TCC - Rafael de O. G

UNIJUÍ - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul
DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
RAFAEL DE OLIVEIRA GONÇALVES
ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE UMA CÉLULA A COMBUSTÍVEL DO
TIPO PEM DIDÁTICA
Panambi
2012
RAFAEL DE OLIVEIRA GONÇALVES
ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE UMA CÉLULA A COMBUSTÍVEL DO
TIPO PEM DIDÁTICA
Trabalho de conclusão de curso
apresentado à banca avaliadora do curso
de Engenharia Mecânica da Universidade
Regional do Noroeste do Estado do Rio
Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito
parcial para a obtenção do título de
Engenheiro Mecânico.
Banca Avaliadora:
1° Avaliador: Prof. Luis Antonio Bortolaia, Dr.
2° Avaliador (Orientador): Prof. Roger Schildt Hoffmann, M.
BIOGRAFIA DO AUTOR
Rafael de Oliveira Gonçalves, nascido em 1983 no município de Panambi do
Estado do Rio Grande do Sul. Completou sua formação de ensino médio juntamente
com o ensino Técnico em Mecânica no Colégio Evangélico Panambi em 2002 no
município de Panambi/RS. Realizou estágio nos diversos setores da empresa Tromink
Industrial no período de 1998 a 2002. Atuou na função de projetista na Instituição de
Ensino Colégio Evangélico Panambi, onde trabalhou no período de 2002 a 2011
Atualmente exerce a mesma função na Engenharia Industrial da empresa Kepler
Weber S.A. Pretende se especializar no futuro na área de Projeto de Máquinas, a qual
apresenta grandes potencialidades para o crescimento profissional.
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, a Deus, pela ajuda e sabedoria para enfrentar os desafios
do cotidiano.
À família pelo incentivo, apoio constante e compreensão ímpar em períodos
onde a busca pela graduação, exigiu redobrado tempo e atenção.
Aos meus colegas pelo grande apoio e pelos momentos de diálogo e
discussões para desenvolvimento de ideias e esclarecimento de dúvidas.
Aos professores, pela dedicação e paciência em transmitir conhecimento.
DEDICATÓRIA
Aos meus amados pais, Irineu Gonçalves (in memoriam) e
Milady de Oliveira Gonçalves. Aos queridos irmãos Deidri e Pablo, por
quem tenho um apreço inestimável. À minha noiva Marina, a quem
reservo o mais puro sentimento de amor e respeito.
Amo vocês!
RESUMO
Este estudo está direcionado ao setor de energias renováveis, mais
propriamente focadas nas células a combustíveis. Em primeira instância, serão
abordadas algumas informações básicas e algumas curiosidades a respeito dessa
tecnologia e seus constituintes. Será apresentado assim, um breve histórico sobre o
gás hidrogênio, e sobre células a combustível. Posteriormente, para efeitos de
conhecimento, será apresentada uma classificação básica e os tipos de células que
compões essa classificação. Em sequência ao assunto, serão apresentados alguns
cálculos referente a eficiência energética desses dispositivos, estabelecendo
comparativos com testes práticos realizados com uma célula a combustível adquirida.
Expressões chaves: Célula a combustível, tecnologia, hidrogênio, tipos de
células, eficiência energética, comparativos de testes práticos.
ABSTRACT
This study is aimed at the renewable energy sector, more specifically focused
on fuel cells. In the first instance, be dealt with some basic information and some
trivia about this technology and its constituents. Will be presented as a brief history
of the hydrogen gas and on fuel cells. Later, for the purposes of knowledge, will
present a basic characterization and cell types that comprise this classification. In
response to the issue, we introduce some calculations regarding the energy efficiency
of these devices, establishing practical comparative tests conducted with a fuel cell
acquired.
Key expressions: Fuel cell, technology, hydrogen, cell types, energy efficiency,
comparative and practical test.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Ciclo de Carnot para motores térmicos. [3] ............................................... 24
Figura 2 – Geração de energia elétrica por motor e turbina a vapor. [4] ................... 25
Figura 3 – Geração de energia elétrica por uma CaC. [4] ............................................ 25
Figura 4 – Representação básica de uma CaC. [2] ...................................................... 26
Figura 5 – Seção transversal de uma CaC do tipo PEM. [5] ......................................... 26
Figura 6 – Linha de eventos relacionados a células de combustíveis [1]. .................... 27
Figura 7 – Representação de uma CaC e suas princiapais partes. [2] .......................... 28
Figura 8 – Estrutura molecular da membrana polimérica Nafion®. [2] ....................... 30
Figura 9 – H2 entrando em contato com o catalisador. [2] ......................................... 30
Figura 10 – Representação das reações químicas que ocorrem em um CaC. [6] ........ 31
Figura 11 – Quebra das moléculas de H2 e fluxo de elétrons. [2] ............................... 32
Figura 12 – Mólécula de O2 entrando nos canais de fluxo da CaC. [2] ........................ 32
Figura 13 – Formação de vapor de água. [2] .............................................................. 33
Figura 14 – CaC usada nos programas da NASA. [2] ................................................... 36
Figura 15 – Paracelsus – Não sabia o que se tratava sua descoberta [11]. ................. 43
Figura 16 – Robert Boyle [11]. .................................................................................... 43
Figura 17 – Henry Cavendish [11]. ............................................................................. 44
Figura 18 – Antoine Laurent Lavoisier – Nomeou o hidrogênio [11]. .......................... 44
Figura 19 – Jacques Charles – Subiu um balão com hidrogênio. [11]. ......................... 45
Figura 20 – “La Charlière” de Jacques Charles. [11]. ................................................... 45
Figura 21 – Meios possíveis para produção de hidrogênio. [13] ................................. 49
Figura 22 – Classificação da matéria. [14]. ................................................................. 62
Figura 23 – Fórmulas moleculares de algumas substâncias. [14] ................................ 63
Figura 24 – Fórmulas estruturais de algumas substâncias. [14] .................................. 64
Figura 25 – Escalas de temperaturas. [14].................................................................. 67
Figura 26 – Aparelho da lei de Boyle. [14] .................................................................. 68
9
Figura 27 – Experimentos que deram origem a lei de Charles. [14] ............................ 70
Figura 28 – Átomo de silício e sua estrutura. [15] ...................................................... 74
Figura 29 – Átomo de hidrogênio e sua estrutura. [15] .............................................. 75
Figura 30 – Lei fundamental das cargas opostas. [15] ................................................ 75
Figura 31 – Campo eletrostático entre corpos com cargas opostas. [15] ................... 76
Figura 32 – Pilha química voltáica. [15] ...................................................................... 78
Figura 33 – Alguns dos símbolos mais utilizados na eletricidade. [15] ........................ 80
Figura 34 – Partes de um circuito elétrico. [15] .......................................................... 81
Figura 35 – Exemplo de circuito aberto (a) e circuito fechado (b). [15] ...................... 82
Figura 36 – Funcionamento de um resistor variável. [15]........................................... 83
Figura 37 – Círculo da lei de Ohm. [15] ...................................................................... 84
Figura 38 – Cilindro exemplificando uma massa de controle. [1] ............................... 89
Figura 39 – Turbina exemplificando um volume de controle. [1] ............................... 89
Figura 40 – CaC representada como um volume de controle. [1] ............................... 90
Figura 41 – Kit educacional adquirido da Horizon Fuel Cell Tecnology. (autor) ........... 99
Figura 42 – CaC utilizada para os experimentos. (autor) ............................................ 99
Figura 43 – Recipiente contendo água bideionizada. (autor) ................................... 101
Figura 44 – Termômetro Full Gauge com quatro sensores. (autor) .......................... 101
Figura 45 – Placa de aquisição de dados. (autor) ..................................................... 102
Figura 46 – Multímetro utilizado nos experimentos. (autor) .................................... 103
Figura 47 – Materiais diversos utilizados nos teste. (autor) ..................................... 104
Figura 48 – Projeto de circuito para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor) .. 106
Figura 49 – Circuito montado para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor) .... 106
Figura 50 – H2 produzido – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor) ............ 108
Figura 51 – O2 produzido – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor) ............ 108
Figura 52 – Gráficos – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor) .................... 109
Figura 53 – Projeto de circuito para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor) .. 110
Figura 54 – Circuito montado para os experimentos da Corrente x Tempo. (autor) . 111
Figura 55 – H2 produzido – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor) ............ 112
10
Figura 56 – O2 produzido – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor) ........... 113
Figura 57 – Gráficos – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor) .................... 113
Figura 58 – Projeto do circuito para o a potência na produção de H2 e O2 . (autor).. 114
Figura 59 – Circuito montado para o primeiro experimento. (autor) ....................... 115
Figura 60 – Potência fornecida – Nível de H2 [a]; Nível de O2 [b]. (autor) ................. 116
Figura 61 – Gráfico das Grandezas x Tempo. (autor) ................................................ 118
Figura 62 – Projeto do circuito elétrico para o experimento da função CaC. (autor) 122
Figura 63 – Circuito montado para estudo da função CaC. (autor) ........................... 122
Figura 64 – Nível inicial de H2 para o experimento da CaC . (autor).......................... 123
Figura 65 – Gráfico da queda de tensão ocorrida no experimento. (autor) .............. 124
Figura 66 – Nível de H2 ao final do experimento. (autor) ......................................... 125
Figura 67 – Grandezas envolvidas no rendimento da CaC. (autor) ........................... 127
Figura 68 – Energia produzida pela CaC. (autor) ...................................................... 129
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Principais tipos de CaC e algumas características. [1] ................................ 34
Tabela 2 – Comparativo do potencial energético. [9] ................................................. 47
Tabela 3 – Informações técnicas do hidrogênio. [2] ................................................... 48
Tabela 4 – Densidade de substâncias comuns (
,
). [14] ............................ 62
Tabela 5 – Fórmulas moleculares e empíricas. [14] .................................................... 64
Tabela 6 – Compressão do gás hidrogênio a
. [14] ............................................ 69
Tabela 7 – Unidades fundamentais do Sistema Métrico Internacional (S.I.). [15] ....... 78
Tabela 8 – Unidades suplementares do Sistema Internacional. [15] .......................... 79
Tabela 9 – Algumas unidades derivadas do S.I. [15] ................................................... 79
Tabela 10 – Componentes elétricos e suas identificações. [15] .................................. 81
Tabela 11 – Experimento Tensão x Tempo – Dados dos instantes iniciais. (autor) ... 107
Tabela 12 – Experimento Tensão x Tempo – Dados dos instantes finais. (autor) ..... 107
Tabela 13 – Experimentos Corrente x Tempo – Dados do instante inicial. (autor).... 111
Tabela 14 – Experimento Corrente x Tempo – Dados dos instantes finais. (autor) ... 112
Tabela 15 – Experimento da Potência fornecida - Dados do instante inicial. (autor) 115
Tabela 16 – Experimento da Potência fornecida - Dados do instante inicial. (autor) 116
Tabela 17 – Potência fornecida a CaC - Resultados do experimento. (autor) ........... 117
Tabela 18 – Experimento da CaC – Dados do instante inicial. (autor) ....................... 123
Tabela 19 – Dados coletados no encerramento do experimento. (autor) ................ 124
Tabela 20 – Resultados de potência calculados no experimento da CaC. (autor) ..... 127
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
SIGLA
CaC
DESCRIÇÃO
TRADUÇÃO
Alkaline Fuel Cell
Célula a Combustível Alcalina
Analogic Ground
Terra analógico
Célula a Combustível
---
Corrente contínua
---
Channel zero
Canal zero
Channel one
Canal um
Combined Heat and Power
Combinação de calor e potência
Direct Etanol Fuel Cell
HHV
Célula a combustível com uso de
etanol direto
Direct Metanol Fuel Cell
---
Força Eletromotriz
---
Hight Heat Value
Poder Calorífico Superior
Intermediate Temperature Solid
Oxide Fuel Cell
Phosphoric Acid Fuel Cell
Protonic Ceramic Fuel Cell
Célula a combustível de óxido
sólido de temperatura
intermediária
Célula a combustível de ácido
fosfórico
Célula a combustível de cerâmica
protônica
Proton Exchange Membrane
Membrana trocadora de Prótons
Proton Exchange Membrane Fuel
Célula a combustível com
Cell
membrana trocadora de prótons
Molten Carbone Fuel Cell
Célula a combustível de carbonato
fundido
13
$
Membrane Electrode Assembly
Conjunto de membrana e eletrodo
Regenerative Fuel Cell
Célula a combustível regenerativa
Dólar
---
Sistema Internacional de Unidades
---
Sólide Oxide Fuel Cell
Tubular Solid Oxide Fuel Cell
®
Célula a combustível de óxido
sólido
Célula a combustível de óxido
sólido tubular
Zinc-Air Fuel Cell
Célula a combustível zinco-ar
Marca registrada
---
LISTA DE FORMULAÇÕES QUÍMICAS
FÓRMULA
DESCRIÇÃO
Metano (Gás natural)
Monóxido de carbono
Dióxido de carbono (Gás carôonico)
Representação dos elétrons
Íons de Hidrogênio
Mólecula de gás Hidrogênio
Fórmula empírica da molécula de água
Ácidio Sulfídrico
Átomos de oxigênio carregados negativamente
Mólecula de gás oxigênio
( )
Representação de substância gasosa
SIMBOLOGIA DE EXPRESSÕES MATEMÁTICAS
EXPRESSÃO
DESCRIÇÃO
PRINCIPAIS UNIDADES
Área
,
Carga elétrica
C
Densidade
Diferencial da energia
Diferencial da Entropia
Distância, comprimento
,
,
,
Carga elétrica (Coulomb)
Energia
Energia Cinética
Carga do elétron
C
Energia Potencial
Freqüência
Constante de Farady
---
Energia de alimentação do
combustível
Aceleração da gravidade
Entalpia
Corrente
,
Constante da relação pressão x
---
volume de um gás
Massa
Massa do elétron
,
,
Massa de Hidrogênio
,
Massa molecular
,
16
Massa molar do Hidrogênio
,
Número de mols
Número de Avogadro
---
Número de elétrons envolvidos
---
em uma reação
,
Pressão
,
,
Força peso (Newton)
Potencial elétrico de saída
Quantidade de calor
,
Quantidade de calor recebido
,
Taxa de consumo de
combustível
Quantidade de calor rejeitado
,
Quantidade calor revesível
Resistêcia
,
Constante dos gases perfeitos
---
Entropia
Tempo
,
,
Temperatura
,
Temperatua inicial
,
Energia interna do sistema
Unidade de massa atômica
Volume
,
,
,
Tensão
Tensão ideal
Tensão de operação
̇
Número atômico
Potência
--,
,
,
17
Energia
Trabalho elétrico
Energia armazendada
Energia produzida pela CaC
Energia total
Variação da energia de Gibbs
Variação da entalpia
Entalpia de formação ideal
Variação da Entropia
Calor de entrada no sistema
Trabalho de saída do sistema
Rendimento
%
Rendimento do eletrolisador
%
Rendimento da CaC
%
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 21
1.
