IT202100020324A1 - Sistema di compenso per serbatoio criogenico per il contenimento di idrogeno liquido - Google Patents

Sistema di compenso per serbatoio criogenico per il contenimento di idrogeno liquido Download PDF

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Samuele Vinati
Matteo Vinati
Giacomo Vinati
Mariachiara Vinati
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Description

DESCRIZIONE
del Brevetto Italiano per Invenzione Industriale dal titolo:
?SISTEMA DI COMPENSO PER SERBATOIO CRIOGENICO PER IL CONTENIMENTO DI
IDROGENO LIQUIDO?
CAMPO DELL'INVENZIONE
L?invenzione ha come oggetto un sistema di compenso per un serbatoio criogenico adatto al contenimento di idrogeno liquido e idoneo al passaggio dell?idrogeno in forma gassosa ad una Fuel Cell, ovvero una cella a combustibile.
TECNICA ANTERIORE NOTA
? noto che la tecnologia prevalente nel settore delle auto elettriche ? costituita dall?impiego di batterie al litio, le quali per? presentano i seguenti problemi.
Un primo problema ? dato dalla limitata capacit? di immagazzinamento energia (non supera ad oggi i 240 Wh/kg).
Un secondo problema ? dato dalla difficolt? di smaltimento dopo l?uso.
Vi ? inoltre difficolt? di reperimento delle materie prime.
Un'ulteriore problema ? dato dal peso eccessivo di tali batterie: circa 6,2 Kg per KWh immagazzinato.
Si consideri inoltre che la loro ricarica ? molto lenta.
Infine, vi ? una scarsa diffusione dei punti di ricarica.
Un?altra soluzione nota ? l?uso di idrogeno compresso, tecnologia che presenta i seguenti problemi.
Un primo problema ? dato dal fatto che i serbatoi di contenimento dell?idrogeno sono molto pesanti, ovvero circa 20Kg per ogni 1Kg di idrogeno immagazzinato.
Un secondo problema ? che essi operano con altissima pressione di immagazzinamento, tipicamente 700 bar.
Si hanno inoltre problemi di rifornimento: non ci sono infatti stazioni in grado di rifornire a tale pressione salvo sistemi molto complicati come quello realizzato dalla Societ? Linde.
Uno scopo della presente invenzione ? quello di consentire l?uso dell?idrogeno liquido alle Fuel Cell per la produzione diretta di energia elettrica.
Ulteriore scopo ? quello di evitare perdite di idrogeno dovute all?evaporazione causata dalla trasmittanza di calore tra serbatoio criogenico e temperatura esterna dell?ambiente.
Altro scopo ? quello di ridurre il peso di detto serbatoio criogenico, al fine di consentirne l?uso sia in campo automotive e trasporti su terra in genere e sia soprattutto nel campo del settore aeronautico ? eVTOL, eRotorcraft, Droni, e altro, in modo tale da consentire quindi una riduzione di peso ed un aumento dell?energia immagazzinata.
Ulteriore scopo della presente invenzione ? quello di ottenere i suddetti risultati in modo semplice ed economico.
BREVE RIASSUNTO DELL'INVENZIONE
La presente invenzione raggiunge gli scopi sopra descritti mediante un sistema di compenso per un serbatoio criogenico, ove il suddetto serbatoio criogenico ? atto al contenimento di idrogeno liquido ed ove dal suddetto serbatoio criogenico si deriva una linea di alimentazione di idrogeno gassoso ad una cella a combustibile, il suddetto sistema comprendendo ulteriormente una centralina elettronica ed ove sulla suddetta linea di alimentazione ? posta almeno una valvola regolatrice del flusso di idrogeno gassoso in uscita dal suddetto serbatoio criogenico e gestita dalla suddetta centralina elettronica, caratterizzato dal fatto che il suddetto sistema di compenso prevede ulteriormente un serbatoio di compenso posto sulla linea di alimentazione di idrogeno gassoso alla suddetta cella a combustibile, il suddetto serbatoio di compenso essendo configurato per recuperare la gassificazione dell?idrogeno indotta dalla trasmittanza del serbatoio principale.
