ES2599004T3 - Depósito de hidrógeno - Google Patents
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Abstract
Depósito de hidrógeno con un recipiente a presión (1) hermético al hidrógeno, en el que hay dispuesto hidruro metálico (6) en cartuchos (5) permeables al hidrógeno, estando soldados entre sí, al menos por secciones, cartuchos (5) adyacentes al menos en el lado dirigido hacia el recipiente a presión (1).
Description
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DESCRIPCION
Deposito de hidrogeno
La invencion se refiere a un deposito de hidrogeno en forma de deposito de hidruro metalico.
Tales sistemas de almacenamiento se encuentran en el estado de la tecnica y en este contexto se remite al documento DE 35 02 311 A1, en el que se describe en detalle un deposito de este tipo. Se compone fundamentalmente de un normalmente recipiente a presion de acero hermetico al gas de hidrogeno que esta lleno de hidruro metalico, en cuya red cristalina puede almacenarse hidrogeno. Puesto que el hidruro metalico al almacenar el hidrogeno se expande en una medida considerable y vuelve a contraerse tras su emision, es necesario, para evitar una sobreexpansion espacial del recipiente a presion, distribuir y mantener el hidruro metalico lo mas uniformemente posible por el espacio del recipiente a presion. Para ello estan previstos recipientes metalicos configurados en forma de vasija y cerrados con una tapa. Estos recipientes metalico llenos de hidruro metalico estan formados por un recipiente permeable al gas de hidrogeno y apilados dentro del recipiente a presion. Para la carga y descarga esta previsto un tubo de llenado y extraccion dispuesto de manera centrada con respecto al eje del recipiente a presion, el cual es igualmente permeable al gas de hidrogeno y esta compuesto por material sinterizado. Este tubo de llenado y extraccion atraviesa por el centro los cartuchos que estan cerrados hacia el tubo con una pared.
Independientemente de como este incorporado el hidruro metalico en los cartuchos (como granulado, en forma de perlas, pulverizado), este se descompone en un polvo fino al almacenar el hidrogeno. Debido a la fuerte expansion, no se garantiza de manera fiable, ni siquiera con la colocacion de una tapa, que parte del polvo presione mucho la tapa y/o se infiltre en la misma y llegue por tanto tambien a la zona de intersticio entre el recipiente a presion y los cartuchos de hidruro metalico. Sin embargo, en ese caso se acumula hidrogeno en esta zona, lo que puede provocar tensiones localmente aumentadas e indeseables en la pared envolvente del recipiente a presion, con lo que puede danarse el recipiente a presion de manera duradera.
Ademas, al almacenar hidrogeno en el deposito, va a disiparse calor y en particular al extraer hidrogeno del deposito va a introducirse calor. Puesto que el hidruro metalico es un muy mal conductor del calor, debe llevarse cuidado de que el intercambio de calor, que practicamente solo puede producirse a traves de la pared del recipiente a presion, se produzca dentro del recipiente a presion de tal modo que todo el hidruro metalico se caliente o se enfne de la manera mas uniforme posible. En las capsulas conocidas por el documento DE 35 02 311 A1, la conduccion termica es insuficiente en particular en el interior del recipiente a presion, ya que la seccion transversal de las chapas de capsula usadas en el mismo es relativamente pequena, condicionada por el sistema (han de deformarse durante la expansion). Tambien es desfavorable el contacto termicamente conductor de las capsulas entre sf debido a las acanaladuras presentes entre la tapa y el fondo adyacente. Por ultimo, esta construccion conocida es complicada de fabricar y tambien de montar, ya que las capsulas tienen que integrarse individualmente en el recipiente a presion (todavfa abierto). En este caso existe el riesgo, en particular en el caso de recipientes a presion largos y delgados, de que las capsulas se ladeen y por tanto tambien el riesgo de que se deformen.
Ante estos antecedentes, la invencion se basa en el objetivo de configurar un deposito de hidrogeno de hidruro metalico, de tal modo que se eviten las desventajas mencionadas anteriormente, en particular que el hidruro metalico se quede, tambien durante la expansion, dentro de los cartuchos que se encuentran en el recipiente a presion y se produzca una conduccion termica lo mejor posible dentro del recipiente a presion.
