fuel cell boat

8/8/2019 Fuel Cell Boat

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Development o f aPEMFuel Cell Boat

T i a n h a o T a n g , J i n g a n g H a n , Gang Yao a n d Y o n g r u i F e n g

D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , S h a n g h a i M a r i ti m e U n i v e r s i t y , S h a n g h a i , C h i n a

A b s t r a c t - T h i s p a p e r p r e s e n t s d e v e l o p m e n t o f a P r o t o n

E x c h a n g e M e mbr an e ( PE M) f u e l c e l l b o a t . A h y b r i d e n e r g y

s y s t e m c o n s i s t s o f a PEM f u e l c e l l s t a c k a n d b a t t e r i e s . S u c h

a s y s t e m i s e x p e c t e d t o b e u s e d i n t h e n e x t g e n e r a t i o n

e l e c t r i c p r o p u l s i o n s y s t e m w i t h more e f f i c i e n t a n d z e r o

e m i s s i o n t o r e p l a c e t h e t r a d i t i o n a l d i e s e l e n g i n e s y s t e m i nt h e f u t u r e . The d e s i g n a n d t e s t o f t h e f u e l c e l l b o a t w i l l b e

d i s c u s s e d i n t h e p a p e r .

I . I N T R O D U C T I O N

W i t h t h e r e q u i r e m e n t f o r s a v i n g e n e r g y a n d r e d u c i n ge n v i r o n m e n t , s o m e t y p e s o f new a n d r e g e n e r a t i v e e n e r g y

h a v e b ee n r e s e a r c h e d i n r e c e n t y e a r s . F u e l c e l l i s a c l e a ne n e r g y w i t h o u t p o l l u t i o n t o b e s e e n a s a k i n d o f p o s s i b l enew e n e r g y i n t h e f u t u r e . P a r t i c u l a r l y , i t c o u l d b e u t i l i z e di n v a r i o u s v e h i c l e s f o r p r o p u l s i o n . B e c a u s e f u e l c e l lv e h i c l e s p r o m i s e t o b e f a r m o r e e f f i c i e n t , p r o d u c e l o w o rz e r o e m i s s i o n s , a n d o p e r a t e c l e a n e r t h a n c o n v e n t i o n a lv e h i c l e , i t i s k n o w n a s a h o p e f u l p o w e r t o r e p l a c e d i e s e le n g i n e a n d g a s o l i n e e n g i n e .

T h e r e a r e s e v e r a l t y p e f u e l c e l l s t o b e d e v e l o p e d i nr e c e n t y e a r s [ 1 ] . T h e P r o t o n E x c h a n g e M e m b r a n e ( P E M )a n d S o l i d O x i d e F u e l C e l l s ( S O F C ) a r e m a i n l y

c o n s i d e r e d f o r e l e c t r i c v e h i c l e s . PEM f u e l c e l l s u s e as o l i d p o l y m e r a s a n e l e c t r o l y t e a n d p o r o u s c a r b o n

e l e c t r o d e s c o n t a i n i n g a p l a t i n u m c a t a l y s t [ 1 ] , [ 2 ] a n d [ 3 ] .T h e y n e e d o n l y h y d r o g e n , o x y g e n f r o m t h e a i r , a n d w a t e r

t o o p e r a t e a n d d o n o t r e q u i r e c o r r o s i v e f l u i d s l i k e s o m e

f u e l c e l l s . T h e y a r e t y p i c a l l y f u e l e d w i t h p u r e h y d r o g e n

s u p p l i e d f r o m s t o r a g e t a n k s o r o n b o a r d r e f o r m e r s .P o l y m e r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e f u e l c e l l s o p e r a t e a tr e l a t i v e l y l o w t e m p e r a t u r e s , a r o u n d 8 0 ° C . Lowt e m p e r a t u r e o p e r a t i o n a l l o w s t h e m t o s t a r t q u i c k l y a n d

