ES2322437T3 - Diseño de un recipiente para el almacenamiento de un hidruro metalico y su fabricacion. - Google Patents
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Abstract
Recipiente (10) para el almacenamiento de hidruro metálico, que comprende un cuerpo (20) de un recipiente para el almacenamiento que tiene un diámetro interno predeterminado, cuyo cuerpo (20) del recipiente tiene un fondo (22) formado en uno de sus extremos y una salida (24) formada en un extremo opuesto, caracterizado porque el recipiente (10) para el almacenamiento de hidruro metálico comprende: una serie de deflectores laminares (30) dispuestos con capacidad de desplazamiento en apilamiento en el cuerpo (20) del recipiente, estando realizado cada uno de los deflectores laminares (30) en un material térmicamente conductor, poseyendo cada deflector laminar (30) una cara de fondo (32) dotada de una serie de aberturas (36) en la misma, una pared periférica (34) con un diámetro externo sustancialmente igual al diámetro interno predeterminado del cuerpo (20) del recipiente y un extremo superior abierto, extendiéndose la pared periférica (34) sustancialmente de forma ortogonal desde la periferia de la cara de fondo (32) y poseyendo una serie de ranuras en forma de rebajes (38) formadas de manera adyacente al extremo superior abierto para impedir la introducción por encaje de los deflectores laminares apilados (30); una tapa (50) superpuesta al deflector superior de una serie de deflectores laminares (30), poseyendo la tapa (50) una serie de aberturas (56) formadas en la misma en alineación con las aberturas (36) de los deflectores laminares (30); y un primer tubo (40p) que atraviesa como mínimo una abertura (36) de la cara de fondo (32) de la serie de deflectores laminares (30) y en la que, como mínimo, una abertura (56) de la tapa (50), poseyendo el primer tubo (40p) un cuerpo poroso y encontrándose en comunicación de flujo con la salida (24) del cuerpo (20) del recipiente.
Description
Diseño de un recipiente para el almacenamiento
de un hidruro metálico y su fabricación.
La presente invención se refiere a un recipiente
para el almacenamiento de un hidruro metálico, en particular a un
recipiente para su utilización con una célula de combustible de
hidrógeno. El recipiente aumenta la conductividad térmica y
proporciona el espacio requerido para la expansión del hidruro
metálico. La presente invención da a conocer además la fabricación
del recipiente para el almacenamiento.
Con el rápido crecimiento de la civilización
humana el consumo de las fuentes tradicionales de energía, tales
como carbón, petróleo y gas natural ha aumentado con rapidez. Esto
tiene como resultado una grave contaminación del medio ambiente
global y provoca diferentes problemas ambientales tales como el
calentamiento global y lluvia ácida. Se reconoce en la actualidad
que los recursos de energías naturales existentes son limitados.
Por lo tanto, si continúa la presente tasa de consumo de energía,
todas las fuentes de energía natural existentes se agotarán en un
futuro próximo. De acuerdo con ello, muchos países desarrollados
están dedicados a la investigación y desarrollo de nuevas fuentes
de energía alternativa. La célula de combustible es una de las más
importantes fuentes de energía y de precio razonable. En
comparación con los motores de combustión interna tradicionales, la
célula de combustible tiene muchas ventajas, tales como un elevado
rendimiento en la conversión de la energía, escape limpio, baja
generación de ruido y no consume las gasolinas tradicionales.
En pocas palabras, una célula de combustible es
un dispositivo de generación de potencia eléctrica accionado por la
reacción electroquímica del hidrógeno y el oxigeno. Básicamente, la
reacción es una reacción inversa de la electrólisis del agua, que
convierte la energía química en energía eléctrica. La estructura
básica de una célula de combustible, por ejemplo, una célula de
combustible de membrana de intercambio de protones, comprende una
serie de unidades de célula. Cada unidad de célula contiene una
membrana de intercambio de protones (PEM) en la parte media con dos
caras de la misma dotadas de una capa de catalizador. Cada una de
las dos caras externas del catalizador está dotada además de una
capa de difusión de gas (GDL). Una placa de ánodo y una placa de
cátodo están dispuestas además en las caras externas adyacentes a la
GDL. Después de haber combinado todos los elementos antes
mencionados entre si, se habrá formado una unidad de célula.
