Aplicación de pilas de combustible a UAVs y caracterización experimental de una pila PEM de 50W

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Aplicación de pilas de combustible a UAVs y caracterización experimental de una pila PEM de 50 W Autor: Rubén Jiménez Martín Tutor: Jose Alfredo Iranzo Paricio Co-tutor: Gracia María Cabello González Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Aplicación de pilas de combustible a UAVs y caracterización experimental de una pila PEM de 50 W Autor: Rubén Jiménez Martín Tutor: Jose Alfredo Iranzo Paricio Profesor Ayudante Doctor Co-tutor: Gracia María Cabello González Profesora Sustituta Interina Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 Trabajo Fin de Grado: Aplicación de pilas de combustible a UAVs y caracterización experimental de una pila PEM de 50 W Autor: Rubén Jiménez Martín Tutor: Jose Alfredo Iranzo Paricio Co-tutor: Gracia María Cabello González El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos Agradezco a todas las personas que me han acompañado en mi vida universitaria pues sin su ayuda y compañía no hubiera sido posible culminar con este trabajo mis estudios en ingeniería de la energía. A esos profesores que me ayudaron en el proceso incluso más de lo necesario entendiendo mis dudas y problemas y a los compañeros de clase que he tenido en las distintas facultades, bien en la Universidad de Málaga, como en la Universidad de Transilvania durante mi movilidad Erasmus, como posteriormente en la Universidad de Sevilla. Por ultimo agradecer especialmente la confianza a mis seres queridos durante este viaje. El apoyo económico y emocional de mis padres junto a mis hermanas ha sido crucial y es algo que tengo presente siempre. Especialmente valioso para mí todos esos estudiantes que compartieron su tiempo conmigo bien en bibliotecas o bien en llamadas estudiando durante el periodo de exámenes brindándome su compañía y conocimiento. Rubén Jiménez Martín Sevilla, 2024 I Resumen D urante la realización del trabajo se ha estudiado el hidrógeno como fuente de energía y especialmente como combustible y sus aplicaciones en el sector de la aviación, concretamente en la aviación no tripulada como lo son los UAVs. Las pilas de combustible son sistemas capaces de suministrar energía eléctrica usando el hidrógeno como combustible de una forma sostenible al no emitir gases de efectos invernadero, obteniendo agua como único subproducto. Concretamente, las pilas de combustible de tipo PEM son especialmente útiles en el sector de los drones debido a sus características como su temperatura de operación o alta velocidad de respuesta ante distintos perfiles de carga. Además de estudiar el Hidrógeno y su potencialidad junto a las pilas de combustible de tipo PEM, se ha hecho una revisión del estado del arte de las tecnologías de propulsión de drones de manera sostenible mediante el uso de hidrógeno como combustible, y se ha analizados distintos estudios relevantes en la materia además de la viabilidad de esta tecnología en su futuro por las ventajas que ofrece pero también los retos a los que se enfrenta. Una vez realizado el estudio general de esta tecnología, se ha caracterizado una pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM) con capacidad de producir 50 W de potencia nominal, concretamente el modelo PROTIUM-50, y se ha estudiado su viabilidad en aplicaciones para vehículos aéreos no tripulados. Para ello se ha testado la pila en condiciones controladas y se han realizado distintos ensayos simulando misiones de conducción y de vuelo para analizar si se puede utilizar en este tipo de dispositivos. El objetivo del trabajo es, una vez estudiada la situación de esta tecnología actualmente y sus expectativas en el futuro, realizar pruebas en esta pila de reducida potencia para comprobar su escalabilidad y viabilidad en su aplicación a drones. Gracias a los resultados obtenidos en los distintos ensayos y al análisis exhaustivo de mercado y opciones en las que se puede aplicar esta tecnología, podemos dar una respuesta a si es viable, y en que casos. Es importante que exista literatura científica acerca de este tipo de pilas de reducida potencia pues toda información es valiosa y además se trata de una tecnología sostenible que puede contribuir a un planeta mas limpio al reducir las emisiones de carbono. III XÍndice 1.1.5 Desafíos actuales en la autonomía y eficiencia de los drones 17 Densidad Energética y Capacidad de Almacenamiento 17 Durabilidad y Ciclos de Vida 18 Peso y Aerodinámica 18 Autonomía en Condiciones Extremas 18 Disponibilidad y Distribución de Hidrógeno 19 Costos Operativos 19 1.2 Revisión del Estado del Arte 21 1.2.1 Aviones y drones propulsados por hidrógeno 21 Pilas de combustible en la aviación 21 Pilas de combustible en drones 22 1.2.2 Tecnologías actuales de almacenamiento y generación de energía en drones 24 Baterías de Litio 24 Tecnología de Pilas de Combustible 24 Sistemas Híbridos 24 Sistemas con otro tipo de tecnología 25 1.2.3 Análisis de los drones de hidrógeno actualmente disponibles en el mercado 25 Tipos de Drones de Hidrógeno según su Diseño 25 Drones de Ala Fija 25 Drones Multirrotor 26 Drones de Ala Rotatoria (VTOL) 27 Conclusión 28 Aplicaciones de los Drones de Hidrógeno mas comunes en el mercado 29 1.2.4 Estudios y experimentos previos relevantes en materia de drones de hidrógeno 29 Experimental investigation of fuel cell usage on an air Vehicle’s hybrid propulsion system 29 Weight optimization of hydrogen storage vessels for quadcopter UAV using genetic algorithm 29 Investigation of PEMFC performance for cruising hybrid powered fixed-wing electric UAV in different temperatures 30 Evaluation of a fuel cell system designed for unmanned aerial vehicles 30 Evaluation of a small drone performance using fuel cell and battery; Constraint and mission analyzes 30 2 Objetivos 33 2.1 Objetivo General 33 2.2 Objetivos Específicos 33 3 Metodología 37 3.1 Descripción del banco de ensayos y la pila ensayada 37 3.1.1 Banco de ensayos 37 3.1.2 Pila de combustible PROTIUM-50 39 3.2 Procedimiento experimental 41 3.2.1 Preparación del experimento 41 3.2.2 Caracterización y Ensayos realizados en el proyecto 42 Caracterización de la Pila PROTIUM-50 42 Ensayos de Conducción 42 Ensayos de Vuelo 43 3.2.3 Ejecución de los ensayos 43 Índice XI 3.2.4 Análisis de datos 43 4 Resultados 45 4.1 Descripción y comparativa de las curvas de polarización 45 4.1.1 Descripción de las curvas de polarización obtenidas 45 4.1.2 Comparativa con datos teóricos 50 4.1.3 Cálculo y Curva de Eficiencia 51 Interpretación de la Curva de Eficiencia 52 4.1.4 Histéresis entre aumento y reducción de Intensidad 53 4.2 Descripción y comentarios sobre las curvas de conducción y misión 54 4.2.1 Curvas de misión de conducción en el contexto del UAV 55 4.2.2 Curvas de misión de vuelo en el contexto del UAV 57 4.3 Limitaciones del estudio 59 5 Conclusiones 61 5.1 Resultados más relevantes 61 5.1.1 Curva de polarización 61 5.1.2 Influencia de la Histéresis 61 Simulación de misión de vuelo 62 5.2 Recomendaciones para trabajos futuros 62 5.3 Conclusión final 62 6 Anexos 65 6.1 Guía de usuario PROTIUM-50 FUEL CELL 65 6.2 Protocolo de ensayo 80 Bibliografía 89 Índice de Figuras 1.1 Recursos energéticos desde la revolución industrial 1 1.2 Energía primaria en España en el año 2020 3 1.3 Energía final en España en el año 2020 por sectores 4 1.4 Tipos de Hidrógeno según producción del mismo 5 1.5 Pila de combustible de tipo PEM 9 1.6 Pérdidas en curva de polarización de una pila de tipo PEM 11 1.7 Densidad energética comparativa de las baterías de litio,combustibles y hidrógeno 16 1.8 Precio del hidrógeno en Estados Unidos según su método de producción 20 1.9 Precio del hidrógeno en Estados diferentes partes del mundo 20 1.10 Modelos de aviones propulsados por hidrógeno de la empresa Airbus 22 1.11 Dron equipado con un sistema de pila de hidrógeno 23 1.12 Drone de Hidrógeno de Energía Inteligente SR5 26 1.13 Dron multirotor HyDrone 1550 de MMC UAV 27 1.14 Micro Air Vehicle Lab – TUDelft 28 3.1 Banco de ensayo del Centro Nacional del Hidrógeno 37 3.2 Software de control y adquisición de datos 38 3.3 Dimensiones Pila de Combustible PROTIUM-50 39 3.4 Ficha técnica de la pila de combustible PROTIUM-50 41 4.1 Voltaje y Potencia en función de la Intensidad (Banco de Ensayo) 46 4.2 Voltaje y Potencia de la Aplicación en función de la Intensidad 47 4.3 Voltaje y Potencia del Banco en función de la Intensidad 48 4.4 Comparación de Voltaje y Potencia entre Aplicación y Banco en función de la Intensidad 49 4.5 Voltaje y Potencia del Banco en función de la Intensidad 50 4.6 Curva de polarización proporcionada por la guía 50 4.7 Curva de Eficiencia de la Pila de Combustible 52 4.8 Comparación del comportamiento del Voltaje respecto a la Intensidad en fases ascendente y descendente 54 4.9 Gráfica de la potencia en función del tiempo en el ensayo de Conducción 57 4.10 Gráfica suave de la potencia en función del tiempo 58 XIII Índice de Tablas 1.1 Poder calorífico de diferentes combustibles 6 1.2 Comparación de sistemas energéticos para drones 16 1.3 Resumen del Almacenamiento de Hidrógeno en un Dron de Pila de Combustible 24 1.4 Resumen de Tecnologías de Propulsión en Drones 25 1.5 Tipos de Drones de Hidrógeno según su Diseño 28 1.6 Resumen de estudios sobre drones propulsados por hidrógeno 31 2.1 Resumen de los objetivos generales y específicos del TFG 35 4.1 Datos del Banco de Ensayo según el Protocolo 46 4.2 Datos tomados por la aplicación 47 4.3 Datos tomados del banco de ensayo 48 4.4 Cálculo de la Eficiencia de la Pila de Combustible 52 4.5 Datos de Intensidad, Densidad de Corriente por Celda y Voltaje 53 4.6 Tabla de los datos recopilados en la misión de conducción 56 4.7 Tabla de los datos recopilados en la misión de vuelo 58 XV Notación H2Representación del hidrógeno diatómico CO2Representación del dióxido de carbono H2O Representación del agua Pmax Potencia máxima de la pila (W) VVoltaje, potencial eléctrico (V) IIntensidad de corriente (A) ΩOhmnio, unidad de resistencia eléctrica ηEficiencia de la pila (%) TTemperatura (°C o K) °C Grados Celcius como unidad de Temperatura KGrados Kelvin como unidad de Temperatura tTiempo (s) LLitro como unidad de volumen Kg Kilogramo como unidad de masa mMetro como unidad de longuitud EEnergía entregada (Wh) ∆VCaída de voltaje bajo carga (V) Rint Resistencia interna (Ω) bar Presión, igual a 105Pa. atm Presión estándar, igual a 101325 Pa. MJ/kg Megajulios por kilogramo, unidad del poder calorífico. MJ Megajulios, unidad de medida de energía. kg Kilogramo, unidad de medida de masa. UAV Vehículo Aéreo No Tripulado (Unmanned Aerial Vehicle). UGV vehículo terrestre no tripulado (Unmanned ground vehicle) VTOL (Vertical Take-Off and Landing) PEMFC Pila de Combustible de Membrana de Intercambio de Protones. SOFC Célula de combustible de óxido sólido (Solid Oxide Fuel Cell) PAFC Célula de combustible de ácido fosfórico (Phosphoric Acid Fuel Cell) MCFC Célula de combustible de carbonatos fundidos (Molten Carbonate Fuel Cell) XVII XVIII Notación FC Pila de Combustible (Fuel Cell). LiPo Batería de Polímero de Litio (Lithium Polymer). nNúmero de electrones por molécula de H2 NANúmero de Avogadro (mol−1) e−Carga elemental del electrón FConstante de Faraday (C/mol) Wel Trabajo eléctrico teórico (J) ∆GEnergía libre de Gibbs (J/mol) EPotencial eléctrico de la celda (V) QCalor añadido al sistema (J) ∆SVariación de entropía (J/mol·K) ∆UVariación en la energía interna del sistema mol Unidad de cantidad de sustancia (mol) psig libras por pulgada cuadrada relativas 1 Introducción E n la búsqueda constante de soluciones energéticas sostenibles y eficientes, destacamos el hidrógeno como elemento decisivo y clave al tener el potencial de poder impactar de forma positiva en distintos sectores tecnológicos, especialmente en el transporte. Uno de los campos en los que el hidrógeno o "H 2 " puede desempeñar un papel crucial en el desarrollo de los drones alimentados por pilas de combustible como estudiaremos a lo largo del documento. Desde el inicio de la humanidad se usaba madera como biomasa siendo esta un recurso empleado para poder hacer fuego. En los últimos siglos, y especialmente desde la revolución industrial, el ser humano ha necesitado encontrar distintas fuentes de energía para poder mejorar el nivel de vida de la sociedad y prosperar económicamente. Estas fuentes de energías provienen de recursos energético diversos como los combustibles fósiles tales como el carbón, el petróleo o el gas natural que eran utilizados en la industria y que nos han permitido desarrollar una evolución exponencial en nuestra civilización. Estos recursos energéticos implementaron un nuevo mix energético, es decir, la combinación de distintas fuentes de energía para satisfacer la demanda energética. Este mix energético ha variado a lo largo de los años debido al aumento progresivo de la demanda energética y a la introducción de nuevas fuentes de energía gracias al desarrollo tecnológico como podemos ver en la siguiente figura: Fuente: Vaclav Smil (2017),BP Stadistical Review of World Energy via Our world Data Figura 1.1 Recursos energéticos desde la revolución industrial. 