ES2874852A1 - Compressed hydrogen storage tank in cryogenic system (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

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Abstract

Storage tank for compressed hydrogen in a cryogenic system. The invention consists of a hydrogen tank that, by including a refrigeration system associated with it together with adequate thermal insulation, allows the density of said hydrogen to be varied by playing with the pressure and temperature parameters, which allows to notably increase the capacity of storage, keeping compressed gas at cryogenic temperatures. For a given volume and pressure, in relation to storage at room temperature, it is possible to triple the mass of hydrogen stored. Its main characteristic is the reduction of the volume of the containers to store hydrogen, or the increase of the storage capacity for a certain volume of container. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Depósito de almacenamiento de hidrógeno comprimido en sistema criogénicoCompressed hydrogen storage tank in cryogenic system

SECTOR DE LA TÉCNICATECHNICAL SECTOR

La presente invención se refiere a un recipiente a presión o depósito, dedicado al almacenamiento comprimido de hidrogeno gas.The present invention relates to a pressure vessel or tank, dedicated to the compressed storage of hydrogen gas.

El sistema aumenta notablemente la capacidad de almacenamiento, manteniendo el gas comprimido a temperaturas criogénicas.The system significantly increases storage capacity, keeping compressed gas at cryogenic temperatures.

Para un determinado volumen y presión, con relación al almacenamiento a la temperatura ambiente, se consigue triplicar la masa de hidrógeno almacenada.For a given volume and pressure, in relation to storage at room temperature, it is possible to triple the mass of hydrogen stored.

Su principal característica es la reducción del volumen de los recipientes para almacenar hidrógeno, o bien el aumento de la capacidad de almacenamiento para un determinado volumen.Its main characteristic is the reduction of the volume of the containers to store hydrogen, or the increase of the storage capacity for a certain volume.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION

Con el aumento del interés por el hidrógeno y su generación con electrolizadores, por medio de las energías alternativas, se presenta la necesidad de almacenamientos en volúmenes grandes, de amplias decenas de metros cúbicos, y a presiones inferiores a las usuales de las botellas. En este tipo de depósitos, en general de acero, se necesita mucho espesor en paredes, por lo que están limitados por las dimensiones, pesos, y posibilidades de transporte por carretera para llevarlos a destino.With the increase in interest in hydrogen and its generation with electrolyzers, by means of alternative energies, there is a need for storage in large volumes, of large tens of cubic meters, and at pressures lower than the usual ones for bottles. In this type of tanks, generally made of steel, a lot of thickness is needed in the walls, so they are limited by the dimensions, weights, and possibilities of road transport to take them to their destination.

El almacenamiento de hidrógeno en estado líquido es el más eficiente en términos de mayor densidad de producto, no obstante, el paso al estado líquido requiere el consumo de mucha energía y, además, es necesario mantenerlo licuado a temperaturas muy bajas. Debido a estos inconvenientes, la opción más común es el almacenamiento del hidrógeno, manteniéndolo comprimido con altas presiones y a temperatura ambiente. The storage of hydrogen in a liquid state is the most efficient in terms of higher product density, however, the transition to the liquid state requires the consumption of a lot of energy and, in addition, it is necessary to keep it liquefied at very low temperatures. Due to these drawbacks, the most common option is the storage of hydrogen, keeping it compressed at high pressures and at room temperature.

En el sistema de almacenamiento como gas comprimido, debido a las altas presiones y a los espesores de pared que se necesitan, se recurre al almacenamiento en recipientes pequeños. El ejemplo típico son las botellas de unos 50 litros, con al uso individual, o formando bloques de botellas manejables.In the storage system as compressed gas, due to the high pressures and the required wall thicknesses, storage in small containers is used. The typical example is bottles of about 50 liters, with individual use, or forming manageable bottle blocks.

Los recipientes de almacenamiento de varias decenas de metros cúbicos están limitados en presión para no tener elevados espesores de pared. Esto implica una baja densidad de producto almacenado.Storage vessels of several tens of cubic meters are limited in pressure so as not to have high wall thicknesses. This implies a low density of stored product.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓNEXPLANATION OF THE INVENTION

El depósito de almacenamiento de hidrógeno comprimido en sistema criogénico de la invención resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta en base a una solución sumamente eficaz, aumentando la densidad de almacenamiento y proporcionando por tanto un sistema que aumenta la capacidad de almacenamiento del hidrógeno, para un volumen y presión determinada.The compressed hydrogen storage tank in a cryogenic system of the invention solves in a fully satisfactory way the problems previously exposed based on a highly efficient solution, increasing the storage density and therefore providing a system that increases the hydrogen storage capacity, for a given volume and pressure.

