Depósito de almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos.

Depósito destinado al almacenamiento de hidrógeno mediante absorción en un material, teniendo dicho depósito un eje longitudinal

(X) y comprendiendo una carcasa exterior (2) y una estructura interna (4) de eje longitudinal (X), comprendiendo la estructura interna (4) una pluralidad de estratos (E1, E2, ..., En) que se extienden siguiendo planos paralelos al eje longitudinal y un sistema de intercambio térmico en el interior de la estructura interna (4), comprendiendo cada estrato (E1, E2, ..., En) un fondo inferior (9), un fondo superior (14) y tabiques longitudinales (10) y transversales (12), formando dichos tabiques (10, 12) con los fondos inferior (9) y superior (14) compartimentos (8) destinados a recibir el material de almacenamiento de hidrógeno (6), en el que el fondo superior (14) y/o el fondo inferior (9) y los tabiques transversales (12) o longitudinales (10) son de una sola pieza.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2010/067205.

Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 25, rue Leblanc, Bâtiment "Le Ponant D" 75015 Paris FRANCIA.

Inventor/es: CHAISE,Albin, GILLIA,OLIVIER, ELIE,MANON, PLANQUE,MICHEL.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > C01B3/00 (Hidrógeno; Mezclas gaseosas que contienen hidrógeno; Separación del hidrógeno a partir de mezclas que lo contienen; Purificación del hidrógeno (producción de gas de agua o gas de síntesis a partir de materias carbonosas sólidas C10J))
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > ALMACENAMIENTO O DISTRIBUCION DE GASES O LIQUIDOS > RECIPIENTES PARA CONTENER O ALMACENAR GASES COMPRIMIDOS,... > F17C11/00 (Uso de disolventes o absorbentes de gases en recipientes)

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Fragmento de la descripción:

Depïsito de almacenamiento de hidrïgeno en hidruros metïlicos

Campo tïcnico y tïcnica anterior

La presente invenciïn se refiere a un depïsito de almacenamiento de hidrïgeno en forma de hidruros metïlicos.

Se buscan energïas alternativas al petrïleo como consecuencia, en particular, de la reducciïn de las reservas de 10 petrïleo. Uno de los vectores prometedores para estas fuentes de energïa es el hidrïgeno, que puede ser utilizado en las pilas de combustible para producir electricidad.

El hidrïgeno es un elemento muy abundante en el universo y sobre la Tierra, puede producirse a partir del carbïn, del gas natural o de otros hidrocarburos, pero tambiïn mediante simple electrïlisis del agua utilizando, por ejemplo, 15 la electricidad producida por la energïa solar o eïlica.

Las pilas de hidrïgeno ya se utilizan en determinadas aplicaciones, por ejemplo, en vehïculos automïviles pero aïn se utilizan poco, en particular debido a las precauciones a tomar y a las dificultades para el almacenamiento de hidrïgeno.

El hidrïgeno puede almacenarse en forma de hidrïgeno comprimido entre 350 y 700 bares, lo que plantea problemas de seguridad. Hay que prever entonces depïsitos adecuados para mantener estas presiones, sabiendo por otra parte que estos depïsitos, cuando se colocan en los vehïculos, pueden someterse a choques.

Puede almacenarse en forma lïquida, sin embargo, este tipo de almacenamiento solamente asegura un rendimiento de almacenamiento bajo y no permite el almacenamiento de larga duraciïn. El paso de un volumen de hidrïgeno del estado lïquido al estado gaseoso en condiciones normales de presiïn y temperatura produce un aumento de su volumen en un factor de aproximadamente 800. Los depïsitos de hidrïgeno en forma lïquida no son en general muy resistentes a los choques mecïnicos; eso plantea importantes problemas de seguridad.

Existe tambiïn el almacenamiento de hidrïgeno denominado “sïlido” en forma de hidruro. Este almacenamiento permite una densidad volumïtrica de almacenamiento considerable y aplica una presiïn de hidrïgeno moderada, minimizando al mismo tiempo el impacto energïtico del almacenamiento sobre el rendimiento global de la cadena del hidrïgeno, es decir, desde su producciïn hasta su conversiïn en otra energïa.

