70 MPa हाइड्रोजन टैंक प्रमाणन के लिए वैश्विक नियामक ढांचा

FMVSS नं. 308 (संयुक्त राज्य अमेरिका), UN GTR नं. 13 (UN-ECE), और ISO 15869: हाइड्रोजन टैंक अनुमोदन के लिए सुसंगत मूल आवश्यकताएं

हाइड्रोजन टैंक की सुरक्षा अंतर्राष्ट्रीय मानकों पर अत्यधिक निर्भर करती है जो निर्माण से लेकर प्रदर्शन तक सभी चीजों को नियंत्रित करते हैं। तीन मुख्य विनियम विशेष रूप से उभरते हैं: अमेरिकी सरकार का FMVSS 308, संयुक्त राष्ट्र द्वारा विकसित UN GTR 13, और ISO 15869 जो व्यापक औद्योगिक अनुप्रयोगों को कवर करता है। ये नियम 70 MPa दबाव स्तर पर हाइड्रोजन संग्रहीत करने वाले टैंकों के लिए कठोर आवश्यकताएँ निर्धारित करते हैं। इनकी मांग है कि विस्फोट परीक्षण में विफलता से पहले दबाव 175 MPa से अधिक होना चाहिए, साथ ही व्यापक थकान परीक्षण जो सामान्य रीफ्यूलिंग संचालन के लगभग 5,500 गुना की अनुकृति करता है। तापमान 85 डिग्री सेल्सियस तक पहुँचने पर पारगम्यता दर 0.15 NmL प्रति घंटे प्रति लीटर से कम रहनी चाहिए। रिसाव के मामले में, 200 घंटे तक लगातार टैंक को दबाव में रखने के बाद कोई भी पता लगाया जा सकने वाला उत्सर्जन नहीं होना चाहिए। उपयोग किए जाने वाले सामग्री को कठोर विशिष्टताओं को भी पूरा करना होगा — कार्बन फाइबर में कम से कम 3,500 MPa तन्य शक्ति होनी चाहिए, और राल आधार को 120 डिग्री सेल्सियस से ऊपर की गर्मी का सामना करने में सक्षम होना चाहिए। सभी निर्माताओं को अपने उत्पादों का परीक्षण ठीक से मान्यता प्राप्त स्वतंत्र प्रयोगशालाओं में करवाना होगा। इससे यह सुनिश्चित होता है कि टैंक सामान्य घिसावट और चरम परिस्थितियों जैसे दुर्घटनाओं का सामना कर सकें जहाँ बल पार्श्व रूप से 30G तक पहुँच सकते हैं। ऐसे मानकीकरण से विभिन्न देशों के बीच सहज सहयोग संभव होता है और आपरेशन के प्रति घंटे आघातक विफलता के जोखिम को अत्यंत कम — लगभग एक मिलियन में एक — रखा जा सकता है।

प्रमुख अंतर: यूएन आर134 और एफएमवीएसएस 308 में अग्नि प्रतिरोधकता सीमाएं तथा उनका हाइड्रोजन टैंक डिज़ाइन पर प्रभाव

विभिन्न अग्नि प्रतिरोधक मानक इंजीनियरों को प्रणालियों के डिजाइन करने के दौरान कठिन निर्णय लेने के लिए मजबूर करते हैं। यूरोपीय संघ के विनियमन 134 के अनुसार, घटकों को अत्यधिक ताप वाली हाइड्रोकार्बन आग (लगभग 1,100 डिग्री सेल्सियस) में 20 मिनट तक अपनी तापीय सुरक्षा कार्य बिना बाधित किए बचे रहना चाहिए, जबकि अमेरिकी मानक FMVSS 308 केवल 12.5 मिनट और 800 डिग्री पर ही न्यूनतम आवश्यकता निर्धारित करता है। तापमान की आवश्यकता में इस बड़े अंतर ने सामग्री वैज्ञानिकों को नए समाधान विकसित करने के लिए प्रेरित किया है। विश्व स्तर पर बेचने वाली कंपनियां अपने राल में सिरेमिक सूक्ष्म गोलाकार कण मिलाती हैं और लगभग 15 मिलीमीटर गहरी मोटी एरोजेल बाधाएं स्थापित करती हैं। इन परिवर्तनों से पूरी प्रणाली का भार लगभग 3.8 किलोग्राम तक बढ़ जाता है, लेकिन कार्बन फाइबर के विनाश के जोखिम में लगभग आधा कमी आती है। कठोर यूरोपीय नियमों को पूरा करने के लिए सामान्य एल्यूमीनियम भागों से महंगे टाइटेनियम वाल्व में परिवर्तन करना भी आवश्यक हो जाता है, जो उत्पादन लागत में लगभग 18% की वृद्धि कर देता है, लेकिन दबाव के उचाल के दौरान आपदा भरी विफलता को रोक देता है। इन नियामक अंतरों पर विचार करने से यह स्पष्ट होता है कि हाइड्रोजन भंडारण टैंकों के क्षेत्रीय आधार पर भिन्न डिजाइन क्यों किए जाते हैं—एक बाजार में जो काम करता है, वह अन्यत्र सुरक्षा अपेक्षाओं को पूरा नहीं कर सकता।