Un vantaggio di tale realizzazione ? dato dal fatto che la presenza del serbatoio di compenso consente, in primo luogo, di evitare la dispersione di idrogeno dovuta alla trasmittanza del serbatoio principale.
Un ulteriore vantaggio ? dato dal fatto che il serbatoio di compenso opera ad una pressione maggiore di quella del serbatoio principale consentendo quindi di contenere una maggiore quantit? di idrogeno gassoso pronta per alimentare una maniera costante e ad una pressione idonea inferiore e definita per la Fuel Cell. Ci? avviene tramite una valvola regolatrice che aumenta la compressione dell?idrogeno gassoso. L?aumento di pressione dell?idrogeno gassoso nel serbatoio di compenso per consentire di contenere una maggior quantit? di idrogeno gassoso che poi tramite una valvola a valle del serbatoio di compenso, viene riportato alla pressione necessaria alla Fuel Cell. Cos? si ottiene una regolazione di flusso sempre disponibile e costante alla Fuel Cell.
Secondo una realizzazione dell'invenzione, al serbatoio di compenso ? associata una valvola di regolazione, posta sulla linea di alimentazione dell?idrogeno gassoso alla cella a combustibile, e controllata dalla suddetta centralina elettronica per alimentare la cella a combustibile con un flusso di idrogeno gassoso costante.
Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono desumibili dalle rivendicazioni dipendenti.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata che segue con l?ausilio dell?unita tavola di disegno in cui:
- la figura 1 illustra schematicamente i principali componenti del sistema di compenso per un serbatoio criogenico, secondo una realizzazione della presente invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI ALCUNE FORME DI REALIZZAZIONE DELLA PRESENTE INVENZIONE
L?invenzione verr? ora descritta con iniziale riferimento al diagramma della figura 1 che illustra il sistema di compenso per un serbatoio criogenico per il contenimento di idrogeno liquido, secondo una realizzazione della presente invenzione, sistema globalmente indicato con il riferimento numerico 100.
Il sistema 100 comprende innanzitutto un serbatoio criogenico 1 per il contenimento di idrogeno liquido, ove in figura 1 ? anche indicato il livello L dell'idrogeno liquido contenuto in condizioni normali nel serbatoio 1.
Preferibilmente, il serbatoio criogenico 1 per il contenimento di idrogeno liquido ? a tre strati.
L?idrogeno liquido contenuto nel serbatoio 1 ? destinato ad essere inviato ad una Fuel Cell 11 (cella a combustibile).
Come noto, una cella a combustibile ? un dispositivo in grado di convertire energia immagazzinata chimicamente in energia elettrica. In particolare, in una cella a combustibile, l'idrogeno (H2) ? ossidato dal rilascio di elettroni all'anodo, mentre l'ossigeno (02) ? ridotto dall'accettazione di elettroni al catodo. Come risultato di questa reazione redox, l'energia chimica immagazzinata nei reagenti viene convertita in energia elettrica all'anodo o rispettivamente al catodo e pu? essere da l? attinta e utilizzata per alimentare dispositivo elettrici.
I principali componenti del sistema 100 sono regolati, nel loro funzionamento, mediante una centralina elettronica 200.
? presente inoltre uno scambiatore di calore 2 collegato ad una pompa 3, la cui gestione ? computerizzata mediante intervento della centralina elettronica 200.
Una funzione dello scambiatore di calore 2 ? quella di aumentare ed indurre la gassificazione dell?idrogeno liquido. Ci? perch? la naturale gassificazione dovuto alla trasmittanza di calore non sarebbe sufficiente.
? inoltre presente un sensore 4 per la rilevazione del livello L dell?idrogeno liquido all'interno del serbatoio 1, ove il suddetto sensore 4 comunica le proprie rilevazioni alla centralina elettronica 200.
