- ¿Qué tipo de medios necesitan ser sellados en los sistemas de pilas de combustible?
- ¿Cuáles son los requisitos específicos para el hidrógeno en el contexto del sellado de válvulas de pilas de combustible?
- ¿Cuál es la diferencia entre el sellado estático y el sellado dinámico?
- Sellos para válvulas de hidrógeno en sistemas de procesamiento de combustible
- Diseño de válvulas y tipos de válvulas y su impacto en la selección del tipo de sello
- Características de la presión de contacto del sellado suave en válvulas de carga de cilindros de hidrógeno a alta presión
- Junta de pistón o varilla para sellado estático y dinámico
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¿Qué tipo de medios necesitan ser sellados en los sistemas de pilas de combustible?
- Condensado (H20)
- Aire
- Hidrógeno (H2)
¿Cuáles son los requisitos específicos para el hidrógeno en el contexto del sellado de válvulas de pilas de combustible?
Cualquier componente en contacto con el hidrógeno debe seleccionarse cuidadosamente para cumplir con estos requisitos especiales y mitigar los riesgos asociados:
- Resistencia a altas presiones
- Integridad de sellado (en almacenamiento y proceso electroquímico)
- Gestión térmica de válvulas
- Prevención de infiltraciones y fragilización de sellos
- Ausencia de fugas
Estos componentes en contacto con el hidrógeno incluyen válvulas, pero también juntas, tuberías asociadas, acopladores y accesorios.
Estos requisitos son de particular importancia en el tanque de hidrógeno de alta presión, que se encuentra tanto en la estación de servicio de hidrógeno como en un vehículo o máquina propulsada por una pila de combustible de hidrógeno.
¿Cuál es la diferencia entre sellado estático y sellado dinámico?
a) Sellado estático
La característica de un sellado estático es que no hay movimiento entre la superficie de sellado y la superficie de contacto. Dependiendo del diseño de la conexión, las juntas estáticas funcionan como juntas estáticas radiales, por ejemplo en tuberías o cilindros, o como juntas estáticas axiales, por ejemplo en bridas. Las juntas estáticas más comunes son las juntas tóricas y las juntas planas. Para establecer la función de estanquidad, las juntas estáticas se aprietan durante el montaje.
Ejemplo de sellado estático
b) Sellado casi estático
Las juntas en aplicaciones de alivio de presión y de encendido/apagado son principalmente juntas cuasi estáticas. Sin embargo, deben diseñarse de forma que se abran cuando se alcanza una presión predefinida o cuando se accionan. La función de estanquidad debe quedar garantizada en cuanto se vuelva a cerrar el paso. Dependiendo de los requisitos de la aplicación, el número de ciclos puede variar mucho.
Ejemplo de sellado cuasi estático
c) Sellado dinámico
Las válvulas proporcionales tienen una función de control. Regulan el caudal volumétrico de un líquido o gas. Se utilizan especialmente para cantidades de fluidos que cambian dinámicamente. También se conocen como válvulas de control o se utilizan como reguladores de presión. Existe un movimiento de traslación y/o rotación entre la superficie de sellado y la superficie de contacto según el requisito de control. Este movimiento relativo entre el sellado y la contraparte define un sellado dinámico. El tipo (traslación/rotación) y la velocidad del movimiento deben tenerse en cuenta al elegir el sellado dinámico.
Ejemplo de sellado dinámico
Sellos para válvulas de hidrógeno en sistemas de procesamiento de combustible
¿Cuál es la función de una válvula en los sistemas de procesamiento de combustible?
Los sistemas de pilas de combustible se dividen en cuatro subsistemas:
- Sistema de procesamiento de combustible
- Sistema de procesamiento de aire
- Sistema de gestión térmica
- Pila de células de combustible
Las funciones de todos los subsistemas están perfectamente coordinadas para lograr el mejor rendimiento posible de la pila de combustible.