Este objetivo se soluciona de acuerdo con la invencion mediante las caractensticas indicadas en la reivindicacion 1. Configuraciones ventajosas de la invencion se indican en las reivindicaciones dependientes, en la siguiente descripcion y en el dibujo.
La idea basica de la presente invencion es soldar entre sf, al menos por secciones, los cartuchos llenos de hidruro metalico al menos en el lado dirigido hacia el recipiente a presion, es decir en su penmetro exterior. De este modo se mejora esencialmente, por un lado, el intercambio de calor entre los cartuchos, ya que, mediante las extensas uniones por soldadura, toda la pared envolvente de los cartuchos esta unida entre sf de manera termicamente conductora. Se garantiza por tanto tambien una buena conduccion termica en los puntos que no se encuentran de manera termicamente conductora en contacto con el recipiente a presion. Ademas, mediante la union por union de material se garantiza que tampoco llega, al expandirse el hidruro metalico, nada de material a la zona entre el cartucho y la pared del recipiente a presion. El hidruro metalico en polvo se mantiene esencialmente de manera mas fiable que en el estado de la tecnica espacialmente dentro del recipiente a presion, es decir en los cartuchos.
Otra ventaja esencial de la solucion de acuerdo con la invencion consiste en que todo el contenido del recipiente a presion, es decir todos los cartuchos incluido su relleno de hidruro metalico, pueden ensamblarse y unirse entre sf mediante soldadura fuera del recipiente a presion, donde son facilmente accesibles y controlables, de modo que entonces el bloque cilmdrico formado por los cartuchos puede insertarse como un todo en el recipiente a presion todavfa abierto. El montaje se simplifica y mejora de este modo por tanto considerablemente.
Preferiblemente, los cartuchos estan configurados a este respecto en forma de vasija y apilados dentro del cuerpo a presion de modo que el fondo de un cartucho constituye la tapa del cartucho adyacente. A este respecto, cartuchos
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adyacentes estan soldados entre sf preferentemente por todo su penmetro, de modo que se forma en el lado de los cartuchos una pared cerrada hacia la pared del recipiente a presion, que por un lado impide la salida de hidruro metalico en esta zona y por otro lado une entre sf todos los cartuchos de manera termicamente conductora. Puesto que, al menos por secciones, aunque preferentemente por toda la superficie, la pared envolvente asf formada de los cartuchos se situa en contacto con el lado interior del recipiente a presion, se produce ademas una muy buena conduccion termica entre el recipiente a presion y los cartuchos y por tanto tambien el hidruro metalico almacenado en los mismos.
La carga y descarga con hidrogeno se produce ventajosamente a traves de un tubo de llenado y extraccion dispuesto de manera centrada y permeable al hidrogeno, el cual esta dispuesto preferentemente de manera coaxial dentro del recipiente a presion y atraviesa todos los cartuchos. A este respecto, los cartuchos pueden presentar una pared hacia el tubo, para garantizar tambien un contacto uniforme del hidruro metalico en esta direccion. En este ultimo caso, sin embargo, debe llevarse cuidado de que, antes del montaje, no se salga nada de hidruro metalico por la perforacion central. Esto se realiza ventajosamente no introduciendo el hidruro metalico en forma de polvo, granulado o perlas, sino como lingote completo, que se desintegra despues tras la primera carga con hidrogeno automaticamente en polvo.
Es ventajoso que el fondo de un cartucho este configurado de manera escalonada, de tal manera que el cartucho puede integrarse por arrastre de forma en el lado abierto del cartucho adyacente. Un escalon de este tipo facilita el montaje y ofrece asimismo, ademas de la union de material, tambien el arrastre de forma, es decir seguridad adicional. Asimismo, en esta variante de construccion mejora la conduccion termica entre el fondo y la pared envolvente del cartucho, en particular del cartucho adyacente al mismo. Es especialmente ventajoso que el escalonamiento este configurado de modo que entre cartuchos adyacentes se obtenga una ranura circundante. Esta ranura circundante puede servir entonces para alojar la costura de soldadura, de modo que la costura de soldadura termine al ras con la pared envolvente exterior de los cartuchos. Asimismo, la parte interior escalonada presenta un seguro de lecho de soldadura, que evita de manera fiable un hundimiento de la costura de soldadura en el interior del recipiente y reduce asimismo durante la soldadura el efecto del calor sobre el hidruro metalico.
