Hydrogen is seen as a key player in leading to a sustainable energy sector and decarbonizing the transport sector. Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) consume hydrogen and oxygen to generate water, heat and electricity. If designed properly, a hydrogen-fuelled system can significantly increase the endurance of vehicles without increasing the weight or volume of the energy system, which makes it a promising solution for maritime applications. To take advantage of the high density of energy in hydrogen and of power in batteries, a sizing strategy for hybrid systems was developed and implemented for an underwater vessel and a rescue boat, considering various constraints, e.g. neutral buoyancy for underwater vehicles. Several types of storage for reactants were compared and their thermal properties were included in the sizing strategy. To understand the behaviour of fuel cells in an underwater environment, i.e. a closed environment without presence of oxygen, an experimental lab-scale setup was built, and various hydrogen supply methods were tested. Finally, modelling of the hybrid system was used to compare different energy management strategies (EMSs).

The developed sizing strategy, tested through real power profiles, demonstrates that an optimized hybrid system becomes more compact and lighter than a battery system when the length of the mission increases. Such a system can also compete in terms of weight and volume with a diesel engine and help reduce the environmental impact of a vehicle. The heat balance analysis shows that the fuel cell is the major heat contributor, regardless of the combination of reactants storage units. The experimental work highlights that the fuel cell should deliver a low current density at a high relative humidity in order to limit the waste of hydrogen and increase the performance of the stack. The symmetric purging strategy appears to increase the stability of the stack over time. It is also shown that it is crucial to select an adapted EMS for each mission in order to fulfil it. Some EMSs tend to limit the hydrogen consumption while others deplete more battery power. To conclude, it is relevant to use fuel cell systems for maritime applications, and has the potential to increase the length of the missions performed.

Vätgas ses allmänt som en nyckelspelare för att nå en hållbar energisektor och minska koldioxidutsläppen i transportsektorn. Polymerelektrolytbränsleceller (PEMFC) förbrukar vätgas och syrgas för att generera elektricitet, värme och vatten. Med ett bra utformat vätgasdrivet energisystem kan uthållighet för en eldriven farkost öka avsevärt utan att vikt eller volym på systemet ökar, vilket gör detta till en lovande lösning i maritima tillämpningar. För att dra fördel av den höga energitätheten hos vätgas och den höga effekttätheten hos batterier, utvecklades och implementerades i detta arbete ett modellverktyg för dimensionering av hybridsystem till en undervattensfarkost och en räddningsbåt. Hänsyn togs till olika begränsningar, t ex krav på neutral flytkraft för undervattensfarkosten. Flera typer av vätgas- och syrgaslager jämfördes och deras termiska egenskaper inkluderades i dimensioneringen. För att förstå beteendet hos bränsleceller i en undervattenslik miljö, dvs i en sluten miljö utan närvaro av syrgas, byggdes en experimentell uppställning i labbskala och olika strategier för vätgashanteringen testades. Slutligen användes modellering av hybridsystemet för att jämföra olika energihanteringsstrategier (EMS).

Dimensioneringen, testad mot verkliga effektprofiler, visar att ett optimerat hybridsystem blir mer kompakt och lättare än ett batterisystem när uppdragens längd ökar. Hybridsystemet kan även konkurrera vad gäller vikt och volym med en dieselmotor och bidra till att minska miljöpåverkan från en farkost. Beräkning av hybridsystemets värmebalans visar att den största källan till denna är bränslecellen, oavsett vilken kombination för lagring av reaktanter som används. Den experimentella studien visar att bränslecellen bör leverera en låg strömtäthet vid en hög relativ luftfuktighet för att kunna begränsa förlusten av vätgas och öka stackens prestanda. En symmetrisk strategi med byte av vätgasens flödesriktning genom stacken efter varje rening (purging), ökar stackens stabilitet över tiden. Vad gäller energihantering i hybridsystemet visar modellering att det är avgörande att välja en anpassad EMS för varje uppdrag för att kunna fullgöra det. Vissa EMS tenderar att begränsa vätgasförbrukningen medan andra tar mer energi ur batteriet. Sammanfattningsvis kan sägas att det är relevant att använda bränslecellssystem för maritima tillämpningar och att dessa har potential att öka längden på de uppdrag som utförs.