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Forschungsstelle
BFE
Projektnummer
SI/502156
Projekttitel
POSSHYS – Polymer Screening & Selection for Hydrogen Storage

Texte zu diesem Projekt

 DeutschFranzösischItalienischEnglisch
Schlüsselwörter
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Kurzbeschreibung
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Schlussbericht
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Erfasste Texte


KategorieText
Schlüsselwörter
(Deutsch)
Wasserstoffdruckspeicher, Verbundstruktur, Polymere, Wasserstofftank
Schlüsselwörter
(Englisch)
Hydrogen pressure storage, composite structure, polymers, Hydrogen tank
Schlüsselwörter
(Französisch)
Stockage de l'hydrogène sous pression, structure composite, polymères, réservoir d'hydrogène
Kurzbeschreibung
(Deutsch)

Die "Wasserstoff"-Wirtschaft entwickelt sich weltweit, doch die technischen Herausforderungen bleiben bestehen. Insbesondere sind die Materialien, die zur Speicherung von komprimiertem Wasserstoff verwendet werden, nicht optimiert und unterliegen Alterungsmechanismen, die nicht gut verstanden werden. Ziel des POSSHYS-Projekts ist es, die für Wasserstoffspeicher in Frage kommenden Polymere zu untersuchen, ihre Eigenschaften zu bewerten und die Polymere auszuwählen, die für typische Anwendungen wie Brennstoffzellenfahrzeuge, Tankstellen, Brennstoffzellendrohnen und -flugzeuge am besten geeignet sind.

Kurzbeschreibung
(Englisch)

The "hydrogen" economy is developing worldwide, but technical challenges remain. In particular, the materials used to store compressed hydrogen are not optimised and are subject to ageing mechanisms that are not well understood. The aim of the POSSHYS project is to investigate the polymers that can be used for hydrogen storage, evaluate their properties and select the polymers that are most suitable for typical applications such as fuel cell vehicles, refuelling stations, fuel cell drones and aircrafts.

Kurzbeschreibung
(Französisch)

L'économie "hydrogène" se développe dans le monde entier, mais des défis techniques subsistent. En particulier, les matériaux utilisés pour stocker l'hydrogène comprimé ne sont pas optimisés et sont soumis à des mécanismes de vieillissement qui ne sont pas bien compris. L'objectif du projet POSSHYS est d'étudier les polymères qui peuvent être utilisés pour le stockage de l'hydrogène, d'évaluer leurs propriétés et de sélectionner les polymères les plus adaptés aux applications typiques telles que les véhicules à pile à combustible, les stations de ravitaillement, les drones à pile à combustible et les avions.

Schlussbericht
(Deutsch)

Trotz des wahrgenommenen potenziellen Risikos aufgrund des Mangels an Literatur über die durch RGD (Rapid Gas Decompression) induzierte Schädigung hat unsere kleine Testkampagne gezeigt, dass alle in dieser Studie betrachteten Polymere nicht wesentlich durch RGD beeinträchtigt werden und daher als gute Kandidaten für die Anwendung angesehen werden können. Detailliertere Beobachtungen mit Hilfe der Elektronenmikroskopie könnten jedoch interessant sein, um zu überprüfen, ob kleine Schäden vorhanden sind. Der Zugversuch bei 0° zeigt, dass der Polymer A-Verbundwerkstoff eine sehr gute Leistung aufweist, während der getestete Polymer B-Verbundwerkstoff eine unerwartet niedrige Leistung in diesem Test zeigte. Diese geringe Leistung könnte jedoch mit Problemen bei der Probenvorbereitung zusammenhängen, obwohl das Verfahren für alle Materialien gleich war. Im Zugversuch bei 90° haben wir festgestellt, dass der Polymer A-Verbundwerkstoff von Anbieter 4 in Bezug auf die Bruchfestigkeit nicht so gut ist wie der Polymer B-Verbundwerkstoff (oder PEEK) von Anbieter 2, aber er ist leistungsfähiger als der Polymer B-Verbundwerkstoff von Anbieter 9. In Bezug auf die Bruchdehnung bei 90° übertraf das Polymer A jedoch beide Polymer B-Laminate, während der PEEK-Verbundstoff eindeutig am besten abschnitt. Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur ist bei Polymer A am niedrigsten, liegt aber immer noch über der Betriebstemperatur von 95 °C, so dass das in dieser Arbeit getestete Polymer A für diese Anwendung in Betracht gezogen werden kann, wenn das Wärmemanagement des Tanks gut unter Kontrolle ist. In Bezug auf die interlaminare Scherfestigkeit zeigte das Polymer A eine etwas geringere Leistung als Polymer B oder PEEK, aber die Unterschiede sind marginal und der ILSS-Wert ist für die Anwendung ausreichend.

Insgesamt können wir feststellen, dass ein Verbundwerkstoff mit Polymer A für die Anwendung geeignet sein kann. Seine Leistung ist zwar nicht die beste in Bezug auf die Wärmeformbeständigkeit, aber bis zu einer Betriebstemperatur von 95 °C ist sie akzeptabel. Ein weiterer potenzieller Vorteil von Polymer A könnte sein Preis sein, der unter dem von Polymer B liegen könnte, sobald es vollständig industrialisiert ist. Polymer B-Verbundwerkstoffe zeigten ebenfalls eine ausreichend gute Leistung für die Anwendung, aber ihre inhärente Sprödigkeit kann ein Problem in Bezug auf das zyklische Verhalten oder die Stoßfestigkeit darstellen. Der PEEK/CF-Verbundwerkstoff bietet eindeutig die beste Leistung, aber sein Preis ist für die Massenproduktion von H2-Tanks für Fahrzeuge unerreichbar. Der Schallemissionstest zeigte, dass die Kreuzlagenlaminate mit Polymer A- und Polymer B-Matrix beide ein frühes Einsetzen der Schädigung und ein durch Delamination dominiertes Versagen aufweisen. Das relativ geringe Schadensausmaß könnte auf eine nicht optimale Fertigungsqualität zurückzuführen sein, unterstreicht jedoch, wie wichtig es ist, derartige Tests an der endgültigen Material- und Laminatsequenz durchzuführen, um die zulässige Dehnung im Betrieb anhand der aufgezeichneten Schadensausgangsdehnung zu bestimmen. Wenn nämlich eine Beschädigung auftritt, wird die Ermüdungslebensdauer des Druckbehälters erheblich reduziert und hängt von der Geschwindigkeit der Schadensakkumulation bei jedem Druckzyklus ab. Sowohl die Polymer B- als auch die Polymer A-Verbundwerkstoffe wiesen einen Schadensbeginn bei etwa 0,5 % Dehnung auf, so dass der Tank so konstruiert werden sollte, dass das Dehnungsniveau unter normalen Betriebsbedingungen unter diesem Schwellenwert liegt. In dieser Hinsicht zeigte Polymer A eine etwas bessere Leistung als Polymer B in Bezug auf die Bruchdehnung des Laminats.

Für das reine Polymer (Liner) sind die Referenzen 7 (Gruppe Polymer A) und M21 (Gruppe Polymer B) interessant. Diese beiden Materialien haben eine relative Relaxationsspannung von ~50 [%] im Vergleich zu PEEK bei 95°C über 1600 [s]. Insgesamt zeigen beide Materialien ein gutes Verhalten in Bezug auf Kriech-/Viskoelastik-Spannungen im Inneren des Tanks während Druck- und Temperaturzyklen. 

Aus diesen Ergebnissen können wir schließen, dass die optimale Wahl für die Konstruktion eines Drucktanks aus thermoplastischem Verbundwerkstoff für die Wasserstoffspeicherung unter Verwendung des NGT-Konzepts ein Liner aus Polymer A wie das Referenzmaterial 7 und eine Hülle aus Polymer A und Kohlefaserverbundwerkstoff von Lieferant 4 (ähnliches Material M12.1) ist. Beide Materialien haben gute Leistungen, könnten bei industrieller Fertigung erschwinglich werden und sind recycelbar. Es wurden jedoch spezifische Verbesserungen des Laminatdesigns vorgeschlagen, und weitere Materialforschung könnte von Vorteil sein, um die Duktilität, die Bruchdehnung in Querrichtung und die Zähigkeit des Polymer A/Kohlenstofffaser-Verbundstoffs weiter zu erhöhen, um das Auftreten von Schäden zu verbessern.

