Avances en los sensores de presión para aplicaciones de hidrógeno

En el panorama en rápida evolución de la tecnología del hidrógeno, los sensores de presión desempeñan un papel fundamental para garantizar la seguridad y eficacia del transporte y almacenamiento de hidrógeno. A medida que crece la demanda de hidrógeno como fuente de energía limpia, también lo hace la necesidad de una tecnología de sensores avanzada que pueda supervisar y controlar con precisión la presión del hidrógeno en diversas aplicaciones. 

Ashcroft, en asociación con nuestra empresa matriz Nagano Keiki Co. LTD, ha estado diseñando sensores de presión avanzados para el mercado del hidrógeno durante 20 años. Esta amplia experiencia ha dado lugar a varias patentes tecnológicas de Nagano Keiki, que mejoran nuestra capacidad para proporcionar sensores diseñados específicamente con la metalurgia adecuada para aplicaciones de alta presión. 

Esto pone a Ashcroft en una posición única para guiar a nuestros clientes a través del proceso de selección de los mejores tipos de sensores de presión para sistemas de hidrógeno complejos. Lea este artículo para explorar los principales desafíos de diseño para los sensores de presión utilizados en el transporte, distribución y almacenamiento de hidrógeno, así como aplicaciones de motor a bordo. También repasaremos los avances recientes que pueden mejorar la seguridad y la eficacia de sus aplicaciones de hidrógeno.  

Retos de los sensores de presión en los sistemas de hidrógeno

El hidrógeno es una molécula pequeña y muy reactiva que puede degradar los materiales utilizados en los sensores de presión. Los diseñadores de sensores se enfrentan a dos retos críticos: la fragilización por hidrógeno y la permeabilidad al hidrógeno, que afectan significativamente a la integridad y el rendimiento de los materiales. 

• Fragilización por hidrógeno. Este fenómeno también se conoce como agrietamiento inducido por hidrógeno, que reduce la ductilidad y la resistencia del material. El pequeño tamaño del hidrógeno le permite penetrar en los defectos del metal, formar nuevas moléculas y ejercer presión, provocando grietas y fallos por fragilidad a niveles de tensión inferiores al límite elástico del material.
  
  
• Permeación del hidrógeno. La permeación se produce cuando la molécula de H2 se descompone en iones H+ más pequeños, que pueden penetrar en la estructura reticular metálica del diafragma. Estos iones se recombinan en el fluido de relleno para formar moléculas de H2, creando burbujas de hidrógeno que provocan desplazamientos del Cero y del Span.

Por estas y otras razones sensores de presión utilizados en aplicaciones de hidrógeno deben estar fabricados con materiales que puedan soportar una exposición prolongada al hidrógeno sin degradarse. 

Figura 1. Ejemplo de fragilización por hidrógeno Ejemplo de fragilización por hidrógeno. 

Figura 2. Ejemplo de permeación de hidrógeno Ejemplo de permeación de hidrógeno. 

Condiciones de alta presión en aplicaciones de hidrógeno

Los sistemas de hidrógeno suelen funcionar en condiciones de presión extremadamente altas, que a menudo alcanzan unos 700 bares (10.000 psi) en aplicaciones como los vehículos de pila de combustible. Este entorno de alta presión es un aspecto crítico de la tecnología del hidrógeno porque permite el almacenamiento y transporte eficientes del gas hidrógeno, algo esencial para su uso como fuente de energía limpia.

La capacidad de mantener niveles de presión adecuados es crucial para el rendimiento y la fiabilidad de los sistemas impulsados por hidrógeno, y plantea retos únicos en términos de integridad de los materiales y seguridad del sistema. 

Las fugas de gas, los picos de temperatura debidos al repostaje rápido y la fragilización por hidrógeno de los materiales de almacenamiento son algunos de los riesgos habituales asociados al hidrógeno. Se han llevado a cabo numerosas investigaciones para identificar materiales avanzados y estrategias que reduzcan el riesgo de estos peligros para la seguridad, especialmente en las estaciones de repostaje de hidrógeno y las aplicaciones de almacenamiento de energía.

Avances en los sensores de presión para aplicaciones de hidrógeno

El acero inoxidable 316L se emplea habitualmente en aplicaciones de hidrógeno a alta presión; sin embargo, no es un material extremadamente resistente. Un sensor de presión requiere un diafragma que debe flexionarse con una precisión excepcional y, en aplicaciones por encima de 5.000 psi, un material más fuerte y resistente que el acero inoxidable 316L proporciona directamente una mejora en la precisión y el rendimiento a largo plazo. Los avances en la ciencia de los materiales han llevado al desarrollo de aleaciones y compuestos resistentes al hidrógeno a alta presión y las pruebas exhaustivas condujeron a Nagano Keiki a una superaleación denominada aleación 286 (A286).

El A286 es una superaleación a base de hierro altamente resistente a la corrosión (y se clasifica como acero inoxidable austenítico). El International Journal of Hydrogen Energy descubrió que el A286 se ve menos afectado mecánicamente por el hidrógeno y se sabe que minimiza el riesgo de fragilización y permeación por hidrógeno. Esto lo hace muy adecuado para sistemas de hidrógeno con presiones extremadamente altas, superiores a 700 bares.

Otras investigaciones del Laboratorio Nacional Sandia descubrió que la aleación A286 en estado envejecido (como la utilizada por Ashcroft) mantiene una resistencia excepcional a la fragilización por hidrógeno. A medida que sigamos utilizando materiales como el A286 e implantando protocolos de seguridad para los instrumentos de presión, el potencial energético del hidrógeno podría estar pronto al alcance de las aplicaciones cotidianas.

Aplicaciones de hidrógeno para sensores de presión fabricados con A286

El sitio Departamento de Energía de EE.UU. considera que las tecnologías de almacenamiento de hidrógeno son esenciales para facilitar la adopción de pilas de combustible en distintos sectores, como el transporte y las soluciones de energía estacionaria, entre otros.

• Depósitos de almacenamiento: Control de la presión en grandes depósitos de almacenamiento de alta presión (350-700 bar o 5.000-10.000 psi)
• Sistemas de pilas de combustible: Control de la presión en pilas de combustible de hidrógeno y conductos de suministro 
• Estaciones de repostaje: Control de la presión en las estaciones de distribución
• Almacenamiento de líquidos: Requiere condiciones criogénicas; el hidrógeno hierve a -252,8 °C a presión atmosférica.

Sensores de presión con material y precisión superiores

Las pruebas internas de Nagano Keiki confirmaron los hallazgos de la investigación descritos anteriormente y crearon varias patentes tecnológicas para el desarrollo de sensores de presión Ashcroft para aplicaciones de alta presión. Encontramos que los sensores de presión que proporcionan las mayores ventajas para los sistemas de hidrógeno son los que utilizan el material A286 para la resistencia a la presión (hasta 700 bar) y la inteligente tecnología de deposición química de vapor (CVD) para una mayor fiabilidad, precisión y repetibilidad. 

Un ejemplo es el transductor de presión a prueba de explosión Ashcroft® E2F. Utilizando la probada tecnología de sensor de película delgada CVD, este instrumento se fabrica con el estándar de punto terminal TruAccuracy™ de Ashcroft. Este simple estándar asegura mediciones fiables y repetibles, elimina cualquier confusión causada por las especificaciones de precisión derivadas estadísticamente y no requiere calibración adicional en el momento de la instalación.  

Ashcroft ofrece el diafragma A286 con otros modelos de sensores de presión para aplicaciones dentro del sector del hidrógeno. Visite la página de Hidrógeno en nuestro sitio web para obtener más información.

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El desarrollo de la tecnología de sensores de presión es fundamental para el funcionamiento seguro y eficiente de los sistemas de hidrógeno. Al abordar los desafíos inherentes y aprovechar los recientes avances tecnológicos, Ashcroft continúa produciendo sensores que satisfacen las exigentes demandas de sus aplicaciones de hidrógeno. A medida que la investigación continúa y la tecnología progresa, podemos esperar nuevas mejoras en la tecnología de sensores que seguirán ampliando los límites de lo que es posible en la seguridad y la eficiencia del hidrógeno.

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