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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

BASES EXPERIMENTAIS PARA O PROJETO, AUTOMAÇÃO E INSTALAÇÃO DE SISTEMAS DE

GERAÇÃO DE ENERGIA COM CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Frank Gonzatti

Santa Maria, RS, Brasil 2005

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BASES EXPERIMENTAIS PARA O PROJETO, AUTOMAÇÃO E

INSTALAÇÃO DE SISTEMAS DE GERAÇÃO DE ENERGIA COM

CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL

por

Frank Gonzatti

Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia elétrica, Área de Concentração

em Sistemas de Energia, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do grau de

Mestre em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Felix Alberto Farret, PhD

Santa Maria, RS, Brasil

2005

i

Universidade Federal de Santa Maria

Centro de Tecnologia Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova a Dissertação de Mestrado

BASES EXPERIMENTAIS PARA O PROJETO, AUTOMAÇÃO E INSTALAÇÃO DE SISTEMAS DE GERAÇÃO DE ENERGIA COM


elaborada por Frank Gonzatti

como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica

COMISSÃO EXAMINADORA:

Felix Alberto Farret, PhD. (Presidente/Orientador)

Jonas Rodrigues Gomes, Dr. (CGTEE)

Luciane Neves Canha, Drª. (UFSM)

Ricardo Quadros Machado, Dr. (UFSM)

Santa Maria, 15 de setembro de 2005.

ii

Dedico este trabalho ao meu filho

Franco, por mostrar que as melhores

coisas da vida são simples e de graça.

iii

AGRADECIMENTOS

Ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica pelo confiança em mim

depositada no desenvolvimento do meu trabalho, e aos grupos NUPEDEE (Núcleo de

Pesquisa e Desenvolvimento em Engenharia Elétrica) e CEEMA (Centro de Estudos em

Energia e Meio Ambiente) pelo apoio técnico e administrativo.

Aos componentes do CEEMA, principalmente ao Prof. Geomar, Ricardo, Andrei,

Henrique, Fredi, Diego B., Diego M., Marcos e Jocemar pelo auxílio técnico,

compartilhamento de idéias e críticas, as quais contribuíram para desenvolvimento desse

trabalho.

Ao Professor Felix A. Farret, pela sugestão do tema da dissertação e pela orientação

com entusiasmo, confiança, motivação e humanismo.

A minha família, pelo apoio incondicional nas minhas decisões, pelo incentivo, amor

e carinho mesmo estando longe geograficamente.

Agradecimento especial a minha esposa Cíntia por estar sempre do meu lado, pelo

seu amor, compreensão e dedicação.

iv

“Algo só é impossível até que alguém

duvide e acabe provando o

contrário.”

(Albert Einstein, cientista)

v

RESUMO

Dissertação de Mestrado Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica


BASES EXPERIMENTAIS PARA O PROJETO, AUTOMAÇÃO E INSTALAÇÃO DE SISTEMAS DE GERAÇÃO DE ENERGIA COM


AUTOR: FRANK GONZATTI ORIENTADOR: FELIX ALBERTO FARRET, PHD

Data e Local da Defesa: Santa Maria, 15 setembro de 2005.

O tema principal desta dissertação é o estabelecimento de bases experimentais para o projeto,

automação e a instalação de uma microcentral de geração de energia elétrica com pilhas de

células de combustível do tipo PEM (BCS Technology). Esta central deve operar

automaticamente, comandada por microcontrolador que atua diretamente na temperatura, na

umidade da membrana, na quantidade de ar de reação, no monitoramento da tensão individual

de cada célula e na tentativa da recuperação de células problemáticas. Para que este controle

atue são necessários mecanismos auxiliares especiais de forma a não causarem danos às

células. Na confecção do protótipo procurou-se especificar dispositivos de baixo custo e de

fácil disponibilidade no mercado nacional. Locais especiais também foram projetados e

construídos para abrigar a pilha quando em operação de forma a garantir o máximo de

segurança. Portanto, este trabalho busca fornecer bases teóricas e experimentais para a

implementação de uma central estacionária de geração com pilhas de células de combustível.

Palavras-chaves: Energia alternativa, Automação, Células de Combustível.

vi

ABSTRACT

Dissertação de Mestrado Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica


EXPERIMENTAL BASES FOR THE PROJECT, AUTOMATION AND INSTALLATION OF POWER GENERATION SYSTEMS WITH FUEL

CELLS

AUTHOR: FRANK GONZATTI SUPERVISOR: FELIX ALBERTO FARRET, PHD

Date and Place: September, 15th 2005, Santa Maria, RS, Brazil The main concern of this dissertation is the establishment of experimental bases for the

project, automation, and installation of a micro-power plant for electric power generation

based on PEM fuel cell stacks (BCS Technology). The plant operates automatically, and its

control is accomplished by a microcontroller acting directly in the temperature, in the

humidity of the membrane, in the amount of reaction air, in the monitoring of the individual

voltage of each cell and in the attempt of recovery of a possibly problematic cell. For control

operation special auxiliary mechanisms are necessary to avoid dangerous conditions to the

stack. The making of the prototype is of low cost and easily found items in national market

access have been intended. Special controlled atmospheres were also designed and built to

shelter the stack and obtain safety operation when the stack is on. Therefore, the work tries to

find the theoretical and experimental bases for a static power plant implementation based on

fuel cell systems.

Word-keys: Alternative Energy, Automation, Fuel Cell.

vii

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 3.1 – Gráfico Umidade Relativa versus Temperatura, para uma dada razão

estequiométrica, pressão de 1 bar, com ar de entrada a 20°C e 70% de umidade relativa.......20

FIGURA 4.1 – Princípio de funcionamento de uma célula de combustível ...........................22

FIGURA 4.2 – Característica tensão versus corrente de uma célula de combustível ..............23

FIGURA 4.3 – Circuito equivalente de uma célula de combustível ........................................24

FIGURA 4.4 – Características tensão versus corrente da pilha de 500W da BCS Tecnology 25

FIGURA 4.5 – Degrau de corrente para simulação dinâmica..................................................26

FIGURA 4.6 – Resposta de tensão da pilha para um degrau de corrente ................................26

FIGURA 4.7 – Rendimento da pilha para um degrau de corrente ...........................................27

FIGURA 4.8 – Potência gerada pela pilha para um degrau de corrente ..................................27

FIGURA 5.1 – Esquema do chaveamento entre o cátodo e o ânodo da célula de combustível

para fins de recuperação da operação normal da célula e aumento do rendimento..................34

FIGURA 6.1 – Esquema da montagem mecânica do protótipo ...............................................37

FIGURA 6.2 – Foto interno da central de gás..........................................................................38

FIGURA 6.3 – Foto da instalação na sala de hidrogênio .........................................................38

FIGURA 6.4 – Foto do sistema de medição de temperatura e umidade ..................................40

FIGURA 6.5 – Foto do sistema de refrigeração a água............................................................40

FIGURA 6.6 – Foto do sistema de injeção do ar de reação .....................................................41

FIGURA 6.7 – Foto da pilha com a estrutura auxiliar. ............................................................42

FIGURA 6.8 – Circuito para medição da tensão individual de cada célula.............................43

FIGURA 6.9 – Foto do circuito de medição da tensão individual em cada célula ..................44

FIGURA 6.10 – Esquema do circuito de seleção para o chaveamento do conjunto de células.

..................................................................................................................................................46

FIGURA 6.11 – Foto da placa do circuito de seleção para o chaveamento do conjunto de

células .......................................................................................................................................47

FIGURA 6.12 – Foto do circuito para o acionamento das cargas............................................49

FIGURA 6.13 – Fluxograma do controlador primário.............................................................51

viii

FIGURA 6.14 – Fluxograma do controlador secundário .........................................................52

FIGURA 6.15 – Sub-rotina para medição e controle da tensão individual de cada célula ......53

FIGURA 6.16 – Sub-rotina para o controle do chaveamento das células................................54

FIGURA 7.1 – Comportamento do PWM da bomba de ar para variação da umidade relativa.

..................................................................................................................................................59

ix

LISTA DE TABELAS

TABELA 1.1 – Geração de energia versus impacto ambiental..................................................3

TABELA 3.1 – Valores de f∆g , Er e (ref. a HHV).......................................................11 FCmaxη

TABELA 3.2 – Valores da pressão de saturação do vapor para uma dada temperatura..........19

TABELA 3.3 – Valores da umidade relativa para o ar de saída para uma dada razão

estequiométrica e temperatura a uma pressão de 1 bar, com ar de entrada a 20°C e 70% de

umidade relativa .......................................................................................................................20

TABELA 4.1 – Parâmetros de uma célula do tipo PEM de 500 W da BCS............................25

TABELA 6.1 – Tabela verdade da seleção das células para medição......................................45

TABELA 6.2 – Fórmula para obter o código de seleção para medição da tensão individual

das células.................................................................................................................................46

TABELA 6.3 – Tabela verdade para seleção das células para chaveamento...........................47

x

LISTA DE ABREVIATURAS, SÍMBOLOS E LETRAS GREGAS

Lista de Abreviaturas

FC Células de combustível (fuel cell)

LHV Poder calorífico inferior (Lower Heating Value)

HHV Poder calorífico superior (Higher Heating Value)

Mux Multiplexador

PEM Membrana de troca protônica (Próton Exchange Membrana)

PWM Modulação por largura de pulso

Lista de Símbolos

A Área ativa da célula (cm2)

ax Atividade da substância "x"

B Constante para determinação do potencial de concentração (V)

Ca Capacitância equivalente para resposta dinâmica (F)

2Oc Concentração de oxigênio (mol/cm2)

ENernst Potencial de Nernst – Tensão da célula em circuito aberto (V)

Er Tensão reversível da célula de combustível

F Constante de Faraday (96485)

f∆g Mudança na energia livre de Gibbs de formação molar (J/mol)

0f∆g Mudança na energia livre de Gibbs de formação molar à pressão

de 100kPa e temperatura de 25ºC (J/mol)

f∆h Mudança na entalpia de formação (J)

xi

iFC Corrente de operação da célula (A)

IS Corrente da pilha (A)

J Densidade de corrente elétrica (A/cm2)

JMáx Densidade de corrente elétrica máxima (A/cm2)

ℓ Espessura da membrana (cm) •m Taxa de fluxo de massa (kg/s)

2Hm Massa de hidrogênio (kg)

n Número de células na pilha

2HP Pressão parcial de hidrogênio (atm)

2OP Pressão parcial de oxigênio (atm)

PS Potência elétrica da pilha de células de combustível (W)

Psat Pressão de vapor saturado (kPa)

Pt Pressão de operação da célula (atm)

PW Pressão parcial de água (kPa)

Q Vazão (L/min)

q Carga elétrica (C)

R Constante universal dos gases (8,3145 J.mol-1.K-1)

Rativação Resistência equivalente ao sobrepotencial de ativação (Ω)

RC Resistência equivalente de contatos (Ω)

Rconcentração Resistência equivalente ao sobrepotencial de concentração (Ω)

RM Resistência equivalente da membrana (Ω)

Rôhmico Resistência equivalente ao sobrepotencial ôhmico (Ω)

f∆s Mudança na entropia de formação molar (J.K-1.mol-1)

T Temperatura

Tref Temperatura de referência (298,15 K)

UR Umidade relativa do ar

Wel Trabalho elétrico (J/mol)

Vcon Sobrepotencial de concentração (V)

Vcontrol Tensão submetido à bomba de injeção de ar (V)

VFC Tensão média da célula de combustível (V)

Vôhmico Sobrepotencial ôhmico (V)

xii

Lista de Letras Gregas

ηFC Eficiência da célula de combustível

ρM Resistividade específica da membrana para o fluxo de íons

(Ω.cm)

λ Razão estequiométrica

µf Coeficiente de utilização de combustível

Ψ Parâmetro utilizado para cálculo da resistividade da membrana

iξ (i=1…4) Coeficientes paramétricos para o cálculo do sobrepotencial de

ativação

xiii

LISTA DE ANEXOS

ANEXO A – Manual da pilha BCS..........................................................................................80

ANEXO B – Hidrogênio ..........................................................................................................88

ANEXO C – Fatores de conversão para as principais unidades de pressão ............................93

xiv

SUMÁRIO

RESUMO ...................................................................................................................................v

ABSTRACT ..............................................................................................................................vi

LISTA DE FIGURAS ..............................................................................................................vii

LISTA DE TABELAS ..............................................................................................................ix

LISTA DE ABREVIATURAS, SÍMBOLOS E LETRAS GREGAS........................................x

LISTA DE ANEXOS ..............................................................................................................xiii

1 INTRODUÇÃO.......................................................................................................................1

1.1 Objetivos...............................................................................................................................4

1.1.1 Objetivo geral ....................................................................................................................4

1.1.2 Objetivos específicos.........................................................................................................4

1.2 Importância do trabalho........................................................................................................4

1.3 Estrutura do trabalho ............................................................................................................5

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................................................................6

3 DETALHAMENTO MATEMÁTICO DA CÉLULA DE COMBUSTÍVEL.........................9

3.1 Tensão reversível..................................................................................................................9

3.2 Eficiência ............................................................................................................................10

3.3 Tensão gerada e quedas de tensão ......................................................................................13

3.3.1 Tensão de Nernst .............................................................................................................13

3.3.2 Potencial de ativação .......................................................................................................14

3.3.3 Perdas por correntes internas e passagem direta de combustível ....................................15

3.3.4 Potencial ôhmico .............................................................................................................15

3.3.5 Potencial de concentração ...............................................................................................16

xv

3.4 Consumo de gases e produção d’água................................................................................17

3.4.1 Consumo de oxigênio ......................................................................................................17

3.4.2 Consumo de hidrogênio...................................................................................................17

3.4.3 Água gerada pela reação..................................................................................................18

3.5 Umidade relativa.................................................................................................................18

3.6 Considerações finais ...........................................................................................................21

4 COMPORTAMENTO DINÂMICO E SIMULAÇÃO DO MODELO ELETROQUÍMICO

..................................................................................................................................................22

4.1 Simulação do modelo eletroquímico ..................................................................................24


5 CONSIDERAÇÕES SOBRE AS GRANDEZAS CONTROLADAS ..................................29

5.1 Temperatura da membrana .................................................................................................29

5.2 Umidade da membrana.......................................................................................................30

5.3 Fluxo de hidrogênio............................................................................................................32

5.4 Desempenho da célula ........................................................................................................33


6 DESENVOLVIMENTO E MONTAGEM DO PROTÓTIPO..............................................36

6.1 Montagem mecânica do sistema.........................................................................................36

6.1.1 Instalação de hidrogênio..................................................................................................36

6.1.2 Sistema de refrigeração da pilha......................................................................................39

6.1.3 Injeção do ar de reação ....................................................................................................40

6.1.4 Preparação da pilha..........................................................................................................41

6.2 Circuitos eletrônicos auxiliares ..........................................................................................42

6.2.1 Medição da tensão individual de cada célula ..................................................................43

6.2.2 Seleção para o chaveamento das células .........................................................................46

6.2.3 Circuitos de medição .......................................................................................................48

6.2.4 Circuitos dos atuadores....................................................................................................48

6.3 Fluxogramas .......................................................................................................................49

6.3.1 Fluxograma do controlador principal ..............................................................................50

6.3.2 Fluxograma do controlador secundário ...........................................................................51


xvi

7 RESULTADOS PRÁTICOS.................................................................................................56

8 CONCLUSÕES.....................................................................................................................64

8.1 Contribuições......................................................................................................................65

8.2 Sugestões para continuidade do trabalho............................................................................65

APÊNDICES ............................................................................................................................68

ANEXOS..................................................................................................................................81

1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

A geração de energia elétrica nas últimas décadas não acompanhou o crescimento do

consumo, agravando-se no final da década de 90 com a crise no abastecimento a qual levou o

governo a adotar uma série de medidas. Uma delas foi estimular a geração de energia

descentralizada e em pequena escala.

Porém, qualquer forma de geração de energia está ligada estreitamente à poluição e

degradação do meio ambiente. Este fato preocupa tanto a população quanto o governo, pois

nos últimos anos vêm ocorrendo uma conscientização e maior comprometimento de ambas as

partes com o meio ambiente. Uma demonstração disso foi dada pelo governo brasileiro em

1992 na cidade do Rio de Janeiro na histórica ECO-92, onde 170 países reuniram-se para a

Conferência das Nações Unidas para o Meio Ambiente e Desenvolvimento. Nesta ocasião foi

gerada e assinada a Agenda 21 que é um compromisso internacional dos governos com o

meio ambiente. Tais propósitos foram reafirmados em setembro de 2002, na Cúpula Mundial

sobre Desenvolvimento Sustentável (também conhecida como Rio+10), em Joanesburgo, na

África, e também através do Protocolo de Kyoto, que é um acordo internacional que

estabelece metas de redução de gases poluentes para países industrializados. Este documento

foi assinado por 141 nações e foi finalizado em 1997. Portanto, a instalação de novas estações

de geração de eletricidade é de suma importância para o país, mas tem-se que considerar os

impactos ambientais por elas ocasionadas, pois é um compromisso firmado pelo Brasil com a

sociedade internacional e também com seus descendentes.

Então, o desafio é gerar energia com o mínimo de poluição e degradação do meio

ambiente. Entre as fontes geradoras com este perfil e que merece destaque e análise é a pilha

de Células de Combustíveis (FC), a qual é o objeto de estudos desta dissertação. Seu princípio

foi descoberto em 1839 por William Grove e suas primeiras aplicações foram feitas pela

NASA na década de 50 em programas espaciais. Ressurgiram nos últimos anos em pesquisas

como uma forma promissora de fontes de energia para automóveis e geração estacionária.