1 8Capítulo 1. Introducción combustible sea capaz de proporcionar un tiempo de respuesta rápido para poder adaptarse a las distintas fluctuaciones de demanda de energía. • Temperatura de operación: En misiones de vuelo las temperaturas suelen estar en un rango desde -20°C hasta 40°C o más, por lo que la pila de combustible debe ser capaz de trabajar eficientemente en estas condiciones de temperaturas. A diferencia de aplicaciones como la automoción, donde el volumen y la densidad de potencia pueden ser menos críticos debido a un mayor margen del espacio disponible, en los UAVs estos factores son determinantes para la viabilidad del sistema de energía. Del mismo modo, otros factores como la eficiencia y durabilidad son cruciales para segurar un correcto y consistente rendimiento del UAV. El funcionamiento de las pilas de tipo PEM se basa en los siguientes componentes y reacciones. Generalidades de las Pilas Tipo PEM Las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM por sus siglas en inglés), son una de las tecnologías más prometedoras para la generación de energía limpia y eficiente, especialmente en aplicaciones móviles como los drones. A continuación, se detalla el principio de funcionamiento, el apilamiento de celdas, los sistemas auxiliares y los fundamentos químicos que rigen su operación. Principio de Funcionamiento Las pilas de tipo PEM tienen un funcionamiento basado en una reacción electroquímica, que convierte la energía química del hidrógeno y el oxígeno en electricidad. En una celda de una pila tipo PEM existe dos importantes elementos llamados ánodos y cátodos y una membrana electroquímica impermeable a los electrones que permite el paso de los protones [7]. •Ánodo: El hidrógeno se oxida en el ánodo, liberando protones (H+) y electrones (e−). • Membrana Electrolítica: Los protones migran a través de la membrana hacia el cátodo, mientras que los electrones fluyen a través de un circuito externo, generando electricidad. • Cátodo: En el cátodo, los protones y los electrones se recombinan con el oxígeno, formando agua como subproducto. 1.1 Contexto y Justificación 9 Fuente: Centro Nacional del Hidrógeno. Figura 1.5 Pila de combustible de tipo PEM. apilamiento de Celdas Para aumentar la potencia de la pila según la necesidad requerida, se emplea el apilamiento de celdas individuales para formar el "stack". de esta forma el voltaje generado por cada celda individual se acumula sumándose hasta conseguir el voltaje total requerido, siendo el valor de la intensidad de corriente a lo largo de cada celda individual y de todo el stack en conjunto el mismo. • Configuración Serie: Esta configuración permite formar un stack sumando el voltaje generado por cada celda individual. • Gestión de Flujo de Gas: Para garantizar una distribución uniforme del hidrógeno a lo largo del stack es crucial una correcta gestión del flujo de gas. • Refrigeración: Los stack alcanzan altas temperaturas por los que una correcta refrigeración evita el sobrecalentamiento, usualmente se emplea sistemas de aire o refrigerantes. La temperatura de operación de las pilas tipo PEM no deben superar los 100 grados centígrados. Sistemas Auxiliares Estos sistemas son componentes adicionales que garantizan el correcto funcionamiento de la pila de forma segura y eficiente. En ellos se incluyen: 10 Capítulo 1. Introducción • Suministro de Hidrógeno: Sistemas de almacenamiento y regulación de la presión del hidrógeno. • Suministro de Oxígeno/Aire: Suministro de usualmente aire que contiene una proporción aproximada del 78% en Nitrógeno y un 21% en oxígeno además de un 1% en otros componentes. Esta proporción puede cambiar según la altitud a la que nos encontremos y en definitiva suministra el oxígeno necesario para la reacción en el cátodo. • Gestión Térmica:Como se mencionó anteriormente comprende los distintos sistemas de refrigeración para mantener la temperatura óptima de operación. • Gestión de Agua: Para evitar la inundación del cátodo es importante el correcto manejo del agua producida en la reacción de la pila además de mantener hidratada la membrana. Pérdidas en una pila de combustible PEM En una pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM), como las que se usan en UAVs, las pérdidas de eficiencia se deben a varios factores que limitan el rendimiento teórico del dispositivo. Estas pérdidas se clasifican comúnmente en tres categorías principales [8]: • Pérdidas por activación: Se tratan de pérdidas asociadas con la energía requerida para superar las barreras energéticas de las reacciones electroquímicas. Estas pérdidas son notorias especialmente a bajas densidades de corriente donde existe una disminución del voltaje de la célula. • Pérdidas ohmicas: Las pérdidas óhmicas son debidas a la resistencia interna del propio sistema, incluyendo la resistencia de la membrana al paso de protones y a la resistencia eléctrica de los componentes conductores como los electrodos y las conexiones. Son pérdidas que se ven incrementadas linealmente con la densidad de corriente afectando a la eficiencia de la pila. • Pérdidas por concentración: También son conocidas como pérdidas por transporte de masa. Ocurren cuando la concentración de reactivos como lo son el hidrógeno en el ánodo y el oxígeno en el cátodo cerca de los electrodos disminuyen debido a la alta demanda de corriente. Se trata de un fenómeno que limita la disponibilidad de los reactivos necesarios para que se produzcan correctamente las reacciones electroquímicas, de forma que se reduce el voltaje de la célula. Son pérdidas que ocurren principalmente para altas densidades de corriente. Cada una de estas pérdidas contribuyen a una reducción del voltaje real de la pila respecto al voltaje teórico que podríamos esperar, por lo que la eficiencia global del sistema resulta menor. Entender y mitigar estas pérdidas puede ayudar a un mejor rendimiento de las pilas PEM, especialmente en aplicaciones tan exigente como las misiones de vuelo a las que se enfrenta un UAV. En la imagen 1.6 se observa gráficamente estas pérdidas. 1.1 Contexto y Justificación 11 Fuente: Hidrógeno. Pilas de combustible de tipo PEM.Félix Barreras, Antonio Lozano. Universidad de Zaragoza. Figura 1.6 Pérdidas en curva de polarización de una pila de tipo PEM. Fundamentos Químicos Reacciones Básicas Las reacciones fundamentales que ocurren en una pila PEM son: • Ánodo: El hidrógeno ( H2 ) es introducido en el ánodo, donde es dividido en protones ( H+ ) y electrones ( e– ) con la ayuda de un catalizador (generalmente platino). La reacción que tiene lugar en el ánodo es: 2 H2−−→ 4 H++4 e−(1.1) • Electrolito: El electrolito es una membrana polimérica que permite el paso de los protones ( H+ ) hacia el cátodo, pero además bloquea el paso de los electrones ( e– ). Esto obliga a los electrones a viajar a través de un circuito externo, generando una corriente eléctrica útil. • Cátodo: En el cátodo, los protones ( H+ ) y los electrones ( e– ) se combinan con el oxígeno ( O2 ) del aire formando agua como subproducto ( H2O ) y liberando energía. La reacción en el cátodo se puede expresar como: O2+4 H++4 e−−−→ 2 H2O(1.2) La reacción global en la pila de combustible PEMFC, combinando las reacciones del ánodo y el cátodo, es: 2 H2+O2−−→ 2 H2O+energía (electricidad y calor) (1.3) Este tipo de pilas de combustible resultan ideales para la aviación y drones debido a su capacidad de generar energía eléctrica de forma eficiente, proporcionando una alta densidad de potencia de 12 Capítulo 1. Introducción forma ligera y compacta, además de permitir operar con cero emisiones a los drones y aviones que implementen esta tecnología, también ofrecen una mayor autonomía en comparación con las baterías de litios convencionales. Calor de Reacción El calor de reacción se refiere a la cantidad de energía liberada o absorbida durante la reacción química en forma de calor. En las pilas PEM la reacción que se produce es exotérmica, es decir, se produce una reacción que libera o produce calor a diferencia de las reacciones endotérmicas, que requieren calor para llevarse a cabo. Es importante gestionar este calor para evitar daños en la pila por sobrecalentamiento. Trabajo Eléctrico Teórico en Pilas de Hidrógeno PEM El concepto de Trabajo eléctrico teórico se refiere a la cantidad máxima de energía eléctrica que se puede obtener de la reacción electroquímica que se da entre el hidrógeno y el oxígeno. Esta determinada por los principio de la termodinámica y explica la eficiencia, potencial y limitaciones inherente a la tecnología de las pilas de combustible [9]. Primer y Segundo Principio de la Termodinámica El Primer Principio de la Termodinámica, también conocido como la ley de la conservación de la energía, establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. En las pilas PEM, la energía química del ( H2 ) es convertida en energía eléctrica y térmica. Esta relación está descrita por la siguiente ecuación: ∆U=Q−W(1.4) donde: •∆Ues la variación en la energía interna del sistema. •Qes el calor añadido al sistema. •Wes el trabajo realizado por el sistema. En el contexto de una pila PEM, el trabajo realizado puede descomponerse en trabajo eléctrico (We) y trabajo térmico (Wt), donde el objetivo principal es maximizar We: We=∆U−T∆S(1.5) El Segundo Principio de la Termodinámica nos introduce el concepto de entropía ( S ), la cual está relacionada con la irreversibilidad de los procesos, estableciendo que la eficiencia de conversión de energía nunca puede ser del 100%. Este principio universal implica la existencia de pérdidas de energía en forma de calor que se produce durante el funcionamiento de la pila. ∆S≥Q T(1.6) donde: •∆Ses la variación en entropía. •Tes la temperatura absoluta. La cantidad de energía química que puede transformarse en trabajo útil está limitada por estas perdidas. 