ES2343519T3 - Acumulador de hidrogeno y procedimiento para su fabricacion. - Google Patents
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Abstract
Acumulador de hidrógeno constituido por un recipiente (1) hermético a la presión, lleno de hidruro metálico (6), con un tubo de llenado y extracción (4), en el que el recipiente (1) está lleno de un hidruro metálico (6) dispuesto en cartuchos (5) construidos en forma permeable al hidrógeno, y en el que el recipiente (1) y su carga de llenado están dimensionados y diseñados de modo que el recipiente (1) se deforme plásticamente durante el llenado por efecto de la expansión del hidruro metálico (6).
Description
Acumulador de hidrógeno y procedimiento para su
fabricación.
La invención concierne a un acumulador de
hidrógeno en forma de un acumulador de hidruro metálico y a un
procedimiento para su fabricación.
Se conoce por el documento DE 35 02 311 A1 un
acumulador de hidrógeno. Éste está constituido por un recipiente
hermético a la presión frente al hidrógeno, típicamente fabricado de
acero, que tiene una forma sustancialmente cilíndrica y está
provisto, a lo largo del eje de su cilindro, de un tubo de llenado y
extracción que está rodeado por cartuchos permeables al hidrógeno
gaseoso, en los cuales esta dispuesto un hidruro metálico en cuya
estructura reticular se puede almacenar el hidrógeno de una manera
en sí conocida. En el acumulador conocido el hidruro metálico se
introduce en forma de un granulado. Como alternativa, es conocido el
recurso de introducir el hidruro metálico en forma de polvo o en
forma peletizada.
Dado que el hidruro metálico se expande
considerablemente al absorber hidrógeno a consecuencia del
almacenamiento de los átomos de hidrógeno en la red cristalina, los
cartuchos están configurados de modo que dejen dentro del
recipiente un espacio libre que se rellene después al absorber
hidrógeno por expansión radial del hidruro metálico. Esto tiene
ciertamente la ventaja de que se evita fiablemente el riesgo de
reventamiento del recipiente o de un daño originado por una
deformación plástica inadmisible, pero adolece de la desventaja de
que el grado de llenado es relativamente pequeño, de modo que la
posible absorción de hidrógeno no agota tampoco las capacidades
físicas posibles, ni siquiera en una medida tan sólo aproximada.
Se conoce por el documento DE 42 01 131 A1 un
recipiente de hidruro metálico comparable que está constituido por
un recipiente exterior resistente a la presión y hermético al gas,
así como por un recipiente interior permeable al gas, consistente
en aluminio, en el cual está almacenado el hidruro metálico. Entre
el recipiente interior y el recipiente exterior están formados unos
espacios libres, con lo que el recipiente interior se puede
deformar plásticamente durante la carga con hidrógeno sin que se
dañe el recipiente exterior.
Se conoce por el documento GB 2 148 477 A una
disposición comparable en la que el recipiente interior presenta en
el lado frontal unas tapas desplazables, con lo que el hidruro
metálico se puede expandir por desviación en dirección axial sin
que se destruya el recipiente exterior.
Además, la fabricación de tales acumuladores de
hidrógeno conocidos es muy costosa. El hidruro metálico se funde
usualmente bajo vacío, triturándose y pulverizándose después los
bloques de fundición de una manera costosa y, eventualmente,
comprimiéndose éstos otra vez. Estos procedimientos de tratamiento
son intensivos en energía y herramientas a consecuencia del
material duro y quebradizo.
Ante estos antecedentes, la invención se basa en
el problema de construir un acumulador de hidrógeno con hidruro
metálico de modo que se incremente su capacidad de absorción de
hidrógeno, y, además, crear un procedimiento con el que se pueda
fabricar este acumulador de hidrógeno de una manera sencilla y
barata.
La parte de dispositivo del problema se resuelve
por medio de las características indicadas en la reivindicación 1,
en tanto que la reivindicación 4 caracteriza el procedimiento según
la invención para fabricar un acumulador de hidrógeno conforme a la
invención. Ejecuciones ventajosas de la invención están indicadas en
las reivindicaciones subordinadas, en la descripción siguiente y en
el dibujo.
