PT1454875E - RESERVATËRIO DE HIDROGéNIO E PROCESSO PARA A SUA PRODUÆO - Google Patents

Description

ΕΡ 1 454 875/ΡΤ

DESCRIÇÃO "Reservatório de hidrogénio e processo para a sua produção" 0 invento refere-se a um reservatório de hidrogénio que consiste num reservatório de hidreto metálico, bem como a um processo para a produção do mesmo. É conhecido de DE 35 02 311 AI um reservatório de hidrogénio. Este consiste num reservatório, feito tipicamente em aço, estanque ao hidrogénio sob pressão, que tem uma forma substancialmente cilíndrica e que ao longo do eixo do cilindro está provido com um tubo de carga e descarga em torno do qual existem pequenas caixas permeáveis ao gás de hidrogénio, as quais contêm hidreto metálico em cuja estrutura de rede pode ser integrado o hidrogénio, em princípio, da maneira usual. No reservatório conhecido, o hidreto metálico é introduzido com a forma de um granulado. Em alternativa, é conhecida a introdução do hidreto metálico com a forma de um pó ou com a forma de peletes.

Uma vez que o hidreto metálico se dilata consideravelmente devido à integração dos átomos de hidrogénio na sua rede cristalina, durante a absorção de hidrogénio, as pequenas caixas são realizadas de modo a deixarem um espaço livre no interior do reservatório, o qual é cheio durante a absorção de hidrogénio, devido à dilatação radial do hidreto metálico. É certo que isto tem a vantagem de se evitar de maneira segura o risco de um rebentamento do reservatório ou de danos devidos a uma deformação plástica inadmissível, mas tem o desvantagem do grau de enchimento ficar relativamente reduzido, não atingindo desta maneira a absorção possível de hidrogénio nem sequer as capacidades fisicamente possíveis. É conhecido de DE 42 01 131 AI um reservatório semelhante de hidreto metálico, o qual consiste num reservatório exterior resistente à pressão e estanque a gases, bem como num reservatório interior, que consiste em alumínio e permeável aos gases, no qual está armazenado o hidreto metálico. Entre o reservatório interior e o exterior existem espaços livres, podendo desta maneira dar-se uma 2 ΕΡ 1 454 875/ΡΤ deformação plástica do reservatório interior, no momento do carregamento com hidrogénio, sem que haja danos do reservatório exterior. É conhecido de GB 2 148 477 A um arranjo comparável, no qual o reservatório interior apresenta tampas deslocáveis no lado frontal, pelo que o hidreto metálico se pode dilatar, sendo desviado na direcção axial, sem destruir o reservatório exterior.

Além disso, o fabrico de reservatórios de hidrogénio deste género conhecidos é muito dispendioso. 0 hidreto metálico é usualmente fundido em vácuo, sendo os lingotes, em seguida, triturados e pulverizados de maneira dispendiosa e, eventualmente, novamente prensados. Estes processos de tratamento requerem um elevado dispêndio de energia e de ferramentas, devido à matéria-prima dura e pouco maleável. 0 objectivo a conseguir pelo invento, perante este cenário, é desenvolver um reservatório de hidreto metálico para hidrogénio, de modo a aumentar a sua capacidade de absorção de hidrogénio e, além disso, criar um processo com o qual um reservatório de hidrogénio deste género pode ser produzido de maneira simples e sem despesas elevadas. A parte do objectivo que se refere ao dispositivo é conseguida pelas caracteristicas indicadas na reivindicação 1, e a reivindicação 4 caracteriza o processo de acordo com o invento para o fabrico de um reservatório de hidrogénio de acordo com o invento. Os aperfeiçoamentos vantajosos do invento estão indicados nas reivindicações subordinadas, na descrição que se segue, bem como nos desenhos. 0 conceito fundamental do presente invento é o de aumentar ainda mais o grau de enchimento do reservatório e, em particular, até o reservatório exterior ser sujeito a uma deformação plástica, durante o carregamento posterior com hidrogénio, sendo, no entanto, o reservatório, por um lado, e o grau de enchimento, por outro lado, ajustados um ao outro de modo a que a deformação plástica fique dentro de uma margem que não prejudica a função do reservatório. Isto quer dizer que a construção do reservatório é concebida de modo a 3 ΕΡ 1 454 875/ΡΤ permitir uma deformação plástica durante a dilatação esperada, não tendo esta, no entanto, qualquer influência na necessária estabilidade do reservatório, no que se refere à segurança. Por isso, o ajustamento é feito de modo que a dilatação do reservatório fique de maneira fiável dentro de um limite tolerável. Já em deformações pequenas resulta, neste caso, um equilíbrio entre a pressão de dilatação, não a pressão de um gás (para a qual os reservatórios são usualmente concebidos), e a pressão contrária do invólucro, não existindo por isso, no caso de um grau de carregamento ajustado adequadamente, o risco de uma dilatação local excessiva inadmissível. Para assegurar uma distribuição e, desta maneira, também uma dilatação homogéneas do hidreto metálico quando este é carregado com hidrogénio, está previsto de acordo com o invento armazenar o hidreto metálico em pequenas caixas, concebidas para serem permeáveis ao hidrogénio, por exemplo, feitas de alumínio ou numa outra liga metálica. Deste modo pode ser evitada, em particular, uma pressão local excessiva, provocada pela dilatação, uma vez que uma acumulação do material de hidreto metálico em determinados locais do reservatório é grandemente impedida.