En este contexto, se requieren válvulas en el sistema de procesamiento de combustible para suministrar y regular el flujo de hidrógeno en la entrada y para purgar el condensado en la salida del dispositivo. Por lo general, se utilizan dos tipos de válvulas. Una con función de encendido/apagado para drenar el condensado o cerrar el tanque, y una válvula proporcional para dosificar el caudal a la entrada de las pilas. Las válvulas reguladoras de hidrógeno o las válvulas de rebose del tanque son ejemplos de esto.
¿Cuál es la función de la junta en las válvulas de hidrógeno de los sistemas de procesamiento de combustible?
La junta son componentes que se utilizan en las interfaces entre dos elementos funcionales de los sistemas técnicos. Su función es evitar la pérdida no deseada de cualquier medio o presión en el sistema. La junta no debe tener ningún impacto en el funcionamiento ideal de la unidad. Sin embargo, en la práctica, es necesario llegar a un compromiso, especialmente con las juntas dinámicas, ya que la fricción y las propiedades del material de la junta tienen una influencia significativa en la eficiencia.
Además, la manipulación del hidrógeno es de vital importancia, ya que el gas es extremadamente volátil y altamente inflamable.
Por lo tanto, las juntas en las válvulas de hidrógeno utilizadas en los sistemas de pilas de combustible desempeñan una función muy importante. No solo la eficiencia, la estabilidad del proceso y la repetibilidad, sino también la seguridad de todo el sistema dependen de ellas.
¿Qué diseños y materiales se utilizan para las juntas de las válvulas de hidrógeno?
Para garantizar los menores índices de fugas posibles en modo estático y dinámico, el diseño y el material de la junta deben adaptarse perfectamente al espacio de instalación y a los datos de la aplicación. Las juntas accionadas por resorte con un diseño especial son una buena elección para las válvulas de hidrógeno. El diseño personalizado del cuerpo de la junta y del anillo de apoyo favorece la resistencia a la presión. Suelen utilizarse materiales resistentes a altas presiones con una deformación reducida bajo carga y tasas de permeación muy bajas, como los compuestos de PTFE y PEEK modificados. Pero también materiales más económicos podrían ser una opción si la funcionalidad está probada.
¿Cuáles son los criterios/requisitos de rendimiento clave del sellado de válvulas de pilas de combustible en válvulas de hidrógeno?
Los requisitos clave de rendimiento de los sellos son:
- Soportar altas presiones de más de 800 bar
- Bajas fugas en modo estático y dinámico
- Alta estabilidad funcional y química
- Alta confiabilidad
- Baja fricción y desgaste
- Resistencia a condiciones extremas, como temperaturas altas o bajas o vibraciones
- Cumplir con los requisitos de seguridad durante la vida útil esperada
Diseño de válvulas y tipos de válvulas y su impacto en la selección del tipo de sello
Las válvulas de hidrógeno deben controlar el flujo de hidrógeno prácticamente sin fugas, lo que se logra mediante el uso de sellos confiables con baja permeabilidad de hidrógeno. Se utilizan diferentes tipos de diseños de válvulas para sellar los medios en los sistemas de celdas de combustible:
- Válvula de aguja
- Válvula de bola
- Válvula de tipo émbolo/pistón
- Válvula rotativa
- Válvula solenoide de tipo fuelle
El mecanismo de actuación utilizado en una válvula tiene un profundo impacto en la selección del tipo de sello que se utiliza.