70 MPa हाइड्रोजन टैंक की संरचनात्मक बनावट और सामग्री की विरासत

चक्रीय दबाव और तापीय तनाव के तहत कार्बन/एपॉक्सी कंपोजिट का क्षरण

सीएफआरपी संयुग्मज भारी हाइड्रोजन भंडारण टैंकों के लिए हल्के होते हैं, लेकिन संचालन में उनकी परख करने पर कुछ समस्याएं आती हैं। जब ये टैंक लगभग 5 से 70 एमपीए के दबाव परिवर्तन से गुजरते हैं, तो उनके एपॉक्सी भाग में छोटी-छोटी दरारें शुरू हो जाती हैं। और फिर तापमान में उतार-चढ़ाव भी होता है—शीतलता माइनस 40 डिग्री सेल्सियस से लेकर गर्मी में 85 डिग्री सेल्सियस तक—जिससे अंतरापृष्ठों पर परतें अलग होने लगती हैं। इन दोनों समस्याओं को मिलाने से हमें लगभग 15 हजार चक्रों के बाद फटने की ताकत में 15% से 25% तक की गिरावट देखने को मिलती है। सामान्य परिस्थितियों की तुलना में तेज परीक्षण करने से कुछ रोचक बात सामने आती है—तापीय चक्रण अकेले दबाव चक्रण की तुलना में लगभग दोगुना दरार उत्पन्न करता है। इससे पता चलता है कि समय के साथ इन टैंकों की विश्वसनीयता पर तापमान में अंतर अधिक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इस क्षरण समस्या से लड़ने वाले निर्माता आमतौर पर विशेष उच्च वितान एपॉक्सी का सहारा लेते हैं जो टूटने की स्थिति में अधिक कठोर होते हैं। वे फाइबर्स के लपेटने के कोण को भी समोचित करते हैं, आमतौर पर लगभग धनात्मक या ऋणात्मक 55 डिग्री पर, ताकि वलयाकार तनावों को बेहतर तरीके से वितरित किया जा सके। कुछ कंपनियां तो हाइड्रोजन के रिसाव को रोकने के लिए नैनोक्ले कणों से संशोधित लाइनर भी जोड़ देती हैं।

SAE J2579 और ISO 15869 अनुबंध D के अनुसार बर्स्ट दबाव, थकान जीवन और लीक अखंडता परीक्षण

इन प्रणालियों के लिए सुरक्षा प्रमानन के मामले में, वे मूल रूप से तीन मुख्य चीजों की जांच करते हैं: टैंक कितना दबाव सहन कर सकता है फटने से पहले, बार-बार तनाव के तहत इसका जीवनकाल कितना है, और क्या इसमें कोई रिसाव है या नहीं। फटने के परीक्षण के लिए, आवश्यकता काफी सीधी है - टैंक को कम से कम 157.5 MPa के खिलाफ सामान्य संचालन दबाव के कम से कम 2.25 गुना, बिना किसी संरचनात्मक समस्या के सहन करना चाहिए। थकान परीक्षण में टैंक को हजारों दबाव चक्रों से गुजारा जाता है। सटीक संख्या लागू मानक के अनुसार भिन्न होती है: SAE J2579 के अनुसार लगभग 11,000 चक्र, या यदि ISO 15869 परिशिष्ट D का अनुसरण कर रहे हैं तो 15,000 चक्र। ये परीक्षण वास्तविक दुनिया की स्थितियों में नियमित ईंधन भरने के लगभग 15 वर्ष बाद क्या होता है, उसका अनुकरण करते हैं। रिसाव की जांच में आमतौर पर हीलियम द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटरी जैसी चीज का उपयोग किया जाता है। 87.5 MPa दबाव पर, अधिकतम अनुमेय रिसाव दर SAE मानकों के अनुसार 0.15 NmL/घंटा/L या ISO दिशानिर्देशों के अनुसार 0.25 NmL/घंटा/L है। सुरक्षा मार्जिन के मामले में मानकों के बीच थोड़ा अंतर भी है। SAE J2579 सामान्य दबाव स्तर से 2.25 गुना के ऊपर सुरक्षा गुणक चाहता है, जबकि ISO 15869 परिशिष्ट D डिजाइन दबाव से 2.35 गुना के ऊपर की मांग करता है। इन सभी परीक्षणों के अलावा, निर्माता बोनफायर और गोलीबारी के अनुकरण भी चलाते हैं ताकि यह साबित किया जा सके कि ये टैंक वास्तव में कितने मजबूत हैं। और उन थर्मल सक्रिय प्रेशर रिलीफ डिवाइस (TPRDs) को मत भूलें जो स्वचालित रूप से सक्रिय हो जाते हैं जब हाइड्रोजन का दबाव टैंक की रेटिंग दबाव का 110% तक पहुंच जाता है।

