Observatorio de I+D+i UPM

Memorias de investigación
Thesis:
Estudio de La Influencia de las Condiciones Atmosféricas en el Rendimiento de Pilas de Combustible de Baja Temperatura (PEMFC Y DMFC) para su aplicación en aeronaves no tripuladas (doi: 10.20868/UPM.thesis.48149)
Year:2017
Research Areas
  • Mechanical aeronautics and naval engineering
Information
Abstract
El objetivo general de la tesis doctoral es realizar modelos de simulación y validarlos experimentalmente para poder determinar la influencia de las condiciones ambientales sobre el rendimiento de la pila y de esta forma, poder estudiar la configuración óptima del stack y sistemas auxiliares dependiendo de su aplicación y condiciones de vuelo. La principal aplicación será la propulsión, pero puede ser cualquier otra aplicación energética o de potencia a bordo del UAV. A continuación se enumeran los principales objetivos específicos: ? Estudiar el estado del arte de la utilización de pilas de combustible en sistemas de propulsión eléctrica para aeronaves no tripuladas (UAV), analizando su interés y la viabilidad del uso de diferentes tipos de pilas de combustible: pila de combustible de metanol directo (DMFC), apenas estudiadas para esta aplicación, y pilas de combustible de hidrógeno tipo PEM. ? Estudiar las condiciones atmosféricas en las que opera el UAV. Para ello se determinan las actuaciones y envolvente de vuelo de UAV susceptibles de utilizar pilas de combustible, llegándose a un modelo de condiciones ambientales según esa envolvente de vuelo. ? Obtener modelos de la curva de polarización de cada tipo de monocelda (PEM de hidrógeno y DMFC) que permitan su potencial utilización en el apilamiento en forma de stacks. ? Desarrollar un banco de ensayos específico en laboratorio que permita la evaluación experimental de las variaciones de condiciones atmosféricas durante la operación de la pila de combustible. ? Simular numéricamente los sistemas, analizando los resultados obtenidos al variar parámetros como altitud, humedad y temperatura atmosféricas y temperatura de operación, lo que permitirá obtener conclusiones sobre la influencia en el rendimiento para los distintos casos de vuelo. ? Ajustar y validar los modelos con los datos experimentales, analizando paramétricamente los datos de interés. La influencia de las condiciones ambientales sobre el rendimiento de la pila de combustible resulta de interés no sólo en aplicaciones propulsivas, sino también en cualquier aplicación de suministro energético a bordo de la aeronave no tripulada. En cuanto a las dos pilas de combustible de interés en esta tesis doctoral (PEMFC y DMFC), sus distintos intervalos de potencia específica llevan a estudiar diferentes tipos de UAV a la hora de determinar las condiciones ambientales de operación. Las pilas PEM alimentadas con hidrógeno tienen menos limitaciones; de hecho, ya hay helicópteros UAV en los que se ha implementado ese sistema [Parekh, 2010], además de UAV de tamaño pequeño y mediano de distintas tipologías. Las limitaciones en potencia específica de la pila de metanol inducen a elegir, fundamentalmente, entre dos caminos en cuanto a aplicaciones propulsivas: mini UAV o dirigible. Para el estudio de las condiciones atmosféricas del vuelo del UAV, se tomarán datos de UAV reales, puesto que un nuevo diseño escapa de los objetivos de la tesis doctoral [Moffitt, 2006]. Para poder considerar distintas altitudes de vuelo, es necesario determinar la influencia de las condiciones atmosféricas del vuelo aeronáutico (presión, temperatura, humedad, etc.) en el rendimiento de la pila de combustible, definiendo los modelos para esas condiciones según la envolvente de vuelo de la aeronave. En vuelo, las condiciones atmosféricas cambian con mayor o menor brusquedad en función del techo del UAV, de su velocidad, del emplazamiento de los aeródromos, etc. La influencia en el rendimiento de la pila de combustible es clara, ya que parámetros como la humedad relativa atmosférica influyen en el funcionamiento de la membrana de la pila, para la que resulta clave el contenido en agua. Existen gráficas empíricas de la influencia de la altitud en una pila de combustible de un UAV con sistema de propulsión basado en una pila PEMFC del fabricante Horizon Energy Systems, pero no se encuentran estudios similares para las pilas DMFC.
International
No
Type
Doctoral
Mark Rating
Sobresaliente cum laude
Date
07/09/2017
Participants
  • Director: Emilio Navarro Arevalo (UPM)
  • Director: Teresa de Jesus Leo Mena (UPM)
  • Autor: Óscar González Espasandín (Programa de Doctorado en Ingeniería Aeroespacial-UPM)
Research Group, Departaments and Institutes related
  • Creador: Grupo de Investigación: Pilas de Combustible, Tecnología del Hidrógeno y Motores Alternativos
  • Departamento: Mecánica de Fluidos y Propulsión Aeroespacial
  • Departamento: Arquitectura, Construcción y Sistemas Oceánicos y Navales (Dacson)
S2i 2020 Observatorio de investigación @ UPM con la colaboración del Consejo Social UPM
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