Caracterización experimental de una pila de combustible de 1200 W e integración de los resultados en una herramienta de modelado

Abstract

[ES] Durante mucho tiempo se ha dependido de combustibles fósiles no renovables como principal fuente de energía, a pesar de sus limitaciones y graves impactos ambientales. Por tanto, es esencial buscar fuentes de energía alternativas sostenibles y respetuosas con el medio ambiente. En este sentido, el hidrógeno demuestra ser un candidato ideal debido a su fácil disponibilidad y gran potencial. Sin embargo, no se trata de una fuente de energía primaria sino un portador de energía de otras fuentes primarias por lo que se denomina vector energético. La aplicación del hidrógeno en pilas de combustible encarna una solución limpia y versátil para diversas aplicaciones. Estos dispositivos son conocidos por su eficiencia en la conversión de energía química en electricidad, permiten una conversión y utilización eficiente de diversas fuentes de hidrógeno. En comparación con los combustibles fósiles, las pilas de combustible ofrecen una fuente de energía más eficiente y respetuosa con el medio ambiente, allanando el camino hacia un futuro más sostenible. En el presente Trabajo Fin de Máster, se lleva a cabo la caracterización experimental de una pila de combustible tipo PEMFC con una potencia de 1200 W. El objetivo principal de la caracterización experimental es comprender cómo responde la celda de combustible ante diferentes niveles de demanda de intensidad. Los resultados de esta caracterización se integrarán en una herramienta de modelado que tiene como finalidad analizar y evaluar si el comportamiento obtenido experimentalmente se replica en el modelo de la simulación. Además, se incorporan los datos correspondientes a una pila de combustible de 100 W, proporcionados por su catálogo de características, con el mismo objetivo. En este estudio, también se realizará un calculo exhaustivo del consumo de hidrógeno para un vehículo destinado a personas con movilidad reducida, así como para un vehículo aéreo no tripulado con las pilas de combustible de estudio. Este análisis permitirá evaluar la viabilidad y eficiencia de las pilas de combustible en diferentes aplicaciones. Finalmente, se examinará mediante simulación el impacto de diversas variables, como la temperatura, el espesor y la sección de la membrana, en la conducta de la pila de combustible. Este análisis tiene como objetivo principal evaluar cómo estas variables influyen en el rendimiento.

[EN] Non-renewable fossil fuels have long been relied upon as the main source of energy, despite their limitations and serious environmental impacts. It is therefore essential to look for sustainable and environmentally friendly alternative energy sources. In this regard, hydrogen proves to be an ideal candidate due to its easy availability and great potential. However, it is not a primary energy source but a carrier of energy from other primary sources and is therefore called an energy vector. The application of hydrogen in fuel cells embodies a clean and versatile solution for various applications. These devices are known for their efficiency in converting chemical energy into electricity, enabling efficient conversion and utilization of various hydrogen sources. Compared to fossil fuels, fuel cells offer a more efficient and environmentally friendly energy source, paving the way for a more sustainable future. In this Final Master Project, the experimental characterization of a PEMFC fuel cell with a power of 1200 W is carried out. The main objective of the experimental characterization is to understand how the fuel cell responds to different levels of current demand. The results of this characterization will be integrated into a modeling tool that aims to analyze and evaluate whether the behavior obtained experimentally is replicated in the simulation model. In addition, the data corresponding to a 100 W fuel cell, provided by its characteristics catalog, are incorporated for the same purpose. In this study, a comprehensive hydrogen consumption calculation will also be performed for a vehicle for people with reduced mobility, as well as for an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) with the fuel cells under study. This analysis will allow to evaluate the feasibility and efficiency of fuel cells in different applications. Finally, the impact of several variables, such as temperature, membrane thickness and crosssection, ... on the fuel cell behavior will be examined by simulation. The main objective of this analysis is to evaluate how these variables influence the performance.

[CA] Durant molt de temps s'ha depés de combustibles fòssils no renovables com a principal font d'energia, malgrat les seues limitacions i greus impactes ambientals. Per tant, és essencial buscar fonts d'energia alternatives sostenibles i respectuoses amb el medi ambient. En aquest sentit, l'hidrogen demostra ser un candidat ideal a causa de la seua fàcil disponibilitat i gran potencial. No obstant això, no es tracta d'una font d'energia primària sinó un portador d'energia d'altres fonts primàries pel que es denomina vector energètic. L'aplicació de l'hidrogen en piles de combustible encarna una solució neta i versàtil per a diverses aplicacions. Aquests dispositius són coneguts per la seua eficiència en la conversió d'energia química en electricitat, permeten una conversió i utilització eficient de diverses fonts d'hidrogen. En comparació amb els combustibles fòssils, les piles de combustible ofereixen una font d'energia més eficient i respectuosa amb el medi ambient, aplanant el camí cap a un futur més sostenible. En el present Treball Fi de Màster, es duu a terme la caracterització experimental d'una pila de combustible tipus PEMFC amb una potència de 1200 W. L'objectiu principal de la caracterització experimental és comprendre com respon la cel·la de combustible davant diferents nivells de demanda d'intensitat. Els resultats d'aquesta caracterització s'integraran en una eina de modelatge que té com a finalitat analitzar i avaluar si el comportament obtingut experimentalment es replica en el model de la simulació. A més, s'incorporen les dades corresponents a una pila de combustible de 100 W, proporcionats pel seu catàleg de característiques, amb el mateix objectiu. En aquest estudi, també es realitzarà un calcule exhaustiu del consum d'hidrogen per a un vehicle destinat a persones amb mobilitat reduïda, així com per a un vehicle aeri no tripulat amb les piles de combustible d'estudi. Aquesta anàlisi permetrà avaluar la viabilitat i eficiència de les piles de combustible en diferents aplicacions. Finalment, s'examinarà mitjançant simulació l'impacte de diverses variables, com la temperatura, la grossària i la secció de la membrana, … en la conducta de la pila de combustible. Aquesta anàlisi té com a objectiu principal avaluar com aquestes variables influeixen en el rendiment.