r e s u l t s i n l e s s w ea r o n s y st e m c o m p o n e n t s , r e s u l t i n g i nb e t t e r d u r a b i l i t y . H o w e v e r , i t r e q u i r e s t h a t a n o b l e - m e t a l

c a t a l y s t ( t y p i c a l l y p l a t i n u m ) b e u s e d t o s e p a r a t e t h e

h y d r o g e n ' s e l e c t r o n s a n d p r o t o n s , a d d i n g t o s y s t e m c o s t .T h e p l a t i n u m c a t a l y s t i s a l s o e x t r e m e l y s e n s i t i v e t o COp o i s o n i n g , m a k i n g i t n e c e s s a r y t o e m p l o y a n a d d i t i o n a lr e a c t o r t o r e d u c e CO i n t h e f u e l g a s i f t h e h y d r o g e n i sd e r i v e d f r o m a n a l c o h o l o r h y d r o c a r b o n f u e l . T h i s a l s oa d d s c o s t . A s i g n i f i c a n t b a r r i e r t o u s i n g PEM f u e l c e l l s i nv e h i c l e s i s h y d r o g e n s t o r a g e . PEM f u e l c e l l v e h i c l e sp o w e r e d b y p u r e h y d r o g e n m u s t s t o r e t h e h y d r o g e n o n

b o a r d a s a c o m p r e s s e d g a s i n p r e s s u r i z e d t a n k s . Due t ot h e l o w e n e r g y d e n s i t y o f h y d r o g e n , i t i s d i f f i c u l t t o s t o r ee n o u g h h y d r o g e n o n b o a r d t o a l l o w v e h i c l e s t o t r a v e l t h es a m e d i s t a n c e a s g a s o l i n e - p o w e r e d v e h i c l e s b e f o r er e f u e l i n g .

S o l i d o x i d e f u e l c e l l s o p e r a t e a t v e r y h i g ht e m p e r a t u r e s a r o u n d 1 , 0 0 0 ° C a s i n [ 1 ] a n d [ 4 ] . H i g h

t e m p e r a t u r e o p e r a t i o n r e m o v e s t h e n e e d f o r p r e c i o u s -m e t a l c a t a l y s t , t he r eb y r ed u c in g c o s t . I t a l s o a l l o w s

SOFCs t o r e f o r m f u e l s i n t e r n a l l y , w h i c h e n a b l e s t h e u s e

o f a v a r i e t y o f f u e l s a n d r e d u c e s t h e c o s t a s s o c i a t e d w i t h

a d d i n g a r e f o r m e r t o t h e s y s t e m . SOFCs a r e a l s o t h e m o s t

s u l f u r - r e s i s t a n t f u e l c e l l t y p e ; t h e y c a n t o l e r a t e s e v e r a lo r d e r s o f m a g n i t u d e m o r e s u l f u r t h a n o t h e r c e l l t y p e s . I na d d i t i o n , t h e y a r e n o t p o i s o n e d b y c a r b o n m o n o x i d e ( C O ) ,

w h i c h c a n e v e n b e u se d a s f u e l . T h i s a l l o w s SOFCs t o

u s e g a s e s m a d e f r o m c o a l . H i g h - t e m p e r a t u r e o p e r a t i o nh a s d i s a d v a n t a g e s . I t r e s u l t s i n a s l o w s t a r t u p a n d r e q u i r e ss i g n i f i c a n t t h e r m a l s h i e l d i n g t o r e t a i n h e a t a n d p r o t e c tp e r s o n n e l , w h i c h may b e a c c e p t a b l e f o r u t i l i t ya p p l i c a t i o n s b u t n o t f o r t r a n s p o r t a t i o n a n d s m a l l p o r t a b l ea p p l i c a t i o n s . T h e h i g h o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e s a l s o p l a c es t r i n g e n t d u r a b i l i t y r e q u i r e m e n t s o n m a t e r i a l s .