1.1 Contexto y Justificación 13 Energía Libre de Gibbs La Energía Libre de Gibbs ( ∆G ) Se trata de la función termodinámica que mide la cantidad máxima de trabajo útil que se puede obtener de un sistema a temperatura y presión constantes. En el caso de la reacción electroquímica producida en una pila PEM, la energía libre de Gibbs está directamente relacionada con el trabajo eléctrico máximo que se puede extraer. ∆G=∆H−T∆S(1.7) donde: •∆Hes la variación de entalpía, que representa la energía total disponible. •T∆Srepresenta la energía perdida debido a la entropía. La energía libre de Gibbs resulta negativa por lo que la reacción es espontánea como es el caso de la oxidación del hidrógeno en una pila de combustible. ∆G=−nFE (1.8) donde: •nes el número de moles de electrones transferidos. •Fes la constante de Faraday, F=96,485 C/mol. •Ees el potencial eléctrico de la celda. Para la reacción de una pila de hidrógeno PEM bajo condiciones estándar (298 K, 1 atm), ∆G es aproximadamente -237.13 kJ/mol , traduciéndose en un potencial teórico en la celda de aproximadamente 1.23 V. Relación entre Energía Libre de Gibbs y Eficiencia Podemos afirmar que la eficiencia de la pila de combustible ( η ) queda expresada como la relación existente entre la energía libre de Gibbs y la entalpía total del sistema: η=∆G ∆H(1.9) Dado que ∆H para la reacción del hidrógeno es aproximadamente −286 kJ/mol , la eficiencia máxima teórica de la pila PEM es: η=237.13 kJ/mol 286 kJ/mol ≈0.83 (83 %)(1.10) Siendo esta eficiencia la cantidad de energía química del hidrógeno que podemos convertir en trabajo eléctrico útil. Potencial Teórico El potencial teórico En el caso de una pila de combustible tipo PEM, se define como el voltaje máximo que se puede generar durante la reacción electroquímica de oxidación del hidrógeno. Se puede calcular a partir del trabajo eléctrico, que está determinado por la carga eléctrica transportada y el potencial de la pila. Esta carga eléctrica ( Q ) dada por cada cada mol de hidrógeno está dada por la siguiente ecuación: 14 Capítulo 1. Introducción Q=n·NA·e(1.11) donde n es el número de electrones transferidos por molécula de hidrógeno, NA es el número de Avogadro ( 6.022 ×1023 mol−1 ), y e es la carga de un electrón ( 1.602 ×10−19 C ). En el contexto de las pilas de combustible, esta expresión se simplifica utilizando la constante de Faraday ( F ), que es el resultado del producto del número de Avogadro y la carga elemental: F=NA·e=96,485 C/mol (1.12) Así, la cantidad de carga transferida se simplifica a Q=nF . El trabajo eléctrico máximo ( We ) que puede extraerse de la pila está relacionado directamente con la energía libre de Gibbs ( ∆G ), según la siguiente ecuación: We=−∆G=n·F·Eteórico (1.13) Por lo tanto, el potencial teórico (Eteórico) de la pila de combustible puede expresarse como: Eteórico =− ∆G nF (1.14) Este potencial representa el límite superior del voltaje que puede ser alcanzado por la pila en condiciones ideales, sin considerar pérdidas energéticas. Por ejemplo, para una pila PEM donde ∆Ges aproximadamente −237.13 kJ/mol y n=2, el potencial teórico sería: Eteórico =237.13 ×103J/mol 2×96,485 C/mol ≈1.23V(1.15) Este valor es crucial para la optimización del diseño de pilas de combustible en aplicaciones como drones, donde la eficiencia energética es fundamental. Podemos concluir que el análisis termodinámico del trabajo eléctrico teórico en una pila de hidrógeno de tipo PEM, permite la comprensión del potencial de esta tecnología y de sus limitaciones en su aplicación en drones y otros sectores. Si bien la energía libre de Gibbs proporciona la medida del máximo trabajo eléctrico disponible, debido a factores como la entropía y las pérdidas térmicas es necesario optimizar los diseños para maximizar la eficiencia. 1.1.4 Necesidades energéticas de los drones La necesidades energéticas de un dron dependen de la autonomía y rendimiento que necesite, esto está directamente relacionado con el sistema de propulsión usado en el mismo y la fuente de energía utilizada. Conforme la tecnología avanza, el sector de los drones evoluciona con ello, surgiendo diferentes soluciones energéticas al método de propulsión utilizado según las características específicas que se requieran como el alcance, capacidad operativa, autonomía entre otros. En esta sección se profundiza en las necesidades energéticas de los drones y especialmente en aquellos propulsados por una pila de de hidrógeno, además de su comparación con los sistemas convencionales como lo son las baterías de litio o los motores de combustión interna. Drones con baterías de litio las baterías de litio son el método de propulsión para drones mas comunes en la actualidad, especialmente para aplicaciones tanto recreativas como comerciales o misiones. concretamente las batería de polímero de litio (LiPo) y las de ion-litio (Li-ion) son capaces de ofrecer una densidad energética aceptable de forma estable para misiones de corta o media duración, aunque puede presentar problemas en misiones de larga duración debido a su reducida autonomía. 1.1 Contexto y Justificación 15 •Autonomía limitada: La mayoría de estos drones poseen una autonomía en el rango de los 20 y los 60 minutos dependiendo de las condiciones de operación, la carga útil. Además esta autonomía puede verse drásticamente reducida si se emplea a potencia máxima el dron por un tiempo prolongado en vuelos de carreras. • Tiempo de recarga: El tiempo de recarga que necesitan estos dispositivos pueden resultar relativamente largos en comparación con el tiempo de autonomía que poseen, limitando la operatividad continua y el tiempo de respuesta por lo que puede suponer riesgos en misiones críticas. • Degradación: Como ocurre en otras tecnologías similares, las baterías de litio tienden a degradar su capacidad con el paso del tiempo, afectando negativamente a la eficiencia y autonomía del dron. Drones con motores de combustión interna Existen drones utilizados en menor medida que utilizan motores de combustión interna como método de propulsión para tareas industriales o de largo alcance. Normalmente emplean gasolina o diésel como combustible y son capaces de proporcionar una mayor autonomía en comparación a aquellos que utiliza baterías de litio. Sin embargo, también tienen desventajas. • Peso y complejidad: Los motores de combustión y los sistemas de combustible son más pesados y complicados, afectando a la maniobrabilidad del dron y su diseño. • Emisiones y ruido: Son sistemas que generan emisiones de gases contaminante por lo que no son sostenibles, además de producir ruido al tener piezas móviles por lo que no son aptos para entornos sensibles al ruido o misiones sigilosas. Drones con pila de combustible Los drones de hidrógeno representan una innovación en la tecnología de propulsión aérea al utilizar pilas de combustible como método de propulsión, convirtiendo la energía química almacenada en el hidrógeno en electricidad. Estos sistemas ofrece ventajas en algunas de las limitaciones que sufren los sistemas de motores de combustión o baterías de litio. • Mayor autonomía: Al poseer una densidad energética superior las pilas de hidrógeno sobre las de batería de litio, pueden operar durante mayor tiempo en rangos de varias horas. • Rápido reabastecimiento: Pueden reabastecerse en pocos minutos a diferencia de las que usan batería, por lo que tienen una mayor capacidad de respuesta al reducir el tiempo de inactividad entre misiones, haciéndolas especialmente útiles en misiones críticas o de emergencia. • Operación en climas extremos: Pueden funcionar de manera eficiente en ambientes con condiciones extremas, especialmente en aquellos con bajas temperaturas, sin ver afectado su rendimiento o autonomía. • Emisiones cero: al obtener como subproducto únicamente agua y calor en la reacción de la pila de combustible, son sistemas ambientalmente sostenibles. además al carecer de piezas móviles son también silenciosos. El único subproducto de la reacción en las pilas de combustible de hidrógeno es agua, lo que los convierte en una opción ambientalmente sostenible y silenciosa. 16 Capítulo 1. Introducción Podemos concluir que los drones propulsados por hidrógenos están capacitados para misiones de corta, media y larga duración, pueden operar en áreas remotas en las que la recarga frecuente de batería no sea factible reabasteciendose de forma rápida, y además son silenciosos, por los que son ideales para aplicaciones industriales, militares, de vigilancia y misiones de rescate trabajando de forma sostenible al no emitir contaminantes. A continuación, se presenta una tabla comparativa que resume las principales características de los diferentes sistemas energéticos utilizados en drones. Tabla 1.2 Comparación de sistemas energéticos para drones. Sistema Energético Autonomía Tiempo de recarga/reabastecimiento Emisiones Baterías de Litio Baja (20-60 min) Lento (1-2 horas) Ninguna Motor de Combustión Alta (1-3 horas) Rápido (minutos) Altas Pila de Combustible Muy Alta (2-8 horas) Muy rápido (minutos) Ninguna Fuente: ScienceDirect: Batteries: Higher energy density than gasoline? Figura 1.7 Densidad energética comparativa de las baterías de litio,combustibles y hidrógeno . Potencias necesarias para cada tipo de UAV Los UAVs tienen distintos tipos según su método de propulsión como hemos visto anteriormente, pero lo realmente importante son factores como su tamaño y peso para entender su propósito, y por tanto la cantidad de potencia necesaria para su puesta en operación. A continuación se describen 1.1 Contexto y Justificación 17 distintos rangos de potencia típicos empleados en UAVs para situar en que contexto es adecuado la implementación de una pila de combustible de 50 W. • Micro UAVs: Se tratan de UAVs muy pequeños, generalmente utilizados de forma recreativa, científica o para misiones de corto alcance y baja altitud. La potencia requerida oscila entre 10 W y 50 W . Debido a que la pila de combustible estudiada en este trabajo, PROTIUM-50, encaja en el extremo superior, podemos afirmar que puede proporcionar suficiente energía para estas aplicaciones si se consigue implementar como método de propulsión. • Mini UAVs: También de tamaño reducido, comprende potencias entre los 50 W y 500 W . Podemos afirmar que puede encontrar la pila de combustible PORTIUM-50 aplicaciones en este tipo de UAVs, debido a que al tener un mayor tamaño puede favorecer una más sencilla implementación de esta tecnología. Sus aplicaciones pueden ser recreativas, científica o de misiones con bajas exigencias. • Tácticos y UAVs de tamaño mediano: Estos drones suelen necesitar llevar cargas útiles más elevadas y volar durante largos periodos. Con una demanda comprendida entre los 500 W y los 5 KW , este tipo de pila no resulta adecuada para estos drones debido a su gran exigencia energética. • UAVs MALE (Medium Altitude Long Endurance) y HALE (High Altitude Long Endurance): Estos vehículos aéreos no tripulados de mayor envergadura requieren potencias superiores a 5 kW , para realizar operaciones de larga duración a altitudes elevadas. La pila de 50 W es insuficiente para estas aplicaciones por su alta demanda energética y sus condiciones exigentes. En resumen, la pila de combustible de 50 W es más adecuada para micro UAVs debido a su baja demanda energética, y para mini UAVs, donde el tamaño aunque reducido, permite una fácil más fácil integración de estos sistemas, donde los requisitos de potencia son relativamente bajos y las misiones suelen ser de corta duración. 1.1.5 Desafíos actuales en la autonomía y eficiencia de los drones Aun con sus múltiples ventajas y potencialidad en el mercado de los drones, las pilas de combustibles presentan varios desafíos y retos a resolver para mejorar la autonomía y eficiencia de estos dispositivos, e intentar hacerlos los mas económicamente competitivos. A continuación se procederá a analizar en los principales desafíos que afrontará esta tecnología tanto en aspectos técnicos, como operativos y de infraestructura [10]. Los principales desafíos técnicos a destacar son son aquellos relacionados con la Densidad energética que ofrece el hidrógeno, y las dificultades que presenta su almacenamiento, además de la durabilidad y cantidad de ciclos de vida que puede tener un dron propulsado por una pila de hidrógeno. Densidad Energética y Capacidad de Almacenamiento Un gran reto que tiene esta tecnología es la densidad energética que puede ofrecer el hidrógeno como combustible en comparación a las baterías de litio. A pesar de que las pilas de combustible poseen una mayor autonomía respecto a las de litio, el almacenamiento del hidrógeno en drones conlleva complicaciones debido a necesitar altas presiones o babas temperaturas para bien mantenerlo en estado líquido (licuado) o bien como gas comprimido, usualmente a presiones de 200 bar (Véase en Notación). 