Este conhecimento, porém, tem sido restrito a fabricantes e centros de pesquisas e com

rápidos desdobramentos onde muito segredo industrial está envolvido. Com isto, tem sido

2

difícil saber-se dos desenvolvimentos mais recentes em automação para seleção das melhores

soluções com este propósito.

Para situar melhor este panorama, são considerados diferentes tipos de pilhas de

células de combustível, sendo que a principal diferença entre elas reside no tipo de eletrólito

utilizado para o transporte dos ânions. Isto faz com que elas possuam características

individuais de funcionamento. Atualmente, os tipos mais conhecidos de células de

combustível são:

- Células de Combustível de Ácido Fosfórico (PAFC);

- Células de Combustível de Membrana de Troca Protônica (PEM);

- Células de Combustível de Carbonatos Fundidos (MCFC);

- Células de Combustível de Óxido Sólido (SOFC);

- Células de Combustível Alcalina (AFC);

- Células de Combustível de Metanol Direto (DMFC);

- Células de Combustível Regenerativas;

- Células de Combustível de Zinco-Ar (ZAFC);

- Células de Combustível de Cerâmica Protônica (PCFC).

Essas pilhas, por sua vez, agrupam-se em duas categorias, as células de baixa

temperatura de operação e as de alta temperatura de operação. As pilhas de baixa temperatura

requerem um processamento mais complexo do combustível, pois só podem funcionar com

hidrogênio molecular puro. Como tal, neste tipo de pilha de célula de combustível é

necessário um equipamento auxiliar (reformador) para converter o combustível primário, em

geral hidrocarbonetos (gás natural, metanol, gasolina,...) em hidrogênio.

Na célula de combustível não existe combustão, mas uma reação química para

formação de água. As emissões nestes sistemas são muito inferiores às que teriam lugar caso

se efetuasse a queima destes combustíveis, como ocorre nas centrais clássicas. Portanto, este

tipo de geração produz uma energia limpa, onde quase não existem problemas com emissões

de óxidos de enxofre e nitrogênio, conhecidos como SOx, NOx, conforme quadro comparativo

1.1. Sua operação é silenciosa e a estrutura apresenta uma tecnologia modular, vida útil

razoavelmente longa, seus componentes são facilmente recicláveis e, ainda, possui poucas

partes móveis com desgastes desprezíveis.

3

Impacto Ambiental (Valores em kg de poluentes por MWh) Tipo de geração de energia

Combustão a gás

Combustão a óleo

Combustão a carvão

Célula a combustível

Particulados 0.2 0.2 0.2 0.0000045 NOx 0.3 0.5 1.1 0.028 a 0.2 SOx - 1.2 1.9 0.00036 Fumaça Opacidade Opacidade Opacidade Desprezível

Tabela 1.1 – Geração de energia versus impacto ambiental. (Fonte: Web Site do Ministério da Ciência e

Tecnologia - MCT).

Entre as células de combustíveis existentes, a que se mostra a mais promissora

candidata para geração estacionária, tanto para operação isolada como conectada a rede

pública, é a do tipo PEM (Próton Exchange Membrane - Membrana de Troca de Prótons).

Este tipo de célula pode ter água pura como resíduo, e opera em baixas temperaturas,

possibilita uma partida relativamente rápida, seu eletrólito é um polímero sólido, o que reduz

as preocupações na construção, transporte e segurança e apresenta elevada densidade de

potência.

Como se disse anteriormente, a pilha de células de combustível é comercialmente

promissora, motivo pelo qual as diferentes tecnologias de fabricação são ainda mantidas sob

muito segredo por indústrias e grupos de pesquisas. Portanto, o desenvolvimento de um

sistema de automação para esse tipo de geração para atuar como fonte isolada ou conectada a

rede é de suma importância para ampliar o conhecimento, dominar a tecnologia, e assim dar

continuidade a pesquisas neste tipo de geração.

A automação de células de combustível pode ser dividida em duas partes: a

automação interna e a automação externa. A automação externa envolve-se com a utilização

da energia vinda da célula de combustível com base em informações advindas das

necessidades do sistema de energia ao qual ela está conectada. Por exemplo, no caso de uma

célula conectada a rede de distribuição, a função da automação externa seria responsável por

compatibilizar a tensão, freqüência e sincronismo com a rede. Esta parte da automação é

fortemente relacionada com a eletrônica de potência, eletroquímica, sistemas elétricos,

técnicas de controle e otimização.

Já a automação interna, preocupa-se com a operação da célula propriamente dita, e

seu controle depende do conhecimento de detalhes construtivos da célula, do comportamento

eletroquímico e térmico, entre outros. A partir destas informações o controle irá garantir o

bom desempenho e maior vida útil e atuará diretamente no controle do fluxo de gases, da

4

pressão, da estequiometria, da temperatura e umidade na membrana, além das variáveis

elétricas, rendimento eletroquímico, corrente, tensão e potência. Os conhecimentos

envolvidos nesta parte referem-se à eletroquímica, eletromecânica, otimização, automação,

controle de processos e materiais.

A automação interna, o projeto e a instalação deste tipo de geração são os focos desta

dissertação dentro do objetivo maior de buscar a operação da pilha sem danos à membrana,

com mínima perda, com confiabilidade e segurança, sempre atendendo a um sinal de ordem

externa.

1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo geral

Estabelecimento de bases experimentais para o projeto, automação e instalação de

sistemas de geração de energia com pilhas de células de combustível do tipo PEM de pequena

potência. Com isso pretende-se ampliar as oportunidades de usuários, técnicos e

pesquisadores com o conhecimento e domínio de uma tecnologia promissora e muito pouco

divulgada tecnicamente no Brasil.

1.1.2 Objetivos específicos

Levantamento dos conhecimentos disponíveis e desenvolvimento de bases

experimentais para a instalação de um protótipo para geração de energia elétrica baseada em

células de combustível (FC) do tipo PEM, visando o melhor aproveitamento dos recursos

financeiros e de energia, mínimo impacto ambiental e atendendo normas de segurança no uso

de hidrogênio.

1.2 Importância do trabalho

Este trabalho justifica-se pela divulgação da automação de sistemas de energia na

tentativa de solucionar um problema que nos últimos anos tem chamado muito a atenção: a

geração de energia elétrica com baixíssimos impactos ambientais e máximo rendimento.

5

Além disso, pretende-se ampliar os conhecimentos e o domínio das tecnologias ainda

mantidas com um certo grau de segredo por indústrias e instituições de pesquisas.

Este estudo contribuirá não só para a abertura do conhecimento no mundo

acadêmico, como para a formação de especialistas no assunto, já que se trata de uma

tecnologia nova e promissora. Também contribuirá para a preservação do meio ambiente, para

abastecimento de energia e para familiarização com a tecnologia.

1.3 Estrutura do trabalho

No Capítulo 1 é dada uma visão geral sobre geração de energia elétrica convergindo

para o uso de pilhas de células de combustível. Aborda também a proposta de automação

interna dessas pilhas desenvolvida neste trabalho.

No Capítulo 2 é feita uma revisão da literatura sobre as grandezas que devem ser

controladas e métodos de automação de pilhas de células de combustível bem como, quais

dispositivos a serem utilizados.

No Capítulo 3 é feita uma revisão matemática das células de combustível que

ajudarão no entendimento dos capítulos posteriores bem como para modelagem da célula para

simulação.

No Capítulo 4 apresentam-se as características da tensão da saída conforme as quedas

de potencial. São realizadas também, simulações do modelo eletroquímico usando Matlab® a

partir das equações do capítulo anterior com os parâmetros da célula usados no protótipo.

No Capítulo 5 são mostradas as principais grandezas, considerações e formas de

automação interna usada no protótipo.

O Capítulo 6 mostra detalhes da instalação do protótipo, como: edificação do

ambiente da sala de hidrogênio, central de gás, placas de interface e medições, sistema de

refrigeração e de injeção de ar. Neste capítulo, também é apresentado e comentado o

fluxograma de controle da pilha.

O Capítulo 7 mostra os testes feitos no protótipo sendo montado no Laboratório do

CEEMA adicionando-se comentários sobre os resultados obtidos.

Finalmente, as principais conclusões, idéias para prosseguimento do trabalho e

principais contribuições dessa dissertação são apresentadas no Capítulo 8.

6

CAPÍTULO 2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Para a instalação e a automação de pilhas de células de combustível assim como em

qualquer outra fonte geradora, existem alguns fatores que devem ser levados em consideração

para que a mesma atue com segurança e sem danos. Um desses cuidados é a escolha da

bomba responsável pela injeção de ar para a reação. Em [10] são mostrados vários tipos de

compressores existentes. Parece ser consenso que a bomba ideal para operar em células de

200W a 2kW é a bomba de diafragma, principalmente por não contaminar o ar de reação e

conseqüentemente, a célula com lubrificantes ou resíduos oriundos da bomba. Seu princípio

de funcionamento faz com que o ar seja movido pela deformação do diafragma, evitando

assim que o ar entre em contato com as partes móveis da bomba que são os principais

responsáveis pela contaminação, além de serem de baixo custo, baixo consumo, silenciosas e

operarem por longos períodos.

Além do cuidado com equipamentos auxiliares, existem grandezas que devem ser

controladas e mantidas na sua faixa de operação. Duas dessas grandezas são a pressão e

temperatura de operação, que geralmente são estabelecidas pelo fabricante em seu manual. A

pressão do gás na entrada da célula é algo em torno de 1,5 psi e a temperatura máxima de

operação é em torno de 65º C, os quais são definidos em [2]. Segundo [10], além da pressão

de entrada do gás, este deve possuir poucos contaminantes, ou seja, a qualidade do hidrogênio

injetado na célula deve possuir uma quantidade mínima de monóxido de carbono, uma vez

que este reage com a platina, assim contaminando o catalisador. A porção desse gás deve ser

menor do que 10 ppm. Em diversas pilhas o fabricante estipula a pureza, [1] informa que a

pureza mínima permitida é de 0,9995 com preferência ao gás com pureza de 0,9999. Nesta

mesma bibliografia são definidos itens de segurança para a operação com gás hidrogênio, que

comumente são compostos dos seguintes itens: válvula corta chamas, válvulas de segurança,

válvulas redutoras de pressão, válvulas solenóides, exaustor além do detector de presença de

hidrogênio.

Outro item que se deve considerar é o que diz respeito à umidade da membrana. Para

que a pilha tenha um bom desempenho e opere sem danos à membrana, tem que estar bem

hidratada, porém sem condensação. As referências [9,10] descrevem formas de controlar a

7

umidade da membrana. Entre elas a umidificação externa, que consiste em umedecer os gases

de entrada, envolvendo neste caso um custo adicional e um processo mais complexo. Existe

ainda a célula "auto-umidificada", descrita por Watanabe (1996), onde o eletrólito é

modificado, não só para reter água, mas também para produzi-la. Retentores são

incrementados pelas impregnações do eletrólito com partículas de sílica (SiO2) e titânia

(TiO2), as quais são materiais higroscópicos. Nanocristais de platina são também impregnados

dentro do eletrólito, o qual é feito particularmente fino. Como algumas quantidades de

hidrogênio e oxigênio difundem-se através do eletrólito, e, devido ao efeito catalítico da

platina, a reação produz água. Por isso, o eletrólito usa uma quantidade de hidrogênio, para

melhorar sua performance justificando a perda por combustível parasita. Porém, em grandes

sistemas a umidificação extra dos gases de reação precisa ser ativamente controlada,

conforme [10]. Fica evidenciada também em [10], que controlando a quantidade do ar para a

reação controla-se indiretamente a umidade da membrana, pois o mesmo carrega consigo para

fora da pilha a umidade produzida pela célula durante sua operação.

Duas patentes americanas [7,8] evidenciam a presença de chaves eletrônicas para

causarem curto circuito controlado entre o cátodo e o ânodo da célula. Em condições

anômalas, estas chaves são usadas para evitar danos à célula e para melhorar sua performance

e, ainda, como auxílio na fase de pré-aquecimento em três condições. Na primeira condição, a

chave é posicionada para conduzir a corrente da pilha se a célula em que a chave estiver em

paralelo apresentar alguma falha severa (como uma tensão menor de 0,4V). Neste caso a

chave assume a corrente total da pilha e o fluxo de combustível para esta célula é

interrompido.

Na segunda condição de operação, o dispositivo é chaveado com uma certa

freqüência caso a performance da célula apresente-se fora de padrões pré-estabelecidos. Neste

caso, o fornecimento de hidrogênio é mantido. Este chaveamento também acontece

ciclicamente para melhorar o rendimento final quando, então, o calor produzido evapora

possíveis gotículas d’água presentes nos poros dificultando a passagem dos gases. O

chaveamento pode produzir ainda água que umedece a membrana e diminui a resistência a

passagem dos íons. Pode haver, neste caso um ganho adicional de em torno de 5%. A abertura

e o fechamento da chave devem corresponder a um ciclo de operação de 0,01 segundo a 4

minutos por célula e com razão cíclica menor que 20% do ciclo de operação.

A terceira condição de operação dessa chave eletrônica descrita em [7] é durante o

warming-up (pré-aquecimento), onde a membrana para atingir a temperatura de 15ºC é usada

8

uma resistência como fonte suplementar de calor. Após os 15ºC é feito o chaveamento cíclico

entre o cátodo e o ânodo das células até a pilha atingir a temperatura de operação de 30ºC.

Para verificar possíveis anomalias ocorridas nas células é necessário monitorar a

tensão individual de cada célula. Em [14] é feito um estudo de diferentes topologias para a

medição individual de cada célula, onde se conclui que método mais indicado, ou seja, menor

custo e menor erro, é o resistor-diodo. Esse se resume em um resistor em série com o

multiplexador que faz a seleção do canal e um diodo que faz a proteção de entrada da

medição. Naquele trabalho, está incluso o método patenteado por Becker-Irvin, descrito em

[3] que demonstra vários métodos de seleção da célula e medidas da tensão. Um desses

métodos consiste em um divisor resistivo com o canal selecionado por um multiplexador com

8 canais e duas saídas, que faz a seleção célula por célula.

Já em [12], optou-se por fazer a medição da tensão através do divisor resistivo, onde

a célula é selecionada através de um multiplexador. Cada vez que um canal é selecionado

inclui-se uma nova célula, que se deseja medir, ao bloco de medição. Para obter o valor da

tensão desta célula, é subtraída da medida da tensão do bloco atual a medida do bloco

anterior. Para esse método é necessário um AD de 12 bits devido a possibilidade de alto erro

de medição, e mesmo assim tem-se um erro de 6,25%.

Todas as etapas de automação da pilha de células de combustível foram relacionadas neste

capítulo, cujos conhecimentos foram adquiridos através de livros, artigos, manuais, catálogos e

patentes, fornecendo as bases experimentais para o projeto, automação e instalação de sistemas de

geração de energia com células de combustível. Os detalhes deste projeto e análise serão

apresentados nos próximos capítulos.

9

CAPÍTULO 3

DETALHAMENTO MATEMÁTICO DA CÉLULA DE COMBUSTÍVEL

Neste capítulo é feita uma revisão das equações que determinam teoricamente as

grandezas mais comumente envolvidas nas células de combustível como: tensão gerada,

perdas, consumo de gases, umidade, temperatura e produção de água. Estas equações

fornecem embasamento para o conhecimento, simulação e automação da pilha.

3.1 Tensão reversível [10]

Conforme a operação básica de uma célula de combustível, para cada molécula de

água formada é preciso uma de hidrogênio fazendo com que pelo circuito externo, passem

dois elétrons. Ainda, para cada mol de hidrogênio circulam 2N elétrons no circuito externo

(onde N é o número de Avogadro). Então a carga que flui para cada mol de hidrogênio é:

q = - 2 N e = - 2 F⋅ ⋅ ⋅ (3.1)

sendo:

q: carga elétrica (C);

F: é constante de Faraday (96485 C/mol);

e: carga de um elétron;

Em uma célula de combustível ideal, sem perdas, o processo envolvido na geração é

dito reversível, pois toda energia química dos reagentes é convertida em energia elétrica, de

onde se pode determinar a tensão reversível de circuito aberto da célula.

Então, se Er for a tensão reversível de circuito aberto, o trabalho elétrico realizado por

mol será dado por:

10

EL rW = - 2 F E⋅ ⋅ (3.2)

A energia fornecida pela célula para o deslocamento das cargas pelo circuito externo

é definida pela energia livre de Gibbs. Ela é definida como a energia disponível para realizar

trabalho externo, desprezando-se qualquer trabalho feito por variações de pressão ou volume.

Se o sistema é reversível (sem perdas) o trabalho elétrico é igual a energia livre de

Gibbs de formação, ∆gf , que pode ser escrita:

r∆g = - 2 F Ef ⋅ ⋅ (3.3)

Reescrevendo em função da tensão reversível:

fr

-∆gE =2 F⋅

(3.4)

A Equação 3.4 fornece a tensão de circuito aberto, considerando o sistema sem

perdas e operando a pressão padrão de 100 kPa. Na prática, ocorrem algumas perdas, ou seja,

mesmo em circuito aberto a tensão será menor que o valor obtido pela Equação 3.4.

