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
CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
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
Universidade Federal de Santa Maria
BASES EXPERIMENTAIS PARA O PROJETO, AUTOMAÇÃO E INSTALAÇÃO DE SISTEMAS DE GERAÇÃO DE ENERGIA COM
CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
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
Universidade Federal de Santa Maria
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
4.2 Considerações finais ...........................................................................................................28
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
5.5 Considerações finais ...........................................................................................................34
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
6.4 Considerações finais ...........................................................................................................54
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
4.2 Considerações finais
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.
5.5 Considerações finais
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.
6.4 Considerações finais
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.
pwm1 estequiometria 12.16 corrente 27.78 controle pwm umidade pwm 86 umidade 86.98 controle da bomba do ar temperatura 43.98
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
pwm1 estequiometria 10.95 corrente 27.80 controle pwm umidade pwm 84 umidade 99.13 controle da bomba do ar temperatura 44.31
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
[1] AVISTA LABS. SR-12 Modular PEM Generator Operator’s Manual; 2000. [2] BCS Technology Inc. Datasheet for 500W PEM stack; 2002.
[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.
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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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