IT201800011072A1

IT201800011072A1 - Serbatoio migliorato per veicolo a idrogeno

Info

Publication number: IT201800011072A1
Application number: IT102018000011072A
Authority: IT
Inventors: Stephane Codron
Original assignee: Iveco France Sas
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-13
Also published as: US20200191332A1; ES2932505T3; US11221105B2; EP3667155B1; EP3667155A1

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“SERBATOIO MIGLIORATO PER VEICOLO A IDROGENO”

CAMPO TECNICO

La presente invenzione riguarda un serbatoio migliorato per veicolo, in particolare un serbatoio migliorato dal punto di vista della sicurezza per contenere idrogeno per veicolo a pila a combustibile.

STATO DELLA TECNICA ANTERIORE

I veicoli di trasporto stradale, quali i veicoli di trasporto pubblico, fanno sempre più ricorso a fonti di energia alternative per fornire la coppia motrice del veicolo al fine di evitare l’utilizzo di combustibili inquinanti, ad esempio i combustibili fossili.

L’utilizzo di pile a combustibile, ad esempio a idrogeno, è un esempio di queste fonti di energia alternative. La pila a combustibile è normalmente alimentata con idrogeno sotto pressione a 300/800 bar, contenuto in serbatoi trasportati dal veicolo in acciaio o in materiale composito.

Tuttavia, è noto che l’idrogeno è un elemento estremamente volatile, leggero e reattivo con gli altri elementi dell’atmosfera, in primo luogo l’ossigeno. In realtà, l’idrogeno è considerato come un elemento estremamente infiammabile quando è libero nell’ambiente.

In caso di incidente che implica un veicolo che comprende un serbatoio di idrogeno sotto pressione, può svilupparsi un incendio, il che potrebbe far esplodere il serbatoio di idrogeno e di conseguenza il veicolo intero. In effetti, questa esplosione è estremamente potente. È sufficiente considerare che un serbatoio contiene normalmente 2 kg di idrogeno, il che può sviluppare una capacità esplosiva di 6 MJ.

Per evitare tale esplosione del serbatoio di idrogeno, è noto utilizzare valvole che consentono all’idrogeno di fuoriuscire quando, a causa della temperatura elevata che può essere generata durante un incendio, la pressione all’interno del serbatoio raggiunge un valore predeterminato.

Tuttavia, questa fuga di idrogeno genera una fiamma persistente (20-30 secondi) e una potenza considerevole che potrebbe seriamente ferire gli utilizzatori del veicolo o i soccorritori.

Queste situazioni si manifestano a maggior ragione in ambienti meno ventilati quali tunnel o parcheggi o in ambiente urbano.

Di conseguenza, è necessario prevedere serbatoi di idrogeno che consentano di immagazzinare una quantità di idrogeno sufficiente per l’utilizzo del veicolo, ma che siano al contempo sicuri in caso di incidente.

L’invenzione mira quindi a risolvere gli inconvenienti citati sopra in modo economico e ottimizzato.

RIASSUNTO DELL’INVENZIONE

Gli obiettivi citati sopra sono raggiunti mediante un serbatoio e mediante un metodo secondo le rivendicazioni allegate.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Altre caratteristiche e vantaggi dell’invenzione emergeranno chiaramente dalla descrizione che è fatta di seguito, a titolo indicativo e affatto limitativo, in riferimento ai disegni allegati, in cui:

● La figura 1 è una vista in prospettiva di un veicolo per il trasporto pubblico di passeggeri che comprende un serbatoio secondo l’invenzione;

● La figura 2 è una vista schematica, in cui alcune parti sono state cancellate per maggiore chiarezza, di una prima forma di realizzazione di un serbatoio secondo l’invenzione;

● La figura 3 è una vista schematica, in cui alcune parti sono state cancellate per maggiore chiarezza, di una seconda forma di realizzazione di un serbatoio secondo l’invenzione; e

● La figura 4 è una vista schematica, in cui alcune parti sono state cancellate per maggiore chiarezza, di una terza forma di realizzazione di un serbatoio secondo l’invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

La figura 1 illustra un veicolo 100 di trasporto pubblico, ad esempio un autobus, che comprende un motore a pila a combustibile (non rappresentato) e un serbatoio 1, secondo l’invenzione, configurato per contenere idrogeno sotto pressione.