Schlussbericht
(Englisch)

Despite the perceived potential risk due to lack of literature concerning the Rapid Gas Decompression (RGD) induced damage, our small test campaign showed that all the polymer considered in this study are not significantly affected by RGD and thus can be considered as good candidates for the application. However, more detailed observations using electron microscopy could be interesting to verify if small scale damages are present. The tensile test at 0° show that the Polymer A composite of has a very good performance while the Polymer B composite tested showed unexpectedly low performance in this test. This low performance might however be related to issues with the specimen preparation, even though the procedure was the same for all materials. In the tensile test at 90°, we observed that the Polymer A composite of Supplier 4 is not as good as the Polymer B (or PEEK) of Supplier 2 in terms of ultimate strength, but it is more performant that the Polymer B of Supplier 9. However, in terms of elongation to failure at 90°, the Polymer A outperformed both Polymer B laminates while the PEEK composite was clearly the best. The Heat Deflection Temperature is the lowest for the Polymer A but remains higher than the service temperature of 95°C, so the Polymer A tested in this work can be considered for this application if the thermal management of the tank is well under control. In terms of Inter-Laminar Shear Strength, the Polymer A showed slightly lower performance compared to Polymer B or to PEEK but the differences are marginal and the ILSS value remain sufficient for the application.

Overall, we can conclude that a composite with Polymer A can be suitable for the application. Its performance is not the best in terms of Heat Deflection Temperature but it remains acceptable up to a service temperature of 95°C. Another potential advantage of the Polymer A could be its price which could be below Polymer B once it is fully industrialized. Polymer B composites showed also sufficiently good performance for the application but their inherent brittleness can be an issue in terms of cyclic behavior or resistance to impacts. PEEK / CF composite offers clearly the best performance but its price is out of reach for mass production of H2 tanks for vehicles. The acoustic emission test showed that the cross-ply laminates with Polymer A and Polymer B matrixes both exhibit early onset of damage and failure dominated by delamination. The relatively low onset of damage observed could be linked to nonoptimal manufacturing quality, but it highlights the importance to use such tests on the final material and laminate sequence to determine the allowable strain in service from the damage onset strain recorded. Indeed, if damage initiates, the fatigue life of the pressure tank is significantly reduced and depends on the rate of damage accumulation at each pressure cycle. Both Polymer B and Polymer A composites exhibited damage onset at about 0.5% strain, thus the tank should be designed to have a strain level below that threshold under normal service conditions. In that regard, Polymer A showed slightly better performance than Polymer B in terms of ultimate strain of the laminate.

For the neat polymer (liner), we can see that the references 7 (Polymer A group) and M21 (Polymer B group) are both interesting. These two materials have a relative relaxation stress of ~50 [%] compared to PEEK at 95°C over 1600 [s]. Overall, both materials would have a good behavior in terms of creep / viscoelastic stresses inside of the tank during pressure & thermal cycling. 

With these results we can conclude that the optimal choice to design a thermoplastic composite pressure tank for hydrogen storage using the NGT concept is with a liner in Polymer A like the material reference 7 and a shell of Polymer A and Carbon Fibre composite from supplier 4 (similar material M12.1). Both materials have good performances, could become affordable when industrialized and can be recycled. However, specific improvements to the laminate design have been proposed and further material research could be beneficial to further increase the ductility, ultimate transverse tensile strain and toughness of the Polymer A / Carbon Fibre composite to improve the onset of damage.