2.
OBJETIVOS ..................................................................................................... 23
1.1.
OBJETIVO PRINCIPAL ................................................................................ 23
1.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................ 23
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................................................... 24
2.1.
CÉLULA A COMBUSTÍVEL............................................................................ 24
2.1.1. O que é uma célula a combustível .............................................. 24
2.1.2. Histórico das células a combustíveis .......................................... 27
2.1.3. Partes principais de uma CaC ..................................................... 28
2.1.4. Funcionamento .......................................................................... 30
2.1.5. Tipos principais .......................................................................... 34
2.1.6. Principais aplicações .................................................................. 36
2.1.7. Benefícios .................................................................................. 38
2.1.8. Vantagens e desvantagens ........................................................ 39
2.2.
HIDROGÊNIO .......................................................................................... 42
2.2.1. Um pouco da história ................................................................. 42
2.2.2. Acerca do elemento ................................................................... 46
2.2.3. Produção de hidrogênio ............................................................. 48
2.2.4. Armazenamento do hidrogênio.................................................. 54
2.2.5. Distribuição ................................................................................ 58
2.3.
QUÍMICA GERAL ...................................................................................... 60
2.3.1. Matéria e seus conceitos fundamentais ..................................... 60
2.3.2. Formulações .............................................................................. 63
2.3.3. Peso atômico e outras massas ................................................... 65
2.3.4. O mol ......................................................................................... 65
2.3.5. Gases ideais ............................................................................... 66
2.3.6. Relação pressão x volume: Lei de Boyle...................................... 68
2.3.7. Efeitos da temperatura: Leis de Charles ..................................... 70
2.3.8. Comportamento do gás ideal – Princípio de Avogadro ............... 71
2.3.9. O átomo..................................................................................... 72
2.4.
ELETRICIDADE BÁSICA ............................................................................... 74
2.4.1. A natureza da eletricidade ......................................................... 74
2.4.2. A carga elétrica e o Coulomb ..................................................... 75
2.4.3. O campo eletrostático ................................................................ 76
2.4.4. Diferença de potencial ............................................................... 76
2.4.5. A corrente .................................................................................. 77
2.4.6. Fontes de eletricidade ................................................................ 77
2.4.7. Padrões elétricos, símbolos e convenções. ................................. 78
2.4.8. Lei de Ohm e potência ................................................................ 81
2.4.9. Leis de Faraday .......................................................................... 85
2.5.
TERMODINÂMICA BÁSICA .......................................................................... 86
2.5.1. A primeira lei da termodinâmica ................................................ 87
2.5.2. A segunda lei da termodinâmica ................................................ 90
2.5.3. Características elétricas das células de combustíveis ................. 91
2.5.4. Eficiência.................................................................................... 94
3.
MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................ 98
3.1.
MATERIAIS ............................................................................................. 98
3.1.1. Célula a combustível .................................................................. 98
3.1.2. Água bi deionizada .................................................................. 100
3.1.3. Termômetro ............................................................................. 101
3.1.4. Placa de aquisição de dados .................................................... 102
3.1.5. Multímetro .............................................................................. 103
3.1.6. Materiais diversos .................................................................... 104
3.2.
EXPERIMENTOS DO ELETROLISADOR .......................................................... 105
3.2.1. Experimentos da Tensão x Tempo ............................................ 105
3.2.2. Experimento da Corrente x Tempo ........................................... 110
3.2.3. Experimento da Potência fornecida para produzir H 2 e O2 ....... 114
3.3.
EXPERIMENTO DA FUNÇÃO CÉLULA A COMBUSTÍVEL ..................................... 121
3.3.1. Experimento da CaC ................................................................. 121
4.
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS ..................................................... 131
4.1.
EXPERIMENTO DO ELETROLISADOR ............................................................ 131
4.1.1. Experimento da Tensão x Tempo ............................................. 131
4.1.2. Experimento da Corrente x Tempo ........................................... 131
4.1.3. Experimento da Potência fornecida para produzir H 2 e O2 ....... 132
4.1.4. Experimento da CaC ................................................................. 133
4.1.1. Eficiência da CaC ...................................................................... 136
5.
SUGESTÕES PARA PRÓXIMOS ESTUDOS ..................................................... 137
5.1.
ESTUDO TÉRMICO DA CAC ....................................................................... 137
5.2.
ESTUDO DAS CAUSAS DA PERDA DE EFICIÊNCIA ............................................. 138
5.3.
ESTUDO DA EFICIÊNCIA EM LABORATÓRIOS .................................................. 138
CONCLUSÃO ........................................................................................................ 139
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 141
ANEXO I............................................................................................................... 144
INTRODUÇÃO
A acentuada degradação ambiental somada ao aumento populacional e ao
desenvolvimento das nações têm levantado questionamentos e discussões na
comunidade científica sobre o tema produção de energia. Essas discussões são
estimuladas ainda pela necessidade de encontrar soluções mais eficientes e menos
poluentes para a produção e consumo dessa energia, eliminando em partes com a
dependência que existe atualmente pelo petróleo.
Essa carência mundial em produção eficiente de energia está alertando
cientistas e as grandes empresas produtoras de energia sobre a necessidade de
encontrar outras formas para suprir a demanda que cresce diariamente.
Por outro lado, a sociedade mundial está se voltando cada vez mais para os
cuidados com o meio ambiente. Logo, essa tendência também se reflete nas
pesquisas de novas fontes de produção de energia. O interesse em produzir energia
de fontes renováveis, não poluentes, está cada vez mais próximo de se tornar
realidade.
Como sempre, o “produto” energia é algo que representa às nações a
possibilidade de supremacia sobre as demais. Para as nações em desenvolvimento, a
possibilidade de deter tecnologias de geração de energia renovável, é algo que
representa sair de uma posição de submissão para uma possível posição de
referência.
Com isso, aproveitando esse panorama mundial, será abordada neste trabalho
uma das tecnologias mais eficientes de produção de energia que é a das células a
combustível a hidrogênio, com potencial para uso como energia renovável.
Assim, serão abordados alguns dados referentes às células a combustíveis,
mais especificamente sobre o tipo de membrana trocadora de prótons, pela qual,
serão realizados alguns cálculos, visando a difusão do tema, e o entendimento do
funcionamento dessa tecnologia antiga, mas ao mesmo tempo inovadora e que será
22
em um futuro próximo, possivelmente uma das formas mais empregadas para a
geração de energia para o mundo.
1. OBJETIVOS
1.1. Objetivo principal
Este trabalho tem com objetivo principal realizar uma pesquisa sobre a
tecnologia de células a combustível. Essa pesquisa consiste em descrever suas
características principais, realizar alguns experimentos, e baseado nestes,
desenvolver cálculos para obtenção do rendimento de uma célula a combustível com
membrana trocadora de prótons (Proton Exchange Membrane, PEM).
1.2. Objetivos específicos
Tem-se como objetivos específicos:
 A aquisição de uma célula a combustível para fins didáticos, servindo
como base para cálculos de potência e rendimento.
 Apresentar de maneira clara, os cálculos e os resultados obtidos para
propiciar discussões sobre a tecnologia em questão.
 Apresentar diagramas que representem de maneira gráfica os valores
coletados e os resultados obtidos dos cálculos realizados.
 Difundir e despertar a curiosidade dos leitores sobre esse tema.
24
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. Célula a combustível
2.1.1. O que é uma célula a combustível
Uma célula a combustível (CaC) é um “dispositivo” eletroquímico que converte
continuamente energia química em energia elétrica enquanto um combustível e
algum comburente são fornecidos. [1].
As CaC têm semelhanças comuns com as pilhas, baterias e motores, pois
partilham do mesmo princípio de geração de energia (convertendo energia química
em trabalho). Entretanto, as CaC não precisam de recargas, e operam com alta
eficiência e sem nenhum tipo de ruído. Outra vantagem é que se utilizado o
hidrogênio (
) como combustível, os únicos produtos gerados por essa combustão,
são energia elétrica, água e calor.
Tratando da termodinâmica da geração e energia, será visto, que uma das
diferenças entre motores térmicos e uma CaC se refere a suas eficiências. Motores
térmicos são baseados no ciclo de Carnot, mostrado na figura 1, e as células de
combustíveis não. Como as CaC convertem energia química em energia elétrica, não
envolvendo a conversão de calor em energia mecânica, a sua eficiência pode superar
o limite de Carnot até mesmo em temperaturas relativamente baixas, como por
exemplo, a
. [2]
Figura 1 – Ciclo de Carnot para motores térmicos. [3]
25
Para entender o motivo pelo qual uma CaC alcança uma eficiência maior que
outras fontes de energia, é estabelecido um comparativo de um motor térmico e
uma CaC. Na figura 2, tem-se um processo de geração de energia elétrica com turbina
a vapor e na figura 3, tem-se a geração de eletricidade com uma CaC. Cada processo
em função das etapas requeridas. Salienta-se que em cada processo representado
por uma caixa nas figuras, há perdas de eficiência, dessa maneira, o sistema de
geração de energia que mais processos apresentar, mais perdas terá.
Figura 2 – Geração de energia elétrica por motor e turbina a vapor. [4]
Figura 3 – Geração de energia elétrica por uma CaC. [4]
De maneira resumida, uma CaC é composta por camadas, sendo que cada uma
dessas camadas tem uma determinada função. Duas dessas camadas são os
eletrodos. Esses são porosos para que ocorra a passagem dos gases até a camada do
meio, o eletrólito. Cobrindo o eletrólito, encontram-se os catalisadores. Esses
catalisadores servem para acelerar as reações e quebrar as moléculas de
. [2].
Como exemplo desses componentes, citam-se a platina e o níquel. Nas figuras 4 e 5,
26
tem-se a representação do conjunto membrana e eletrodo (Membrane Electrode
Assembly, MEA).
Figura 4 – Representação básica de uma CaC. [2]
Figura 5 – Seção transversal de uma CaC do tipo PEM. [5]
27
2.1.2. Histórico das células a combustíveis
A tecnologia de CaC existe a mais de 150 anos. A primeira CaC foi desenvolvida
pelo físico inglês chamado William Grove em 1839. Nessa época, já se tinha o
conhecimento que passando eletricidade pela água, era obtido
e oxigênio.
Entretanto, foi pelo processo reverso que ocorreu a descoberta, pois aproveitando o
e do oxigênio produzido por eletrólise, que se obteve eletricidade, calor e vapor
de água. A partir dai, vieram diversos estudos, os quais são apresentados na figura 6
em ordem cronológica.
Figura 6 – Linha de eventos relacionados a células de combustíveis [1].
28
2.1.3. Partes principais de uma CaC
Dentro da família de CaC, existem diversas variações de materiais e estruturas,
entretanto, todas partilham basicamente de uma mesma composição, mostradas na
figura 7.
Figura 7 – Representação de uma CaC e suas princiapais partes. [2]
2.1.3.1. Eletrodo do
É a camada em que o
passa por canais de fluxo desenhados na placa do
eletrodo [figura 7]. O objetivo é atingir toda a superfície revestida pelo catalisador.
[2]
O eletrodo do gás
é o terminal negativo, chamado de ânodo. Por ser o
componente que conduz a eletricidade, deve ser bom condutor, o que justifica o uso
de grafite misturado à resina, ou de metais como aço inoxidável.
29
2.1.3.2. Eletrodo do oxigênio ou ar
Essa é a camada em que o oxigênio passa por canais de fluxo desenhados na
placa do eletrodo [figura 7]. O objetivo é atingir toda a superfície revestida pelo
catalisador. Observe que é exatamente a mesma descrição do eletrodo do
, no
entanto, o que muda neste lado é gás que adentra nos canais da CaC.
Por ser o terminal positivo, este eletrodo recebe o nome de cátodo.
2.1.3.3. Catalisador
Durante o fluxo pelos canais dos eletrodos, os gases entram em contato com
micro partículas de catalisadores (2ª camada). Nas figuras 4, 5 é possível ver essas
partículas. Esses catalisadores [figura 7], além de acelerar as reações químicas, são
também responsáveis pela quebra da molécula de
(
em íons positivos
e elétrons
). O catalisador mais utilizado é o de platina-carbono, entretanto nos últimos
cinco anos, estudos concentrados tem mostrado que o catalisador de platina-níquel
se sobressai em termos de eficiência e funcionalidade, logo, está ganhando espaço
nessa área.
2.1.3.4. Eletrólito
Juntamente com o catalizador, o eletrólito é a lógica de todo o funcionamento
da CaC. Ele pode ser líquido ou sólido, e tem a propriedade de permitir movimento
somente dos prótons (
), fazendo com que o fluxo de elétrons seja direcionado a
um circuito externo. Com isso, aproveitando-se esse fluxo de elétrons que passa por
fora do eletrólito, se torna possível acender uma lâmpada, ligar e dar movimento ao
um automóvel por exemplo.
A membrana que comumente é usada atualmente recebe o nome comercial
de Nafion® a qual é marca registrada da Dupont. O polímero apresenta sua fórmula
molecular conforme mostrado na figura 8.
30
Figura 8 – Estrutura molecular da membrana polimérica Nafion®. [2]
2.1.4. Funcionamento
A seguir é apresentado um descritivo de como ocorre o processo de geração
de energia com uma CaC. Salienta-se que o processo apresentado abaixo é
semelhante para todos os tipos de células, diferenciando-se basicamente no produto
resultante das reações.
As etapas do funcionamento são:
I.
A CaC simples é constituída de dois lados. Em um desses lados, onde se
encontra o ânodo, o gás
é bombeado pelos canais de fluxo até que
atinja o catalisador, como mostra a figura 9.
Figura 9 – H2 entrando em contato com o catalisador. [2]
31
II.
No momento em que ocorre o contato do
realizada a separação entre íons de
dois íons de hidrogênio (
III.
com o catalisador, é
e elétrons. Dessa forma, surgem
) e dois elétrons (
).
Como visto anteriormente, o eletrólito só permite a passagem dos íons
de
, sendo que os elétrons são direcionados pelos eletrodos a um
circuito externo no sentido do cátodo. Esse fluxo de elétrons que
ocorre pelo circuito externo é utilizado para o uso nas mais variadas
aplicações. As moléculas de
que não são quebradas são
realimentadas até que o processo seja feito por completo. A reação
química que ocorre nessa etapa é mostrada na equação 1 e
representada na figura 10:
(1)
Figura 10 – Representação das reações químicas que ocorrem em um CaC. [6]
32
A figura 11 representa o efeito que é descrito nas etapas II e III.
Figura 11 – Quebra das moléculas de H2 e fluxo de elétrons. [2]
IV.
