Development of a software-tool to be used in simulating the refuelling process of hydrogen fuel cell vehicles

Abstract

Hydrogen has become a popular substitute for oil to power and decarbonize mobility. However, further research and development of hydrogen refuelling technology is needed to facilitate and accelerate the transition to hydrogen-powered mobility and to make it at least as accessible as electric vehicles and as fast to refuel as petrol vehicles. As hydrogen refuelling experiments are costly, simulation tools play an important role in reducing the number of experiments, supporting them or replacing them altogether. This thesis presents a dynamic model of a gaseous hydrogen refuelling station with the aim of understanding the hydrogen refuelling process of the small hydrogen surface vehicles according to the SAE-J2601 standard. The model presented in this paper takes into account the heat transfer between the hydrogen and the tanks when it's stored, and between the hydrogen and the pipes as it flows through the station components during refuelling, as well as pressure losses. Two new models have been introduced in this work, the ionic compressor (IC) and the ACF (Aluminium Cold-Fill) heat exchanger, both of which are specific Linde designs. A pressure reduction valve model with a PI controller model was used to calculate the mass flow and control the supply pressure of hydrogen to the vehicle during the simulation. The table-based refuelling protocol found in the SAE-J2601 standard has been used for the simulation cases presented in this paper, but the refuelling ramp rate, vehicle tank capacities and target refuelling pressures can be freely chosen. Back-to-back refuelling of a series of vehicles and cascade refuelling with station storage tanks at different pressure levels can also be simulated in this model. The effects of intial conditions and capacities of the vehicles arriving the station, the effect of pressure drop at the station or the vehicle storage system and a back-to-back refuelling case were and tested and presented.

Wasserstoff ist zu einem beliebten Ersatz für Öl geworden, um die Mobilität anzutreiben und zu dekarbonisieren. Es sind jedoch weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich der Wasserstoffbetankungstechnologie erforderlich, um den Übergang zur wasserstoffbetriebenen Mobilität zu erleichtern und zu beschleunigen und sie mindestens so zugänglich zu machen wie Elektrofahrzeuge und so schnell zu betanken wie Benzinfahrzeuge. Da Versuche zur Wasserstoffbetankung kostspielig sind, spielen Simulationswerkzeuge eine wichtige Rolle, um die Zahl der Versuche zu verringern, sie zu unterstützen oder sie ganz zu ersetzen. In dieser Arbeit wird ein dynamisches Modell einer Tankstelle für gasförmigen Wasserstoff mit dem Ziel vorgestellt, den Prozess der Wasserstoffbetankung von kleinen wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen gemäß der Norm SAE-J2601 zu verstehen. Das in diesem Papier vorgestellte Modell berücksichtigt die Wärmeübertragung zwischen dem Wasserstoff und den Tanks bei der Speicherung und zwischen dem Wasserstoff und den Leitungen, wenn er beim Betanken durch die Komponenten der Station fließt, sowie die Druckverluste. Zwei neue Modelle wurden in dieser Arbeit vorgestellt vorgestellt, der ionische Verdichter (IC) und der ACF-Wärmetauscher (Aluminium Cold-Fill), beides spezifische Linde-Designs. Ein Druckminderungsventilmodell mit einem PI-Regler-Modell wurde verwendet, um den Massenstrom zu berechnen und den Lieferdruck von Wasserstoff zum Fahrzeug während der Simulation zu regeln. Für die hier vorgestellten Simulationsfälle wurde das tabellenbasierte Betankungsprotokoll der Norm SAE-J2601 verwendet, wobei die Betankungsrampenrate, die Fahrzeugtankkapazitäten und die Zielbetankungsdrücke frei gewählt werden können. Auch die Back-to-Back-Betankung mehrerer Fahrzeuge und die Kaskadenbetankung mit Tankstellenspeichern auf unterschiedlichen Druckniveaus können in diesem Modell simuliert werden. Es wurden die Auswirkungen der Ausgangsbedingungen und Kapazitäten der an der Station ankommenden Fahrzeuge, die Auswirkungen des Druckabfalls an der Station oder im Fahrzeugspeicher sowie eine Back-to-Back-Betankung getestet und dargestellt.