Bruce Lin - Conceptual Design and Modeling of a Fuel Cell Scooter for Urban Asia

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.2.7.3 Future direction: zero-emission vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.2.7.4 Research interest in fuel cell scooters

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

1.2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
References for Chapter 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2 Electric Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.1 Drive Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.1.1 Electric drive systems: introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.1.2 Electric motor theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.1.2.1 DC motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.1.2.2 AC motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.1.2.3 Hub motors

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.1.3 Converters and controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.1.4 Choice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2 Chemical batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.2.1 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.2.2 Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

v

2.2.2.1 Existing scooter battery systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.2.2.2 Technology predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.2.2.3 Lead-acid batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.2.2.4 NiMH and NiCd batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.2.2.5 Lithium variants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.2.2.6 Zinc-air “regenerative” batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.2.2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.2.3 Peaking power and batteries for hybrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.2.3.1 Peaking battery modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.2.3.2 Charge and discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.2.3.3 Hybrid battery conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
References for Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3 The hydrogen fuel cell power system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.1 Fuel Cell Science . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.1.1 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.1.1.1 Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.1.1.2 Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.1.1.3 A note on efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1.2 Types of fuel cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.1.2.1 Phosphoric Acid Fuel Cell: well-developed, low density . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.1.2.2 Proton Exchange Membrane Fuel Cell: for mobile applications, the best . . . . . 97
3.1.2.3 Alkaline Fuel Cell: poisoned by carbon dioxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.1.2.4 Solid Oxide and Molten Carbonate Fuel Cells: higher temperature . . . . . . . . . 102

vi

3.1.2.5 Direct Methanol Fuel Cells: long-term promise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.1.3 Stack characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.1.3.1 Fuel cell stack specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.1.3.2 Published results for automobile fuel cell stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.1.3.3 Detailed construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.1.3.4 Detailed construction results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.1.4 Gas flow management

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

3.1.4.1 Blowers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.1.4.2 Compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.1.5 Water management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.1.6 Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.1.6.1 Active cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.1.6.2 Passive cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.1.6.3 Boiling refrigerant

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

3.2 Fuel for the fuel cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.2.1 Reformed fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.2.1.1 Hydrocarbon reforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.2.1.2 Methanol reforming example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.2.1.3 Ammonia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.2.1.4 Chemical hydride energy storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.2.2 Direct hydrogen storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.2.2.1 Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.2.3 Metal hydride energy storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.2.3.1 Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . --">