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POSSHYS – Polymer Screening & Selection for Hydrogen Storage

Zusammenfassung

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.

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Schlussbericht

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.

Schlüsselwörter

Wasserstoffdruckspeicher, Verbundstruktur, Polymere, Wasserstofftank

Projektdetails

Forschungsstelle
BFE
Projektstatus
Abgeschlossen
Projekttyp
Forschungsprojekt
Startdatum
2020-10-31
Enddatum
2021-11-29
Bewilligte Gesamtkosten
CHF 72700.00
Sektion
Wasserstoff
NABS Politikbereich
Erzeugung, Verteilung und rationelle Nutzung der Energie

Kategorien

Hydrogen storage Wasserstoff Anwendungsorientierte Forschung

Labels

F+E Wasserstoff