Para la aplicación práctica de una célula de
combustible, una serie de las unidades de combustible antes
mencionadas están apiladas y conectadas en serie para formar un
apilamiento de células para proporcionar suficiente potencia. El
apilamiento de células está dispuesto entre dos placas extremas
dispuestos en los extremos longitudinales, opuestos del apilamiento
de células. Una serie de barras atraviesan una región periférica de
cada una de las placas extremas para posicionar el apilamiento de
células entre las dos placas extremas.
Cuando se lleva a cabo la mencionada reacción
inversa de la electrólisis del agua, a efectos de convertir la
energía química en energía eléctrica, el apilamiento de células se
debe mantener dentro de un intervalo de presión regular. Esto
asegura que la reacción inversa de la electrólisis del agua es
llevada a cabo bajo las condiciones de presión óptimas para
incrementar el rendimiento de la conversión de la energía química
en energía eléctrica.
Una medida conocida para almacenar hidrógeno es
utilizar los llamados hidruros metálicos. Los hidruros metálicos
son capaces de descargar hidrógeno a una presión que corresponde a
la temperatura a la que está sometido; el proceso de liberar
hidrógeno es una reacción endotérmica. Cuando el hidrógeno
almacenado dentro del hidruro metálico ha sido completamente
agotado se puede recargar nuevamente hidrógeno puro al hidruro
metálico; el proceso de carga de hidrógeno es una reacción
exotérmica. La temperatura que experimenta el hidruro metálico es
positivamente proporcional a la presión del hidrógeno a descargar
desde el hidruro metálico. Esta relación proporcional puede variar
entre los hidruros metálicos facilitados por diferentes
suministradores.
Debido a las elevadas características de
combustibidad del hidrógeno, es necesario disponer de un método
fácil y cómodo para prealmacenar hidrógeno dentro de un contenedor
específico y para liberar hidrógeno según sea necesario para llevar
a cabo la reacción inversa antes mencionada. Los recipientes para
almacenamiento habitualmente conocidos son principalmente
recipientes metálicos capaces de resistir una presión y temperatura
predeterminadas. El recipiente está cerrado de forma estanca
después de haber cargado una cantidad predeterminada de hidruro
metálico en su interior.
Dado que el volumen del hidruro metálico
incrementa de 5 a 20% después de haber sido cargado con hidrógeno,
se debe reservar un exceso de espacio cuando se efectúa la carga del
hidruro metálico en el contenedor para proporcionar el espacio
requerido por la expansión del hidruro metálico. La expansión del
hidruro metálico provoca fácilmente el compactado del hidruro
metálico cuando es colocado dentro de un espacio común en
contenedores convencionales. La reacción exotérmica durante el
proceso de carga del hidrógeno puede provocar un incremento de
temperatura, reduciendo la velocidad de carga del hidrógeno, de
manera que el proceso debe basarse en la superficie del recipiente
para liberar la energía térmica para reducir la temperatura. Por el
contrario, la reacción endotérmica durante el proceso de descarga
de hidrógeno se basa también en la superficie del recipiente para
absorber el calor para incrementar de manera eficaz la velocidad de
transferencia del calor. El mecanismo para incrementar la velocidad
de transferencia del calor es esencial porque el hidruro metálico
tiene una conductividad térmica relativamente baja. Además, se
requiere un paso fácil para el guiado del hidrógeno descargado del
hidruro metálico a una salida del recipiente.
La publicación US 2003/0019765 da a conocer el
diseño de un recipiente para el almacenamiento de hidruro metálico
que es una solicitud de patente correspondiente a la presente
invención. El recipiente para el almacenamiento de hidruro metálico
comprende un cuerpo del recipiente para el almacenamiento, un
deflector laminar apilado en el cuerpo para el almacenamiento de
hidruro metálico en una cantidad predeterminada y conducciones que
tienen una superficie porosa para la fijación del deflector laminar
en el cuerpo y para guiar el hidrógeno descargado del hidruro
metálico hacia una salida de dicho cuerpo.
