Fuel Cell Hybridization for Vehicle Applications – Theoretical and Experimental Analysis

The thesis focuses on hybridization of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) system with lead-acid batteries and supercapacitors. Advantages of fuel cell technology can be utilized more efficiently by fuel cell hybridization. There are many different hybrid powertrain topologies which can be used in vehicle applications. Hence, hybrid systems have to be designed individually for each application and drive cycle. This thesis was performed to study PEMFC system and different hybrid powertrain topologies with simulation models and experimental tests. A comprehensive literature survey referring to the field of study was also carried out. Simulation models were developed for battery–supercapacitor double hybrid and PEMFC–battery–supercapacitor triple hybrid. These models were then used to simulate hybrid powertrain performance and regenerative braking. Experimental tests were conducted to record double and triple hybrid, lead-acid battery and PEMFC system performance. Experimental data was then used to further develop and validate the simulation models. The results highlight that significant advantages can be obtained by using PEMFC hybridization. This includes improving fuel cell lifetime and system efficiency. Accordingly, hybridization of lead-acid batteries with supercapacitors improves battery lifetime and system efficiency. Simulation models can be used to find optimal hybrid powertrain topologies and component sizing for different applications and drive cycles. Plenty of knowledge and information was also obtained from simulating regenerative energy in double and triple hybrids.Tässä diplomityössä on tutkittu polymeeripolttokennojärjestelmän (PEMFC-järjestelmä) hybridisointia lyijyakuilla ja superkondensaattoreilla. Polttokennoteholähteen hybridisointi parantaa merkittävästi mahdollisuuksia polttokennon hyvien puolien hyödyntämiseksi. Hybridisointi voidaan toteuttaa monella erilaisella tavalla, ja hybridijärjestelmä pitääkin suunnitella rakenteeltaan ja mitoitukseltaan optimaaliseksi kutakin ajoneuvosovellusta varten. Työn tavoitteena oli tutkia polttokennoteholähteen ja erilaisten hybridijärjestelmien ominaisuuksia sekä simulointimallien että kokeellisten mittausten avulla. Aiheeseen liittyen tehtiin myös kattava kirjallisuusselvitys. Simulointimallit luotiin lyijyakun ja superkondensaattorin kaksoishybridille sekä PEMFC-järjestelmän, lyijyakun ja superkondensaattorin kolmoishybridille. Näillä malleilla simuloitiin hybridijärjestelmien toimintaa, sekä regeneratiivisen jarrutustehon talteenottoa. Kokeellisissa mittauksissa tutkittiin kaksois- ja kolmoishybridien, lyijyakun sekä polttokennoteholähteen ominaisuuksia ja suorituskykyä. Kokeellista dataa käytettiin simulointimallien paranteluun ja validointiin. Saatujen tulosten perusteella polttokennoteholähteen hybridisoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä hyötyjä polttokennon eliniän ja järjestelmän hyötysuhteen kannalta. Hybridisoimalla lyijyakku superkondensaattorilla voidaan vastaavasti parantaa akun elinikää ja hyötysuhdetta. Simulointimalleista ja -työkaluista voidaan saada suurta apua hybridijärjestelmän topologian valintaan ja komponenttien mitoituksen suunnitteluun. Myös hybridijärjestelmien toiminnasta regeneratiivisen jarrutustehon talteenoton aikana saatiin paljon tietoa simulointimallien avulla. /Kir1