Desarrollo y validación del modelo energético de un motor híbrido MCI y pila PEM

Abstract

Considering the environmental problems and depletion of oil resources required for mobility of the human being, in the development of this thesis the issue of energy saving and optimization of natural resources is addressed through the use of technologies that allow addressing the issue of motor mobility with minimal environmental impact. In particular, a thermodynamic model of the propulsion system of a hybrid vehicle based on an internal combustion engine (ICE) and a PEM-type fuel cell, operating with ammonia as fuel, and designed in such a way that most of the available energy of the system is used to obtain hydrogen, and obtaining as products of the combustion and the chemical reaction of the MCI and the PEM stack, respectively, only nitrogen and water (ideal case). It is developed and validated. By applying the model to three particular situations of automotive vehicles, the most important parameters of the system are studied, which allows identifying the energy behavior when operating conditions of the system are changed. The development of the model and the validation show results that coincide with the literature; although it was necessary to assume some specific data that were not reported. It is presented as a contribution all the thermodynamic parameters of the currents that characterize the system and the equations of its auxiliary components, which together govern the system. The results show that the use of ammonia as fuel in a hybrid system is viable and also the combination of the internal combustion engine and PEM battery allow to improve the energy performance of the hybrid vehicle.

Considerando las problemáticas ambientales y de agotamiento de recursos petroleros que se requieren para la necesidad de movilidad del ser humano, en el desarrollo de esta tesis se aborda el tema del ahorro de energía y optimización de los recursos naturales mediante el uso de tecnologías que permitan solventar el tema de la movilidad motriz con un impacto ambiental mínimo. En particular se desarrolla y válida un modelo termodinámico del sistema de propulsión de un vehículo híbrido basado en un motor de combustión interna (MCI) y una pila de combustible tipo PEM, operando con amoníaco como combustible, y diseñado a manera de que se aproveche la mayor parte de la energía disponible del sistema para la obtención del hidrógeno, y obteniendo como productos de la combustión y la reacción química del MCI y la pila PEM, respectivamente, únicamente nitrógeno y agua (caso ideal). Mediante la aplicación del modelo a tres situaciones particulares de vehículos automotrices se estudian los parámetros más importantes del sistema, lo que permite identificar el comportamiento energético cuando se cambian las condiciones de funcionamiento del sistema. El desarrollo del modelo y la validación muestran resultados coincidentes con la literatura; aunque fue necesario suponer algunos datos específicos que no fueron reportados. Se presenta como aporte todos los parámetros termodinámicos de las corrientes que caracterizan el sistema y las ecuaciones de sus componentes auxiliares, que en conjunto gobiernan el sistema. Los resultados muestran que el uso de amoníaco como combustible en un sistema híbrido es viable y además la combinación del motor de combustión interna y pila PEM permiten mejorar las prestaciones energéticas del vehículo híbrido.