La idea básica de la presente invención consiste
en aumentar aún más el grado de llenado del recipiente, y ello
concretamente hasta que, durante el llenado siguiente con hidrógeno,
se produzca una deformación plástica del recipiente exterior. Sin
embargo, el recipiente, por un lado, y el grado de llenado, por
otro, están sintonizados aquí entre ellos de modo que la
deformación plástica esté situada en una zona que no perjudique al
funcionamiento del recipiente. Esto quiere decir que el recipiente
está diseñado en su construcción de modo que, bajo la expansión que
cabe esperar, admita ciertamente una deformación plástica, pero ésta
no influya sobre la resistencia necesaria del recipiente que se
requiere para la seguridad. Por tanto, la sintonización es tal que
la expansión del recipiente esté limitada fiablemente a una medida
tolerable. En contraste con una presión de gas (para la cual se
diseñan los recipientes usualmente), se ajusta ya en este caso con
pequeñas deformaciones un equilibrio entre la presión de expansión
y la contrapresión de la envolvente, por lo que no existe una
sobreexpansión local inadmisible bajo un grado de llenado
correspondientemente diseñado. Para asegurar una distribución
uniforme y, por tanto, también una expansión uniforme del hidruro
metálico al almacenar hidrógeno se ha previsto según la invención
almacenar hidruro metálico en cartuchos construidos de forma
permeable al hidrógeno, por ejemplo hechos de aluminio u otra
aleación metálica. De este modo, se puede impedir especialmente una
excesiva elevación local de la presión por expansión, ya que se
impide ampliamente un amontonamiento del material hidruro metálico
en sitios determinados del recipiente.
Para conseguir un alto grado de llenado se ha
previsto según la invención cargar el hidruro metálico en el
recipiente de acero (aún abierto) -que constituye el recipiente
exterior- no en forma molida como polvo, granulada o peletizada,
según es usual en otros casos, sino en forma de bloques de fundición
de hidruro metálico. Convenientemente, se disponen también los
bloques de hidruro metálico en cartuchos construidos en forma
permeable al hidrógeno, ya que éstos, después de la activación, es
decir, después de la primera carga con hidrógeno, se desmoronan
formando polvo y entonces hay que cuidar también de que no se
presenten amontonamientos localmente elevados de polvo de hidruro
metálico.
Debido a la utilización de bloques de fundición
de hidruro metálico se puede introducir hidruro metálico en el
recipiente en una cantidad sensiblemente mayor que la que se
presenta en el estado de la técnica, en el que se emplea material
triturado. En los hidruros metálicos de baja temperatura que se
utilizan aquí típicamente, el material fundido en forma de un
bloque presenta típicamente una densidad de 6 g/cm^{3}. Si se
granula o pulveriza este material, se puede alcanzar entonces
solamente una densidad de menos de 4 g/cm^{3} después de la
activación, incluso aunque se vuelva a prensar este material. Por el
contrario, cuando se utilizan bloques de fundición de hidruro
metálico según la invención, el hidruro metálico activado contenido
en el recipiente presenta una densidad de más de 4 g/cm^{3} y,
por tanto, puede fijar una cantidad correspondientemente mayor de
hidrógeno.
Se ha visto que la trituración del material
hidruro metálico antes del llenado del recipiente no es necesaria e
incluso es desventajosa. Es desventajosa debido a que ya no puede
lograrse la deseada densidad de estrecho empaquetamiento a
consecuencia de los espacios intermedios no utilizables que resultan
en el estado triturado. Otra desventaja esencial radica en que la
trituración de un bloque de fundición de hidruro metálico es muy
costosa, tal como se ha expuesto al principio.