Para ello, y de forma más concreta, la invención consta de un recipiente primario a presión, que está refrigerado por medio de una cámara envolvente, por la que circula un fluido frio.For this, and more specifically, the invention consists of a primary pressure vessel, which is cooled by means of an enveloping chamber, through which a cold fluid circulates.

Todo el conjunto es recubierto con un aislamiento térmico de un material de baja conductividad térmica.The whole set is covered with a thermal insulation of a material with low thermal conductivity.

El aislamiento térmico tiene como función que la entrada de calor desde el ambiente sea muy pequeña y también minimizar el consumo de fluido refrigerante.Thermal insulation has the function that the heat input from the environment is very small and also minimizes the consumption of refrigerant fluid.

El aislamiento se puede realizar con muchos tipos de materiales. Usualmente se realizará con un aislamiento equivalente al de un recipiente criogénico, formando una cámara de aislamiento estanca, que se rellena de material aislante, y a la que se le realiza el vacío para aumentar la capacidad de aislamiento térmico.Insulation can be done with many types of materials. Usually it will be carried out with an insulation equivalent to that of a cryogenic container, forming a watertight isolation chamber, which is filled with insulating material, and which is evacuated to increase the thermal insulation capacity.

El recipiente interno tiene las conexiones necesarias para las funciones usuales en esos tipos de almacenamiento: Se dispone de tubuladuras para el llenado, el vaciado, las válvulas de seguridad, los sensores de presión y de temperatura, pudiéndose agrupar varias de esas funciones en una si la operativa de manejo lo permite.The internal container has the necessary connections for the usual functions in these types of storage: There are nozzles for filling, emptying, safety valves, pressure and temperature sensors, being able to group several of these functions into one if the operation allows it.

Estas conexiones son conducidas al exterior del conjunto por medio de tuberías con extremos terminados en roscas, o en bridas.These connections are led to the outside of the assembly through pipes with threaded ends, or flanges.

El fluido de refrigeración de referencia es nitrógeno líquido, cuya función es conservar la temperatura interior, compensando la introducción de calor que se produce desde el ambiente a través del material aislante.The reference cooling fluid is liquid nitrogen, whose function is to preserve the internal temperature, compensating for the introduction of heat that is produced from the environment through the insulating material.

La cámara de refrigeración también estará conectada con el exterior por medio de tuberías, para posibilitar la circulación del fluido refrigerante.The refrigeration chamber will also be connected to the outside by means of pipes, to allow the circulation of the refrigerant fluid.

El fluido refrigerante procederá de otra instalación, no contemplada en esta invención, con la que puede formar un circuito cerrado, o bien un circuito abierto con consumo continuado de fluido refrigerante.The refrigerant fluid will come from another installation, not contemplated in this invention, with which it can form a closed circuit, or an open circuit with continued consumption of refrigerant fluid.

El objetivo principal de la invención es aumentar la densidad de almacenamiento de hidrógeno para un determinado volumen, o bien disminuir el volumen de almacenamiento, o bien disminuir la presión de almacenamiento para una determinada cantidad de hidrógeno.The main objective of the invention is to increase the hydrogen storage density for a certain volume, or to decrease the storage volume, or to lower the storage pressure for a certain amount of hydrogen.

A partir de esta estructuración se derivan las siguientes ventajas:The following advantages are derived from this structuring:

• Aumento de la capacidad de almacenamiento de hidrógeno, para un recipiente de volumen determinado.• Increase in hydrogen storage capacity for a container with a given volume.

• Disminución de la energía que se tiene que dedicar a la compresión del hidrógeno para almacenarlo.• Decrease in the energy that has to be devoted to compressing hydrogen to store it.

• Posibilidad de uso del almacenamiento con refrigeración o sin ella, proporciona elasticidad en el almacenamiento, ya que variando la temperatura se puede variar la capacidad del almacenamiento.• Possibility of using storage with or without refrigeration, provides elasticity in storage, since varying the temperature can vary the storage capacity.