No mesmo instante em que o
gás oxigênio (
é bombeado para dentro da CaC, o
) também é bombeado no outro lado da célula. Nesse
lado, encontra-se o terminal positivo do eletrodo. A figura 12
representa o
passando pelos canais de fluxo e entrando em contato
com o catalisador, porém no lado inverso
.
Figura 12 – Mólécula de O2 entrando nos canais de fluxo da CaC. [2]
33
V.
No instante em que a molécula de oxigênio entra em contato com o
catalizador, essa recebe os íons de
que passaram pelo eletrólito e
também recebe os elétrons que vem pelo circuito externo. Nesse
momento, ocorre a liberação de calor e a formação da molécula de
água (
), o que resulta em vapor de água. A reação química que
ocorre é apresentada na equação 2:
(2)
A figura 13 representa o processo descrito na etapa V.
Figura 13 – Formação de vapor de água. [2]
34
2.1.5. Tipos principais
Atualmente existe uma família de CaC que pode ser caracterizada pelo
eletrólito usado, ou ainda pelas siglas mostradas na tabela 1. A base funcional de
todas essas células segue o mesmo princípio. No ânodo, um combustível que
geralmente é o
, é oxidado em elétrons e prótons. No cátodo o oxigênio é reduzido
e forma água com o
que se transfere de um lado oposto CaC.
Tabela 1 – Principais tipos de CaC e algumas características. [1]
TIPO
AFC
ELETRÓLITO
ESPÉCIE
TRASNPORT.
TEMP. DE
OPERAÇÃO
COMBUSTÍVEL
°C
EFICIÊNCIA
ELÉTRICA
condutor de
C
prótons (Ex.:
e espacial
5 – 250 kW (CHP)
puro, mas
tolerante a
puro, mas
tolera até 1%
Fosfórico
,
outros
hidrocarboneto
s (Tolera
Eletrólito de
)
,
óxido Sólido
outros
(yttria,
hidrocarboneto
zirconia)
200 kW (CHP)
de
Carbonato de
potássio
automotivo e de
portáteis
Ácido
lítio e
/ Ramo
equipamentos
Nafion¹)
SOFC
APLICAÇÃO
Concentrado
PEMF
MCFC
ALCANÇADA /
/ militar
Polímero
PAFC
POTÊNCIA
s (Tolera
)
Alcance de 200
kW - MW (CHP e
somente célula)
Alcance de 2 kW MW (CHP e
somente célula)
 AFC (Alkaline Fuel Cell) – CaC alcalina.
 PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – CaC com membrana
trocadora de prótons.
 PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – CaC de ácido fosfórico.
 MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) – CaC de carbonato fundido.
35
 SOFC (Sólide Oxide Fuel Cell) – CaC de óxido sólido. Possui algumas
derivações que são chamadas de PSOFC (Planar Solid Oxide Fuel Cell) - CaC
de óxido sólido na forma planar; TSOFC (Tubular Solid Oxide Fuel Cell) - CaC
de óxido sólido na forma tubular; ITSOFC (Intermediate Temperature Solid
Oxide Fuel Cell) - CaC de óxido sólido de temperatura intermediária (600° C
a 800° C). [1,7]
Existem ainda outras tecnologias que seguem a base das células apresentadas
acima. Dessas citam-se:
 DMFC (Direct Metanol Fuel Cell) - CaC com uso de metanol direto.
 DEFC (Direct Etanol Fuel Cell) - CaC com uso de etanol direto.
 RFC (Regenerative Fuel Cell) CaC regenerativa.
 ZAFC (Zinc-Air Fuel Cell) – CaC de zinco - ar.
 PCFC (Protonic Ceramic Fuel Cell) – CaC de cerâmica protônica.
Outra classificação das células a combustíveis é regida pela temperatura de
trabalho dessas. Assim, tem-se o subgrupo das que trabalham sob regime de alta
temperatura e as de baixa temperatura.
Estão no subgrupo de alta temperatura de operação a SOFC e MCFC (800° C a
1000° C). Já no de baixa temperatura de operação estão a PEMFC, DEFC, DMFC, PAFC
e AFC (80° C a 600° C).
As ITSOFC surgiram a fins de baratear e estabilizar estruturalmente os
componentes das CaC, pois possibilitam assim empregar componentes mais
acessíveis com uma estabilidade dimensional melhorada. [8]
Entretanto, as SOFC e MCFC possuem papel importante na geração de energia
estacionária. Estas duas CaC têm duas grandes vantagens sobre as do tipo de baixa
temperatura. [1].
A primeira grande vantagem está relacionada às altas eficiências elétricas
alcançadas. Protótipos construídos em laboratórios têm alcançado mais de 45%. Isso
as torna particularmente atraentes para a eficiência no setor de energia estacionária.
36
Em segundo lugar, as altas temperaturas de operação permitem de maneira
direta o processamento interno de combustíveis, tais como gás natural. Isto reduz a
complexidade do sistema em comparação as centrais elétricas de baixa temperatura,
as quais requerem a geração de hidrogênio em etapas adicionais no processo. [9]
2.1.6. Principais aplicações
Foram nos programas espaciais Gemini e Apollo que surgiram as primeiras
aplicações para as CaC. Na figura 14 é possível ver o modelo utilizado pelos
programas [2]. Além de gerar energia elétrica, também servia para a produção de
água para o sistema da nave. Era exatamente o que a NASA – National Administration
Space Aereo (Administração Nacional da Aeronáutica e do Espaço) precisava, pois se
tratava de um equipamento que gerava energia com eficiência e que utilizava um
combustível leve e com grande densidade de energia como o
. Nessa época,
devido a ser uma tecnologia cara e de certa forma inovadora, suas aplicações
limitava-se a programas espaciais. [1,2]
Figura 14 – CaC usada nos programas da NASA. [2]
37
Pesquisas extensivas estão sendo realizadas sobre CaC e seus componentes, na
tentativa de viabilizar o uso comercial desse equipamento. Atualmente, essas são
aplicadas em diversas áreas, mas estão recebendo destaques nas áreas de
transporte, geração de energia para residências, centros comerciais, hotéis e
hospitais, estações de energia e em equipamentos portáteis. Assim, gradativamente,
as células de combustíveis estão ganhando espaço no cenário de geração de energia.
2.1.6.1. Transporte
O setor de transportes é o que mais apresenta vantagens para o uso das CaC. É
bem provável que essa tecnologia se torne a mais séria candidata a competir com os
motores de combustão interna. Isso se dá devido ao comparativo de eficiência, onde
as células de combustíveis por gerarem energia por um processo eletroquímico
(transformação química em energia elétrica sem processos intermediários) possuem
uma eficiência elevada em relação aos motores térmicos.
Outro quesito que torna essa tecnologia mais atraente do que os motores de
combustão interna é o fato da emissão zero. Com a tendência mundial em seguir na
redução de poluentes, o fato de produzir energia elétrica sem poluir, é algo que
sustenta a ideia de que as células são sim uma maneira de caminhar para um futuro
mais limpo.
Entretanto, uma das principais barreiras nessa aplicação, está em relação ao
armazenamento do combustível, ou seja, do
. Atualmente existe um número
pequeno de veículos movidos a CaC, isso se comparando-se com veículos de motores
de combustão interna. A aplicação em ônibus já se tornou realidade, visto que o
problema de armazenamento já está resolvido pelo fato de ser um veículo de porte
maior.
2.1.6.2. Energia estacionária
Com o avanço de pesquisas referentes à aplicação no setor automobilístico,
outras aplicações, incluindo a energia estacionária, estão sendo beneficiadas com
38
esse desenvolvimento. A geração de energia estacionária é vista como o segundo
principal setor para a tecnologia de CaC. [1]. A redução das emissões de
é um
argumento importante para a utilização de CaC em pequenos sistemas de energia
estacionária, particularmente na produção combinada de calor e geração de energia.
2.1.6.3. Energia portátil
Este mercado é o menos definido dos outros, mas com grande potencial para o
ingresso dessa tecnologia. O termo CaC portáteis, muitas vezes inclui várias
aplicações. Essas aplicações variam de acordo com a necessidade e com o
combustível a ser utilizado. Apenas como curiosidade, já existem alguns notebooks
que utilizam dessa tecnologia para seu funcionamento.
2.1.7. Benefícios
O possível uso futuro de células a combustíveis pode trazer muitos benefícios
ao planeta. São eles: [1,2,9].
 Redução da emissão de poluentes no ar e melhora na qualidade da saúde
respiratória, especialmente em áreas urbanas que já apresentam problemas
de baixa qualidade do ar;
 Redução da emissão de partículas na atmosfera, como cinzas da fumaça;
 As células a combustível praticamente não emitem poluentes;
 Redução da emissão de gases causadores do efeito estufa;
 Redução da poluição sonora, pois as CaC não têm partes móveis e operam
silenciosamente.
 Redução da contaminação do lençol freático a partir dos automóveis. Hoje,
praticamente todos os veículos utilizam óleo para lubrificação dos motores,
ocorrendo muitos vazamentos que contaminam a superfície e provocam
acidentes nas estradas.
39
 Redução de prejuízos na agricultura através da redução da chuva ácida e
níveis de concentrações de ozônio próximo à superfície;
 Diminui a quantidade de baterias convencionais e nocivas ao meio
ambiente jogadas em aterros sanitários;
 Redução da sobrecarga nas linhas de transmissão, possibilitando direcionar
os investimentos para outras áreas, como a geração distribuída,
melhorando a eficiência energética;
 Aumento da segurança de energia;
 Crescimento econômico, desenvolvimento e criação de empregos.
2.1.8. Vantagens e desvantagens
Os tipos de células abordadas nesse trabalho possuem regimes operacionais
significativamente diferentes. Isso se dá devido à diferença entre os materiais de
construção, as técnicas de fabricação e outros requisitos pertinentes de cada tipo.
Devido a essas diferenças cada tipo de célula tem suas peculiaridades, sendo algumas
apresentadas como vantagens e outras como desvantagens em relação ao potencial
desses dispositivos.
 AFC - Trata-se de uma das mais recentes células desenvolvida. Sua criação
se deu em meados de 1960, onde teve como principal uso a geração e
fornecimento de energia elétrica para a nave espacial Apollo. [1]. Possui
como grande vantagem seu excelente desempenho com
e oxigênio (
),
isso comparado com os outros tipos de combustíveis. Seu eletrólito é
composto por uma solução aquosa de hidróxido de potássio (
)
concentrado. Opera em temperaturas entre 50° e 200° C sendo que nesses
casos usa-se somente
puro e oxigênio como combustível. Por esse
motivo, tem seu aproveitamento limitado em transportes e na geração de
energia estacionária.
 PEMFC: A PEMFC, como a SOFC, possui um eletrólito sólido, o que se torna
uma vantagem, pois apresentam uma excelente resistência à passagem de
40
gás, visto que este necessariamente precisa ser jogado para dentro da
célula sob determinada pressão. A principal diferença entre a PEMFC e a
SOFC, diz respeito à temperatura de trabalho, pois como visto
anteriormente a PEMFC faz parte da família das células de baixa
temperatura chegando aos
. Por um lado, essa característica se torna
uma vantagem, pois é possível trazer a célula a sua temperatura ideal de
trabalho mais rapidamente. Por outro, uma desvantagem, pois não é
possível o uso do calor gerado para a cogeração de energia adicional, o que
representaria uma eficiência maior. Outra vantagem importante, é que esse
tipo de célula pode operar com densidades de correntes mais elevadas às
outras células. Ainda como vantagem, cita-se a possibilidade de usar o
próprio ar como substituto para o oxigênio. Várias particularidades fazem
da célula do tipo PEM uma candidata em potencial para aplicações
automotivas e emprego doméstico. [10]
 PAFC: Utilizam ácido fosfórico concentrado (
) como eletrólito e
operam com temperaturas superiores às das células do tipo PEM e AFC
(entre
e
). O princípio de funcionamento segue o mesmo que
nas células de membrana polimérica, entretanto, apresentam como
vantagem sobre essas, a velocidade em que as reações ocorrem devido à
alta temperatura de trabalho. As PAFC podem chegar a uma eficiência de
devido à cogeração de energia utilizando o calor gerado pela célula.
Com isso, se torna atraente o uso comercial dessa CaC, sendo utilizada em
escolas e hospitais. [10]
 MCFC: Obedece ao mesmo princípio de funcionamento das demais.
Entretanto, atinge uma temperatura de operação de aproximadamente
. Com isso, a possibilidade de uso para cogeração de energia também
se torna viável. Pode ser feita de materiais mais comuns, sem a necessidade
de empregar materiais caros como platina, visto que seus catalisadores são
feitos de níquel. O eletrólito das células do tipo MCFC é formado por uma
41
solução líquida de carbonatos (Lítio, Potássio e/ou Sódio) imersa em uma
matriz. [10]. Sua elevada temperatura de operação é utilizada para alcançar
um nível ideal de condutividade do eletrólito. Com isso, a velocidade em
que ocorrem as reações também são maiores. Como desvantagem, a
instabilidade dimensional dos componentes da célula se torna algo que
prejudica seu desempenho.
 ITSOFC: Apresentam os melhores atributos disponíveis no mercado de
desenvolvimento
de
tecnologia
celular.
Devido
ao
emprego
de
componentes cerâmicos para eletrodos e eletrólitos, se faz possível o uso
de hidrocarbonetos e monóxido de carbono como combustível, pois o
carbono não consegue ficar depositado sobre as partes internas da célula.
Como desvantagem, a velocidade em que as reações ocorrem é reduzida,
haja vista a sua temperatura intermediária de operação. [1]
 TSOFC: Esse tipo de célula antecede a AFC. Seu desenvolvimento começou a
partir de 1950. A construção sólida de cerâmica do eletrólito se apresenta
com uma das principais vantagens desse tipo, pois apresenta maior
resistência aos problemas de corrosão que são característicos das células de
eletrólito líquido. Devido à temperatura de operação ser s alta (
),
a cinética da célula também se torna rápida. Ainda como vantagem, tem-se
a possibilidade de uso de ar comum com combustível, entretanto, para que
se possa ter uma elevada eficiência, esse necessariamente precisa ser préaquecido o que geralmente é feito através do próprio calor gerado pela
célula. O restante do calor que não é utilizado pra pré-aquecimento de ar,
pode ser usado para a cogeração de energia. Outra desvantagem
relacionada à temperatura de operação desse tipo de célula diz respeito a
sua fabricação. Como a temperatura é elevada, não se podem utilizar
materiais comuns, ou ainda materiais que apresentam elevada dilatação
térmica, pois isso afetaria tanto o seu desenvolvimento como também a
própria vedação entre componentes da célula.