Due t o t h e i r f a s t s t a r t u p t i m e a n d f a v o r a b l e p o w e r - t o -

w e i g h t r a t i o , PEM f u e l c e l l s a r e p a r t i c u l a r l y s u i t a b l e f o ru s e i n p a s s e n g e r v e h i c l e s . E l e c t r i c c a r s h a v e b e e n

r e s e a r c h e d f o r y e a r s a n d many p a p e r s d e s c r i b e d t h ed e s i g n a n d d e v e l o p m e n t i n t h i s f i e l d . H o w e v e r , t h e r e i s av e r y f e w p a p e r t o r e p o r t t h e f u e l c e l l b o a t i n t h e w o r l d .

I n t h i s p a p e r , a h y b r i d e n e r g y s y s t e m c o n s i s t s o f aP E M f u e l c e l l s t a c k a n d b a t t e r i e s w e r e d e s i g n e d f o r a n

e l e c t r i c b o a t . I n t h e s y s t e m , PEM f u e l c e l l p r o v i d e sp r o p u l s i o n f o r t h e v e h i c l e a n d c h a r g e s t h e b a t t e r i e s w h e nc r u i s i n g . T h e b a t t e r y s e t i s u s e d t o p r o v i d e p o w e r s u p p l y

f o r s y s t e m s t a r t i n g . I f i t i s r e q u i r e d , b o t h t h e b a t t e r y p a c k

a n d t h e PEM f u e l c e l l s y s t e m c a n c o o p e r a t e t o p r o v i d es u p p l y p o w e r t o t h e p r o p u l s i o n m o t o r .

I I . P E M F U E L C E L L BOAT P R O P U L S I O N S Y S T E M

A . PEMFuel C e l l S y s t e m

A PEM f u e l c e l l i s a d e v i c e t h a t c o n v e r t s p u r e

h y d r o g e n i n t o e l e c t r i c i t y b y a s i m p l e o x i d a t i o n r e a c t i o n .T h e p r o d u c t s o f t h e e l e c t r o c h e m i c a l p r o c e s s a r ee l e c t r i c i t y , h e a t a n d w a t e r . A b l o c k d i a g r a m o f a f u e l - c e l ls t a c k s y s t e m i s s h o w n i n F i g . 1 .

F i g . 1 . P E M f u e l c e l l s y s t e m

1 - 4 2 4 4 - 0 1 2 1 - 6 / 0 6 / $ 2 0 . 0 0 ( C 2 0 0 6 IEEE 1 3 8 5 EPE-PEMC 2 0 0 6 , P o r t o r o 2 , S l o v e n i a



I n t h e P E M f u e l c e l l , t h e g a s e s e n t e r a t t h e e l e c t r o d e s ,w h i c h a r e p o r o u s . H y d r o g e n e n t e r s a t t h e a n o d e e l e c t r o d e ,a n d o x y g e n a t t h e c a t h o d e e l e c t r o d e . A t t h e a n o d e , t h ep o s i t i v e h y d r o g e n i o n s d i f f u s e a c r o s s t h e m e m b r a n e o f

t h e f u e l c e l l w h i l e t h e e l e c t r o n s f l o w t o t h e l o a d ( s e e ( 1 ) ) .H y d r o g e n d i f f u s e s v e r y q u i c k l y , i n c r e a s i n g i t s r e a c t i o n

p r o b a b i l i t y . T h e p o s i t i v e h y d r o g e n i o n s , o n c e t h e y h a v ed i f f u s e d a c r o s s t h e m e m b r a n e , r e a c t w i t h t h e o x y g e n a tt h e c a t h o d e , p r o d u c i n g w a t e r a n d h e a t ( s e e ( 2 ) ) . A s m a l la m o u n t o f w a t e r i s a l s o p r o d u c e d a t t h e h y d r o g e n

e l e c t r o d e . W a t e r i s c a r r i e d o u t o f t h e f u e l c e l l a s v a p o r ,p r o v i d e d n o n e h a s c o n d e n s e d w i t h i n t h e c e l l . T h e f u e lc e l l m e m b r a n e s m u s t r em a i n m o i s t , b u t c a n n o t b e f l o o d e d .

