Architecture optimization of fuel cell light commercial vehicles in terms of performance and environmental impact

Abstract

[ES] En el mundo actual, donde la descarbonización del transporte es clave para alcanzar la sostenibilidad ambiental, los vehículos de pila de combustible han ganado interés debido a su potencial para reducir las emisiones de carbono. Este Trabajo Fin de Grado busca optimizar los componentes de un vehículo comercial ligero de pila de combustible con el objetivo de maximizar sus prestaciones y minimizar el impacto ambiental. Para ello, una serie de simulaciones son lanzadas en GT-Suite y MATLAB, variando la potencia máxima de la pila de combustible del vehículo, el contenido energético de su batería y la capacidad de su tanque de hidrógeno. Estrategias de gestión energética son variadas para alcanzar la máxima autonomía posible para cada una de las arquitecturas estudiadas, comparando los modos típicos de mantenimiento y consumo de carga con modos de control combinado. Finalmente, se realiza una metodología de análisis del ciclo de vida (LCA) para evaluar la huella ambiental de las arquitecturas consideradas y para comprender el potencial de reducción de emisiones comparado con vehículos equivalentes de batería o de motor de combustión interna. Tras analizar los resultados, se concluye que las prestaciones se optimizan cuando el vehículo cuenta con un tanque de hidrógeno grande, una batería grande, y una pila de combustible de tamaño medio-grande, además de una estrategia de control energético combinado. En lo que corresponde a su impacto ambiental, el tamaño ideal de los componentes es de una batería pequeña y de una pila de combustible de tamaño medio-grande, mostrando potencial de producir menos emisiones que vehículos comerciales ligeros de batería o motor diésel.

[EN] In today¿s world, where decarbonizing transportation is key to achieve environmental sustainability, fuel cell vehicles have gained interest due their potential to reduce carbon emissions. This Bachelor¿s Thesis targets the optimization of the components of fuel cell light commercial vehicles with the objective of maximizing performance and minimizing environmental impact. To achieve this, a series of simulations are launched in GT-Suite and MATLAB, varying the vehicle fuel cell stack maximum power, battery energy content and hydrogen tank capacity. Energy management strategies are adjusted in order to achieve maximum range for each studied architecture, comparing the typical charge-sustaining-charge-depleting modes with blended control. Finally, a life cycle assessment (LCA) methodology is performed to evaluate the environmental footprint of the considered architectures and to understand their potential to reduce emissions against equivalent battery or internal combustion engine vehicles. After analyzing the results, it is concluded that performance is optimized when the vehicle counts with a large hydrogen tank, a large battery, and a medium-to-large fuel cell stack, while also including a blended energy management strategy. As for its environmental impact, the ideal size of the components is of a small battery and a medium-to-large fuel cell stack, showing potential of producing fewer emissions than battery or diesel-engine light commercial vehicles.