42
2.2. Hidrogênio
Será abordado nesta seção acerca do elemento químico Hidrogênio. Será
definido primeiramente esse elemento por se tratar do combustível das CaC do tipo
PEM e será a partir deste tipo de célula, todo o estudo realizado neste trabalho.
Pode-se dizer que esse gás não é uma fonte de energia primária, pois não é tão
fácil encontra-lo livre na natureza. Diz-se que uma fonte primária é aquela que não
necessita de nenhuma transformação para se tornar energia. Por ser um elemento
que dificilmente é encontrado sozinho, necessariamente precisa-se extraí-lo de
outros componentes encontrados na natureza.
Será visto neste capítulo algumas curiosidades, propriedades, formas de
obtenção e métodos de armazenamento desse combustível que apresenta grande
potencial energético.
2.2.1. Um pouco da história
Para o melhor entendimento, inicia-se pelo histórico desse precioso e
abundante elemento químico, o Hidrogênio. Apesar da importância que esse
elemento está apresentando no panorama mundial de energia, sua descoberta não é
algo recente. Ele existe de desde a formação do universo. Em verdade, sua origem se
deu a mais de 15 bilhões de anos atrás, segundo o que algumas teorias estabelecidas
pela física (como a de Freidmann) tentam explicar através da grande explosão
chamada de Big Bang (suposta explosão que originou o universo).
Entretanto, olhando para tempos mais próximos, há aproximadamente 500
anos, alguns cientistas já realizavam experimentos onde o resultado das reações
químicas realizadas era o hidrogênio. Logicamente que com os recursos utilizados na
época, a identificação do hidrogênio se tornou uma algo extremamente difícil.
O primeiro registro histórico deu-se com o alquimista suíço Paracelsus (1493–
1591) mostrado na figura 15, o qual misturou metais com ácidos e produziu um “ar
43
explosivo” [11]. Nota-se que até então, não se tinha conhecimento de que esse gás
fosse o
.
Figura 15 – Paracelsus – Não sabia o que se tratava sua descoberta [11].
Alguns anos mais tarde, um cientista conhecido com Robert Boyle (1627–
1691), mostrado na figura 16, mais conhecido pela Lei de Boyle para um gás ideal,
realizou o mesmo experimento que Paracelsus, e resolveu publicar suas descobertas
em um artigo, onde chamou o
de “Solução inflamável de Marte”. [11].
Figura 16 – Robert Boyle [11].
44
Somente então em 1766, Henry Cavendish, mostrado na figura 17, reconheceu
este gás como uma substância química única. Esse reconhecimento se deu do
resultado de uma reação entre metais e ácidos, o que originou um gás inflamável e
que quando queimado na presença de ar, produzia água. [11]
Figura 17 – Henry Cavendish [11].
Foi Antoine Lavoisier, mostrado na figura 18, que em 1783, deu nome de
hidrogênio ao elemento químico e provou que a água é composta desse elemento e
de oxigênio. Também observou que quando o
era queimado na presença de
oxigênio, havia a formação de orvalho. [12]
Figura 18 – Antoine Laurent Lavoisier – Nomeou o hidrogênio [11].
45
Antes mesmo de receber o nome de hidrogênio, esse gás teve uma grande
aplicação que foi o uso em balões. Em 1783, Jacques Charles, mostrado na figura 19,
empregou o
pela primeira vez no transporte. Usou o gás como forma de subir um
balão a uma altura de 550 metros. O balão mostrado na figura 20 recebeu o nome de
"La Charlière". [11]. Ele também descobriu a Lei de Charles, que se refere aos gases
perfeitos. Essa lei enuncia que sob pressão constante, o volume de uma dada massa
de gás varia proporcionalmente com o valor da sua temperatura absoluta.
Figura 19 – Jacques Charles – Subiu um balão com hidrogênio. [11].
Figura 20 – “La Charlière” de Jacques Charles. [11].
46
2.2.2. Acerca do elemento
O hidrogênio é o elemento químico mais abundante, mais simples e mais
comum de todo o universo. Ele compõe
da massa do universo, e
moléculas do corpo humano. No planeta Terra, compõe aproximadamente
das
da
superfície terrestre [2].
Em seu estado natural e sob condição ambiente, o
é um gás inodoro,
insípido e incolor, e se apresenta muito mais leve que o ar. Pode ser encontrado no
estado líquido, ocupando um volume 700 vezes menor do que se estivesse em forma
de gás. [2]. Entretanto, neste caso ele necessariamente tem que estar a uma
temperatura de –
e à pressão atmosférica, em sistema de armazenamento
conhecidos com sistemas criogênicos. Acima dessa temperatura, se transforma em
gás o qual pode ser armazenado em cilindros de alta pressão.
Como é quimicamente ativo, o
está sempre à procura de outro elemento
para se combinar. Dependendo da concentração, as misturas de gás
com oxigênio
são inflamáveis e até mesmo explosivas. Quando queimado com oxigênio puro, os
únicos subprodutos são calor e água. Quando queimados com ar, constituído por
de nitrogênio e
de oxigênio, alguns óxidos de nitrogênio (
) são
formados, entretanto, ainda assim é menos poluente que os combustíveis fósseis. [2].
Se tratando de tabela periódica, é o elemento químico que ocupa a primeira
casa e é representado pela letra
. Trata-se de um elemento extremante simples,
visto que tem um número atômico de
e uma massa atómica próxima de , dado
que o seu isótopo mais abundante tem um núcleo unicamente constituído por um
próton.
O
possui aproximadamente 2,4 vezes mais energia que o gás natural por
unidade de massa, e cerca de 1100 vezes mais que uma bateria ácida. Sabendo que 1
kWh equivale a 3600 joules, na tabela 2 tem-se a representação desse potencial em
relação a outras substâncias. [9]
47
Tabela 2 – Comparativo do potencial energético. [9]
DENSIDADE DE
DENSIDADE DE
PORTADOR DE
FORMA DE
ENERGIA POR
ENERGIA POR
ENERGIA
ARMAZENAMENTO
MASSA
VOLUME
)
(
Hidrogênio
Gás (
)
33,3
0,53
Gás (
)
33,3
0,75
Gás (
)
33,3
2,92
)
33,3
2,36
Hidretos metálicos
0,58
3,18
Líquido (
Gás natural
)
(
Gás (
)
13,9
2,58
Gás (
)
13,9
3,38
13,9
5,8
Líquido (
)
GLP
Líquido
12,9
7,6
Metanol
Líquido
5,6
4,42
Gasolina
Líquido
12,7
8,76
Gasóleo
Líquido
11,7
9,7
Bateria (Ácido - Chumbo)
0,05
0,1
Bateria (Íons de Lítio)
0,25
0,05
Eletricidade
Se tratando de segurança, haja vista que é um gás explosivo, abaixo são
relacionadas em itens as principais características desse elemento.
 Não entra em detonação ao ar livre;
 Não é tóxico (mas pode ser asfixiante se consumir todo o oxigênio de um
ambiente fechado);
 Não é radioativo;
 Não é corrosivo;
 Não contamina a água;
 Não é cancerígeno;
 Não entra em autoignição na temperatura ambiente;
 Tem alto coeficiente de difusão e por isso dilui rapidamente no ar;
 Quando sofre ignição ao ar livre, geralmente queima antes de atingir o valor
limite para ocorrer a explosão;
48
 Não produz produtos perigosos de decomposição;
Na tabela 3 são apresentadas algumas informações técnicas do .
Tabela 3 – Informações técnicas do hidrogênio. [2]
INFORMAÇÕES SOBRE O HIDROGÊNIO
Símbolo químico
Cor
Incolor
Estado físico a temperatura e pressão
Gás
ambiente
Temperatura de autoignição
584°C
Poder Calorífico Inferior
(
)
Poder Calorífico Cuperior
(
)
Poder calorífico superior
(
)
(
Densidade (0°C e 1 atm)
Ponto de ebulição
(na pressão de
Inflamável entre as concentrações de
Limite de inflamabilidade no ar
)
)
a
de
por
volume
Coeficiente de difusão
A energia contida em
de
equivale a 0,34 litros de gasolina
A energia contida em 1 litro de hidrogênio líquido equivale a 0,26 litros de gasolina
A energia contida em
de
equivale a
Massa atômica do
=
de gasolina (baseado em valor calorífica)
=
2.2.3. Produção de hidrogênio
A utilização do
como base para a produção de energia através de
biomassas e combustíveis (como o etanol) ou utilizando a energia elétrica produzida
a partir de fontes renováveis (hidráulica, eólica e solar fotovoltaica), transformando
49
eletricidade em energia transportável e armazenável, vem sendo alvo de grandes
estudos e consequentemente cada vez mais vem mostrando que é uma das formas
mais eficientes e ambientalmente corretas, principalmente quando associada à
utilização de CaC para conversão do
Estas características do
em energia elétrica.
, que é a possibilidade de sua produção através de
diversos insumos e processos, colocam esse elemento na posição chave de
integração entre diversas tecnologias, como pode ser visto na figura 21.
Figura 21 – Meios possíveis para produção de hidrogênio. [13]
Entretanto, mesmo com tantas formas de produção, essa tarefa se torna um
desafio a ser vencido, pela necessidade de se produzir
em grande escala.
Atualmente é produzida cerca de 500 bilhões de metros cúbicos por ano, a
pressão ambiente. [2].
A principal utilização nos dias atuais é para a produção de produtos químicos
como plásticos e amônia, na indústria de eletrônicos e em áreas de refrigeração.
Além do mais, uma grande fatia dessa produção se dá de fontes não renováveis, ou
seja, de fontes convencionais que geram poluentes, tais como o gás de carvão
gaseificado (produção anual média de 90 bilhões) gás natural (produção anual média
50
de 240 bilhões) e pela reforma de petróleo (produção anual média de 150 bilhões).
[2].
Visto assim, para que este combustível se torne realmente sustentável,
necessariamente precisa-se promover a produção de
de fontes renováveis tais
como eletrólise da água em hidrelétricas, por energia solar e eólica. Outra forma de
obtenção de
coloca o Brasil em posição de vantagem em relação aos outros
países. Esta solução está no seu agronegócio, que pelo álcool da cana de açúcar, pelo
biodiesel a partir da soja, girassol e outras plantas, pode-se ter um elevado volume de
produção anual de
.
Dentre essas possibilidades, uma que desponta é a gaseificação da biomassa e
do lixo urbano (biogás) que torna a produção de
uma grande oportunidade para o
país, especialmente em aterros sanitários e estações de esgotos.
2.2.3.1. Produção de hidrogênio por eletrólise
A produção de
por eletrolise é um processo relativamente simples. Este
processo utiliza-se a energia elétrica para quebrar a molécula da água (
seus constituintes, o
) e obter
e o oxigênio.
O processo mais conhecido comercialmente é chamado de “eletrólise
alcalina”. Este tipo de eletrólise é indicado para grandes produções de
ocorrer a quebra da molécula de água (ligação entre
maior que
. Para
e oxigênio), a tensão deve ser
. [2].
Geralmente se utiliza um valor de
aplicado entre dois eletrodos que
estão submersos a uma solução que conduz íons. Esta solução recebe o nome de
eletrólito. A reação ocorre da seguinte maneira. No eletrodo positivo, chamado de
ânodo, ocorre a produção de oxigênio. Opostamente, no eletrodo negativo,
conhecido como cátodo, ocorre a produção do
. Salienta-se aqui, que a tensão
necessária pra quebrar a molécula da água, varia de acordo com a pressão e a
temperatura.
51
Entretanto, existem outros métodos que estão em fase de pesquisa. Um deles
são os “eletrolisadores PEM” que utilizam uma membrana plástica capaz de conduzir
cargas positivas (próton), como ocorre com as células de combustíveis.
Para fins informativos, somente
da produção mundial é gerada a partir da
eletrólise da água. Isto se deve ao custo da eletricidade que equivale a dois terços do
custo operacional da produção do
, se tornando mais caro que os outros métodos
como o gás natural. [2].
2.2.3.2. Produção de hidrogênio a partir de fontes fósseis
Cerca de
da produção total de
em indústrias e refinarias em que o
é proveniente de processos químicos
é obtido como subproduto de combustíveis
fósseis. Destes, destacam-se o petróleo, o gás natural e o carvão. [2].
A três formas mais comuns de se obter
a partir desses combustíveis são:
 Reforma a vapor: É o processo mais eficiente pra a produção de
atualmente (cerca de
a
vapor superaquecido (
) [2]. Seu princípio consiste em misturar
) ao gás natural (
convertê-lo numa mistura rica em
e monóxido de carbono (
se combina esse monóxido de carbono com água (
e dióxido de carbono (
produção de
de
), por exemplo, e
). Depois
) para formar mais
). Atualmente, as grandes unidades de
que utilizam desse método, tem capacidade de produção
.
 Oxidação parcial: É um processo parecido com o anterior, sendo que a
principal diferença está na adição de oxigênio ou ar nas reações. Com isso,
torna-se possível utilizar combustíveis mais pesados com mais átomos de
carbono, como o petróleo e o carvão gaseificado.
 Pirólise a plasma: Consiste na aplicação de um arco elétrico em um
hidrocarboneto gasoso como o gás natural. Quando a conversão ocorre,
obtém-se hidrogênio e carbono. Esse processo ocorre a uma temperatura
52
de
, e tem como vantagem a não emissão de gases, como o (
),
um dos responsáveis pelo efeito estufa.
2.2.3.3. Produção de hidrogênio a partir dos biocombustíveis
A produção de
a partir dos biocombustíveis é algo que o Brasil pode tirar
proveito, pois apresenta diversas possibilidades para tal.
É possível produzir biocombustíveis a partir dos aterros sanitários, da
gaseificação da biomassa, do uso do álcool obtido da cana de açúcar (Brasil). Até
mesmo pode-se produzir de excrementos de animais nas fazendas e do lixo orgânico
de casa. Abaixo é apresentado um breve descritivo de algumas formas de obter
de
biocombustíveis.
 Lixo urbano: O gás produzido nos aterros sanitários é proveniente da
ação de micro-organismos anaeróbico no lixo orgânico gerado nas
cidades. Esse gás, geralmente contém mais de
sendo o restante, dióxido de carbono (
de metano (
),
), nitrogênio, uma menor
parte de hidrogênio e oxigênio e por fim “ácido sulfídrico” (
). [2].
Este último por sua vez é nocivo a alguns componentes da CaC, e
necessariamente precisa ser “filtrado” para níveis mais baixos. Um dos
grandes problemas diz respeito ao uso do metano gerado nesses
lugares, pois este se não utilizado para produção de energia, acarreta
problemas como o efeito estufa.