Para se obter um elevado grau de enchimento, está previsto, de acordo com o invento não encher o reservatório de aço (ainda aberto), que forma o reservatório exterior, com o hidreto metálico com a forma de um pó moído, granulado ou peletizado, como é usual, mas, pelo contrário sob a forma de lingotes de hidreto metálico. Os lingotes de hidreto metálico são também colocados de modo vantajoso, em pequenas caixas concebidas para serem permeáveis ao hidrogénio, uma vez que se desintegram em pó após a sua activação, isto é, após o primeiro carregamento com hidrogénio, sendo depois também necessário evitar a ocorrência de acumulações locais excessivas de pó de hidreto metálico.

Devido à utilização de lingotes de hidreto metálico, pode ser colocado substancialmente mais hidreto metálico no reservatório do que no caso do estado da técnica, no qual se utiliza um material triturado. Nos hidretos metálicos de baixa temperatura tipicamente utilizados neste âmbito, o material com a forma de um bloco apresenta tipicamente uma densidade de 6 g/cm3. No caso de se granular ou pulverizar 4 ΕΡ 1 454 875/ΡΤ este material, só pode ser obtida uma densidade inferior a 4 g/cm3 após a activação, mesmo no caso deste material ser novamente comprimido para formar um bloco. No entanto, no caso de utilização de lingotes de hidreto metálico, de acordo com o invento, o hidreto metálico activado existente no reservatório apresenta uma densidade superior a 4 g/cm3, sendo conseguido deste modo absorver uma quantidade de hidrogénio proporcionalmente maior.

Verificou-se que da trituração do material de hidreto metálico, antes do enchimento do reservatório, é desnecessário e é até mesmo desvantajoso. É desvantajoso porque a elevada densidade de enchimento desejada já não pode ser conseguida, devido aos espaços não aproveitáveis que resultam do estado triturado. Uma outra desvantagem substancial deve ser vista, devido ao facto da trituração de um lingote de hidreto metálico ser muito dispendiosa, como já foi inicialmente mencionou. 0 processo de acordo com o invento, pelo contrário, evita estas desvantagens, por se incorporarem pelo menos um, de preferência, uma multiplicidade de blocos de hidreto metálico (de preferência, colocados em pequenas caixas), uns ao lado dos outros tão apertadamente quanto possível, num reservatório de aço, sendo o reservatório de aço, a seguir, fechado, formando um reservatório estanque à pressão e, a seguir, esvaziado de ar. De acordo com o invento, o reservatório de aço é, em seguida, alimentado com hidrogénio, isto é, activado, à temperatura ambiente e a média pressão. Com isto, o hidrogénio entra no lingote através das fissuras de tensão, que existem sempre no material fundido, activando o mesmo. Devido à dilatação do material durante o carregamento com hidrogénio, o lingote desintegra-se completamente, sendo pulverizado. No entanto, o material pulverizado daí resultante não consegue dilatar-se à vontade, uma vez que o espaço disponível é limitado pelo reservatório exterior. Por esta razão, não se desintegra como matéria a granel, mas mantém, pelo menos parcialmente, estruturas semelhantes às da matéria em estado sólido, o que resulta numa densidade de carregamento substancialmente mais elevada. Além disso, a dilatação volúmica do hidreto metálico, que inevitavelmente se dá durante o carregamento com hidrogénio, 5 ΕΡ 1 454 875/ΡΤ é sistematicamente dirigida radialmente na direcção para fora, para a parede do reservatório, a qual sofre, num grau tolerável, uma deformação plástica pela pressão do material. Devido à maior densidade de enchimento, o hidreto metálico já não tem a possibilidade de se deslocar. Desta maneira também não podem ocorrer acumulações locais de hidreto metálico nem, por conseguinte, aparecer o risco de deformações locais incontroláveis do reservatório.