3.2 Eficiência [10]

A eficiência da célula de combustível pode ser definida como a razão entre a energia

elétrica produzida e a quantidade de calor produzida pelo combustível usado. Este calor

produzido é definido como a mudança na entalpia de formação molar ( h f∆ ).

elFC

f

Wη =-∆h

(3.5)

A quantidade de energia elétrica Wel é a quantidade de energia elétrica produzida por

um mol de combustível. Como o calor é liberado para o ambiente, a quantidade h f∆ por

11

convenção assume valor negativo. Existem duas possibilidades para a mudança na entalpia

molar ( h f∆ ), usando hidrogênio:

-LHV ("lower heating value"), poder calorífico inferior.

H2(g)+½O2(g)→H2O(vapor)

241,83 /h kJf∆ = − mol

-HHV ("higher heating value"), poder calorífico superior.

H2(g)+½O2(g)→H2O(líquido)

285,84 /h kJf∆ = − mol

A diferença entre as entalpias de formação molar (44,01kJ/mol) é a entalpia molar de

vaporização da água, conhecida como calor latente molar.

Como a máxima energia elétrica produzida pela célula de combustível é igual à

mudança da energia livre de Gibbs, então, define-se a máxima eficiência, ou eficiência

termodinâmica como:

fFC Máx

f

∆gη =-∆h

(3.6)

Estado da água Temperatura

ºC fg∆

(kJ/mol) Máxima Er (V) FC máxη

(%) Líquida 25 -237,2 1,23 83 Líquida 80 -228,2 1,18 80 Gasosa 100 -225,3 1,17 79 Gasosa 200 -220,4 1,14 77 Gasosa 400 -210,3 1,09 74 Gasosa 600 -199,6 1,04 70 Gasosa 800 -188,6 0,98 66 Gasosa 1000 -177,4 0,92 62

Tabela 3.1 – Valores de fg∆ , Er e (ref. a HHV). maxFCη

12

A partir da Tabela 3.1 observa-se que a eficiência máxima cairia com o aumento da

temperatura, porém na prática isso não acontece, devido às quedas de tensão em temperaturas

elevadas serem menores. Isso faz com que a eficiência seja maior em temperaturas elevadas.

Se toda a energia do combustível for transformada em energia elétrica, ou seja, em

sua entalpia de formação, isso resultariam em uma eficiência de 100%. Para adequação de

uma expressão para a eficiência, pode-se definir a máxima tensão reversível, que é escrita

como:

fr

-∆hE =2 F⋅

(3.7)

Podendo ter dois níveis de tensão:

1,48 V para HHV ("higher heating value");

1,25 V para LHV ("lower heating value");

Desta forma, pode-se definir a eficiência da célula de combustível como a razão entre

a tensão de saída e a tensão reversível máxima considerando um sistema ideal, que é definido

por:

FCFC Máx

r

Vη =E

(3.8)

Na prática, nem todo o combustível que entra na célula reage. Como apenas uma

pequena parcela dele passa através da membrana sem reagir, onde se pode definir um

coeficiente de utilização do combustível, que é a relação entre a massa de hidrogênio que

entra realmente na reação e a massa total que entra na célula:

2

2

H reagef

H entra

(m )µ =

(m ) (3.9)

Redefine-se a eficiência para levar em conta o coeficiente de utilização como sendo:

13

FCFC f

r

Vη = µE

⋅ (3.10)

Normalmente, o coeficiente de utilização encontra-se na faixa de 0,95, para células

de combustível sem recirculação de hidrogênio.

3.3 Tensão gerada e quedas de tensão

3.3.1 Tensão de Nernst [10]

A mudança da energia livre de Gibbs, em uma reação química, varia com a

temperatura, a pressão e a concentração dos reagentes. Conseqüentemente, a tensão de

circuito aberto da célula de combustível varia de acordo com estes fatores.

Para a reação química que ocorre na PEMFC, a mudança na energia livre de Gibbs é

definida por:

2 2

2

1/2H Oo

f fH O

a a

∆g = ∆g - R T lna

⋅⎛ ⎞⋅ ⋅ ⎜⎜

⎝ ⎠⎟⎟ (3.11)

sendo:

of∆g : é a mudança na energia de Gibbs de formação molar, na pressão padrão

(100kPa) e na temperatura padrão (25°C);

T: é a temperatura da célula (K);

a: é a atividade dos reagentes e produto.

Substituindo a Equação 3.4 na Equação 3.11, tem-se a tensão de circuito aberto ou

equação de Nernst:

2 2

2

1/2oH Of

NernstH O

a a∆g R.TE = - ln

2.F 2.F a⋅

⋅⎛ ⎞⎜⎜⎝ ⎠

⎟⎟ (3.12)

14

Assumindo-se que os reagentes são gases ideais, que a água apresenta-se no estado

líquido e que a temperatura é diferente da temperatura de referência (298,15 K), é possível

reescrever a Equação 3.12 como:

(2 2

o1/2f reff

Nernst H O ∆s (T-T )-∆g R TE = + + ln P P

2 F 2 F 2 F⋅

⋅⋅

⋅⋅ ⋅ ⋅

) (3.13)

sendo:

P: é pressão parcial (atm) dos gases correspondentes.

s f∆ : é a mudança na entropia de formação molar (J.mol-1.K-1).

Substituindo os valores padrões tem-se:

( ) ( )2 2

-4Nernst

-5H O

E = 1,299 - 8,5×10 ×(T - 298,15) +1 4,308.10 ×T× ln P + ln P2

⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦

(3.14)

3.3.2 Potencial de ativação

As perdas devidas ao potencial de ativação são causadas pela redução na velocidade

das reações que ocorrem na superfície dos eletrodos. Uma parcela de tensão é perdida nas

reações químicas que transferem elétrons de/ou para o eletrodo. Essa queda foi definida por

Mann [11] como:

2act 1 2 3 O 4 FC V = - ξ + ξ T + ξ T ln(c ) + ξ T ln(i )⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅ (3.15)

sendo:

iFC: é a corrente de operação da célula (A);

2Oc : é a concentração de oxigênio no cátodo (mol/cm ); 3

1,2,3,4ξ : são coeficientes paramétricos que possuem valores diferentes para cada

modelo de célula.

15

3.3.3 Perdas por correntes internas e passagem direta de combustível [10]

As perdas por correntes internas e passagem direta de combustível estão relacionadas

com a passagem de combustível através do eletrólito sem reagir e, em menor expressão, com

a condução de elétrons através do eletrólito. Estes efeitos causam uma redução de tensão

mesmo em circuito aberto. O valor desta corrente é estimado de 2 a 3 mA/cm2 que deve ser

acrescentado a corrente da célula para determinar a tensão de saída.

3.3.4 Potencial ôhmico

As perdas devidas ao potencial ôhmico estão relacionadas à resistência ao fluxo de

íons no eletrólito e aos elétrons no eletrodo. Mann [11] definiu-as por:

ohmico FC M C V = i (R + R⋅ ) (3.16)

sendo:

RM e RC: resistência da membrana e resistência dos contatos, respectivamente.

A resistência dos contatos é praticamente constante entre 50°C e 90°C, mas a

resistência da membrana à passagem de íons é dada por:

MM

ρR = A

⋅ (3.17)

sendo:

Mρ : é a resistividade da membrana (Ω.cm);

A: área ativa da célula (cm2);

: espessura da membrana (cm).

Segundo [11], uma célula de combustível com membrana Nafion® possui a

resistividade dada por:

16

2 2FC FC

MFC

i T i

181,6 1 + 0,03 + 0,063A 303 A

ρ =i T - 303

- 0,634 - 3 exp 4,18A T

⋅

⋅

⋅ ⋅ ⋅

Ψ ⋅ ⋅

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦⎡ ⎤ ⎡⎛ ⎞ ⎛ ⎞

⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎣

,5

⎤⎥⎦

(3.18)

sendo:

181,6/(ψ-0,634): resistência específica (Ω.cm) com corrente zero e a 30°C.

O termo exponencial é um fator de correção da temperatura se estiver operando

com temperatura diferente de 30°C e T é dado em Kelvin.

ψ: é um parâmetro influenciado pelo procedimento da preparação da membrana, e é

em função da umidade relativa e razão estequiométrica do gás no anodo. Ele assume um valor

de 14 em condições de 100% de umidade e de 22 a 23 em condições supersaturadas.

3.3.5 Potencial de concentração [10]

Quando a célula está em operação há uma circulação de oxigênio e hidrogênio. Essa

circulação faz com que haja uma mudança de concentração de gases na região do eletrodo e,

conseqüentemente, das pressões parciais destes gases. Este fenômeno depende da corrente

exigida e das características físicas do sistema. Esta perda pode ser calculada da seguinte

forma:

conMáx

JV = - B ln 1 - J

⎛ ⎞⋅ ⎜

⎝ ⎠⎟ (3.19)

sendo:

J: densidade de corrente em que se quer calcular (A/cm2);

JMáx: densidade máxima de corrente, que o combustível pode suprir (A/cm2);

B: constante que depende dos reagentes e seu estado de operação (R.T2.F

).

17

3.4 Consumo de gases e produção d’água

3.4.1 Consumo de oxigênio [10]

O consumo de oxigênio em uma célula de combustível, em kg/s, é dado em função da

potência e da tensão de saída:

2-8 S

O

FC

Pm = 8,29 10V

•

⋅⋅ (3.20)

Como, o oxigênio fornecido para a célula será proveniente do ar atmosférico, então

se deve fazer algumas alterações na equação. A massa molar do ar é 28,97. 10 –3 kg/mol, e

possui em torno de 21% da massa molar de oxigênio. Então, o fluxo de massa de ar a ser

fornecido para a célula em kg/s será:

-7 S

FCar

• Pm = 3,57 10V

⋅⋅ (3.21)

A Equação 3.21 fornece a quantia exata de ar consumido pela célula. O ar sai da

célula sem nenhuma quantidade de oxigênio. Porém, na prática, costuma-se fornecer ar com

vazão em torno de duas vezes maior que o valor consumido. Então, adiciona-se um termo

chamado razão estequiométrica (λ), o qual estabelece essa relação:

-7 Sar

FC

• Pm = 3,57 10 λV

⋅⋅ ⋅ (3.22)

3.4.2 Consumo de hidrogênio [10]

O consumo de hidrogênio em kg/s pela célula é dado por:

2

-8 SH

FC

• Pm = 1,05 10V

⋅⋅ (3.23)

18

Esta quantidade vale para o fornecimento de hidrogênio puro, porém para o

fornecimento através de reformador deve-se levar em conta a quantidade de monóxido de

carbono presente no combustível após a reforma.

3.4.3 Água gerada pela reação [10]

A quantidade de água produzida (kg/s) em uma célula em que o hidrogênio é

fornecido puro, sem o processo de reforma, é dada por:

2

-8 SH O

FC

Pm = 9,34 10V

•

⋅⋅ (3.24)

Entretanto, se houver uma mistura de monóxido de carbono no hidrogênio, a

produção de água é menor em proporção do que a quantia de monóxido presente nesta

mistura.

3.5 Umidade relativa

A umidade relativa é uma relação entre a quantidade de água no estado vapor no ar e

a quantidade máxima de vapor que o ambiente suporta naquela temperatura e pressão sem

condensar. Por exemplo, uma umidade de 100%, significa que o ar não possui um efeito

secante, ou seja, a quantidade de vapor que o ar absorve será condensada no mesmo valor. Ela

pode ser rearranjada e definida pela pressão parcial de água (Pw) e pressão de vapor saturado

(Psat):

W

sat

PUR=P

(3.25)

A pressão de vapor saturado para uma temperatura é dada pela Tabela 3.2[10].

19

T (°C) Psat (kPa) 15 1,705 20 2,338 30 4,246 40 7,383 50 12,350 60 19,940 70 31,190 80 47,390 90 70,130

Tabela 3.2 – Valores da pressão de saturação do vapor para uma dada temperatura.

Conforme [5] a umidade relativa do ar de saída é dada pela umidade de entrada mais

a produzida pela reação dos gases. Tal cálculo pode ser feito pelas pressões parciais, através

de:

in out

out

W Wout

sat

P + P

UR = P

(3.26)

sendo:

inWP : pressão parcial da água do ar de entrada;

outWP : pressão parcial da água do ar de saída;

outsatP : pressão de vapor saturado do ar de saída, e é obtido da Tabela 3.2.

Em [10] definiu-se a pressão parcial de água ( ) dependendo da pressão de

operação da célula (P

outWP

t) e da razão estequiométrica (λ) como sendo:

outW0,421P = P

λ + 0,188 t⋅ (3.27)

A pressão parcial da água no ar de entrada ( ) pode ser obtida pela definição da

umidade relativa:

inWP

inW inP = UR Psat⋅ (3.28)

20

Com isto, pode-se determinar a umidade relativa do ar de saída para determinadas

temperaturas e razões estequiométricas, como mostrado na Tabela 3.3.

T(°C) λ=1,5 λ=2 λ=3 λ=6 λ=12 λ=24

20 218 145

30 199 120 79

40 282 201 114 69 46

50 215 169 120 68 41 27

60 133 104 74 42

70 85 67 48

80 56 44 31

90 38 30 Tabela 3.3 – Valores da umidade relativa do ar de saída para uma dada razão estequiométrica e temperatura a

uma pressão de 1 bar, com ar de entrada a 20°C e 70% de umidade relativa.

0

50

100

150

200

250

300

15 25 35 45 55 65 75 85 95

Temperatura (ºC)

Um

idad

e (%

)

λ=2

λ=24

λ=12

λ=6λ=3 λ=1,5

Figura 3.1 – Gráfico Umidade Relativa versus Temperatura, para algumas razões estequiométricas, pressão de 1

bar, com ar de entrada a 20°C e 70% de umidade relativa.

21

Percebe-se que a umidade da membrana pode ser controlada pela quantidade de ar

que é injetada na célula; porém este controle não será mais possível quando for ultrapassada

temperatura em torno de 60°C, como pode ser verificado pela Figura 3.1. Acima desta

temperatura, a razão estequiométrica terá um valor menor que dois para manter uma boa

hidratação da célula, porém este valor não pode ser atingido, pois o fornecimento de oxigênio

pode ser prejudicado em algumas das células da pilha.

3.6 Considerações finais

Este capítulo apresentou as equações que descrevem as principais grandezas

envolvidas na operação de uma célula de combustível, as quais servirão de base para o

controle ou para o melhor entendimento da operação. As equações que representam a tensão

gerada e as quedas de potenciais de uma célula são utilizadas, nesta dissertação, para a

simulação do comportamento eletroquímico da célula com a variação de carga. Essas

simulações serão usadas com os parâmetros da célula usada nos testes e mostradas no

próximo capítulo. Já as equações que calculam a quantidade de ar necessária para reação,

produção d’água e umidade relativa serão usadas para o controle da umidade relativa na

automação interna da pilha e descritas nos próximos capítulos.

22

CAPÍTULO 4

COMPORTAMENTO DINÂMICO E SIMULAÇÃO DO MODELO ELETROQUÍMICO

Células de combustível são compostas basicamente por um ânodo e um cátodo poroso,

ver Figura 4.1, cada um revestido num dos lados por uma camada catalisadora de platina, e

separados por um eletrólito que impede a passagem dos elétrons e facilitando a passagem dos

íons positivos. O ânodo é alimentado pelo combustível, enquanto que o cátodo é alimentado

por um oxidante, normalmente o ar atmosférico.

Figuras 4.1 - Princípio de funcionamento de uma célula de combustível.

Os elétrons liberados pela separação das moléculas de hidrogênio pela ação do

catalisador no ânodo são conduzidos através de um circuito elétrico até o cátodo, originando

uma corrente elétrica contínua. Os íons (neste caso, H+) são transferidos para o cátodo através

do eletrólito, onde se associam às moléculas de oxigênio formando moléculas de água. Dessa

forma, as grandezas elétricas oriundas desse tipo de geração possuem características especiais

devido a sua construção, os quais serão analisados e simulados neste capítulo. No capítulo

23

anterior foram mostradas matematicamente as perdas decorrentes do comportamento da

PEMFC em função de seus parâmetros construtivos e de operação. Essas perdas possuem

pontos de operação onde são mais sensíveis aos seus parâmetros. O gráfico da Figura 4.2

apresenta as características da tensão em função da corrente fornecida por uma célula, onde

está evidenciada a região em que as perdas possuem maior peso, detalhada na seção 4.1.

Figura 4.2 – Característica tensão versus corrente de uma célula de combustível.

Agregado a esse comportamento da tensão versus corrente existe ainda uma resposta

dinâmica, ou seja, a tensão varia com a variação da carga. Esta dinâmica surge devido ao

fenômeno chamado “camada dupla de carga” (charge double layer). Sempre que dois

materiais diferentes eletricamente carregados estão em contato, há um acúmulo de carga nas

superfícies ou uma transferência de carga de um para o outro [10]. Este fenômeno também está

associado à interface eletrodo-eletrólito das células de combustível que pode armazenar e

liberar cargas elétricas, ou seja, essas placas comportam-se como um capacitor.

A dinâmica envolvida afeta diretamente o sobrepotencial de ativação e de

concentração. Já o sobrepotencial por queda ôhmica não é afetado, pois esta perda diz respeito

à resistência ôhmica dos eletrodos e membrana.

O circuito equivalente apresentado por [10], representada na Figura 4.3, define o

comportamento da célula. Como se observa, a resposta dinâmica é de primeira ordem com a

capacitância na ordem de Farads. Os valores das resistências que representam os

sobrepotenciais ôhmico, de concentração e de ativação são não-lineares, portando as

resistências se alteram devido a vários parâmetros vistos nas equações do Capítulo 3.

24

Figura 4.3 – Circuito equivalente de uma célula de combustível.