Para conseguir un reparto de calor lo mas uniforme posible dentro del recipiente a presion, es decir tambien dentro del hidruro metalico, que es un mal conductor termico, esta previsto de acuerdo con un perfeccionamiento ventajoso de la invencion disenar el fondo de un cartucho con un grosor radial que aumenta hacia fuera. De manera ideal, la seccion transversal del fondo presenta desde el centro hacia el penmetro exterior el contorno de una funcion e. Entonces puede garantizarse a lo largo del recipiente a presion, la pared envolvente exterior de los cartuchos y el fondo asf disenado una conduccion termica verdaderamente uniforme y muy buena tambien hasta en el interior del recipiente. Una distribucion de temperatura uniforme de este tipo es deseable ya que, entonces, por esencialmente todo el volumen del recipiente se produce en la misma medida una carga o descarga con hidrogeno y por tanto tambien una correspondiente expansion uniforme. Con ello pueden evitarse en gran medida sobreexpansiones puntuales.
Los cartuchos pueden estar compuestos como piezas de embuticion profunda, por ejemplo de aluminio o una aleacion de metal ligero u otra aleacion buena conductora termica y deformable. Sin embargo, tambien pueden embutirse como piezas conformadas por ejemplo a partir de chapas de aluminio o tambien fabricarse o mecanizarse por arranque de virutas. La fabricacion del fondo, cuyo grosor aumenta hacia fuera, de un cartucho puede simplificarse al fabricar el cartucho inicialmente con un fondo de grosor constante y despues colocando sobre el fondo del cartucho una parte de insercion, por ejemplo en forma de anillo de aluminio, cuyo grosor aumenta de dentro hacia fuera. Basta aqrn con una colocacion suelta ya que, debido a la expansion del hidruro metalico con la primera carga, esta garantizada una presion de compresion suficientemente alta, que asegura una buena transferencia termica tambien para las operaciones de descarga y carga subsiguientes.
Alternativa o adicionalmente, el fondo puede configurase tal como se describio anteriormente en dos o tambien en tres partes, estando prevista una parte subyacente que se situa en contacto con el lado inferior del fondo y cuyo grosor aumento de dentro hacia fuera. Puede tratarse en este caso del mismo anillo que se usa como parte de insercion. Este anillo se dispone entonces, antes de la integracion del cartucho en el cartucho adyacente, sobre el lado superior abierto del cartucho adyacente lleno de hidruro metalico o se fija en el fondo del cartucho debajo del fondo propiamente dicho.
Ademas de la buena conduccion termica hasta en el interior del recipiente a presion, la presente invencion garantiza en particular la distribucion uniforme del hidruro metalico dentro del recipiente y evita una penetracion de hidruro metalico en la zona entre la pared envolvente del cartucho y la pared del recipiente a presion. Esta propiedad hace que el deposito de hidrogeno sea especialmente adecuado tambien para su uso en un submarino, donde el deposito normalmente no estara vertical, sino tumbado asf como, debido a la posicion de desplazamiento variable del submarino, tambien puede estar dispuesto en cualquier posicion oblicua. La buena conduccion termica hasta en el interior del recipiente a presion se encarga ademas de que el deposito pueda cargarse y descargarse relativamente rapido, lo que representa una ventaja en particular tambien en el ambito militar.
Los cartuchos dispuestos dentro del recipiente tienen que ser permeables al hidrogeno en una medida suficiente, para que sea posible una veloz carga y descarga a traves del tubo de llenado y extraccion central. Para ello, por
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regla general no basta con la permeabilidad de material presente por ejemplo en el caso del aluminio, de modo que dado el caso en puntos adecuados tambien han de preverse todavfa correspondientes escotaduras, por ejemplo en el lado de los cartuchos orientado hacia el tubo de carga y descarga. Dado el caso, tales configuraciones tambien pueden estar formadas entre cartuchos dispuestos unos sobre otros, por ejemplo en el lado interior. Ha de llevarse cuidado por tanto, dado el caso mediante la eleccion de material y/o desde el punto de vista constructivo, de que haya una permeabilidad al hidrogeno suficiente de los cartuchos.
