Primeras pilas de combustible de hidrógeno que alimentan drones utilizados en misiones humanitarias

Doosan Mobility Innovation (DMI) ofrece ayuda humanitaria en lugares remotos mediante drones impulsados por sus innovadoras pilas de combustible de hidrógeno de alta densidad energética. Estos drones, con una autonomía de vuelo de dos horas, han transportado mascarillas y suministros de emergencia en las Islas Vírgenes y han entregado desfibriladores automáticos en la cumbre del Hallasan (1947 m), la montaña más alta de Corea del Sur en la isla de Jeju. Esta tecnología marca el camino hacia el desarrollo de robots móviles de mayor autonomía y capacidad de carga.

Otras aplicaciones de estos drones de DMI con una mayor autonomía son de tipo comercial, donde la mayor autonomía de vuelo ha permitido monitorizar enormes parques solares como la mayor central de energía solar de Corea en Solasido (Haenam). Para realizar la misma misión con un dron alimentado mediante batería hacía falta cambiar la batería más de seis veces.

Figura 1: Los drones de DMI llevaron suministros médicos de emergencia a las Islas Vírgenes. Un paquete de pilas de combustible de hidrógeno lo hizo posible al lograr una autonomía de vuelo superior a dos horas, es decir, cuatro veces más que la mayoría de drones alimentados por baterías.

El desarrollo de una pila de combustible de hidrógeno para dispositivos móviles exige una innovación tecnológica en general, desde la ciencia de materiales hasta la optimización del diseño para el sistema en su conjunto. La clave para la movilidad es la miniaturización, aumentar la eficiencia y disminuir el peso del sistema. Para que el vuelo sea largo y estable también hay que añadir la generación de más energía y una mayor durabilidad. Por tanto, es necesario reducir el peso de la pila, configurar un sistema de propulsión con una densidad de potencia más elevada y simplificar el diseño del sistema de alimentación, incluidos los componentes periféricos, para optimizar el sistema por completo.

Figura 2: La inspección de los paneles solares se lleva a cabo con una eficiencia y una velocidad mucho más altas gracias a los drones de DMI. Un dron equipado con una pila de combustible de hidrógeno, una cámara convencional y una cámara termográfica permitió obtener la imagen de una central eléctrica en una instalación de unos 20MW con tan solo dos vuelos automáticos en forma de cuadrícula. La misma misión mediante un dron alimentado por batería exige cambiar más de seis veces la batería.

La clave para cumplir estos objetivos del diseño es la arquitectura y la implementación de la red de alimentación (power delivery network, PDN) de los sistemas. El DP30 tiene dos sistemas de propulsión que alimentan los rotores del dron y el controlador de las dos pilas. Gracias al amplio rango y a la tensión de salida variable del DP30, entre 40 y 74V, los sistemas de propulsión han sido diseñados con el fin de garantizar una salida regulada de forma precisa entre 48V y 12A a los motores del rotor del dron, así como una salida de 12V y 8A a la tarjeta y los ventiladores del controlador de la pila.

Para conseguir la elevada eficiencia y densidad energética en la PDN, DMI seleccionó los reguladores reductores-elevadores PRM y un regulador reductor ZVS de Vicor. Los PRM admiten la tensión en circuito abierto (open circuit voltage, OCV) de hasta 74V de la pila de combustible de hidrógeno y efectúan una regulación estable de la tensión a 48V como muestra la Figura 5.

Figura 3: Comparación de la densidad energética entre una pila de combustible de hidrógeno y una batería de litio.

En la PDN del rotor del dron, dos reguladores reductores-elevadores PRM (PRM48AF480T400A00) se colocan en paralelo para suministrar los 12A que necesitan los rotores. La PDN para la tarjeta controladora digital de la pila emplea un PRM de menor potencia (PRM48AH480T200A00) seguido de un regulador reductor ZVS de 48V a 12V (PI3546-00-LGIZ).

Además de los 2,6kW generados con el DP30, DMI planea diversificar sus líneas de producto por capacidad de potencia. La empresa tiene previsto desarrollar productos con varios niveles de capacidad, desde una pila de combustible de hidrógeno de 1,5kW que se presentará el próximo año hasta una de 10kW para lanzar los drones correspondientes y adecuados para cada sistema de alimentación.

El enfoque modular de Vicor a la alimentación facilita adaptación a diversas líneas de productos. También permite que DMI se centre en resolver otros problemas de ingeniería, como cambios en la estructura de la pila, el sistema de propulsión y componentes periféricos y el método de disipación del calor, que surgen al aumentar la potencia. Con Vicor, DMI está mejor preparada para cumplir sus principales objetivos: incrementar la durabilidad y la estabilidad, así como miniaturizar y aligerar las pilas de combustible con una mayor densidad energética.