Un recipiente de presión para su utilización en
el almacenamiento de hidrógeno ha sido dado a conocer en la patente
US Nº 4.446.111. El recipiente de presión comprende un contenedor
tubular que es atravesado axialmente por un tubo de gas. El tubo de
gas está dotado de aberturas llenas de una lana metálica y cerradas
por un tapón de lana cerámica compactada. El interior del
contenedor está compartimentado por una serie de tabiques anulares
parecidos a mamparas, cada una de las cuales tiene una pestaña
cilíndrica interna y una pestaña cilíndrica externa, de manera que
las pestañas internas están acopladas íntimamente sobre el tubo de
gas y las pestañas externas establecen contacto íntimamente contra
la pared interior del contenedor tubular.
En la publicación japonesa Nº
63-225799, el reactor comprende una serie de capas
de aleación para contener un polvo de aleación para la absorción de
hidrógeno. Cuando el intersticio de inserción de la pared de barrera
de transmisión de calor se reduce y la capa de aleación de
absorción de hidrógeno se hace delgada, el gradiente de temperatura
en la capa de aleación de absorción de hidrógeno aumenta
favoreciendo el paso/recepción de energía térmica entre la capa de
aleación de absorción de hidrógeno y un medio térmico que pasa por
el exterior del tubo de reacción, con el resultado de acortar el
tiempo de reacción de absorción-descarga de
hidrógeno de un reactor de aleación de absorción de hidrógeno.
La solicitud de patente europea Nº 0 995 944 A3,
da a conocer un procedimiento para el llenado de hidrógeno en un
depósito para almacenamiento de hidrógeno en un automóvil. El
depósito para el suministro de hidrógeno comprende una serie de
unidades de aleación en forma de disco soportado sobre un tubo de
acceso de hidrógeno central. Las unidades de aleación se encuentran
en contacto íntimo entre si. Cada una de las unidades de aleación
comprende un contenedor en forma de disco cerrado con un polvo de
hidruro metálico que llena su interior.
Se observará que estos ejemplos de la técnica
anterior no tienen en cuenta la difusión del gas, la conductividad
térmica ni proporciona el espacio adecuado requerido para la
expansión del hidruro metálico cuando se efectúa la carga de
hidrógeno. El intervalo entre las capas de aleación adyacentes tiene
que ser calculado de manera precisa para proporcionar suficiente
espacio; de otro modo la expansión del hidruro metálico en la
adsorción de hidrógeno empujará las capas de aleación hacia afuera
y deformará el tubo. Se necesita conseguir un recipiente para el
almacenamiento de hidrógeno mejorado para superar estos
inconvenientes.
También se debe observar que aparte de las
células de combustible, el recipiente para el almacenamiento de
hidruro metálico según la presente invención podría ser adaptado
también para otras aplicaciones tales como bombas accionadas por
hidrógeno y acondicionadores de aire accionador por hidrógeno.
Es un objetivo principal de la presente
invención superar los defectos de los contenedores
convencionales:
- -
- proporcionando un recipiente para el almacenamiento capaz de favorecer la conductividad térmica,
- -
- reluciendo el compactado del hidruro metálico,
- -
- impidiendo grietas que aparecen en el apilamiento de hidruro metálico,
- -
- proporcionando un paso fácil para el guiado del hidrógeno descargado del hidruro metálico hacia una salida del recipiente.
Esto incrementará de manera efectiva el
rendimiento operativo de la célula de combustible.
El contenido técnico principal de la presente
invención utiliza básicamente un deflector laminar realizado a base
de un material térmicamente conductor situado en un recipiente para
el almacenamiento para contener hidruro metálico y una serie de
conductos o tubos porosos para fijar el deflector laminar en el
recipiente para el almacenamiento y también para guiar el hidrógeno
descargado desde el hidruro metálico a una salida del recipiente
para el almacenamiento. La presente invención da a conocer además la
fabricación del recipiente para el almacenamiento.
