Resumo Cap12 e 13 (Modern Eletrich vehicles) Veículos de célula combustível

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A célula combustivel gera energia elétrica ao invés de armazena-la, e o faz enquanto tiver combustível. 
Mais eficiente que os motores de combustao, e com bem menos emissao. 
Em relacao aos veículos elétricos que se utilizam de bateria, eles possuem maior autonomia.
Príncipios de operacao
Uma célula combustível é uma célula galvânica que converte energia química em energia elétrica através de relacoes eletroquímicas. Na real converte a energia de combustao do comsbutivel diretamente em energia elétrica o que aumenta a eficiencia. 
É um processo continuo, por isso se difere de pilhas.
O combustível e os agentes oxidantes sao fornecidos constantemente e separadamente aos eletrodos da célula, onde a reacao ocorre.
O combustível é fornecido ao anodo (+), onde através da acao do catalisador os elétrons sao liberados do combustível. Os elétrons fluem através de um circuito externo para o cátodo devido a diferenca de potencial entre os eletrodos.
No cátodo os elétrons irao reagir com íons positivos e com oxigênio gerando os produtos de exaustao.
a “tensao termodinamica” está associdada a energia liberada e a quantidade de elétrons liberados.
A energia liberada pela reacao química é calculada pela diferenca da energia livre de Gibb’s. Num processo reversível a variacao da energia livre de gibbs é convertida completamente em energia elétrica.
A tensao gerada por um célula comsbutível pode ser expressa por:
Sendo a variacao da energia livre de Gibbs dada por,
deltaG=deltaH-T*deltaS
A eficiência ideal da célula é dada por
Quando deltaS=0 (ou seja, a reacao nao altera o número de mols de gás).
OBS: Estamos assumindo que as reacoes na célula comsbutível ocorrem isotermicamente e sao reversiveis.
Se DeltaS for positivo a célula vai ter a sua disposicao uma quantidade de calor absorvida dos arredores para conversao de energia elétrica. Isso nao faz sentido. Se quando deltaS for positivo a célula possui mais energia a disposicao para ser convertida em energia elétrica, pq a eficencia cai ? Resposta: deltaH é positivo, logo com deltaS>0 na formula minha eficiência aumenta!!!!! -> Quanto maior a eficiênicia maiores sao as temperaturas atingidas pela célula combustível.
A depencia da tensao gerada pela célula das reacoes é dada por:
Se os reagentes e produtos forem gasosos, se reduz a
Onde pi0 é a pressao em condicoes normais (geralmente 1 atm). Vi é o número de mols
Potencial do eletrodo e curva de tensão:
A tensao V “rest” (?) é menor que a tensao V0 reversivel calculado com a energia livre de Gibbs. Há duas hipoteses: A reacao no eletrodo sofre impedimento cinético ou a reacao nao ocorre termicamente como calculado/esperado. Essa diferenca é chamada de queda de tensao “rest”, e é influenciada pelo material do eletrodo e pelo tipo de eletrólito usado.
Essa queda de voltagem ocorre pela resistência no eletrodo e no eletrólito:
Parte da energia gerada é na verdade perdida pois é preciso levar os componentes químicos a reagiram (é preciso alcancar a energia de ativacao). Essa perda também causa uma queda tensao e pode ser expressada por:
Existe uma outra queda, chamada queda de tensao por concetracao, e se deve a diferenca de concetracao de ions nos eletrodos. Quando a densidade de corrente é pequena essa queda é insignificante. Mas conforme a densidade da corrente aumenta esse valor cresce até atingir um limite. Essa queda de voltagem no anodo e no catodo é dado por:
Existe outra queda de tensao, a causa pela mudanca de pressao. Quando oxigenio é consumido do ar na superficie do eletrodo, a pressao parcial imediatamente na superficie cai e isso causa uma queda de tensao:
Somando todas essas perdas, podemos ver como a tensao se comporta com a densidade de corrente:
Logo, podemos usar a tensao como medida de eficiência de uma célula combustível. 
n=V/Vo
Graficamente temos,
Podemos ver que a eficiência decai com o aumento da corrente e a potência aumenta. Logo a regiao de melhor eficiênica gera menor potência (por isso deve se atentar a quanta potencia está sendo gerada, pois deve no minimo equivaler a quantidade potencia usada no componentes auxialres como refriador, bomba de circulacao etc).