In una qualsiasi delle forme di realizzazione dell’invenzione rappresentate nelle figure da 2 a 4, il serbatoio 1 comprende almeno un serbatoio combustibile 2 che comprende una parete esterna 2a configurata per delimitare un volume interno 2b configurato per contenere l’idrogeno sotto pressione; come detto, la parete esterna 2a può essere realizzata in materiale metallico o composito ed è configurata per mantenere l’idrogeno nel volume interno 2b a una pressione compresa tra 300 e 800 bar.

Il serbatoio combustibile 2 comprende inoltre almeno una prima apertura 3 e una seconda apertura 4 realizzate passanti la parete esterna 2a; la prima apertura 4 è collegata in modo fluidico a un primo condotto 5 configurato per consentire la ricarica del serbatoio combustibile 2 e la seconda apertura 5 è collegata in modo fluidico a un secondo condotto 6 configurato per alimentare una pila a combustibile (non illustrata).

Secondo l’invenzione, il serbatoio 1 comprende mezzi di sicurezza 10 configurati per disperdere una sostanza atta a reagire chimicamente con l’idrogeno per produrre un composto neutro per quanto riguarda la combustione, secondo una condizione prestabilita.

Questa sostanza può essere qualsiasi sostanza configurata per reagire con l’idrogeno per produrre un composto neutro per quanto riguarda la combustione. Vantaggiosamente, questa sostanza è configurata per generare con quest’ultimo una reazione chimica spontanea alla temperatura ambiente oppure a una temperatura predeterminata, ad esempio nell’ipotesi di un incendio.

Questa sostanza può essere, ad esempio, un ossido metallico, preferibilmente l’ossido di rame, che è un materiale facilmente conservabile in soluzione fluida o in schiuma, economico e che genera una reazione chimica spontanea con l’idrogeno.

Questa reazione spontanea è una reazione esotermica come indicato sotto:

CuO+H2=Cu+H2O

in cui l’ossido di rame è trasformato in rame puro e in acqua.

La condizione prestabilita citata sopra può essere la temperatura e/o la pressione dell’idrogeno nel volume interno 2b o la temperatura dell’aria attorno al serbatoio combustibile 2 oppure un valore di decelerazione del veicolo che indica una collisione.

Le quantità fisiche citate sopra possono essere misurate per mezzo di sensori (non illustrati) configurati per comunicare elettricamente con un’unità elettronica di controllo (non illustrata) del veicolo 100, ad esempio l’ECU del veicolo 100. L’unità elettronica può controllare attivamente la dispersione della sostanza neutralizzante mediante i mezzi di sicurezza 10 quando i sensori rilevano la condizione prestabilita citata sopra, ad esempio attraverso un controllo ad anello chiuso, preferibilmente attraverso il metodo di controllo descritto di seguito.

In una prima forma di realizzazione del serbatoio 1, illustrata nella figura 2, quest’ultimo comprende un solo serbatoio combustibile 2 e i mezzi di sicurezza 10 comprendono almeno un serbatoio di sicurezza 20 posizionato all’interno del volume interno 2b, preferibilmente fissato alla parete 2a mediante mezzi di supporto (non rappresentati) e distanziati da quest’ultima. Il serbatoio di sicurezza 20 comprende una parete esterna 20a che delimita un volume interno 20b configurato per contenere una soluzione fluida di una sostanza neutralizzante del tipo descritto sopra, preferibilmente sotto pressione.

Per rilasciare la sostanza neutralizzante, il serbatoio di sicurezza 20 comprende mezzi di valvola 21 configurati per consentire la comunicazione fluidica tra il volume interno 20b del serbatoio di sicurezza 20 e il volume 2b del serbatoio combustibile 2 attraverso la parete 20a in funzione della condizione prestabilita citata sopra.

Ad esempio, i mezzi di valvola 21 possono comprendere una valvola di scarico comandata dalla pressione della soluzione di sostanza neutralizzante all’interno del serbatoio di sicurezza 20 o dalla temperatura dell’idrogeno o ancora controllata elettronicamente dall’unità elettronica citata sopra sulla base del rilevamento mediante sensori.

