Review of liquid hydrogen solutions for mobile applications

Hydrogen is a promising energy vector that can represent an alternative to fossil fuels in order to reduce emissions of greenhouse gasses, thanks to its properties and its zero emissions at point of use. In particular, liquid hydrogen is interesting due to favourable storage features. In this work, a review of the main possible applications for liquid hydrogen in mobile uses is performed. The analysis is divided in two sections: in the first part different solutions presented in literature are compared trying to find a common structure configuration as regard the tank and the system integration. These analyses show how fuel cell (FC) systems are the most common, so heat exchanger is the key component to vaporize and heat up the liquid hydrogen to ambient conditions. A special focus is set on the manufacturing materials for the tank structure and the insulation layer and on the measurement of the boil-off gas ratio. The most common materials for the tanks are aluminium and stainless steel, while multi-layer vacuum insulation is utilized for the thermic insulation. In the second part, the focus is on the different system integration configurations utilized in fuel cells liquid hydrogen solutions. Different configurations of heat exchangers are simulated by using Aspen Plus and some sensitivity analyses are performed to better understand the systems behaviour in off-design and partial load conditions. One last consideration is made on a volumetric dimension of liquid hydrogen tanks compared to compressed gas tanks and conventional gasoline tanks. The simulations show how heat exchangers presented similar behaviour in design conditions but in off-design and partial load situation water heat exchanger appears to be more critical due to risk of freezing. As regards volume occupation liquid hydrogen tanks result smaller than compressed gas tanks but larger than gasoline.

L'idrogeno è un vettore energetico promettente che rappresenta una possibile alternativa ai combustibili fossili per ridurre le emissioni di gas serra, grazie alle sue proprietà e alle emissioni zero al punto di utilizzo. In particolare, l'idrogeno liquido è interessante per le sue favorevoli caratteristiche di stoccaggio. In questo lavoro, è svolta una rassegna delle principali soluzioni per l'idrogeno liquido in applicazioni mobili. Questa analisi è divisa in due sezioni: nella prima parte vengono confrontate diverse soluzioni presentate in letteratura cercando di trovare una configurazione comune per quanto riguarda il serbatoio e l'integrazione del sistema. Queste mostrano che i sistemi fuel cell (FC) sono i più comuni; quindi, lo scambiatore di calore è il componente più importante per vaporizzare e riscaldare l'idrogeno liquido. Particolare attenzione è posta sui materiali strutturali del serbatoio e dell’isolante e sulla misurazione del boil-off rate. I materiali più comuni per i serbatoi sono l'alluminio e l'acciaio inossidabile, mentre per l'isolamento termico si utilizza un isolante multistrato sottovuoto. Nella seconda parte, l'attenzione è posta sulle diverse configurazioni di integrazione del sistema utilizzate nelle soluzioni a idrogeno liquido delle celle a combustibile. Diversi scambiatori di calore sono stati simulate utilizzando Aspen Plus e alcune analisi di sensibilità sono state svolte per comprendere meglio il comportamento dei sistemi in condizioni di off-design e di carico parziale. Un'ultima considerazione è stata realizzata sulla dimensione volumetrica dei serbatoi di idrogeno liquido rispetto ai serbatoi di idrogeno compresso e di benzina. Le simulazioni mostrano come gli scambiatori di calore presentino un comportamento simile in condizioni di progetto ma in off-design e a carico parziale lo scambiatore di calore ad acqua risulta essere più critico a causa del rischio di congelamento. Per quanto riguarda le dimensioni dei serbatoi di idrogeno liquido, questi risultano più piccoli di quelli di gas compresso ma più grandi di quelli di benzina.