Além disso, a densidade de enchimento pode ainda ser aumentada para determinadas aplicações, no caso de se reduzir o número de ciclos de carga/descarga admissíveis. Isto constitui, em particular, uma vantagem para a utilização em submarinos, onde a capacidade do reservatório de hidrogénio tem uma importância decisiva, enquanto que o número de ciclos de carga/descarga é limitado devido às condições de uso. É portanto possível aumentar ainda mais a capacidade do reservatório por um aumento adicional da densidade de carregamento.

De acordo com o invento os lingotes de hidreto metálico são, de preferência, colocados no reservatório de aço substancialmente no estado não processado anteriormente, em particular, intercalando em cada um dos casos uma pequena caixa, concebida para ser permeável ao hidrogénio. Desta maneira são completamente desnecessários outros tratamentos do lingote. No entanto, resultam, neste caso, determinados espaços livres que são necessários para que o lingote de hidreto metálico possa ser colocado com folga na pequena caixa, não podendo ficar portanto emperrado ou encravado, devido às tolerâncias de fabrico. De qualquer maneira, estes espaços livres são preenchidos na primeira activação, isto é, quando do carregamento do reservatório com hidrogénio, pela dilatação do material, sendo por isso dimensionados de modo a que a precisão de fabrico a cumprir seja tão baixa quanto possível.

De acordo com o invento, a activação do hidreto metálico dentro do reservatório é realizada sem aquecimento nem lavagem. Desta maneira, o invento torna possível uma simplificação considerável do processo. 0 primeiro carregamento com hidrogénio é realizado, de preferência, à 6 ΕΡ 1 454 875/ΡΤ temperatura ambiente, isto é, a uma temperatura entre os 5 e 45°. A pressão de enchimento devia estar entre 10 e 65 bar, sendo o limite inferior necessário para iniciar a activação, e o limite superior, para se obter um enchimento completo do reservatório.

As pequenas caixas metálicas concebidas para serem permeáveis ao hidrogénio, nas quais em cada um dos casos é colocado um bloco de hidreto metálico, de preferência, um lingote praticamente não processado posteriormente, podem, por um lado, servir de recipientes de transporte e facilitarem, por outro lado, uma distribuição uniforme do material no interior do reservatório de aço, por estas pequenas caixas em forma de anel serem empilhadas no espaço entre o tubo de carga e descarga e a parede do reservatório de aço. Neste âmbito, o reservatório de aço, que forma posteriormente o reservatório exterior, é dimensionado de modo a poder ser preenchido quase completamente com lingotes de hidreto metálico inseridos em pequenas caixas. A seguir ao enchimento, o reservatório de aço é fechado por meio de uma tampa a ser unida por soldadura, ficando desta maneira formado o reservatório estanque à pressão, cheio de hidreto metálico. Para assegurar que o hidreto metálico, que se está a desintegrar em pó fique dentro da respectiva pequena caixa, cada pequena caixa é fechada antes de ser inserida no reservatório de aço, com uma tampa que é, de preferência, unida à pequena caixa por soldadura. É, neste caso, vantajoso que a tampa seja formada pelo fundo seguinte da pequena caixa vizinha, que se encontra por cima, sendo desta maneira apenas necessário dar uma configuração especial à pequena caixa que se encontra no topo.