La invencion se explica a continuacion por medio de ejemplos de realizacion representados en el dibujo. Muestran:
la figura 1 en una representacion muy simplificada, una seccion longitudinal de un recipiente a presion de acuerdo con la invencion,
la figura 2
la figura 3
la figura 4 la figura 5
en una representacion ampliada, un fragmento de la figura 1, y concretamente en la zona en la que los cartuchos estan soldados entre sf por el lado perimetral, en una primera variante de realizacion,
una variante de realizacion en una representacion segun la figura 2 pero con la pared del recipiente a presion,
una variante de realizacion en una representacion segun la figura 3 y otra variante de realizacion en una representacion segun la figura 3.
El recipiente a presion 1 representado mediante la figura 1 esta hecho de acero hermetico al hidrogeno y esta compuesto por un recipiente 2 cilmdrico, que esta cerrado en su lado superior por una tapa 3. Coaxialmente al eje del recipiente esta dispuesto un tubo de llenado y extraccion 4 dentro del recipiente 2, el cual esta compuesto por material sinterizado que es permeable al gas de hidrogeno. El tubo 4 se extiende desde el fondo del recipiente 2 hasta la tapa 3, donde sale como conexion resistente a la presion. Dentro del recipiente 2 estan dispuestos cartuchos 5 en forma de vasija llenos de hidruro metalico 6.
Los cartuchos 5 estan compuestos de aluminio y estan solados en cada caso perimetralmente con el cartucho dispuesto de manera adyacente por encima, de modo que los cartuchos 5 forman una pared envolvente 7 cilmdrica continua comun, que evita que salga hidruro metalico a la zona entre la pared envolvente 7 y el recipiente 2 y garantiza asimismo una buena transferencia de calor con respecto al recipiente 2.
En el ejemplo de realizacion descrito anteriormente asf como tambien en los posteriores, la soldadura entre cartuchos 5 adyacentes es totalmente continua por todo su penmetro. Sin embargo, tambien puede estar prevista una costura de soldadura por secciones, si esto satisface los requisitos de conduccion termica y de solidez, de modo que se garantice que no sale nada de hidruro metalico en esta zona.
Tal como se representa en la figura 1, los cartuchos 5, a diferencia del estado de la tecnica, no presentan ninguna pared hacia el tubo de llenado y extraccion 4. Esto solo es posible si el hidruro metalico 6 se introduce en el cartucho en forma de un lingote adaptado al tamano de cartucho, antes de soldar los cartuchos entre sf e integrarlos despues en el recipiente 2 todavfa abierto, que se suelda entonces con la tapa 3 de manera resistente a la presion. Los lingotes que se encuentran en los cartuchos 5 se desintegran con la activacion, es decir con la primera carga con hidrogeno en hidruro metalico en polvo, que se acumula entonces debido a la expansion fijamente en el tubo 4, de modo que todo el material queda fijado en su posicion en el recipiente a presion 1. Si los cartuchos, tal como se conoce por el estado de la tecnica, se llenaran con hidruro metalico pulverizado, granulado, triturado de otra forma o en forma de perlas, tendna que preverse convenientemente tambien en el lado dirigido hacia el tubo 4 una pared perpendicular y preverse tambien en esta zona dado el caso una costura de soldadura con respecto al cartucho adyacente.
La figura 2 muestra una forma de realizacion de cartuchos 5a, que estan compuestos en cada caso por una seccion de pared envolvente 8 cilmdrica y un fondo 9, no estando el fondo 9 al ras, sino conectado a traves de una especie de escalon en forma de seccion 10 que discurre hacia dentro en forma de arco con la seccion de pared envolvente 8. La seccion 10 esta configurada a este respecto de modo que, si bien el fondo 9 puede meterse en el lado superior del cartucho 5a del cartucho situado debajo a continuacion, no penetra sin embargo completamente en el mismo hasta la seccion de pared envolvente 8, sino que deja un espacio libre a modo de ranura 11 entre los cartuchos. Esta ranura 11 sirve para alojar una costura de soldadura 12, de modo que esta solo sobresale ligeramente por encima de la pared envolvente 7. Asimismo, la seccion 10 forma durante la soldadura un seguro de bano de soldadura.