4.1 Simulação do modelo eletroquímico

Para se ter uma idéia do comportamento da pilha a ser automatizada foram realizadas

simulações onde se levou em conta as equações das perdas agregadas ao modelo dinâmico e

repassadas ao programa MathLab®. As resistências obtidas representando as perdas são não-

lineares, ou seja, não são constantes, daí a dificuldade de se implementar em outro tipo de

programa com poucos recursos. Para a simulação do modelo, foram utilizados os parâmetros

da célula de 500W do tipo PEM da BCS Technology utilizando a membrana Nafion 117,

listados no quadro da Tabela 4.1.

Na primeira simulação variou-se a corrente e observou-se o valor da tensão, o gráfico

gerado está representado na Figura 4.4, no qual ficam evidenciadas as regiões de quedas de

tensão predominantes. Para a faixa em torno de 0 e 4 A predomina a queda de tensão de

ativação, já na região linear de operação em torno de 4 a 30 A as quedas ôhmicas, e

finalmente, acima de 30 A estão as quedas de tensão de concentração.

25

Parâmetros Valor Parâmetros Valor T 333,15 K ξ1 -0,948

A 64 cm2 ξ20,00286+0,0002.ln A

+(4,3.10-5).ln cH2

ℓ 178 µm ξ3 7,6.10-5

PO2 0,2095 atm ξ4 -1,93.10-4

PH2 1 atm ψ 23,0

RC 0,0003 Ω J 3 mA/cm2

Β 0,016 V Jmax 469 mA/cm2

n 32 Ca 3 F Tabela 4.1 - Parâmetros de uma célula do tipo PEM de 500 W da BCS. [4]

05

101520

2530

3540

0 4 8 12 16 20 24 28

Corrente da Pilha (A)

Tens

ão d

a Pi

lha

(V)

32

Figura 4.4 – Característica tensão versus corrente para pilha de 500W da BCS Tecnology.

Em uma segunda simulação e análise foi inserida uma carga para avaliar a resposta

dinâmica da pilha para uma variação de carga. No primeiro momento a pilha opera em vazio,

possuindo apenas a corrente de circulação interna; após 200 segundos aproximadamente de

simulação é inserida a carga com corrente de 15 A mantida por 325 segundos, conforme

mostrado na Figura 4.5. Essa inserção da carga gerou uma resposta de tensão demonstrada na

Figura 4.6. A tensão partiu de 39 V e, antes mesmo de colocar a carga, ou seja, para uma

corrente externa nula sua tensão foi reduzida para 30 V, queda é devida a corrente interna.

Com a inserção da carga, houve uma rápida queda de tensão atingindo um novo ponto de

equilíbrio em 21 V. Com a retirada da carga, ou seja, uma variação de 15 A para uma corrente

26

praticamente nula, a tensão apresenta um comportamento de primeira ordem até atingir

novamente o primeiro ponto de equilíbrio, porém sua recuperação foi mais lenta que a queda

com a inserção da carga, em outras palavras, as constantes de tempo foram diferentes.

0

3

6

9

12

15

18

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Tempo (s)

Cor

rent

e (A

)

Figura 4.5 – Degrau de corrente para simulação dinâmica.

15

18

21

24

27

30

33

36

39

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Tempo (s)

Tens

ão d

a Pi

lha

(V)

Figura 4.6 – Resposta de tensão da pilha para um degrau de corrente.

27

Com as curvas da corrente e tensão gerada anteriormente gerou-se duas novas curvas,

a curva da Figura 4.7 que representa o rendimento para esta carga, cuja forma é semelhante a

curva da tensão, e a curva da Figura 4.8 que representa a potência para a pilha quando é

inserida uma carga abruptamente.

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Tempo (s)

Ren

dim

ento

Figura 4.7 – Rendimento da pilha para um degrau de corrente.

050

100150200250300350400450

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Tempo (s)

Potê

ncia

(W)

Figura 4.8 – Potência gerada pela pilha para um degrau de corrente.

28


Com base nas equações descritas no capítulo anterior foi simulado o comportamento

eletroquímico da pilha que será usada no protótipo. Os resultados confirmam os relatos

existentes na bibliografia. Este capítulo fornece de antemão o comportamento elétrico da

pilha, onde os resultados servirão de comparativo para os resultados obtido na prática quando

a pilha entrar em operação.

29

CAPÍTULO 5

CONSIDERAÇÕES SOBRE AS GRANDEZAS CONTROLADAS

Para que a pilha opere sem danos e com bom rendimento, assim como nos motores

de combustão interna, existem alguns fatores fundamentais que devem ser controlados, entre

eles: temperatura e umidade da membrana, pressão do gás combustível e quantidade de ar

para a reação. Além destas grandezas, outras de ordem elétrica também precisam ser

monitoradas: tensão, corrente, potência e rendimento. A seguir discutem-se estas grandezas

controladas as quais serão empregados em uma pilha de célula de combustível do tipo PEM

de 500 W da BCS Technology visando satisfazer alguns critérios de automação além do

monitoramento das tensões individuais das células para prever possíveis falhas. Todas as

ações sugeridas neste capítulo terão por base esta pilha de células de combustível.

5.1 Temperatura da membrana

A temperatura da célula de combustível influencia diretamente a tensão de saída bem

como a sua vida útil. Quando a célula inicia sua operação, a temperatura da membrana

certamente estará abaixo do seu valor ótimo de operação e uma maior queda de tensão. Essa

situação pode ser contornada fazendo-se um pré-aquecimento na pilha.

Até a pilha atingir a temperatura de 15º C é usado um resistor alimentado por fonte

auxiliar para aquecer a entrada do ar de reação e, conseqüentemente, aquecendo a membrana.

Quando a temperatura interna da célula atingir 15º C a resistência é desligada e acionado o

sistema de chaveamento, que faz o curto-circuito entre o cátodo e o ânodo da célula, com isso

gerando calor e aquecendo-a. Esta técnica é aplicada até a pilha atingir a temperatura de 30°C.

Após esse pré-aquecimento o monitoramento e controle da temperatura são

realizados permanentemente, pois além de manter a célula a uma temperatura que implica em

maior rendimento, é preciso que a temperatura da membrana fique abaixo da máxima

especificada pelo fabricante (em torno de 65°C), pois acima desta temperatura a membrana

pode sofrer danos irreparáveis. Para isso, utilizam-se três meios de troca de calor com o

ambiente.

30

O primeiro meio de troca é por convecção, ou seja, troca natural de calor com o

ambiente. Essa troca é usada quando a célula fornece pequena potência, ou seja, uma

temperatura abaixo de 50ºC.

O segundo meio de retirar calor é através da ventilação forçada por ventiladores

dispostos na lateral da pilha. Esses ventiladores possuem velocidades controladas, que

mantêm a temperatura dentro de uma faixa de operação. Este meio de refrigeração ocorre

quando a pilha atingir uma potência entre 150 a 200W, ou uma temperatura entre 50 a 60ºC.

O terceiro meio consiste no bombeamento de água pelas caneletas internas da célula.

A refrigeração à água e feita juntamente com a ventilação forçada. Esta técnica é aplicada

quando a pilha atingir potências acima de 200W ou uma temperatura acima de 60ºC.

O controle da temperatura é fundamental tanto para que a pilha atinja o mais breve

possível a temperatura de operação como para não deixar ultrapassar a máxima suportada.

5.2 Umidade da membrana

Para uma boa condução de íons através da membrana, ou seja, uma resistência

ôhmica pequena, esta deve estar bem hidratada. Porém, excessos podem também ser

prejudiciais, pois gotículas d’água podem impedir a passagem do gás através dos poros. Então

a umidade relativa da membrana tem que se manter em uma faixa entre 85% e 100%.

Um problema que ocorre na célula de combustível é a perda de umidade da

membrana pela passagem dos íons. Quando estes passarem através da membrana arrastam

consigo moléculas de água (carregamento eletro-osmótico), fazendo com que a umidade da

membrana diminua. Outro problema encontrado é que a umidade no eletrólito não é

distribuída uniformemente.

Em temperaturas acima de 60°C ocorre a desidratação da membrana, que a faz secar

mais rápido que a produção de água pela reação dos gases.

Estes problemas podem ser resolvidos umidificando adequadamente seus reagentes,

pelas diversas maneiras existentes, porém este processo eleva o custo da planta devido aos

equipamentos auxiliares e também apresenta dificuldades no controle do mesmo.

A célula usada como protótipo é do tipo auto-umidificada, porém para evitar um

processo mais complexo e equipamentos auxiliares ocasionando um elevado custo, optou-se

por fazer o controle da quantidade de ar injetada na pilha e, conseqüentemente, da umidade

interna, conforme descrito no Capítulo 3. O controle atua diretamente na velocidade da bomba

31

de injeção do ar de reação realimentado com a medida da umidade. Ou seja, se a umidade

relativa estiver acima de 95% a velocidade da bomba do ar é acrescida e, ao contrário,

decrescida se a umidade se aproximar de 85%. Com essa técnica simples consegue-se ter um

controle interno e indireto do ar na membrana.

Porém, existe uma quantidade mínima de ar para que a reação ocorra. Essa quantia

deve ser no mínimo duas vezes maior que a de hidrogênio, onde esse múltiplo é denominado

de razão estequiométrica. Através da Equação 3.22 é conhecida a quantidade de ar em kg/s

que deve ser injetada na célula em função da potência, da tensão média das células e da

estequiometria. Reescrevendo a equação para nos fornecer a informação em L/min, e sabendo

que a densidade do ar é em torno de 0,0012 kg/L, tem-se a Equação 5.1.

-7

FC

P 60sQ(L/min) = 3,57 10V 0,0012

λ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ (5.1)

simplificando tem-se:

S

FC

PQ(L/min) = 0,01785V

λ⋅ ⋅ (5.2)

Reescrevendo a Equação 5.2 e substituindo a potência da pilha pelo produto da

corrente pela tensão total da pilha, tem-se:

FC S

FC

n V IQ(L/min) = 0,01785 λV

⋅ ⋅⋅ ⋅ (5.3)

Logo:

SQ(L/min) = 0,01785 n λ I⋅ ⋅ ⋅ (5.4)

A equação que descreve a vazão em função da tensão de alimentação para a bomba

de ar utilizada neste trabalho é definida pela Equação 5.5. Esta equação foi obtida através do

levantamento prático de dados.

controlQ(L/min) = 2,5 V⋅ (5.5)

32

Substituindo a Equação 5.5 em 5.4 e considerando que o número de células na pilha é

de 32, o resultado é a razão estequiométrica. Através da Equação 5.6, é possível saber se a

quantidade de ar injetado na pilha pela bomba ensaiada é suficiente para a reação.

control

S

2,5 V=0,05712 I

λ ⋅⋅

(5.6)

O controle da umidade relativa é obtido variando-se a tensão de alimentação da

bomba de ar. Porém, para que não haja falta de oxigênio para a reação na pilha, a Equação 5.6

deve ser maior ou igual a dois. Este fato faz com que o controle da umidade tenha um

limitante, ou seja, há um valor mínimo de tensão de controle determinado pela corrente

instantânea da pilha. Portanto, na automação da pilha a Equação 5.6 deve ser considerada,

para que mesmo no pior caso tenha oxigênio suficiente para a reação.

5.3 Fluxo de hidrogênio

O hidrogênio possui um fluxo proporcional à potência gerada pela célula, ou seja,

consome-se gás à medida que a corrente é exigida. Assim, não é obrigatório o uso de um

controlador ativo de fluxo, apenas um regulador de pressão para mantê-la constante. Isso fica

claro fazendo-se a seguinte análise: considerando que a membrana deixa passar através dela

apenas íons H+, impedindo a passagem do gás hidrogênio, pode-se afirmar, então que, se a

célula estiver em circuito aberto, não há caminho para os elétrons reagirem com o O2 no outro

lado da célula. Então, não há fluxo de elétrons e nem de íons e, portanto, também não há fluxo

de gás hidrogênio.

Agora, se houver uma carga, e onde se permita a passagem de elétrons, o fluxo de

hidrogênio será proporcional a esta corrente, pois a passagem de elétrons e íons para o outro

lado da membrana fará com que dê lugar a mais gás hidrogênio para dentro da célula, e assim

haverá um fluxo de gás. Portanto, fica evidenciada uma relação entre o fluxo de hidrogênio

com a potência da carga instalada na célula de combustível.

33

5.4 Desempenho da célula

Alterações na tensão da célula em certas faixas podem indicar um mau

funcionamento. Para identificar a célula problemática monitora-se a tensão de cada célula da

pilha. Um problema que influencia nessa queda de tensão acontece quando há desidratação da

célula, fazendo com que a resistência da membrana aumente e, com isso a tensão seja

reduzida e o calor gerado aumente. Este processo entra em um laço de realimentação positiva

fazendo com que a desidratação seja acelerada. Dependendo da situação pode ocorrer a

inversão de polaridade da tensão, o que resulta em danos irreparáveis a membrana. Quando

esse processo é identificado na medição de tensão, em torno de 0,3 V ou menos, a pilha será

desligada para que a mesma não seja danificada.

Para evitar que a célula seja desligada observa-se a tensão (0,5 V) ou algum outro

parâmetro de análise, e inicia-se um processo para reverter a situação. Então, realiza-se um

curto circuito entre o cátodo e o ânodo através de uma chave eletrônica operando em uma

freqüência pré-estabelecida e mantendo o fornecimento normal do gás combustível. Esse

chaveamento normalmente gera mais água na membrana ocasionando assim um aumento na

hidratação da célula e restabelecendo a tensão na célula.

Se o chaveamento acontecer periodicamente, a pilha terá um ganho em torno de 5%

no rendimento final[8]. Este curto-circuito entre o cátodo e o ânodo deve ter um ciclo de

operação algo entre 0,01 segundo e 4 minutos por célula e a uma razão cíclica menor que 20%

do ciclo de operação, conforme a Figura 5.1. Este ganho de potência será em função do

chaveamento, gerando calor e água, fazendo com que se elimine possíveis gotículas presentes

nos poros da célula que dificultariam a passagem de gases ou aumentando a hidratação da

membrana se ocorrer um início de desidratação.

O chaveamento entre o cátodo e o ânodo tanto serve para aquecer a célula, como para

restabelecer a tensão ou até mesmo dar um incremento de potência. Porém, está técnica deve

ser empregada com cuidado, pois pode causar danos a pilha.

34

Figura 5.1 – Esquema do chaveamento entre o cátodo e o ânodo da célula de combustível para fins de

recuperação da operação normal da célula e aumento do rendimento.


As principais grandezas controladas foram introduzidas e comentadas neste capítulo,

para que a célula opere com segurança e performance aceitáveis.

A temperatura é uma dessas grandezas, onde baixos valores comprometem a

performance da pilha enquanto que para altos valores pode danificá-la. Assim a temperatura é

mantida dentro de uma faixa operação, conseguido com o pré-aquecimento no início e

eliminando calor durante seu funcionamento.

A umidade da pilha também altera significativamente a performance da pilha

podendo até danificá-la. O controle pode ser feito controlando a quantidade de ar para a

reação. Porém, existe uma quantidade mínima de ar para a mistura desenvolver a potência

35

desejada. Para isso, é necessário conhecer-se a relação estequiométrica que é feito com a

obtenção da corrente instantânea e a relação tensão/vazão da bomba usada.

O melhoramento da performance da pilha também pode ser obtido através de curto-

circuitos controlados (chaveamento) entre o cátodo e ânodo, que também são utilizados para

restabelecer a tensão em caso de quedas por falta de umidade. Porém, o chaveamento deve

obedecer a uma freqüência pré-estabelecida para não causar danos à célula.

A implementação do controle dessas grandezas e a instalação da pilha serão

apresentadas no próximo capítulo.

36

CAPÍTULO 6

DESENVOLVIMENTO E MONTAGEM DO PROTÓTIPO

Este capítulo descreve a utilização das bases experimentais para montagem da planta

completa para a operação da pilha, onde são comentadas as adequações das salas que abrigam

a pilha e o cilindro de hidrogênio juntamente com os equipamentos mínimos necessários para

o manuseio e segurança da linha de hidrogênio. São mostradas também, a montagem do

protótipo com a localização de cada dispositivo auxiliar com suas características e placas de

interfaceamento com o microcontrolador e, finalmente, são apresentados os fluxogramas do

algoritmo que faz o controle interno da pilha com comentários de cada tomada de decisão.

6.1 Montagem mecânica do sistema

As instalações de hidrogênio são divididas em dois ambientes: um compartimento

externo para a central de hidrogênio, equipada com cilindro de hidrogênio e válvulas de

segurança, e uma sala negativamente pressurizada abrigando a pilha com seus dispositivos de

controle propriamente ditos. A Figura 6.1 mostra o esquema geral da instalação mecânica da

pilha e a localização de cada equipamento auxiliar, evidenciando o sistema de injeção de ar e

hidrogênio para a reação e o sistema de refrigeração da pilha.

6.1.1 Instalação de hidrogênio

A construção das salas que abrigam a célula e a central de hidrogênio, assim como a

confecção da linha de hidrogênio buscou-se seguir as sugestões de segurança descritas no

Anexo B.

A central de gás foi projetada e construída no lado externo (isoladamente) da sala da

pilha de células de combustível, com dimensões de 1,4 m x 0,8 m. Ela abriga um cilindro de

hidrogênio com pureza de 99,999, equipado com uma válvula redutora de pressão que rebaixa

da pressão padrão de armazenagem de 125 kgf/cm2 (em torno de 1778,85 psi) para 15 psi. A

canalização também possui uma válvula esfera para o fechamento da saída do gás,

37

proporcionando assim uma maior segurança contra vazamentos quando a central não estiver

operando ou até mesmo, servindo para impedir a entrada do gás para o sistema quando a

tubulação for purgada pela segunda válvula que conduz o gás para fora da central. Para o

controle eletrônico da abertura do gás está instalada uma válvula solenóide Parker (COD:

54DF20CNZNI): 02 vias, normalmente fechada, vedação em viton®, conexão da rosca 1/2",

lavagem com desengraxante para uso em hidrogênio, ver Figura 6.2.