Uma vez que todas as pequenas caixas estejam unidas umas às outras por soldadura, resulta um corpo substancialmente cilíndrico, que enche o espaço interior do reservatório de aço com uma folga reduzida e que apresenta apenas no meio um espaço vazio central para o tubo de carga e descarga. A união das pequenas caixas umas às outras por soldadura constitui, em particular, também uma vantagem no que se refere às exigências estáticas antes da sua inserção no reservatório de aço, uma vez que, desta maneira, é aumentada, 7 ΕΡ 1 454 875/ΡΤ em particular, em pilhas altas, a estabilidade própria da pilha, assegurando-se portanto, desta maneira, que as pequenas caixas relativamente instáveis não são deformadas pela pressão das pequenas caixas que se encontram por cima. É necessário que as pequenas caixas dispostas no interior do reservatório sejam suficientemente permeáveis ao hidrogénio, para que seja possível uma carga/descarga rápida através do tubo de carga e descarga central. Para isso, a permeabilidade do material existente, por exemplo, do alumínio, não é em geral suficiente, devendo desta maneira ser ainda previsto, eventualmente, furos adequados numa localização apropriada, por exemplo, no lado virado para o tubo de carga e descarga, das pequenas caixas. Eventualmente, os furos deste género podem também ser formados entre as pequenas caixas, dispostas umas em cima das outras, por exemplo, no lado interior. É portanto necessário assegurar, eventualmente através da escolha do material e/ou da construção, que existe uma permeabilidade satisfatória ao hidrogénio nas pequenas caixas.

As áreas de utilização do reservatório de hidrogénio de acordo com o invento não estão limitadas. É particularmente vantajoso, que um reservatório de hidrogénio deste género possa ser utilizado em submarinos, uma vez que, por um lado, a elevada resistência à pressão, necessária no caso de um armazenamento exterior, é apoiada pelo elevado grau de enchimento e que, por outro lado, é possível o seu armazenamento, substancialmente na posição horizontal, o qual é especialmente necessária nos submarinos, ou em qualquer outra posição com que se possa contar durante o andamento. Através da elevada densidade de enchimento fica assegurado que não é de esperar nenhum ou apenas um deslocamento tolerável localizado do hidreto metálico no interior do reservatório, independentemente do armazenamento do reservatório de hidrogénio. Uma vez que a elevada densidade de enchimento fica assegurada, é, além disso, assegurada uma elevada resistência ao choque do reservatório, o que é uma vantagem, particularmente, nos submarinos militares. Além disso, o reservatório de hidrogénio de acordo com o invento pode também ser utilizado, com vantagem, em navios de superfície. 8 ΕΡ 1 454 875/ΡΤ Ο invento é, a seguir, descrito com mais pormenores por meio de um exemplo de realização, representado nos desenhos, os quais mostram: na Fig. 1 uma representação esquemática muito simplificada de um corte longitudinal através de um reservatório de hidrogénio, de acordo com o invento, antes da sua activação, na Fig. 2 uma representação muito esquematizada de um reservatório antes (a) e depois (b) da sua activação, e na Fig 3 um corte através do reservatório de acordo com a Fig. 2, ao longo da linha III - III. 0 reservatório de hidrogénio, representado em Fig. 1, consiste num reservatório 1 feito em aço, resistente ao hidrogénio sob pressão, que é formado por um reservatório cilíndrico em aço 2, aberto de um lado (em cima), o qual é transformado no reservatório 1 por uma tampa 3 unida ao reservatório de aço 2 por soldadura. No interior do reservatório 1 está disposto, coaxialmente ao eixo do reservatório, um tubo de carga e descarga 4, feito, em principio, da maneira usual em metal sinterizado, sendo deste modo permeável ao hidrogénio, mas impermeável a sólidos. 0 tubo de carga e descarga 4 sai através da tampa 3 do reservatório 1 dirigindo-se a uma ligação tubular (aqui não representada).

