Válvulas de hidrógeno para sus aplicaciones con H₂

Durante el funcionamiento de las instalaciones de gas, se producen frecuentemente presiones diferenciales en la válvula que tienen el efecto de que, a la salida de la válvula, se encuentra una presión más alta que a la entrada. La llamada contrapresión (presión a la salida más alta que a la entrada) puede abrir la válvula en contra del flujo o ralentizar de forma no deseada el proceso de cierre. Las válvulas de efecto directo o con acoplamiento fijo (con control forzado) ofrecen una mayor protección contra la contrapresión gracias a su fuerte resorte de cierre. La norma EN 161 proporciona una buena base para el tema de la protección contra la contrapresión y las clases de válvula.

En muchas aplicaciones, la temperatura ambiente ejerce un papel secundario. Si la temperatura ambiente supera los 50 °C, debería comprobar si las electroválvulas están diseñadas para trabajar de forma permanente a estas temperaturas. Al aumentar la temperatura, el devanado de cobre de la bobina reacciona con una mayor resistencia. En consecuencia se reducen la potencia y el rendimiento. Con un espacio constructivo reducido, un aislamiento acústico y una protección funcional de las instalaciones de hidrógeno, una acumulación de calor puede causar la reducción del rendimiento y, en consecuencia, una limitación funcional.  

El diseño compacto de la celda de combustible estacionaria, así como la proximidad física de la pila, puede plantear dos desafíos. Por una parte, la temperatura ambiente es superior a lo habitual, y por otra parte, existe un gran número de interfaces de proceso. Cada interfaz representa, de por sí, una pequeña fuga de hidrógeno que puede causar posteriormente un enriquecimiento con hidrógeno. Como consecuencia de la difusión y la temperatura, los clientes y/o los organismos de inspección definen el control de la pila, a menudo, como ATEX Zona 1 o Categoría 2.

El efecto Joule-Thomson es un fenómeno físico que se produce cuando un gas se expande a través de un estrangulador sin intercambiar calor con su entorno. Se produce un cambio de temperatura del gas. En el efecto Joule-Thomson, un gas se puede calentar o enfriar durante la expansión, en función de su coeficiente de Joule-Thomson. El punto de partida es la temperatura de inversión del gas. En el caso del hidrógeno, esta temperatura de inversión es de > -80 °C. Por lo tanto, el hidrógeno se calienta al expandirse.

La presencia de partículas en la instalación puede causar fugas accidentales. Independientemente de la pureza del hidrógeno, se debe prestar atención a limpiar y purgar la instalación antes de su puesta en marcha. Incluso las partículas más pequeñas no solo dañan la pila, sino también las superficies de sellado duras, pero sensibles, de los asientos de válvula. Por este motivo, instale filtros en las instalaciones para evitar la contaminación previa a las mismas durante el repostaje o el mantenimiento.

Las aplicaciones de hidrógeno plantean unas exigencias especialmente elevadas hacia las válvulas reguladoras. Estas tienen que soportar unas presiones de hasta 40 bar y funcionar con seguridad a altas temperaturas. La relación entre la presión y la temperatura tiene una importancia especial, precisamente en la regulación de gases. Por ejemplo, para mantener el oxígeno en su estado gaseoso, se necesita reducir la temperatura cuando aumenta la presión. La ley de los gases ideales describe esta relación de presión y temperatura de los gases. En consecuencia, un aumento de la presión con una cantidad de gas constante y un volumen constante produce un aumento de la temperatura, y viceversa.  

A diferencia de lo que ocurre en otras aplicaciones, se necesita un nivel de estanqueidad especialmente elevado de las válvulas en la producción o el uso de hidrógeno. La aparición de fugas representa una fuente de peligro extraordinaria o reduce la eficiencia de la instalación. Por este motivo, se debería prestar atención a que las válvulas reguladoras muestren una estanqueidad de 10^-4 mbar∙l/s.