24 Capítulo 1. Introducción 1.2.2 Tecnologías actuales de almacenamiento y generación de energía en drones Los drones o UAVs han experimentado un significativo avance en el desarrollo de su tecnologías de almacenamiento y generación de energía. Los convencionales son sistemas que usan baterías de litio como almacenamiento de la energía eléctrica que se suministra al dispositivo para su operación, sin embargo debido a las demandas actuales en cuanto a autonomía peso y eficiencia energética, nuevas tecnologías han surgido para afrontar estos problemas. En esta sección se revisarán las principales tecnologías utilizadas en UAVs para el almacenamiento y la generación de energía. Baterías de Litio Las baterías de ion de litio (Li-ion), son la tecnología convencional utilizada en estos sistemas. es una tecnología madura y en estado comercial que resulta económicamente atractiva respecto a otras tecnologías de propulsión de drones. Sin embargo tiene limitaciones en su autonomía y duración de operación, además de otros retos como el largo tiempo de recarga de sus baterías. Tecnología de Pilas de Combustible Como se ha comentado anteriormente, los UAVs propulsados por pilas de combustible de hidrógeno están emergiendo como una alternativa a los drones convencionales con batería de litio. tanto por sus ventajas técnicas como su sotenibilidad. Estas pilas son capaces de generar la electricidad necesaria para hacer funcionar el dron a través de la reacción electroquímica producida en la pila entre el hidrógeno que es el combustible y el oxígeno que se encuentra en el aire. Esta tecnología tiene como principal ventaja su alta densidad energética, su alta velocidad de recarga de tanque de hidrógeno y ser sostenible debido a su carencia de emisiones de gases de efecto invernadero. Para ello están equipadas con un tanque de hidrógeno que almacena este combustible en estado gaseoso, de forma que alimenta la pila de combustible entregando el hidrógeno que producirá la electricidad al recombinarse con el oxígeno. Estos tanques están compuestos de materiales resistentes para poder contener el hidrógeno gaseoso a las altas presiones que debe estar sometido, y a la vez ligeros para intentar conseguir que el peso total del dron sea el menor posible. Normalmente el material utilizado es fibra de carbono. Su forma es cilíndrica al ser una forma eficiente para soportar la presión interna al carecer de esquinas y su tamaño varia según la capacidad de almacenamiento necesaria. Estos sistemas se encuentran a altas presiones que pueden variar del rango entre los 200 y 700 bar , y además están equipados con válvulas de seguridad y mecanismos antifugas, de forma en la que se controla de manera segura la liberación del Hidrógeno. Tabla 1.3 Resumen del Almacenamiento de Hidrógeno en un Dron de Pila de Combustible. Características Descripción Forma del tanque Cilíndrica Materiales Fibra de carbono, aluminio Capacidad Variable, según el tamaño del dron Presión 350-700 bares Seguridad Válvulas de alivio, sensores Peso (vacío) 1-5 kg Peso del hidrógeno 5% del peso total Sistemas Híbridos Estos sistemas están caracterizaos por combinar baterías de litio con pila de combustible. Son una buena solución para equilibrar la autonomía y la capacidad de carga útil. Estos sistemas aprovechan la alta densidad energética de la pila de combustible, consiguiendo brindar vuelos prolongados mientras que la batería de litio puede proporcionar potencia adicional, en los procesos de alta 1.2 Revisión del Estado del Arte 25 demanda energética como el despegue o maniobras de máxima velocidad. Su principal ventaja es la flexibilidad operativa que ofrece al permitir optimizar el rendimiento energético del UAV en función de la misión a realizar, Sin embargo la integración de ambos sistemas puede ser compleja añadiendo desafíos en términos de diseño y gestión energética. La existencia de este tipo de sistemas abre la posibilidad de la implementación de pilas de combustibles de bajas potencia, por lo que puede ser una posible opción para una pila de combustible de 50 como la que se caracterizará en este proyecto. Sistemas con otro tipo de tecnología Existen otras tecnologías que están emergiendo además de las mencionadas en la propulsión de UAVs, que a pesar de estar en una etapa temprana de desarrollo son interesante conocer. Especialmente relevante son los sistemas que utilizan celdas solares y las tecnologías de almacenamiento supercapacitor. Estas tecnologías prometen nuevas formas de extender la autonomía de los UAVs de manera sostenible, especialmente en aplicaciones donde la recarga en vuelo sea una opción viable. Las celdas solares integradas en UAVs pueden ser útiles en misiones con condiciones de luz adecuada, permitiendo vuelos de mayor duración, mientras que los supercapacitores ofrecen una capacidad de carga y descarga mucho mayor que las baterías de Litio, (aunque no pueden almacenar tanta energía), complementando otros sistemas de energía en momentos de alta demanda. Tabla 1.4 Resumen de Tecnologías de Propulsión en Drones. Tecnología Ventajas Desventajas Baterías de Litio Económicas, maduras Autonomía limitada Pilas de Combustible Alta densidad energética Requiere tanques a alta presión Sistemas Híbridos Equilibrio entre autonomía y potencia Integración compleja Celdas Solares Extiende autonomía Depende de la luz solar Supercapacitores Rápida carga/descarga Menor capacidad energética 1.2.3 Análisis de los drones de hidrógeno actualmente disponibles en el mercado El mercado de los drones propulsados por hidrógeno a aumentado conforme esta tecnología se desarrollaba más, siendo ahora un mercado más amplio con variedad de oferta en modelos tanto según su diseño como en la potencia de la pila de hidrógeno que los alimenta. En esta sección se revisaran los distintos tipos de drones existente en el mercado según estas cualidades para analizar la variedad que existe en el mismo, destacando sus características y aplicaciones. Tipos de Drones de Hidrógeno según su Diseño Al igual que los drones convencionales, los propulsados por hidrógeno pueden clasificarse en varias categorías dependiendo del diseño empleado en los mismos. Existen dos tipos principales que con los drones de ala fija y los multirrotores[ 14 ]. Estos diseños tienen características distintas siendo cada uno más óptimos para distintas aplicaciones. Drones de Ala Fija Este tipo de UAVs está caracterizado por tener una estructura similar a un avión, donde las alas son fijas, proporcionando sustentación durante el vuelo. Conocidos por su eficiencia y diseño aerodinámico, estos drones pueden cubrir grandes distancia gastando un menor consumo de energía respecto a otros modelos de drones, siendo ideales para misiones de larga duración, teniendo aplicaciones de reconocimiento,cartografía y vigilancia. Sin embargo presentan ciertas desventajas como la 26 Capítulo 1. Introducción necesidad de una pista de despegue y aterrizaje, además de tener que estar en constante movimiento debido a su naturaleza[15]. Ejemplo en el mercado: El SR5 DRON es un dron de vuelo de largo alcance que puede realizar misiones de reconocimiento de hasta 15 horas recorriendo 1000 km de distancia. Además puede transportar una carga útil de 5 kg y es apto para aplicaciones militares debido a su baja producción de ruido. Fuente: Tecnología de aviación supersónica de Xi’an Co., Ltd Figura 1.12 Drone de Hidrógeno de Energía Inteligente SR5. Drones Multirrotor Los drones multirrotor son también conocidos como cuadricópteros o hexacópteros. Integran multiples rotores, obteniendo la capacidad de despegar y aterrizar verticalmente, de forma que no es necesario usar una pista de aterrizaje para que puedan operar. Ofrecen una mayor maniobrabilidad y son más fáciles de operar en áreas con alta densidad de obstáculos. Su desventaja radica en su menor autonomía en comparación a los drones de ala fija debido a su gran demanda energética para mantenerse en vuelo estacionario. Ejemplo en el mercado: El HyDrone 1550 de MMC UAV, es un dron multirrotor propulsado por hidrógeno. Este modelo es capaz de volar durante 150 minutos, con una capacidad de 9 L de hidrógeno en almacenamiento a 250 bares capaz de alcanzar velocidades cercanas a los 40 Km/h en un radio de 10 km , siendo ideal para aplicaciones en agricultura de precisión, inspección de 1.2 Revisión del Estado del Arte 27 infraestructuras y otras tareas que requieren vuelo estacionario o despegue y aterrizaje en espacios reducidos. Fuente: MMC HyDrone 1550 SigTel Figura 1.13 Dron multirotor HyDrone 1550 de MMC UAV . Drones de Ala Rotatoria (VTOL) Los drones de Ala rotatoria VTOL (Vertical Take-Off and Landing), se tratan de UAVs con un diseño especial que combina ambas características anteriores, consiguiendo despegar y aterrizar verticalmente como un dron multirrotor pero manteniendo la capacidad de poder volar horizontalmente como un dron de ala fija [ 16 ]. Estos drones con un diseño mas complejo y sofisticado poseen una gran flexibilidad y son útiles en todo tipo de misiones que requieran una alta flexibilidad de operación, tanto para volar en áreas confinadas, como para cubrir grandes distancias. Ejemplo en el mercado: El TUDelft Drone , Alimentado por baterías y una pila de combustible que proporciona 800 W , con un almacenamiento de 6,8 L a 300 bares, este dron militar ha sido testado en una misión de vuelo durante más de 3 horas y media en mar abierto antes de aterrizar. 28 Capítulo 1. Introducción Fuente: MAVLab Figura 1.14 Micro Air Vehicle Lab – TUDelft. Conclusión Se concluye que el tipo de diseño del dron tiene un gran impacto en las características del mismo, por lo que es importante tenerlo en cuenta según las aplicaciones y necesidades operativas que se requieran. Los drones de ala fija ofrecen mayor autonomía y por lo tanto son más útiles para misiones de larga duración, mientras que los multirrotores son más flexibles y fáciles de usar. Por otro lado los drones VTOL proporcionan un compromiso ideal entre ambos diseños ofreciendo la máxima versatilidad, aunque su complejo diseño los hace menos económicos. Tabla 1.5 Tipos de Drones de Hidrógeno según su Diseño. Tipo de Dron Características Aplicaciones Ejemplo Ala Fija Eficiencia aerodinámica Autonomía prolongada Monitoreo de largas distancias Cartografía Vigilancia SR5 DRONE Multirrotor Despegue/aterrizaje vertical Alta maniobrabilidad Vuelo estacionario Agricultura de precisión Inspección de infraestructuras Fotografía aérea HyDrone 1550 VTOL Combina ala fija y multirrotor Flexibilidad operativa Vuelo largo alcance Áreas confinadas Reconocimiento largo alcance Entrega de paquetes Doosan DS30 Podemos observar que existe una industria de drones de hidrógeno por todo el mundo, además de los que se ha comentado anteriormente también tiene gran importancia el mercado chino con empresas como Ningbo Vet Energy Technology Co., Ltd del departamento de energía de VET Group que dispone de varios modelos de drones propulsados por hidrógeno con diseños de alas fijas y rotatorias. 1.2 Revisión del Estado del Arte 29 Aplicaciones de los Drones de Hidrógeno mas comunes en el mercado El mercado se ajusta a las necesidades que se demandan. Para que esta tecnología prospere es necesario que existan aplicaciones que la demanden de forma que sea rentable continuar su investigación. Afortunadamente estos sistemas ofrecen cualidades únicas y diferenciales por los que resulta interesante su desarrollo. Podemos resumir sus aplicaciones en las siguientes. • Inspección y Monitoreo: Debido a su baja producción de ruido y autonomía, son ideales para el monitoreo e inspección tanto de infraestructuras como de grandes áreas. Especialmente el sector militar saca mucho provecho de esta tecnología debido a sus cualidades. • Agricultura de Precisión: La agricultura de precisión saca provecho de esta tecnología al ser capaz de sobrevolar grandes áreas de cultivo, recopilando una gran cantidad de datos durante horas sin necesidad de recarga. • Entrega de Paquetes: La capacidad de carga combinada junto a su gran autonomía, hace que estos drones puedan realizar entrega de paquetes en áreas remotas que resultan complicadas de alcanzar por otros métodos, por lo que pueden ser útiles en misiones de emergencia sanitarias entre otras. • Uso recreativo Por último recordar la posibilidad de realizar misiones recreativas de manera sostenible usando esta tecnología, especialmente si nos aseguramos que el hidrógeno utilizado proviene de fuentes renovables. Sin embargo, con la continua innovación tecnológica y las inversiones en infraestructura de hidrógeno, se espera que estos desafíos se mitiguen en los próximos años, lo que podría llevar a una adopción más amplia de los drones de hidrógeno en diversas industrias. 1.2.4 Estudios y experimentos previos relevantes en materia de drones de hidrógeno Los drones propulsados por hidrógeno han sido objeto de estudio en los últimos años debido al interés creciente de la comunidad científica, debido a su potencial para ofrecer una mayor autonomía frente a los drones convencionales mientras se reduce la huella de carbono. En esta sección se revisan algunos estudios y experimentos relevantes realizados en los últimos años relacionados con esta tecnología. Experimental investigation of fuel cell usage on an air Vehicle’s hybrid propulsion system Se trata de un estudio centrado en el diseño y prueba de un sistema de propulsión híbrido para drones, utilizando una pequeña pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM) de 30 W junto a una batería de polímero de litio. El objetivo del estudio es aumentar la autonomía del dron utilizando una pila de combustible de muy reducida potencia, y analizar cuanto tiempo de vuelo podemos aumentar en nuestro sistema. Para ello se construyó un quadcóptero de 3.1 kg que se vio sometido a 12 misiones de prueba en las que se midieron distintos parámetros como el consumo de combustible, logrando un aumento de aproximadamente 2 minutos en el tiempo de vuelo gracias a la hibridación. Aunque parece un aumento modesto del tiempo final, se sugiere que con una pila de mayor potencia este tiempo se podría incrementar significativamente. Weight optimization of hydrogen storage vessels for quadcopter UAV using genetic algorithm Este estudio está centrado en la optimización del peso de los depósitos de almacenamiento de hidrógeno utilizado en un dron multicóptero propulsado por una pila de combustible. 30 Capítulo 1. Introducción Utilizando un algoritmo genérico se consiguió reducir en un 23.79% el peso del depósito, consiguiendo un aumento del 37.85% del tiempo de vuelo en suspensión o hovering con el uso de pilas de combustible respecto a baterías convencionales, junto a un 17.73% adicional debido a la reducción del peso del depósito demostrando la importancia de la optimización del sistema de almacenamiento de hidrógeno para superar las limitaciones de vuelo. Investigation of PEMFC performance for cruising hybrid powered fixed-wing electric UAV in different temperatures Se trata de un estudio que investiga el rendimiento de un UAV de ala fija, propulsado por un sistema híbrido combinando una pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC) y baterías convencionales analizando 3 posibles escenarios: uso exclusivo de (PEMFC),(PEMFC) con batería de iones de litio (Li-ion), y (PEMFC) con batería de hidruro metálico de níquel (Ni-MH). Se observó en las simulaciones realizadas en MATLAB/Simulink durante la fase de crucero, que el modelo que utilizaba únicamente una (PEMFC) logra la mayor autonomía y que esto se debe a la influencia del peso total del UAV debido a las características del sistema híbrido, además de que las variaciones de temperatura afectan al consumo de hidrógeno. Evaluation of a fuel cell system designed for unmanned aerial vehicles Se trata de un estudio que investiga el funcionamiento de un sistema comercial de pilas de combustible de tipo PEM diseñadas para UAVs. El sistema tiene una potencia nominal de 358 W y se identificó unas pérdidas significativas de energía debido al calor generado, y al hidrógeno no reaccionado durante los proceso de purga y cortocircuito. También se analiza en el estudio el control de temperatura del stack, que se activa cuando la potencia es superior a 200 W para evitar la desecación de la membrana de la pila y así conseguir que el sistema funcione correctamente. También se incluye una batería auxiliar que ayuda a compensar la no suficientemente capacidad de respuesta de la pila ante cambios bruscos de demanda de energía y a proporcionar energía adicional en caso de que fuera necesario. Se pudo comprobar en las simulaciones de vuelo con datos reales que la batería permanecía casi completamente cargada al final de la misión, siendo la pila capaz de cumplir los requisitos energéticos consumiendo 28,8 Lde hidrógeno. Finalmente, se realizó una simulación de vuelo utilizando datos reales, en la cual el sistema fue capaz de cumplir con los requisitos energéticos sin complicaciones, consumiendo 38.8 L de hidrógeno y manteniendo la batería casi completamente cargada al final de la prueba. Evaluation of a small drone performance using fuel cell and battery; Constraint and mission analyzes Se trata de un estudio que proporciona una comparación detallada entre la la pila de combustible de membrana de intercambio protónico PEM y la pila de combustible de óxido sólido SOFC en su aplicación para drones, donde se puede observar el rendimiento de ambas tecnologías con sus ventajas y limitaciones. Ambas evaluadas de forma individual e integradas con una batería, creando un sistema híbrido para mejorar la autonomía y rendimiento del dron. Los resultados nos muestra que la pila PEM genera más potencia, en este caso 162.7 W frente a los 82.1 W que ofrece la pila SOFC. El sistema completo requiere una potencia de 1.45 kW para funcionar correctamente, obteniendo una autonomía cercana a las 7 horas con un peso total de 6.3 kg . Se presenta también que el principal factor limitante de las pilas SOFC es su alta temperatura 1.2 Revisión del Estado del Arte 31 de operación limitando su aplicabilidad en drones. Todos los estudios comentados anteriormente son recopilados del portal ScienceDirect y se recopilan de forma más sintetizada en la tabla 1.6. Tabla 1.6 Resumen de estudios sobre drones propulsados por hidrógeno. Estudio Descripción breve Uso de pila PEM en un sistema híbrido Propulsión híbrida con una pila PEM de 30 W, aumento de 2 minutos en el tiempo de vuelo. Optimización de peso del depósito de H2 Reducción del peso del depósito en un 23.79%, aumento del tiempo de vuelo en un 37.85%. Rendimiento de PEMFC en UAV de ala fija Estudio de autonomía y rendimiento en diferentes temperaturas usando PEMFC. Evaluación de sistema de pila PEM de 358 W Evaluación de un sistema comercial, destacando control de temperatura y pérdidas energéticas. Comparación entre PEMFC y SOFC Comparación entre PEMFC y SOFC en drones, destacando potencia y limitaciones. 2 Objetivos E l presente Trabajo está basado en el estudio de tecnologías de energía limpia en el campo de la aviación no tripulada, concretamente en la implementación de pilas de combustible, utilizando hidrógeno como método de propulsión para UAVs. La pila que se ha estudiado tiene una capacidad de producir 50 W de potencia para el dron en el que se pretende instalar, buscando una alternativa a las tecnologías convencionales en estos sistemas que emplean baterías de litio en solitario o motores de combustión interna. Este capitulo presenta los distintos objetivos tanto generales como específicos que motivan el desarrollo del trabajo. Cada objetivo aborda una faceta esencial del proyecto asegurando un enfoque y exhaustivo. 2.1 Objetivo General El objetivo general de este trabajo es realizar una caracterización integral de una pila de combustible de hidrógeno de 50 W utilizada como fuente de energía en un UAV. Esta caracterización pretende evaluar y analizar el funcionamiento de la pila en parámetros como la capacidad de respuesta a cambios brusco de Intensidad, su comportamiento bajo diferentes cargas y su estabilidad en la generación de potencia. El objetivo es operar la pila para determinar su viabilidad para aplicaciones en UAVs. Para ello se realizaran varias pruebas en la pila de combustible para demostrar que cumple las especificaciones que el fabricante promete y además se realizaran varios ensayos para comprobar su viabilidad en el uso para UAVs. También es interesante entender el comportamiento de pilas de combustible de reducida potencia como lo es en nuestro caso al producir hasta 50 W , para analizar si el comportamiento es escalable o las variaciones que puedan existir. De esta forma futuros fabricantes escogerá la pila que más se ajuste a sus necesidades. Es interesante que exista una variedad de modelos de pilas en literatura científica para poder tomar decisiones de implementar este tipo de tecnología, bien en modelos híbridos o en solitario, impulsando el desarrollo de tecnologías más eficientes y sostenible en el sector. 2.2 Objetivos Específicos El cumplimiento de los objetivos específicos nos permite alcanzar el objetivo general planteado en este Trabajo. Cada uno de ellos aborda un aspecto crucial del estudio: 33 40 Capítulo 3. Metodología • Sistemas auxiliares: Un sistema interno de la pila hace la gestión de agua y gases para asegurar un balance adecuado de humedad en la membrana y la eliminación del agua como subproducto de la reacción, evitando la inundación de la pila. También existe un controlador electrónico automatizado para asegurar el correcto y seguro funcionamiento de la pila, y un sistema de monitorización y protección. • Parámetros de operación y ficha técnica: Este tipo de pila opera típicamente en un rango de temperatura entre 60 °C y 80 °C no debiéndose superar los 100 °C, con una presión de suministro de hidrógeno de 0.3-0.35 barg (4-5 psig ), que debe estar a un 99.999% de pureza en seco, obteniendo un consumo máximo de 0.6 L/min a potencia nominal. En la ficha técnica de la pila de combustible PROTIUM-50 podemos observar más especificaciones como las siguientes: 3.2 Procedimiento experimental 41 Fuente: Guía de Usuario PROTIUM-50. Figura 3.4 Ficha técnica de la pila de combustible PROTIUM-50. Para mas información revisar anexos (PROTIUM-50). 3.2 Procedimiento experimental 3.2.1 Preparación del experimento Antes de realizar los ensayos es importante realizar los siguientes pasos: 42 Capítulo 3. Metodología a) Verificación del sistema de suministro de hidrógeno: Comprobación de que el tanque de almacenamiento de hidrógeno tiene suficiente combustible y las conexiones de presión fueran seguras y estancas. b) Configuración de la pila de combustible:PROTIUM-50 tiene 4 modelos distintos de configuración en los que puede funcionar. La configuración #1 es a través de una fuente de alimentación en corriente continua, La configuración #2 funciona con unas pilas auxiliares, La configuración #3 esta alimentada por una corriente de potencia externa que alimenta el controlador eléctrico, de forma que se usa toda la potencia bruta generada por la pila en suministrar electricidad, y La configuración #4 pretende emplear una Batería híbrida para mayor potencia de salida de carga. Finalmente la configuración de pila que utilizamos es La configuración #1. para ello seguimos los paso de la guía de usuario. c) Puesta en marcha del software: Se puso en marcha el ordenador en el que está instalado el software para controlar el banco de ensayo y poder proceder a los ensayos, adquiriendo los datos necesarios para los mismos. d) Configuración del banco de ensayos: Se comprueba que el software está actualizado y funciona correctamente y se procede a configurar los parámetros iniciales para realizar los ensayos según el protocolo experimental. 