• Mayor facilidad de ubicación y transporte que los depósitos de almacenamiento a temperaturas ambientales. • Easier to locate and transport than storage tanks at ambient temperatures.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego planos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:In order to complement the description that is going to be made below and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization thereof, a flat set in where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:

La figura 1.- Muestra una vista esquemática en perfil y en sección de un depósito de almacenamiento de hidrógeno comprimido en sistema criogénico realizado de acuerdo con el objeto de la presente invención.Figure 1.- Shows a schematic view in profile and in section of a storage tank for compressed hydrogen in a cryogenic system made in accordance with the object of the present invention.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

A la vista de la figura reseñada, puede observarse como el depósito de almacenamiento de hidrógeno comprimido en sistema criogénico participa un recipiente de almacenamiento primario (1), materializado en un recipiente a presión, capaz de soportar altas presiones y bajas temperaturas, en cuyo seno se introduce en hidrógeno en estado gaseoso, recipiente al que se vincula una cámara de refrigeración, que puede materializarse en una envolvente externa primaria estanca (2), la cual puede envolver totalmente al recipiente de almacenamiento, o bien parcialmente, como se muestra en el ejemplo de realización de la figura 1, o bien materializarse en un serpentín de tubos situados en el interior (6) del recipiente primario (1) de almacenamiento del hidrógeno.In view of the outlined figure, it can be seen how the compressed hydrogen storage tank in a cryogenic system participates in a primary storage container (1), materialized in a pressure container, capable of withstanding high pressures and low temperatures, in which It is introduced into hydrogen in a gaseous state, a container to which a refrigeration chamber is linked, which can be materialized in a sealed primary external envelope (2), which can completely surround the storage container, or partially, as shown in the example of embodiment of Figure 1, or materialize in a coil of tubes located inside (6) of the primary hydrogen storage container (1).

Exteriormente a este conjunto se dispone una capa de aislamiento térmico (3) que recubre todo el conjunto.Externally to this set there is a thermal insulation layer (3) that covers the whole set.

El aislamiento térmico (3) se puede realizar con material aislante simplemente superpuesto y fijado, o bien por medio de un recipiente envolvente estanco (4), que se rellena con material aislante. La capacidad de aislamiento se puede mejorar realizando el vacío en la cámara estanca que contiene el producto aislante.The thermal insulation (3) can be made with insulating material simply superimposed and fixed, or by means of a watertight enveloping container (4), which is filled with isolating material. The insulating capacity can be improved by creating a vacuum in the sealed chamber containing the insulating product.

Por su parte, en la envolvente externa primaria estanca (2) se define una cámara de refrigeración (5) por cuyo seno está destinado a hacerse circular un fluido refrigerante, incluyendo para ello conexiones tubulares (7) para la entrada y salida de dicho fluido refrigerante. Estas serán al menos dos, si bien podría incluir un mayor número de conexiones por motivos de seguridad.For its part, in the sealed primary external envelope (2) a cooling chamber (5) is defined through which a cooling fluid is intended to circulate, including tubular connections (7) for the inlet and outlet of said fluid. refrigerant. These will be at least two, although it could include a greater number of connections for security reasons.

Estas conexiones estarán igualmente previstas en la variante de realización en la que la cámara de refrigeración se constituye a partir de un serpentín interno al recipiente primario (1).These connections will also be provided in the variant embodiment in which the refrigeration chamber is formed from a coil internal to the primary container (1).

Dicho fluido refrigerante puede materializarse, por ejemplo, en nitrógeno en estado líquido o gaseoso, si bien podrá materializarse en cualquier otro fluido, con el que se consiga un enfriamiento adecuado.Said cooling fluid can materialize, for example, in nitrogen in a liquid or gaseous state, although it can materialize in any other fluid, with which adequate cooling is achieved.

Igualmente, el recipiente primario (1) incorporará conexiones tubulares para la entrada y salida del hidrógeno (8) que se almacena en su seno. El número de conexiones podrá variar en función de criterios de diseño, utilidad y seguridad.Likewise, the primary container (1) will incorporate tubular connections for the inlet and outlet of the hydrogen (8) that is stored in it. The number of connections may vary depending on design, utility and safety criteria.

Adicionalmente incorporará conexiones para válvulas de seguridad y para los instrumentos de medición de presión y temperatura.Additionally, it will incorporate connections for safety valves and for pressure and temperature measuring instruments.

