Diseño, construcción, caracterización y operación de un compresor de hidrógeno basado en materiales formadores de hidruro.

Entre los desafíos a vencer para instalar la tecnología del hidrógeno en nuestra sociedad está el diseño de procesos y dispositivos para el manejo del gas en transporte, compresión y almacenamiento sin incorporación impurezas. En particular es necesario el desarrollo de equipos capaces de comprim...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Villa, Nahuel A.
Formato: Tesis NonPeerReviewed
Lenguaje:Español
Publicado: 2015
Materias:
Acceso en línea:http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/505/1/1Villa.pdf
Aporte de:
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description Entre los desafíos a vencer para instalar la tecnología del hidrógeno en nuestra sociedad está el diseño de procesos y dispositivos para el manejo del gas en transporte, compresión y almacenamiento sin incorporación impurezas. En particular es necesario el desarrollo de equipos capaces de comprimir hidrógeno desde su producción a baja presión hasta presiones medias y altas de manera limpia para su uso en aplicaciones sensibles a la pureza del gas. Una alternativa poco explorada aún es el uso de materiales formadores de hidruro (MFH), utilizando la dependencia que tiene la presión de formación/descomposición de hidruro con la temperatura. En este trabajo se presenta el diseño, construcción, puesta en marcha, caracterización y operación de un compresor basado en MFH (laNi_5) para el almacenamiento a 60 bar del hidrógeno de ultra alta pureza (UAP) producido por un electrolizador a 6 bar, en cilindros comerciales de 50 lts. La operación de compresión y almacenamiento consiste en la formación de hidruro a temperatura ambiente por conexión del MFH en el compresor con el electrolizador, cierre de esa conexión, aumento de temperatura para descargar el gas en el recipiente de almacenamiento, cierre de esa conexión, y enfriamiento del MFH para iniciar una nueva etapa. En cada ciclo se produce un aumento en la presión del recipiente de almacenamiento. Se utilizaron 541 g de LaNi_5 en el interior del compresor, diseñado para tal fin considerando las propiedades del MFH y de la operación como el proceso de decrepitación de la aleación, la generación de tensiones y la necesidad de velocidad en la transferencia térmica para la carga y descarga. Se programó un simulador del proceso para analizar el impacto de las propiedades del equipo y así seleccionar adecuadamente los parámetros del diseño final. Se presentan detalles del diseño, construcción, puesta en marcha y comportamiento del equipo durante la operación. Se analizó el proceso de carga del MFH y se realizaron etapas individuales de llenado del recipiente con hidrógeno a las presiones de 6,20 y 60 bar para observar la influencia de la presión del recipiente en el tiempo requerido para completarlas, y así diseñar estrategias de control adecuadas. Con los parámetros adoptados, se completa una carga completa de un cilindro con 40 ciclos de carga-descarga. El tiempo de carga del hidruro es de 9,7 horas. El tiempo de calefaccióndescarga es de entre 1 y 2,3 horas a 6 y 60 bar respectivamente. El enfriamiento demanda entre 0,5 y 1,3 horas a 6 y 60 bar respectivamente. El equipo es compacto, presenta una relación de compresión de aproximadamente 30 para el rango de temperaturas empleadas, requiere muy bajo mantenimiento y el control durante su funcionamiento es simple. Se ha demostrado la utilidad del uso de la dependencia de la presión de equilibrio con la temperatura para la compresión de hidrógeno y, en este caso particular, para la provisión de hidrógeno de UAP a media presión para uso en laboratorio.
