Volumen II - SAM

Congreso SAM/CONAMET 2009 Buenos Aires, 19 al 23 de Octubre de 2009
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UNA FUENTE DE
HIDRÓGENO DE MEDIA PRESIÓN BASADA EN MATERIALES FORMADORES DE
HIDRUROS
F. Mangiarotti (1) , G. Bertolino (1,2) , A. Baruj (1,2) y G. Meyer (1,2)
(1) Instituto Balseiro y Centro Atómico Bariloche, CNEA, 8400, S. C. de Bariloche, Argentina.
(2) Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Argentina.
E-mail (autor de contacto): baruj@cab.cnea.gov.ar
RESUMEN
El trabajo describe el diseño y la construcción de una fuente portátil de hidrógeno, utilizando materiales
formadores de hidruros para almacenar el gas. El destino primario de la fuente es su uso en experimentos
fuera del ámbito de un laboratorio con acceso a la red interna de distribución de hidrógeno. Considerando
que la fuente debe entregar hidrógeno en un intervalo de presiones entre 3 bar y 60 bar para un intervalo de
temperaturas entre 22 o C y 155 o C, hemos seleccionado una aleación LaNi5 como material formador de
hidruros. Este material tiene como ventajas adicionales su estabilidad frente a ciclos de carga y descarga de
hidrógeno, y la posibilidad de ser reconstituido aplicando un tratamiento térmico simple. Hemos utilizado
acero inoxidable AISI 316L para fabricar los componentes estructurales del contenedor, teniendo en cuenta
su uso bajo atmósfera de hidrógeno a elevadas presiones. Para el diseño del contenedor hemos considerado
problemas de resistencia mecánica, transferencia de calor, y limitaciones en cuanto a peso y costo.
Utilizamos modelos de elementos finitos para optimizar el diseño desde los puntos de vista mecánico y
térmico. Dado que el hidruro es un polvo de baja conductividad térmica, decidimos colocarlo junto a
filamentos de Cu en el recipiente. De esta forma, optimizando la transferencia de calor, logramos mejorar la
cinética de absorción y desorción del dispositivo. Para caracterizar el comportamiento de la fuente, hemos
realizado experimentos de absorción y desorción controladas utilizando un equipo volumétrico de diseño y
fabricación propio. La respuesta del dispositivo resulta adecuada para el uso que hemos planeado darle.
Palabras clave: ciclado, elementos finitos, compresión, energías renovables, absorción.
1. INTRODUCCIÓN
La preocupación social por el estado del medio ambiente, y decisiones políticas tendientes a evitar la
dependencia energética con el petróleo son algunos de los factores que impulsan la investigación acerca del
hidrógeno como vector energético. Las áreas de aplicación del hidrógeno como tal son, por mencionar
algunas, el transporte de pasajeros y bienes, y el almacenamiento de energía. En este sentido hay ya
aplicaciones funcionales: en algunos países europeos, Estados Unidos y Japón hay estaciones de distribución
de hidrógeno para automóviles; varias automotrices también ofrecen a la venta coches híbridos, que pueden
ser alimentados tanto con hidrógeno como con combustibles tradicionales.
El desarrollo de la tecnología del hidrógeno va de la mano con la investigación de su interacción con
diversos materiales. Para lograr la utilización a gran escala del hidrógeno como vector energético, es
necesario desarrollar materiales capaces de almacenar hidrógeno en forma reversible, y materiales aptos para
celdas combustibles y catalizadores de alto rendimiento. Hay múltiples métodos de caracterización que
permiten detectar la presencia de hidrógeno o de hidruros en materiales, como por ejemplo ensayos de
tracción, radiografía y observación por microscopios. Otras técnicas están orientadas a estudiar las
características de la reacción de hidrógeno con materiales, como aquellas que miden presiones y
temperaturas de reacción, cantidad de hidrógeno absorbido o cinéticas de reacción.
Muchos de estos métodos de caracterización se basan en poner en contacto a los materiales con hidrógeno
bajo condiciones controladas. Desde un punto de vista práctico, dichos métodos necesitan de una fuente de
hidrógeno para ser aplicados. Por ello resulta conveniente tener una fuente de hidrógeno suficientemente
liviana y portátil como para que pueda ser llevada al laboratorio en que se necesite. De esta manera, no es
necesario contar con una red de distribución de hidrógeno en todos los laboratorios de interés, y se evitan los
problemas relacionados con el riesgo de explosiones, las eventuales pérdidas en las cañerías y el costo de
mantenimiento. En la práctica, se utilizan cilindros que contienen hidrógeno a alta presión, que suelen ser
muy voluminosos y de peso considerable (alrededor de 50 kg para uno estándar). Por ello, su manipulación
es difícil y peligrosa. Una forma más conveniente de transportar hidrógeno consiste en utilizar un material
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