El principio del almacenamiento sïlido del hidrïgeno en forma de hidruro es el siguiente: determinados materiales y en particular determinados metales poseen la capacidad de absorber el hidrïgeno para formar un hidruro; esta reacciïn se denomina absorciïn. Del hidruro formado puede obtenerse de nuevo hidrïgeno gaseoso y un metal. Esta reacciïn se denomina desorciïn. La absorciïn o la desorciïn intervienen en funciïn de la presiïn parcial del

hidrïgeno y de la temperatura.

La absorciïn y la desorciïn del hidrïgeno en un polvo o una matriz metïlica M se realizan de acuerdo con la siguiente reacciïn:

- siendo M el polvo o la matriz metïlica,

- siendo MHx el hidruro metïlico

Se utiliza, por ejemplo, un polvo metïlico que se pone en contacto con el hidrïgeno, cuando aparece un fenïmeno de absorciïn y se forma un hidruro metïlico. La liberaciïn del hidrïgeno se efectïa de acuerdo con un mecanismo de desorciïn.

El almacenamiento del hidrïgeno es una reacciïn exotïrmica, es decir, que desprende calor, mientras que la liberaciïn del hidrïgeno es una reacciïn endotïrmica, es decir, que absorbe calor.

Se busca en particular tener una carga rïpida del polvo metïlico en hidrïgeno. Para obtener tal carga rïpida, es preciso evacuar el calor producido durante esta carga para impedir frenar la absorciïn del hidrïgeno en el polvo o la matriz metïlica. Durante la descarga del hidrïgeno se aporta calor. Por lo tanto, la efectividad del enfriamiento y del calentamiento condiciona los rendimientos de carga y descarga.

De manera casi sistemïtica, el hidruro y el metal, presentïndose ambos en forma de polvo en los depïsitos, tienen una diferencia de densidad comprendida entre el 10% y el 30%.

Esta variaciïn de densidad en el interior del depïsito tiene dos consecuencias:

- Por una parte, la apariciïn de tensiones en el interior de los granos de polvo durante los ciclos de absorciïndesorciïn, lo que provoca su fraccionamiento en granos mas pequeïos. Este fenïmeno se denomina decrepitaciïn.

- Por otra parte, el hinchamiento de los granos de polvo en el transcurso de la absorciïn del hidrïgeno y el deshinchamiento de los granos de polvo durante la desorciïn. Se prevï entonces un volumen libre por encima del polvo para tener en cuenta su hinchamiento.

El fenïmeno de decrepitaciïn y el fenïmeno de hinchamiento son responsables de una densificaciïn progresiva de del lecho de polvo a medida que aumenta el nïmero de ciclos de absorciïn-desorciïn. De hecho, la decrepitaciïn hace aparecer polvos cada vez mïs finos que migran por gravedad hacia el fondo del depïsito a travïs de la red de granos. Ademïs, cuando la velocidad del flujo de hidrïgeno es suficientemente grande, los granos se desplazan y se recolocan en el depïsito. Por otra parte, el lecho de polvo tiende a retraerse, es decir, su volumen disminuye durante una desorciïn lo que deja un espacio vacïo entre las paredes del depïsito y el lecho del material de almacenamiento del hidrïgeno. Tiene lugar una migraciïn de polvos por gravedad hacia este espacio y lo llena. Durante la siguiente absorciïn, el polvo de hidruro formado no va a comprenderse como un fluido. En particular, el nivel del lecho de polvo en el depïsito no es el alcanzado durante la absorciïn anterior. De hecho, los rozamientos entre los granos y contra la pared del depïsito impiden que el lecho de polvo se dilate libremente. El hinchamiento de los granos de polvo se compensa entonces por la reducciïn del tamaïo de las porosidades. El lecho de material de almacenamiento del hidrïgeno/hidruro se densifica asï progresivamente en el transcurso de los ciclos de hidruraciïn.