El recipiente primario de almacenamiento del hidrógeno puede ser esférico, o bien cilíndrico con los extremos del cilindro tapados por discos, semiesferas, o fondos convexos.The primary hydrogen storage container can be spherical, or cylindrical with the ends of the cylinder covered by discs, hemispheres, or convex bottoms.

A partir de esta estructuración, el hidrógeno a almacenar, se introduce por alguna de las conexiones tubulares de entrada de hidrógeno (8). Usualmente se introducirá a presión por medios externos de compresión del gas. También se podrá sacar el hidrogeno que se destina a consumo o a trasvase, por medio de alguna de dichas conexiones.From this structuring, the hydrogen to be stored is introduced through one of the tubular hydrogen inlet connections (8). Usually it will be introduced under pressure by external means of gas compression. The hydrogen that is destined for consumption or transfer can also be removed, through any of these connections.

Estas conexiones dispondrán de llaves de corte y de regulación de caudal, para procurar la estanqueidad y para las operaciones de trasvase. These connections will have shut-off and flow regulation taps, to ensure tightness and for transfer operations.

Por su parte, el fluido refrigerante, que será preferentemente nitrógeno en estado líquido se hace fluir a través de la cámara de refrigeración (5), lo que provoca un enfriamiento del hidrógeno almacenado, para conseguir aumentar la densidad del contenido, aumentando con ello el peso de hidrógeno almacenado en el recipiente.For its part, the refrigerant fluid, which will preferably be nitrogen in liquid state, is made to flow through the cooling chamber (5), which causes a cooling of the stored hydrogen, in order to increase the density of the content, thereby increasing the weight of hydrogen stored in the container.

Como se ha dicho con anterioridad, este conjunto está recubierto por una envolvente estanca exterior (4) configurando un espacio que se rellena con una capa de aislamiento térmico (3). A esta cámara de aislamiento se le puede realizar el vacío, para aumentar su capacidad de aislamiento.As previously mentioned, this set is covered by an outer watertight envelope (4) configuring a space that is filled with a thermal insulation layer (3). This isolation chamber can be evacuated to increase its isolation capacity.

De esta forma, mediante este sistema combinado de recipiente a presión y refrigeración, se consigue aumentar la capacidad de almacenamiento del hidrogeno, en fase gas.In this way, through this combined pressure vessel and refrigeration system, it is possible to increase the storage capacity of hydrogen, in the gas phase.

Como ejemplo, mediante este sistema, para un volumen y presión fijado la masa de producto almacenado se triplica.As an example, by means of this system, for a fixed volume and pressure the mass of stored product is tripled.

Otro ejemplo es que se puede igualar la densidad de almacenamiento de las botellas a 200 bar, por medio de temperaturas y presiones bajas: Se iguala con almacenamiento a 77 oK y presión de 55 bar. Another example is that the storage density of the bottles can be equalized at 200 bar, by means of low temperatures and pressures: It is equalized with storage at 77 oK and pressure of 55 bar.

Claims (1)