Consumo de comsbutível e oxidante:
O consumo de ambos é diretamente proporcional a corrente extraída da célula. A reacao quiímica que ocorre pode ser genericamente expressada por:
O fluxo de massa do combustível é dado por,
Onde Wa é o peso molecular. A relacao estequiométrica entre a massa do oxidante e a massa do combustível é dado por:
A razao equivalente entre oxidante e combustivel é dado por:
Se esse valor for menor que 1, a reacao é rica. Se for igual a 1 é estequiométrica e se for maior do que 1 é pobre (no geral é esse o valor).
OBS: Levar em consideracao se está colocando ar ou se está fornecendo O2 direto como oxidante.
Características do sistema de célula combustível:
A célula combustível necessidade de elementos auxiliares para o seu funcionamento: Bomba de ar, bomba de combustível, bomba de circulacao de refrigerante, ventilador e controladores eletrônicos.
A bomba de ar é a que mais consome energia de todos, em torno de 10% da energia gerada. A pressao do ar sobre o eletrodo é maior que a pressao atmosferica, por causa dessa compressao do ar que este consome grande quantidade energia.
levando em consideracao estes componentes a faixa de operacao otima da célula é entre 7%-55% da corrente máxima. O limite superior se deve as quedas de tensao causadas, e o limite inferior se deve a minima energia necessária para alimentar os equipamentos auxiliares.
A tecnologia de célula combustível:
Existem 6 grandes tipos de célula combustível baseado no eletrólito utilizado:
Célula combustível de membrana de troca de prótons
Como eletrólito é utilizado uma membrana de polímero sólido. Geralmente é o ácido perflurosulfórico, ela é ácido e os íons transportados sao H+. É alimentado com hidrogenio puro e oxigenio ou ar como oxidante. A mebrana é revestida com uma camada de catalisador de carbono, acima dessa camada é a camada de difusao. Como a membrana opera em baixas temperaturas e tem uma natureza ácida, se reuqer metais nobres como catalisadores.
Esse tipo de membrana requer humidade num nível adequada para perfeito funcionamento, e o gerencimento de água para isso aumenta a complexidade do sistema. Se ar demais é fornecida a célula fica seca. Há também que ter cuidado com a agua originada no cátodo.
Há ainda o risco da formacao de monoxido de carbono e sua exaustao junto com ar, poluindo o meio ambiente.
Opera entre 60°C-100°C e gera um densidade potência entre 0.35-0.6 W/cm2. Ambas caracterisca boas para o uso em veículos elétricos. A baixa temperatura faz com que possa entrar em funcionamento rapidamente, e a sua densidade de potencia é uma das maiores logo seu tamanho é um dos menores. Seu eletrólito sólido também é vantajoso, e como só produz água os riscos de corrosao sao pequenos. Porém é caro devido ao uso de metal nobre e o risco de poluicao por CO.
(2) Células combustíveis Alcalinas:
Usa uma solucao aquosa de hidróxido de potássio (KOH). Logo, o íon carregado no eletrólito é OH-. Assim as reacoes intermediárias mudam. Água é produzida no anodo e requerida no catodo, o que precisar de um gerenciamento de agua. O que nao é consumido é eleminado como vapor de agua.
Essas células sao capazes de operar em maiores temperaturas (80 a 230°C) e pressoes (2.2 a 45 atm).
Consegue atingir alta eficiência por causa da cinética rápida do OH- (a reacao do oxigenio aqui é bem mais rápida na célula ácida). -> menor perda de energia de ativacao, e permite usar niquel e cobre como catalisador.
A circulacao do eletrólito traz consigo diversas vantagens.Porém isso requer um sistema complexo.