3.2.2 Caracterización y Ensayos realizados en el proyecto Se han realizados distintos ensayos experimentales a la pila de combustible PROTIUM- 50 para la caracterización de la misma que se pretende implementar en drones. Además se realizarán 2 ensayos, uno de conducción para probar el funcionamiento de de la pila aplicada a un sistema más estable y sencillo como un UGV (Unmanned Ground Vehicle, por sus siglas en inglés) y posteriormente un ensayo de vuelo. Caracterización de la Pila PROTIUM-50 La caracterización de la pila PROTIUM-50 se enfocará en determinar sus parámetros y compararlos con los ofrecidos por la ficha técnica, de forma que se puede determinar su variación dependiendo de las condiciones y su eficiencia bajo diferentes condiciones de operación. Para ello, se llevarán a cabo los siguientes pasos: • Medición de la curva polarización: Se registrarán las curvas de voltaje e intensidad de corriente para diferentes cargas aplicadas, lo que permitirá obtener la curva característica de la pila. • Evaluación de la eficiencia: A partir de los datos de la curva de polarización, se calculará la eficiencia de la pila en función de la potencia generada y el consumo de hidrógeno. • Análisis de la Histéresis Se comprobará la Histéresis existente y la gravedad de la misma para detectar si es un valor a tener en cuenta o se puede obviar. Ensayos de Conducción Los ensayos de conducción simularán las condiciones a las que se enfrentaría un vehículo terrestre no tripulado (UGV) alimentado por la pila PROTIUM-50. Los objetivos principales de estos ensayos incluyen: • Simulación de misiones reales: Se diseñará una misión siguiendo el ensayo tipificado en el anexo, para analizar la capacidad de respuesta de la pila ante distintos perfiles de carga que simulen misiones típicas de un UGV, permitiendo evaluar el rendimiento de la pila durante maniobras de aceleración, frenado y conducción en pendientes. 3.2 Procedimiento experimental 43 • Evaluación de la pila: Se determinará si la pila es capaz de responder positivamente a este ensayo de forma estable para proceder posteriormente al ensayo de vuelo. Ensayos de Vuelo Para los ensayos de vuelo, la pila PROTIUM-50 será integrada en un vehículo aéreo no tripulado (UAV). Los ensayos estarán diseñados para evaluar: • Desempeño en diferentes fases de vuelo: Se analizará el rendimiento de la pila durante el despegue, vuelo en crucero y aterrizaje, prestando especial atención a la estabilidad del suministro de energía. • Respuesta a cambios de carga: Se observará cómo responde la pila a variaciones abruptas en la demanda de energía, típicas durante maniobras de vuelo. Estos ensayos son fundamentales para determinar la viabilidad de la pila PROTIUM-50 en aplicaciones reales y para identificar posibles áreas de mejora en su diseño y operación. 3.2.3 Ejecución de los ensayos Durante la realización de los distintos ensayos y experimentos se llevaron a cabo las distintas actividades. a) Inicio de la pila de combustible: La pila fue encendida siguiendo el protocolo de arranque en su configuración #1, asegurando que se alcanzara unas condiciones operativas estables antes de iniciar los ensayos o de obtener datos. b) Aplicación de perfiles de carga: Se aplicaron distintos perfiles de carga a la pila para simular las condiciones de operación a la que se encontraría la misma en un UAV. Tales perfiles fueron con corrientes de baja y media intensidad, aunque teniendo en cuenta que la pila no debe funcionar a intensidades cercanas a 0 A por demasiados segundos, para asegurar su correcto funcionamiento y evitar accidentes o que los sensores de control se activen. c) Caracterización de la Pila: Se procedió a caracterizar la pila a mediante la preparación de la misma, la realización de distintos ensayos y el análisis de los datos obtenidos. d) Estudios,experimentos y ensayos: Se estudió que tipo de experimentos usar y que variaciones en los parámetros aplicar para realizar los experimentos o ensayos, como la obtención de la curva de polarización o el ensayo de conducción y vuelo. e) Monitoreo continuo: Durante los ensayos se registraron las distintas variables claves como el voltaje frente a la corriente suministrada, y se monitoreó continuamente todas las variables para tomar todos los detalles y evitar posibles fallos durante las pruebas. f) Análisis de la respuesta transitoria: Se evaluó además la capacidad de respuesta de la pila ante cambios brusco en la carga de la misma, observando su estabilidad de voltaje y corriente. g) Finalización del ensayo: Una vez completado el experimento en cuestión, la pila fue puesta en perfil de reacondicionamiento (12 V durante una hora) si se pretendía continuar con mas experimentos posteriormente, o en su defecto la pila fue apagada de forma segura. 3.2.4 Análisis de datos Tras la correcta ejecución de los ensayos tipificados y una vez recolectados los datos, se analizaron siguiendo los siguientes enfoques: 44 Capítulo 3. Metodología • Comparación con especificaciones del fabricante: Teniendo en cuenta que las condiciones de Temperatura ambiente y Humedad relativa en la localización de realización de los experimentos era distinta a las condiciones de testeo de la pila por el fabricante, se procedió a comparar las especificaciones técnicas proporcionadas por la guía y las obtenidas de forma experimental. • Evaluación de la estabilidad: Se analizó la capacidad de la pila de proporcionar un voltaje estable bajo diferentes perfiles de carga. • Evaluación de los ensayos: Una vez realizados los ensayos tipificados y recopilados los datos en Excel, se procedió a analizar y graficar los resultados para su futuro estudio y comprensión. • Determinación de la viabilidad: Finalmente terminado el estudio de los ensayos se discutió la viabilidad de la pila de combustible en sus aplicaciones en UAVs según el resultado de los mismos, y se procedió a hacer un informe considerando el comportamiento de la pila bajo los perfiles de misión simulados. 4 Resultados E n este capítulo se procede a presentar los distintos resultados que han sidos obtenidos y analizados durante la caracterización de la pila de combustible PROTIUM-50, con una capacidad nominal de 50 W de potencia que se pretende implementar en UAVs. Se describe los distintos experimentos y ensayos desarrollados, que incluyen curva de polarización obtenida experimentalmente y su comparación proporcionada por la guía de usuario, curva de eficiencia, comparación de histéresis en la curva de polarización al aumentar la corriente y disminuirla, curva V-I con los datos tanto proporcionados por el software del banco de ensayo como por la aplicación de la pila PROTIUM-50, y por último los datos extraídos durante las misiones de conducción y vuelo junto a sus respectivas gráficas. Una vez presentados los resultados de los ensayos y entendidos los mismos, se procede a hacer un análisis comparativo con la literatura existente y finalmente se discutirá las implicaciones de los resultados y la posible implementación de pilas de combustible de potencia reducida en tecnología en UAVs, junto con propuestas para futuras investigaciones. 4.1 Descripción y comparativa de las curvas de polarización Las curvas V-I (Voltaje frente Intensidad) son fundamentales para comprender el rendimiento de una pila de combustible, ya que reflejan la relación entre la corriente suministrada y el voltaje de salida. En esta sección, se presentan las curvas obtenidas durante los ensayos experimentales, se comparan con datos teóricos y se discuten las implicaciones de los resultados. 4.1.1 Descripción de las curvas de polarización obtenidas Las curvas de polarización son fundamentales para evaluar el rendimiento de la pila, pues nos muestra la variación en el voltaje de la pila en función a la corriente demandada. Cuando la demanda de corriente es mayor, el voltaje de salida disminuye ligeramente, pero el valor de potencia resultante en la multiplicación de ambos valores se incrementa. A continuación se muestra más detalladamente este estudio: • Curva de polarización de la pila siguiendo el protocolo de ensayo Primeramente se hizo una curva de polarización siguiendo el protocolo de ensayo tipificado que se puede observar en los anexos 6.1. recopilando los datos del banco de ensayo. Estos datos se pueden observar en la siguiente tabla 4.1: 45 46 Capítulo 4. Resultados Tabla 4.1 Datos del Banco de Ensayo según el Protocolo. A/cm2Intensidad (A) Voltaje (V) Potencia (W) 0.00 0.00 16.80 0.000 0.02 0.12 15.90 1.908 0.04 0.24 15.40 3.696 0.06 0.36 14.95 5.382 0.08 0.48 14.58 6.9984 0.10 0.60 14.28 8.568 0.20 1.20 13.36 16.032 0.30 1.80 12.83 23.094 0.40 2.40 12.30 29.52 0.50 3.00 11.84 35.52 0.55 3.40 11.60 39.44 Estos datos graficados quedan representados en la figura 4.1. 00.511.522.533.5 0 10 20 30 40 Intensidad (A) Voltaje (V) / Potencia (W) Voltaje y Potencia en función de la Intensidad (Banco de Ensayo) Voltaje (V) Potencia (W) Figura 4.1 Voltaje y Potencia en función de la Intensidad (Banco de Ensayo). • Curva de polarización de la pila hasta potencia máxima: En este estudio se obtuvieron 2 gráficas de polarización, pues se recopilaron datos tanto proporcionados por el propio banco de Hidrógeno, como por la aplicación Android de la pila de combustible. Podemos ver los datos recopilados en las tabla 4.2 y 4.3. 4.1 Descripción y comparativa de las curvas de polarización 47 Tabla 4.2 Datos tomados por la aplicación. Intensidad (A) Voltaje Aplicación (V) Potencia Aplicación (W) 0 16,54 0 0,12 15,73 1,8876 0,24 15,22 3,6528 0,36 14,79 5,3244 0,48 14,49 6,9552 0,6 14,2 8,52 1,2 13,42 16,104 1,8 12,85 23,13 2,4 12,42 29,808 3 12,05 36,15 3,4 11,83 40,222 3,5 11,81 41,335 3,6 11,73 42,228 3,7 11,7 43,29 3,8 11,67 44,346 3,9 11,62 45,318 4 11,56 46,24 4,1 11,54 47,314 4,2 11,48 48,216 4,3 11,43 49,149 4,4 11,38 50,072 4,5 11,35 51,075 Estos datos graficados quedan representados en la figura 4.2. 00.511.522.533.544.5 0 10 20 30 40 50 Intensidad (A) Voltaje (V) / Potencia (W) Gráfica de Voltaje y Potencia de la Aplicación en función de la Intensidad Voltaje (V) Potencia (W) Figura 4.2 Voltaje y Potencia de la Aplicación en función de la Intensidad. 48 Capítulo 4. Resultados Tabla 4.3 Datos tomados del banco de ensayo. Intensidad (A) Voltaje Banco (V) Potencia Banco (W) 0 16,5 0 0,12 15,71 1,8852 0,24 15,21 3,6504 0,36 14,8 5,328 0,48 14,48 6,9504 0,6 14,19 8,514 1,2 13,38 16,056 1,8 12,79 23,022 2,4 12,35 29,64 3 11,97 35,91 3,4 11,72 39,848 3,5 11,69 40,915 3,6 11,62 41,832 3,7 11,59 42,883 3,8 11,55 43,89 3,9 11,49 44,811 4 11,45 45,8 4,1 11,41 46,781 4,2 11,35 47,67 4,3 11,31 48,633 4,4 11,26 49,544 4,5 11,2 50,4 Estos datos graficados quedan representados en la figura 4.5. 00.511.522.533.544.5 0 10 20 30 40 50 Intensidad (A) Voltaje (V) / Potencia (W) Gráfica de Voltaje y Potencia del Banco en función de la Intensidad Voltaje (V) Potencia (W) Figura 4.3 Voltaje y Potencia del Banco en función de la Intensidad. 