Joints toriques pour piles à combustible

Où les joints toriques sont-ils utilisés dans un système de pile à combustible ?

Un système de pile à combustible ne se compose pas uniquement du stack. Autour du stack se trouve une balance-of-plant avec des vannes, capteurs, pompes, circuits de refroidissement, humidifiers, chemins de recirculation et modules de raccordement. C’est précisément dans ces composants que les joints toriques sont souvent pertinents.

Les positions typiques des joints toriques sont les manifolds du stack et les ports ronds, les raccordements d’entrée et de retour H2, le côté air et oxygène, les collecteurs de liquide de refroidissement, les circuits de refroidissement, les purge valves, drain valves, pressure control valves, shut-off valves, capteurs, points de mesure, instrumentation, raccordements d’humidifier, raccords de service et modules BOP compacts.

À ces emplacements, un joint torique doit souvent gérer une combinaison d’hydrogène, d’humidité, de variations de température, de pulsations de pression et de compression prolongée. Un matériau standard n’est donc pas automatiquement adapté. Le compound et l’application doivent être compatibles.

Pourquoi les piles à combustible sont critiques pour les joints toriques

Un joint torique dans un environnement de pile à combustible n’est généralement pas soumis à une seule sollicitation, mais à plusieurs en même temps. Pensez à la perméation de l’hydrogène, à l’humidité, au condensat, au liquide de refroidissement, à l’oxygène, aux cycles de température et à la compression prolongée dans la gorge.

Les conditions sont particulièrement spécifiques dans les piles à combustible PEM. L’environnement peut être chaud et humide. Des conditions oxydatives peuvent également se présenter. Le joint peut aussi être exposé à des cycles marche-arrêt, à des charges variables et à un espace d’installation limité. Cela rend le choix du bon matériau de joint torique plus important que dans de nombreuses applications standard.

Un joint torique bien choisi limite les fuites d’hydrogène, maintient les fluides séparés, conserve son retour élastique et reste compatible avec l’humidité, le condensat ou le liquide de refroidissement. En outre, le joint torique ne doit pas trop gonfler ni se rétracter, doit s’adapter à l’espace de gorge disponible et doit offrir une durée de vie suffisante sous cycles de température et de pression.

Perméation, microfuites et déformation rémanente à la compression

L’hydrogène est une petite molécule et peut diffuser à travers les élastomères. C’est pourquoi, pour les joints toriques destinés aux piles à combustible, il ne faut pas seulement examiner les fuites visibles, mais aussi la perméation. Un joint torique peut sembler étanche au montage, mais laisser tout de même passer trop d’hydrogène sur une plus longue période ou perdre sa force d’étanchéité.

La déformation rémanente à la compression est également un point d’attention important. Un joint torique est comprimé dans la gorge afin de créer une force d’étanchéité. Si le matériau se déforme trop durablement avec le temps, cette force d’étanchéité diminue. Cela peut entraîner des microfuites, surtout lors de variations de température ou d’une charge prolongée.

Dans les piles à combustible, la sélection d’un joint torique ne concerne donc pas seulement la résistance chimique. La combinaison de la perméation, de la déformation rémanente à la compression, de la température, du fluide et de la conception de la gorge détermine finalement si le joint reste fiable.

Matériaux d’O-rings pour piles à combustible

Il n’existe pas de meilleur matériau universel pour les O-rings destinés aux piles à combustible. Un matériau qui fonctionne bien dans un port de liquide de refroidissement n’est pas automatiquement adapté à une vanne hydrogène. Le choix doit donc toujours être fait par position.

O-rings EPDM

L’EPDM peut être intéressant pour les positions d’O-ring exposées à l’humidité, au liquide de refroidissement, au condensat ou à des sollicitations côté air. Le matériau est connu pour sa bonne résistance à l’eau, à la vapeur, à l’ozone et à de nombreuses conditions oxydatives. Un compound EPDM adapté peut donc être logique dans certains environnements PEMFC.

L’EPDM doit toutefois toujours être évalué en fonction de l’application. Tous les O-rings EPDM ne conviennent pas à l’hydrogène ni aux liquides de refroidissement et additifs spécifiques d’un système. Vérifiez donc toujours la perméation, la déformation rémanente à la compression, la plage de température et la compatibilité avec les co-fluides.

O-rings HNBR

Le HNBR est intéressant pour les positions d’O-ring mécaniquement plus sollicitées, comme les vannes, régulateurs, purge valves, drain valves et interfaces BOP sous pression. Le matériau combine de bonnes propriétés mécaniques avec une meilleure résistance à la chaleur et au vieillissement que le NBR standard.

Pour les piles à combustible, le HNBR peut surtout être utile lorsque des pulsations de pression, du mouvement, une charge de montage ou de l’usure jouent un rôle. Pensez aux petits joints de vannes ou aux O-rings dans des modules compacts. Ici aussi, il faut utiliser uniquement un compound adapté aux conditions d’hydrogène, d’humidité et de température concernées.

O-rings FKM

Le FKM, souvent connu sous le nom de marque Viton, est performant à des températures plus élevées et dans des conditions chimiquement plus exigeantes. Un O-ring FKM peut être intéressant dans des zones BOP plus chaudes, des interfaces d’anode ou des positions où, en plus de l’hydrogène, d’autres fluides, agents de nettoyage ou traces huileuses peuvent être présents.

