その場で高圧水素トライボロジー水素配信インフラストラクチャで使用される一般的なポリマー材料の試験
Summary
水素インフラ サービスで使用される高分子のトライボロジー特性を定量化するためのテスト方法を示したし、一般的なエラストマーの特徴的な結果について述べる。
Abstract
高圧水素ガスは、コンプレッサー、バルブ、ホース、およびアクチュエータの金属部品に悪影響を与える知られています。しかし、比較的少しはまたこれらのコンポーネント内で見つかったポリマー シールとバリア材料の高圧水素の影響について知られています。多くの研究は、高圧水素と水素燃料の輸送インフラのコンポーネントは、一般的なポリマー材料の互換性を判断するために必要です。その結果、摩擦などの物理特性の変化を考慮し、ポリマーは、高圧水素にさらされている間その場で着用することが重要です。このプロトコルで摩擦試験方法とカスタムその場でピンのフラット直線往復を使用して 28 MPa 高圧水素環境におけるエチレン プロピレン ジエンの単量体 (EPDM) エラストマー試料の性質を着用トライボメータ。この試験は代表的な結果表示これは EPDM サンプル クーポンと鋼の反対の表面との間の摩擦係数が高圧水素で同様に測定した摩擦係数と比較すると増加することを示す周囲の空気。
Introduction
近年、可能性ゼロ排出ガスとして水素の大きな関心や車、定置型電源のゼロに近い排出量の燃料をされています。室温で低密度のガスとして水素が存在するので、ほとんどのアプリケーションは燃料の圧縮水素のいくつかのフォームを使用します。1,2の圧縮を使用して潜在的な欠点は、高圧水素ガスは、インフラストラクチャ2,3,4と車載5内で見つかった多くの材料との互換性、互換性の問題が繰り返される圧力および温度と組み合わせてサイクリングします。純粋な水素環境は特定の鋼を含む金属の部品が損傷、腫れ、水素化物の形成を含むさまざまなメカニズムを通じてチタン表面とふくれ、脆化。2,6,7,ジルコン酸チタン酸鉛 (PZT) 圧電セラミックスの使用など8非金属部品も鉛の移行と表面ふくれなど水素非互換性効果による劣化を受けやすい証明しました。9,10,11,12水素照射による損傷のこれらの例は既に研究されている中、水素環境内の高分子のコンポーネントとの互換性が関心になるばかり。13,14,15,16主成分ポリマーは通常の障壁またはシールとして、核の構造の整合性とオイルとガスのアプリケーションを提供する金属のコンポーネントの結果です。17,18,19,20その結果、ポリテトラフルオロ エチレン (PTFE) などのコンポーネント内で高分子材料の摩擦・摩耗特性シートとバルブ トリル ブタジエンのゴム (NBR) O リングになる重要な要因で機能する能力で。
水素インフラの場合は、貯蔵タンク、コンプレッサー、バルブなどのコンポーネントは、金属表面と接触している高分子材料を含まれています。高分子と金属表面間の摩擦の相互作用は、各表面の摩耗の結果します。摩擦と相互作用する 2 つの表面の摩耗の関係の科学はトライボロジーと呼ばれます。低弾性率と金属よりも強度を持っている傾向があるポリマー、高分子材料のトライボロジー特性は金属材料から大きく異なるため。その結果、高分子表面は、金属表面との摩擦接触後以上の摩耗や損傷を展示する傾向があります。21,22水素インフラストラクチャ アプリケーション、高速圧力と温度サイクルが高分子と金属表面の相互作用の繰り返しの原因は、摩擦の可能性が高まるとポリマー成分に着用します。元場非トライボ損傷を引き起こす可能性があります減圧後ポリマー サンプルの可能な爆発性減圧のためこの損傷の定量化は難しい。23また、多くのポリマー製品含める多くのフィラーと水素化、元場これらの摩耗の解析をさらに複雑な中に水素ガスとの対話を通じて否定的マグネシウム酸化物 (MgO) などの添加物材料。24,25
減圧元場摩擦摩耗による損傷発生高分子材料への損傷間の差別化の複雑さのため直接非金属材料原の摩擦特性を調査する必要があります。水素配信インフラストラクチャ内に存在する可能性のある高圧水素環境で。このプロトコルでは、テストを示す摩擦を定量化し、専用の in situトライボメータを利用した高圧水素雰囲気下における高分子材料の性質を着用する方法論を開発しました。26本代表のデータ取得の in situトライボメータとエチレン プロピレンのジエンの単量体 (EPDM) ゴム、一般的なポリマー シールおよびバリア材を使用します。EPDM 素材 0.3175 cm 厚さで 60.96 cm 正方形シートで購入したデータは、以下のプロトコルを使用して生成された代表と 60A 硬さの評価を持っているベンダーによって報告されました。
Protocol
Representative Results
Discussion