Las estructuras y características de la presente
invención se podrán observar haciendo referencia a los dibujos
adjuntos y a la explicación de las realizaciones preferentes.
La figura 1 es una vista en perspectiva, con las
piezas desmontadas, de un recipiente para el almacenamiento de
hidruro metálico de acuerdo con la presente invención;
La figura 2 es una vista en sección que muestra
el recipiente para el almacenamiento de hidruro metálico de la
figura 1;
La figura 3 es una vista e perspectiva de un
deflector laminar; y
La figura 4 es una vista en sección del cuerpo
del recipiente.
Tal como se ha mostrado en la figura 1, el
recipiente (10) para el almacenamiento de hidruros metálicos
comprende: un cuerpo (20) para el recipiente para el
almacenamiento; una serie de deflectores laminares (30); una serie
de conductos (40) y una tapa (50).
Haciendo referencia a la figura 3, el cuerpo
(20) del recipiente tiene un diámetro interno (Di), un fondo (22) y
una embocadura de salida (24) en oposición al fondo (22).
Haciendo referencia a la figura 4, los
deflectores laminares (30) están apilados en el cuerpo (20) del
recipiente para contener una cantidad predeterminada de hidruro
metálico. Cada uno de los reflectores laminares (30) está realizado
en un material térmicamente conductor y tiene una cara de fondo (32)
y una pared periférica (34) con un diámetro externo (Do),
extendiéndose sustancialmente la pared periférica desde la periferia
de la cara inferior (32) de forma ortogonal. Cada una de las caras
de fondo (32) del deflector laminar (30) está dotada de una serie
de aberturas (36). Tal como se ha mostrado en la figura 4 la pared
periférica (34) de cada uno de los deflectores laminares (30) tiene
un borde superior formado como mínimo con una ranura (38) para
favorecer la resistencia de soporte del deflector laminar (30) y
para impedir que otro deflector laminar (30) apilado sobre el
deflector laminar de referencia (30) pueda caer dentro de éste
último deflector laminar (30). El diámetro externo (Do) de la pared
periférica (34) es sustancialmente igual al diámetro interno (Di)
del cuerpo (20) del recipiente.
La tapa (50) está dotada de una serie de
aberturas (56) en lugares que corresponden a los que se han formado
las aberturas (36) de la cara de fondo (32) de cada uno de los
deflectores laminares (30) y está apilada sobre el deflector
laminar situado más arriba (30t) para mantener el hidruro metálico
contenido en dicho deflector laminar (30t) dentro de su
localización deseada. La tapa (50) es preferentemente de un metal
sinterizado poroso fabricada por procesos de sinterización.
Los tubos (40) atraviesan las aberturas (56) de
la tapa (50) y las aberturas (36) formadas en la cara inferior (32)
de los deflectores laminares (30) para fijar los deflectores
laminares (30) y la tapa (50) en el cuerpo (20) del recipiente. Por
lo menos uno de los tubos (40p) tiene una superficie porosa para
guiar el hidrógeno descargado desde el hidruro metálico hacia la
salida (24) del cuerpo (20) del contenedor. El tubo poroso (40p)
puede quedar realizado a base de cualquier material que pueda
resistir una elevada temperatura y una elevada presión.
Preferentemente, el tubo poroso (40p) es un tubo poroso de metal
sinterizado fabricado por el proceso de sinterización.
Para facilitar la fabricación del recipiente
(10) para el almacenamiento de hidruro metálico según la presente
invención, el cuerpo (20) del recipiente es un cuerpo previamente
conformado que tiene una configuración sustancialmente cilíndrica
antes de la conformación. El cuerpo conformado está dotado de un
extremo abierto en el que está situada la salida (24) en la
fabricación del cuerpo del recipiente. El cuerpo preformado tiene un
diámetro interno ligeramente superior al diámetro externo (Do) de
las paredes periféricas (34) de los deflectores laminares (30).