Figura 6.1 – Esquema da montagem mecânica do protótipo.

No interior da sala de hidrogênio, Figura 6.3, a tubulação possui uma válvula esfera

para o fechamento local do gás quando for necessário, não necessitando para tal se deslocar

até a central. Em série com esta, existe uma válvula corta-chamas que evita o retorno de

possíveis chamas para a fonte de hidrogênio. Finalizando, na tubulação existem: uma válvula

esfera que faz a purga de todo o sistema, e próximo à célula de combustível, um regulador de

posto, que é responsável pela regulagem fina da pressão; este reduz a pressão de 15 psi para

no máximo 1,5 psi. Com o auxílio das válvulas esferas existe a possibilidade de injetar-se

nitrogênio gasoso como forma de expelir restos de hidrogênio da tubulação neutralizando-a

ou até mesmo para limpeza de possíveis contaminantes.

38

Figura 6.2 – Foto interno da central de gás.

Toda linha é confeccionada em tubos de cobre com solda em prata o que garante

imunidade ao hidrogênio, boa vedação e resistência mecânica. Já as mangueiras flexíveis

conectadas à célula são de tygon® cujo material possui paredes que não permitem a

infiltração de hidrogênio, o que aconteceria com mangueiras comuns de silicone ou similares

forem utilizadas.

Figura 6.3 – Foto da instalação na sala de hidrogênio.

39

Na sala de hidrogênio usa-se um sistema especial de exaustão que possui a função de

garantir que nenhum resíduo de hidrogênio se acumule no recinto. Isto é garantido pela

criação de uma pressão negativa dentro da sala, admitindo o ar através de respiros localizados

na parte inferior da parede oposta ao exaustor o qual dirige-os para fora da sala e passando

pela local de instalação da pilha. Como o hidrogênio é mais leve que o ar e tende a se

acumular nas partes superiores do recinto, este sistema foi instalado no teto da sala e

construídos os orifícios na parte inferior das paredes fazendo com que o ar externo circule de

baixo para cima garantindo assim a sua efetividade.

6.1.2 Sistema de refrigeração da pilha

O monitoramento e controle da temperatura são realizados permanentemente. A

temperatura e a umidade são medidas na saída do ar de reação da pilha através de um sensor

RHT-DM da Novus Produtos Eletrônicos LTDA, Figura 6.4. Se a temperatura ultrapassar os

limites da faixa prevista para as células, ver Capítulo 5, é acionado o sistema de refrigeração

da pilha que é composto de ventiladores e bomba d’água. A ventilação forçada se faz através

de dois pares de ventiladores instalados em lados opostos da pilha, ver Figura 6.7. O par

instalado em um dos lados tem o efeito de sugar o ar da pilha, enquanto que o outro de injetar

ar, isso faz com que haja uma circulação forçada e controlada de ar através da célula em uma

única direção.

A refrigeração realizada através da circulação de água por caneletas internas em cada

célula é feita por uma bomba tipo diafragma da Flojet, modelo LF122002 com fluxo de 2

L/min. A água usada é deionizada e depositada em um botijão plástico. Logo após sua

passagem pela célula, ela sofre um processo de troca de calor através de um dissipador

semelhante ao de ar condicionado e é armazenada novamente, formando assim um sistema

fechado, ver Figura 6.5.

40

Figura 6.4 – Foto do sistema de medição de temperatura e umidade.

Figura 6.5 – Foto do sistema de refrigeração a água.

6.1.3 Injeção do ar de reação

O ar de reação é injetado na célula através de duas bombas do tipo diafragma da

marca Flojet, modelo 4300, que capta o ar do ambiente. A bomba garante que o ar através

41

dela não se contamine com resíduos, graxas, pois o mesmo não entra em contato com as

partes móveis e vedações da bomba. Porém, para evitar a presença de poeira oriunda do

ambiente, é acoplado a ela o filtro que garante a limpeza do ar, como mostra a Figura 6.6. A

bomba possui ainda um controle de velocidade com a finalidade de controlar a umidade

relativa interna da membrana conforme visto no capítulo anterior. A umidade relativa é lida

através do mesmo sensor de temperatura situado na saída do ar de reação.

Figura 6.6 – Foto do sistema de injeção do ar de reação.

6.1.4 Preparação da pilha

A pilha adquirida da BCS Technology não possui nenhuma facilidade, periférico ou

acesso elétrico às células independentemente. Portanto, foi necessário prepará-la para a

implementação do controle e monitoramento, ver Figura 6.7. Primeiramente foi desenvolvido

um suporte, onde a pilha é fixada sobre uma superfície isolante, proporcionando assim uma

maior resistência mecânica e uma isolação elétrica de outros corpos. Junto ao suporte foi

anexada uma estrutura auxiliar para fixação dos quatros ventiladores responsáveis pela

ventilação forçada.

Para o monitoramento das tensões individuais de cada célula é necessário ter-se

acesso aos pólos das células, porém a pilha não os disponibiliza. Mas, as placas bipolares

42

possuem pequenos orifícios onde foram presas, por pressão, sondas adaptadas,

disponibilizando-se assim o acesso.

Devido à fragilidade quanto à corrente elétrica (estrutura de grafite das placas) estes

contatos não podem ser usados para realizar os chaveamentos nas células, uma vez que a

corrente de curto é relativamente alta. Para isso, foram pressionados contra a placa parafusos,

os quais fazem um contato mais robusto e podem assim assumir a corrente total da pilha.

Porém está adaptação apresenta algumas dificuldades de se implementar, então se optou por

realizar o chaveamento de grupos de 4 células, diminuindo assim a quantidade de contatos.

Figura 6.7 – Foto da pilha com a estrutura auxiliar.

6.2 Circuitos eletrônicos auxiliares

As placas eletrônicas foram confeccionadas para interfaceamento entre o

microcontrolador e seus periféricos. Estes circuitos são: o circuito para seleção da medida da

tensão individual de cada célula, circuito para seleção do chaveamento das células, circuito de

condicionamento de sinal do sensor de umidade e temperatura, circuito de controle de

velocidade da bomba de ar e dos ventiladores bem como a chave liga/desliga da válvula

solenóide, bomba d’água e resistência e, também, placa de medição de corrente.

43

6.2.1 Medição da tensão individual de cada célula

Para fazer a medição da tensão individual de cada célula usa-se apenas uma entrada

do microcontrolador, portanto é necessária uma placa auxiliar para selecionar uma única

célula por vez. O circuito que faz a seleção baseia-se em dois multiplexadores (CD4051).

Como a tensão de modo-comum de um multiplexador é no máximo de 44V, a pilha é

separada em grupos de oito células, ou seja, oito células por dupla de multiplexadores. Para o

caso da pilha trabalhada nesta dissertação que é composta de 32 células, serão necessários

quatro duplas de multiplexadores, e cada grupo necessita de uma fonte de alimentação

independente.

A Figura 6.8 mostra o esquema do circuito de seleção de células do último grupo, ou

seja, a seleção para a célula 25 a 32. Onde o circuito é formado por dois multiplexadores e um

opto-acoplador. Blocos iguais a esses são instalados nos três grupos anteriores. A segunda

parte do circuito formado por resistores e amplificadores operacionais são comum a todos os

blocos e responsável pelo ganho e somatório das tensões de todos os quatros blocos.

Quando é gerado o código de seleção da célula cuja tensão será lida, um

multiplexador (Mux P) habilita o pólo positivo da célula e o outro (Mux N), o pólo negativo.

Estas tensões de saída são diferenciadas pelo opto-acoplador diferencial (iso122). Após essa

etapa, os grupos são adicionados em um somador, onde sempre a tensão nos demais três

grupos estará zerada, pois estarão desabilitados através de um comando de "enable".

Figura 6.8 – Circuito para medição da tensão individual de cada célula.

44

As chaves seletoras (A, B, C) são ligadas em paralelo, ou seja, quando o

microcontrolador seleciona um determinado código, são selecionadas quatro células da pilha

(uma por bloco), porém a seleção do “enable” habilita o bloco em que a célula em questão

está localizada. Desta forma, é adquirido o valor de somente uma pilha, garantindo uma

resolução maior que o circuito descrito por [12], e assim permitindo o uso de um conversor

AD de menor resolução.

Figura 6.9 – Foto do circuito de medição da tensão individual de cada célula.

Para a seleção da medição de cada célula, é usado um código de sete bits, três para

fazer a seleção dos canais dos multiplexadores e os outros quatros bits para selecionar os

blocos de células, os quais são isolados através do opto-acoplador TLP521-2. A Tabela 6.1

mostra o código binário para a seleção de cada célula, bem como cada código decimal

correspondente. Estes códigos de seleção são enviados diretamente para a porta “D” do

microcontrolador à qual estão conectados os canais de seleção dos multiplexadores,

facilitando assim o processo de automação. Os códigos são gerados conforme as fórmulas da

Tabela 6.2.

45

Bloco Célula EN1 (mux1)

EN2 (mux2)

EN3 (mux3)

EN4 (mux4) C B A Código

decimal

1 0 1 1 1 0 0 0 56

2 0 1 1 1 0 0 1 57

3 0 1 1 1 0 1 0 58

4 0 1 1 1 0 1 1 59

5 0 1 1 1 1 0 0 60

6 0 1 1 1 1 0 1 61

7 0 1 1 1 1 1 0 62

1

8 0 1 1 1 1 1 1 63

9 1 0 1 1 0 0 0 88

10 1 0 1 1 0 0 1 89

11 1 0 1 1 0 1 0 90

12 1 0 1 1 0 1 1 91

13 1 0 1 1 1 0 0 92

14 1 0 1 1 1 0 1 93

15 1 0 1 1 1 1 0 94

2

16 1 0 1 1 1 1 1 95

17 1 1 0 1 0 0 0 104

18 1 1 0 1 0 0 1 105

19 1 1 0 1 0 1 0 106

20 1 1 0 1 0 1 1 107

21 1 1 0 1 1 0 0 108

22 1 1 0 1 1 0 1 109

23 1 1 0 1 1 1 0 110

3

24 1 1 0 1 1 1 1 111

25 1 1 1 0 0 0 0 112

26 1 1 1 0 0 0 1 113

27 1 1 1 0 0 1 0 114

28 1 1 1 0 0 1 1 115

29 1 1 1 0 1 0 0 116

30 1 1 1 0 1 0 1 117

31 1 1 1 0 1 1 0 118

4

32 1 1 1 0 1 1 1 119 Tabela 6.1 – Tabela verdade da seleção das células para medição.

46

Bloco 1 Bloco 2 Bloco 3 e 4 Código = Nº Cel + 55 Código = Nº Cel + 79 Código = Nº Cel + 87

Tabela 6.2 – Fórmula para obter o código de seleção para medição da tensão individual das células.

6.2.2 Seleção para o chaveamento das células

O circuito de chaveamento consiste em estabelecer um curto circuito em duas células

consecutivas através de uma chave eletrônica (Mosfet IRFZ44) cujo gatilho é acionado

através de um optoacoplador (TLP521-2) selecionado pelo demultiplexador (CD4051). Em

paralelo ao Mosfet é adicionado de um diodo Schottky com tensão reversa de 0,3 V que vai

assumir a corrente da pilha quando um conjunto de células for chaveado.

Cada conjunto de oito células possui uma fonte e um ponto de terra independentes, ver

Figura 6.10. Neste caso o caminho da corrente de acionamento percorre no máximo quatro

células até chegar ao terminal de terra, tendo assim uma pequena queda de tensão. Caso, uma

mesma fonte envolvesse mais células, isto aumentaria a queda de tensão, comprometendo seu

acionamento.

Figura 6.10 – Esquema do circuito de seleção para o chaveamento do conjunto de células.

47

Figura 6.11 – Foto da placa do circuito de seleção para o chaveamento do conjunto de células.

Analogamente a medição da tensão individual, o sistema de seleção do chaveamento

possui um código binário que define o conjunto de células a ser chaveado, para o qual são

necessários apenas 3 bits. Na Tabela 6.3, estão especificados esses códigos de seleção.

Células C B A Código decimal

1-4 0 0 0 0 5-8 0 0 1 1 9-12 0 1 0 2 13-16 0 1 1 3 14-20 1 0 0 4 21-24 1 0 1 5 25-28 1 1 0 6 29-32 1 1 1 7

Tabela 6.3 – Tabela verdade para seleção das células para chaveamento.

Como já foi comentado, se a medição de tensão detectar uma célula fora da operação

normal, será feito um curto-circuito nos terminais desta célula. Para isso, é necessário

48

identificar a célula com problemas e gerar o código correspondente. Este código será

colocado diretamente na porta “B” do microcontrolador que selecionará o canal do

demultiplexador que curto-circuitará o bloco do qual a célula faz parte. A geração do código

segue a determinação da Equação 6.1.

Código=Inteiro[Nº Cel-1)/4] (6.1)

6.2.3 Circuitos de medição

Os monitoramentos da temperatura e da umidade relativa são realizados através do

sensor da Novus, que fornece uma corrente de 0 a 20mA que corresponde à uma temperatura

entre 0 e 100ºC e umidade relativa 0 e 100%, respectivamente. Este sinal de corrente é

convertido em sinal de tensão através de um amplificador diferencial.

A medida da corrente da pilha é feita através de um sensor de efeito hall, modelo

SECOHR 25 CI, de fabricação da Secon para corrente nominal de 25 A e com razão de

medida de 1:1000 o qual alimenta um resistor de precisão de 100Ω, convertendo assim o sinal

de corrente em tensão.

6.2.4 Circuitos dos atuadores

Estes circuitos atuam diretamente no acionamento dos dispositivos de controle da

célula, ou seja, são responsáveis pela abertura da válvula e acionamento dos motores. A

bomba de injeção do ar de reação e os ventiladores de refrigeração possuem suas velocidades

controladas por PWM, já a bomba d’água para refrigeração possui apenas dois estados, ou

ligado ou desligado. Estes três dispositivos são controlados por um Mosfet (IRFZ44), onde o

sinal advindo do microcontrolador é isolado por um opto-acoplador TLP-521-2.

Para ligar e desligar a válvula solenóide e a resistência para o aquecimento usa-se o

relé modelo MS12-10 com tensão de comando em 12V. Esses dispositivos são alimentados

em 220V.

49

Figura 6.12 – Foto do circuito para o acionamento das cargas.

6.3 Fluxogramas

Para o controle das grandezas, são utilizados dois microcontroladores da família PIC

18F. O primeiro microcontrolador, aqui chamado de primário, fica responsável pelo controle

das grandezas fundamentais para o funcionamento da célula, ou seja, faz o controle de

abertura da válvula do hidrogênio, controle do ar de reação, da temperatura e da umidade

relativa. Já o segundo microcontrolador, chamado de secundário, faz a medição individual de

cada célula e, também, os chaveamentos das células, quando necessários. No que se refere à

capacidade de processamento e tamanho de memória, um microcontrolador poderia ser

suficiente, porém ficaria limitado no número de saídas e entradas. O uso de dois

microcontroladores facilita também o processo uma vez que a medição e o controle da tensão

individual de cada célula usam um certo tempo que poderia ocasionar ineficiência do controle

para outras grandezas mais importantes como a temperatura e umidade. Pela maneira com que

foi dividido o programa, um microcontrolador controla apenas as grandezas fundamentais e

com controle relativamente rápido em comparação ao controle do segundo microcontrolador.

A seguir serão analisados os fluxogramas usados para todo o controle desenvolvido

para a pilha e no Apêndice A se encontra o programa em linguagem C desenvolvido para tal

automação.

50

6.3.1 Fluxograma do controlador principal

O controle da pilha, conforme a Figura 6.13, inicia-se pela abertura do gás hidrogênio

através da válvula solenóide. Logo após, é feita a injeção do ar de reação através das bombas

que possuem controle de fluxo, inicialmente injetando ar com estequiometria igual a dois,

relativo à potência máxima da pilha que é de 500 W. Neste ponto é aguardado o sinal do

secundário indicando que a pilha está apta a receber carga segundo sua temperatura. Este

processo desenvolvido pelo controlador secundário será analisado na próxima subseção. Após

o recebimento desse sinal é acionada a carga e o programa entra em um laço que controlará

apenas a umidade e a temperatura, além de analisar um segundo sinal do microcontrolador

secundário que finaliza o processo caso encontre alguma inconformidade no sistema.

Com a carga acionada são feitas as leituras de corrente, umidade relativa e, ainda,

calcula-se a estequiometria através da razão de trabalho da bomba de ar. Se a umidade relativa

estiver abaixo de 85% e a estequiometria maior que 2, diminui-se a velocidade da bomba. Se

a umidade estiver entre 85 % e 95% e estequiometria maior que 2, mantém-se a velocidade.

Porém, se a umidade estiver abaixo de 85% e a estequiometria menor que 2, não é possível

fazer o controle e é desligado o sistema, caso contrário, aumenta-se a velocidade da bomba de

ar.

