Assessment of power demand in a ionic liquid compressor for hydrogen applications

Hydrogen compression is a critical enabling technology for hydrogen refueling stations (HRS). It accounts for a significant share of capital expenditure and represents a primary source of operational downtime. Among emerging compression technologies, the Ionic Liquid Piston Compressor (ILPC) offers several advantages over conventional reciprocating and diaphragm compressors, including near isothermal compression, oil-free hydrogen delivery, and reduced mechanical complexity. This thesis presents a thermodynamic simulation model for a five-stage ILPC operating in hydrogen refueling service, with suction and delivery pressures of 6 bar and 900 bar respectively. The model, implemented in MATLAB and coupled to the NIST REFPROP library for accurate real-gas hydrogen property evaluation, computes the instantaneous pressure waveform and mechanical power profile of each compression cylinder over one complete crank-angle cycle. The five-cylinder phased arrangement, with a mutual angular offset of 6π/5, produces a strictly positive total power profile with a peak-to-average ratio of approximately 1.53, enabling motor better sizing compared to single-cylinder configurations. A parametric study on inter-stage phase shift, clearance ratios, and pump kinematics shows that (1) the phase offset has a modest influence on power ripple, (2) clearance ratio is not an effective lever for motor sizing, and (3) the sinusoidal pentagon mechanism marginally reduces peak power.

La compressione dell'idrogeno è una tecnologia abilitante critica per le stazioni di rifornimento di idrogeno (HRS). Essa rappresenta una quota significativa dei costi in conto capitale e una delle principali cause di fermo operativo. Tra le tecnologie di compressione emergenti, il Compressore a Pistone a Liquido Ionico (ILPC) offre diversi vantaggi rispetto ai compressori alternativi e a diaframma convenzionali, tra cui la compressione quasi isoterma, la consegna di idrogeno privo di olio e una ridotta complessità meccanica. Questa tesi presenta un modello di simulazione termodinamica per un ILPC a cinque stadi operante in servizio di rifornimento di idrogeno, con pressioni di aspirazione e mandata rispettivamente di 6 bar e 900 bar. Il modello, implementato in MATLAB e accoppiato alla libreria NIST REFPROP per una valutazione accurata delle proprietà del gas reale, calcola il profilo di pressione istantaneo e il profilo di potenza meccanica di ciascun cilindro di compressione nell'arco di un ciclo completo di rotazione dell'albero a gomiti. La configurazione a cinque cilindri sfasati, con uno sfasamento angolare reciproco di 6π/5, produce un profilo di potenza totale strettamente positivo con un rapporto picco medio di circa 1.53, consentendo il dimensionamento di un motore elettrico più piccolo rispetto alle configurazioni a cilindro singolo. Uno studio parametrico sullo sfasamento tra gli stadi, i rapporti di volume morto e la cinematica della pompa mostra che (1)lo sfasamento ha un'influenza modesta sull'ondulazione di potenza, (2) che il rapporto di volume morto non è una leva efficace per il dimensionamento del motore, e che (3) il meccanismo a pentagono sinusoidale riduce marginalmente il picco di potenza.