Una valvola di sicurezza per gestire fenomeni di sovrapressione 5 ? collegata al serbatoio 1 ed ? anch?essa gestita mediante la centralina elettronica 200.
Il serbatoio 1 ? alimentato mediante azione della centralina elettronica 200 su una valvola di rifornimento 6 di idrogeno liquido. Secondo una realizzazione dell'invenzione, al serbatoio 1 criogenico per il contenimento di idrogeno liquido ? associato un serbatoio di compenso 9 per il contenimento di idrogeno gassoso.
In particolare, la funzione del serbatoio di compenso 9 ? quella di recuperare la gassificazione dell?idrogeno indotta dalla trasmittanza del serbatoio principale 1 e dello scambiatore di calore 2.
Inoltre, il serbatoio di compenso 9 funge da iniettore per la Fuel Cell 11.
Nel sistema 1 ? presente una linea 20 per il convogliamento dell?idrogeno gassoso dal serbatoio criogenico 1 al serbatoio di compenso 9.
Il flusso dell?idrogeno gassoso in uscita dal serbatoio 1 ed in entrata al serbatoio di compenso 9 ? regolato da una valvola regolatrice 7.
? anche prevista una ulteriore valvola regolatrice di pressione 8, posta in serie rispetto alla valvola regolatrice 7.
La valvola regolatrice di pressione 8 aumenta la pressione dell?idrogeno gassoso nel serbatoio di compenso per consentire di contenere una maggior quantit? di idrogeno gassoso, il quale successivamente tramite la valvola 10 viene riportato alla pressione necessaria alla Fuel Cell. Cos? si ottiene una regolazione di flusso sempre disponibile e costante alla Fuel Cell.
La pressione dell?idrogeno gassoso all?interno del serbatoio di compenso 9 ? superiore alla pressione dell?idrogeno gassoso nel serbatoio criogenico 1 e tale aumento di pressione si ottiene mediante la valvola regolatrice 8.
Tale aumento di pressione pu? essere ottenuto, ad esempio, mediante impiego una pompa o soffiante 50 posta a valle della valvola regolatrice 7 e d a monte della valvola regolatrice 8.
Le valvole regolatrici 7 e 8 sono poste sulla linea 20 per il convogliamento dell?idrogeno gassoso dal serbatoio criogenico 1 al serbatoio di compenso 9.
La gestione di entrambe le valvole 7 e 8 ? demandata alla centralina elettronica 200.
Nel sistema 1 ? ulteriormente presente una linea 30 per il convogliamento dell?idrogeno gassoso dal serbatoio di compenso 9 alla Fuel Cell 11.
A valle del suddetto serbatoio di compenso 9 ? prevista una pompa o soffiante 40 per erogare in maniera costante il flusso di idrogeno gassoso tramite la linea 30.
Il flusso gassoso di idrogeno in uscita dal serbatoio di compenso 9 ? regolato da una valvola di regolazione 10, anch?essa gestita dalla centralina elettronica 200.
La valvola di regolazione 10 ? posta sulla linea 30 per il convogliamento dell?idrogeno gassoso dal serbatoio di compenso 9 alla Fuel Cell 11.
In generale quindi i flussi di idrogeno gassoso in entrata ed in uscita dal serbatoio di compenso 9 sono regolati mediante la centralina elettronica 200.
Il flusso di idrogeno gassoso in uscita dal serbatoio di compenso 9 pu?, ad esempio, essere regolato dalla centralina elettronica 200 in modo tale da avere un?alimentazione continua di idrogeno gassoso alla Fuel Cell 11.
Lo schema di figura 1 illustra anche la gestione dei flussi di energia elettrica che sono prodotti dalla Fuel Cell 11.
Un primo flusso di energia elettrica ? utilizzato per alimentare un motore elettrico 12, mentre un secondo flusso di energia ? utilizzato per alimentare servizi ausiliari 13.
Un terzo flusso di energia ? utilizzato per la ricarica di batterie al litio 14 ed un quarto flusso di energia alimenta la pompa 3 dello scambiatore di calore 2.
