Método e instrumentação de caracterização de materiais sólidos aplicáveis no armazenamento de hidrogénio

Palavras-chave: armazenamento de energia,armazenamento de hidrogénio,hidretos metálicos,instrumentação científica,sieverts volumétrico,método capacitivo

As energias renováveis crescem cada vez mais nos dias de hoje, sendo necessário adequar as tecnologias tanto de produção, transporte e armazenamento. É neste caso que o hidrogénio merece uma especial atenção como um vetor energético, com um nicho de mercado bem definido. Contudo, para o sucesso do hidrogénio no armazenamento de energia é necessário ainda responder a questões fundamentais para a sua maior aceitação e principalmente competição com as demais técnicas de armazenamento. No mercado já encontramos inúmeras aplicações de pilhas de combustível que têm o hidrogénio como base de armazenamento de energia, desde a alimentação elétrica de pequenos dispositivos até à propulsão de carros e submarinos. No entanto, sempre há que melhorar no desenvolvimento tecnológico, e a incorporação do hidrogénio no mercado depende fortemente da forma de armazenamento. Em particular no armazenamento de hidrogénio em materiais sólidos, temos os hidretos metálicos, com décadas de estudos e os materiais compósitos e nanoestruturados cada vez mais presentes. Mas para a aplicação prática destes materiais no armazenamento é necessário caracterizá-los e perceber e conhecer muito bem as suas propriedades quanto à termodinâmica de reação com o hidrogénio, assim como o seu comportamento térmico e mecânico quando confinado em um reservatório. Para auxiliar na resposta destas questões, apresentamos neste trabalho três equipamentos cujo objetivo é de caracterizar com precisão a absorção de hidrogénio por meio de isotérmicas de pressão de equilíbrio, assim como o estudo do seu envelhecimento por ciclos de hidrogenação. Quanto à relação do material com o reservatório, apresentamos aqui um novo dispositivo com uma técnica para o estudo de alterações volumétricas do material ao formar hidreto. Neste trabalho foi montado e calibrado um sistema volumétrico tipo Sieverts para o estudo de precisão das características de absorção de hidrogénio de novos materiais, usando válvulas pneumáticas para a automatização do controlo. Um segundo equipamento foi concebido de base para o estudo da degradação de materiais por ciclos de hidrogenação sucessivas, ao qual chamamos Sistema de Ciclagem. Para este equipamento foi desenvolvido com sucesso um reator com o controlo térmico onde foi possível desenvolver estudos de isotérmicas em pressão de equilíbrio com temperaturas variadas. Com o sistema todo automatizado, o equipamento foi testado com o hidreto da liga intermetálica de LaNi5, submetendo-a a 1500 ciclos de hidrogenação sucessivos e vemos iii claramente a degradação pela diminuição da concentração máxima absorvida, assim como as modificações da forma das isotérmicas em diferentes pontos da ciclagem. Por fim, para auxiliar no estudo de materiais com potencial para o armazenamento de hidrogénio e o próprio desenvolvimento dos reservatórios apresentamos um novo dispositivo experimental que permite, com um método capacitivo, fazer a caracterização dos materiais quanto às suas modificações volumétricas quando absorvem hidrogénio. Através de medições de resistência e capacidade elétricas em corrente alterada, podemos avaliar a expansão volumétrica e as alterações da porosidade de pós de hidretos metálicos em muito pequenas quantidades, sendo estas medidas realizadas em função da concentração de hidrogénio. A observação da resistividade global da amostra permite-nos a avaliação qualitativa de mudança do empacotamento dos pós e mobilidade de grãos. Para a obtenção dos parâmetros físicos dos materiais a partir dos dados recolhidos com este dispositivo propõe-se um modelo de circuito equivalente com uma função de impedância complexa desenvolvida a partir da geometria interna do aparelho. O circuito foi calibrado com três diferentes ligas metálicas condutoras e testado com sucesso no hidreto de LaNi5 em amostras livres de tensões.

Área científica: Ciências Exactas e Naturais