Secondo la forma di realizzazione descritta, il serbatoio di sicurezza 20 può inoltre comprendere altri mezzi come la valvola 22 configurati per consentire la ventilazione del serbatoio combustibile 2, quando i mezzi di valvola 21 del serbatoio di sicurezza 20 sono stati attivati e, quindi, la reazione chimica citata sopra è in corso. Detto mezzo di valvola 22, in modo simile al mezzo di valvola 21, può essere attivato in funzione della pressione e/o della temperatura come descritto sopra e/o elettricamente con l’ausilio dell’unità elettronica citata sopra, evitando pertanto un aumento della pressione all’interno del serbatoio combustibile 2.

Il funzionamento della prima forma di realizzazione del serbatoio 1 descritto sopra è il seguente.

Quando la condizione prestabilita è raggiunta, i mezzi di valvola 21 si aprono (attivamente su comando dell’unità elettronica o passivamente in funzione della pressione/temperatura dell’idrogeno ad esempio) lasciando disperdere la sostanza neutralizzante all’interno del volume 2b. Qui, l’idrogeno reagisce chimicamente con la sostanza neutralizzante generando un composto neutro e, ad esempio, producendo calore. Parallelamente all’apertura dei mezzi di valvola 21 oppure quando la pressione all’interno del volume interno 2b raggiunge un valore prestabilito, i mezzi di valvola 22 si aprono lasciando disperdere il composto neutro nell’ambiente per impedire una sovrapressione nel volume interno 2b.

In una seconda forma di realizzazione del serbatoio 1, illustrata con l’ausilio della figura 3, quest’ultimo comprende un serbatoio esterno 30 che comprende una parete esterna 30a che delimita un volume intermedio 30b in cui è posizionato il serbatoio combustibile 2. Il serbatoio esterno 30 comprende almeno una coppia di aperture 31, 32 configurate per consentire il passaggio dei tubi 5, 6 del serbatoio combustibile 2 attraverso la parete 30a.

I mezzi di sicurezza 10 comprendono, almeno un serbatoio di sicurezza 33 posizionato all’interno del volume intermedio 30b e che comprende una parete esterna 33a che delimita un volume interno 33b configurato per contenere una soluzione di sostanza neutralizzante in modo simile al serbatoio di sicurezza 20. Nell’esempio descritto qui il serbatoio 30 comprende due serbatoi di sicurezza 33.

In modo simile alla prima forma di realizzazione, il serbatoio di sicurezza 33 e il serbatoio combustibile 2 comprendono ciascuno mezzi di valvola 22, 34 configurati per consentire rispettivamente la comunicazione fluidica tra il volume interno 2b del serbatoio combustibile 2 e il volume intermedio 30b del serbatoio 30 attraverso la parete 33a e tra il volume interno 33b del serbatoio di sicurezza 33 e il volume intermedio 30b del serbatoio 30 attraverso la parete 33a. I mezzi di valvola 22, 34 possono comprendere le stesse tipologie di valvola e di controllo descritti per la prima forma di realizzazione.

Il serbatoio esterno 30 comprende anche mezzi di valvola 35 configurati per consentire la comunicazione fluidica tra il volume interno 30b e l’ambiente per consentire la ventilazione del serbatoio esterno 30, quando i mezzi di valvola 22, 34 sono stati attivati e, quindi, la reazione chimica citata sopra è in corso. I mezzi di valvola 35 possono comprendere le stesse tipologie di valvola e di controlli descritti per la prima forma di realizzazione.

Il funzionamento della seconda forma di realizzazione del serbatoio 1 descritto sopra è il seguente.

Quando la condizione prestabilita è raggiunta, i mezzi di valvola 34 si aprono (attivamente su comando dell’unità elettronica o passivamente in funzione della pressione/temperatura dell’idrogeno ad esempio) lasciando disperdere la sostanza neutralizzante all’interno del volume intermedio 33b. Parallelamente all’apertura dei mezzi di valvola 21, i mezzi di valvola 22 si aprono lasciando disperdere l’idrogeno nel volume intermedio 33b. Qui, l’idrogeno reagisce chimicamente con la sostanza neutralizzante generando un composto neutro e, ad esempio, producendo calore. Parallelamente all’apertura dei mezzi di valvola 21, 22 oppure quando la pressione all’interno del volume intermedio 33b raggiunge un valore prestabilito, i mezzi di valvola 35 si aprono lasciando disperdere il composto neutro nell’ambiente per impedire una sovrapressione nel volume intermedio 33b.