O x i d a t i o n h a l f r e a c t i o n :

H2 = 2H+ + 2 e - ( 1 )

R e d u c t i o n h a l f r e a c t i o n :

4H+ +±2 + 4 e = 2H20 ( 2 )

C e l l r e a c t i o n :

2H2 + 0 2 = H20 ( 3 )

T h e FE M f u e l c e l l i s a c o m p l i c a t e d n o n l i n e a r s y s t e m

b ec a u se o f t h e i s s u e s a s s o c i a t e d w i th c h e mi c a l r e a c t i o n ,e l e c t r o n i c c o m p o n e n t s , m o t o r , h u m i d i t y a n d t e m p e r a t u r e

c h a n g e .

T h e f u e l c e l l r e q u i r e s t h e f l o w o f h y d r o g e n a n d a i r .And t h e s e g a s e s m u s t b e w i t h i n a f i x e d p r e s s u r e r a n g e t op r e v e n t d a m a g e t o t h e c e l l . T h e h y d r o g e n i s c a r r i e d o n

b o a r d i n h i g h l y c o m p r e s s e d s t a t e s o t h a t i t o n l y n e e d s t ob e r e g u l a t e d d o w n t o t h e n e c e s s a r y p r e s s u r e . T h e a i r , o n

t h e o t h e r h a n d , m u s t b e c o m p r e s s e d . I n a d d i t i o n , t h e f l o w

r a t e m u s t b e c o n t r o l l a b l e s i n c e t h e f l o w i s d i r e c t l y r e l a t e dt o t h e c u r r e n t p r o d u c e d . A i r a n d h y d r o g e n m u s t b e

h u m i d i f i e d i n o r d e r t o m a i n t a i n o p t i m u m p e r f o r m a n c e o f

t h e f u e l c e l l s t a c k . D e- i o n i z ed w a t er i s u s e d . T h e w a t e r

p r e s s u r e f o r t h e i n j e c t i o n m u s t e x c e e d t h e g a s p r e s s u r e .F o r i t ' s h i g h r e s i s t i v i t y , D e - i o n i z e d i s a l s o u s e d t o r e m o v e

t h e h e a t . B u t t h e f l o w r a t e o f t h e w a t e r i s d i r e c t l y r e l a t e dt o t h e r a t e a t w h i c h w a t e r c a n t a k e t h e h e a t a w a y . T o

a c h i e v e t h e o p t i m u m e f f i c i e n c y o f t h e f u e l c e l l , t h et e m p e r a t u r e m u s t b e k e p t i n i t s o p e r a t i n g r a n g e . And a

w a t e r - c o o l i n g s y s t e m i s a p p l i e d .T h e f u e l c e l l ' s p e r f o r m a n c e i s d i r e c t l y r e l a t e d t o a l a r g e

n u m b e r o f f a c t o r s , w h i c h m u s t b e m o n i to re d a n d

c o n t r o l l e d . A DSP b a s e d r e a l t i m e s y s t e m i s u s e d t om o n i t o r a n d c o n t r o l t h e s e p a r a m e t e r s . An a d a p t i v ec o n t r o l a l g o r i t h m i s u s e d t o g u a r a n t e e t h e s p e e d o f a i rp u m p , w a t e r pump a n d f a n t o b e c h a n g e d a c c o r d i n g t os t a c k o p e r a t i n g c o n d i t i o n s . When c o n d i t i o n s r a n g e t o o f a rf r o m t h e d e s i r e d r a n g e , a w a r n i n g i s g i v e n , a n d i ne s p e c i a l l y c r i t i c a l c a s e s , e m e r g e n c y s h u t d o w n i s i n i t i a t e d .