Após o controle da umidade passa-se ao controle da temperatura, que é realizado em

dois intervalos. Se a temperatura estiver entre 50 a 60ºC, os ventiladores deverão ter a largura

de pulso do PWM que os aciona proporcional à temperatura. Quando estiver entre 60 a 65ºC,

os ventiladores estarão na velocidade máxima e será ligada a água de refrigeração. Porém, se

a temperatura não estiver em nenhum desses intervalos, ou seja, maior que 65ºC, são

desligados a carga e os gases de alimentação e mantidos a água e os ventiladores ligados até

que temperatura atinja valores abaixo de 65ºC. Haverá uma indicação no painel de que esta

situação anômala ocorreu e assim sejam tomadas as providências cabíveis.

Quando o controle da temperatura for finalizado, retorna-se ao início do programa

onde são feitas novas leituras de corrente e, assim, as ações são repetidas ciclicamente.

51

Início

Abrir válvula dehidrogênio

N

S

S

N

Ligar ar para 500W

N

Aumentar vel.bomba arS

Ler temperatura

50º<T<60ºAguardar sinal doslave fim do pré-

aquecimento

Ligar carga

esteq.>2 eU<85%

Ler umidade ecorrente

Calcularestequiometria

esteq.>2 e85%<U<95%

esteq.<2 eU<85%

Desligar o sistemae indicar falha

Fim

Diminuir vel.bomba ar

S

N

60º<T<65º

T>65º

N

S

S

Controlar vel.vent.com a variação

da temperatura

Vent. vel. máxima eligar água

Desligar os gases emanter refrigeração

Indicartemperatura acima

da normal

Aguardar 5 seg

Ler temperatura

T>65º

Desligar o sistemae indicar falha

NS

NS

Falha no secundárioS

N

N

N

S

Figura 6.13 – Fluxograma do controlador primário.

6.3.2 Fluxograma do controlador secundário

O controlador secundário, ver Figura 6.14, mede a temperatura e se estiver abaixo de

15 ºC, é acionado o resistor de aquecimento, aguarda-se um tempo de 10 segundos e mede-se

a temperatura novamente. Se a temperatura for agora maior que os 15º C, porém menor que

52

30º C, chama-se a sub-rotina de chaveamento. Essa sub-rotina fica acionada até que a

temperatura atinja a temperatura de 30ºC, porém deve haver um tempo de 40 segundos entre o

acionamento de um chaveamento e o outro.

Para uma temperatura maior que 30ºC envia-se um sinal para o controlador primário

ligar a carga e iniciar o processo. Enquanto isso, o controlador secundário opera em laço

fechado que faz somente a medição da tensão individual das células e o chaveamento cíclico.

O chaveamento cíclico é feito de três em três minutos ou mais.

Início

Ler temperatura

Chamar rotina paramedição das tensões

indivivuais

Aguardar 10 seg. edesligar

Tempo do últimochaveamento>3 min.

tchaveamento=1 seg.

Aguardar 40 seg.do último

chaveamento

T>15º

N

S

S

S

N

T>30º

tchaveamento=1 seg.

Chamar rotinachaveamento

Ligar aquecimentoauxiliar

Enviar sinal p/primário/ fim do

pré-aquecimentoN

Chamar rotinachaveamento

Figura 6.14 – Fluxograma do controlador secundário.

Quando a sub-rotina de medição individual das células for chamada, ver Figura 6.15,

um conjunto de células é selecionado através dos multiplexadores, e adquirido o valor da

tensão. Se essa tensão for menor que 0,3 V ou maior que 1,3 V, a célula é desabilitada.

Porém, se a tensão estiver no intervalo citado, mas o valor de tensão for menor que 0,5 V,

53

fazem-se 12 chaveamentos no conjunto de células em que a célula problemática pertence,

com intervalos de 5 segundos cada. Após isso, retorna-se ao início da sub-rotina dando

continuidade a medição.

Início

n=1; m=0

0,3=>V>=1,3

Desligar todo osistema e indicar o

problema

N

N

S S

NV<=0,5

Ler a tensão

Selecionar acélula n para

medição tensão

N

Fim

m=m+1

tchaveamento=1 seg.

Aguardar 5 seg.

m>12

S

SN

n=n+1, m=0

Retorna

n>=32

chamar rotina dechaveamento

Figura 6.15 – Sub-rotina para medição e controle da tensão individual de cada célula.

Quando a sub-rotina de chaveamento é chamada na rotina do secundário, ver Figura

6.16, são selecionadas as quatro primeiras células e realiza-se os chaveamentos até o tempo

selecionado. A partir daí, são selecionadas as próximas células, até quando o número de

54

conjuntos de células for igual a 8, quando se retorna para a rotina principal do secundário,

pois já foram realizados os chaveamentos em todas as células.

Início

n=1

n>8

S

Fazerchaveamento

Retorna

Selecionar oconjunto n de

células

contar tempo t

Qdo. t =tchaveamento fimchaveamento

n=n+1

NS

Figura 6.16 – Sub-rotina para o controle do chaveamento nas células.


Este capítulo discutiu as bases experimentais e de implementação de todas as etapas

do projeto e instalação típicos de pequenos protótipos de geração de energia com células de

combustível do tipo PEM. Nesta discussão, foram especificados os mecanismos utilizados

para o controle das grandezas, assim como as placas de circuito utilizadas no interfaceamento

com o microcontrolador.

55

Além dos dispositivos de controle foram detalhadas também os ambientes das salas

necessárias para operação da pilha com os itens de segurança para a manipulação do

hidrogênio. E, finalmente, foram apresentados e comentados os fluxogramas do algoritmo de

controle para a automação interna da pilha de células de combustível.

No próximo capítulo serão demonstrados e comentados os resultados obtidos através

do ensaio dos controles descritos neste capítulo.

56

CAPÍTULO 7

RESULTADOS PRÁTICOS

Os módulos e circuitos desenvolvidos para operação da pilha de células de

combustível do tipo PEM usada como exemplo nesta dissertação para estabelecimento das

bases experimentais do projeto, automação e instalação de sistemas de geração de energia

foram inicialmente testados em bancada. Tanto os equipamentos como os algoritmos para esta

operação devem assegurar quanto a um funcionamento suficientemente confiável uma vez

que a pilha possui alto valor econômico e por usar hidrogênio, combustível que deve ser

manuseado com extremo cuidado.

Para verificar o comportamento do controle em cada atuação, medição ou cálculo das

variáveis, as instruções executadas pelo controlador são escritas na porta de comunicação que

está conectada ao computador através da porta serial. Esses dados são capturados com o

auxílio do software “Advanced Serial Data Logger” e analisados abaixo, onde as frases em

itálico são mensagens escritas pelo microcontrolador que pode informar os eventos realizados,

medidos ou calculados.

Primeiramente será analisado o programa do controlador primário que é responsável

pela abertura dos gases e pelo controle da umidade e temperatura da pilha. Neste teste,

buscou-se mostrar o comportamento do controle devido à variação da umidade para uma dada

temperatura constante.

O programa principal inicia acionando a válvula de hidrogênio e a bomba de injeção de ar. liga hidrogenio liga ar

Recebe sinal do secundário que a temperatura é maior que 30ºC. temperatura 44.03 temperatura >30

Então é acionada a carga e inicia-se o controle da umidade e temperatura. Sendo

inicialmente a estequiometria maior que dois e a umidade maior que 95%, o PWM da bomba

57

de ar é incrementado. Após este incremento o controle passa a controlar a temperatura na qual

nada é feito, pois ela está dentro da normalidade.

pwm1 estequiometria 12.17 corrente 27.80 controle pwm umidade pwm 86 umidade 95.29 controle da bomba do ar temperatura 43.96

Neste momento a estequiometria manteve-se constante e a umidade entrou no

intervalo entre 85% e 95%, então a largura de pulso do PWM da bomba não é alterada.


A umidade caiu para 74 %, ou seja, abaixo da faixa ideal de operação, o controlador

então, decrementa o PWM da bomba de ar.

pwm1 estequiometria 12.16 corrente 27.79 controle pwm umidade pwm 85 umidade 74.06 controle da bomba do ar temperatura 44.2 pwm1 estequiometria 12.13 corrente 27.71 controle pwm umidade pwm 84 umidade 73.96 controle da bomba do ar temperatura 44.21 pwm1 estequiometria 12.16 corrente 27.78 controle pwm umidade pwm 83 umidade 73.88 controle da bomba do ar temperatura 43.91

Com o decremento do PWM da bomba de ar há uma diminuição da quantidade de ar

dentro da célula, ou seja, a estequiometria cai.

58

pwm1 estequiometria 10.92 corrente 27.72 controle pwm umidade pwm 82 umidade 74.60 controle da bomba do ar temperatura 44.17 pwm1 estequiometria 10.95 corrente 27.78 controle pwm umidade pwm 81 umidade 80.49 controle da bomba do ar temperatura 44.31

A umidade entrou no intervalo ideal entre 85% e 95%, então a largura de pulso do

PWM é mantida.

pwm1 estequiometria 10.95 corrente 27.79 controle pwm umidade pwm 81 umidade 85.24 controle da bomba do ar temperatura 44.01 pwm1 estequiometria 10.92 corrente 27.71 controle pwm umidade pwm 81 umidade 88.06 controle da bomba do ar temperatura 44.24 pwm1 estequiometria 10.97 corrente 27.85 controle pwm umidade pwm 81 umidade 87.90 controle da bomba do ar temperatura 44.30

Agora a umidade possui um valor acima de 95%, então a velocidade da bomba é

acrescida através do aumento da razão de trabalho.

pwm1 estequiometria 10.93 corrente 27.74 controle pwm umidade pwm 82 umidade 98.67 controle da bomba do ar temperatura 43.88 pwm1 estequiometria 10.96 corrente 27.82 controle pwm umidade pwm 83 umidade 99.08 controle da bomba do ar temperatura 44.35

59


Percebe-se que o controle segue exatamente as informações descritas nos

fluxogramas do capítulo anterior, ou seja, com a estequiometria maior que dois e com a

umidade maior que 95%, o controle aumentou a largura de pulso do PWM fazendo com que

mais ar fosse inserido na pilha e assim diminuindo a umidade. Quando a umidade manteve-se

entre 85% e 95%, que é a melhor faixa para operação, o ciclo de trabalho foi mantido. No

momento em que a umidade caiu abaixo de 85% o controle diminuiu o ciclo de trabalho

fazendo com que menos ar entrasse na célula e conseqüentemente aumentando a umidade.

Para melhor observar o comportamento do PWM da bomba de ar com a variação da

umidade, foi plotada com dados das mensagens das etapas acima em um gráfico, ver Figura

7.1.

Figura 7.1 – Comportamento do PWM da bomba de ar para variação da umidade relativa.

A seguir serão analisadas as informações do programa do controlador secundário. O

objetivo é verificar o comportamento do programa durante a fase de pré-aquecimento e na

60

medição da tensão individual de cada célula. Para isso simulou-se que a temperatura da pilha

inicia abaixo da temperatura de operação (30ºC).

O programa do controlador secundário é iniciado fazendo o teste da temperatura e

constatando que está abaixo dos 15ºC. Neste momento é acionada a resistência para

aquecimento do ar de reação a qual é mantida até os 15ºC.

testa temperatura 12.90 temperatura 12.91 <15 temperatura 12.97 <15 temperatura 13.04 <15

Com a temperatura entre 15º e 30ºC, o pré-aquecimento passa a ser feito através do

chaveamento efetuado em todos os oito blocos de células.

temperatura 25.20 >15 temperatura entre 15 e 30 bypass celula 0 em B bypass celula 1 em B bypass celula 2 em B bypass celula 3 em B bypass celula 4 em B bypass celula 5 em B bypass celula 6 em B bypass celula 7 em B faz todas DESLIGADO

A temperatura atingiu valores acima de 30ºC, então o pré-aquecimento é finalizado e

indicado ao microcontrolador primário o fim desse evento.

testa temperatura concluído hablita interrupções

Com o fim do pré-aquecimento se dá início à medição da tensão individual em cada

célula. Abaixo estão escritas as informações das tensões medidas, dos códigos de seleção e a

ordem de cada célula na pilha.

v .65 codigo 56 qual_celula 1 tensao .65 v .65 codigo 57 qual_celula 2 tensao .65 v .65 codigo 58 qual_celula 3 tensao .65 v .65 codigo 59 qual_celula 4 tensao .65

61

v .65 codigo 60 qual_celula 5 tensao .65 v .65 codigo 61 qual_celula 6 tensao .65 v .65 codigo 62 qual_celula 7 tensao .65 v .65 codigo 63 qual_celula 8 tensao .65 v .65 codigo 88 qual_celula 9 tensao .65 v .65 codigo 89 qual_celula 10 tensao .65 v .65 codigo 90 qual_celula 11 tensao .65 v .65 codigo 91 qual_celula 12 tensao .65 v .65 codigo 92 qual_celula 13 tensao .65 v .65 codigo 93 qual_celula 14 tensao .65 v .65 codigo 94 qual_celula 15 tensao .65 v .65 codigo 95 qual_celula 16 tensao .65 v .65 codigo 104 qual_celula 17 tensao .65 v .65 codigo 105 qual_celula 18 tensao .65 v .65 codigo 106 qual_celula 19 tensao .65 v .65 codigo 107 qual_celula 20 tensao .65 v .65 codigo 108 qual_celula 21 tensao .65 v .65 codigo 109 qual_celula 22 tensao .65 v .65 codigo 110 qual_celula 23 tensao .65 v .65 codigo 111 qual_celula 24 tensao .65 v .65 codigo 112 qual_celula 25 tensao .65 v .65 codigo 113 qual_celula 26 tensao .65 v .65 codigo 114 qual_celula 27 tensao .65 v .65 codigo 115 qual_celula 28 tensao .65 v .65 codigo 116 qual_celula 29 tensao .65

62

v .65 codigo 117 qual_celula 30 tensao .65 v .65 codigo 118 qual_celula 31 tensao .65 v .65 codigo 119 qual_celula 32 tensao .65

É simulada a queda de tensão nas células. controle individual hablita interrupcoes v .52 codigo 56 qual_celula 1 tensao .52 v .51 codigo 57 qual_celula 2 tensao .51 v .51 codigo 58 qual_celula 3 tensao .51 v .51 codigo 59 qual_celula 4 tensao .51 v .51 codigo 60 qual_celula 5 tensao .51 v .51 codigo 61 qual_celula 6 tensao .51 v .51 codigo 62 qual_celula 7 tensao .51 v .51 codigo 63 qual_celula 8 tensao .51 v .51 codigo 88 qual_celula 9 tensao .51 v .51 codigo 89 qual_celula 10 tensao .51 v .51 codigo 90 qual_celula 11 tensao .51 v .51 codigo 91 qual_celula 12 tensao .51 v .50 codigo 92 qual_celula 13 tensao .50 v .50 codigo 93 qual_celula 14 tensao .50

A tensão da célula 15 cai para níveis entre 0,3V e 0,5V, então se inicia o processo de

reabilitação através do chaveamento do bloco do qual a célula faz parte.

v .49 codigo 94 qual_celula 15 tensao .49

63

São realizados 12 curto-circuitos no bloco 3, do qual a célula 15 faz parte. controle de tensao bloco 3 n 15 pela 0 vez controle de tensao bloco 3 n 15 pela 1 vez controle de tensao bloco 3 n 15 pela 2 vez controle de tensao bloco 3 n 15 pela 3 vez controle de tensao bloco 3 n 15 pela 4 vez controle de tensao bloco 3 n 15 pela 5 vez controle de tensao bloco 3 n 15 pela 6 vez controle de tensao bloco 3 n 15 pela 7 vez controle de tensao bloco 3 n 15 pela 8 vez controle de tensao bloco 3 n 15 pela 9 vez controle de tensao bloco 3 n 15 pela 10 vez controle de tensao bloco 3 n 15 pela 11 vez

Terminando os chaveamentos nas células, o controle passa para a medição da célula

16. O qual se constatou que a tensão é muito baixa e pode causar danos a toda pilha, então o

processo é abortado.

v .03 codigo 95 qual_celula 16 tensao .03 tensao fora dos limites aborta

O programa seguiu todos os passos descritos nos fluxogramas do Capítulo 6. No teste

do pré-aquecimento a resistência foi acionada quando a temperatura estava abaixo dos 15ºC.

Quando esta temperatura foi ultrapassada, realizou-se o chaveamento em todas as células até

atingir a temperatura de 30ºC. Após o pré-aquecimento entrou-se em um laço infinito onde

efetuou-se o controle da tensão individual em cada célula. Quando a tensão da célula atingiu

um valor abaixo de 0,5V, executou-se 12 chaveamentos no bloco em que a célula faz parte, na

tentativa de recuperá-la. E abortou-se toda a operação no momento em que uma célula atingiu

a tensão abaixo de 0,3V.

64

CAPÍTULO 8

CONCLUSÕES

A instalação e a automação de pilhas de células de combustível requer

conhecimentos de várias áreas, o que dificulta sua execução. Além da pequena quantidade de

bibliografia sobre o assunto, existe pouca experiência e conhecimento a serem compartilhados

por empresas brasileiras sobre manipulação de hidrogênio. As bases estabelecidas para a

automação podem ser obtidas através de medidas, bibliografias e patentes disponíveis.

Problemas não comentados na literatura podem ser resolvidos com idéias próprias ou

adaptações de outros sistemas.

O controle do fluxo de hidrogênio pode ser feito apenas por uma simples válvula

reguladora de pressão, podendo assim ser dispensado o controlador ativo de fluxo de gás, pois

a quantidade de hidrogênio que entra na pilha é autocontrolado pela carga.

A estimativa da estequiometria para controle da quantidade mínima de ar para a

reação pode ser feita medindo-se apenas a corrente da pilha, conhecendo-se a relação

vazão/tensão da bomba de ar e a razão de trabalho do PWM que a controla.