• ISO15848 – Define los procedimientos de ensayo y las clases de fuga para válvulas industriales
• Instrucciones técnicas sobre el control de la calidad del aire (TA Luft) – Regula las emisiones de las instalaciones industriales
• ATEX – Certificación para componentes utilizados en zonas con atmósfera explosiva
• ASME B16.34 – Establece los requisitos para válvulas en aplicaciones de presión
• PED – Regula el diseño y el uso de equipos a presión y, en consecuencia, también de válvulas
• Declaración del fabricante – Certificaciones de los fabricantes de válvulas con respecto al rendimiento, la calidad y la fiabilidad

Los elastómeros son permeables para el hidrógeno atómico y molecular. Incluso con una reducida presión del gas, el hidrógeno penetra en el material de sellado de elastómero. En caso de una caída de presión fuerte, el hidrógeno incluido no puede escapar con suficiente rapidez. En este proceso, la junta sufre daños tan fuertes que pierde su efecto de hermetización. La formación de burbujas en el material de sellado es un indicio de una descompresión explosiva. Por lo tanto, los daños son causados por una elevada presión diferencial en el proceso de conmutación. Por este motivo, se debería prestar atención a la elección correcta del material en las válvulas. El PEEK es la opción preferida con presiones muy altas.

Como fragilización por absorción de hidrógeno se entiende la alteración de las propiedades mecánicas por la penetración de átomos de hidrógeno en la estructura metálica del acero inoxidable. La elevada presión de H₂ en la instalación en el marco del funcionamiento favorece este proceso. Como consecuencia de la llamada corrosión por tensión inducida por hidrógeno se pueden formar microgrietas en el metal que perjudican las propiedades mecánicas. Los límites elásticos del acero inoxidable se reducen y el material se vuelve quebradizo.  Uno de los componentes de una electroválvula que se ven sometidos a una carga dinámica especialmente intensa es el tubo guía de núcleo con el tapón. No solo soporta los cambios de carga; también está hecho de acero magnético y no magnético. Para evitar puntos débiles, tales como los que surgen, p. ej., en los procesos de soldadura, los componentes de las válvulas de alta presión para hidrógeno están atornillados entre ellos y hermetizados.  

En este tema se plantea la pregunta por el rango de presión y la fuga máxima que cabe esperar. La estanqueidad hacia el exterior se puede realizar, generalmente, sin ninguna merma de la vida útil en un rango de 1x 10^-5 mbar l/s. La situación se presenta más complicada en las zonas de estanqueidad dinámicas en el asiento de la válvula. Una presión de hasta 1000 bar o unas temperaturas del medio de -40 °C exigen el uso de juntas duras y un mecanismo preciso para conseguir unas fugas en el asiento de 10^-4 ml/s. Las elevadas fuerzas de cierre someten las juntas, tanto metálicas como de plástico, a unos esfuerzos extremos. La consecuencia es que, al aumentar el número de ciclos de conmutación, las válvulas en el ámbito del hidrógeno están sujetas a unos intervalos de servicio, ya que, de otra manera, no es posible garantizar las fugas reducidas en el asiento. Recomendamos efectuar una revisión al cabo de aprox. 80 000 … 100 000 ciclos de conmutación.

El hidrógeno producido en la electrolisis tiene una presión de 30 … 40 bar. Para su uso rentable es necesario almacenarlo y transportarlo. Para este fin, se comprime mediante compresores de gas en 2 o 3 etapas a 160 o 350 bar y se transporta en bloques de botellas o se almacena en depósitos elevados. Para el uso en estaciones de repostaje, la presión de almacenamiento para el tanque intermedio o búfer (capacidad de 0,4 … 1,2 t) se incrementa a 500 o 1034 bar (15 000 psi). Esto permite realizar un repostaje pasivo (sin compresor) por flujo. La reserva de los tanques intermedios permite llenar aprox. 30 depósitos. La temperatura máxima admisible de los vehículos es de 85 °C. Por este motivo, el hidrógeno se enfría después de la compresión a -10…-40 °C, ya que se expande en el tanque y, en consecuencia, aumenta la temperatura en la tubuladura de llenado. En este proceso, se forma hielo en el exterior de las válvulas de alta presión, dado que el condensado del entorno se deposita en el cuerpo de válvula frío. Unos manguitos de plástico protegen la válvula de la formación de hielo, alargando así su vida útil.