Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells for Unmanned Aerial Vehicles: Characterisation and Modelling under Varying Ambient Conditions

Promovendus/a: Jorben Mus

Promotor(en): Prof. dr. Frank Buysschaert, Prof. dr. ir. Maarten Vanierschot, Prof. dr. Veerle Vandeginste

Waterstof (H) is het eenvoudigste en meest voorkomende element in het heelal, wat zijn aanwezigheid verklaart in vele verbindingen op aarde, zoals in water. Elementair waterstofgas (H2, meestal gewoon waterstof genoemd) komt daarentegen zelden van nature voor op aarde, omdat het zeer reactief is en zich snel met andere atomen bindt om een lagere energietoestand te bereiken. Die reactiviteit maakt waterstof geschikt als brandstof: bij de overgang naar een lagere energietoestand komt energie vrij. Dit principe wordt bijvoorbeeld gebruikt in verbrandingsmotoren, die brandstof met lucht verbranden om mechanisch vermogen op te wekken. Wanneer waterstof in plaats van fossiele brandstoffen wordt gebruikt, bestaat de uitlaat voornamelijk uit waterdamp in plaats van CO2, al kunnen er nog steeds schadelijke stikstofoxiden (NOx) ontstaan.

Aangezien waterstofgas niet spontaan in zuivere vorm op aarde voorkomt en dus moet worden geproduceerd, wordt het beschouwd als een energiedrager en niet als een primaire energiebron. Het kan bijvoorbeeld worden geproduceerd door water te splitsen met hernieuwbare elektriciteit (groene waterstof), maar het grootste deel van de vandaag gebruikte waterstof is grijze waterstof, gewonnen uit koolwaterstoffen, waarbij CO2 vrijkomt. Waterstof is kleurloos en geurloos en wordt vaak als onveilig beschouwd, maar kan met geschikte maatregelen veilig worden gebruikt. Bovendien heeft het een zeer hoge gravimetrische energiedichtheid (33.3 kWh/kg), bijna drie keer zo hoog als benzine, wat het aantrekkelijk maakt voor toepassingen met strikte massabeperkingen, zoals de lucht- en ruimtevaart. Door de lage volumetrische energiedichtheid neemt waterstof echter veel volume in, waardoor opslag meestal alleen haalbaar is onder hoge druk of als cryogene vloeistof.

Brandstofcellen of fuel cells (FC’s) wekken elektriciteit op via een reactie tussen waterstof en zuurstof, meestal uit omgevingslucht, en produceren daarbij enkel water, zonder verbranding. De kern van een brandstofcel bestaat uit een membraan dat tussen twee elektroden is geklemd, waarbij aan de ene zijde waterstof wordt toegevoerd en aan de andere zijde omgevingslucht. Aan de anode wordt waterstof gesplitst in protonen en elektronen. In polymeer elektrolyt-membraan brandstofcellen (PEMFC’s) passeren de protonen door een polymeermembraan, terwijl de elektronen via een ander pad door een extern elektrisch circuit stromen, waardoor een gelijkstroom (DC) ontstaat. Aan de kathode reageren ze opnieuw met zuurstof tot water, waarmee een lagere energietoestand wordt bereikt. Brandstofcellen zijn efficiënt en zetten ongeveer 40% tot 60% van de energie-inhoud van waterstof om in elektriciteit, tegenover ongeveer 20% tot 35% bij verbrandingsmotoren. Meerdere cellen worden gecombineerd tot een stack om het vermogen te verhogen, terwijl ondersteunende systemen zoals koeling, gasconditionering en waterafvoer onder de verzamelnaam balance of plant (BoP) vallen. Vandaag worden brandstofcellen onder meer ingezet in bepaalde voertuigen en in stationaire noodstroomsystemen, maar de algemene uitrol blijft beperkt door hoge kosten en een gebrek aan infrastructuur.

Wanneer we ons specifiek richten op vliegende drones of unmanned aerial vehicles (UAV’s), blijken door waterstof gevoede PEMFC’s veelbelovend, omdat ze een hoge gravimetrische energiedichtheid combineren met directe elektriciteitsopwekking. In vergelijking met verbrandingsmotoren zijn elektrische aandrijflijnen eenvoudiger aan te sturen, stiller en veroorzaken ze geen rechtstreekse uitstoot van broeikasgassen. Daarom vertrouwen de meeste UAV’s vandaag op batterijen. De relatief lage energiedichtheid van batterijen beperkt echter de vliegtijd: extra batterijen toevoegen verhoogt de massa en vraagt meer vermogen om in de lucht te blijven, wat de vluchtduur zelfs kan doen afnemen. Brandstofcellen hebben dit nadeel niet in dezelfde mate: de hoge gravimetrische energiedichtheid van waterstof zorgt voor een relatief beperkte gewichtstoename wanneer extra waterstof wordt meegenomen, waardoor langere vluchten mogelijk worden. Daar staat tegenover dat PEMFC’s een beperkte vermogensdichtheid en een trage dynamische respons hebben, zodat hybridisatie noodzakelijk is. Het opstijgen van een UAV vereist een hoog vermogen, en wanneer dit volledig door een PEMFC zou moeten worden geleverd, zou de aandrijflijn te zwaar worden. Door de brandstofcel te combineren met een batterij kan het hoge vermogen tijdens start en klim gehaald worden door beide te combineren, terwijl de batterij tijdens de kruismodus opnieuw wordt opgeladen. Hoewel demonstratoren al een indrukwekkende vluchtduur laten zien, tot ongeveer 90 minuten voor multicopters en meerdere uren voor vastevleugel-UAV’s, blijft grootschalige commerciële inzet voorlopig beperkt. Deze thesis onderzoekt de kloof tussen optimistische projecties in de wetenschappelijke literatuur en de uitdagingen in de praktijk, en presenteert een stapsgewijze aanpak voor de integratie van PEMFC’s in UAV’s voor commerciële toepassingen.

Een belangrijk inzicht is dat PEMFC-systemen voor UAV’s wezenlijk verschillen van die in andere sectoren. Om de massa te beperken, wat cruciaal is voor UAV’s, wordt de BoP vereenvoudigd. Zo wordt er bijvoorbeeld geen vloeistofkoeling toegepast. In plaats daarvan wordt via een ventilator omgevingslucht over de stack geblazen en worden systemen voor conditionering van de inlaatlucht vaak weggelaten. Deze vereenvoudigingen maken de systemen lichter, maar kunnen de prestaties en robuustheid verminderen, zeker bij wisselende weersomstandigheden. Variaties in omgevingsvochtigheid en -temperatuur, bijvoorbeeld tussen koudere en warmere dagen, kunnen zowel de prestaties als de degradatie beïnvloeden.

In dit kader werd een specifieke testopstelling ontwikkeld met een 250 W PEMFC om de prestaties te evalueren onder verschillende omgevingscondities die representatief zijn voor reële werking. De metingen tonen tot 6% variatie in prestaties, waarbij de luchtvochtigheid de grootste impact heeft. Op basis van deze resultaten werd een model ontwikkeld om het gedrag van de brandstofcel als functie van de omgevingscondities te voorspellen. Dit helpt systeemontwerpers om de prestaties nauwkeuriger in te schatten, het stackontwerp te verfijnen en de brandstofcel en het hybride systeem correct te dimensioneren, wat kan leiden tot lichte en betrouwbare aandrijfsystemen. Op die manier draagt deze thesis bij aan het praktischer, voorspelbaarder en commercieel beter inzetbaar maken van met waterstof aangedreven UAV’s.