Se denomina “ciclo de hidruraciïn” una fase de absorciïn seguida de una fase de desorciïn de hidrïgeno.

Es por lo tanto importante impedir una acumulaciïn de material de almacenamiento de hidrïgeno que podrïa aplicar tensiones pudiendo deteriorar la estructura del depïsito.

El documento US 2004/0129048 describe un depïsito de hidrïgeno en el que el hidrïgeno se almacena en forma de hidruro metïlico. Este depïsito de forma cilïndrica consta de canales longitudinales llenos de polvo. Se proporcionan conductos de circulaciïn de agua en determinados canales para evacuar el calor.

Por una parte, este dispositivo no asegura una distribuciïn homogïnea del polvo en todo el depïsito, lo que puede provocar la aplicaciïn de tensiones perjudiciales a la estructura. Por otra parte, los intercambios tïrmicos no son ïptimos. Ademïs, la estructura de los canales es compleja de realizar, y el llenado con polvo es engorroso.

El documento WO-A-2007/124825 da a conocer un depïsito para el almacenamiento de hidrïgeno que consta de una carcasa exterior y una estructura interna que consta de una pluralidad de estratos. Cada estrato tiene varios compartimentos destinados a recibir el material de almacenamiento de hidrïgeno. Los compartimentos estïn fabricados de un material poroso. El fondo inferior de un compartimento toca el fondo superior del siguiente compartimento.

El documento US 4436537 describe un depïsito de hidrïgeno que comprende una pluralidad de plataformas abiertas, comprendiendo las plataformas zonas rebajadas conectadas por paredes, siendo las zonas rebajadas de una sola pieza. Estas zonas estïn destinadas a contener el hidruro. La plataforma se realiza... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Depïsito destinado al almacenamiento de hidrïgeno mediante absorciïn en un material, teniendo dicho depïsito un eje longitudinal (X) y comprendiendo una carcasa exterior (2) y una estructura interna (4) de eje longitudinal (X) , comprendiendo la estructura interna (4) una pluralidad de estratos (E1, E2, …, En) que se extienden siguiendo planos paralelos al eje longitudinal y un sistema de intercambio tïrmico en el interior de la estructura interna (4) , comprendiendo cada estrato (E1, E2, …, En) un fondo inferior (9) , un fondo superior (14) y tabiques longitudinales

(10) y transversales (12) , formando dichos tabiques (10, 12) con los fondos inferior (9) y superior (14) compartimentos (8) destinados a recibir el material de almacenamiento de hidrïgeno (6) , en el que el fondo superior

(14) y/o el fondo inferior (9) y los tabiques transversales (12) o longitudinales (10) son de una sola pieza.

2. Depïsito de acuerdo con la reivindicaciïn 1, en el que el fondo superior (14) y los tabiques longitudinales (10) asociados son de una sola pieza y el fondo inferior (9) y los tabiques longitudinales (10) asociados son de una sola pieza.

3. Depïsito de acuerdo con la reivindicaciïn 2, en el que el fondo superior (14) y los tabiques longitudinales (10) asociados y el fondo inferior (9) y los tabiques longitudinales (10) asociados estïn realizados respectivamente mediante plegado de un fleje metïlico.

4. Depïsito de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que los tabiques transversales (12) estïn unidos a los tabiques longitudinales (10) mediante cooperaciïn de ranuras realizadas en los tabiques longitudinales (10) y en los tabiques transversales (12) .

5. Depïsito de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, comprendiendo subconjuntos formados por un fondo superior (14) provisto de tabiques transversales (12) y longitudinales (10) en una cara y por un fondo inferior (9) provisto de tabiques transversales (12) y longitudinales (14) en una cara, estando unidos los dos fondos (9, 14) en sus caras opuestas a las que portan dichos tabiques (10, 12) .

6. Depïsito de acuerdo con la reivindicaciïn anterior, en el que la estructura interna (4) comprende un apilamiento de dichos subconjuntos, comprendiendo cada compartimento (8) un tabique longitudinal (10) de un subconjunto y un tabique longitudinal (10) de otro subconjunto.