IH e a t

e x c h a n g e

B a t t e r y

F i g . 2 S y s t e m s t r u c t u r e o f f u e l c e l l s y s t e m

1 3 8 6



T h e s t a c k i s f e d w it h p u r e d r y h y d r o g e n a n d a i r a tp r e s s u r e s ( 5 p s i g ) . T h e o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e c a n ' t g o

o ve r 8 0 ° C . A P E M f u e l c e l l c a n g e n e r a t e b et w e en 0 . 6 V

a n d 0 . 8 V u n d e r t y p i c a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s . I n t h i s c a s ea 2kW f u e l c e l l i s u s e d ( 4 0 c e l l s ) . T h e o p e n c i r c u i tv o l t a g e i s a r o u n d 32V a n d t h e n o m i n a l v o l t a g e i s

o b t a i n e d a r o u n d 2 5 V . T h e v o l t a g e s h o u l d n o t d r o pu n d e r 2 0 V t o k e e p t h e s t a c k s a f e . T h e r a n g e o f c u r r e n t i sb e t w e e n 1 0 A a n d 9 0 A . P o l a r i z a t i o n c u r v e o f s i n g l e c e l l i ss h o w n i n F i g . 3 .

i u . u J Z

2 Ou;

- A n R U. 1 3 H -T

0u -

0 I O M, o - s -

u0 0 4 u s N 60 D 8 ¶ o 0 i J 6 I " 1 2 0 f

C u r r e n t d e n s i t y ( m A / c m 2 )

F i g . 3 . P o l a r i z a t i o n c u r v e o f s i n g l e c e l l

( B y HO P o w e r )

B . B a t t e r S e t

I n t h e s y s t e m , a b a t t e r y s e t i s u s e d t o p r o v i d e p o w e rs u p p l y f o r s y s t e m s t a r t i n g . I f i t i s r e q u i r e d , b o t h t h eb a t t e r y p a c k a n d t h e PEM f u e l c e l l s y s t e m c a n c o o p e r a t et o p r o v i d e s u p p l y p o w e r t o t h e p r o p u l s i o n m o t o r i n s o m es p e c i a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s . S i n c e t h e o u t p u t e l e c t r i c a lp o w e r o f t h e f u e l c e l l s t a c k i s d e s i g n e d t o e x c e e d t h ea v e r a g e p o w e r d e m a n d s o f t h e v e h i c l e , t h e b a t t e r i e s c a n

b e c h a r g e d w h i l e t h e b o a t s a i l i n g . P a r t i c u l a r l y , f o r s h i pa n d p a s s e n g e r s s e c u r i t y , t h e b a t t e r y s e t c a n p r o v i d e p o w e rf o r s h i p p r o p u l s i o n a l o n e , i f t h e f u e l c e l l s y s t e m h a sp r o b l e m s o r f a u l t s .

C . Power T r a i n t

T h e f u e l c e l l b o a t p r o p u l s i o n s y s t e m [ 5 ] - [ 7 ] i s s h o w n i nF i g . 2 . I n s i d e t h e f u e l c e l l s t a c k , t h e h y d r o g e n a n d a i r a r ec o m b i n e d t o p r o d u c e e l e c t r i c i t y a n d h e a t . T h e o u t p u tv o l t a g e o f t h e s t a c k i s c o n d i t i o n e d u s i n g a p o w e rc o n d i t i o n e r t o o b t a i n t h e r e q u i r e d v o l t a g e t o t h ep r o p u l s i o n i n v e r t e r . A b a t t e r y i s g e n e r a l l y c o n n e c t e da c r o s s t h e f u e l c e l l s y s t e m t o p r o v i d e s u p p l e m e n t a l p o w e ra n d f o r s t a r t i n g t h e s y s t e m .

When t h e b o a t i s s t a r t e d , t h e p o w e r t o t h e p r o p u l s i o nm o t o r i s p r o v i d e d f r o m t h e b a t t e r y . D u r i n g t h e r a p i da c c e l e r a t i o n , p o w e r i s p r o v i d e d b y t h e f u e l c e l l a n d t h eb a t t e r y . When t h e b o a t r e a c h e s t h e s t e a d y s p e e d , o n l y t h ef u e l c e l l w i l l b e p r o v i d i n g t h e p r o p u l s i o n p o w e r a n dc h a r g e s t h e b a t t e r y .