4.1 Descripción y comparativa de las curvas de polarización 49 Por último se presentan ambas gráficas fusionadas en una sola gráfica para apreciar mejor las leves diferencias: 00.511.522.533.544.5 0 10 20 30 40 50 Intensidad (A) Voltaje (V) / Potencia (W) Comparación de Voltaje y Potencia entre Aplicación y Banco en función de la Intensidad Voltaje Aplicación (V) Voltaje Banco (V) Potencia Aplicación (W) Potencia Banco (W) Figura 4.4 Comparación de Voltaje y Potencia entre Aplicación y Banco en función de la Intensidad. Podemos observar que ambas figuran son prácticamente idénticas y no hay diferencias notables, por lo que podemos elegir cualquiera entere las 2 gráficas indistintamente. A partir de ahora, salvo contraindicación, tomaremos como referencia la gráfica 4.5 que representa los datos tomados por el banco de ensayo. • Parámetros críticos: Efectivamente se alcanza la potencia máxima de 50 W e incluso se supera levemente en ambos casos. Se intentó aumentar la corriente demandada para forzar un aumento de potencia, pero rápidamente el sensor de protección de la pila se activó imposibilitando un aumento de potencia mayor, aunque podemos afirmar que la potencia nominal se cumple incluso en condiciones ligeramente distintas a las condiciones en las que el fabricante testeó la pila. También se observó que los mayores saltos de potencia conseguidos están comprendidos entre demandas de Intensidad de 0.5 y 3.5 Aaproximadamente. • Factores que afectan las curvas: factores como la temperatura ambiente o la humedad relativa, pueden afectar a las curvas y al rendimiento en general de la pila. En el laboratorio la temperatura ambiente era de 25 ºC y la humedad relativa era del 53% (estos datos fueron tomados con sistemas de detección de temperatura y humedad relativa en el ambiente externos al banco de hidrógeno), que son ligeramente a las condiciones de test de 24 ºC y humedad relativa del 60%, por lo que puede ser la razón principal de una posible leve diferencia entre las curvas características experimentadas en el laboratorio y la facilitada por el fabricante. 56 Capítulo 4. Resultados Tabla 4.6 Tabla de los datos recopilados en la misión de conducción. Intensidad (A) Voltaje (V) Tiempo (s) Potencia (W) 0 16.4 0 0.0000 0.2009 14.95 15 3.0031 0.0804 14.9 28 1.1972 0.4291 14.14 61 6.0670 0.0804 15.42 96 1.2390 0.6701 13.4 143 8.9796 0.4692 14.0 163 6.5694 0.0804 15.45 188 1.2414 0.2025 14.76 210 2.9886 0.0804 15.32 223 1.2310 0.4291 15.22 256 6.5304 0.0804 15.23 291 1.2237 0.6701 13.3 338 8.9126 0.4692 13.84 358 6.4943 0.0804 15.34 383 1.2326 0.2009 14.65 405 2.9428 0.0804 15.23 418 1.2237 0.4291 13.82 451 5.9297 0.0804 15.22 486 1.2229 0.6701 13.2 533 8.8456 0.4692 13.76 553 6.4568 0.0804 15.3 578 1.2294 0.2009 14.61 600 2.9348 0.0804 15.21 613 1.2221 0.4291 13.76 646 5.9040 0.0804 15.16 681 1.2181 0.6701 13.16 728 8.8188 0.4692 13.26 748 6.2222 0.0804 15.17 773 1.2189 0.9369 12.85 841 12.0389 0.6701 13.34 899 8.9394 0.9369 12.88 981 12.0670 1.3386 12.41 1066 16.6124 1.6070 12.17 1116 19.5572 0 16.12 1160 0.0000 Una vez recopilados los datos se graficó los mismos para ver la capacidad de respuesta de la pila. Concretamente a lo largo de una misión de unos 20 minutos la pila fue capaz de generar potencia a distintas intensidades, en el caso de esta misión, una baja potencia a lo largo de toda la simulación de conducción. tras ello se obtuvo la gráfica 4.9. 4.2 Descripción y comentarios sobre las curvas de conducción y misión 57 0 200 400 600 800 1,000 1,200 0 5 10 15 20 Tiempo (s) Potencia (W) Figura 4.9 Gráfica de la potencia en función del tiempo en el ensayo de Conducción. Podemos observar que efectivamente la pila de combustible PROTIUM-50 ha sido capaz de finalizar la misión de conducción sin complicaciones. El tiempo de respuesta es lo suficientemente rápido para presentar un comportamiento suave en la gráfica y la misma tiene un comportamiento óptimo, tanto en momentos de aumento de demanda de potencia como de reducción. Los saltos de potencia eran de alrededor de los 5 y 10 W aunque durante el aterrizaje la pila pasó de operar a su máxima potencia durante el ensayo a aterrizar produciendo finalmente 0 W. – Conclusiones de la misión de conducción: La misión de conducción nos sirve para ver el funcionamiento de la pila ante distinta demanda de energía, antes de someterla a ensayos con saltos de potencia más elevados y una potencia máxima durante el ensayo el doble de mayor como ocurre en el ensayo de vuelo. Podemos concluir que la misión ha sido un éxito y que ha cumplido las expectativas. 4.2.2 Curvas de misión de vuelo en el contexto del UAV Tras el ensayo de Conducción que culminó con éxito se decidió plantear una misión de simulación de vuelo, para analizar el comportamiento de la pila ante un tipo de operación más similar a las aplicaciones de UAV para las que está planteado este proyecto. El ensayo de vuelo está tipificado por el protocolo adjuntado en los anexo, y someterá a la pila de combustible tipo PEM alimentada por hidrógeno PROTIUM-50 a una prueba relevante para analizar la viabilidad de la misma en su aplicación en un UAV. – Descripción de la curva: Una vez diseñada la misión se procede a la realización de la misma. Tras la simulación de vuelo, se consiguió obtener los siguientes datos recopilados en la tabla 4.7. 58 Capítulo 4. Resultados Tabla 4.7 Tabla de los datos recopilados en la misión de vuelo. Intensidad (A) Voltaje (V) Tiempo (s) Potencia (W) 0.00 17.10 0 0.0000 0.68 14.60 20 9.9280 1.36 13.38 50 18.1968 2.04 12.60 80 25.7040 2.72 12.00 110 32.6400 3.06 11.75 125 35.9550 2.72 12.15 140 33.0480 2.04 12.85 160 26.2140 1.36 13.65 180 18.5640 1.02 14.00 200 14.2800 1.36 13.34 250 18.1424 1.02 13.85 300 14.1270 1.36 13.30 400 18.0880 1.02 13.78 500 14.0556 0.51 14.70 550 7.4970 0.00 16.50 600 0.0000 0.51 14.61 620 7.4511 1.02 13.65 650 13.9230 1.36 13.20 700 17.9520 1.02 13.75 800 14.0250 1.36 13.20 900 17.9520 1.02 13.75 1000 14.0250 0.51 14.65 1100 7.4715 0.00 16.40 1200 0.0000 0 200 400 600 800 1,000 1,200 0 10 20 30 Tiempo (s) Potencia (W) Figura 4.10 Gráfica suave de la potencia en función del tiempo. Podemos observar en la gráfica 4.10 que efectivamente la pila de combustible PROTIUM-50 ha sido capaz de finalizar la misión de vuelo sin complicaciones. El tiempo de respuesta es lo suficientemente rápido para presentar un comportamiento 4.3 Limitaciones del estudio 59 idóneo en la gráfica y la misma tiene un comportamiento óptimo tanto en momentos de aumento de demanda de potencia como de reducción. Los saltos de potencia en este caso son mayores a los de la misión de conducción y se alcanzaron picos de potencia cercanos a los 40 W , aunque la pila se podría forzar a funcionar a su potencia nominal o cerca de ella siempre y cuando los saltos no sean demasiado bruscos. En esta misión hay 2 fases de despegue, 2 fases de crucero y 2 fases de aterrizaje, esto se debe a que se ha hecho una parada que nos permite averiguar que la pila de combustible tiene una alta versatilidad funcionando óptimamente a cambios de demandas relativamente bruscos. – Conclusiones de la misión de vuelo: Se puede concluir que la misión de vuelo ha sido un éxito ya que se ha podido completar sin complicaciones. Esto demuestra que es una pila capaz de ofrecer la demanda de potencia que se le pide y se cumplir el perfil de simulación de una misión de vuelo correctamente. 4.3 Limitaciones del estudio Es importante señalar las limitaciones del estudio. En primer lugar la pila de combustible PROTIUM-50 tiene una reducida potencia nominal de 50 W que complica su integración en UAV en solitaria relegándola a sistemas híbridos para encontrar viabilidad. Las condiciones controladas en las que se realizó la simulación de vuelo pueden ser significativamente diferente en la realidad, donde factores como la altitud, temperatura o humedad ambiente pueden afectar negativamente al funcionamiento de la pila y por ende a su operación. 5 Conclusiones 5.1 Resultados más relevantes En los laboratorios se han hecho distintos estudios relevantes, tanto sobre la pila en si misma, sus características y capacidad de operación como esencialmente su aplicación a misiones de vuelo. Los resultados nos muestran que la pila de combustible PROTIUM-50 ofrece un rendimiento eficiente en las condiciones controladas del laboratorio, permitiendo una generación de energía constante y estable adecuado para aplicaciones de baja potencia. Entre los resultados más relevante obtenidos podemos destacar: 5.1.1 Curva de polarización En las figuras 4.5 y 4.6 podemos observar que la pila, si bien de manera no idéntica, se comporta de manera similar en el ensayo experimental a como las especificaciones nos muestra. Especialmente importante es tener en cuenta que en condiciones distintas de temperatura, humedad relativa o otros factores relevantes, se puede seguir consiguiendo generar una potencia de 50 W. Además experimentalmente en el laboratorio se comprobó que al forzar una mayor demanda de potencia aumentado la intensidad, la pila no respondía ya que los mecanismo de seguridad se activaban así que la pila puede operar en un rango de potencia máximo de 50 W. 5.1.2 Influencia de la Histéresis Como se puede observar en la figura 4.8 la Histéresis, si bien existente, no tiene una influencia demasiado relevante en la curva V−I por lo que podemos afirmar que la pila tiene un comportamiento eficiente y predecible frente a cambios de carga bien ascendente o descendente. Esto es especialmente relevante en misiones con cambios diferentes cambios de demanda de energía durante la operación como los que se pueden dar en los distintos vuelos. 61 62 Capítulo 5. Conclusiones Simulación de misión de vuelo Como ensayo más importante se realizó una simulación de misión de vuelo para comprobar la viabilidad de la pila de combustible en este tipo de aplicaciones, probando en esencia su capacidad de generar energía de forma estable y continua y su velocidad de respuesta ante distintos perfiles de carga como se observa en la figura 4.10. Los datos obtenidos son los más relevantes del estudio de este proyecto. Tras finalizar la simulación de misión de vuelo de forma exitosa y analizar los datos podemos afirmar que la pila de combustible PROTIUM-50 es capaz de generar energía de forma continua y estable y además tiene una velocidad de respuesta a distintos perfiles de carga lo suficientemente rápida para su aplicación en UAVs. 5.2 Recomendaciones para trabajos futuros Usando como base el estudio realizado en el presente trabajo, se podría expandir el estudio intentando aplicar la pila a un dron real realizando un diseño de un dron híbrido en la que se pueda utilizar la pila de combustible y además baterías de litio convencionales especialmente para el despegue del dron. Adicionalmente se podría explorar la durabilidad del modelo utilizado bajo condiciones de operación prolongadas en el tiempo o complejas debido a una altitud, temperatura o humedad relativa compleja. Finalmente estudio de modelos de aún más baja potencia como PROTIUM-50 pueden ser interesante para comprobar la escalabilidad de esta tecnología y ampliar la literatura científica. 5.3 Conclusión final Las pilas de combustible PEM son una tecnología viable para la generación de energía limpia a partir del hidrógeno con aplicaciones potenciales en múltiples sectores como en los UAVs. Tras caracterizar y analizar el modelo PROTIUM-50 capaz de generar una reducida potencia de 50 W , se ha observado que sus características, especialmente su velocidad de respuesta antes distintos perfiles de carga, la permiten ser una opción viable en la aviación no tripulada. Sin embargo, la potencia limitada a 50 W disminuye sus opciones en el mercado ya que los drones comerciales tienen potencias mayores, usualmente alrededor de los 1000 W o incluso superiores. Pilas de mayores potencia pueden tener mayor cabida en este sector y de hecho ya están en una fase comercial. Es muy importante que las investigaciones en este tipo de tecnología aumenten no solo la potencia, sino que también se focalice la investigación en aumentar la durabilidad y cantidad de ciclos de vida para ser una opción aún más atractiva para los fabricantes de UAVs. Los modelos de UAVs híbridos que utilizan pilas de combustible junto a baterías convencionales de litio pueden ser un nicho en el que pilas con propiedades similares al modelo estudiado pueden encontrar utilidad, aumentando ligeramente la autonomía de estos sistemas. Aún existen barreras que esta tecnología debe superar, como los altos gastos asociados y la disponibilidad del hidrógeno en el mercado, pero las ventajas en 5.3 Conclusión final 63 términos de eficiencia energética, autonomía y sostenibilidad ambiental hacen de esta tecnología un candidato serio para futuros modelos de del sector de la aviación no tripulada. La expansión de infraestructuras basadas en el hidrógeno junto a la reducción de los costos de producción pueden favorecer una mayor adopción de esta tecnología limpia. 