En el fondo 9 esta prevista una acanaladura 13 en forma de V en su seccion transversal, la cual durante la expansion del hidruro metalico 6 se acopla con el mismo y mejora por un lado la conduccion termica en el cartucho 5a que se encuentra debajo asf como asegura en su posicion el material que se encuentra en el cartucho 5a.
Tal como ilustra la figura 2, la seccion 10 forma un escalon, que posibilita por un lado una integracion por arrastre de forma de un cartucho 5a superior en el cartucho 5a situado debajo y forma por otro lado el espacio libre necesario (ranura 11) para la costura de soldadura 12.
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El cartucho 5b alternativo representado mediante la figura 3 tiene forma de vasija y esta configurado de manera esencialmente cilmdrica, de modo que puede fabricarse de manera sencilla. El canto inferior 14 asf como el canto superior 15 estan biselados hacia el penmetro exterior, para el alojamiento de la costura de soldadura 12.
Para mejorar el aporte de calor al hidruro metalico 6 o desde el hidruro metalico 6, el cartucho 5b presenta un fondo 16 en dos partes, que esta formado a partir de un fondo 16 propiamente dicho de un material de grosor constante asf como de una parte de insercion 17, que esta compuesta de material buen conductor termico, en este caso igualmente aluminio, y que presenta un grosor que aumenta desde el centro hacia el borde. Esta parte de insercion 7 esta introducida en la variante de realizacion representada de manera suelta y se fija mediante la presion del hidruro metalico 6. Sin embargo tambien puede asegurarse adicionalmente mediante soldadura.
En la realizacion segun la figura 4, si bien un cartucho 5c esta configurado igualmente en forma esencialmente de vasija, presenta sin embargo un fondo 18 cuyo grosor aumento desde el centro hacia el borde. El canto inferior de cada cartucho 5c esta configurado con un doble escalon, tal como se desprende en detalle de la figura 4. El primer escalonamiento 19 forma el espacio libre requerido para alojar la costura de soldadura 12, mientras que el segundo escalonamiento 20 esta configurado de modo que el fondo 18 de un cartucho superior puede integrarse por arrastre de forma en el lado abierto superior de un cartucho 5c situado debajo. El segundo escalonamiento 20 facilita por tanto el montaje y forma al mismo tiempo el seguro de lecho de soldadura.
En la variante de realizacion representada mediante la figura 5 esta configurado un cartucho 5d de manera similar al cartucho 5b de la variante de realizacion representada anteriormente mediante la figura 3, es decir presenta un fondo 16 de grosor constante con una parte de insercion 17, que presenta un grosor que aumenta de dentro hacia fuera, que se situa al ras en contacto con el fondo 16 asf como con la pared envolvente 7 o la correspondiente seccion de pared envolvente 8. Tambien allf esta formado entre cartuchos 5d adyacentes un espacio libre para la costura de soldadura 12. A diferencia de la variante de realizacion segun la figura 3, esta dispuesta sin embargo adicionalmente debajo del fondo 16 una parte subyacente 21, que presenta igualmente un grosor que aumenta hacia el borde exterior y que se situa con su lado superior en contacto con el lado inferior del fondo 16 asf como por fuera con la seccion de pared envolvente 8. La parte subyacente 21 puede o bien estar colocada de manera suelta sobre el lado superior del cartucho 5d situado debajo tras su llenado o bien preferentemente estar soldada con el fondo 16. En la realizacion representada la union es suelta. Mediante la presion que aparece con la expansion del hidruro metalico 6, la parte subyacente 21 se presiona firmemente contra el fondo 16, de modo que tiene lugar una buena transferencia de calor. Tambien la parte subyacente 21 se compone de aluminio.
Las configuraciones de fondo representadas mediante las figuras 3 a 5 sirven en particular para una mejor distribucion del calor dentro del cartucho. Gracias a las secciones transversales mayores en la zona exterior se aumenta esencialmente la conduccion termica, de modo que el hidruro metalico 6 que se encuentra en los cartuchos 5 se calienta o enfna de manera esencialmente uniforme. La conduccion termica se produce a traves del fondo a la pared envolvente 7 y desde allf a la pared del recipiente a presion 2. Debido a la presion del hidruro metalico durante la expansion, las secciones de pared envolvente 8 entran en contacto con la pared del recipiente a presion y establecen por tanto al menos por secciones una union con adecuada conduccion termica.
