Este documento fornece uma visão geral dos principais componentes de um sistema de célula a combustível, incluindo conversores CC-CC e CC-CA, métodos de processamento e armazenamento de energia elétrica, e técnicas para reduzir perdas. O documento descreve as características e aplicações de conversores boost e forward para conversão CC-CC e inversores em ponte completa para conversão CC-CA, ilustrando como esses componentes são usados em sistemas reais de célula a combustível.

1. Prof. Romero Leandro Andersen, Dr.
UFPB/CEAR/DEE

2. ESTRUTURA DA
APRESENTAÇÃO
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•
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•
•
•
•
INTRODUÇÃO
CARACTERÍSTICAS DA CAC
VISÃO GERAL DE UM SISTEMA COMPLETO
PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA
CONVERSÃO CC‐CC
CONVERSÃO CC‐CA
CONCLUSÕES

3. INTRODUÇÃO
A Célula a Combustível (CaC) é uma célula
eletroquímica que converte energia química
em energia elétrica ao combinar dois átomos
de hidrogênio e um de oxigênio, produzindo
energia elétrica, calor e água.
3

4. INTRODUÇÃO
• São compostas por dois eletrodos, um anodo
e um catodo, separados por um eletrólito.
• Normalmente são combinadas em grupos
(pilhas) para obter‐se tensão e potência
apropriadas;
• A operação é contínua desde que haja
hidrogênio e oxigênio disponíveis.
4

5. INTRODUÇÃO
5

6. INTRODUÇÃO
6

7. A CAC DO TIPO PEM
Funcionamento da PEMFC
7

8. Tensão (V)
CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DA
CAC
8

9. Perdas por
ativação:
Relacionadas
com a velocidade
das reações com
a energia para a
manutenção
delas.
Tensão (V)
CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DA
CAC
9

10. Perdas por
ativação:
Relacionadas
com a velocidade
das reações com
a energia para a
manutenção
delas.
Tensão (V)
CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DA
CAC
Perdas ôhmicas:
Resistência elétrica da CaC e
das conexões entre eletrodos.
(perda resistiva)
10

11. CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DA
CAC
Tensão (V)
Perdas por
ativação:
Relacionadas
com a velocidade
das reações com
a energia para a
manutenção
delas.
Perdas por
transporte de massa
ou perdas por
concentração:
Aumento no
consumo dos
reagentes. Queda da
pressão de H2 e da
concentração de O2.
Perdas ôhmicas:
Resistência elétrica da CaC e
das conexões entre eletrodos.
(perda resistiva)
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12. CARACTERÍSTICA DINÂMICA DA
CAC
Modelo da CaC
Rohm modela as perdas ôhmicas;
Ract modela as perdas por ativação;
Cact modela a dupla camada de carga;
VR representa a tensão de circuito aberto reversível.
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13. CARACTERÍSTICA DINÂMICA DA
CAC
Interrupção da corrente da CaC
13

14. VISÃO GERAL DE UM SISTEMA
COMPLETO
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
H2O e Calor
Processamento
da Energia
Elétrica
H2
Energia
Elétrica
O2
Controle do processo:
Fluxo de entrada
Pressão
Temperatura…
Armazenamento
de Energia
14
Cargas

15. PROCESSAMENTO DA ENERGIA
ELÉTRICA
Sistema Típico
• Arquitetura dependente da aplicação: custo, volume,
eficiência;
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16. PROCESSAMENTO DA ENERGIA
ELÉTRICA
Necessidade do Elemento Armazenador de Energia:
• Fornecimento de energia à carga durante o pré‐
aquecimento da CaC;
• Evitar variações bruscas de corrente na CaC;
• Fornecimento de energia acima dos valores nominais
da CaC.
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17. ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO
DA ENERGIA ELÉTRICA
17

18. ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO
DA ENERGIA ELÉTRICA



Conversor CC‐CC:
Elevação de tensão;
Efetuar carga das baterias;
Drenar corrente no formato adequado para a CaC.
18

19. ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO
DA ENERGIA ELÉTRICA



Conversor CC‐CA (Inversor):
Formato correto da tensão para carga;
Proporcionar baixa distorção harmônica;
Frequência conforme necessidade da carga (60Hz).
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20. ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO
DA ENERGIA ELÉTRICA
Conversor Adicional para Conexão das Baterias
Conversor CC‐CC Bidirecional:
• Efetuar carga das baterias;
• Permitir que a energia seja
fornecida pelas baterias
(sentido inverso da corrente).
20

21. ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO
DA ENERGIA ELÉTRICA
Associação de Conversores CC‐CC:
• Divisão da corrente de entrada e
melhor distribuição das perdas;
• Soma das tensões de saída;
• Menor volume total.
21

22. MÉTODOS DE CARGA DE
BATERIAS
Um dos métodos mais conhecidos:
Método de carga com dois níveis de tensão
22

23. CONVERSÃO CC‐CC
Exemplo 1: Conversor Boost
 Baixa ondulação na corrente de entrada (entrada
em corrente);
 Tensão de saída superior à tensão de entrada.
 Não possui isolamento.
23

24. CONVERSÃO CC‐CC
Exemplo 1: Conversor Boost
Primeira Etapa de Operação
Segunda Etapa de Operação
Formas de Onda
24

25. CONVERSÃO CC‐CC
Exemplo 1: Conversor Boost
Primeira Etapa de Operação
Segunda Etapa de Operação
Formas de Onda
25

26. CONVERSÃO CC‐CC
Exemplo 1: Conversor Boost
Primeira Etapa de Operação
Segunda Etapa de Operação
Formas de Onda
26

27. CONVERSÃO CC‐CC
Conversor Boost – Aplicação
Conexão do Sistema à CaC
Protótipo implementado de 500W
Sistema de Interligação Entre Módulos Geradores de Energia a Partir de Células a
Combustível do Tipo PEM e um Banco de Baterias
Autor: Romero Leandro Andersen.
Orientador: Prof. Ivo Barbi.
27

28. CONVERSÃO CC‐CC
Conversor Boost – Aplicação
Formas de Onda do
Funcionamento Geral do
Sistema:
Tensão de saída, corrente no
banco de baterias e corrente
na entrada do conversor
Sistema de Interligação Entre Módulos Geradores de Energia a Partir de Células a
Combustível do Tipo PEM e um Banco de Baterias
Autor: Romero Leandro Andersen.
Orientador: Prof. Ivo Barbi.
28

29. CONVERSÃO CC‐CC
Exemplo 2: Conversor Forward
 Necessidade do uso de filtro de entrada (entrada
em tensão);
 Saída em corrente;
 Possui isolamento.
29

30. CONVERSÃO CC‐CC
Exemplo 2: Conversor Forward
Etapas de
Operação:
1ª)
2ª)
3ª)
30

31. CONVERSÃO CC‐CC
Exemplo 2: Conversor Forward
Etapas de
Operação:
1ª)
2ª)
3ª)
31

32. CONVERSÃO CC‐CC
Exemplo 2: Conversor Forward
Etapas de
Operação:
1ª)
2ª)
3ª)
32

33. CONVERSÃO CC‐CC
Exemplo 2: Conversor Forward
Etapas de
Operação:
1ª)
2ª)
3ª)
33

34. CONVERSÃO CC‐CC
Conversor Forward – Aplicação
Diagrama de Blocos do Sistema de Integração entre a Célula de
Combustível Ballard® e o No‐Break Breakless 610AA – NEW/SD
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35. CONVERSÃO CC‐CC
Conversor Forward – Aplicação
CÉLULA A
COMBUSTÍVEL
BALLARD 1200W
22V-50V
FORWARD 1
72V
BANCO DE BATERIAS
DO NO-BREAK
FORWARD 2
CENTRAL DE
HIDROGÊNIO (H2)
FORWARD 3
FORWARD 4
Sinal PWM
MODULADOR
PWM
MALHA DE
TENSÃO
+
VREF
Detalhe da associação dos conversores Forward
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36. REDUÇÃO DA ONDULAÇÃO DE
CORRENTE DE ALTA FREQUÊNCIA
Conversão CC‐CC – Uso de Filtros de Entrada
 Visa preservar a CaC;
 Redução de problemas de interferência eletromagnética;
 Aumento do custo, peso e volume.
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37. CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES)
Exemplo 1: Conversor CC‐CA em Ponte Completa
+
S1
S2
Lo
a
Vcc
Co
b
‐
S3
Ro
+
Vo
‐
S4
 Tensão de pico máxima na saída: Vcc;
 Pode utilizar modulação 2 níveis ou 3 níveis;
 Requer 4 chaves ativas (custo).

38. CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES)
Vsen
Vtri
Vab
Modulação PWM Senoidal
2 níveis:
Vab assume
+Vcc ou –Vcc
Vsen1
Vtri
Vsen2
Vab
3 níveis:
Vab assume
+Vcc, 0, ou –Vcc

39. CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES)
Exemplo 2: Conversor CC‐CA em Meia Ponte
S1
+
Vcc/2
Lo
a
Vcc
Co
b
Vcc/2
‐
Ro
+
Vo
‐
S2
 Tensão de pico máxima na saída: Vcc/2;
 Utiliza apenas 2 chaves ativas;
 Requer divisão do barramento CC só permite
modulação 2 níveis.

40. CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES)
Inversores em Ponte Completa – Aplicação
24-36Vcc
CC-CC/Inversor
110VCA
CaC
- +
CC-CC/Inversor
Carga
CC-CC/Inversor
Diagrama de blocos do sistema
Duas unidades de 1kW em paralelo
Paralelismo de Inversores de Tensão Controlados Pelo Valor Médio
Instantâneo da Tensão de Saída
Autor: Allan Pierre Barauna.
Orientador: Prof. Ivo Barbi.
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41. CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES)
Inversores em Ponte Completa – Aplicação
Correntes nos indutores de
filtragem dos inversores 1 e 2
Tensão no barramento da carga
Paralelismo de Inversores de Tensão Controlados Pelo Valor Médio
Instantâneo da Tensão de Saída
Autor: Allan Pierre Barauna.
Orientador: Prof. Ivo Barbi.
41

42. REDUÇÃO DA ONDULAÇÃO DE
CORRENTE DE BAIXA FREQUÊNCIA
• Com o inversor no sistema, ondulação em 120Hz na
entrada (para 60Hz na saída).
• A filtragem dessa ondulação requer capacitores grandes.

43. REDUÇÃO DA ONDULAÇÃO DE
CORRENTE DE BAIXA FREQUÊNCIA
Considerações sobre a ondulação em baixa frequência
(120Hz):
• Aumenta o esforço de corrente na CaC;
• Provoca maiores perdas e maior consumo de
combustível;
Tentativas de minimizá‐la incluem:
• Adição de capacitores;
• Inclusão de filtros ativos.

44. REDUÇÃO DA ONDULAÇÃO DE
CORRENTE DE BAIXA FREQUÊNCIA
Filtro Ativo – Aplicação
Filtro ativo para redução da
circulação da energia reativa na CaC.
(a) Corrente do filtro ativo e corrente
drenada pelo conversor
(b) Corrente do filtro ativo e corrente
drenada da CaC e das baterias
Contribuições para Sistemas de Processamento de Energia de Células a
Combustível
Autor: Yales Rômulo de Novaes.
Orientador: Prof. Ivo Barbi.
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45. CONCLUSÕES
•
•
•
•
A energia proveniente de CaC é limpa;
Normalmente utilizam‐se dois estágios
principais de processamento: um CC‐CC e
um CC‐CA;
Ainda não existe topologia padrão;
O conhecimento das características da fonte
e da carga são fundamentais nos projetos.
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46. Muito Obrigado!
Prof. Romero Leandro Andersen, Dr.
romero@cear.ufpb.br
Universidade Federal da Paraíba – UFPB
Centro de Energias Alternativas e Renováveis ‐ CEAR
Departamento de Engenharia Elétrica ‐ DEE