Los sellos de válvula se instalan en varios tipos de válvulas diferentes utilizadas en los sistemas de celdas de combustible, que pueden agruparse en válvulas del tipo "proporcional" o "regulador de presión", que requieren un sellado dinámico, y del tipo "alivio de presión" y del tipo "on/off", cada una de las cuales requiere un sellado estático:
a) Válvula proporcional
- Válvula dosificadora de entrada a la pila de la pila de combustible
- Válvula reguladora de presión
b) Válvula de alivio de presión
- válvula de alivio de presión térmica
- válvula de control de presión
- válvula de ebullición
- válvula de seguridad/cierre
- válvula de purga/drenaje
c) Válvula de encendido/apagado
- Válvula de cierre del tanque de hidrógeno
- Válvula de drenaje de condensado de la celda de combustible
- Válvula de carga de la estación de servicio de hidrógeno
- Válvula de cierre del cilindro de hidrógeno (estación de servicio)
Características de presión de contacto de junta blanda en válvulas de carga de botellas de hidrógeno de alta presión
La válvula de carga es un componente importante en el puerto de carga de un cilindro de almacenamiento de hidrógeno de alta presión (HP-HSC). Diseñada como una válvula de apertura, normalmente se cierra después de que el HP-HSC se llena con hidrógeno. En caso de daño al sello de la válvula de carga, esto afectará seriamente el funcionamiento estable del sistema de suministro de hidrógeno e incluso puede causar problemas de seguridad. Por lo tanto, el rendimiento del sello de la válvula de carga es muy importante.
Los parámetros que afectan el rendimiento de un sello de válvula de carga de este tipo incluyen la precompresión, el ancho del sello y la presión de hidrógeno en la superficie de contacto del sello. En combinación, estos ejercen lo que se conoce como presión de contacto en el sello y son un factor en deformaciones indeseables o beneficiosas, es decir, cambios en la forma, del material del sello. Este fenómeno se puede utilizar para mejorar el rendimiento del sello en el diseño de una válvula de carga utilizada en instalaciones HP-HSC en estaciones de llenado de hidrógeno.
Bomba de alta presión con juntas
Junta de pistón o de vástago para estanqueidad estática y dinámica
Las soluciones de sellado para el almacenamiento de hidrógeno, la movilidad y las instalaciones de celdas de combustible requieren conocimientos especializados en materiales como polímeros, compuestos de caucho sintético y metales específicos para aplicaciones de hidrógeno. Esto es especialmente crítico en diseños que involucran sellado dinámico, como se logra utilizando:
- Sellos de labio de alta velocidad
- Sellos de labio de baja fricción
Los sellos de metal por sí solos rara vez dan resultados satisfactorios en aplicaciones de sellado dinámico. Además, en aplicaciones de hidrógeno se debe considerar la fragilidad. Los sellos flexibles o que cambian de forma hechos de compuestos como caucho sintético, nitrilo-butadieno o compuestos de PTFE funcionan mucho mejor en términos de requisitos de sellado dinámico. Específicamente para válvulas de hidrógeno, los componentes relevantes fabricados a partir de estos materiales son:
- Anillos de sellado de válvulas de celdas de combustible
- Sellos radiales de válvulas de celdas de combustible
- Sellos de labio de válvulas de celdas de combustible
Sin embargo, muchos diseños requieren un enfoque compuesto, que combina metal y materiales blandos para lograr las características de presión de contacto deseadas y la baja permeabilidad del hidrógeno.
Los sellos radiales activados por resorte, o sellos de labio activados por resorte, han producido resultados altamente satisfactorios en términos de todos los parámetros de rendimiento clave que deben cumplirse para aplicaciones de sellado de válvulas de hidrógeno de alta presión tanto estáticas como dinámicas.
Contenido aportado por ElringKlinger Engineered Plastics
ElringKlinger Engineered Plastics – Innovaciones en plásticos de alto rendimiento: ElringKlinger Engineered Plastics lleva más de 50 años siendo uno de los líderes tecnológicos en juntas, elementos de diseño de ingeniería, conjuntos y módulos. En ElringKlinger, la innovación siempre empieza con el material. Gracias al desarrollo y la composición de materiales propios, los materiales de politetraflón™-PTFE y los materiales termoplásticos de Moldflon™ se pueden personalizar. El rendimiento óptimo para nuestros clientes se consigue no solo mediante la optimización de los componentes mediante el método de elementos finitos (FEA), sino también mediante la selección de los materiales adecuados.
Última actualización: 15.1.2023