REIVINDICACIONES 1- .- Depósito de almacenamiento de hidrógeno comprimido en sistema criogénico, caracterizado por que está constituido a partir de un recipiente de almacenamiento primario (1), materializado en un recipiente a presión, capaz de soportar altas presiones y bajas temperaturas, recipiente al que se vincula una cámara de refrigeración por la que se hace circular un fluido refrigerante, habiéndose previsto que exteriormente a este conjunto se disponga una capa de aislamiento térmico (3) que recubre todo el conjunto, con la particularidad de que el recipiente primario (1) incorpora dos o mas conexiones tubulares para la entrada y salida del hidrógeno (8) que se almacena en su seno, asociadas a llaves de corte y de regulación de caudal.1- .- Storage tank for compressed hydrogen in a cryogenic system, characterized in that it is constituted from a primary storage container (1), materialized in a pressure container, capable of withstanding high pressures and low temperatures, a container to which A refrigeration chamber is linked through which a refrigerant fluid is circulated, having provided that externally to this set a thermal insulation layer (3) is arranged that covers the entire set, with the particularity that the primary container (1) It incorporates two or more tubular connections for the inlet and outlet of the hydrogen (8) that is stored in it, associated with cut-off and flow regulation taps. 2- .- Depósito de almacenamiento de hidrógeno comprimido en sistema criogénico, según reivindicación 1-, caracterizado por que la cámara de refrigeración se materializa en una envolvente externa primaria estanca (2) en la que se establece una cámara de refrigeración (5) por cuyo seno se hace circular un fluido refrigerante, incluyendo para ello dos o mas conexiones tubulares (7) para la entrada y salida de dicho fluido refrigerante.2- .- Storage tank for compressed hydrogen in a cryogenic system, according to claim 1, characterized in that the refrigeration chamber is materialized in a sealed primary external envelope (2) in which a refrigeration chamber (5) is established by the sinus of which a refrigerant fluid is circulated, including two or more tubular connections (7) for the inlet and outlet of said refrigerant fluid. 3- .- Depósito de almacenamiento de hidrógeno comprimido en sistema criogénico, según reivindicación 1-, caracterizado por que la cámara de refrigeración se materializa en un serpentín de tubos situados en el interior (6) del recipiente primario (1) de almacenamiento del hidrógeno por el que se hace circular un fluido refrigerante, incluyendo para ello dos o mas conexiones tubulares (7) para la entrada y salida de dicho fluido refrigerante.3- .- Storage tank for compressed hydrogen in a cryogenic system, according to claim 1-, characterized in that the cooling chamber is materialized in a coil of tubes located inside (6) of the primary hydrogen storage container (1) through which a refrigerant fluid is circulated, including two or more tubular connections (7) for the inlet and outlet of said refrigerant fluid. 4- .- Depósito de almacenamiento de hidrógeno comprimido en sistema criogénico, según reivindicación 1-, caracterizado por que incorpora conexiones para válvulas de seguridad y para instrumentos de medición de presión y temperatura.4- .- Storage tank for compressed hydrogen in a cryogenic system, according to claim 1, characterized in that it incorporates connections for safety valves and for pressure and temperature measuring instruments. 5- .- Depósito de almacenamiento de hidrógeno comprimido en sistema criogénico, según reivindicaciones 1- y 2-, caracterizado por que la cámara de refrigeración envuelve parcialmente al recipiente de almacenamiento primario (1).5- .- Storage tank for compressed hydrogen in a cryogenic system, according to claims 1- and 2-, characterized in that the refrigeration chamber partially surrounds the primary storage container (1). 6- .- Depósito de almacenamiento de hidrógeno comprimido en sistema criogénico, según reivindicaciones 1- y 2-, caracterizado por que la cámara de refrigeración envuelve totalmente al recipiente de almacenamiento primario (1).6-.- Compressed hydrogen storage tank in a cryogenic system, according to claims 1- and 2-, characterized in that the refrigeration chamber surrounds completely into the primary storage container (1). 7- .- Depósito de almacenamiento de hidrógeno comprimido en sistema criogénico, según reivindicación 1-, caracterizado por que el aislamiento térmico (3) se materializa en material aislante superpuesto y fijado al conjunto formado por el recipiente de almacenamiento primario (1) y la cámara de refrigeración.7- .- Compressed hydrogen storage tank in a cryogenic system, according to claim 1-, characterized in that the thermal insulation (3) is materialized in insulating material superimposed and fixed to the set formed by the primary storage container (1) and the cooling chamber. 8- .- Depósito de almacenamiento de hidrógeno comprimido en sistema criogénico, según reivindicación 1-, caracterizado por que el aislamiento térmico (3) se materializa en un recipiente envolvente estanco (4), que se rellena con material aislante y al que es susceptible de aplicarse vacío.8.- Storage tank for compressed hydrogen in a cryogenic system, according to claim 1-, characterized in that the thermal insulation (3) is materialized in a watertight enclosing container (4), which is filled with insulating material and to which it is susceptible to apply vacuum. 9- .- Depósito de almacenamiento de hidrógeno comprimido en sistema criogénico, según reivindicación 1-, caracterizado por que el recipiente primario (1) de almacenamiento del hidrógeno puede ser esférico, o bien cilindrico con los extremos del cilindro tapados por discos, semiesferas, o fondos convexos. 9.- Compressed hydrogen storage tank in a cryogenic system, according to claim 1-, characterized in that the primary hydrogen storage container (1) can be spherical, or cylindrical with the ends of the cylinder covered by disks, hemispheres, or convex bottoms.
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