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.
![[img]](/style/images/fileicons/application_pdf.png)
| PDF (Tesis) Español 6Mb |
Resumen en español
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.
Resumen en inglés
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.
| Tipo de objeto: | Tesis (Proyecto Integrador Ingeniería Mecánica) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Hydrides; Hidruros; Compressors; Compresores; Hydrogen; Hidrógeno; Hydrogen storage; Almacenamiento de hidrógeno; [Hydride forming material; Material formador de hidruro] |
| Referencias: | [1] D. Rodriguez and G.O. Meyer, "Improvement of the activation stage of MmNi4.7Al0.3 hydride-forming alloys by surface fluorination," Journal of Alloys and Compounds, 1999. [2] Hirohisa Uchida, "Surface processes of H2 on rare earth based hydrogen storage alloys with various surface modi®cations," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 24, 1999. [3] X.-L. Wang, "Hydrogen purification using fluorinated LaNi4.7Al0.3 alloy ," Journal of Alloys and Compounds, vol. 231, 1995. [4] R. L. COHEN and K. W. WEST, "INTRINSIC CYCLING DEGRADATION IN LaNi, AND ANNEALING PROCEDURES FOR RE-FORMING THE MATERIAL ," Journal of the Less-Common Metals, vol. 95, 1982. [5] M.V. Blanco, A. Baruj, G.O. Meyer E.M. Borzone, Stability of LaNi5-xSnx cycled in hydrogen, 2014. [6] Y. Josephy, "Investigation of LaNi5 after prolonged cycling ," Journal of the Less- Common Metals, 1991. [7] K. W. WEST and J. H. WERNICK R. L. COHEN, "DEGRADATION OF LaNi5, BY TEMPERATURE-INDUCED CYCLING," Journal of the Less-Common Metals, vol. 73, 1980. [8] P. D. GOODELL, "STABILITY OF RECHARGEABLE HYDRIDING ALLOYS DURING EXTENDED CYCLING ," Journal of the Less-Common Metals, vol. 99, 1984. [9] Franco Julio Mangiarotti, "Desarrollo de una fuente de hidrógeno de media presión basada en materiales formadores de hidruros," S.C. de Bariloche, 2009. [10] Haru-Hisa Uchida y Takamitsu Honjo Yoshitake Nishi, "High Responsiveness Induced by Palladium Deposition," Materials Transactions, vol. 46, no. 1, 2005. [11] Tyler G. Voskuilen, "A comprehensive approach for alloy selection in metal hydride thermal systems," international journal of hydrogen energy, vol. 39, 2014. [12] Tyler Voskuilen. (2014) Purdue Metal Hydride Toolbox Summary. [Online]. https://github.com/PurdueH2Lab/MetalHydrideToolbox [13] G.O. Meyer, A.L. Baruj, M.V. Blanco, and E.M. Borzone, "Determinación de propiedades termodinamicas de materiales formadores de hidruro," Congreso Iinternacional de Metalúrgia y Materiales SAM-CONAMET/IBEROMAT/MATERIA 2014, 2014. [14] M. Valeria Blanco, "Hydrogen sorption kinetics of La–Ni–Sn storage alloys," International Journal of Hydrogen Energy, 2014. [15] M.V. Blanco, G. Meyer, A. Baruj E.M. Borzone, "Cycling performance and hydriding kinetics of LaNi5 and LaNi4.73Sn0.27 alloys in the presence of CO," J. Hydrogen Energy, no. 39, pp. 10517-10524, 2014. [16] Henry H. Bednar, Pressure vessel design Handbook.: Krieger Publishing Company, 1986. [17] Omega. (2015) Calefactores de Omega. [Online]. es.omega.com/pptst/CSS_CSH.html [18] Swagelok. (2015) Catalogo filtros Series FW, F y TF. [Online]. https://www.swagelok.com/downloads/WebCatalogs/ES/MS-01-92.pdf [19] Hannifin Parker. (2015) Catalogo de O-ring. [Online]. http://www.autogomabernal.com.ar/pdf/ParkerO-Ring.pdf [20] AMERICAN SOCIETY MECHANICAL ENGINEERS VIII Div 1, Div 1 Rules for Construction of Power Boilers, 2010. [21] Nahuel Alejandro Villa. (2015, June) Codigos. [Online]. https://www.dropbox.com/sh/l7hih4516ru5wrk/AADqJrPMGpEUXgCkjhxVZuZOa? dl=0 [22] Basilio A. Talagañis, G.O. Meyer, D.G. Oliva, M. Fuentes, and P.A. Aguirre, "Modeling and optimal design of cyclic processes for hydrogen purification using hydrides," International Journal of Hydrogen Energy, 2014. [23] AMERICAN SOCIETY MECHANICAL ENGINEERS II Part D, Div II, Part D Materials, 2010. [24] Richard W. Hertzberg, Deformation and fracture mechanics of engineering materials, 1976. [25] GARRETT JAMES PATAKY, HIGH RESOLUTION FATIGUE CRACK GROWTH ANALYSIS OF CRACK CLOSURE AND SLIP IRREVERSIBILITY USING DIGITAL IMAGE CORRELATION, 2011. [26] Gary Sandrock, "A panoramic overview of hydrogen storage alloys from a gas reaction," Journal of Alloys and Compounds, 1999. [27] Maximiliano Melnichuk, "Estudio numérico y experimental de almacenadores de hidrógeno basados en hidruros metálicos," 2010. [28] Juan I. Somoza, "Caracterización, control y operación de una fuente de hidrógeno de media presion basada en materiales formadores de hidruros," S.C. de Bariloche, 2012. [29] Julian A. Puszkiel, "preparación, estudio y optimización de hidruros complejos para almacenamiento de hidrógeno," Bariloche, 2010. |
| Materias: | Física > Física de materiales |
| Divisiones: | Aplicaciones de la energía nuclear > Tecnología de materiales y dispositivos > Fisicoquímica de materiales |
| Código ID: | 505 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 20 Oct 2015 15:26 |
| Última Modificación: | 20 Oct 2015 15:26 |
Personal del repositorio solamente: página de control del documento