Las caractensticas individuales descritas en las figuras 2 a 5 pueden combinarse de acuerdo con la invencion entre sf, y esto es asf tanto por lo que respecta a las realizaciones del fondo con por lo que respecta a las disposiciones de la costura de soldadura.
Todas las realizaciones tienen en comun que los cartuchos 5 llenos de hidruro metalico se apilan unos sobre otros y se sueldan entre sf. La torre de cartuchos asf formada y ya cargada se integra entonces en el recipiente 2 todavfa abierto, tras lo cual este se cierra con la tapa y constituye el recipiente a presion 1.
Lista de referencias
1 - recipiente a presion
2 - recipiente
3 -tapa
4 - tubo de llenado y extraccion
5 - cartuchos
5a - cartuchos (figura 2)
5b - cartuchos (figura 3)
5c - cartuchos (figura 4)
5d - cartuchos (figura 5)
6 - hidruro metalico
7 - pared envolvente
8 - seccion de pared envolvente
9 - fondo
10 -seccion
11 - ranura
12 -costura de soldadura
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21
- acanaladura
- canto inferior
- canto superior
- fondo
- parte de insercion
- fondo
- primer escalonamiento
- segundo escalonamiento
- parte subyacente
Claims (11)
- 51015202530REIVINDICACIONES1. Deposito de hidrogeno con un recipiente a presion (1) hermetico al hidrogeno, en el que hay dispuesto hidruro metalico (6) en cartuchos (5) permeables al hidrogeno, estando soldados entre s^ al menos por secciones, cartuchos (5) adyacentes al menos en el lado dirigido hacia el recipiente a presion (1).
- 2. Deposito de hidrogeno segun la reivindicacion 1, en el que el recipiente a presion (1) presenta una forma esencialmente cilmdrica y los cartuchos (5) son en forma de vasija y estan apilados dentro del recipiente a presion (1) de tal manera que el fondo (9) de un cartucho (5) constituye la tapa del cartucho (5) adyacente, estando soldados entre sf cartuchos (5) adyacentes preferentemente por todo su penmetro.
- 3. Deposito de hidrogeno segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que dentro del recipiente a presion (1) esta previsto al menos un tubo de llenado y extraccion (4) dispuesto preferentemente de manera centrada y permeable al hidrogeno, el cual atraviesa los cartuchos (5).
- 4. Deposito de hidrogeno segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que el fondo (9) de un cartucho (5) esta configurado de manera escalonada, de tal manera que estan integrados por arrastre de forma en el lado abierto del cartucho (5) adyacente.
- 5. Deposito de hidrogeno segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que los cartuchos (5) estan configurados de modo que, al integrar cartuchos adjuntos, se obtiene en cada caso una ranura circundante (11) en la que se coloca la costura de soldadura (12).
- 6. Deposito de hidrogeno segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que el fondo (18) de un cartucho (5c) presenta un grosor que aumenta radialmente hacia fuera.
- 7. Deposito de hidrogeno segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que el fondo (16, 17) de un cartucho (5b) esta configurado al menos en dos partes, estando formada una parte (17) del fondo por una parte de insercion (17), cuyo grosor aumenta de dentro hacia fuera.
- 8. Deposito de hidrogeno segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que el fondo (16, 17) de un cartucho (5) esta configurado al menos en dos partes, estando formada una parte (18) del fondo por una parte subyacente (18) cuyo grosor aumenta de dentro hacia fuera.
- 9. Deposito de hidrogeno segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que el fondo (9) de un cartucho (5) presenta un reborde (13) anular orientado hacia el lado abierto del cartucho (5) adyacente.
- 10. Deposito de hidrogeno segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que los cartuchos (5) estan compuestos de aluminio o una aleacion de metal ligero permeable al gas de hidrogeno, termicamente buen conductor y deformable.
- 11. Uso de un deposito de hidrogeno segun una de las reivindicaciones anteriores para un submarino.
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