Por el contrario, el procedimiento según la
invención evita estas desventajas debido a que al menos uno, pero
preferiblemente un gran número de bloques de hidruro metálico
(preferiblemente dispuestos en cartuchos) son incorporados en
recipientes de acero de manera que queden lo más yuxtapuestos que
sea posible, después de lo cual se cierra el recipiente de acero
para obtener un recipiente hermético a la presión y luego se somete
éste a vacío. Según la invención, se llena después el recipiente de
acero con hidrógeno a temperatura ambiente y a una presión media,
es decir que se activa dicho recipiente. El hidrógeno llega entonces
al bloque de fundición a través de las fisuras de tensión siempre
existentes en la fundición y activa el material. Debido a la
expansión del material al efectuar la carga con hidrógeno, el
bloque de fundición se desintegra completamente y se pulveriza. Sin
embargo, el material pulverizado allí producido no se puede expandir
a voluntad, ya que el espacio disponible está limitado por el
recipiente exterior. Por tanto, dicho material no se deshace como un
material a granel, sino que se conserva al menos parcialmente en
estructuras semejantes a cuerpos sólidos, lo que conduce a una
densidad de empaquetamiento sensiblemente mayor. Además, la
expansión en volumen del hidruro metálico, la cual se origina
forzosamente al efectuar la carga con hidrógeno, es conducida
deliberadamente en dirección radial hacia fuera hasta la pared del
recipiente, la cual se deforma plásticamente dentro de la medida
tolerable por efecto de la presión del material. Debido a la más
alta densidad de empaquetamiento, el hidruro metálico no tiene ya
la posibilidad de mudarse de sitio. De este modo, no se pueden
presentar tampoco amontonamientos locales de hidruro metálico ni,
por tanto, el riesgo de deformaciones locales e incontroladas en el
recipiente.
Además, se puede incrementar todavía la densidad
de empaquetamiento para fines de utilización cuando se reduzca el
número de ciclos de carga/descarga admisibles. Esto es ventajoso
especialmente par uso en submarinos, en los que la capacidad del
acumulador de hidrógeno es de importancia decisiva, mientras que el
número de ciclos de carga/descarga está limitado en función del
tipo de utilización. Por tanto, mediante un aumento adicional de la
densidad de empaquetamiento se puede incrementar aquí aún más la
capacidad del acumulador.
Preferiblemente, los bloques de fundición de
hidruro metálico se instalan según la invención dentro del
recipiente de acero, sustancialmente en forma no tratada, a saber,
intercalando de preferencia en cada caso un cartucho construido en
forma permeable al hidrógeno. Se pueden suprimir así completamente
tratamientos posteriores del bloque de fundición. No obstante,
resultan entonces ciertos espacios libres que son necesarios para
que el bloque de fundición de hidruro metálico pueda ser colocado
con holgura dentro del cartucho, es decir que no se pueda ladear ni
atascar debido a tolerancias de fabricación. Estos espacios libres
son compensados de todos modos por la expansión del material al
activar el acumulador por primera vez, es decir, al cargarlo con
hidrógeno, y, por tanto, están dimensionados de modo que se puedan
mantener unas precisiones de fabricación lo más estrictas que sea
posible.
Según la invención, la activación del hidruro
metálico se efectúa dentro del recipiente sin calentamiento ni
barrido. Por tanto, la invención hace posible una simplificación
considerable del procedimiento. El primer llenado con hidrógeno se
efectúa preferiblemente a temperatura ambiente, es decir, una
temperatura entre 5 y 45º. La presión de llenado deberá estar
comprendida entre 10 y 65 bares, siendo necesario el límite inferior
para iniciar la activación y siendo necesario el límite superior
para lograr un llenado completo del acumulador.