7. Depïsito de acuerdo con la reivindicaciïn 5 o 6, que comprende canales (18) definidos entre los fondos superior

(14) e inferior (9) unidos, definiendo dichos canales (18) el sistema de intercambio tïrmico.

8. Depïsito de acuerdo con la reivindicaciïn anterior, en el que los subconjuntos estïn realizados de tal modo que un tabique longitudinal (10) portado por el fondo superior (14) estï contenido en el mismo plano que un tabique longitudinal (10) portado por el fondo inferior (9) , y en el que los canales estïn definidos perpendicularmente respecto a las paredes longitudinales (10) .

9. Depïsito de acuerdo con la reivindicaciïn 7 u 8, en el cual durante el plegado para formar los tabiques longitudinales (10) , la base de los tabiques (10) estï conformada para disponer una ranura con una secciïn semicircular.

10. Depïsito de acuerdo con la reivindicaciïn anterior, que comprende conductos (24) situados en los canales (18) formados por dos de dichas ranuras enfrentadas, estando dichos conductos (24) ventajosamente soldados en las paredes de los canales.

11. Depïsito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios (27) para transportar el hidrïgeno al interior de los compartimentos, por ejemplo, formados por conductos porosos.

12. Depïsito de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 11, en el que se realizan muescas en los tabiques

transversales (12) ’.

13. Depïsito de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 12, en el que la altura representa del 50 al 110% de la longitud y del 50 al 110% de la anchura.

14. Depïsito de almacenamiento de hidrïgeno que comprende un depïsito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores y material de almacenamiento de hidrïgeno (6) dispuesto en los compartimentos (8) , estando dicho material dispuesto ventajosamente en los compartimentos en forma de lingote.

15. Depïsito de almacenamiento de hidrïgeno de acuerdo con la reivindicaciïn 14, en el que un volumen libre (25) que representa del 12% al 60% del volumen del compartimento (8) estï previsto en cada compartimento (8) .

16. Depïsito de almacenamiento de hidrïgeno de acuerdo con la reivindicaciïn 14 o 15, en el que el material de almacenamiento de hidrïgeno (6) estï constituido al menos por un material de tipo AmBn constituido por un elemento

A que forma un hidruro estable, tal como los metales alcalinos o alcalinotïrreos, como el litio, el calcio o el magnesio, los metales de transiciïn de la cuarta o quinta columna como el zirconio, el titanio, o las tierras raras metïlicas como el lantano o el cerio y por un elemento B que forma un hidruro inestable en condiciones estïndar, tal como la mayorïa de los metales de transiciïn como el cromo, el cobalto, el nïquel o el hierro.

17. Procedimiento de realizaciïn de un depïsito de almacenamiento de hidrïgeno de acuerdo con una de las reivindicaciones 14 a 16, que comprende las etapas de:

a) corte del fleje de chapa a las dimensiones deseadas,

b) plegado de dichas chapas de tal manera que formen canales longitudinales delimitados por tabiques longitudinales,

c) montaje de los tabiques transversales para delimitar los compartimentos con los tabiques longitudinales,

d) apilamiento de los elementos asï formados y llenado con el material de almacenamiento de hidrïgeno,

e) colocaciïn en una carcasa,

f) introducciïn del hidrïgeno en la carcasa, transformïndose de este modo el o los materiales en cada uno de los compartimentos en hidruro metïlico.

18. Procedimiento de realizaciïn de acuerdo con la reivindicaciïn anterior, comprendiendo previamente a la etapa d) , una etapa c’) durante la cual se efectïa una uniïn de dos elementos por su cara opuesta a la que porta los tabiques, realizando asï subconjuntos, y durante la etapa d) se apilan dichos subconjuntos.

19. Procedimiento de realizaciïn de acuerdo con la reivindicaciïn anterior, en el que, durante la etapa c’) , entre los dos elementos se disponen conductos del sistema de intercambio tïrmico, pudiendo soldarse dichos conductos en cada uno de los elementos.