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

. . . . 134

vii

3.2.3.2 Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.2.3.3 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.2.3.4 Metal hydride performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.2.4 Compressed gas storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.2.4.1 Cylinder performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.2.4.2 Cylinder safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.2.5 Liquid hydrogen storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.2.6 Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
References for Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

4 Modeling and design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.1 Performance requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.2 Vehicle modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.2.1 Physical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.2.2 Modeling parameter selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.2.3 Relative importance of various factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.2.4 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.3 Driving Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.3.1 TMDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.3.2 Modification of TMDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.3.3 Torque vs. rpm requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
4.3.4 Modeling results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.3.4.1 Battery powered scooter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
4.4 Fuel Cell System Design and Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

viii

4.4.1 Design tradeoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4.4.1.1 Maximum power and the polarization curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
4.4.1.2 Power density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
4.4.1.3 Number of cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.4.1.4 Flow rate parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
4.4.2 Gas subsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
4.4.3 Water subsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
4.4.4 Cooling subsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
4.4.4.1 Cooling from storage system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
4.4.4.2 Active cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
4.4.4.3 Heat generation under the TMDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
4.4.4.4 Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
4.5.4 Overall parasitics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4.5 Integrated Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
4.5.1 System performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
4.5.2 Size and weight of power system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
4.5.3 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.6 Pressurized fuel cell option . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
4.7 Hybrid option designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
4.7.1 Types of hybrids

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

4.7.2 Fuel cell sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
4.7.3 Peaking battery and operation policy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.7.4 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
4.7.5 Hybrid power system designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

ix

4.7.5.1 Design for 3.2 kW fuel cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
4.7.5.2 Design for 1.1 kW fuel cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
4.7.5.3 Hybrid zinc-air scooters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
4.7.6 Hybrid results

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

4.7.7 Near-term possibilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
References for Chapter 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

5 Implementation and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
5.1 Scooter cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
5.1.1 Base cost by subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
5.1.2 Cost of hydrogen storage system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
5.1.3 Fuel cell system cost based on parts predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
5.1.3.1 The short term . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
5.2 Wells-to-wheels efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
5.3 Fuel cost and infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
5.3.1 Zinc-air battery “fuel” costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
5.3.2 --">