Le point d’attention avec le FKM est que le comportement à basse température, la déformation rémanente à la compression et les variations rapides de pression peuvent différer selon le compound. Le FKM n’est donc pas un choix standard automatique pour toutes les applications de piles à combustible, mais c’est un candidat solide lorsque la résistance chimique et thermique pèse davantage.

O-rings FFKM

Les O-rings FFKM sont destinés aux charges chimiques ou thermiques extrêmes. Dans les systèmes de piles à combustible, le FFKM peut être pertinent pour des points de mesure critiques, des vannes spéciales ou des applications où les coûts d’arrêt sont élevés et où une résistance chimique maximale est souhaitée.

En raison de son prix élevé, le FFKM n’est généralement pas un choix logique pour les positions standard. Le matériau devient surtout intéressant lorsque des compounds moins coûteux n’offrent pas suffisamment de sécurité ou lorsque le coût total d’une défaillance est bien supérieur au coût du matériau.

O-rings NBR

Le NBR peut être utilisable dans des positions BOP moins critiques, surtout lorsque la compatibilité avec l’huile ou l’efficacité des coûts est importante. Pour les zones PEMFC chaudes, humides ou oxydatives, le NBR est souvent moins logique que l’EPDM, le HNBR ou le FKM.

N’utilisez donc le NBR que lorsque la température, les fluides et les exigences de durée de vie correspondent bien au compound. Pour les positions critiques en hydrogène, une validation supplémentaire est nécessaire.

Joints toriques dans les vannes, capteurs et la balance-of-plant

De nombreuses applications pertinentes de joints toriques ne se trouvent pas dans le stack lui-même, mais dans la balance-of-plant. Les gorges classiques pour joints toriques y sont plus fréquentes, et le remplacement ou le choix du matériau y est plus facile à gérer en pratique.

Dans les purge valves et les drain valves, la fréquence de commutation, les cycles humide/sec, le condensat et la sollicitation par l’hydrogène jouent un rôle. Le HNBR, le FKM ou l’EPDM peuvent être logiques selon la position exacte.

Dans les vannes de régulation de pression et les vannes d’arrêt, les pulsations de pression, la fuite au siège, la fuite au niveau de la tige et l’extrusion possible sont importantes. Ici, le matériau du joint torique doit être combiné à une bonne conception de gorge et à une dureté suffisante.

Au niveau des ports de capteurs et des points de mesure, les microfuites et la perméation sont critiques. Le joint torique ne doit pas seulement assurer l’étanchéité, mais aussi rester stable avec de faibles tolérances et de possibles variations de température.

Au niveau des interfaces d’humidifier et de liquide de refroidissement, l’accent porte davantage sur l’humidité, le condensat, la compatibilité avec le liquide de refroidissement et la déformation rémanente à la compression. L’EPDM peut souvent être un bon candidat ici, à condition que le compound soit adapté aux fluides utilisés.

Conception de gorge et montage

Même un matériau de joint torique bien choisi peut défaillir à cause d’une conception de gorge incorrecte. Dans les piles à combustible, l’espace, les tolérances et la répartition de la compression sont souvent limités. Le taux de compression, l’étirement, le remplissage de gorge, la qualité de surface et le montage doivent donc être soigneusement contrôlés.

Les points d’attention importants sont une taille de joint torique correcte par rapport à la gorge, une compression suffisante mais pas excessive, un remplissage de gorge limité en cas de dilatation thermique, des arêtes arrondies, une entrée sûre et un montage sans torsion. Contrôlez également toujours l’influence des co-fluides comme le liquide de refroidissement ou l’agent de nettoyage, et adaptez la dureté à la pression, au jeu et au mouvement.

À pression plus élevée ou avec des jeux défavorables, une extrusion peut se produire. Dans de telles situations, il faut envisager des compounds plus durs, des gorges adaptées ou des mesures de soutien dans la conception du composant.

Essais et validation

Pour les joints toriques dans les piles à combustible, une fiche technique seule ne suffit pas. Le joint torique doit être évalué dans l’application finale ou dans un montage d’essai représentatif.

Les contrôles pertinents incluent des essais de fuite avec de l’hydrogène ou de l’hélium, des essais de perméation, des mesures de déformation rémanente à la compression, le vieillissement thermique, des cycles de pression et de température ainsi que des essais de compatibilité avec le condensat, le liquide de refroidissement ou les agents de nettoyage. L’inspection visuelle des fissures, du gonflement ou de la déformation permanente, le contrôle dimensionnel et la traçabilité des lots font également partie d’une validation sérieuse.

Pour les composants critiques, il est judicieux de tester non seulement le matériau séparé, mais aussi l’assemblage complet. La combinaison du joint torique, de la gorge, de la compression, du matériel et des conditions de fonctionnement détermine finalement la fiabilité.

O-ring-stocks.eu vous accompagne dans le choix de la bonne taille de joint torique, de l’orientation matériau et du compound adapté. Vous évitez ainsi qu’un joint torique standard soit utilisé dans un environnement où l’hydrogène, l’humidité, les cycles de température ou la déformation rémanente à la compression exigent une attention particulière.

FAQ