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Auteurs : Peter Schäfer et Lorena Casasola | Octobre 2026 | Article
Principaux points clés en un coup d’œil
- L’hydrogène présente une faible solubilité dans les élastomères, mais il diffuse rapidement à travers ceux-ci : La perméation, déterminée à la fois par la solubilité et la diffusion, dépend de la famille de polymères et du compound spécifique, avec des différences significatives même au sein d’une même famille de polymères. Les essais d’étanchéité indiquent que la perméation à travers le matériau constitue la principale cause de perte de gaz.
- Les élastomères appropriés présentent une bonne résistance : Les essais de vieillissement réalisés dans de l’hydrogène pur à 100 pour cent, à différentes températures, ne montrent principalement que de faibles variations des propriétés des matériaux étudiés pendant les périodes d’essai.
- De nouveaux essais enrichissent la base de données : Les essais de perméation réalisés conformément à la norme ISO 15105-1 et au programme d’essai de l’Association technique et scientifique allemande pour le gaz et l’eau (DVGW) fournissent des données supplémentaires sur les matériaux FKM, HNBR, NBR et EPDM d’une dureté de 70 à 75 Shore A. En complément des essais antérieurs effectués à des pressions et températures élevées, les essais ont désormais été réalisés à 23 degrés Celsius et à 1 bar dans de l’hydrogène pur à 100 pour cent.
Lors de la sélection de matériaux d’étanchéité pour l’hydrogène, les données théoriques sur les matériaux ne suffisent pas à elles seules. Ce qui importe, c’est le comportement d’un matériau spécifique dans des conditions réelles définies en présence d’hydrogène. Les données d’essais empiriques constituent la base de la validation des joints en élastomère destinés à l’hydrogène.
Angst+Pfister enrichit continuellement cette base de données grâce à des essais réalisés dans les conditions réelles des applications utilisant de l’hydrogène. Les résultats permettent de sélectionner les matériaux de manière plus ciblée en fonction des conditions de fonctionnement concernées et de concevoir les solutions d’étanchéité en conséquence.
Défi : Diffusion rapide de l'hydrogène et hautes pressions
En raison de ses très petites molécules, l'hydrogène moléculaire se déplace rapidement à travers les élastomères. Sa solubilité dans le matériau est faible : le gaz reste à peine dans l'élastomère, mais y diffuse rapidement. L'intensité de la perméation d'un matériau d'étanchéité dépend du polymère, de la formulation concrète du matériau ainsi que de la température et de la pression.
Les exigences imposées aux systèmes d'étanchéité sont donc élevées. L'hydrogène forme des mélanges inflammables avec l'air dès environ 4 à 75 pour cent en volume. Avec une énergie d'inflammation d'environ 0,02 millijoule, une simple étincelle suffit. Parallèlement, les conditions d'utilisation peuvent être extrêmes : les applications à l'hydrogène vont de températures d'environ –240 à +200 degrés Celsius et de pressions atteignant 1000 bars.
French: Les hautes pressions comportent un autre risque : en cas de décompression rapide du gaz (Rapid Gas Decompression, RGD), le gaz dissous dans l'élastomère peut s'étendre lors d'une baisse rapide de pression et provoquer des bulles, des fissures ou des cavités dans le matériau. Outre une faible perméation, les systèmes d'étanchéité doivent donc être conçus en fonction des conditions d'exploitation respectives.
Solution : Des tests avec de l'hydrogène réel garantissent la sécurité
Angst+Pfister teste les élastomères dans des conditions définies avec de l'hydrogène réel. Des tests de perméation et d'étanchéité sur des matériaux de 90 Shore A ont par exemple été réalisés à 100 degrés Celsius et à 150 bars dans de l'hydrogène à 100 pour cent. Des tests de décompression rapide du gaz ainsi que des tests de vieillissement sur une période pouvant aller jusqu'à 28 jours fournissent des données supplémentaires pour le choix des matériaux.
Pour les matériaux plus souples de 70 à 75 Shore A, des tests de perméation selon la norme ISO 15105-1 conformément au programme d'essai de l'Association allemande de l'industrie du gaz et de l'eau (DVGW) élargissent la base de données pour les applications à pressions modérées. Ces tests sont également réalisés avec de l'hydrogène à 100 pour cent.