No interior do reservatório 1 existem, neste exemplo de realização, sete pequenas caixas 5, feitas num material concebido para ser permeável ao hidrogénio e que tem boa condutividade térmica, neste caso alumínio, as quais estão dispostas com folga no interior do reservatório 1, entre o tubo de carga e descarga 4 e a parede interior. As mesmas são inseridas a partir de cima no reservatório de aço 2, quando o mesmo ainda está aberto. As pequenas caixas 5 estão em cada um dos casos cheios com um lingote de hidreto metálico de baixa temperatura. 0 lingote 6 encontra-se, também com folga, no interior da respectiva pequena caixa 5 de modo que o lingote, que é usualmente produzido por fusão em vácuo, pode 9 ΕΡ 1 454 875/ΡΤ ser inserido na pequena caixa 5 a seguir ao seu arrefecimento, sem outro processamento posterior.

As pequenas caixas 5 são realizadas com a forma de recipientes com a forma de anéis ocos, abertos em cima, nos quais é colocado através desta parte de cima, um lingote 6. A seguir, a pequena caixa 5 é fechada pelo seu lado superior por meio de uma tampa que é unida na sua periferia à pequena caixa 5 por soldadura. Nas pequenas caixas 5 cujo lado superior é coberto por uma outra pequena caixa 5, o fundo da pequena caixa de cima forma a tampa da pequena caixa que se encontra debaixo. As pequenas caixas 5 estão portanto unidas umas às outras por soldadura. Apenas para a pequena caixa de topo deve prever-se uma tampa individual. Desta maneira é formado um corpo substancialmente cilíndrico com um espaço vazio central, corpo que pode ser inserido a partir de cima no reservatório de aço 2 e que contém todas as pequenas caixas 5 com os lingotes 6 que se encontram no seu interior.

Depois do reservatório de aço 2, enchido deste modo, ter sido fechado por soldadura da tampa 3, formando o reservatório 1 resistente à pressão, o reservatório de hidrogénio formado desta maneira pode ser activado. A activação do reservatório de hidrogénios é realizada à temperatura ambiente, a uma pressão inicial de, pelo menos, 10 bar. Com isto, o hidrogénio chega através do tubo de carga e descarga 4 ao interior das pequenas caixas 5 e aos lingotes 6. Através das fissuras de tensão existentes, criadas nos lingotes 6, durante o seu arrefecimento, o hidrogénio chega ao interior destes lingotes, os quais se desintegram completamente em pó por meio deste carregamento com hidrogénio. Uma vez que os lingotes 6 estão dispostos no espaço fechado das pequenas caixas 5, estando estas, por sua vez, dispostas no espaço fechado do reservatório 1, a dilatação habitual no carregamento com hidrogénio ocorre inicialmente, ao serem preenchidos os espaços vazios formados no interior do reservatório 1 devido às tolerâncias. Finalmente, quando as pequenas caixas 5 ficam completamente cheias com o pó de hidreto metálico e este continua a dilatar-se, as pequenas caixas 5 encostam-se, interiormente, ao tubo de carga e descarga 4 e, no lado virado para o 10 ΕΡ 1 454 875/ΡΤ exterior, à parede interior do reservatório 1. No que se refere às forças viradas para o tubo de carga e descarga 4, estas são compensadas em grande medida, actuando desta maneira substancialmente uma força radialmente para fora, que resulta finalmente, deste modo, numa deformação plástica da periferia cilíndrica exterior do reservatório 1, quando o hidreto metálico continua a dilatar-se. Pela deformação para além do limite de elasticidade, resulta um equilíbrio entre a pressão de dilatação e a pressão contrária do invólucro, já com pequenas deformações. Uma vez que o pó de hidreto metálico se encontra localmente preso no interior do reservatório 1, devido ao tipo de construção em pequenas caixas, a dilatação ocorre uniformemente em toda a periferia exterior, sem que exista o risco de uma dilatação local excessiva. Os pormenores deste processo de dilatação são ainda representados pelas Figs. 2 e 3, sendo o estado antes da activação indicado por 'a' e o estado depois da activação, por y b'.