 Biomassa: A biomassa (bagaço de cana de açúcar, bambu, lenha e
outros resíduos agrícolas) é uma fonte de energia renovável. Essa
biomassa pode ser convertida em combustível líquido ou em gás. Para a
produção de
, tem-se que convertê-la em gás como o biogás. Este
por sua vez não é obtido somente da biomassa, mas como visto
anteriormente pode vir de restos do lixo orgânico e de esgotos. Embora
o biogás proveniente da biomassa seja pobre em metano, tem-se com
ele a possibilidade de produção de
.
53
 Biogás: O biogás pode ser utilizado diretamente em algumas tecnologias
de células de combustíveis que funcionam em alta temperatura (
a
C
). Essas células são mais resistentes a alguns compostos
presentes no biogás como o ácido sulfídrico dito anteriormente e o
monóxido de carbono. [2]. Isto se dá, devido a usarem catalizadores de
níqueis, pois as reações químicas a altas temperaturas ocorrem de
maneira mais rápida, não necessitando um catalisador como a platina,
utilizada em células de baixa temperatura. O biogás pode ser convertido
em
puro, através de purificadores, e utilizado em células de
combustíveis de baixa temperatura. Quanto mais puro o hidrogênio,
melhor para a CaC.
2.2.3.4. Produção de hidrogênio a partir da energia solar
O sol é uma fonte de energia abundante, renovável e que não polui o
ecossistema. Quantificando o aproveitamento dessa energia, pode-se afirmar
aproximadamente que
dessa energia é refletida de volta para o espaço. O
restante, é absorvida pela atmosfera e pela superfície da Terra, sendo ainda, que
parte dessa energia é utilizada para evaporação da água e aproximadamente de
a
é aproveitado para a fotossíntese de plantas e algas. [2].
Pensando em aproveitar essa energia que chega a terra, utiliza-se um
dispositivo chamado de painel solar fotovoltaico. Este produz eletricidade a partir da
energia do sol. Sendo assim, torna-se possível a eletrólise da água sem a formação de
produtos poluentes, e com uma fonte de energia inesgotável e gratuita, como o sol.
Esses painéis abrem a possibilidade de produção de
em casas, e em postos
de combustíveis, evitando as perdas e os custos decorrentes da distribuição.
Entretanto, como todo processo tem suas vantagens e desvantagens, os
painéis fotovoltaicos têm como principais críticas o custo elevado e a eficiência
reduzida. Painéis utilizados pela NASA, atualmente estão próximos dos
eficiência, porém, os comerciais estão somente entre
a
de eficiência. [2]
de
54
Para efeitos informativos, pesquisas realizadas afirmam que desde a década de
1970, o custo desse equipamento caiu mais de 50 vezes e sua eficiência triplicou.
2.2.3.5. Produção de hidrogênio a partir de hidrelétricas
As grandes e pequenas hidrelétricas apresentam um grande potencial para a
produção de
“verde”, ou seja, sem a emissão de poluentes e gases do efeito
estufa. Quando comparado com o
produzido através de outros processos como a
reforma de gás natura e biogás, o
retirado a partir da água (eletrólise) é mais fácil
de purificar. [2].
Em períodos de chuva, o excesso de água normalmente é desperdiçado. Com
essa quantidade desperdiçada seria possível produzir
e oxigênio para CaC.
Para tornar o custo menor do processo de eletrólise, o
poderia ser
produzido em horários que não fossem de grande consumo, quando o preço da
energia elétrica é menos oneroso.
2.2.4. Armazenamento do hidrogênio
A questão de armazenamento do
produzido é um dos fatores
determinantes para o emprego das CaC em veículos. O objetivo principal é o
desenvolvimento de tanques que armazenem a maior quantidade possível de energia
com o mínimo peso, volume e custo.
Devido ao
ser um dos elementos mais leves da natureza e apresentar uma
molécula extremamente pequena, este gás pode escapar facilmente de tanques de
armazenamento. Por sua vez, esses tanques precisam ser completamente vedados, o
que somente é possível com processos produtivos de alta tecnologia.
Dentre as diversas propriedades do
, se este for utilizado como combustível
surge a necessidade de procurar meios de armazená-lo de maneira efetiva e segura,
avaliando desde o local em que é produzido até o local onde é realizado o seu
consumo.
55
Outro quisto a ser avaliado e que atualmente é considerado desafiador, é a
questão de capacidade de armazenagem, visto que isso define a autonomia tanto de
veículos como em aplicações portáteis, estacionárias e espaciais.
2.2.4.1. Armazenamento de hidrogênio comprimido
O armazenamento do
e tubos de alta pressão é um dos sistemas mais
comuns e também mais desenvolvidos atualmente. Entretanto, o desafio está em
atender de forma adequada as necessidades do mercado. Se forem grandes, além do
espaço que irão ocupar, resulta em aumento do peso. Por outro lado, se for de
tamanhos reduzidos, menor o volume de gás contido neles. Ou ainda, pode-se ter um
volume de gás elevado, entretanto a pressão mais alta, fazendo com que o cilindro
tenha que ser de elevada resistência.
Atualmente, nesses reservatórios utilizados em veículos, possuem pressão que
vão de
a
. Entanto, utilizando cilindros de
da tecnologia já superou o teste padrão de explosão para
, o estado da arte
. [2].
Outro fator preocupante, diz respeito ao aumento de pressão devido ao
aumento da temperatura. Em avaliações feitas notou-se que a pressão dentro desses
cilindros se eleva em media
. Obviamente que estudos estão sendo realizados
em cima desses reservatórios, onde os mais modernos já estão usando plásticos e
fibras de carbono.
2.2.4.2. Armazenamento de hidrogênio líquido
Em frente à complexidade de armazenar hidrogênio em gás, devida a altas
pressões pode-se pensar em outra forma de armazenamento. Essa forma é no estado
líquido. Em verdade, atualmente já se utiliza esta forma de armazenamento,
entretanto, não se torna viável devido ao
(temperatura criogênica).
se liquefazer somente a temperatura de
56
Para mantê-lo no estado líquido, se gasta em torno de
do
a
da energia
para tal. [2]. Entretanto, desponta uma vantagem vista na tabela 4, onde nota-
se que a densidade de energia do
Outra vantagem do
líquido é maior que a da gasolina.
líquido diz respeito ao transporte. Como este possui
maior densidade de energia do que o estado gasoso visto isto em volumes iguais,
resultaria em ganhos no transporte desse combustível, pois o carregamento seria de
um potencial energético maior do que um carregamento de gás.
2.2.4.3. Armazenamento de hidrogênio em hidretos metálicos
É um dos métodos mais seguros de armazenar
, visto pelo fato de que
depois que ligado quimicamente, o hidrogênio fica armazenado sob pressão
ambiente ou em pressões bem baixas.
Esse método só é possível graças a existir ligas metálicas que possuem a
propriedade de absorver o
tal como uma esponja absorve a água. Quando o
sob pressão entra em contato com a superfície do material, este penetra no mesmo,
formando uma mistura sólida de metal e
conhecido como hidreto metálico.
Quando ocorre a ligação química entre o
e essas ligas, também ocorre a
liberação de calor. Portanto, para que ocorra esse quebra de ligações, é necessário
apenas aquecer o hidreto metálico.
Existem centenas de tipos de hidretos metálicos e cada qual funciona em
diferentes temperaturas e pressões. Esses modelos podem ser usados em aplicações
estacionárias, portáteis e até mesmo móveis.
2.2.4.4. Armazenamento de hidrogênio em nano fibras de carbono
As nano fibras de carbono são construídas na forma de várias camadas de
placas de grafite. Em algumas publicações atuais, relatam que nesse processo já é
possível o armazenamento dos
em relação ao peso total. Portanto para atingir
essa capacidade, a pressão deve estar em aproximadamente
.
57
Para extrair o
dessas fibras, bastaria reduzir a pressão para
, o que
faria com que o combustível saísse das fibras para o uso como gás.
Com isso, a possibilidade da aplicação de
em veículos estaria resolvida,
sendo também extinta a necessidade de postos de combustíveis para abastecimento.
2.2.4.5. Armazenamento de hidrogênio em micro esferas de vidro
Esta forma consiste em armazenar hidrogênio em micro esferas de vidro
menores que
de diâmetro. Essas esferas são capazes de resistir a pressões de
. Só para fins comparativos, os cilindros de maior pressão
utilizados para armazenar hidrogênio e veículos, atingem
.
Para que o hidrogênio se infiltre nesses grãos de vidro, é necessário aquecer
essas esferas a uma faixa de temperatura entre
a
. Na temperatura
ambiente, o hidrogênio permanece aprisionado.
2.2.4.6. Armazenamento de hidrogênio em plásticos
Apesar de essa tecnologia ser recente e ainda estar sobre foco de intensos
estudos, a armazenagem de hidrogênio em plásticos é algo que não surtiu grandes
rendimentos. Alguns cientistas já conseguiram armazenar com sucesso somente
de hidrogênio em relação ao seu peso total. [2].
2.2.4.7. Armazenamento de hidrogênio tetraborohidreto de sódio
É uma das formas mais promissoras de armazenar hidrogênio, com especial
foco em aplicações portáteis e móveis. O teraborohidreto de sódio (
branco e seco com alto teor de
) é um sal
. Quando dissolvido em água torna-se um
combustível liquido que pode ser transportado com facilidade e segurança. Para a
extração do hidrogênio, utiliza-se um catalisador apropriado. [2].
Após as reações químicas, tem-se como produto o próprio
qual é um sal branco sólido.
e o “bórax”, o
58
Como informação, a Daimler Chrysler, tem testado esse combustível em
veículos movidos a CaC e tem alcançado uma autonomia de
. O resíduo é
armazenado no veiculo até seu reabastecimento, onde então é destinado para a
conversão do tetraborohidreto novamente. A grande desvantagem ainda desse
sistema é que para converter o "bórax" em tetraborohidreto, o consumo de energia é
relativamente alto.
A reação química é seus subprodutos é mostrada equação química 3.
(3)
2.2.5. Distribuição
Atualmente, o custo elevado dos componentes de uma CaC não é único
desafio para que essa tecnologia desponte. Esse fator é algo extremamente
relevante, porém, não é o único a ser enfrentado. Com grande parcela das sociedades
atuais dependentes do petróleo, é fato que para se instalar novas fontes de energias,
surgem grandes obstáculos.
No caso das células a combustíveis, nas quais utilizam o
para a geração de
energia, um fator que deve ser muito bem analisado é o da distribuição desse
combustível.
Neste caso, um bom princípio seria a conscientização de autoridades e da
própria sociedade que o
é um combustível seguro, desde que sejam tomados os
devidos cuidados. Em verdade, é assim que ocorre também com os demais
combustíveis, os quais para serem transportados exigem inúmeros cuidados
estabelecidos em normas.
São inúmeras as possibilidades de distribuição do hidrogênio. Essas vão desde
a distribuição de hidrogênio liquido ou gasoso por caminhões à produção local desse
combustível.
Dentro da possibilidade de distribuição por caminhões, existem opções de
transporte de
nos conhecidos tube trailers (trailers de cilindros), que consistem
59
em um conjunto de cilindros de alta pressão interligados em um canal de distribuição
comum entre eles. Esses cilindros geralmente atingem a uma capacidade de
de hidrogênio por cilindro, alcançando assim uma pressão de
a
.
Após o transporte o processo segue normalmente como ocorrem outros
combustíveis, como a gasolina e álcool. Essa opção é bastante interessante para
postos que atendam uma grande quantidade de veículos que já utilizam o gás como
combustível.
Outra possibilidade que surge pelo transporte por caminhões, é a do
hidrogênio ser distribuído em cilindros menores nos quais poderiam ser
acondicionados em postos de fluxo reduzido de veículos movidos a
Ainda cita-se a possibilidade de transporte de
.
em caminhões que possuam
tanques criogênicos. Essa possibilidade torna-se viável devido a maior densidade de
energia a ser transportada. Ou seja, no
líquido tem-se mais energia (de 3 a 4
vezes) do que no hidrogênio comprimido em alta pressão.
Atualmente utilizam-se tanques com capacidades de
a
de
, ou seja, se comparados com os tube trailers, esses caminhões podem transportar
10 vezes mais hidrogênio no estado líquido.
Com essa possibilidade, os postos poderiam transformar esse hidrogênio
líquido em gás e armazená-los a alta pressão, usando deste para abastecer as bombas
de combustíveis.
Em meio às possibilidades de distribuir hidrogênio, outra opção que surge é a
de gasodutos. Entretanto, não se torna viável por não se ter infraestrutura
apropriada para tal e tão pouco pela existência mínima de gasodutos desse tipo, visto
que os existentes são dedicados a refinarias de petróleo. Dessa maneira, o mais viável
seria utilizar as redes de distribuição de gás natural, os quais já existem de forma bem
mais estruturada.
Uma opção mais atraente falando em termos de meio ambiente é produção
local de hidrogênio por eletrólise que não envolve combustíveis fósseis. Os
eletrolisadores tem recebido cada vez mais atenção devido a precisarem somente de
60
água e energia elétrica para produzir hidrogênio. Sendo essa energia elétrica vinda de
painéis fotovoltaicos, energia eólica ou de hidrelétricas, a produção de hidrogênio se
torna um processo limpo e sem emissão de poluentes. Além dessas vantagens
ambientais, tem ainda a vantagem de eliminar o processo de transporte e
armazenamento, pois não seria necessário o transporte de hidrogênio líquido ou
gasoso, e muito menos armazenar esses dois tipos, visto que a produção de
hidrogênio poderia ser de acordo com a demanda necessária.
A produção local de hidrogênio a partir da reforma do gás natural ou biogás,
também tem destaque e serve como uma opção para a produção desse combustível.
Da mesma forma como ocorre com os eletrolisadores, esse processo apresenta a
vantagem de eliminar o processo de transporte e armazenamento, sendo também
que a produção de hidrogênio poderia ser feita somente sob demanda.
Para fins de informativos, uma grande possibilidade se abre para o Brasil nessa
opção. Esta se resume nos aterros sanitários, visto quando o lixo entra em
decomposição, ocorre a produção do metano (
), gás rico em hidrogênio. Seria
interessante, instalar postos de hidrogênio nesses “lixões” para abastecer a frota de
caminhões coletores, que por sua vez poderiam usar a tecnologia da CaC.
2.3. Química geral
Como será tratado neste trabalho sobre as CaC, faz-se necessário a
compreensão de alguns conceitos e definições de química, haja vista que o processo
de geração de energia por CaC é um processo químico.
2.3.1. Matéria e seus conceitos fundamentais
Matéria é algo que tem existência real, física; o material que as substâncias são
feitas. [14]. Em outras palavras se define com sendo algo que tem massa e que ocupa
espaço.
61
Com a simplicidade desse conceito, pode-se dizer que massa é a quantidade
de matéria de uma substância, ou seja, qualquer substância seja ela gasosa líquida ou
sólida, que exista na realidade possui uma determinada quantidade de matéria
definida como massa. Tanto uma como a outra são constituídas pela matéria que lhes
dá a propriedade de massa.