O grande problema dessa célula é a grande afinidade do eletrólito com CO2, formando um íon que nao reage nas reacoes, diminuindo assim a performance da célula. Ainda há o risco do carbonoprecipitar e obstruir os eletrodos. Uma forma de evitar isso seria colocar um filtro de CO2 na entrada de ar.
A vantagem dessa célula é que ela usa catalisadores baratos, tem boa eficiencia, trabalha em baixas temperaturas.
(3) Células combustíveis de ácido fosfórico:
O ácido fosfórico é um liquido viscoso contido em na capilaridade de uma matriz porosa de carbeto de silicio. Conduz o H+ como em PEM, e as reacoes sao basicamente as mesmas.
O ácido fosórico (eletrólito barato) deve ser mantido acima dos 42°C (seu ponto de congelamento). logo é necessário um sistema para aquecer o conjunto, o que dificulta a aplicacao desse tipo de célula em veículos elétricos. Sem contar a grande perda de energia na forma de calor ocorre quando a pilha fosse desligada. Também usa o catalisdor de platina que é caro. Tem baixa eficiencia, risco de corrosao e emissao de CO2.
(4) Células combustível de carbono fundido.
Sao células de alta temperatura (550°C a 800°C). Utiliza de um sal fundido para conducao de íons. Carboneto de litio-potássio ou carboneto de lítio-sódio, e o íon conduzido é carbeto.
As reacoes consomem dióxido de carbono, e nao usam hidrogênio na forma pura geralmente o pega de hidrocarbonetos. Essa é a sua maior vantagem e o que torna interessante para aplicacao em veículos. As altas temperaturas também aumenta a velocidade das reacoes permitindo o uso de catalisadores mais baratos.
Porém sua alta temperatura o torna perigoso para o uso em veículos, e como é alcalino é altamente corrosivo.
A alta temperatura também pode derreter o eletrodo, o que limita o uso das células em situação estacionária.
Seu incio é demorado já que precisa atingir as altas temperaturas para estar em melhor operacao, porém quando o atinge apresenta ótima eficiência.
(5) Células combustível de óxido sólido.
utiliza de uma membrana cerâmica para a conducao de íon de oxigênio ou hidrogênio. Opera a altas temperatiras (1000-1200°C). O seu eletrólito sólido é bom por nao ter partes se movendo, e por trabalhar a altas temperaturas nao precisa receber hidrogênio puro podendo receber hidrocarbonetos. As altas temperatures praticamente reduzem as perdas de energia por ativacao. Possui as mesmas desvantagens advindas das altas temperaturas além da cerâmica ser frágil, o que o torna pouca aplicável à veículos uma vez que vibracoes sao comuns.
(6) Células combustível de metanol direto (? ta certa essa traducao)
Aqui se utiliza de metanol como combustível. Como o metanol é líquido pode ser facilmente armazenado no carro, e sua distribuicao seria fácil. E pode ser produzido de fontes naturais como petróleo e gás natural. Como catalisador é usado platina ou ligas de platina.
O eletrólito é o ácido triflourometano sulfórico. A reacao que ocorre:
Operam geralmente em 50-100°C. É uma tecnologia nova em comparação com as outras células combustíveis. Apresenta menor densidade de potência, resposta de devagar a demanda de potência e baixa eficiência.
Fornecimento de combustível
É o maior desafio para o uso de células combustíveis em veículos. Como já foi dito o principal combustível é o hidrogênio. A duas formas de fornecê-lo: Produzi-lo externamente e armazená-lo no carro ou produzi-lo diretamente no veículo.
Amarzenando hidrogenio 
Hidrogênio comprimido: Hidrogênio puro deve ser armazenado em um tanque pressurizado. A massa de hidrogênio a ser armazenada é:
R=8,31 j/molK constante universal dos gases. Wh=2,016g/mol. A energia acumulada é: Eh=mhHV ->HV (no geral =120 MJ/Kg) é o calor de aquecimento do hidrogênio (NUNCA OUVI FALAR DISSO).
A energia acumulada no litro de hidrogênio é bem menor que na gasolina. Tem que ser levadado em consideracao a energia usada para comprimir o hidrogênio (que pode ser considerado um processo adiabático):
gama=1,4. O que equivale em média a 25% da energia armazenada no hidrogênio. 