70 MPa ईंधन भरने के दौरान तापीय प्रबंधन चुनौतियाँ

जूल-थॉमसन प्रभाव के कारण तापमान में अचानक वृद्धि: हाइड्रोजन टैंक सुरक्षा के लिए भौतिकी, माप और निहितार्थ

जब 70 MPa ईंधन भरने के दौरान हाइड्रोजन को तेजी से संपीड़ित किया जाता है, तो जूल-थॉमसन प्रभाव नामक कुछ चीज़ों के कारण 85 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान वाले स्थान बन जाते हैं। मूल रूप से, जब गैस इतनी तेजी से संपीड़ित होती है, तो यह उस गति से गर्म हो जाती है जिससे प्रणाली इसे ठंडा करने में असमर्थ रहती है। ये गर्म क्षेत्र IV प्रकार के टैंकों के लिए वास्तविक समस्या बन जाते हैं। SAE J2601 जैसे संगठनों द्वारा निर्धारित मानकों के अनुसार पूरी प्रक्रिया में अवरक्त कैमरों और अंतर्निर्मित सेंसरों के माध्यम से लगातार निगरानी की आवश्यकता होती है। यदि चीजें बहुत अधिक गर्म हो जाती हैं, तो उन्हें वास्तव में ईंधन भरना रोक देना पड़ता है जब तक कि सब कुछ उस खतरनाक 85 डिग्री के निशान से नीचे ठंडा नहीं हो जाता। इन तापमानों को अनियंत्रित छोड़ देने से हाइड्रोजन के रिसाव की दर भी तेज हो जाती है—प्रत्येक अतिरिक्त 10 डिग्री सेल्सियस के लिए लगभग 15% अधिक। इससे भी बदतर, यह संयुक्त परतों को अलग होने के जोखिम में डालता है। इसी कारण आधुनिक प्रणालियों में अब स्मार्ट नियंत्रण शामिल हैं जो भविष्यवाणियों के आधार पर ईंधन की मात्रा को समायोजित करते हैं, साथ ही दबाव राहत उपकरण भी शामिल हैं जो चीजों के असुरक्षित स्तर तक पहुँचने से बहुत पहले सक्रिय हो जाते हैं। ये सुरक्षा उपाय तेज ईंधन भरने के दौरान थोड़ी कम दक्षता (लगभग 2% तक) को काट देते हैं, लेकिन फिर भी सड़क पर सभी की सुरक्षा के लिए ये पूरी तरह से आवश्यक हैं।

सामान्य प्रश्न अनुभाग

70 MPa हाइड्रोजन टैंक के लिए मुख्य सुरक्षा मानक क्या हैं?

70 MPa हाइड्रोजन टैंक के लिए मुख्य सुरक्षा मानकों में FMVSS 308, UN GTR 13 और ISO 15869 शामिल हैं, जो फटने के दबाव, थकान परीक्षण और पारगम्यता दरों के लिए आवश्यकताएं निर्धारित करते हैं।

संयुक्त राज्य अमेरिका और यूरोपीय संघ के विनियमों में अग्निरोधकता में क्या अंतर है?

संयुक्त राज्य अमेरिका के FMVSS 308 में 800 डिग्री सेल्सियस पर 12.5 मिनट तक सामग्री को सहन करने की आवश्यकता होती है, जबकि यूरोपीय संघ विनियम 134 में 1,100 डिग्री सेल्सियस पर 20 मिनट की आवश्यकता होती है, जिससे सामग्री के चयन और डिज़ाइन पर प्रभाव पड़ता है।

CFRP संयुक्त पदार्थों को किन चुनौतियों का सामना करना पड़ता है?

चक्रीय दबाव और तापमान तनाव के कारण एपॉक्सी में दरारें बनने की समस्या CFRP संयुक्त पदार्थों के सामने होती है, जिससे उम्मीद से पहले ही अवनति हो जाती है।

हाइड्रोजन टैंक किन दबाव परीक्षणों से गुजरते हैं?

हाइड्रोजन टैंक फटने के दबाव परीक्षण से गुजरते हैं जिसमें कम से कम 157.5 MPa सहन करने की क्षमता और SAE J2579 और ISO 15869 परिशिष्ट D जैसे मानकों के अनुसार हजारों दबाव चक्रों के साथ थकान जीवन परीक्षण शामिल होते हैं।

ईंधन भरते समय जूल-थॉमसन प्रभाव का क्या प्रभाव पड़ता है?

जूल-थॉमसन प्रभाव 70 MPa पर त्वरित संपीड़न के दौरान 85 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान वृद्धि का कारण बन सकता है, जिसके कारण सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए निगरानी और शीतलन उपायों की आवश्यकता होती है।