Assim, a massa de uma substância ou objeto, determina outras três
propriedades importantes desse mesmo objeto que é a inércia, peso e densidade.
A inércia retrata a resistência de um determinado objeto a variação do seu
estado de movimento. A primeira lei de Newton nos esclarece melhor esse conceito.
“Um objeto em repouso tende a permanecer em repouso e qualquer objeto em
movimento tende a permanecer em movimento com velocidade constante e em
direção constante.”
Peso refere-se à força de atração gravitacional entre um objeto e geralmente a
terra. [14] Sendo assim, nota-se que o peso está diretamente relacionado com a
aceleração da gravidade. Qualquer corpo que tenha matéria, e consequentemente
massa, ao se relacionar com a aceleração gravitacional, obtém-se a força peso, que é
descrita pela equação 4.
(4)
A outra propriedade que caracteriza a massa é a densidade que é definida
como a massa de um objeto dividido pela unidade de seu volume. Em outras
palavras, a densidade mede o grau de concentração de massa em um determinado
volume. Essa densidade também é conhecida com densidade absoluta. Assim, a
densidade é representada pela equação 5.
(5)
Abaixo está apresentada a tabela 4 de densidades de substâncias comuns,
entre elas, a do hidrogênio.
62
Tabela 4 – Densidade de substâncias comuns (
,
). [14]
DENSIDADE
DENSIDADE
Sólido
2,70
2,7 x 10³
Madeira balsa
Sólido
0,12
1,2 x 10²
Cera de abelha
Sólido
0,96
9,6 x 10²
Cloro
Gás
2,9 x 10
2,9
Diamante
Sólido
3,5
3,5 x 10³
Madeira de ébano
Sólido
1,2
1,2 x 10³
Álcool etílico
Líquido
0,789
7,89 x 10²
Ouro
Sólido
19,3
1,93 x 10
Chumbo
Sólido
11,3
1,13 x 104
Mercúrio
Líquido
13,6
1,36 x 104
Leite
Líquido
1,03
1,03 x 103
Nitrogênio
Gás
1,31 x 10-3
1,31
Prata
Sólido
10,5
1,05 x 104
Água
Líquido
0,997
9,97 x 102
Zinco
Sólido
7,1
7,1 x 103
Hidrogênio[*]
Gás
8,99 x 10-5
8,99 x 10-2
SUBSTÂNCIA
ESTADO
Alumínio
-3
4
*http://www2.fc.unesp.br/lvq/LVQ_tabela/001_hidrogenio.html
2.3.1.1. Espécies de matéria
A figura 22 representa classificação da matéria.
Figura 22 – Classificação da matéria. [14].
63
2.3.2. Formulações
Uma molécula é composta por um aglomerado de átomos unidos por uma
ligação atômica. Para que se possa identificar esses aglomerados, existem fórmulas
pré-definidas, onde se pode visualizar a quantidade e o elemento que compõe essa
determinada molécula.
2.3.2.1. Fórmula molecular
Para representar uma molécula pode-se usar um símbolo para cada átomo no
grupo e números subscritos, quando mais átomos do mesmo elemento estão
presentes. Abaixo, na figura 23, são apresentadas algumas moléculas e suas fórmulas.
Figura 23 – Fórmulas moleculares de algumas substâncias. [14]
2.3.2.2. Fórmula empírica
Esse tipo de formulação sempre fornece os números relativos de átomos de
diferentes elementos no composto. Ou seja, utiliza-se um elemento como referência
e usa a razão entre os demais. Também chama-se essa formulação de fórmula
mínima.
Como exemplo, uma molécula de glicose consiste de
átomos de carbono,
átomos de hidrogênio e 6 átomos de oxigênio. Escreve-se da seguinte maneira,
mas utilizando da fórmula empírica, obtém-se
. [14]
A tabela 5 apresenta algumas substâncias e a respectiva fórmula molecular e
empírica.
64
Tabela 5 – Fórmulas moleculares e empíricas. [14]
SUBSTÂNCIA
FÓRMULA MOLECULAR
FÓRMULA EMPÍRICA
(MÍNIMA)
Água
Amônia
Dióxido de carbono
Sacarose
Oxigênio
Enxofre
Acetileno
Benzeno
Carbeto de silício
---
Cloreto de sódio
---
Cloreto de cálcio
---
Nitrato de sódio
---
2.3.2.3. Fórmula estrutural
Para uma substância molecular, essa fórmula fornece algo além do número de
átomos de cada elemento na molécula. Também fornece o tipo de ligações existentes
entre os átomos. A figura 26 exemplifica algumas fórmulas estruturais.
Figura 24 – Fórmulas estruturais de algumas substâncias. [14]
65
2.3.3. Peso atômico e outras massas
Na química, a propriedade de massa de um átomo é extremamente
importante. Para expressar tal propriedade, emprega-se a unidade de
(unidade
de massa atômica). Utiliza-se essa unidade, pois a mesma sempre associa o valor da
massa de um átomo com um número inteiro, sendo esse número um valor
expressivo, ou seja, um número que não é extremamente pequeno. Em verdade,
nada impede de se usar medidas mais conhecidas como grama, quilograma, etc.
Entretanto, o resultado obtido será de valores insignificantes, ou seja, muito
pequenos.
Se tratando de moléculas, também se utiliza a unidade de
. Porém, toma-
se o cuidado em somar o peso atômico de cada elemento que constitui a matéria.
Como exemplo, os pesos atômicos do carbono e do hidrogênio são de
. Assim, o peso molecular do etileno,
é (
)
(
e
)
. [14]
2.3.4. O mol
Para fins de estudos em laboratório, se faz necessário trabalhar com números
muito grandes de átomos. Para isso, foi criado o número de Avogadro, que tem o
valor de
. Em verdade, esse número foi criado para desse obter valores de
em gramas de determinado elemento. [14]. Como exemplo, o peso atômico de
oxigênio é
composição,
. Ao reunir um grupo de 0,
átomos, obtêm-se nessa
de oxigênio.
A relação entre átomos e moles de átomos é perfeitamente geral, isto é, ela se
aplica a todos os átomos. [14]. Em outras palavras, a razão de massas de
átomos de “A” para
de
de átomos de “B” é a mesma que a razão de massa de um
único elemento de “A” para um único elemento de massa de “B”.
66
2.3.5. Gases ideais
Uma amostra do gás constituído de certo número de moles de moléculas há
três grandezas mensuráveis, ou variáveis, que são matematicamente relacionadas
entre si. [14].
2.3.5.1. Volume
Devido a um gás se expandir rapidamente e preencher um determinado
recipiente, diz-se que o volume deste é exatamente a capacidade do recipiente em
contê-lo. É dado em
, visto que m é a unidade utilizada no S. I.
2.3.5.2. Pressão
Pressão é definida como o efeito de uma força sendo aplicada sobre uma
determinada área. Como força no S. I. é dada em
como unidade fundamental o Pascal (
usuais são a atmosfera padrão (
, e área é dada em
). Entretanto, em química, as unidades mais
) e o milímetro de mercúrio (
).
Uma atmosfera padrão, ou apenas atmosfera é a pressão exercida a
mercúrio líquido a uma distância de
, tem-se
por
abaixo de uma superfície. Essa pressão
é chamada de atmosfera devido a ser aproximadamente igual à pressão atmosférica
ao nível do mar. [14].
2.3.5.3. Temperatura
Em química, as escalas de temperatura utilizadas são Celsius (
Fahrenheit (
), Kelvin ( ) e
). A seguir, na figura 25, tem-se uma representação das escalas de
temperaturas mais usuais.
67
Figura 25 – Escalas de temperaturas. [14]
Para se ter melhor entendimento do que se refere a temperatura,
primeiramente tem-se que diferenciá-la de calor.
Calor, ou energia calorifica é uma forma de energia em trânsito. Ou seja, é
uma energia que é diretamente transferida de um objeto a outros. Essa energia não
esta na forma de calor antes ou depois da transferência, somente durante a
transferência. [14]
Quando ocorre essa transferência de energia, ocorre também o aumento da
energia total do corpo que a absorve. Isto ocorre de três maneiras. Pelo aumento de
energia cinética das partículas dentro do objeto, pelo aumento de suas energias
potenciais, ou pelo aumento de ambas.
Nas reações químicas, várias quantidades de calor são liberadas ou absorvidas.
A quantidade depende da reação e das quantidades das substâncias envolvidas. Uma
reação que libera calor é chamada de exotérmica, e uma que absorve é chamada de
endotérmica.
Em relação à temperatura, esta é definida como sendo a medida da energia
cinética média das partículas do objeto. Quando a energia calor é adicionada a um
68
objeto, suas partículas (átomos, moléculas, etc.) movem-se em média mais
rapidamente e assim sua energia cinética média aumenta. [14]
Em casos diferentes, quando adicionado calor a um determinado objeto e este
não eleva sua temperatura, quer dizer então que a energia potencial está se
elevando, o que resulta em uma mudança de estado.
2.3.6. Relação pressão x volume: Lei de Boyle
Essa relação, estudada na metade do século XVII, descreve o comportamento
de um volume ocupado por um gás quando sua pressão varia. Usando de aparelhos
semelhantes ao mostrado na figura 26, Boyle e Mariotte verificaram que conforme a
pressão sob o gás aumentava, seu volume reduzia. Os resultados de uma série de
medidas de pressão x volume determinados com hidrogênio a temperatura ambiente
estão resumidos abaixo na tabela 6.
Figura 26 – Aparelho da lei de Boyle. [14]
69
Tabela 6 – Compressão do gás hidrogênio a
PRESSÃO
VOLUME
I
700
25
II
830
21,1
III
890
19,7
IV
1060
16,5
V
1240
14,1
VI
1510
11,6
MEDIDA
. [14]
PRESSÃO X VOLUME
Duas coisas são visíveis nesse experimento. A primeira é que quando a pressão
( ) se eleva, o volume ( ) diminui. A segunda é que o produto da pressão e volume
resulta em um valor constante ( ). Com isso, é possível afirmar pela equação 6 que:
(6)
Outra alternativa de escrever a equação 6 é:
(7)
Observa-se nesse caso que os experimentos foram a temperatura constante.
Em medidas muito precisas indicam que o produto
para o hidrogênio a
não é absolutamente constante, ou seja, o hidrogênio não segue exatamente a
lei de Boyle. Isso ocorre com outros gases também. Com isso, notou-se também que
o maior desvio do comportamento da lei de Boyle se deu quando o gás estava
submetido a baixas temperaturas e a altas pressões. [14]. Como na maioria dos gases
se aproximam dessa lei, optou-se em adotar um gás ideal, ou um gás hipotético, que
obedece exatamente a lei de Boyle a todas as temperaturas e pressões. Isso
possibilita referenciar um gás real do ideal nas condições de quando a temperatura é
elevada e a pressão reduzida.
70
2.3.7. Efeitos da temperatura: Leis de Charles
Através de experimentos com gases de hidrogênio, oxigênio, dióxido de
carbono e ar, Jacques Charles investigou a variação de volumes causados pela
variação de temperatura. Este demonstrou que cada um desses gases se expande a
mesma quantidade relativa quando aquecidos de
a
a pressão constante.
Adiante, Joseph Gay Lussac ressaltou que para cada grau Celsius que se elevava a
temperatura, o aumento do volume de cada gás era na proporção de 1/273,
contando que a pressão fosse constante. Na figura 27, é apresentado um exemplo
das possíveis amostras que Charles teria experimentado.
Figura 27 – Experimentos que deram origem a lei de Charles. [14]
Sendo assim, pelo gráfico, pode-se descrever a lei de Charles pela equação 8:
(8)
Os gases reais tem comportamento típico em temperaturas mais altas e
pressões mais baixas. Esses efeitos se assemelham ao caso da lei de Boyle. Sendo
assim, a lei de Charles é um descritivo exato do comportamento de gases ideais. [14].
71
Em análise dos comportamentos dos gases reais, é possível verificar que
quando estes são resfriado a
pressão constante, seus volumes diminuem
proporcionalmente. É possível verificar isso na figura 27. Porém, seria possível
afirmar que no ponto zero absoluto um gás deixaria de existir, visto que seu volume
também é zero. Entretanto, os gases não seguem exatamente a lei de Charles.
Ao se aproximar da temperatura de condensação, a linha do gráfico começa a
curvar-se, indicando que o gás não se comporta idealmente próximo a seu ponto de
condensação. Assim, quando este se condensa já não se comporta como um gás e
sim com líquido. Dessa maneira, pode-se afirmar que a lei de Charles não
corresponde ao comportamento dos líquidos. Também se conclui que um gás nunca
irá deixar de existir, visto que todos se condensam em temperaturas acima do zero
absoluto.
2.3.8. Comportamento do gás ideal – Princípio de Avogadro
Quando os gases de hidrogênio e oxigênio reagem para formar água gasosa,
existe uma relação simples entre os volumes dos reagentes e produtos, se estes
forem todos medidos na mesma pressão e temperatura. [14]
Comparando com a equação balanceada, é possível ver que isso realmente
ocorre.
( )
( )
(9)
Essa relação é um exemplo da lei de Gay Lussac a qual estabelece: Quando
medidos sob as mesmas condições de temperatura e pressão os volumes dos
reagentes e produtos gasosos de uma reação estão em razões de números pequenos
e inteiros.
72
Nota-se que a relação entre os volumes é exatamente igual à relação entre os
números de moléculas das diferentes substâncias. Isso ocorre devido a volumes
iguais de gases diferentes possuírem o mesmo número de molécula entre si, isto
quando em temperaturas e pressões equivalentes. Na verdade este é o principio de
Avogadro.
Sendo assim, à pressão e temperaturas constantes, o volume de uma amostra
de gás é proporcional ao número de moléculas da amostra. Além disso, desde que as
moléculas possam ser contadas por
, pode-se dizer que sob mesmas condições,
como temperatura e pressão constante, o volume da amostra de gás é proporcional
ao número de moles presentes.
Sendo assim, tem-se na equação 10:
(10)
Então, a partir desses três princípios, a lei de Boyle, a lei de Charles e a de
Avogadro, e agregando um principio a outro, obtém-se as equações 11 e 12,
conhecidas como a equação de estado de um gás ideal:
(11)
Ou ainda:
(12)
2.3.9. O átomo
Durante um longo período varias teorias sobre átomos foram discutidas e
muitas delas com fundamentações que satisfatoriamente explicavam os aspectos do
comportamento químico.