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Una alternativa poco explorada aún es el uso de materiales formadores de hidruro (MFH), utilizando la dependencia que tiene la presión de formación/descomposición de hidruro con la temperatura. En este trabajo se presenta el diseño, construcción, puesta en marcha, caracterización y operación de un compresor basado en MFH (laNi_5) para el almacenamiento a 60 bar del hidrógeno de ultra alta pureza (UAP) producido por un electrolizador a 6 bar, en cilindros comerciales de 50 lts. La operación de compresión y almacenamiento consiste en la formación de hidruro a temperatura ambiente por conexión del MFH en el compresor con el electrolizador, cierre de esa conexión, aumento de temperatura para descargar el gas en el recipiente de almacenamiento, cierre de esa conexión, y enfriamiento del MFH para iniciar una nueva etapa. En cada ciclo se produce un aumento en la presión del recipiente de almacenamiento. Se utilizaron 541 g de LaNi_5 en el interior del compresor, diseñado para tal fin considerando las propiedades del MFH y de la operación como el proceso de decrepitación de la aleación, la generación de tensiones y la necesidad de velocidad en la transferencia térmica para la carga y descarga. Se programó un simulador del proceso para analizar el impacto de las propiedades del equipo y así seleccionar adecuadamente los parámetros del diseño final. Se presentan detalles del diseño, construcción, puesta en marcha y comportamiento del equipo durante la operación. Se analizó el proceso de carga del MFH y se realizaron etapas individuales de llenado del recipiente con hidrógeno a las presiones de 6,20 y 60 bar para observar la influencia de la presión del recipiente en el tiempo requerido para completarlas, y así diseñar estrategias de control adecuadas. Con los parámetros adoptados, se completa una carga completa de un cilindro con 40 ciclos de carga-descarga. El tiempo de carga del hidruro es de 9,7 horas. El tiempo de calefaccióndescarga es de entre 1 y 2,3 horas a 6 y 60 bar respectivamente. El enfriamiento demanda entre 0,5 y 1,3 horas a 6 y 60 bar respectivamente. El equipo es compacto, presenta una relación de compresión de aproximadamente 30 para el rango de temperaturas empleadas, requiere muy bajo mantenimiento y el control durante su funcionamiento es simple. Se ha demostrado la utilidad del uso de la dependencia de la presión de equilibrio con la temperatura para la compresión de hidrógeno y, en este caso particular, para la provisión de hidrógeno de UAP a media presión para uso en laboratorio. Among the challenges to overcome to install the hydrogen technology in our society, one of great importance is the design of processes and devices for the management of the gas in transportation, compression and storage without adding impurities. An unexplored alternative for hydrogen compression is the use of the pressure dependence with temperature of hydride forming materials (HFM). In this work we present the design, construction, start-up, characterization and operation of a hydrogen compressor based on a HFM (LaNi_5) to store the ultra-pure hydrogen (UPH) generated by electrolysis, in standard bottles of 50 lts at a pressure of 60 bar. Compression procedure involves four stages: UPH absorption and hydride formation at room temperature (the electrolyzer is connected to the compressor), HFM heating (the compressor is isolated from electrolyzer and the bottle), hydrogen desorption by hydride decomposition to store it in the bottle (when the pressure of the HFM increased up to the bottle pressure they are connected), and HFM cooling (the compressor is isolated when hydride desorption finishes and, when the pressure decrease up to the electrolyzer pressure, it connects to the hydrogen generator). The cycle repeats again, increasing the reservoir pressure by the same amount in each cycle. The compressor is filled with 541 g of LaNi_5. HFM decrepitation, mechanical stresses due to compaction, the low thermal conductivity of hydride and the efficiency of heating and cooling were taken into account to design the device. A simulation program was written to help the design process, to analyze the influence of the main materials properties in the operation. Details of the design, construction, start-up and behavior of the device during the operation were presented. The HFM charging process was measured. In order to characterize the dependence of bottle pressure on the desorption stage, hydride decomposition was performed to store hydrogen in the bottle at 6,20, 40 and 60 bar. These observations help the selection of an appropriate control strategy. A compression cycle consists of a hydrogen absorption stage up to 5.5 bar; a HFM heating stage to promote hydrogen desorption and storing in the bottle, increasing its pressure in 1.5 bar; and cooling up to room temperature, connecting electrolyzer and compressor when the pressure is 4.5 bqr. With these parameters one bottle of 50 ltr is charged up to 60 bar after 40 cycles. Hydrogen absorption takes 9.7 hours. Heat the HFM and desorb the hydrogen takes between 1 and 2,3 hours at a bottle pressure of 6 and 60 bar, respectively. Cooling demands between 0.5 and 1.3 hours when the initial pressure is 6 or 60 bar, respectively. The device is compact, can be controlled measuring only one pressure and actuating on 3 switches (2 valves and 1 heater). It has a compression rate of 30 for the range of temperatures we used. It requires low maintenance. It has been demonstrated the utility of the use of the equilibrium pressure dependence with the temperature for the compression of hydrogen and, in this particular case, for UHP hydrogen provision to medium pressure for laboratory use. 2015-06-24 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/505/1/1Villa.pdf es Villa, Nahuel A. (2015) Diseño, construcción, caracterización y operación de un compresor de hidrógeno basado en materiales formadores de hidruro. / Design, construction, caracterization and operation of a hydrogen compressor based on a hydride forming material. Proyecto Integrador Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/505/