Los cartuchos metálicos construidos en forma
permeable al hidrógeno y que reciben cada uno de ellos un bloque de
hidruro metálico, de preferencia un bloque de fundición
prácticamente sin tratar, pueden servir, por un lado, como
recipientes de transporte y, por otro lado, hacen posible la
distribución uniforme del material dentro del recipiente de acero,
a cuyo fin estos cartuchos de forma anular se apilan en el espacio
comprendido entre el tubo de llenado y extracción y la pared del
recipiente de acero. El recipiente de acero, que forma el
recipiente exterior posterior, está dimensionado aquí de modo que
pueda ser llenado casi completamente con bloques de hidruro
metálico incorporados en cartuchos. El recipiente de acero es
cerrado después del llenado por medio de una tapa que se debe
soldar, con lo que queda formado entonces el recipiente hermético a
la presión lleno de hidruro metálico. Para asegurar que el hidruro
metálico que se deshace formando polvo permanezca dentro del
respectivo cartucho, se cierra cada cartucho, antes de introducirlo
en el recipiente de acero, con una tapa que está preferiblemente
soldada con el cartucho. Convenientemente, la tapa está formada aquí
por el fondo del inmediato cartucho superpuesto, con lo que
solamente el cartucho más superior debe ser realizado con una
construcción especial.
Cuando todos los cartuchos están después
soldados uno con otro, resulta un cuerpo sustancialmente cilíndrico
que llena el espacio interior del recipiente de acero con poca
holgura y que únicamente presenta en el centro un rebajo central
para el tubo de llenado y extracción.
La soldadura de los cartuchos uno con otro es
ventajosa también en lo que respecta a requisitos estáticos antes
de la introducción de los mismos en el recipiente de acero, ya que
de esta manera, especialmente en el caso de pilas altas, se
incrementa la estabilidad propia de la pila, es decir que se asegura
que los cartuchos relativamente inestables no sean deformados por
la presión de los cartuchos situados sobre ellos.
Los cartuchos dispuestos dentro del recipiente
tienen que ser permeables al hidrógeno en medida suficiente para
que sea posible una carga y descarga progresivas a través del tubo
de llenado y extracción central. En general, no es suficiente para
ello la permeabilidad del material existente, por ejemplo, en
aluminio, de modo que eventualmente se han de prever también en un
sitio adecuado unos rebajos correspondientes, por ejemplo en el
lado de los cartuchos que queda dirigido hacia el tubo de carga y
descarga. Eventualmente, tales configuraciones pueden estar
formadas también entre cartuchos superpuestos, por ejemplo en el
lado interior. Por tanto, eligiendo el material y/o atendiendo a
criterios de construcción se puede cuidar eventualmente de que
exista una permeabilidad suficiente al hidrógeno en los
cartuchos.
Los campos de aplicación para el acumulador de
hidrógeno según la invención no están limitados. Este acumulador de
hidrógeno puede utilizarse de manera especialmente ventajosa en
submarinos, ya que, por un lado, la alta resistencia a la presión
necesaria para un montaje exterior es fomentada por el alto grado de
llenado y, por otro lado, es posible especialmente el montaje
sustancialmente horizontal o en otra posición deseada que resulta
necesario en submarinos, tal como cabe esperar durante la
navegación. Debido a la alta densidad de empaquetamiento se asegura
que, con independencia del montaje del acumulador de hidrógeno, no
sea de esperar ningún desplazamiento local o solamente un
desplazamiento local tolerable del hidruro metálico dentro del
acumulador. Además, debido a la alta densidad de empaquetamiento se
garantiza una alta capacidad de solicitación por impactos del
recipiente, lo que es ventajoso especialmente en submarinos
militares. Por otra parte, el acumulador de hidrógeno según la
invención puede utilizarse ventajosamente también en barcos de
superficie.
Se explica seguidamente la invención con más
detalle ayudándose de un ejemplo de realización representado en el
dibujo. Muestran:
La figura 1, en representación esquemática
fuertemente simplificada, una sección longitudinal a través de un
acumulador de hidrógeno según la invención antes de su
activación,
La figura 2, en representación fuertemente
esquematizada, un recipiente antes (a) y después (b) de la
activación y
La figura 3, una sección a través de un
recipiente según la figura 2 a lo largo de la línea
III-III.