Os tanques tem que aguentar altas pressoes ( 700 bar) e ao mesmo tempo nao podem ser pesados, por isso sao feitos de materiais compositos como fibra de carbono.
Há o risco ainda do hidrogênio escapar pelo material, já que sua molécula é extremamente pequena.
E no caso de um acidente o hidrogênio é altamente mais periogoso com risco de explosoes que a gasolina.
Hidrogênio líquido criogênico
Um forma de armazenar o hidrogênio é liquefazendo-o (-259°C). Armezenar a essa temperatura é um grande desafio, tem que evitar a troca de temperatura com o ambiente e evitar a ebulicao do líquido.
Metais híbridos
Alguns metais se combinam com o hidrogênio e podem libera-lo dentro de condicoes específica de pressao e temperatura. Alguns deles sao: ferro, titânio, magnésio,ninquel, e suas ligas. A capacidade de armazenagem vai depender da área de superficie onde o hidrogenia irá se ligar ao metal. Metais hibridos alcalinos tbm sao uma opcao, eles reagem violentamente com agua liberando hidrogênio, porém por serem altamente reativos é perigoso. Uma outra alternativa sao nanotubos de carbono que sao leves e possuem uma alta afinidade com o hidrogênio, porém é um tecnologia recém descoberta 1991.
Produzindo hidrogênio:
Consiste em “reformar”, uma operação química que extrai hidrogênio de hidrocarbonetos. Gasolina, metano e metanol são possíveis candidatos. Há 3 métodos de “reformar”.
Reformar a vapor (SR):
A reacao produz hidrogênio através da reacao entre hidrocarbonetos com água em altas temperaturas.
As reacoes sao altamente endotérmicas e precisam ser alimentadas com a queima de algum outro combustível. Também produzem monoxído de carbono que é venonoso para os eletrodos e deve ser filtrado. Este processo é preferencialmente usado com o metanol por nao precisar teoricamente de vapor dagua. O rendimento de hidrogênio é alto. O tempo de acionamento é demasiado longo de 30 a 45 minutos.
Reforma de oxidacao parcial
A reacao combina o combustível com o oxigênio para producao de hidrogênio.
geralmente utiliza gasolina. A reacao é bastante exotérmica o que aumenta sua taxa de resposta. Seus problemas sao a alta temperatura (800°C a 1000°C), e a integracao-calor devido aos diferentes estágios da reacao. As vezes a reacao pode ser um pouco menos eficiente que a do caso anterior.
Reforma autotérmica:
Combina a reacao exotermica anterior com a reacao endotermica do SR.
O monóxido de carbono reage com água para a producao de hidrogênio. O rendimento de hidrogênio é maior que no caso da oxidacao parcial mas menor que na reforma a vapor. É mais eficiente e requer catalisador.
Amoníaco como transportador de hidrogênio: Amonia contem hidrogênio que pode ser removido na reacao de “cracking”. A reacao é facilmente alcancavel aquecendo amonia. A energia para a reacao é minima pois a reacao é reversível.É facilmente liquefeito, e a temperatura de autoignicao é bem alta o que diminui seus riscos. Porém amonia é altamente tóxica ao ser humano
 
Cap 13 - Desing da transmissão de um veículo híbrido usando célula combustível.
As células combustíveis possuem a vantagem de baixas emissoes e boa eficiência energética. 
Porém um veículo movido apenas por célula combustível apresenta algumas desvantagens significativas:
Unidade de energia pesada: Uma vez que a densidade nergética de uma célula combustível é baixa
Tempo de inicilizacao longo
Tempo de resposta longo
Baixa eficiência em aplicacoes de propulsao: alta saída de energia em momentos de aceleracao e baixa potência em velocidades baixas.
Uma forma de contornar essas desvantagens é de hibridizar o veículo com uma fonte de potência de pico auxiliar. Uma configuracao completamente diferente do que já foi apresentado.
Configuração
 Um exemplo da configuracao é apresentado abaixo:
 De acordo com os sinais da conducao (aceleracao ou frenagem), o controlador do veículo controla a saída de potência, torque e a energia que flui na célula combustível/na fonte de potência de pico e no sistema de transmissao.