T h e f u e l c e l l s t a c k o u t p u t i s a p p r o x i m a t e l y 30V a t o p e nc i r c u i t a n d 24V a t f u l l l o a d . Due t h e f a c t , a b o o s t DC/DCc o n v e r t e r i s u s e d a n d i t s o u t p u t v o l t a g e i s 5 0 . 8 V . A n o t h e rDC/DC c o n v e r t e r ( 2 4 V ) c o n n e c t e d t o t h e b a t t e r y i s u s e df o r t h e c o n t r o l s y s t e m t o p o w e r t h e a i r p u m p , w a t e r p u m p ,f a n a n d e t c . T h e r e i s a l s o a n i n v e r t e r ( 3 0 0 W ) t h a tt r a n s f e r s t h e 48VDC t o 220V A C f o r I P C .

T h e b a t t e r y s y s t e m c o n s i s t s o f 4 , 1 2 v o l t , 7 . 5 - a m p h o u ro f L e a d A c i d b a t t e r i e s . T h e s e b a t t e r i e s a r e a r r a n g e d i ns e r i e s t o p r o d u c e a t o t a l b o x v o l t a g e o f 4 8 v o l t s , w h i c h i s

t h e o p e r a t i n g v o l t a g e o f t h e m o t o r s . A 1 . 5 k W m o t o r

d r i v e s t h e p r o p e l l e r .B e c a u s e t h e f u e l c e l l s y s t e m p r o v i d e s t h e m a i n p o w e r

f o r t h e b o a t , t h e n t h e r a n g e o f t h e v e h i c l e s a i l i n g w i l l j u s td e p e n d o n t h e a m o u n t o f h y d r o g e n o r f u e l t h a t i s s t o r e do n b o a r d . U s u a l l y , f u e l c e l l b o at h as t h e a b i l i t y t o s a i l

m o r e l o n g e r d i s t a n c e t h a n t h e b o a t j u s t u s e s b a t t e r y a t t h es a m e o p e r a t i n g c o n d i t i o n a n d t h e w ei g h t o f t h e e l e c t r i cp r o p u l s i o n s y s t e m .

C o n s i d e r i n g t h e l o w e n e r g y d e n s i t y o f h y d r o g e n , ac o m p r e s s e d g a s t a n k i s u s e d t o s t o r e m o r e h y d r o g e n o n

b o a r d t o a ll ow b oa t t o t r a v e l l o n g e r d i s t a n c e . T h e t a n k sa r e 1050mm l o n g a n d 3 4 5 m m d i a m e t e r , l a i d h o r i z o n t a l l y .T h e t a n k t a r e w e i g h t i s 2 9 k g . I t s s e r v i c e p r e s s u r e i s2 0 M p a a n d t h e f u e l s t o r a g e c a p a c i t y i s 7 0 l i t e r s .

I I I . F U E L C E L L BOAT MONITORING

T h e c o n t r o l o f t h e s y s t e m h a s a l s o b e e n g r e a t l yd e v e l o p e d i n F i g . 4 . I t i s c o m p o s e d o f a PLC ( S c h n e i d e r )

a n d a n I P C ( S c h n e i d e r ) . A s o f t w a r e i n t h e c o n t r o l l e r( L F 2 4 0 7 ) o f f u e l c e l l p e r m i t s t h e c o n n e c t i o n o f t h e I P C

o n w h i c h s p e c i a l l y a d a p t e d a c q u i s i t i o n p r o g r a m s h a v e

b e e n i n s t a l l e d . And MODBUS i s u s e d t o c o n n e c t t h e PLCa n d I P C . A u s e r f r i e n d l y i n t e r f a c e s h o w s t h e w o r k i n g

p a r a m e t e r s i n r e a l t i m e a n d s t o r e s t h e m i n a d a t a b a s e f o rf u r t h e r a n a l y s i s i n F i g . 5 . A t t h e s a m e t i m e , t h e o p e r a t o r i si n f o r m e d o f a n y c r i t i c i a l s y s t e m c o n d i t i o n s t o f a c i l i t a t eu s e r i n t e r v e n t i o n w h e n n e e d e d .