高分子材料のトライボロジー試験のため現在元場テクニックには、される前に減圧される高圧水素にさらされるサンプルが必要商業トライボメータを使用してテストします。15,24,25このプロトコルのテスト方法は、高圧環境でその場でポリマー サンプルのトライボロジー特性のテストを許可するように設計さ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究を行ったで、太平洋の北西国立研究所 (なり)、ため、エネルギー省 (DOE) 契約番号の下でバテル記念研究所が運営します。デ-AC05-76RL01830。
Materials
| EPDM Polymer Stock Sheet | McMaster-Carr | 8525T68 | 24" x 24", 1/8" Thick |
| Pressure Vessel, Autoclave | Fluitron Inc. | 8308-1788-U | 5" diameter, 1' height |
| High Purity Hydrogen Gas | Praxair | HY4.5 | Grade 4.5, 5ppm O2, 5 ppm H20 |
| O2 Sensor | Advanced Micro Instruments | T2 | 0-5ppm min. range, 10,0000ppm max. |
| Pre-purified Argon Gas | Oxarc | LCCO-HP818 | High-purity, 99.998% |
| Liquid Dishwashing Detergent | McMaster-Carr | 98365T89 | 32 oz pour bottle, lemon scented |
| Mildew Resistant Sponge | McMaster-Carr | 7309T1 | 6" long x 3 -1/2" Wide x 1" High, yellow |
| PTFE Pipe Thread Sealant Tape | McMaster-Carr | 4591K12 | 1/2" wide, white color |
| Gas Tube Fittings | Swagelok | SS-400-1-4 | 1/4" OD, stainless steel, male NPT threading |
| Hammer Driven Die | McMaster-Carr | 3427A22 | 7/8" Hammer driven hole punch |
| Linear Variable Differential Transformer | Omega | LD320-2.5 | 2.5mm, AC output, guided w/spring |
| Autoclave O-ring Seal | Fluitron Inc. | A-4511 | Hastelloy C-276, 5-3/4" OD x 5" ID x 3/8" |
| Torque Wrench | McMaster-Carr | 85555A422 | Adjustable Torque-Limiting Wrench, Quick-Release, 1/2" Square Drive, 50-250 ft.-lbs. Torque |
| Mallet | McMaster-Carr | 5939A11 | Hard and Extra-Hard Rubber Hammer, 2-1/4 lbs. |
| iLoad Mini Capacitive Load Sensor | Loadstar Sensors | MFM-050-050-S*C03 | 50 lb, U Calibration, 0.5% Accuracy, Steel |
References
- Schlapbach, L. Technology: Hydrogen-fuelled vehicles. Nature. 460 (7257), 809-811 (2009).
- Jones, R., Thomas, G. . Materials for the Hydrogen Economy. , (2007).
- Barth, R., Simons, K. L., San Marchi, C. . Polymers for Hydrogen Infrastructure and Vehicle Fuel Systems: Applications, Properties, and Gap Analysis. , 23-34 (2013).
- Marchi, C., Somerday, B. P., Ref, M. T. . Technical Reference on Hydrogen Compatibility of Materials. , (2008).