El acumulador de hidrógeno representado en la
figura 1 está constituido por un recipiente 1 fabricado en acero y
hermético a la presión frente a hidrógeno, el cual está formado por
un recipiente cilíndrico de acero 2 que está abierto hacia un lado
(por arriba) y que está definido por una tapa 3 para el recipiente 1
soldada con el recipiente de acero 2. Dentro del recipiente 1 está
dispuesto coaxialmente al eje del mismo un tubo de llenado y
extracción 4 que está formado de manera en sí conocida por metal
sinterizado, con lo que este tubo es permeable al hidrógeno, pero
es impermeable a materias sólidas. El tubo de llenado y extracción 4
se extiende hacia fuera en la tapa 3 del recipiente 1 hasta una
acometida de tubo (no representada con más detalle).
En este ejemplo de realización están formados
dentro del recipiente 1 siete cartuchos 5 de material buen conductor
del calor, construido como permeable al hidrógeno, aquí aluminio,
los cuales están dispuestos con holgura dentro del recipiente 1
entre el tubo de llenado y extracción 4 y la pared interior. Estos
cartuchos se ha introducido desde arriba en el recipiente de acero
2 aún abierto. Los cartuchos 5 están llenos cada uno de ellos con
un bloque de fundición de hidruro metálico de baja temperatura. El
bloque de fundición 6 está asentado también con holgura en el
respectivo cartucho 5 de tal manera que dicho bloque de fundición,
que se produce usualmente como masa fundida en vacío, puede ser
colocado después de su enfriamiento, sin más tratamiento, dentro
del cartucho 5.
Los cartuchos 5 se construyen como contenedores
de forma de anillo hueco abiertos hacia arriba, en los cuales se
coloca un bloque de fundición 6 desde arriba. Seguidamente, se
cierra el lado superior del cartucho 5 por medio de una tapa que se
suelda en su perímetro con el cartucho 5. En los cartuchos 5, que se
cubren hacia arriba por medio de otro cartucho 5, el fondo del
cartucho más superior forma la tapa del cartucho situado debajo.
Por tanto, los cartuchos 5 están soldados uno con otro. Únicamente
hay que prever una tapa separada para el cartucho más superior. De
esta manera, se obtiene un cuerpo sustancialmente cilíndrico con un
rebajo central, que puede introducirse desde arriba en el
recipiente de acero 2 y que abraza a todos los cartuchos 5 con los
bloques de fundición 6 situados en ellos.
Una vez que el recipiente de acero 2 así llenado
sea cerrado por soldadura de la tapa 3 y quede configurado como el
recipiente 1 hermético a la presión, se puede activar el acumulador
de hidrógeno así formado.
La activación del acumulador de hidrógeno se
efectúa a una temperatura ambiente con una presión de, al principio,
al menos 10 bares. El hidrógeno llega entonces, a través del tubo
de llenado y extracción 4, a los cartuchos 5 y hasta los bloques de
fundición 6. Atravesando las fisuras de tensión existentes debido al
enfriamiento en los bloques de fundición 6, el hidrógeno llega al
interior de estos bloques, los cuales se deshacen completamente
formando polvo debido a esta carga con hidrógeno. Dado que los
bloques de fundición 6 están dispuestos en cartuchos espacialmente
cerrados 5 y éstos a su vez están dispuestos en recipientes
espacialmente cerrados 1, la expansión usual al cargar con
hidrógeno se produce de momento superando los espacios libres
formados dentro del recipiente 1 a consecuencia de las tolerancias.