Zugehörige Dokumente
Schlussbericht
(Französisch)

Malgré le risque potentiel perçu en raison du manque de littérature concernant les dommages induits par la décompression gazeuse rapide (DGR), notre petite campagne de tests a montré que tous les polymères considérés dans cette étude ne sont pas significativement affectés par la DGR et peuvent donc être considérés comme de bons candidats pour l'application. Cependant, des observations plus détaillées utilisant la microscopie électronique pourraient être intéressantes pour vérifier si des dommages à petite échelle sont présents. Le test de traction à 0° montre que le composite de polymère A a une très bonne performance tandis que le composite de polymère B testé a montré une performance étonnamment faible dans ce test. Cette faible performance pourrait toutefois être liée à des problèmes de préparation des échantillons, même si la procédure était la même pour tous les matériaux. Dans l'essai de traction à 90°, nous avons observé que le composite de polymère A du fournisseur 4 n'est pas aussi bon que le polymère B (ou PEEK) du fournisseur 2 en termes de résistance ultime, mais qu'il est plus performant que le polymère B du fournisseur 9. Cependant, en termes d'allongement jusqu'à la rupture à 90°, le polymère A surpasse les deux stratifiés en polymère B, tandis que le composite PEEK est clairement le meilleur. La température de déflexion thermique est la plus faible pour le polymère A mais reste supérieure à la température de service de 95°C. Le polymère A testé dans ce travail peut donc être envisagé pour cette application si la gestion thermique du réservoir est bien maîtrisée. En termes de résistance au cisaillement interlaminaire, le polymère A a montré une performance légèrement inférieure à celle du polymère B ou du PEEK, mais les différences sont marginales et la valeur ILSS reste suffisante pour l'application.

Globalement, nous pouvons conclure qu'un composite avec le polymère A peut convenir à l'application. Ses performances ne sont pas les meilleures en termes de température de déflexion thermique mais elles restent acceptables jusqu'à une température de service de 95°C. Un autre avantage potentiel du Polymère A pourrait être son prix qui pourrait être inférieur à celui du Polymère B une fois qu'il sera complètement industrialisé. Les composites en polymère B ont également montré des performances suffisamment bonnes pour l'application mais leur fragilité inhérente peut être un problème en termes de comportement cyclique ou de résistance aux impacts. Le composite PEEK / CF offre clairement la meilleure performance mais son prix est hors de portée pour la production en masse de réservoirs H2 pour les véhicules. Le test d'émission acoustique a montré que les stratifiés croisés avec les matrices en polymère A et B présentent tous deux un début d'endommagement et une rupture dominée par la délamination. L'apparition relativement faible de dommages observée pourrait être liée à une qualité de fabrication non optimale, mais elle souligne l'importance d'utiliser de tels tests sur le matériau final et la séquence de stratifiés pour déterminer la déformation admissible en service à partir de la déformation d'apparition des dommages enregistrée. En effet, si les dommages commencent, la durée de vie en fatigue du réservoir sous pression est considérablement réduite et dépend du taux d'accumulation des dommages à chaque cycle de pression. Les composites du polymère B et du polymère A ont présenté un début d'endommagement à environ 0,5 % de déformation, le réservoir doit donc être conçu pour avoir un niveau de déformation inférieur à ce seuil dans des conditions de service normales. À cet égard, le polymère A a montré des performances légèrement supérieures à celles du polymère B en termes de déformation ultime du stratifié.

Pour le polymère pur (liner), nous pouvons constater que les références 7 (groupe du polymère A) et M21 (groupe du polymère B) sont toutes deux intéressantes. Ces deux matériaux ont une contrainte de relaxation relative de ~50 [%] par rapport au PEEK à 95°C sur 1600 [s]. Dans l'ensemble, les deux matériaux auraient un bon comportement en termes de contraintes de fluage / viscoélastique à l'intérieur du réservoir pendant le cycle de pression et thermique. 

Avec ces résultats, nous pouvons conclure que le choix optimal pour la conception d'un réservoir sous pression en composite thermoplastique pour le stockage de l'hydrogène en utilisant le concept NGT est avec un revêtement en polymère A comme le matériau de référence 7 et une coque en polymère A et en composite de fibre de carbone du fournisseur 4 (matériau similaire M12.1). Les deux matériaux ont de bonnes performances, pourraient devenir abordables une fois industrialisés et peuvent être recyclés. Cependant, des améliorations spécifiques à la conception du stratifié ont été proposées et des recherches supplémentaires sur les matériaux pourraient être bénéfiques pour augmenter encore la ductilité, la déformation ultime en traction transversale et la ténacité du composite polymère A/fibre de carbone afin d'améliorer l'apparition des dommages.