A modelagem do átomo partiu de John Dalton, e transcorreu até o modelo do
elétron planetário de Bohr. O modelo sugerido por Dalton estava baseado na
proposição de que os átomos eram indivisíveis, imutáveis e aparentemente sem
73
estrutura. [14]. Entretanto, em estudos sobre eletrólise e em experiências com tubos
de descarga de gases, foram mostrados que os átomos têm partes positivas e
negativas. Os elétrons possuem uma relação de carga e massa dada pela equação 13:
(13)
Seguindo ainda por experimentos, Rutherford e seus colaboradores
demonstraram que o átomo era constituído de um núcleo carregado positivamente e
rodeado por elétrons carregados negativamente. Esse modelo é considerado correto
atualmente.
Esses mesmos pesquisadores conseguiram determinar a carga de um elétron
como sendo de
. Com isso pode-se então determinar a massa dessa
partícula, as quais se tratando em carga e massa são semelhantes para quaisquer
elementos. Sendo assim, a massa de um eletro é dada pela equação 14: [14]
⁄
(14)
Os átomos possuem núcleos que consistem em prótons e nêutrons com a
exceção do
. O número de prótons em seu núcleo é chamado de número atômico
, e a soma do número de prótons e nêutrons é conhecida como a massa atômica .
[14]. Salienta-se ainda que cada elemento é caraterizado por um número atômico
específico, mas átomos diferentes de um dado elemento podem ter números
diferentes de nêutrons, portando número de massa diferente. Nesses casos, esses
átomos são chamados de isótopos. [14]
Como citado anteriormente, Bohr utilizou o modelo de átomo de Rutherford
definiu na modelagem do átomo que os elétrons em um átomo tinham energias e
orbitas quantizadas. Embora atraente em muitos aspectos, essa definição
74
apresentou-se inadequada para esclarecer os espectros atômicos observados em
outros átomos diferentes do de hidrogênio.
2.4. Eletricidade básica
2.4.1. A natureza da eletricidade
Matéria é algo que possui massa e ocupa lugar no espaço. Essa matéria é
constituída por partículas muito pequenas chamadas de átomos. Toda matéria pode
ser classificada em qualquer um desses grupos: Elementos ou compostos. Em um
elemento, todos os átomos são iguais. Já em um composto, por exemplo, a água é
formada por uma combinação de elementos, que no caso são o hidrogênio e
oxigênio. [15]
Já os átomos são constituídos de partículas subatômicas: elétrons, prótons e
nêutrons, combinados de várias formas. O elétron é a carga negativa (
)
fundamental da eletricidade. Esses giram em torno do núcleo do átomo, em
trajetórias de “camadas” concêntricas ou orbitais, como mostradas nas figuras 28 e
29. O próton é a carga positiva ( ) fundamental da eletricidade. Esse por sua vez é
encontrado no núcleo do átomo. O nêutron é a carga neutra fundamental da
eletricidade e também é encontrada no núcleo.
Figura 28 – Átomo de silício e sua estrutura. [15]
75
Figura 29 – Átomo de hidrogênio e sua estrutura. [15]
Em seu estado normal, um átomo de qualquer elemento contém o mesmo
número de elétrons e prótons. Neste caso se diz que o átomo é eletricamente neutro,
ou está em equilíbrio.
2.4.2. A carga elétrica e o Coulomb
Na natureza, existem átomos que são capazes de ceder elétrons e outros
capazes de receber elétrons. Com isso, é possível transferir elétrons de um corpo
para outro. Sendo assim, quando essa transferência ocorrer, um corpo terá maior
quantidade de elétrons ( ) e terá uma polaridade elétrica negativa. Já o outro terá
maior quantidade de prótons ( ), possuindo então uma polaridade positiva. [15]
Neste caso, pode-se enunciar a lei das cargas elétricas que diz: Cargas iguais se
repelem, cargas opostas se atraem. A figura 30 apresenta esse conceito fundamental.
Figura 30 – Lei fundamental das cargas opostas. [15]
76
A quantidade de carga elétrica que um corpo possui é determinada pela
diferença entre o número de prótons e o número de elétrons que o corpo contém. O
símbolo que representa essa quantidade de carga elétrica de um corpo é
, que é
expresso numa unidade chamada Coulomb ( ). A carga de um Coulomb negativo,
, significa que o corpo contém uma carga de
mais elétrons do que
prótons.
2.4.3. O campo eletrostático
A característica fundamental de uma carga elétrica é a sua capacidade de
exercer força. Essa força esta presente no campo eletrostático, visto na figura 31, que
envolve cada corpo carregado. O campo elétrico é representado pelas linhas de força
desenhas entre os dois corpos. Se um elétron for abandonado no ponto “A” nesse
campo, ele será repelido pela carga negativa e será atraído pela carga positiva. Assim
as duas cargas terão que deslocar o elétron na direção das linhas de força entre os
dois corpos. As setas na figura indicam o movimento adquirido pelos elétrons se
estivesse em posições diferentes do campo eletrostático. [15].
Figura 31 – Campo eletrostático entre corpos com cargas opostas. [15]
2.4.4. Diferença de potencial
O campo eletrostático exerce uma determinada força sobre dois corpos com
cargas diferentes. Em virtude dessa força no seu campo eletrostático, uma carga
77
elétrica é capaz de realizar trabalho ao deslocar outra carga por atração ou repulsão.
A capacidade de uma carga realizar trabalho é chamada de potencial. Quando uma
carga for diferente da outra, haverá uma diferença de potencial entre elas. [15]
A soma da diferença de potencial de todas as cargas do campo eletrostático é
conhecida com força eletromotriz (
).
A unidade fundamental dessa diferença de potencial é volt ( ), e é chamada
de tensão.
2.4.5. A corrente
A corrente elétrica é a denominação dada para a o fluxo de elétrons. Para se
produzir essa corrente, deve-se produzir uma diferença de potencial. A corrente é
representada pela letra . Sua unidade de medida fundamental é dada em Ampères
( ).
(15)
2.4.6. Fontes de eletricidade
Dentre a diversidade de fontes possíveis de relatar, serão apresentados
somente as que se relacionam com esse trabalho.
2.4.6.1. Bateria química
A pilha química voltaica consiste numa combinação de materiais que são
utilizados para converter energia química em energia elétrica. Uma bateria é
constituída pela ligação de duas ou mais pilhas. Uma reação química produz cargas
opostas em dois metais diferentes que servem como terminais negativo e positivo.
Para essa reação ocorrer, esses metais devem estar em contanto com um eletrólito.
[15]. A figura 32 representa uma pilha química voltaica.
78
Figura 32 – Pilha química voltáica. [15]
2.4.6.2. Pilhas solares
Uma pilha solar ou células solares convertem energia luminosa diretamente
em energia elétrica. São constituídas de material semicondutor como o silício e são
utilizadas em grandes arranjos em naves espaciais para recarregar as bateiras. As
pilhas solares são utilizadas também em aquecimento doméstico. [15].
2.4.7. Padrões elétricos, símbolos e convenções.
Na eletricidade, o sistema de unidades de medidas adotado é o do Sistema
internacional (S.I.). A partir das sete unidades fundamentais mostradas na tabela 7, e
das unidades suplementares mostrada na tabela 8 ocorre a derivação das demais
unidades decorridas nos cálculos de eletricidade.
Tabela 7 – Unidades fundamentais do Sistema Métrico Internacional (S.I.). [15]
GRANDEZA
UNIDADE FUNDAMENTAL
SÍMBOLO
Comprimento
metro
m
Massa
quilograma
kg
Tempo
Segundo
s
Corrente elétrica
ampère
A
Temperatura termodinâmica
kelvin
K
Intensidade luminosa
candela
Cd
Quantidade de matéria
mole
Mol
79
Tabela 8 – Unidades suplementares do Sistema Internacional. [15]
GRANDEZA
UNIDADE
SÍMBOLO
Ângulo plano
radiano
rad
Ângulo sólido
estereoradiano
sr
Salienta-se que as unidades de medidas usadas na eletricidade são em maioria
as derivadas das unidades fundamentais e suplementares. Algumas dessas são
mostradas na tabela 9.
Tabela 9 – Algumas unidades derivadas do S.I. [15]
GRANDEZA
UNIDADE FUNDAMENTAL
SÍMBOLO
Energia
Joule
J
Força
newton
N
Potência
watt
Wp
Carga elétrica
coulomb
C
Potencial elétrico
volt
V
Resistência elétrica
ohm
Condutância elétrica
siemens
S
Capacitância elétrica
farady
F
Indutância elétrica
henry
H
Freqüência
hertz
Hz
Fluxo magnético
weber
Wb
Densidade de fluxo magnético
tesla
T
Na figura 33, são apresentadas algumas simbologias utilizadas na eletricidade.
Ao lado de cada símbolo, encontra-se seu descritivo. Na sequência, disposto na
tabela 10, encontra-se a identificação de alguns componentes utilizados em circuitos
elétricos.
80
Figura 33 – Alguns dos símbolos mais utilizados na eletricidade. [15]
81
Tabela 10 – Componentes elétricos e suas identificações. [15]
COMPONENTES
LETRA DE IDENTIFICAÇÃO
Resistor
R
Capacitor
C
Indutor
L
Retificador ou diodo
D
Transformador
T
Transistor
Q
Válvula
V
Tomada
J
2.4.8. Lei de Ohm e potência
2.4.8.1. O circuito elétrico
Em um circuito elétrico, como o mostrado na figura 34, existem pelo menos
quatro partes fundamentais. Uma
, condutores, uma resistência (
instrumentos de controle, como uma chave interruptora. A
) e
é a bateria, os
condutores são os fios que ligam varias partes do circuito e conduzem a corrente, o
resistor é um aparelho qualquer que represente uma resistência a passagem da
corrente e a chave é o dispositivo de controle.
Figura 34 – Partes de um circuito elétrico. [15]
Para um circuito fechado, ou completo o percurso da corrente deve ser sem
interrupções. Ou seja, a corrente sai da
, passa pela carga e volta à fonte. Já um
82
circuito aberto, apresenta alguma interrupção que evita que a corrente complete seu
percurso. A figura 35 apresenta um modelo de circuito fechado e um modelo de
circuito aberto.
Figura 35 – Exemplo de circuito aberto (a) e circuito fechado (b). [15]
Para fins de proteção nos circuitos elétricos, utiliza-se adicionar um fusível
para que em caso de uma corrente elevada fluir no sistema esse venha a se romper
abrindo o circuito e evitando que essa corrente chegue aos componentes seguintes
do circuito. [15]
Por ser um elemento que apresenta determinada resistência a passagem da
corrente, o fusível é um dispositivo que limita a passagem de certa quantidade de
corrente, e caso ocorra dessa corrente exceder esse limite, ele abre o circuito
protegendo os outros equipamentos que estão na sequência.
2.4.8.2. Resistência
A resistência é a oposição ao fluxo da corrente em um determinado material.
Toda matéria, possui uma determinada resistência. Para aumentar a resistência em
determinado circuito, adiciona-se resistores a este. Esses componentes apresentam
um valor de resistência conhecido e bem determinado. [15]
A unidade de medida que define a resistência é o ohm ( ), em homenagem ao
formulador Georg Simon Ohm.
Em síntese, resume-se ohm como sendo a
83
quantidade de resistência que determinado condutor ou matéria oferece a uma
corrente de
quando a tensão é de
.
Em relação aos resistores, esses são elementos comuns na maioria dos
dispositivos elétricos e eletrônicos. Algumas aplicações frequentes dos resistores são:
estabelecer o valor adequado da tensão do circuito, limitar a corrente e constituir-se
numa carga. [15]
Os resistores podem ser classificados da seguinte maneira:
 Resistores fixos: São os resistores do tipo de carbono e de fios enrolados,
dos quais, se conhecido a resistência do carbono ou do material do fio
enrolado e o seu comprimento, pode-se determinar a resistência total do
resistor.
 Resistores variáveis: São componentes usados para variar a resistência de
determinado circuito. Seu funcionamento é exemplificado pela figura 36.
Figura 36 – Funcionamento de um resistor variável. [15]
84
2.4.8.3. A lei de Ohm
A lei de Ohm define a relação entre a corrente, a tensão e a resistência.
Existem três relações que envolvem a resistência ao fluxo de elétrons. Essas são
dadas pelo círculo da lei de Ohm, mostrado na figura 37.
Figura 37 – Círculo da lei de Ohm. [15]
Para determinar uma dessas grandezas apresentadas, cobre-se com esta
conforme monstra a figura 37, ficando visível apenas a relação existente entre as
outras duas grandezas.
2.4.8.4. Potência elétrica
A potência de um circuito elétrico é dada como sendo a corrente elétrica que
passa por determinada parte deste, multiplicado pela tensão através dessa mesma
região. Sendo assim, a potência é determinada pela equação 16.
̇
(16)
Assim, a partir da equação 16, obtém-se a equação 17, 18, 19 e 20.
̇
̇
(17)
(18)
85
Outras possibilidades de conhecer a equação da potencia é possuindo o valor
da tensão ou da corrente.
̇
(19)
Ou:
̇
(20)
2.4.8.5. Energia elétrica
Na eletricidade, os usos dos termos como energia e trabalho são muito
comuns. Entretanto, é importante salientar que se difere da potência, visto que esta
leva em conta o tempo gasto para a realização do trabalho. Sendo o
unidade de potência,
usado durante
Joule ( ), ou ainda, pode-se dizer que
(
)a
, pode ser descrito como trabalho de 1
corresponde a
⁄ .
Da mesma maneira ocorre com o termo energia, outro termo usual nessa área
é o de quilowatt-hora (
), que expressa a grande quantidade de energia elétrica
ou trabalho na unidade de tempo. Esse valor de energia é calculado fazendo o
produto da potência em quilowatt pelo tempo em horas que essa potência foi
utilizada.
2.4.9. Leis de Faraday
Como visto na seção 2.2.3.1, uma das maneiras de produzir hidrogênio, se dá
pelo processo chamado por eletrólise. Esse processo consiste em passar uma
determinada quantidade de eletricidade por dois eletrodos submersos em uma
solução fazendo com que essa mesma solução, se decomponha em outros
elementos. No caso da eletrólise da água, os elementos resultantes são o
componentes formadores da mesma.
eo
,
86
Essa quantidade de eletricidade referida foi tratada por Michael Faraday, o
qual enunciou duas leis em relação a esse fenômeno. A primeira diz que, a
quantidade de substância produzida pela eletrólise é proporcional a quantidade de
eletricidade utilizada. A segunda lei retrata que para uma quantidade de eletricidade
a quantidade de substância produzida é proporcional ao seu peso equivalente. [14]
Como visto na seção de química geral, pode-se afirmar que um mol retém uma
quantidade de eletricidade ao equivalente a um Faraday ( ), que por sua vez
representa uma quantidade elevada de eletricidade.
Quando se trata da quantidade de eletricidade, tem-se que tomar o cuidado
de como se referir a esta, haja vista que uma quantidade elevada de eletricidade
corresponde a 1 Faraday ( ), e uma menor quantidade corresponde a 1 Coulomb ( ).