. . . . I

a \ ]

F u e l c e l l

B a t t e r y

F i g . 4 . C o n t r o l s y s t e m

P r o p e l l e r

F i g . 5 . S o f t w a r e f o r f u e l c e l l

1 3 8 7

U.'J

o n o J - M i --

- =2-* 4

.+

a 7

a

.

Ar



I V . S Y S T E M T E S T I N G

A s e r i e s s y s t e m t e s t i n g h a s b e e n d o n e t o s h o w t h ep e r f o r m a n c e o f t h e f u e l c e l l s y s t e m , e l e c t r i c p r o p u l s i o na n d t h e b o a t .

T h e t e s t p r o v e d t h e p o w e r l o s s t o b e e x p e c t e d . P o w e r

c o n s u m p t i o n i n f u e l c e l l s y s t e m a r e :

* A i r pump a n d w a t e r p u m p , 2 4 0 W

* C o o l i n g F a n , R e l a y s , w i r e , d i o d e , c o n t r o l l e r a n d

p u r g e v a l v e , 6 0 W

* DC/DC c o n v e r t e r , a b o u t 150W ( i t c o u l d b e r e d u c e d

t o 1OOW i n t h e f u t u r e p r o d u c t i o n )T h e f u e l c e l l b o a t s h o w e d t h a t t h e h y b r i d s y s t e m w o r k s

p r o p e r l y . T h e s t a c k p r o v i d e d m a i n p o w e r t o r u n t h et r o l l i n g m o t o r . T h e m a i n f u n c t i o n o f t h e b a t t e r y i s f o rs y s t e m s t a r t i n g a n d a c c e l e r a t i o n :* When t h e l o a d i s l i g h t , t h e s t a c k h a s t h e r e c h a r g i n g

c a p a b i l i t y t o t h e b a t t e r i e s .* When t h e l o a d i s h e a v y , s u c h a s a c c e l e r a t i n g t h e

m o t o r , t h e b a t t e r y p r o v i d e s e x t r a p o w e r .

* T h e r e i s n o s p e c i f i c b a t t e r y c h a r g e r . T h e b a t t e r i e sa r e c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g b a s e d o n l o a dc o n d i t i o n .F i g . 6 s h o w s t h e p h o t o o f t h e f u e l c e l l b o a t w a s

s a i l i n g o n t h e r i v e r . T h e t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s o f t h i sa r e : d i m e n s i o n s 4 . 8 x 2 m , s p e e d 1 3 - 1 5 k m / h , 2

p a s s e n g e r s .

F i g . 6 . P ho to o f t h e PEM b o a t i n s a i l i n g

F i g . 7 s h o w s a p h o t o o f t h e f u e l c e l l b o a t w a s e x h i b i t e di n t h e 6 t h i n t e r n a t i o n a l i n d u s t r y e x h i b i t i o n h e l d i nS h a n g h a i o f C h i n a i n N o v e m b e r 2 0 0 5 .

T h e e x p e r i m e n t p r o v e d t h a t t h e f u e l c e l l c o n t r o l l e rw o r k e d v e r y w e l l a n d m e t t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s :T h e pump s p e e d f o r a i r f l o w i n g c a n b e a d j u s t e d b a s e d o n

t h e o u t p u t p o w e r .

* C o o l i n g f a n a n d t e m p e r a t u r e p r o t e c t i o n w o r k e d

p r o p e r l y . T h e f a n t u r n e d o n a n d o f f a c c o r d i n g t o t h es e t t e m p e r a t u r e s .

* T h e D C c o n v e r t e r m a i n t a i n e d t h e c o n s t a n t v o l t a g ew h e n t h e s t a c k v o l t a g e v a r i e d . T h e maximum p o w e rf r o m t h e h y b r i d s t r u c t u r e s a t i s f i e d t o a c c e l e r a t e t h em o t o r .