6 Anexos 6.1 Guía de usuario PROTIUM-50 FUEL CELL A continuación se presenta la guía de usuario de la pila de combustible que se ha estudiado y caracterizado adjuntada como anexo 65 Configuration #1 CHAPTER 3 | OPERATING PROCEDURES In Configuration #1, an adjustable DC power supply is required for the initial start-up of the electronic controller. This configuration is suitable for lab bench-top experiments. 1. Connect purge tubing (20)between the inlet of the purge valve (2) and H2gas outlet connector (4). Caution: always put the purge valve outlet behind the cooling fan and never in front of the fuel cell stack. 2. Connect P2 receptacle (8) into its respective header on the electronic controller (9). Tip:for safety, ensure that all switches (13)and (14)is OFF at this stage. 3. Ensure that jumper (12)is in place. 4. Plug (10)and (11) to (5) and (6) respectively. 5. Connect your load into (18). Tip:check that the polarity is correct.It is also advisable to put an ON/OFF switch at your load and ensure that it is turned OFF at this time. 6. Using aDC power supply, provide a 5-5.8V, 0.5A input to Auxiliary power input P1 (17). LED2 (15)will light up and cooling fan (7) will start to spin. 7. Supply Hydrogen gas regulated to 5psig pressure into (3). PROTIUM-50 is now live. 8. Toggle (13) to ON.Gas purging sound can be heard and LED3 (16)will light up.The fuel cell will begin delivering power to (18). Turn ON your load to draw power. 3OPERATING PROCEDURES SETTING UP PROTIUM-50 PROTIUM-50 has 4 different user configurations depending on the application objective. Configuration #1 (with DC start-up power supply) CHAPTER 3 | OPERATING PROCEDURES In Configuration #2, an auxiliary battery is used for the initial start-up of the electronic controller. This configuration is suitable for mobile/portable application. •Fill auxiliary battery holder (19) with 4x AA battery. •Repeat the procedures in Configuration #1, replacing the DC power supply in step 6 with the auxiliary startup battery. Configuration #2 Configuration #2 (with auxiliary start-up battery) CHAPTER 3 | OPERATING PROCEDURES During normal operation, the fuel cell stack will power its own balance-of-plant (BOP) i.e. the cooling fan, purge valve and electronic controller. In Configuration #3, all BOP will be powered by an external DC power supply.This configuration is suitable for assessing the fuel cell gross power output. 1. Connect purge tubing (20)between the inlet of the purge valve (2) and H2gas outlet connector (4). Caution: always put the purge valve outlet behind the cooling fan and never in front of the fuel cell stack. 2. Connect P2 receptacle (8) into its respective header on the electronic controller (9). Tip:for safety, ensure that all switches (13)and (14)is OFF at this stage. 3. Remove jumper (12)and keep it in asafe place. 4. Plug (10)and (11) to (5) and (6) respectively. 5. Connect your load into (18). Tip:check that the polarity is correct.It is also advisable to put an ON/OFF switch at your load and ensure that it is turned OFF at this time. 6. Using aDC power supply, provide a 5-20V, 0.5A input to Auxiliary power input P1 (17). LED2 (15)will light up and cooling fan (7) will start to spin. 7. Supply Hydrogen gas regulated to 5psig pressure into (3). PROTIUM-50 is now live. 8. Toggle (13) to ON.Gas purging sound can be heard and LED3 (16)will light up.The fuel cell will begin delivering power to (18). Turn ON your load to draw power. Configuration #3 Configuration #3 (externally powered balance-of-plant) CHAPTER 3 | OPERATING PROCEDURES In Configuration #4, a hybrid battery is added in parallel to PROTIUM-50 at the load output.This configuration is suitable when more power beyond the fuel cell’s rated output is desired. Caution: Never connect the load output of PROTIUM-50 directly to a battery without electrical protection such as adiode in place. •Follow steps 1-5 of Configuration #3. 6. Connect your load and hybrid battery with diode into (18). Tip:check that the polarity is correct.It is also advisable to have an ON/OFF switch for the hybrid battery and that it is OFF at this stage. 7. Turn ON the hybrid battery. LED2 (15)and LED3 (16)will light up. 8. Supply Hydrogen gas regulated to 5psig pressure into (3). PROTIUM-50 is now live. 9. Toggle (13) to ON.Gas purging sound can be heard.The fuel cell will begin delivering power to (18). Turn ON your load to draw power. Tip:it is also possible to connect aDC power supply in lieu of the hybrid battery. Configuration #4 Configuration #4 (Hybrid battery for increased load output power) CHAPTER 3 | OPERATING PROCEDURES •Purging and ventilation Operate PROTIUM-50 in awell ventilated environment.Fresh air intake for the fuel cell stack and exhaust from its purge valve shall not be obstructed or restricted.PROTIUM-50 periodically flushes its anode during operation, releasing Hydrogen gas and water from the purge valve.Do not bring flame or electric spark close to the purge valve’s outlet. Caution: always put the purge valve outlet behind the cooling fan and never in front of the fuel cell stack.Purged Hydrogen mixed with air intake into the fuel cell’s cathode channels may cause fire and irreversible damage to the fuel cell.It is advisable to attach a longer gas tubing to the purge valve’s outlet and safely guide the purge exhaust far away from the fuel cell. •Short-Circuit (SC):during normal operation, PROTIUM-50 output power will decay after some time.This is normal.To rejuvenate the stack and maintain high power output, toggle the SC (14) to ON. Note that the load will temporarily lose power (100ms duration every 15speriod) when SC is ON. •Over-power:do not draw power in excess of the fuel cell’s rated power (50W).If hybrid battery is connected, PROTIUM-50 will provide its maximum output while the rest is augmented by the battery.The total power available depends on the capacity of the battery. •Voltage balancing with hybrid battery:in Configuration #4, the load will predominantly take power from the higher voltage source.To maximize the fuel cell power output, it is advisable to match the hybrid battery’s voltage at around 12V. •Supply valve:while not necessary, it is advisable to install avalve at the Hydrogen supply line for ease of cutting off the gas supply during shutdown or in case of emergency. •Ensure all gas tubing and electrical wire connections are firm and secure. •Check the delivery pressure of the hydrogen gas supply. Insufficient pressure will affect PROTIUM-50’s performance while excessive pressure might rupture its membrane electrode assembly and cause permanent damage. Shutting down PROTIUM-50 At the end of your operation: 1. Turn OFF your load at (18). 2. Toggle the switches (13)and (14) to OFF. 3. Shut off the Hydrogen supply into gas inlet connector (3). 4. Stop or disconnect the input power supply at (17). 5. Disconnect all cable, wiring and gas tubing. NOTES REMINDERS CHAPTER 4 | SYSTEM MONITORING & PROTECTIONS During operation, you can view PROTIUM-50 system parameters live via an Android app: 1. Download the Graphic User Interface (GUI) app online: https://www.spectronik.com/protium-50 2. Install the app on your android device.Turn on Bluetooth and allow the app to access photos and medias on your device as well as the device’s location. 3. Click ‘Scan’ to find PROTIUM-50.It will appear in its product ID.Tip:the product ID can be found on the label pasted on the fuel cell and its storage box. 4. Once the system is connected, you can view the fuel cell’s Voltage, Current, Power and Energy values in real time. 5. To log the data in csv format, tap on the ‘Data Logging’ button at the bottom of the screen.The app will start recording the live system parameters. 6. To access the file, tap on the three buttons icon on the top right side of the screen and choose ‘Open file’. You can also find the file in the following directory:File manager/MyFiles >Internal storage >Android >data >com.spectronik.GUI >files >miniDataLog.csv Tip:the app cannot run in the background.If you leave the screen, or access the data log file while the system is still running, it will not record the latest data.Once you return to the app, it will continue to append new rows of data to the file. SYSTEM MONITORING & PROTECTIONS 4 PROTIUM-50 has several in-built protections. A red light will flash in the ‘E1’, ‘E2’ or ‘E3’ box on the app, depending on the type of error that occurs. Follow the basic troubleshooting guide below.Most errors should be rectified once the suggested action has been done and the system restarted.If the error persists, contact [email protected]. CHAPTER 4 | SYSTEM MONITORING & PROTECTIONS Error Corrective Action E1 E1 = low stack voltage during starting phase. •Ensure sufficient Hydrogen supply and correct delivery pressure. •Ensure that plugs (10) and (11) are securely connected into the receptacles (5) and (6). •Ensure all gas tubing and connectors (3) and (4) are not loose. Caution: if audible gas hissing sound can be heard, the stack sealing may have been compromised. Turn off the Hydrogen gas supply and stop all operations. Contact Spectronik. E2 E2 = low stack voltage during normal running phase. The electronic controller will cut off the power output to load, LED3 (16) will turn OFF. If the stack voltage recovers, the power output to load will automatically re-engage and LED3 (16) will turn ON again. Otherwise, the system will shutdown. •Ensure sufficient Hydrogen supply and correct delivery pressure. •Reduce your load, make sure not to draw more than the fuel cell’s rated power output. E3 E3 = automatic system shutdown as a protection due to consecutive E2 errors. •Ensure sufficient Hydrogen supply and correct delivery pressure. •Reduce your load, make sure not to draw more than the fuel cell’s rated power output. •Check the entire set-up and attempt a restart after a few minutes. CHAPTER 5 | MAINTENANCE & STORAGE When not in use, Spectronik recommends that PROTIUM-50 is reconditioned at least once a month. 1. Set up PROTIUM-50 in Configuration #3, using aDC electronic load in lieu of your regular load. 2. After the system is live, ensure that SC (14)is ON. 3. Set aconstant voltage (CV) load of 12Vand run the system for 1hour.The fuel cell should recover to its maximum rated power output. 4. PROTIUM-50 is now ready for usual operation or can be stored again for future use. Keep PROTIUM-50 in an open, cool (standard room temperature of 25oC) and dry place. 5MAINTENANCE AND STORAGE MAINTENANCE FOR PROTIUM-50 STORAGE 80 Capítulo 6. Anexos 6.2 Protocolo de ensayo A continuación se presenta el protocolo de ensayo tipificado que se ha seguido para la caracterización de la pila y poder obtener una primera curva de polarización. Además siguiendo el protocolo se realizó los ensayos de misión de conducción y de vuelo. EU HA RMONISED TEST PROTOCOLS FOR PEMFC MEA TESTING IN SINGLE CELL CONFIGURATION FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS 2015 Georgios Tsotridis, Alberto Pilenga, Giancarlo De Marco, Thomas Malkow EUR 27632 EN EU Harmonised Test Protocols for PEMFC-MEA Testing in Single Cell Configuration for Automotive Applications 57 The graphical overview of the FC-DCL cycle profile is presented in the figure F.1 The 100% current load value to be used in the FC-DLC is defined by the average current density of the ascending and descending polarization curve measurements to yield a cell voltage of 0.65V Figure F.1: Fuel Cells Dynamic Load Cycle profile 0 20 40 60 80 100 0 200 400 600 800 1000 1200 Load [%] Time [sec] Bibliografía [1] (2023) Red eléctrica. Energia renovable. [Online]. Available: https://www.ree.es/es/sala-de-prensa/actualidad/nota-de-prensa/2023/ 03/las-energias-renovables-podrian-alcanzar-50porciento-del-mix-de- generacion-electrica-en-espana-en-2023 [2] (2024) Acuerdo de parís. [Online]. 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