Pour les joints haute pression, l'analyse par éléments finis (FEA) complète les tests empiriques. Angst+Pfister l'utilise pour simuler le comportement des systèmes d'étanchéité dans les conditions d'utilisation respectives. Il est ainsi possible, par exemple, d'analyser la répartition des contraintes et la force d'étanchéité, et d'harmoniser la géométrie du joint, le matériau et les éléments de support.
Résultats et preuve de performance
Perméabilité des élastomères à l’hydrogène
| Mélange | Dureté (Shore A) | Perméabilité* |
|---|---|---|
| FKM HITEC | 75 | 164 |
| HNBR | 70 | 360 |
| PERTEC® CIP FKM | 75 | 489 |
| HNBR | 70 | 582 |
| NBR | 70 | 638 |
| EPDM DW | 70 | 1'049 |
* Unité de perméabilité (cm³ × mm) / (m² × 24 h × bar)
Méthode d’essai ISO 15105-1 conformément à DVGW CERT ZP 5101:2021
Conditions d’essai 23 °C, 1 bar, 100% H₂
Éprouvettes plaques de 2 mm d’épaisseur
Vieillissement dans 100 % d’hydrogène – Évolution des principales propriétés matérielles après 28 jours
Des tests de vieillissement récents dans l'hydrogène à 100 pour cent complètent le tableau. Cinq compounds de 90 Shore A étudiés ont été analysés après une période allant jusqu'à 28 jours quant aux variations de dureté, de volume, de module, de résistance à la traction et d'allongement à la rupture. À 136 et 151 degrés Celsius, on n'a observé majoritairement aucun effet significatif. Le test à 151°C montre, pour un HNBR, une modification des propriétés mécaniques à laquelle on pouvait s'attendre pour cette température.
Globalement, pas de modifications significatives ; modifications plus importantes de certaines caractéristiques de traction pour le HNBR 90 ShA-2.
Matériaux pour systèmes d'étanchéité à l'hydrogène
Pour le choix des matériaux, Angst+Pfister a recours à des matériaux validés ou les teste pour l'application spécifique.L'hydrogène constitue ici le critère central. Les conditions d'utilisation telles que la température, la pression et la conception du joint sont également déterminantes. Dans les électrolyseurs, par exemple, les joints entrent également en contact avec de l'oxygène ou d'autres fluides.
Pour l'hydrogène gazeux, des élastomères testés en FKM, HNBR et EPDM sont notamment disponibles. L'état physique fait une différence essentielle : pour l'hydrogène liquide, les températures atteignent environ -250 degrés Celsius. Des compounds en PTFE y sont utilisés. Dans des conditions cryogéniques, ils exigent des concepts d'étanchéité spéciaux - également pour répondre aux propriétés mécaniques particulières des compounds en PTFE ainsi qu'à la large plage de températures.
| Matériau | Plage de température | Plage de pression |
|---|---|---|
| FKM | -25 à +200 °C Mélanges spéciaux jusqu’à -60 °C |
30 MPa avec bague anti-extrusion jusqu’à 95 MPa |
| HNBR | -50 à +165 °C | 30 MPa avec bague anti-extrusion jusqu’à 95 MPa |
| EPDM | -50 à +150 °C Mélanges spéciaux jusqu’à -60 °C |
30 MPa avec bague anti-extrusion jusqu’à 95 MPa |
| NBR | -50 à +110 °C | 30 MPa avec bague anti-extrusion jusqu’à 95 MPa |
| TPU | -55 à +100 °C Mélanges spéciaux jusqu’à +125 °C |
50 MPa avec bague anti-extrusion jusqu’à 70 MPa |
| PTFE modifié p. ex. Kelfoy 121 |
-200 à +260 °C | 50 MPa avec bague anti-extrusion jusqu’à 100 MPa |
| PEEK | -65 à +240 °C | 100 MPa |
Exemples pratiques : Du réservoir à haute pression au système de
La manière dont les compétences en matière de matériaux et d'ingénierie se traduisent par des solutions concrètes est illustrée par des exemples d'application réels d'Angst+Pfister.
Vannes et soupapes de décharge de pression pour réservoirs d'hydrogène
Angst+Pfister possède une vaste expérience en matière de solutions d'étanchéité pour les vannes haute pression dans les systèmes de stockage d'hydrogène. Celles-ci comprennent des vannes combinées et des soupapes de décharge de pression thermiquement activées pour les systèmes de stockage à 700 bars. Selon la fonction et la charge, différents concepts d'étanchéité sont utilisés : pour les applications statiques, par exemple, des élastomères tels que le HNBR, le FKM, l'EPDM ou le NBR ; pour les applications dynamiques, entre autres, des joints en PTFE renforcés et activés par ressort. Les applications documentées couvrent des pressions de 700 à 900 bars et des températures de –40 à +120 degrés Celsius.
