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.

Autonomous underwater vehicles (AUVs) are robotic platforms that are commonly used to gather environmental data, provide bathymetric images, and perform manipulation tasks. These robots are used not only for scientific, but also for industrial and military purposes. Climate change, political instabilities, and the increasing demand for both renewable and fossil energy sources have created a need for high-performance AUVs and particularly long-range AUVs.

The performance of long-range AUVs is characterised by several parameters, such as autonomous decision making, accurate navigation, system reliability, and vehicle endurance. The vehicle’s endurance is the key capability enabling long-range missions and is determined by the energy capacity and power consumption. By cruising at optimum speed, the vehicle endurance can be utilised most efficiently, resulting in the longest achievable vehicle range. The range of AUVs can be extended by maximising the available energy capacity and by minimising the overall power consumption. This thesis shows how the choices of propulsion system and power source can help improving the range of AUVs.

The power consumption comprises the hotel load and propulsive power. While the hotel load is largely depending on the payload sensors, the propulsive power can be minimised by choosing the right propulsion system. As a part of this thesis, the transit performance of underwater gliders is analysed using an analytical approach. The analysis yields a glide metric for the assessment of the energy efficiency of underwater gliding and allows for comparison to other conventional propulsion systems.

The most common energy systems for AUVs are primary and secondary electrochemical cells, in particular lithium-ion batteries. Alternative energy systems such as fuel cell (FC) systems can potentially improve the range of AUVs. Through a conceptual design study using off-the-shelf components, it is shown how FC systems can increase the energy capacity of AUVs. FC systems are typically implemented as hybrid systems paired with a small capacity battery system. Energy management strategies (EMS) are required to coordinate these two power sources. In this thesis, deterministic and optimisation-based strategies have been tested in simulations and evaluated against realistic AUV power consumption data from field trials. The results suggest that the complexity of the EMS needs to grow with mission complexity. While deterministic methods can yield the lowest energy consumption for standard missions (e.g. bathymetric imaging), optimisation-based methods provide best load-following behavior, making these methods better suited for retaining power reliability through maintaining battery state of charge.

Autonoma undervattensfarkoster (AUV) är robotplattformar som vanligtvis används för att samla in miljödata, tillhandahålla batymetriska bilder och/eller utföra manipulationsuppgifter. Dessa robotar används inte bara för vetenskapliga, utan också industriella och militära ändamål. Klimatförändringar och politiska instabiliteter har skapat ett ökat behov av AUV:er med lång räckvidd som till exempel kan samla in oceanografisk data från under avlägsna antarktiska istungor eller utföra undervattens- och spaningsuppdrag för att säkerställa landets säkerhet. Idag hindras AUV:er i sin operation ofta av sin begränsade räckvidd och är dessutom generellt tvingade att färdas i låg hastighet. Ökad användning av AUV:er är därför starkt beroende av val av optimalt framdrivnings- och energisystem.

Konventionella framdrivningssystem omfattar propellrar och flytkraftsmotorer. Som en del av detta doktorsarbete analyseras analytiskt transitprestanda hos undervattens- glidare. Analysen ger ett ”glide-metric” som möjliggör snabb och enkel bedömning av effektiviteten av undervattensglidning med hjälp av fordonens hydrodynamiska koefficienter för lyft och motstånd – parametrar, som vanligtvis erhålls och finns tillgängliga under designprocessen. Resultaten visar vidare att för Myring-formade kroppar kan undervattensglidning vara den mest effektiva framdrivnings-metoden, givet en effektiv design av flytkraftsmotorn.

Idag drivs de flesta AUV:er av laddningsbara litiumjonbatterier. En alternativ lösning för att öka användbarheten av AUV:er är implementeringen av bränslecellssysteme (FCS). Genom konceptuell design med användning av färdiga komponenter visas i detta arbete hur FCS:er kan överträffa Li-ion-system när det gäller energitäthet på systemnivå. FC-systemet implementeras vanligtvis som hybridsystem parade med ett batterisystem med liten kapacitet. Energy Management Strategies (EMS) krävs för att samordna dessa två kraftkällor. Både deterministiska och optimeringsbaserade strategier har testats i simulering och utvärderats mot realistiska AUV-strömförbrukningsdata från fältförsök. Eftersom bränsleekonomi bara är en av flera utvärderingsparametrar, förutom t.ex. krafttillförlitlighet och systemförsämring, visar resultaten att komplexiteten hos EMS måste växa med uppdragets komplexitet