* T h e b a t t e r y c a n b e c h a r g e d a n d d i s c h a r g e d

a c c o r d i n g t o t h e s y s t e m o p e r a t i o n .* T h e p u r g e t im e c a n b e c h a n g e d w i t h o u t p u t p o w e r .

T h e f u e l c e l l c o n t r o l l e r i s e a s y t o e x t e n d t h e o t h e rf u n c t i o n s f o r p r o d u ct d e v el o p m e n t .

V. CONCLU S IO N

T h i s w o r k l e d t o p r o p o s e t h e d e s i g n a n d c o n t r o lr e q u i r e m e n t s o f a P E M f u e l c e l l b o a t . A t e s t i s r e a l i z e da n d s o m e c o nc lu s io n c o u ld b e g o t :

1 ) F u e l c e l l s y s t e m i s s u i t a b l e f o r b o a t ;2 ) T h e o p e r a t i o n i s c l e a n , r e l i a b l e a n d s i l e n t .I n t h e f u t u r e a c o m m u n i c a t i o n n e t w i l l b e s e t u p a n d

t h e s i g n a l s w i l l b e t r a n s m i t t e d b y t h e C A N b u s .

REFERENCES

[ 1 ] J H H i r s c h e n h o f e r , e t a l . F u e l C e l l H a n d b o o k , 6 t h e d . [ M ] .N a t io n a l T e c h n ic a l I n f o rm a t i o n S e r v i c e , S p r i n g f i e l d , 2 0 0 2 .

[ 2 ] F . B a r b i r , M. F u c h s , A . H u s a r , a n d J . N e u t z l e r , " D e s i g n a n dO p e r a t i o n a l C h a r a c t e r i s t i c s o f A u t o m o t i v e PEM F u e l C e l l S t a c k s " ,S o c i e t y o f A u t o m o t i v e E n g i n e e r , I n c . , 1 9 9 8 .

[ 3 ] P a r t e n , M . E . , M a x w e l l , T . T . , e t . a l . , " M o d e l i n g a PEM F u e l C e l l f o rU s e i n a H y b r i d E l e c t r i c V e h i c l e , " P r o c e e d i n g s o f IEEE V e h i c u l a r

e c h n o l o g y C o n f e r e n c e , H o u s t o n , T e x a s , M a y , 1 9 9 9 .

[ 4 ] J Z i z e l m a n , S S h a f f e r , S M u k e r j e e . S o l i d o x i d e f u e l c e l l a u x i l i a r yp o w e r u n i t - A d e v e l o p m e n t u p d a t e [ A ] . SA E 2 0 0 2 W o r l d

C o n g r e s s [ C ] . D e t r o i t , M I , U S A , 2 0 0 2 . 2 0 0 2 - 0 1 - 0 4 1 1 .

[ 5 ] K R a j a s h e k a r a . P o w e r c o n v e r s i o n a n d c o n t r o l s t r a t e g i e s f o r f u e lc e l l v e h i c l e s [ A ] . IEEE IECON P r o c e e d i n g s [ C ] . R o a n o k e , V A ,

U S A , N o v . 2 0 0 3 .

[ 6 ] P a r t e n , M . E . , M a x w e l l , T . T . , e t . a l . , "An E l e c t r i c a l l y A s s i s t e d ,H y b r i d V e h i c l e , " P r o c e e d i n g s o f IEEE V e h i c u l a r T e c h n o l o g yC o n f e r e n c e , O t t a w a , C a n a d a , M a y , 1 9 9 8 .

[ 7 ]K

R a j a s h e k a r a .P o w e r

e l e c t r o n i c s f o r t h e f u t u r eo f a u to m ot i ve

i n d u s t r y [ A ] . PCIM E u r o p e [ C ] . N u re m be r g , G e r m a n y , 2 0 0 2 .

F i g . 7 . P ho t o o f t h e PEM b o a t o n e x h i b i t i o n

1 3 8 8

fuel cell boat

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