은 타협 없는 씰의 유지를 위해 최적 수준의 응력이 가해지도록 약간 기울어져야 합니다. 특정 형태의 2개 페룰 튜브 피팅이 이러한 씰 무결성을 제공할 수 있습니다.

그립 강도

튜브에 대한 피팅의 그립 강도는 또 하나의 핵심 성능 특성으로, 피팅이 수소 연료 충전에 필요한 고압은 물론 달리는 차량 내에서 발생하는 엄청난 진동까지 견딜 수 있게 합니다.

따라서 2개의 페룰을 이용한 콜릿 기계식 그립은 수소 피팅을 위해 견고한 그립을 만들어내는 데 이상적인 설계입니다. 경화된 전면 페룰은 피팅이 튜빙에 물리적으로 맞물리게 하여 압력 등급을 크게 높일 수 있습니다. 한편 후면 페룰의 특수한 설계를 이용하면 피팅을 약간 움직일 수 있으면서도(이를 “스프링 백”이라고 함), 동시에 그립과 힘을 유지할 수 있습니다. 이러한 유형의 설계는 강력한 진동 내성을 만들어내기 때문에 차량 내 작업은 물론, 압축기와 동적 조건으로 인해 엄청난 진동이 발생할 수 있는 충전 인프라에 사용하기에도 이상적입니다.

또한 스프링 백이 가능한 2개 페룰 기계식 설계는 피팅이 자재의 팽창 또는 축소를 유발하는 급격한 열 변화를 견디도록 돕습니다. 충전이 진행되는 동안 수소 가스 온도가 최저 -50ºC에서 주변 온도까지 바뀔 수 있는데, 이로 인해 일반적인 콘 및 나사 피팅 성능에 문제가 생길 수 있습니다.

간단한 설치

올바른 피팅 설계는 사용 중 성능을 안정화시키는 데 매우 중요합니다. 이러한 설계는 수소 연료 전지 차량 OEM과 수소 인프라 개발업체의 설치 및 조립 효율을 크게 높일 수도 있습니다.

사용 가능한 기계식 그립 피팅 중 일부는 사전 조립된 카트리지로 설계됩니다. 설치자는 이를 통해 일반 도구를 사용할 수 있으며 최소한의 교육만 받고도 신속하고 오류 없는 조립을 달성할 수 있습니다. 예전부터 수소 충전 시스템에 사용된 기존 콘 및 나사 피팅과 비교할 때, Swagelok^® FK 시리즈 피팅과 같은 혁신적인 설계는 설치 및 조립상의 상당한 이점을 가져다 줍니다. 콘과 나사를 안정적으로 연결하려면 특수 장비 및 설치자의 고급 역량이 필요하며, 일반적으로 조립 및 테스트에 소요되는 시간이 스웨즈락 FK 시리즈보다 5배 더 소요됩니다. 차량 제조에서는 속도가 생명이며, 쉬운 설치는 수소 인프라가 확장될수록 매우 중요해질 것입니다. 적절한 피팅 기술은 이 두 가지 모두를 가속화할 수 있습니다.

수소 시스템 요건 충족하기

압축 튜브 피팅의 종류가 다양하고 다른 형태를 수소 연료 시스템에 적용하는 것도 가능하지만, 수소 애플리케이션에 필요한 여러 가지 특수한 성능 요건을 충족하도록 설계된 피팅은 극소수에 불과합니다.

스웨즈락의 FK 시리즈 피팅은 예외입니다. 특허받은 설계, EC-79 인증과 EIHP 인증, 최대 1,551bar에 달하는 압력 등급을 갖춘 FK 시리즈는 수소 애플리케이션에 사용할 수 있도록 특수 엔지니어링을 거쳤습니다. 최소 함량 12%의 니켈이 함유된 316 스테인리스강으로 제조된 FK 시리즈는 처음 도입된 이래 다양한 산업 및 애플리케이션에서 사용되고 있으며, 지금도 현재의(그리고 미래의) 차량과 인프라를 위한 최적의 선택사항입니다.

수소 교통 수단의 장기적 사용 가능성은 수소 차량과 인프라의 안전성, 안정성 및 내구성에 따라 달라질 것입니다. 주요 시스템에 적합한 부품을 선택하고 지정하면 이러한 목표를 이루는 데 도움이 될 수 있습니다.

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