Cuando se fabrica el recipiente (10) para el
almacenamiento de hidruro metálico, el hidruro metálico que todavía
tiene que ser cargado con hidrógeno es colocado en cada uno de los
deflectores laminares (30). Se debe reservar espacio en cada uno de
los deflectores laminares (30) para proporcionar el espacio
requerido por la dilatación del hidruro metálico cuando se sitúa la
carga del hidrógeno.
Los deflectores laminares (30) están apilados
uno sobre otro de manera tal que las correspondientes aberturas
(36) de las caras de fondo (32) de los deflectores laminares (30) se
alinean entre si. Si el material seleccionado para la fabricación
de los deflectores laminares (30) es insuficientemente resistente,
las ranuras (38) formadas en el borde superior de la pared
periférica (34) de cada uno de los deflectores laminares (30) están
adaptadas para aumentar la resistencia de soporte para impedir que
otros deflectores laminares apilados sobre el deflector laminar
inferior pueda caer en dicho deflector laminar inferior. Entonces,
la tapa (50) es apilada sobre el deflector laminar (30t) situado en
la parte superior.
Los tubos (40), (40p) pasan a través de las
aberturas (56) de la tapa (50) y las aberturas (36) formadas en las
caras de fondo (32) de los deflectores laminares (30) para impedir
el movimiento relativo de dichos deflectores laminares (30).
En esta situación, los deflectores laminares
apilados y fijados (30) y la tapa (50) puede ser colocados dentro
del cuerpo preformado del cuerpo (20) del recipiente a través de la
abertura del cuerpo preformado. El cuerpo preformado y su abertura
se contraen a la configuración de la figura 2 mediante laminado en
caliente.
Antes de utilizar el recipiente (10) para el
almacenamiento de hidruro metálico, se introduce hidrógeno puro,
nuevo, a cada uno de los deflectores laminares (30) por el tubo
poroso (40p) a través de la salida (24) del cuerpo (20) del
recipiente efectuándose de este modo la carga en el hidruro metálico
contenido cada uno de los deflectores laminares (30). Cuando el
hidrógeno almacenado dentro del hidruro metálico ha sido agotado
por completo, se puede recargar nuevamente hidrógeno puro al hidruro
metálico de manera similar.
Dado que las paredes periféricas (34) de los
deflectores laminares (30) se encuentran en contacto íntimo con el
cuerpo del recipiente y dado que los deflectores laminares (30)
están realizados de un material térmicamente conductor, queda
asegurado que la energía térmica aplicada al recipiente se
distribuye de manera regular y se aplica al hidruro metálico
contenido en los deflectores laminares (30), favoreciendo de esta
manera la velocidad de transferencia de calor, proporcionando
espacio por la expansión regular del hidruro metálico y permitiendo
que el apilamiento de hidruro metálico descargue por completo el
hidrógeno cargado en el mismo. El tubo poroso (40p) de la presente
invención sirve además como paso fácil para guiar el hidrógeno
descargado del hidruro metálico hacia la salida (24) del cuerpo
(20) del contenedor a efectos de favorecer de manera efectiva el
rendimiento operativo de la célula de combustible.
La presente invención se refiere a una nueva
creación que constituye un importante avance con respecto a la
técnica convencional. No obstante, las explicaciones facilitadas en
lo anterior, están dirigidas a la descripción de realizaciones
preferentes de acuerdo con la presente invención. Los diferentes
cambios e implementaciones pueden ser llevados a cabo por los
técnicos en la materia sin apartarse del concepto técnico de la
presente invención. Dado que ésta invención no está limitada a los
detalles específicos descritos en relación con las realizaciones
preferentes, se prevén dentro del alcance de las siguientes
reivindicaciones cambios en ciertas características de las
realizaciones preferentes sin alterar la función general básica de
la invención.