As rotinas desenvolvidas para realizar o pré-aquecimento da pilha, controle da tensão

individual das células e chaveamento, semelhantes aos descritos nas patentes americanas,

atenderam a todos os requisitos de automação descritos, como: temperatura, tempo de

chaveamento e limites de tensão. Da mesma forma, para o controle da temperatura de

operação descrito no manual de operação da pilha automatizada da BCS Technology.

No desenvolvimento dos módulos e circuitos de acionamento da pilha bem como dos

equipamentos auxiliares para implementação do protótipo, procurou-se utilizar materiais de

fabricação nacional, o que facilita a aquisição para a instalação ou substituição de peças

quando necessário.

Este trabalho reuniu as bases experimentais para implementação de pilhas de células

de combustível para geração estacionária de energia elétrica, e a partir deste, novas

contribuições, sugestões e soluções podem surgir, melhorando assim o desempenho da planta.

65

8.1 Contribuições

O autor acredita que tenha contribuído para a implementação de sistemas de geração

de energia baseadas em células de combustível nos seguintes aspectos:

- Reunião de conhecimentos, bibliografias e materiais mínimos necessários para o

projeto e automação de pilhas de células de combustível;

- Desenvolvimento de um algoritmo de controle interno de pilhas de células de

combustível;

- Implementação de uma plataforma de controle e acionamento de centrais de energia

com células de combustível usando dispositivos bem difundidos no mercado nacional e com

custo compatível;

- Implementação de um ambiente genuíno e aberto para projeto de centrais de

geração de energia usando células de combustível.

8.2 Sugestões para continuidade do trabalho

Este trabalho por ser inovador no âmbito nacional e pode ser o precursor de novos

trabalhos tendo este como base, podendo vislumbra-se para a sua continuidade:

- Implementação de um controle para umidificação externa;

- Desenvolvimento de uma técnica para cálculo da freqüência do chaveamento entre

o ânodo e o cátodo;

- Desenvolvimento de um sistema de co-geração ou aproveitamento do calor gerado

pela pilha;

- Desenvolvimento de um inversor adaptado especialmente para injeção de energia da

pilha na rede;

- Associação da pilha a outros módulos de geração de energia alternativa, como a

solar e eólica;

- Utilização e implementação de técnicas modernas de controle para a automação da

pilha.

66

Bibliografias

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[3] BECKER-IRVIN, C. H. Battery cell voltage monitor and method; US Patent 5,914,606, June 22, 1999.

[4] CORRÊA, J. M. et al. An analysis of the dynamic performance of proton exchange

membrane fuel cells using an electrochemical model; Proceeding of the 27th Annual Conference of the IEEEE Industrial Electronics Society – IECON’01; Denver, Colorado, USA; 29/nov a 02/dez de 2001; pp. 141 – 146.

[5] CORRÊA, J. M. Subsídios teóricos e práticos para modelagem e simulação de pilhas de células de combustível. 177 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica)-Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2002.

[6] FARRET, F. A. Aproveitamento de pequenas fontes de energia elétrica; Ed. UFSM,

Santa Maria, RS, 1999, 245 p. [7] Fuglevand, W. A., Devries, P. D., Loyd, G. A., Lott, D. R. e Scartozzi, J. P. Fuel cell and

method for controlling same, US Patent 6,096,449, to Avista Labs, Aug. 1,2000. [8] Fuglevand, W. A., Bayyuk, S. I., Lloyd, G., Devries, P. D., Lott, D.R. e Scartozzi, J. P.

Fuel cell power system and methods of controlling a fuel cell power system; US Patent 6,387,556 B1, to Avista Labs, May. 14, 2002.

[9] Hirscenhofer, J. H. et al. Fuel cell: handbook; Rev 3; Ed. Business/Technology Books, 1988.

[10] LARMINE, J.; DICKS, A. Fuel cell systems explained; Ed. John Wiley & Sons; Chichester, Inglaterra; 2000; 308 p.

67

[11] MANN, R. F. et al. Development and application of a generalised steady-state electrochemical model for a PEM fuel cell; Journal of Power Sources, nº 86, 2000, p.173-180.

[12] SERPA, L. A. Estudos e implementação de um sistema gerador de energia empregando células a combustível do tipo pem. 185 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica)-Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2004.

[13] SILVA, E. P. Introdução à tecnologia e economia do hidrogênio; Ed. UNICAMP;

Campinas, SP, 1991; 204 p.

[14] WEBB, D.; MOLLER-HOLST, S. Measuring individual cell voltages in fuel cell stacks; Journal of Power Sources, nº 103, 2001, p. 54-60.

68

APÊNDICE A

SOFTWARE NA LINGUAGEM C PARA AUTOMAÇÃO DA PILHA

/*************************************************************************/ /* CONTROLADOR PRIMARIO */ /* */ /*************************************************************************/ #include <18F452.h> #fuses HS,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP #DEVICE ADC=10 #use delay(clock=10000000) #use rs232(baud=9600, xmit=PIN_C6, rcv=PIN_C7, BRGH1OK) #endif #include <math.h> //include das funcoes matematicas //Ciclos de Trabalho #define CHEIO 1023 #define ZERO 0 //numero de amostras do A/D #define AMOSTRAS 10 //temporizacao do bypass #define BYPASS 128 //ciclo referente ao bypass // Pinagem do sinalizador de AQUECIMENTO #define AQUECIMENTO PIN_C5 //LED RETORNO #define LED PIN_B7 //HABILITACAO DA CARGA #define CARGA PIN_B6 #define TEMP_DANOSA PIN_B5 //termino do programa #define FINAL PIN_B4 // Pinagem do sinalizador de umidade impossivel #define IMPOSSIVEL PIN_B3 // Pinagem das valvulas solenoides #define REGISTRO_AGUA PIN_B2 //portd2 sol da agua #define REGISTRO_HIDROGENIO PIN_B1 //portd0 para sol. do hidrogenio #define RETORNO PIN_B0 //B0, sinalizacao do retorno //CANAIS DO CONVERSOR A/D #define C_TEMPERATURA 0

69

#define C_UMIDADE 1 #define C_CORRENTE 3 #define PWM1_MAX 200 #define PWM2_MAX 200 CONST float temp_limite=55.0; CONST long ndelta2= -1; ///////////////////////////////////////////////////////////////// // VARIAVEIS // ///////////////////////////////////////////////////////////////// int i, j,w, sinal; char selection; float temperatura, umidade, v_controle, esteq, corrente; long delta =1, pwm100, pwm200, ciclo_temp,delta2; #int_ext // Interrupt-Routine RB0 LED_LIGA() disable_interrupts(GLOBAL); liga=1; output_high(LED); delay_ms(5000); enable_interrupts(GLOBAL); ///////////////////////////////////////////////////////////////// //FUNCAO PARA CONFIGURAR DIRECIONAMENTO E DINAMICA DA PORTA A // ///////////////////////////////////////////////////////////////// void preparaAD() setup_port_a(ALL_ANALOG); setup_adc(adc_clock_internal); ///////////////////////////////////////////////////////////////// // ADQUIRE E FAZ A MEDIA NO CANAL SELECINADO // ///////////////////////////////////////////////////////////////// float media_ad(byte canal) float media = 0, temp_media = 0; set_adc_channel(canal); delay_us(100); for (i=1; i<=AMOSTRAS; ++i)

70

media += read_adc(); delay_us(100); printf("%3.2f, media_ad\r\n", media/AMOSTRAS); return(media/AMOSTRAS); ////////////////////////////////////////////////////////////////////// // PROTEÇÃO EM CASO DE PROBLEMAS // ////////////////////////////////////////////////////////////////////// void aborta (void) output_high(FINAL); output_low(REGISTRO_HIDROGENIO); output_low(REGISTRO_AGUA); output_low(CARGA); set_pwm2_duty(ZERO); set_pwm1_duty(ZERO); printf("aborta\r\n"); ///////////////////////////////////////////////////////////////// // INICIALIZACAO DA PORTA C // ///////////////////////////////////////////////////////////////// void inicia_porta_c(void) set_tris_c(0); //portC todo saida setup_timer_2(T2_DIV_BY_1, 49, 1); // pwm, @ 49 50kHz setup_ccp1(CCP_PWM); // Configura CCP1 como PWM setup_ccp2(CCP_PWM); printf("inicia porta c\r\n"); //------------------------------------------------------------------------- // Ajusta o ciclo de trabalho do PWM, atraves da funcao set_pwm1_duty, e eh // chamada com uma percentagem do ciclo e a frequencia maxima do pwm // //------------------------------------------------------------------------- void pwm1_duty100(long pwm_percent1, long pwm_maximum1) set_pwm1_duty((pwm_maximum1/100)*pwm_percent1); // PWM #1 duty cycle printf("pwm1 \r\n"); void pwm2_duty100(long pwm_percent2, long pwm_maximum2) set_pwm2_duty((pwm_maximum2/100)*pwm_percent2); // PWM #1 duty cycle printf("pwm2 \r\n");

71

/************************************************************************/ /* CONTROLE DA TEMPERATURA */ /************************************************************************/ byte pre_aquecimento() BYTE n=0; printf("aguardando retorno\r\n"); output_low(CARGA); if(input(RETORNO)) while(input(RETORNO)) ; else while(!input(RETORNO)) ; printf("sinalizado\r\n"); delay_ms(5000); output_low(AQUECIMENTO); output_high(CARGA); printf(" %3.2f testa temperatura\r\n",temperatura); return (true); /**********************************************************************/ /* ANALISA ESTEQUIOMETRIA */ /**********************************************************************/ float estequiometria() corrente=media_ad(C_CORRENTE)/30.9; esteq=2.5*((v_controle)/0.0571*corrente); printf("estequiometria %3.2f corrente %3.2f\r\n",esteq, corrente); return(esteq); /***********************************************************************/ /* CONTROLE DA BOMBA DE AR */ /***********************************************************************/ void controle_bomba() pwm1_duty100(pwm100, PWM1_MAX); // seta pwm duty cycle em pwm100 v_controle=(pwm100*12)/100; corrente=media_ad(C_CORRENTE)/30.9; esteq=2.5*((v_controle)/0.0571*corrente); printf("estequiometria %3.2f corrente %3.2f\r\n",esteq, corrente); umidade=media_ad(C_UMIDADE)/8.53; if (umidade < 85 && esteq < 2) aborta(); else if (umidade < 85 && esteq > 2) delta2 = ndelta2; else if ((umidade > 85) && (umidade <95) && (esteq > 2))

72

delta2 = 0; else if ((umidade > 85) && (umidade <95) && (esteq < 2)) delta2 = delta; else if ((umidade > 95) && (esteq > 2)) delta2 = delta; else if ((umidade > 95 && esteq < 2)) delta2 = delta; pwm100 += delta2; // adiciona delta para mudar o ciclo de trabalho if (pwm100 > 100) pwm100 = 100; // verifica limites do ciclo de trabalho else if (pwm100 < 0) pwm100 = 0; pwm1_duty100(pwm100, PWM1_MAX);// chama funcao para ajustar o pwm printf("controle pwm umidade pwm %3.2lu umidade %3.2f\r\n",pwm100,umidade); /***********************************************************************/ /* INICIALIZA */ /***********************************************************************/ void preliminar() output_high(REGISTRO_HIDROGENIO); printf("liga hidrogenio\r\n"); set_pwm1_duty(CHEIO); printf("liga ar\r\n"); /**********************************************************************/ /* PRINCIPAL */ /**********************************************************************/ void main() set_tris_b(1); preparaAD(); inicia_porta_c(); pwm100=85; preliminar(); temperatura=media_ad(C_TEMPERATURA)/9.66; printf("temperatura %3.2f\r\n",temperatura); if (temperatura <30) sinal=0;

73

ext_int_edge(L_TO_H); enable_interrupts(INT_EXT); enable_interrupts(GLOBAL); while(!sinal) pre_aquecimento(); printf("temperatura <30 e com fome \r\n"); disable_interrupts(GLOBAL); printf("liberado\r\n"); if (temperatura>=30||pre_aquecimento()) output_high(CARGA); printf("temperatura >30 \r\n"); J=0; while(J==0) controle_bomba(); printf("controle da bomba do ar\r\n"); temperatura=media_ad(C_TEMPERATURA)/9.66; printf("temperatura %3.2f \r\n",temperatura); if (temperatura < 50 ) set_pwm2_duty(ZERO); else if (temperatura >= 50 && temperatura < 60) ciclo_temp=(temperatura-49)*10; pwm2_duty100(ciclo_temp,PWM2_MAX); printf("temperatura 50 60 ciclo %lu temperatura %3.2f \r\n", ciclo_temp, temperatura); else if (temperatura>=60 && temperatura <= 65) set_pwm2_duty(CHEIO); output_high(REGISTRO_AGUA); printf("temperatura 60 65 \r\n"); else if (temperatura > 65) while(temperatura > 65) output_low(REGISTRO_HIDROGENIO); set_pwm1_duty(0); output_high(TEMP_DANOSA); delay_ms(5000); temperatura=media_ad(C_TEMPERATURA)/9.66; printf("temperatura %3.2f \r\n",temperatura); aborta();

74

/**********************************************************************/ /* CONTROLADOR SECUNDÁRIO */ /* */ /**********************************************************************/ #include <18F452.h> #fuses HS,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP #DEVICE ADC=10 #use delay(clock=10000000) #use rs232(baud=9600, xmit=PIN_C6, rcv=PIN_C7, BRGH1OK) #include <math.h> ///////////////////////////////////////////////////////////////// // CONSTANTES // ///////////////////////////////////////////////////////////////// #define INTS_POR_SEGUNDO 76 // (20000000/(4*256*256)) #define ZERO 0 #define TEMPO_BYPASS 1000 //tempo de comutacao na célula #define ESPERA_REATIVA 5000 //tempo entre uma e outra célula #define ESPERA_CICLICO 180000 //tempo para bypass ciclico #define LED PIN_B7 //sinal pré-aqueciemento //termino do prg..problema na tensao #define FINAL PIN_B5 //Resistencia para o pre aquecimento do sistema. #define RESISTENCIA PIN_B3 #define BYPASS PIN_C2 #define FIM_AQUECIMENTO PIN_C3 #define AMOSTRAS 10 ///////////////// A/D /////////////////////////////////// #define C_TEMPERATURA 0 #define C_TENSAO 2 //canal a/d da tensao ///////////////////////////////////////////////////////////////// // VARIAVEIS // ///////////////////////////////////////////////////////////////// int teste, teste1,i; int codigo; //codigo a ser selecionado para medicao de tensao int n, m; //contagem na pilha e durante o bypass int liga; //liga e faz funcionar.. byte conta_s,conta_m,conta_h; // numero de segundos byte n_int_rtcc; // numero de interrupcoes antes do segundo ter se concretizado int codigo_bloco; //inteiro para selecao individual do bloco com problma de tensao float voltagem; float tensao; float temperatura; float minuto_matriz [32]; float minuto_matriz_a [32];

75

float minuto_matriz_n [32]; float minuto_matriz_h [32]; long hora, hora_a, hora_n,minuto, minuto_a, minuto_n, segundo, segundo_a, segundo_n; long clock; ///////////////////////////////////////////////////////////////// // INTERRUPCAO DE TEMPORIZACAO // ///////////////////////////////////////////////////////////////// #int_rtcc // funcao chamada toda vez que clock_isr() // o RTCC (timer0) estoura (255->0). // em 20MHz aproximadamente 76 vezes por segundo if(--n_int_rtcc==0) ++segundo; conta_s=segundo; n_int_rtcc=INTS_POR_SEGUNDO; //recarrega para decrementar ate o prox segundo) if(conta_s>59) conta_s=0; //zera contador ++minuto; //incrementa minuto; conta_m=minuto; if (conta_m>59) conta_m=0; ++hora; ///////////////////////////////////////////////////////////////// // HABILITA INTERRUPCAO DE TEMPORIZACAO // ///////////////////////////////////////////////////////////////// void habilita() n_int_rtcc=INTS_POR_SEGUNDO; set_rtcc(0); setup_counters( RTCC_INTERNAL, RTCC_DIV_256); enable_interrupts(INT_TIMER0); printf("hablita interrupcoes\r\n"); ///////////////////////////////////////////////////////////////// // DESABILITA INTERRUPCAO DE TEMPORIZACAO // ///////////////////////////////////////////////////////////////// void desabilita() disable_interrupts(INT_TIMER0); disable_interrupts(GLOBAL); //verificar se necessário printf("desabilita\r\n");

76

///////////////////////////////////////////////////////////////// // INICIALIZACAO DA PORTA B // ///////////////////////////////////////////////////////////////// void inicia_porta_b(void) set_tris_b(0); printf("inicia porta b\r\n"); ///////////////////////////////////////////////////////////////// // INICIALIZACAO DA PORTA C // ///////////////////////////////////////////////////////////////// void inicia_porta_c(void) set_tris_c(0); //portC todo saida printf("inicia porta c\r\n"); ///////////////////////////////////////////////////////////////// //FUNCAO PARA CONFIGURAR DIRECIONAMENTO E DINAMICA DA PORTA A // ///////////////////////////////////////////////////////////////// void preparaAD() setup_port_a(ALL_ANALOG); setup_adc(adc_clock_internal); printf("preparaAd\r\n"); ///////////////////////////////////////////////////////////////// // ADQUIRE E FAZ A MEDIA NO CANAL SELECIONADO // ///////////////////////////////////////////////////////////////// float media_ad(byte canal) float media = 0, temp_media = 0; //preparaAD(); set_adc_channel(canal); delay_us(100); for (i=1; i<=AMOSTRAS; ++i) media += read_adc(); delay_us(100); // printf(" %3.2f media_ad\r\n", media/AMOSTRAS); return(media/AMOSTRAS); ///////////////////////////////////////////////////////////////// // FAZ BY-PASS EM TODAS AS CÉLULAS // ///////////////////////////////////////////////////////////////// void faz_todas(void) byte i; for(i=0; i<8; i++) output_b(i); //TRISB=i;