Na situacao onde a potência máxima é requerida, tanto a célula combustível quanto a fonte de potência de pico fornecem potênciapara o motor elétrico.
Na frenagem o motor elétrico funciona como gerador e armazena parte da energia na fonte de potência de pico. Com um bom sistema eletrônico, a fonte de potência também pode ser carregada pela célula combustível em situacoes onde o consumo de potência for baixo, de tal forma que nunca precisará ser ligada na tomada.
Estratégia de controle
Controla o fluxo de potência entre célula, PPS e o sistema de transmissao. Ele deve assegurar que:
A saída de potência do motor atende a demanda.
O nível de energia no PPS está sempre na faixa ótima.
A célula combustível oper na faixa ótima.
A potência elétrica a ser inserida no motor elétrico é: Pe=Potência requerida/eficiência do motor.
Numa situacao de frenagem, a potência elétrica fornecida pelo motor é Pe=Potência frenagem * eficiência.
Os modos de operacao, que combinam a célula e o PPS sao:
Modo de paralizacao: Ninguém fornece potência ao motor.
Modo de frenagem: A célula opera como “idle” e o PPS é carregado pelo freio regenerativo.
Modo de tracao: 
Se a potência requerida for maior que a potência nominal da célula o sistema PPS é acionado e cobre a diferenca. (A potência nominal da célula nao necessariamente é a maior potência que ela pode fornecer, mas a maior potencia fornecidade na faixa de operacao ótima).
Se a potência requerida for menor que a nominal da célula e a PPS precisa ser carregada, a célula fornece a potência nominal que será distribuida entreo o motor e a PPS.
Se a potência requeria for menor que a nominal da célula e a PPS nao precisa ser carregada quem fornece potência ao motor é a PPS.
Se a potência de carga for superior à potência mínima predefinida e menor do que a potência nominal da célula de combustível, e o PPS não precisa ser carregado, o sistema de célula de combustível é o único a motorizar o veículo.
O PPS tem um nível mínimo de energia que ele tem que ter, se ele estiver abaixo desse nível ele nao será utilizado para acionar o carro e sim a célula.
Parâmetros de design
inclui:
sistema de transmissão
sistema de célula combustível
fonte de pico de potência
capacidade energética.
Motor: A potência do motor deve atender aos quesitos de peformace da aceleracao. Abaixo um exemplo para um veículo pesando 1500 kg.O gráfico a potência necessária para uma determinada aceleração, por exemplo, é preciso de 70 kW para sair de 0 km/hr até 100 km/hr em 12 segundos. Também mostra a potência requerida para condução a velocidade constante, onde se vê que por exemplo a potência de 33 kW permite conduzir o veículo entre 100km/hr a 150 km/hr, logo uma potência 70 kW seria a potência de projeto para o motor. O gráfico a seguir, mostra o espaco coberto pela aceleracao. 
Design da potência da célula combustível: Deve ser capaz de fornecer potência ao veículo em condições de alta velocidade em “viagens” longas, pois o PPS é projetado apenas atender demandas curtas de alta potência. Considerando o exemplo acima uma célula deveria fornecer 40 kW de potência (devido a eficência do motor).
Design da potência e capacidade energética da PPS: 
Potência: É calculada com a potência máxima do motor e com a potência nominal da célula:
Logo a potência nominal do PPS no nosso exemplo seria 43 kW.
 Capacidade energética: O PPS fornece energia ao sistema quando necessário e recebe energia do freio regenerativo. A variacao de energia que ele sofre pode ser calculado por:
geralmente o PPS nao precisa de um E muito grande para suportar auxiliar condicoes normais de conducao de um veículo. Como demora para a célula entrar em total operacao, quem assume a propulsao do véiculo é o PSS, é com base nessa situacao que o tamanho da capacidade energética do PPS deve ser calculado. Deve-se levantar um teste em algum ciclo, e estimar o tempo de aquecimento necessário para a célula para fazer o cálculo.
Exemplo