Claims (6)
1. Recipiente (10) para el almacenamiento de
hidruro metálico, que comprende
un cuerpo (20) de un recipiente para el
almacenamiento que tiene un diámetro interno predeterminado, cuyo
cuerpo (20) del recipiente tiene un fondo (22) formado en uno de sus
extremos y una salida (24) formada en un extremo opuesto,
caracterizado porque el recipiente (10) para el
almacenamiento de hidruro metálico comprende:
una serie de deflectores laminares (30)
dispuestos con capacidad de desplazamiento en apilamiento en el
cuerpo (20) del recipiente, estando realizado cada uno de los
deflectores laminares (30) en un material térmicamente conductor,
poseyendo cada deflector laminar (30) una cara de fondo (32) dotada
de una serie de aberturas (36) en la misma, una pared periférica
(34) con un diámetro externo sustancialmente igual al diámetro
interno predeterminado del cuerpo (20) del recipiente y un extremo
superior abierto, extendiéndose la pared periférica (34)
sustancialmente de forma ortogonal desde la periferia de la cara de
fondo (32) y poseyendo una serie de ranuras en forma de rebajes
(38) formadas de manera adyacente al extremo superior abierto para
impedir la introducción por encaje de los deflectores laminares
apilados (30);
una tapa (50) superpuesta al deflector superior
de una serie de deflectores laminares (30), poseyendo la tapa (50)
una serie de aberturas (56) formadas en la misma en alineación con
las aberturas (36) de los deflectores laminares (30); y
un primer tubo (40p) que atraviesa como mínimo
una abertura (36) de la cara de fondo (32) de la serie de
deflectores laminares (30) y en la que, como mínimo, una abertura
(56) de la tapa (50), poseyendo el primer tubo (40p) un cuerpo
poroso y encontrándose en comunicación de flujo con la salida (24)
del cuerpo (20) del recipiente.
2. Recipiente (10) para el almacenamiento de
hidruro metálico según la reivindicación 1, en el que el primer
tubo (40p) está formado mediante una composición de metal
sinterizado poroso.
3. Recipiente (10) para el almacenamiento de
hidruro metálico según la reivindicación 1, que adicionalmente
comprende, como mínimo, un segundo tubo (40) que atraviesa segundas
aberturas correspondientes (36, 56) en cada uno de una serie de
deflectores laminares (30) y la tapa (50), teniendo dicho, como
mínimo, segundo tubo (40) un cuerpo poroso y encontrándose en
comunicación de fluido con la salida (24) del cuerpo (20) del
recipiente.
4. Recipiente (10) para el almacenamiento de
hidruro metálico según la reivindicación 3, en el que el cuerpo del
segundo tubo (40) está formado por una composición de metal
sinterizado poroso.
5. Método para la fabricación de un recipiente
(10) para el almacenamiento de hidruro metálico, según una de las
reivindicaciones 1 a 4, que comprende las siguientes etapas:
a. fabricar un cuerpo (20) de recipiente que
tiene un extremo abierto;
b. apilar una serie de deflectores laminares
(30) cada uno de los cuales tiene, como mínimo, una abertura (36)
formada en el fondo (32) del mismo y conteniendo hidruro
metálico;
c. hacer pasar el como mínimo un tubo poroso
(40, 40p) a través de la por lo menos una abertura (36) de cada uno
de los deflectores laminares apilados (30);
d. colocar los deflectores laminares (30)
apilados dentro del cuerpo (20) del recipiente preformado a través
de su extremo abierto; y
e. hacer que el diámetro interno del cuerpo (20)
del recipiente preformado se aproxime al diámetro externo de los
deflectores laminares (30) y contraer el extremo abierto por
laminado en caliente del cuerpo (20) del recipiente preformado y el
extremo abierto.
6. Método según la reivindicación 5, que
comprende además la etapa de colocar una tapa (50) sobre el
apilamiento de deflectores laminares (30) antes de la etapa e., de
los que la tapa (50) está dotada como mínimo de una abertura (56)
en el lugar que corresponde a aquel en el que está formada la, como
mínimo, una abertura (36) de la cara de fondo (32) de cada uno de
los deflectores laminares (30).
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