Resumen de Diseño de una planta de potencia basada en pila de combustible para un uav de elevada altitud
En los últimos años, la industria aeronáutica está mostrando un creciente interés en el desarrollo y uso de vehículos aéreos no tripulados (UAV). Los UAV son cada vez más empleados en el sector militar, donde destacan las plataformas destinadas al reconocimiento de terrenos, las comunicaciones y el espionaje. No obstante, también están aumentando las aplicaciones en el sector industrial y civil, en tareas tales como el mantenimiento de grandes infraestructuras, la vigilancia de cultivos y bosques, la protección de parques naturales, el control de fronteras o para realizar mediciones meteorológicas. Propulsar estos dispositivos mediante sistemas eléctricos es preferible por su mayor eficiencia comparada con la de los motores de combustión interna y la práctica ausencia de emisiones contaminantes.
La presente tesis se centra en la investigación de una nueva planta de potencia basada en pila de combustible con membrana polimérica (PEMFC), estudiando una solución hibridada con un banco de baterías de litio-polímero comercial que permita a un prototipo de UAV ligero elevar su cota de vuelo hasta la alta troposfera (10 000 m). La tesis se presenta como un compendio de artículos publicados, dividida en tres partes. En la primera, distribuida en seis secciones, se realiza un resumen de todas las investigaciones que han dado lugar a las publicaciones. La segunda contiene el texto adaptado de las publicaciones que conforman la tesis, mientras que en la tercera se incluyen como anexos algunos documentos adicionales, así como la información técnica de la MEA (del inglés Membrane Electrode Assembly) utilizada y los planos de las placas diseñadas para la pila.
Para cumplir el objetivo propuesto, durante la tesis se han escrito códigos numéricos específicos que permitieron resolver el problema aerodinámico y realizar un completo análisis energético, obteniendo como resultado la distribución de pesos de los diferentes elementos que conforman el UAV. Las difíciles condiciones de vuelo debidas a la baja presión en la troposfera imponen que la pila de combustible sea de alta temperatura (HT-PEMFC) y cátodo cerrado, ensamblada con membranas de PBI (polibencimidazol) dopadas con ácido fosfórico, lo que permite una temperatura de trabajo de 160 ºC. Se ha desarrollado una HT-PEMFC ligera con diseño propio de todos los elementos mecánicos (las placas monopolares, de presión y terminales, el sistema de sellado y el sistema de cierre), excepto los sistemas membrana-electrodo, que son componentes comerciales. Asimismo, se ha resuelto el problema térmico combinando medidas experimentales y simulaciones numéricas con un código propio y se ha diseñado un sistema de refrigeración pasivo con un consumo mínimo de potencia. Los estudios han concluido que la planta de potencia más eficiente y estable es una híbrida formada por la HT-PEMFC y un banco de baterías de litio-polímero y un sistema de regulación electrónica pasiva, que al mismo tiempo reduce el peso total del sistema.
Este trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación fundamental no orientada titulado “Diseño y fabricación de una pila PEM ultraligera de mediana potencia para unidad de energía de un UAV” subvencionado por la Secretaría de Estado para la investigación del Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España (Ref: ENE2012-38642-C02- 01/CON).