In una terza forma di realizzazione del serbatoio 1, illustrata nella figura 4, quest’ultimo comprende diversi serbatoi 2 posizionati in modo fluidico in parallelo, ad esempio tre serbatoi 2.

I mezzi di sicurezza 10 comprendono almeno un serbatoio di sicurezza 40 posizionato posizionato all’esterno dei serbatoi 2 e comprendente una parete esterna 40a che delimita un volume interno 40b configurato per contenere una soluzione di sostanza neutralizzante in modo simile ai serbatoi di sicurezza 20, 33. Nell’esempio descritto qui il serbatoio 40 comprende un solo serbatoio di sicurezza 40.

In modo simile alla prima e alla seconda forma di realizzazione, ciascun serbatoio combustibile 2 comprende mezzi di valvola 22 configurati per consentire rispettivamente la comunicazione fluidica tra il volume interno 2b del serbatoio combustibile 2 e l’ambiente. I mezzi di valvola 22 possono comprendere le stesse tipologie di valvola e di controlli descritti per la prima forma di realizzazione.

Il serbatoio di sicurezza 40 comprende mezzi di valvola 41 configurati per consentire la comunicazione fluidica tra il volume interno 40b e mezzi di nebulizzazione 42, connessi in modo fluidico ai mezzi di valvola 41, configurati per dirigere la sostanza neutralizzante sui mezzi di valvola 22 dei serbatoi combustibile 2.

Il funzionamento della terza forma di realizzazione descritta sopra è il seguente.

Quando la condizione prestabilita è raggiunta, i mezzi di valvola 41 si aprono (attivamente su comando dell’unità elettronica o passivamente in funzione della pressione/temperatura dell’idrogeno ad esempio) lasciando disperdere la sostanza neutralizzante verso i mezzi di valvola 22 grazie ai mezzi di nebulizzazione 42. Parallelamente all’apertura dei mezzi di valvola 41, i mezzi di valvola 22 si aprono lasciando disperdere l’idrogeno nell’ambiente. Qui, l’idrogeno reagisce chimicamente con la sostanza neutralizzante generando un composto neutro e, ad esempio, producendo calore; la sostanza neutra si disperde direttamente nell’ambiente.

L’invenzione riguarda inoltre un metodo di controllo di un serbatoio 1 configurato per contenere idrogeno sotto pressione per alimentare un veicolo a pila a combustibile, ad esempio secondo gli esempi di forma di realizzazione descritti sopra.

Questo metodo di controllo comprende essenzialmente le seguenti fasi:

● raggiungere una condizione prestabilita che riguarda un incidente del veicolo 100; e

● disperdere una sostanza chimica che reagisce chimicamente con l’idrogeno contenuto nel serbatoio 1 per formare un composto neutro rispetto alla combustione.

Come descritto, la dispersione può avvenire all’interno o all’esterno del serbatoio combustibile 2, in un volume chiuso o nell’ambiente.

Come descritto, la dispersione può avvenire grazie ai mezzi di sicurezza 10 che consentono la dispersione attivamente o passivamente.

Da quanto precede, i vantaggi di un veicolo 100 comprendente un serbatoio 1 secondo la presente invenzione sono ben evidenti.

Grazie ai mezzi di sicurezza 10, l’idrogeno è neutralizzato chimicamente e quindi si evita la sua esplosione.

Inoltre, scegliendo elementi specifici come il rame, il composto ottenuto non aumenta la potenza di un possibile incendio.

Inoltre, l’ossido di rame può essere prodotto e dissolto in una soluzione neutra in modo semplice ed economico.

Le diverse forme di realizzazione del serbatoio 1 e dei mezzi di sicurezza 10 proposte consentono di poter utilizzare i mezzi di sicurezza 10 per qualsiasi dimensione e/o disposizione del serbatoio combustibile 2.

Infine, è chiaro che il veicolo 100 comprendente un serbatoio combustibile 2 secondo la presente invenzione può essere oggetto di modifiche e di varianti che tuttavia non si allontanano dall’ambito di protezione definito dalle rivendicazioni.