77

output_high(BYPASS);//set_pwm1_duty(BYPASS); delay_ms(TEMPO_BYPASS); printf("bypass celula %i em B\r\n",i); output_low(BYPASS); printf("faz todas DESLIGADO\r\n"); ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////// PROTEÇÃO EM CASO DE PROBLEMAS // /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void aborta (void) output_high(FINAL); printf("aborta\r\n"); ///////////////////////////////////////////////////////////////// // LACO INFINITO PARA A SAIDA APOS TENSAO NAO COMPATIVEL // ///////////////////////////////////////////////////////////////// void cancela() for(;;) aborta(); output_high(LED); delay_ms(2000); output_low(LED); delay_ms(2000); ///////////////////////////////////////////////////////////////// // SELECIONA O CANAL E FAZ MEDIDA DE TENSAO NA CELULA // ///////////////////////////////////////////////////////////////// float individual(int qual_celula) voltagem=0.0; codigo=0; if (qual_celula<=8) codigo=55+qual_celula; if (qual_celula>8 && qual_celula < 17) codigo=79+qual_celula; if (qual_celula>=17) codigo=87+qual_celula; output_d(codigo); //seleciona o mux do canal certo delay_us(50); voltagem=media_ad(C_TENSAO)/682.67; printf("v %6.2f codigo %i qual_celula %i \r\n",voltagem, codigo, qual_celula); return(voltagem);

78

///////////////////////////////////////////////////////////////// // VERIFICA LIMITES DE TENSÃO E RECUPERA // ///////////////////////////////////////////////////////////////// void controle_tensao (void) m=0; for(n=1; n<33; n++) tensao=individual(n); printf("tensao %3.2f\r\n",tensao); if ((tensao < 0.3) || (tensao>1.3)) n=33; printf("tensao fora dos limites\r\n"); aborta(); //desliga sistema e sinaliza. cancela(); if ((tensao < 0.5) && (tensao> 0.3)) //chama by pass na célula em questao for (m=0; m<12; m++) if (n==0) codigo_bloco=0; if (n!=0) codigo_bloco=((n-1)/4); output_b(codigo_bloco); output_high(BYPASS); printf("controle de tensao bloco %i n %i pela %i vez/r/n", codigo_bloco,n,m); delay_ms(ESPERA_REATIVA); printf("controle individual\r\n"); output_low (BYPASS); ///////////////////////////////////////////////////////////////// // PRÉ-AQUECIMENTO DA PILHA // ///////////////////////////////////////////////////////////////// void testa_temperatura() BYTE n=0; temperatura=media_ad(C_TEMPERATURA)/6.518; clock=hora; printf("testa temperatura %3.2f %lu \r\n", temperatura, clock); while (temperatura<15) output_high(RESISTENCIA); output_low(FINAL); output_low(FIM_AQUECIMENTO); output_low(BYPASS);

79

delay_ms(10000); temperatura=media_ad(C_TEMPERATURA)/6.518; printf("temperatura %3.2f <15\r\n",temperatura); if (temperatura>=30) output_low(RESISTENCIA); output_low(FINAL); output_low(BYPASS); output_high(FIM_AQUECIMENTO); //envia sinal sinalizando fim do aquecimento temperatura=media_ad(C_TEMPERATURA)/6.518; printf("temperatura %3.2f >= 30 e sinal de dispensa\r\n",temperatura); delay_ms(10000); output_low(FIM_AQUECIMENTO); controle_tensao(); while (temperatura >=15 && temperatura < 30) output_low(RESISTENCIA); output_low(BYPASS); output_low(FIM_AQUECIMENTO); minuto_n=minuto; segundo_n=segundo; printf("temperatura entre 15 e 30 minuto %lu segundo %lu\r\n",minuto, segundo); faz_todas(); //bypass em todas celulas output_high(PIN_C2); temperatura=media_ad(C_TEMPERATURA)/6.518; printf("faz todas no tempo %lu T %3.2f\r\n",segundo_n,temperatura); delay_ms(4000); // printf("testa temperatura perdido\r\n"); output_low(BYPASS); output_low(RESISTENCIA); ///////////////////////////////////////////////////////////////// // BY-PASS CICLICO // ///////////////////////////////////////////////////////////////// void ciclico (int celula) inicia_porta_b(); inicia_porta_c(); habilita(); output_low(RESISTENCIA); //garante nao uso da resistencia for (i=1; i<8; i++) output_b(i);//coloca valor para selecao portd=i; do output_high(BYPASS); // set_pwm1_duty(BYPASS); printf("bypass ciclico em %i de b\r\n",i);

80

delay_ms(TEMPO_BYPASS); while(segundo<1800); desabilita(); //necessidade de habilitar e desabil durante celulas printf("seleciona\r\n"); output_low(BYPASS); ///////////////////////////////////////////////////////////////// // PRINCIPAL // ///////////////////////////////////////////////////////////////// void main() preparaAD(); inicia_porta_b(); inicia_porta_c(); output_low(BYPASS); output_low(FINAL); output_low(RESISTENCIA); output_low(LED); output_low(FIM_AQUECIMENTO); set_tris_b(1); setup_counters(RTCC_INTERNAL,RTCC_DIV_2); testa_temperatura(); hora_a=hora; minuto_a=minuto; segundo_a=segundo; enable_interrupts(GLOBAL); for(;;) habilita(); hora_a=hora; minuto_a=minuto; segundo_a=segundo; controle_tensao (); output_low(BYPASS); for(i=0;i<9;i++) minuto_n=minuto; if ((minuto_n-minuto_a)>3) ciclico(i); output_low(BYPASS);

81

ANEXO A

MANUAL DA PILHA BCS

A pilha de células de combustível usada nos testes desta dissertação foi adquirida do

fabricante BCS Technology, Inc., sendo que o manual fornecido pela empresa é transcrito

abaixo, com sua características e limitações.

89

ANEXO B

HIDROGÊNIO

Hidrogênio é o elemento mais simples e de maior quantidade no universo. Cada

átomo está composto de um próton e um elétron fazendo que alguns cientistas acreditam que é

a fonte de todos os outros elementos pelo processo da fusão nuclear. A molécula de

hidrogênio é composta por dois átomos e na natureza se apresenta na forma de gás. A seguir

são discutidas as suas propriedades, produção, armazenagem e cuidados no manuseio.

B.1 Propriedades físicas

O hidrogênio possui o conteúdo de energia mais alto por unidade de peso em

comparação com qualquer outro combustível conhecido, 120,7 kJ/g. Isto faz com seja usado

como combustível para foguete e propulsão de naves espaciais, pois estas requerem

combustíveis de baixa densidade e alta energia.

O hidrogênio também é o mais leve de todos os gases (densidade 84 g/m3 a 15 ºC e 1

bar). Por isso, em caso de fuga. ele se acumula nas partes superiores de qualquer recinto. Ao

contrário dos outros gases, uma descompressão de hidrogênio à temperatura ambiente origina

um ligeiro aumento na temperatura. Porém, este aumento de temperatura não é suficiente para

a auto-ignição, uma vez que esta ocorre à cerca de 600ºC.

O hidrogênio líquido LH2 é um líquido muito leve (densidade 70 g/L à temperatura

de -253 ºC). O LH2 evapora-se muito rapidamente à temperatura ambiente, obtendo-se 845

litros de hidrogênio gasoso a partir de 1 litro de LH2. Imediatamente após a evaporação, o

hidrogênio gasoso ainda está muito frio e tem sensivelmente o mesmo peso que o ar, pelo que

se difunde na horizontal. No entanto, aquece muito rapidamente, a sua densidade diminui e o

gás sobe.

90

B.2 Propriedades químicas

Quando o hidrogênio em contado com um agente oxidante se inflamar, pode ser

explosivo, pois devido a liberação de grande quantidade de calor há um aumento rápido da

pressão que pode ser muito destrutivo.

Os níveis de concentração que o hidrogênio pode reagir com o ar à temperatura e

pressão normal é, comparativamente com outros gases combustíveis, muito diferentes, o

limite inferior de explosividade é (LEL) 4 Vol. %; e o limite superior (UEL) 75,6 Vol. %, não

sendo este um fator necessariamente desfavorável do hidrogênio. O propano, por exemplo,

pode criar uma atmosfera explosiva muito mais rapidamente (LEL 2,1 Vol. %), que o

hidrogênio. Porém em uma instalação onde há uma concentração maior de gás o hidrogênio

pode criar uma atmosfera mais explosiva que o propano, uma vez que o limite superior do

propano é de somente 9,5 Vol %.

A combustão de misturas de hidrogênio e ar é iniciada por fontes de ignição contendo

muito pouca energia. A quantidade mínima de energia necessária para inflamar o hidrogênio é

de 0,019 mJ que é 1/10 da do propano. Devido a esta pequena energia de ignição, partículas

de pó, que sejam transportadas por um forte fluxo de hidrogênio, podem originar uma faísca

pela descarga eletrostática ou por choque com uma superfície. Assim o hidrogênio é

injustamente classificado de auto-inflamar-se.

A chama do hidrogênio quase não consegue ser vista à luz do dia o que dificulta sua

identificação no caso combustão. O hidrogênio líquido tem as mesmas propriedades químicas

que o gasoso, no entanto a sua capacidade de reagir com o oxigênio é ligeiramente mais

reduzida devido à sua baixa temperatura.

O hidrogênio não é corrosivo, portanto na temperatura normal, metais como aço,

cobre, bronze, alumínio, podem ser utilizados na sua manipulação, salvo que em alguns tipos

de aço e em certas circunstâncias podem ser danificados, originando a sua fragilização.

Podem ser utilizadas no seu manuseio também borrachas e plásticos. Porém materiais

fundidos devido a sua porosidade não devem ser usados, pois as moléculas de hidrogênio são

pequenas e podem encontrar caminho através de finas fissuras que seriam impermeáveis a

outros gases. Devido à sua baixa temperatura, o hidrogênio líquido pode causar fissuras em

borracha, plásticos e aço carbono.

91

B.3 Produção de hidrogênio

O hidrogênio pode ser considerado um armazenador de energia, e se for produzido

através recursos renováveis como a hidro, solar, e energia eólica torna-se um combustível

renovável.

Pode-se obter hidrogênio também através de reformadores, onde qualquer tipo de

combustível fóssil e hidrocarbonetos, como: metanol, etanol, gás natural, destilados do

petróleo, propano líquido e carvão gaseificado.O processo de reformação combina os

combustíveis com vapor de água, evaporando-os juntos a altas temperaturas. O hidrogênio é

assim separado usando membranas. Um inconveniente da reforma a vapor é que consome

energia. Outro tipo de reformador é o de Oxidação Parcial (POX). Este processo emite CO2, o

qual o faz contaminante.

Pode-se produzir também através de enzimas, onde são usadas bactéria e alga. A

cianobactéria é um organismo monocelular abundante, produz hidrogênio através da sua

função metabólica normal. A cianobactéria pode crescer no ar e na água e contém enzimas

que absorvem a energia da luz do sol e separam as moléculas de água, produzindo assim

hidrogênio.

Mas, a maneira de se obter hidrogênio em larga escala mais conhecida e promissora é

a eletrólise, onde é feita a quebra da molécula d’água através de uma corrente elétrica. Esta

corrente pode ser através da coleta de energia renovável (eólica, fotovoltaica, hidráulica) para

eletrolisar a água e convertê-la em hidrogênio e oxigênio, tornando-se assim um combustível

renovável.

B.4 Armazenamento de hidrogênio

Embora o hidrogênio possa ser armazenado líquido, este processo é difícil porque o

hidrogênio deve ser esfriado a -423° Fahrenheit (-253° Centígrado). Refrigerando hidrogênio

a esta temperatura usa o equivalente de 25% a 30% de seu conteúdo de energia, e requer

materiais especiais e controlados.

Também pode ser armazenado hidrogênio na forma de gás que usa menos energia

que hidrogênio líquido, o qual deve ser pressurizado para armazenar qualquer quantia

apreciável. Para amplo uso, poderia ser armazenado em cavernas, campos de gás, e minas,

92

porém seu transporte não é prático porque os tanques pressurizados de metal para armazenar

gás hidrogênio para o transporte é muito caro.

Um método potencial e eficiente de armazenagem de hidrogênio estão nos híbridos,

que são combinações químicas de hidrogênio a outros materiais, onde há uma absorção de

hidrogênio e liberação quando aquecido. Porém, híbridos armazenam pouca energia por peso

de unidade, ou seja, são de elevada massa e pouco hidrogênio armazenado. Pesquisa atual

aponta para produzir uma combinação que levará uma quantia significante de hidrogênio com

uma densidade de energia alta.

B.5 Efeitos biológicos

O Hidrogênio é um gás incolor, inodoro e sem sabor, não sendo perceptível através

dos sentidos humanos. Também não é venenoso, porém quando inalado em elevadas

concentrações causará asfixia, devido à falta de oxigênio. O risco de asfixia por substituição

do oxigênio do ar, apenas se torna sensível quando a concentração de H2 atinge 30%. As

pessoas não devem ser expostas a tal concentração, devido ao risco de explosão. Hidrogênio

criogênico no estado líquido ou gasoso (depois de evaporado) pode causar queimaduras

criogênicas por contato com a pele.

O hidrogênio não representa um risco para o meio ambiente, não afeta a camada de

ozônio e não contribui para o efeito estufa e os gases liberados pela combustão não contêm

dióxido de carbono ou fuligem.

B.6 Medidas de segurança

A formação da atmosfera explosiva em instalações com hidrogênio pode ser evitada

tomando-se alguns cuidados.

- Construindo as unidades de armazenamento e operação com boa ventilação

(aberturas no telhado causam uma ventilação eficaz), ou seja, devem sempre que possível ser

colocadas ao ar livre, de forma que qualquer fuga de hidrogênio se liberte para a atmosfera

sem perigo. Se tal não for possível, pelo menos o depósito de hidrogênio deve ser instalado no

exterior.

- As linhas de descarga das válvulas de segurança ou bombas de vácuo, devem ser

conduzidas para o exterior, e não estar localizadas sob aberturas em edifícios ou entradas de

93

ar. Estas saídas devem estar claramente identificadas para que em caso de trabalhos com

calor, todos saibam as precauções a tomar.

- No interior de instalações de hidrogênio, tem de ser possível o corte da alimentação

de gás, a partir de uma área segura.

- A monitoração da concentração de hidrogênio pode estar ligada a um sistema de

controlo e alarme, que aciona automaticamente a ventilação no teto quando atingido um valor

crítico.

- As ligações entre tubagens devem sempre que possível ser permanentemente

soldadas, de forma a assegurar a longevidade da sua estanquicidade. Quando tubagens que

podem ser separadas estão conectadas por flanges roscados ou conexões, têm de ser usados

detectores de fugas. Isso tem de ser feito primeiro com um gás não inflamável, uma segunda

verificação com hidrogênio à pressão de trabalho deve ser efetuada. Uma instalação de

hidrogênio com fugas não é segura, esta deve ser despressurizada, purgada e reparada.

- Válvulas de cilindros garrafas e quadros apenas devem ser abertos após os redutores

de pressão estiverem ligados.

- Quando não estejam a uso, as válvulas devem estar fechadas de forma a evitar

fugas. Se a válvula de um cilindro ou quadro estiver com fuga, o recipiente tem de ser

transportado para o exterior para ser esvaziado.

B.6.1 Como reagir em caso de fuga ou um incêndio

Se há fuga de hidrogênio, o fornecimento de gás deve ser cortado. A reparação não

deve ser efetuada enquanto a fuga persistir devido ao risco de incêndio. Se uma grande

quantidade escapou para uma sala, existe o risco de ocorrer uma explosão, todo o pessoal

deve evacuar a sala, proceder-se à sua ventilação e comprovar o sucesso da operação medindo

a atmosfera. Se a fuga se incendiou, pode ser extinta através do corte da alimentação das

linhas de hidrogênio. Caso não se tenha sucesso, não tentar extinguir o fogo em salas com

agentes extintores, uma vez que o fluxo contínuo de hidrogênio representa um risco de

explosão. Nestes casos, deixar o hidrogênio arder até que se extinga por si. Pode ser

necessário arrefecer áreas com água, que possam estar em risco pelo fogo. Quando o processo

de queima estiver quase no final, a instalação afetada deve ser purgada com Azoto para

assegurar que não existe um reacendimento no seu interior.

94

ANEXO C

FATORES DE CONVERSÃO PARA AS PRINCIPAIS UNIDADES DE PRESSÃO

TABELA DE CONVERSÃO DE PRESSÃO

Unidade atm psi kgf/cm² bar mmHg Pa

atm 1 14,6959 1,033 1,01325 760 101325

psi 0,0680 1 0,07031 0,06895 51,71 6894,8

kgf/cm² 0,96778 14,2234 1 0,98 735,514 98066,5

bar 0,9869 14,5 1,02 1 750,061 10000

mmHg 0,001315789 0,01933677 0,00135951 0,001333224 1 133,3224

Pa 0,000009869 0,0001450377 0,00001019716 0,00001 0,007500617 1

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