Cuando, finalmente, los cartuchos 5 están completamente llenos de
polvo de hidruro metálico y éste sigue expandiéndose, los cartuchos
5 se aplican por dentro al tubo de llenado y extracción 4 y por
fuera al lado interior del recipiente 1. Siempre que se trate de las
fuerzas dirigidas hacia el tubo de extracción 4, éstas se compensan
ampliamente de modo que actúe sustancialmente una fuerza en
dirección radial hacia fuera, con lo que, al proseguir la expansión
del hidruro metálico, el recipiente 1 experimenta finalmente una
deformación plástica en su perímetro exterior cilíndrico. Debido a
la deformación hasta más allá del límite de elasticidad, se
establece ya con pequeñas deformaciones un equilibrio entre la
presión de expansión y la contrapresión de la envolvente. Dado que
el polvo de hidruro metálico está dispuesto dentro del recipiente
en forma localmente ligada a consecuencia del modo de construcción
de los cartuchos, la expansión se produce uniformemente en todo el
perímetro exterior, sin que exista el riego de una sobreexpansión
local. Este proceso de expansión se representa en detalle todavía
con ayuda de las figuras 2 y 3, en donde se ha identificado con
a el estado antes de la activación y con b el estado
después de la activación.
Para llenar completamente el acumulador de
hidrógeno así formado, éste ha de ser solicitado con la presión de
carga. Después del primer llenado del acumulador de hidrógeno así
formado, éste puede ser conducido inmediatamente a su destino, y se
puede suprimir completamente una activación tal como la que era
necesario realizar por calentamiento y barrido en el estado de la
técnica.
\vskip1.000000\baselineskip
- 1
- Recipiente
- 2
- Recipiente de acero
- 3
- Tapa
- 4
- Tubo de llenado y extracción
- 5
- Cartuchos
- 6
- Bloque de fundición
- a
- Antes del llenado con hidrógeno
- b
- Después del llenado con hidrógeno
Claims (13)
1. Acumulador de hidrógeno constituido por un
recipiente (1) hermético a la presión, lleno de hidruro metálico
(6), con un tubo de llenado y extracción (4), en el que el
recipiente (1) está lleno de un hidruro metálico (6) dispuesto en
cartuchos (5) construidos en forma permeable al hidrógeno, y en el
que el recipiente (1) y su carga de llenado están dimensionados y
diseñados de modo que el recipiente (1) se deforme plásticamente
durante el llenado por efecto de la expansión del hidruro metálico
(6).
2. Acumulador de hidrógeno según la
reivindicación 1, en el que los cartuchos (5) están llenos de
bloques de fundición de hidruro metálico (6) que se deshacen
completamente formando polvo por efecto de la carga con
hidrógeno.
3. Acumulador de hidrógeno según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en el que el recipiente (1), en el
estado activado con hidruro metálico (6), tiene una densidad de más
de 4 g/cm^{3}.
4. Uso de un acumulador de hidrógeno según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores para un vehículo
acuático, especialmente un submarino.
5. Procedimiento para fabricar un acumulador de
hidrógeno, en el que se llena un recipiente de acero (2) con al
menos un bloque de hidruro metálico (6) y a continuación se cierra
dicho recipiente formando un recipiente (1), se le somete
seguidamente a vacío y se le llena luego con hidrógeno.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, en
el que los bloques de hidruro metálico (6) se introducen en el
recipiente de acero (2) como bloques de fundición (6)
sustancialmente no tratados, eventualmente con intercalación de un
cartucho (5) permeable al hidrógeno.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que se efectúa la activación del
hidruro metálico (6) sin calentamiento ni barrido.
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que se efectúa la activación del
hidruro metálico por llenado con hidrógeno a una temperatura
comprendida entre 5ºC y 45ºC y a una presión comprendida entre 10
bares y 65 bares.
9. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que se dispone un bloque de
hidruro metálico (6) en un cartucho metálico (5) construido en
forma permeable al hidrógeno y se incorporan varios de tales
cartuchos llenos en el recipiente de acero (2).
10. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que se llena el recipiente de
acero (2), de una manera sustancialmente completa, con bloques de
hidruro metálico (6) y con cartuchos (5) eventualmente
existentes.
11. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que, antes de su introducción en
el recipiente de acero (2), se cierra cada cartucho (5) por medio de
una tapa formada preferiblemente por el fondo del cartucho
siguiente (5).
12. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que se cierra cada cartucho (5)
por medio de soldadura.
13. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que se sueldan los cartucho (5)
uno con otro antes de su introducción en el recipiente de acero
(2).
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