Les vannes combinées et les soupapes de décharge activées thermiquement sont utilisées dans les systèmes de stockage d’hydrogène à 700 bar.
Le concept d’étanchéité dépend de la fonction et de la charge. Les positions statiques peuvent utiliser des élastomères sélectionnés, tandis que les positions dynamiques peuvent utiliser des joints en PTFE renforcés ou activés par ressort.
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Systèmes de tuyauterie et de raccordement
Systèmes de tuyauterie et de raccordement : Angst+Pfister propose différentes solutions pour les raccords de tuyauterie, les brides et les raccords rapides. La plage s’étend de la pression atmosphérique à 900 bar et jusqu’à une température cryogénique de –250 degrés Celsius. Des élastomères et du TPU, entre autres, sont utilisés pour les raccords de tuyauterie et les raccords rapides, tandis que du PTFE modifié est employé pour les joints plats en présence d’hydrogène cryogénique. Les bagues anti-extrusion peuvent être fabriquées en PTFE ou en PEEK.
- Raccords de tuyauterie filetés
- Brides
- Raccords rapides
atm · 350 · 700 · 900 bar
-250 °C (LH₂) à +120 °C
Raccords de tuyauterie filetés et raccords rapides :
HNBR, FKM, EPDM, NBR, TPU
Joints plats pour applications cryogéniques (LH₂) :
PTFE modifié
Bagues anti-extrusion :
PTFE ou PEEK
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Joint MUPU®* pour le stockage d’hydrogène à haute pression
Pour les applications de stockage particulièrement exigeantes, Angst+Pfister a développé la solution d’étanchéité Mupu®, composée du compound spécial de PTFE Kefloy® 121, d’un élément ressort en PEEK et d’une bague d’appui d’angle anti-extrusion. La conception ne fait appel à aucun élément d’étanchéité métallique ou élastomère : cela élimine la fragilisation par l’hydrogène des éléments d’étanchéité métalliques et la décompression rapide des gaz dans les élastomères. Lors des essais à l’eau, la solution a réalisé 100’000 cycles de pression de 30 à 1000 bars, puis de retour à 30 bars. L’essai à l’hydrogène a ensuite comporté 60’000 cycles, passant de plus de 950 à 500 bars, puis de nouveau à plus de 950 bars.
*Mupu® est une marque d’OL Seals A/S – membre du groupe Angst+Pfister
Solution d’étanchéité pour les applications exigeantes de stockage d’hydrogène.
Pression : 1 000 bar
Température : -15 °C à +50 °C
- Kefloy® 121 = PTFE modifié d’O.L.-Seals A/S (membre du groupe Angst+Pfister)
- Élément ressort en PEEK
- Bague d’appui d’angle anti-extrusion
- Aucun élément d’étanchéité métallique
- Aucun élément d’étanchéité en élastomère
- Aucun composant d’étanchéité en élastomère
Eau :
100 000 cycles
30 → 1 000 → 30 bar
Hydrogène :
60 000 cycles
>950 → 500 → >950 bar
Conclusion
Ce n'est pas seulement le matériau qui est critique, mais son interaction avec la conception du joint et les conditions de fonctionnement. La sélection des matériaux pour les applications à l'hydrogène doit être basée sur des données de test fiables. Les recherches d'Angst+Pfister fournissent une base de données croissante à cet effet dans des conditions d'hydrogène définies.
Des tests de vieillissement plus récents dans 100 pour cent d'hydrogène montrent des modifications mineures des propriétés matérielles des matériaux étudiés. De nouveaux tests de perméation DVGW avec des élastomères plus souples de 70 à 75 Shore A élargissent la base de données et confirment que la perméation n'est pas seulement influencée par le type de polymère, mais également par la formulation respective du matériau.
Pour Angst+Pfister, cela constitue la base pour sélectionner des matériaux existants appropriés et développer des solutions d'étanchéité spécifiques à l'application en collaboration avec les clients.
Foire aux questions (FAQ)
Comment la perméation de l'hydrogène dans les joints en élastomère diffère-t-elle fondamentalement des autres fuites de gaz ?