Le forme di realizzazione del serbatoio 1 descritte qui potrebbero essere combinate tra loro.

Inoltre, il numero, la forma dei serbatoi combustibile 2 possono variare, nonché, in modo simile, la tipologia e il numero dei mezzi di valvola.

L’ossido di rame potrebbe essere sostituito con altri elementi chimici che hanno proprietà simili.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Serbatoio (1) per contenere idrogeno sotto pressione per un veicolo (1) a pila a combustibile, detto serbatoio (1) comprendendo almeno un serbatoio combustibile (2) comprendente una parete (2a) configurata per delimitare un volume interno (2b) per contenere detto idrogeno sotto pressione, detto serbatoio (1) comprendendo mezzi di sicurezza (10) configurati per neutralizzare chimicamente detto idrogeno sotto pressione secondo una condizione prestabilita.
2. Serbatoio secondo la rivendicazione 1, in cui detta condizione è la pressione e/o la temperatura di detto idrogeno in detto volume interno (2b) o la temperatura attorno a detto serbatoio combustibile (2).
3. Serbatoio secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti mezzi di sicurezza (10), sono configurati per rilasciare una sostanza prevista per reagire chimicamente con detto idrogeno sotto pressione per produrre un composto neutro per quanto riguarda la combustione.
4. Serbatoio secondo la rivendicazione 3, in cui detta sostanza è un ossido.
5. Serbatoio secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detta sostanza è un ossido metallico.
6. Serbatoio secondo una delle rivendicazioni da 3 a 5, in cui detta sostanza è un ossido di rame.
7. Serbatoio secondo una delle rivendicazioni da 3 a 6, in cui detta sostanza è dispersa in un fluido.
8. Serbatoio secondo una delle rivendicazioni da 3 a 6, in cui detta sostanza è dispersa in una schiuma.
9. Serbatoio secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di sicurezza (10) comprendono un serbatoio di sicurezza (20, 33, 40) che comprende una parete (20a, 33a, 40a) configurata per delimitare un volume interno (20b, 33b, 40b) per contenere detta sostanza, detto serbatoio (20, 33, 40) comprendendo mezzi di valvola (21, 34, 41) configurati per rilasciare detta sostanza all’esterno di detta parete (20a, 33a, 40a) secondo detta condizione.
10. Serbatoio secondo la rivendicazione 9, in cui detto serbatoio di sicurezza (20, 33, 40) è posizionato all’interno del volume interno (2b) di detto serbatoio combustibile (2).
11. Serbatoio secondo la rivendicazione 9, in cui detto serbatoio di sicurezza (20, 33, 40) è posizionato all’esterno del volume interno (2b) di detto serbatoio combustibile (2).
12. Serbatoio secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui detto serbatoio combustibile (2) comprende mezzi di valvola (22) configurati per consentire la comunicazione fluidica di detto volume interno (2b) con un volume esterno rispetto alla parete (2a).
13. Serbatoio secondo una delle rivendicazioni da 10 a 12, comprendente un serbatoio esterno (30) comprendente una parete (30a) che definisce un volume intermedio (30b) in cui sono posizionati detto serbatoio combustibile (2) e detto serbatoio di sicurezza (20, 33, 40).
14. Serbatoio secondo la rivendicazione 13, in cui detto serbatoio esterno (30) comprende mezzi di valvola (35) configurati per consentire la comunicazione fluidica di detto volume intermedio (30b) con l’ambiente.
15. Serbatoio secondo una delle rivendicazioni da 10 a 14, in cui detti mezzi di valvola (21, 34, 41) di detto serbatoio di sicurezza (20, 33, 40) comprendono mezzi di nebulizzazione (42) configurati per dirigere detta sostanza sui mezzi di valvola (22) di detto serbatoio combustibile (2).
16. Veicolo (1) a pila a combustibile comprendente un serbatoio (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti.
17. Metodo per mettere in sicurezza di un serbatoio (1) per contenere idrogeno sotto pressione comprendente le seguenti fasi: ● raggiungere una condizione prestabilita che riguarda un incidente di detto veicolo (1); e ● disperdere una sostanza che reagisce chimicamente con l’idrogeno contenuto in detto serbatoio (1) per formare un composto neutro rispetto alla combustione.