- Welch, A., et al. . Challenges in developing hydrogen direct injection technology for internal combustion engines. , (2008).
- Fukai, Y. . The Metal-Hydrogen System. , (2005).
- Lu, G., Kaxiras, E. Hydrogen embrittlement of aluminum: The crucial role of vacancies. Phys. Rev. Lett. 94 (15), 155501 (2005).
- Zhao, Z., Carpenter, M. A. Annealing enhanced hydrogen absorption in nanocrystalline Pd∕AuPd∕Au sensing films. J. Appl. Phys. 97 (12), 124301 (2005).
- Alvine, K. J., et al. High-pressure hydrogen materials compatibility of piezoelectric films. Appl. Phys. Lett. 97 (22), 221911 (2010).
- Alvine, K. J., et al. Hydrogen species motion in piezoelectrics: A quasi-elastic neutron scattering study. J. Appl. Phys. 111 (5), 53505 (2012).
- Aggarwal, S., et al. Effect of hydrogen on Pb(Zr,Ti)O3Pb(Zr,Ti)O3-based ferroelectric capacitors. Appl. Phys. Lett. 73 (14), (1998).
- Ikarashi, N. Analytical transmission electron microscopy of hydrogen-induced degradation in ferroelectric Pb(Zr, Ti)O3Pb(Zr, Ti)O3 on a Pt electrod. Appl. Phys. Lett. 73 (14), (1998).
- Castagnet, S., Grandidier, J., Comyn, M., Benoı, G. Hydrogen influence on the tensile properties of mono and multi-layer polymers for gas distribution. Int. J. Hydrog. Energy. 35, 7633-7640 (2010).
- Theiler, G., Gradt, T. Tribological characteristics of polyimide composites in Hydrogen environment. Tribol. Int. 92, 162-171 (2015).
- Sawae, Y., et al. Friction and wear of bronze filled PTFE and graphite filled PTFE in 40 MPA hydrogen gas. Proceed. , 249-251 (2011).
- Fujiwara, H., Ono, H., Nishimura, S. Degradation behavior of acrylonitrile butadiene rubber after cyclic high-pressure hydrogen exposure. Int. J. Hydrogen Energy. 40 (4), 2025-2034 (2015).
- Zhang, L., et al. Influence of low temperature prestrain on hydrogen gas embrittlement of metastable austenitic stainless steels. Int. J. Hydrogen Energy. 38 (25), 11181-11187 (2013).
- Weber, S., Theisen, W., Martı, M. Development of a stable high-aluminum austenitic stainless steel for hydrogen applications. Int. J. Hydrogen Energy. 38 (14), 5989-6001 (2013).
- Papavinasam, S. . Corrosion control in the oil and gas industry. , (2013).
- Yamamoto, S. Hydrogen Embrittlement of Nuclear Power Plant Materials. Mat. Trans. 45 (8), 2647-2649 (2004).
- Rymuza, Z. Tribology of polymers. Arch. Civ. Mech. Eng. 7 (4), 177-184 (2007).
- Mckeen, L. W. . 1 Introduction to Fatigue and Tribology of Plastics and Elastomers. , (2010).
- Lorge, O., Briscoe, B. J., Dang, P. Gas induced damage in poly(vinylidene fluoride) exposed to decompression. Polymer. 40, 2981-2991 (1999).
- Sawae, Y., Yamaguchi, A., Nakashima, K., Murakami, T., Sugimura, J. Effects of Hydrogen Atmosphere on Wear Behavior of PTFE Sliding Against Austenitic Stainless Steel. Proceed. , 1-3 (2008).
- Sawae, Y., Nakashima, K., Doi, S., Murakami, T., Sugimura, J. Effects of high pressure hydrogen on wear of PTFE and PTFE composite. Proceed. , 233-235 (2010).
- Duranty, E., et al. An in situ tribometer for measuring friction and wear of polymers in a high pressure hydrogen environment. Rev. Sci. Instrum. 88 (9), (2017).
