Počítačový model zařízení pro testování komponent pro rychlé plnění vozidel vodíkem

Computer model of a test device for evaluating components used in fast hydrogen vehicle refueling

Other unclassified results

cs

Rozvoj infrastruktury pro vodíkovou mobilitu vyžaduje spolehlivé a výkonné plnicí stanice schopné doplnit nádrž vozidla na tlak 700 bar během několika minut, a současně dodržet přísné teplotní limity definované normou SAE J2601. Aby bylo možné bezpečně vyvíjet a kalibrovat nové ventily, chladiče a měřicí techniku pro vysoké průtoky ještě před stavbou fyzických prototypů, je nezbytný validovaný simulační nástroj. Tato zpráva shrnuje první fázi projektu zaměřeného na návrh koncepčního 0D/1D modelu testovacího zařízení pro vodíkové plnění a na ověření klíčových fyzikálních modelů souvisejících s rychlým plněním. Vodíkové plnicí stanice hrají zásadní roli při podpoře vozidel s palivovými články i vodíkovými spalovacími motory, protože umožňují rychlé doplňování stlačeného vodíku — obvykle na tlak 350 nebo 700 bar. Rychlé plnění vyvolává významné tepelné zatížení v důsledku komprese plynu a Joule–Thomsonova jevu; proto musí být vodík předchlazen přibližně na −40 °C, aby teplota v nádrži nepřekročila bezpečnostní limity (~85 °C u kompozitních nádrží typu IV). Stabilního a bezpečného provozu lze dosáhnout pouze přesnou regulací tlaku, teploty a hmotnostního průtoku v souladu s normami, jako je SAE J2601. Jednou z hlavních výzev je dosažení vysokých hmotnostních průtoků (> 65 g/s), které jsou nezbytné pro těžká vozidla, kde je nutné minimalizovat dobu plnění. Průtoky až do 300 g/s jsou limitovány tlakovými ztrátami v zásobníkových a výdejních vedeních, nedostatečnou standardizací komponent a rostoucím tepelným zatížením, které musí být odváděno vysoce účinnými chladicími systémy. Vyšší průtoky rovněž zvyšují energetické nároky na kompresi a předchlazování a kladou vysoké materiálové požadavky z důvodu rizika vodíkové křehkosti. Se zvyšujícím se množstvím přepravovaného vodíku roste také náročnost detekce úniků a komplexita bezpečnostních systémů. Tyto technické a ekonomické výzvy motivují pokračující výzkumné a vývojové aktivity, které podporují nové standardy, například SAE J2601/5 (2024), definující bezpečné a efektivní postupy rychlého plnění. Pokrok v oblasti kompresní techniky, tepelného managementu a výdejních systémů bude klíčový pro rychlé, bezpečné a ekonomicky životaschopné plnění vodíku, zejména u těžkých vozidel.

The development of hydrogen mobility infrastructure requires reliable high-performance refueling stations capable of filling a 700-bar vehicle tank within minutes while complying with strict temperature limits defined by SAE J2601. To enable safe development and calibration of new valves, chillers, and high-flow measurement equipment prior to constructing physical prototypes, a validated simulation tool is essential. This report summarizes the first phase of a project aimed at designing a conceptual 0D/1D model of a hydrogen refueling test rig and verifying key physical models relevant to fast filling. Hydrogen refueling stations play a crucial role in supporting fuel-cell and hydrogen-combustion vehicles by enabling rapid dispensing of compressed hydrogen—typically at 350 or 700 bar. Fast filling induces significant thermal loads due to gas compression and Joule–Thomson effects; therefore, the hydrogen must be precooled to approximately −40 °C to ensure that the tank temperature does not exceed safety limits (~85 °C for Type IV tanks). Achieving stable and safe operation requires precise control of pressure, temperature, and mass flow rate according to standards such as SAE J2601. One of the major challenges is delivering high mass-flow rates (> 65 g/s) required for heavy-duty applications, where fill time must be minimized. Achieving flows up to 300 g/s is limited by pressure losses in storage and dispensing lines, insufficiently standardized components, and the increasing thermal load that must be removed by highly efficient cooling systems. Elevated flow rates also increase energy demand for compression and precooling and impose strict material requirements due to hydrogen embrittlement risks. As transported hydrogen quantities grow, leak detection and safety system complexity also intensify. These technical and economic challenges motivate ongoing R&D efforts, supported by emerging standards such as SAE J2601/5 (2024), which define safe and efficient fast-filling procedures. Advances in compression, thermal management, and dispensing technology will be crucial for delivering fast, safe, and economically viable hydrogen refueling—especially for heavy-duty vehicles.

Vodíkové plnicí stanice, Rychlé plnění, SAE J2601 / SAE J2601-5, Vodíková infrastruktura, Hmotnostní průtok 65–300 g/s, 0D/1D simulace

Hydrogen refueling stations, Fast filling, SAE J2601 / SAE J2601-5, Hydrogen infrastructure, Mass-flow rate 65–300 g/s, 0D/1D simulation

2025-06-30

VUT v Bnrě

Brno

21