La Fuel Cell pu? anche alimentare ulteriori servizi ausiliari.
Anche la gestione dei suddetti flussi di energia elettrica ? demandata alla centralina elettronica 200.
La presenza del serbatoio di compenso 9 consente, in primo luogo, di evitare la dispersione di idrogeno dovuta alla trasmittanza del serbatoio principale.
Inoltre, il serbatoio di compenso consente di1 alimentare la cella a combustibile con un flusso di idrogeno gassoso costante.
Un ulteriore vantaggio ? dato dal fatto che l?impiego del serbatoio di compenso consente una riduzione di peso del serbatoio principale. Ovviamente all'invenzione cos? come descritta potranno essere apportate modifiche o migliorie senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione come sotto rivendicata.

Claims (8)

RIVENDICAZIONI
1. Sistema di compenso (100) per un serbatoio criogenico (1), ove il suddetto serbatoio criogenico (1) ? atto al contenimento di idrogeno liquido ed ove dal suddetto serbatoio criogenico (1) si deriva una linea di alimentazione (20,30) di idrogeno gassoso ad una cella a combustibile (11), il suddetto sistema (100) comprendendo ulteriormente una centralina elettronica (200) ed ove sulla suddetta linea di alimentazione (20,30) ? posta almeno una valvola regolatrice (7) del flusso di idrogeno gassoso in uscita dal suddetto serbatoio criogenico (1) e gestita dalla suddetta centralina elettronica (200), caratterizzato dal fatto che il suddetto sistema di compenso (100) prevede ulteriormente un serbatoio di compenso (9) posto sulla linea di alimentazione (20,30) di idrogeno gassoso alla suddetta cella a combustibile (11), il suddetto serbatoio di compenso (9) essendo configurato per recuperare la gassificazione dell?idrogeno indotta dalla trasmittanza del serbatoio principale (1).
2. Sistema di compenso come alla rivendicazione 1, in cui a valle del suddetto serbatoio di compenso (9) ? prevista una pompa o soffiante (40) per erogare in maniera costante il flusso di idrogeno gassoso.
3. Sistema di compenso come alla rivendicazione 1 o 2, in cui al suddetto serbatoio di compenso (9) ? associata una valvola di regolazione (10), posta sulla linea di alimentazione (30) dell?idrogeno gassoso alla cella a combustibile (11) e controllata dalla suddetta centralina elettronica (200) per alimentare la cella a combustibile (11) con un flusso d?idrogeno gassoso costante.
4. Sistema di compenso come alla rivendicazione 1, in cui il flusso dell?idrogeno gassoso in uscita dal serbatoio criogenico (1) ed in entrata al serbatoio di compenso (9) ? regolato da almeno una valvola regolatrice (7), la cui gestione ? demandata alla centralina elettronica (200).
5. Sistema di compenso come alla rivendicazione 1, in cui la pressione dell?idrogeno gassoso all?interno del serbatoio di compenso (9) ? superiore alla pressione dell?idrogeno gassoso nel serbatoio criogenico (1) e tale aumento di pressione si ottiene mediante una pompa o soffiante (50) a monte della valvola regolatrice (8).
6. Sistema di compenso come alla rivendicazione 1, in cui al suddetto serbatoio criogenico principale (1) ? associato uno scambiatore di calore (2) collegato ad una pompa (3), la cui gestione ? computerizzata mediante intervento della centralina elettronica (200) ed ? alimentata dalla Fuel Cell (11).
7. Sistema di compenso come alla rivendicazione 1, in cui al serbatoio criogenico principale (1) ? associato un sensore (4) per la rilevazione del livello (L) dell?idrogeno liquido all'interno del serbatoio criogenico principale (1), ove il suddetto sensore (4) comunica le proprie rilevazioni alla centralina elettronica (200).
8. Sistema di compenso come alla rivendicazione 1, in cui al suddetto serbatoio criogenico principale (1) ? associata una valvola di sicurezza per sovrapressione (5).
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