Para encher completamente o reservatório de hidrogénio formado deste modo, o mesmo tem de ser carregado com a pressão de carregamento. A seguir ao primeiro carregamento do reservatório, formado desta maneira, com hidrogénio, o mesmo pode ser imediatamente utilizado, podendo ser completamente dispensada uma activação por aquecimento e lavagem, a qual é necessária nos reservatórios do estado da técnica.

Lista de referências 1 - Reservatório 2 - Reservatório de aço 3 - Tampa 4 - Tubo de carga e descarga 5 - Pequenas caixas 6 - Lingote a - Antes do carregamento com hidrogénio b - Depois do carregamento com hidrogénio

Lisboa, 2010-07-05

Claims (13)

1. ΕΡ 1 454 875/ΡΤ 1/2 REIVINDICAÇÕES 1 - Reservatório de hidrogénio que consiste num reservatório estanque à pressão (1), cheio de hidreto metálico (6), que compreende um tubo de carga e descarga (4), em que o reservatório (1) está cheio de um hidreto metálico (6), armazenado em pequenas caixas (5) concebidas de modo a serem permeáveis ao hidrogénio, e em que o reservatório (1) e sua carga estão dimensionados e são concebidos de tal modo que quando o reservatório (1) no momento do carregamento é sujeito a uma deformação plástica, devido à dilatação do hidreto metálico (6).
2. 2 - Reservatório de hidrogénio de acordo com a reivindicação 1, em que as pequenas caixas (5) estão carregadas com lingotes de hidreto metálico (6), os quais se desintegram completamente em pó no momento do carregamento com hidrogénio.
3. 3 - Reservatório de hidrogénio de acordo com uma das reivindicações anteriores, em que o reservatório (1), quando activado com hidreto metálico (6), apresenta uma densidade superior a 4 g/cm3.
4. 4 - Utilização de um reservatório de hidrogénio de acordo com uma das reivindicações anteriores por um navio, em particular, um submarino.
5. 5 - Processo de produção de um reservatório de hidrogénio, em que um reservatório de aço (2) é carregado com, pelo menos, um bloco de hidreto metálico (6), sendo a seguir fechado no interior de um reservatório (1), em seguida o ar é esvaziado, e depois é carregado com hidrogénio.
6. 6 - Processo de acordo com a reivindicação 5, em que os blocos de hidreto metálico (6) são inseridos no interior do reservatório de aço (2), com a forma de lingotes (6) substancialmente em bruto, sendo eventualmente intercalada uma pequena caixa (5) permeável ao hidrogénio.
7. 7 - Processo de acordo com uma das reivindicações anteriores, em que a activação do hidreto metálico (6) é realizada sem aquecimento nem lavagem. ΕΡ 1 454 875/ΡΤ 2/2
8. 8 - Processo de acordo com uma das reivindicações anteriores, em que a activação do hidreto metálico é realizada através do carregamento com hidrogénio a uma temperatura entre os 5°C e 45°C e a uma pressão entre 10 bar e 65 bar.
9. 9 - Processo de acordo com uma das reivindicações anteriores, em é disposto um bloco de hidreto metálico (6) numa pequena caixa metálica (5), concebida de modo a ser permeável ao hidrogénio, e são inseridas várias pequenas caixas cheias deste modo no reservatório de aço (2).
10. 10 - Processo de acordo com uma das reivindicações anteriores, em que o reservatório de aço (2) é, no substancial, completamente cheio com blocos de hidreto metálico (6) e com pequenas caixas (5), as quais eventualmente estão presentes.
11. 11 - Processo de acordo com uma das reivindicações anteriores, em que cada pequena caixa (5) , antes de ser introduzida no reservatório de aço (2), é fechada por meio de uma tampa, formada, de preferência, pelo fundo da pequena caixa (5) seguinte.
12. 12 - Processo de acordo com uma das reivindicações anteriores, em que cada pequena caixa (5) é fechada por soldadura.
13. 13 - Processo de acordo com uma das reivindicações anteriores, em que as pequenas caixas (5), antes de serem introduzidas no reservatório de aço (2), são unidas umas às outras por soldadura. Lisboa, 2010-07-05