La perméation de l'hydrogène dans les joints en élastomère est déterminée principalement par une diffusion rapide. En raison de sa petite taille moléculaire, l'hydrogène se déplace facilement à travers le volume libre situé entre les chaînes polymères de la matrice caoutchouteuse. Au lieu de s'accumuler à l'intérieur de l'élastomère, l'hydrogène (H₂) diffuse à travers le corps du joint à des vitesses nettement supérieures à celles de molécules plus grandes telles que l'azote ou le méthane. Pour minimiser la perméation, des composés dotés d'une densité de réticulation élevée, de charges spéciales et de structures moléculaires serrées sont nécessaires pour inhiber le transport des gaz sous pressions dynamique et statique.
Les joints en ShA-70 peuvent-ils être utilisés en toute sécurité dans les applications à l'hydrogène, ou les compounds en ShA-90 sont-ils obligatoires ?
Bien que les compounds de 90 ShA (Shore A) soient traditionnellement spécifiés pour les applications extrêmes à haute pression (700 à 1 000 bars) afin d'garantir une résistance élevée à l'extrusion, des tests de perméation DVGW empiriques plus récents confirment que les élastomères de 70 ShA spécialement formulés offrent un haut niveau de sécurité opérationnelle dans les systèmes à hydrogène à basse et moyenne pression. Les joints plus souples de 70 ShA offrent une excellente conformabilité, des forces de contact requises moindres dans l'espace d'installation et une étanchéité améliorée sur les surfaces d'étanchéité irrégulières. Après validation par des tests de perméation DVGW standardisés, ces compounds plus souples affichent des taux de perméation stables et une excellente reprise élastique sans compromettre l'intégrité du système.
Pourquoi des tests de vieillissement dans 100 % d'hydrogène sont-ils nécessaires alors que des données matérielles théoriques sont déjà disponibles ?
Les données matérielles théoriques et les tests standard de vieillissement thermique à l'air ou à l'azote ne tiennent pas compte de l'interaction chimique et physique unique entre l'hydrogène pur et les matrices d'élastomère sous pression et température. Les tests de vieillissement à long terme en autoclave dans une atmosphère de 100 % de (H2) étudient comment un contact prolongé avec l'hydrogène affecte les propriétés des matériaux telles que la dureté, le volume, le module, la résistance à la traction et l'allongement à la rupture. Les tests d'exposition empiriques montrent comment les propriétés des matériaux évoluent sur de longues périodes dans des conditions d'hydrogène définies, fournissant ainsi aux ingénieurs des données validées plutôt que des hypothèses purement théoriques.
Comment les joints en PTFE tels que Mupu®Seal traitent-ils les risques de fuite d'hydrogène à haute pression et de décompression rapide des gaz ?
Mupu®Seal a été développé pour les applications exigeantes à haute pression et associe le composé PTFE spécial Kefloy® 121, un élément de ressort en PEEK et une bague d'appui d'angle contre l'extrusion. La conception n'utilise pas d'éléments d'étanchéité métalliques ou élastomères. Cela élimine la fragilisation par l'hydrogène des éléments d'étanchéité métalliques et la décomposition rapide des gaz des élastomères. Avec de l'eau, la solution a réalisé 100 000 cycles de pression de 30 à 1 000 et retour à 30 bars. Lors du test à l'hydrogène, cela a été suivi de 60 000 cycles de plus de 950 à 500 et retour à plus de 950 bars.
Comment la validation des matériaux pour les joints d'étanchéité à l'hydrogène peut-elle être transférée aux applications de CO₂ et de CCUS ?
L'hydrogène(H₂) et le dioxyde de carbone (CO₂) posent des défis différents aux systèmes d'étanchéité. L'hydrogène se caractérise par des taux de diffusion et de perméation élevés, tandis que le CO₂ peut être absorbé par les élastomères dans de plus grandes proportions, provoquant un gonflement et rendant la résistance à la décomposition rapide des gaz (RGD) particulièrement importante. L'expérience acquise en matière de matériaux, de méthodes de test et de conception de joints dans le cadre des applications à l'hydrogène peut donc être mise à contribution pour développer des solutions pour le CO₂ et le CCUS. Néanmoins, l'adéquation d'un matériau doit également être testée pour le milieu respectif et les conditions de fonctionnement spécifiques.
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À propos des auteurs
Peter Schäfer est Senior Engineering Leader et Lorena Casasola ingénieure matériaux chez Angst+Pfister. Leurs activités portent sur le développement et la validation de solutions d’étanchéité et de matériaux destinés à des applications exigeantes, notamment dans le domaine de l’hydrogène.
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