Em termos de valores, essa relação é estabelecida pela equação 21.
(21)
Assim, forma-se o conceito de corrente, visto na seção 2.4.5, pois quando
é transportado por um condutor em um tempo de um segundo, trata-se também de
uma corrente de
. [14]
2.5. Termodinâmica básica
Termodinâmica é o estudo da conversão de uma forma de energia para outra.
Normalmente, os objetivos são para produzir calor ou para fazer o trabalho, a qual
pode ser de forma elétrica ou mecânica. A fonte de energia é o combustível, que por
sua vez retém toda a energia na forma de energia química. [1].
Dispositivos como as CaC e motores térmicos podem liberar energia por
reações químicas, convertendo-a em eletricidade ou calor. A eletricidade produzida é
utilizada em circuitos elétricos como formas de sinais, ou ainda pra simplesmente
acionar motores elétricos. Já o calor, pode ser aplicado tanto para o aquecimento de
determinada substância ou ainda na co-geração de energia, através do trabalho
87
mecânico. O pistão de um cilindro ou ainda a turbina de um avião, representa bem
esse conceito.
Para tais empregos, na ciência da termodinâmica, foram enunciadas algumas
leis, as quais identificam a quantidade e a qualidade da energia à medida que
ocorrem mudanças de estados dentro de um sistema de conversão de energia.
A Primeira Lei declara que, apesar da possibilidade da energia conseguir mudar
sua forma, a sua quantidade sempre será a mesma dentro de um sistema. A Segunda
Lei, usando a propriedade entropia, estabelece a direção em que as reações podem
seguir e ainda, estabelece o conceito de que a energia possui uma qualidade e um
limite teórico de eficiência no processo de conversão energética. [1,16]
Assim, esta seção revisa alguns dos princípios termodinâmicos relativos aos
motores térmicos de maneira que estes sirvam como base para o estudo de células
de combustíveis. Mesmo não seguindo o mesmo princípio dos motores térmicos,
alguns conceitos termodinâmicos podem sim ser aproveitados para os cálculos de
eficiência desses dispositivos de geração de energia.
2.5.1. A primeira lei da termodinâmica
A primeira lei da termodinâmica trata da conservação da energia de um
sistema. A energia não pode ser destruída e nem criada. Quando uma energia sob a
forma de calor ou de trabalho passa pelas fronteiras do sistema, a energia total do
sistema é afetada. A equação 22, expressa esse enunciado.
(22)
Onde:
= Calor de entrada
= Trabalho de saída
= Diferencial de energia
88
Na equação 22, é possível notar o uso da convenção de sinais, pois quando a
energia entra no sistema, esse se soma, logo recebe o sinal positivo, e quando sai do
sistema, subtrai-se, o que resulta em sinal negativo. Nota-se que o calor ( ) é uma
energia que entra no sistema, já o trabalho
é uma forma de energia que está
saindo do sistema, isso pelo fato de realizar alguma tarefa, portanto recebe o sinal
negativo. O termo
é a energia total do sistema.
A alteração de calor ou de trabalho é expressa por uma diferencial inexata .
Isto ocorre porque os valores são dependentes do caminho e por isso são chamadas
funções que dependem do caminho. Já a energia é uma propriedade ou uma função
de estado, que depende apenas dos estados inicial e final. [1]. Quando a equação 22
é integrada, a primeira lei torna-se:
(23)
Onde:
= Calor que entra no sistema
= Trabalho que sai do sistema
= Toda energia do sistema
Um sistema fechado (por exemplo, um pistão de um automóvel) recebe o
nome de massa de controle. Esse tipo de sistema não envolve o fluxo de massa. A
alteração na energia total é mostrada na equação 24 como a soma das mudanças da
energia interna ( ), energia cinética (
), e energia potencial (
). [1] [16]. A Figura
38 mostra um pistão como um exemplo de uma massa controle.
(24)
89
Figura 38 – Cilindro exemplificando uma massa de controle. [1]
Para um volume de controle (uma turbina a vapor, por exemplo), que é um
sistema aberto e que envolve o fluxo de massa através de seus limites, um termo
adicional é acrescentado à energia total. Este termo é o
, onde
é a pressão e
é
o volume do fluído. Esse produto reflete o trabalho realizado sobre um fluido que flui
pelas fronteiras do sistema. A figura 39 mostra um volume de controle. A
propriedade de entalpia, , definida na equação 25.
Figura 39 – Turbina exemplificando um volume de controle. [1]
(25)
Assim, para um volume de controle estacionário sob condições de fluxo
constante (
, propriedades constante com o tempo), a primeira lei é
definida com sendo a variação de entalpia, variação esta mostrada na equação 26.
(26)
90
Uma CaC pode ser representada por um volume de controle, como mostrado
na figura 40, permitindo a utilização da equação 26 para a análise termodinâmica. Ao
invés do trabalho estar sob a forma de expansão volumétrica como em um cilindro
ou até mesmo como em rotação de um eixo, como numa turbina, o trabalho é
realizado sob a forma de transporte de elétrons devido a uma diferença de potencial.
Figura 40 – CaC representada como um volume de controle. [1]
2.5.2. A segunda lei da termodinâmica
A segunda lei da termodinâmica define a propriedade entropia, que pode ser
usado como uma medida da desordem num sistema. Um processo que não gera
entropia é chamado um processo reversível. [17]
O processo que não gera entropia é um processo ideal, e é definido como
aquele que tendo ocorrido, pode ser invertido e depois de realizada esta inversão,
não se notará algum vestígio no sistema e no meio. [16]
Por consequência, se um processo reversível for analisado pela primeira lei,
será visto que não há possibilidade de troca de calor ou de realização de trabalho no
sistema ou imediações, visto que em qualquer sistema real, sempre ocorrerá a perda
de calor, seja ele por fricção ou por transferência.
Um processo irreversível, por outro lado, gera entropia devido a, por exemplo,
a expansão não controlada, a perda de calor por fricção, ou a transferência de calor
através de uma diferença de temperatura finita. Um processo que envolve a
transferência de calor pode ser reversível, desde que o gradiente de temperatura que
é transferida, seja algo na escala infinitesimal. [1]
91
A entropia baseia-se nesta transferência de calor reversível, e como é uma
propriedade, é expressa como uma diferencial exata como monstra a equação 27.
(
)
(27)
A mudança de entropia depende somente do estado inicial e final do sistema
como visto na forma integrada:
∫ (
)
(28)
Para um processo que sofre transferência de calor reversível,
, a uma
temperatura constante, a entropia é expressa como:
(29)
2.5.3. Características elétricas das células de combustíveis
Algumas das principais características elétricas das células a combustível, como
eficiência e tensão de circuito aberto, podem ser encontradas a partir da primeira lei
da termodinâmica, visto anteriormente.
2.5.3.1. Tensão em circuito aberto
Nas células de combustíveis, a energia de entrada no sistema é representada
pela energia química dos reagentes, que são o
e o
. Esta energia química
apresenta-se sob o aspecto de energia livre de Gibbs, definida como “energia
disponível para realizar trabalho externo”. No caso das células a combustível, o
92
trabalho externo envolve o movimento de elétrons através de um circuito elétrico.
[10]
Salienta-se que para se obter a equação de tensão em circuito aberto de uma
CaC, não necessita-se aprofundar na definição de energia livre de Gibbs, visto que
esse valor para tais elementos químicos já são tabelados.
Durante operação básica de uma CaC, para cada molécula de hidrogênio
utilizada, dois elétrons atravessam o circuito externo. Portanto, para um mol de
hidrogênio consumido,
variável
elétrons são incumbidos de produzir trabalho útil. A
representa o número de Avogadro, visto na seção 2.3.4. Nesta, o número
de Avogadro é definido como a quantidade de átomos existentes quando a massa
atômica de um elemento é expressa em gramas. [10]
Sendo
a carga de apenas um elétron, a quantidade de carga que flui
para o circuito pode ser estabelecida pela equação:
(30)
Na seção 2.4.9 tem-se que a constante de Faraday representa a carga de um
de elétrons. Essa carga equivale a
Assim, sendo
.
a tensão de uma CaC, o trabalho elétrico realizado pela CaC
para mover dois elétrons é dado pela seguinte equação. [10].
(31)
Considerando um sistema ideal, ou seja, onde não há nenhum tipo de perdas,
pode-se dizer que toda a energia proveniente da reação química (Energia Livre de
Gibbs) converte-se em energia sob a forma de trabalho elétrico.
(32)
93
Igualando as equações, encontra-se:
(33)
Isolando a tensão
se obtém a seguinte definição que estabelece a tensão de
circuito aberto para uma CaC:
(34)
Sob condições padrão de temperatura e pressão, ou seja, a
ea
, a
energia livre disponível para realizar trabalho (Energia Livre de Gibbs) é igual a
.
[18]. Ao substituir este valor, juntamente com a constante de
Faraday, na equação 35, obtém-se a tensão ideal de uma CaC que opere com
hidrogênio puro:
(35)
Esse procedimento pode ser aproveitado para realizar experimentos com
outros tipos de células. Nestes casos, a única diferença está no número de elétrons
gerados no decorrer da reação química para cada molécula de combustível. Para
tanto, basta apenas utilizar a equação 36.
(36)
94
2.5.4. Eficiência
As CaC não se enquadram nos limites de eficiência impostos pela teoria do
Ciclo de Carnot. Entretanto, algumas definições utilizadas para traçar essa teoria,
podem ser aplicadas para o cálculo de eficiência.
Em síntese, toda máquina térmica tem seu rendimento comprometido devido
a quantidade de calor liberado e que muitas vezes é perdido para um sumidouro.
Nesse aspecto, uma CaC por usar materiais que participam das reações, também
liberta certa quantidade de calor na queima dos reagentes. É com essa quantidade de
calor liberada que se utiliza como parâmetro para medir a eficiência das células.
Esta quantidade de calor dissipada pela célula recebe o nome de entalpia de
formação (
). Assim, a relação entre a energia elétrica produzida por
de
combustível e a entalpia de formação define a eficiência das células a combustível.
Isso é possível constatar na equação 37. [10]
(37)
O sinal negativo que antecede a
indica que a energia está saindo do
sistema.
Considerando novamente que toda energia elétrica produzida é proveniente
de toda energia livre (
), e sabendo que em condições normais de temperatura e
pressão, a entalpia de formação na relação de hidrogênio e oxigênio é
e a energia livre de Gibbs como visto anteriormente é de
. Dessa forma, a seguinte definição para a eficiência ideal de uma CaC é
dada por:
(38)
95
Em todo processo de geração de energia, grandes diferenças são estabelecidas
em termos de rendimentos quando se trata das não idealidades. Portanto, para
viabilizar um cálculo prático, será abordado o rendimento de uma CaC em operação,
realizando uma relação entre a tensão de operação e a tensão ideal. Para isso,
algumas deduções são necessárias.
Como visto na seção 2.4.8.4, a potência elétrica produzida é dada pela
equação 16. Assim, essa potência elétrica produzida é a quantidade de energia
produzida, o que equivale a energia livre de Gibbs. Dessa maneira, sabendo que
tensão de operação é
, tem-se:
(39)
Ao aplicar o valor de eficiência máxima ou eficiência ideal, (83%) presente na
equação 38 e substituindo-o na equação 40, tem-se a entalpia de formação ideal,
mostrada na equação 41.
(40)
Substituindo a equação 40 na equação 39, tem-se:
(41)
No caso ideal, a Energia Livre de Gibbs é igual à potência consumida (produto
entre a tensão ideal e a corrente). [10]
(42)
96
Substituindo o valor ideal de tensão
V calculado na equação 35,
se obtém a relação de eficiência [equação 43] de uma CaC dada em função da tensão
de operação. [10]
( )
(43)
Outra maneira de se calcular a eficiência real é dada pela relação entre a
potência elétrica de saída e a alimentação de combustível.
(
)
(
)
(44)
Ou:
(45)
A energia de alimentação do combustível (
da taxa de consumo de combustível (
dado pela entalpia (
), expresso em
, é o produto
) e seu conteúdo de energia normalmente
) ou o poder calorifico superior (
) do hidrogênio, o qual é
mostrado na tabela 3.
A taxa de consumo de
(
) na reação de formação da água é dada pela lei
de Faraday como:
(46)
Para:
( )
Onde:
( )
(47)
97
Massa molar do
Corrente
Número de elétrons envolvidos
Constante de Faraday
Portanto, tem-se para alimentação de combustível (
):
(48)
Ou ainda:
(49)
Para uma reação eletroquímica, a expressão
(
)
da equação
anterior, é chamada de potencial reversível ou termo neutro e tem valor de 1,482V.
Este potencial corresponde a energia máxima possível (térmica e elétrica) obtida em
uma CaC. [18]
Combinando então as equações 46, 48, 49, tem-se a equação do rendimento
em função da tensão de operação.
(50)
98
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Nessa seção, serão apresentados os experimentos realizados a fim de tornar
possível o cálculo de eficiência de uma CaC. Para o desenvolvimento desses
experimentos, foram necessários alguns materiais descritos a seguir.
Salienta-se, que a abordagem dos testes será embasada na teoria revisada no
capítulo 2. Será adotada essa metodologia, pois conjuga dados teóricos e práticos
resultando em valores possíveis de análise e discussão.
3.1. Materiais
3.1.1. Célula a combustível
A CaC mostrada na figura 41 e 42 refere-se a uma célula do tipo PEM,
reversível, visto que combina a função eletrolisador e célula a combustível em um
único dispositivo.
Quando se aplica uma corrente elétrica, o dispositivo age como um
eletrolisador, produzindo
cátodo (lado do
e
a partir da água bi deionizada inserida no lado do
). Esses dois gases são armazenados separadamente em pequenos
reservatórios. Nesses reservatórios, possuem uma escala volumétrica, possibilitando
assim, a leitura do volume de gás produzido. Essa leitura é possível devido ao nível de
água (utilizada pra vedar o gás dentro do reservatório) se movimentar em
decorrência da produção ou do consumo dos gases.
Para esta função, pode-se utilizar uma fonte de eletricidade proveniente de
células solares fotovoltaicas, turbinas eólicas, pilhas ou alternadores. Neste caso, por
apresentar valores conhecidos de tensão, serão adotadas pilhas alcalinas (duas pilhas
de 1,5 V em série) como fonte.
99
Para que esse dispositivo trabalhe na função de CaC, basta substituir a fonte
de tensão por uma carga resistiva, sendo a ligação dessa carga (caso tenha polaridade
definida) feita com o terminal negativo no ânodo (lado de entrada do
no cátodo (lado de entrada do
), e positivo
). Nessa função, ocorre o processo descrito na seção
2.1.4.
Esse dispositivo faz parte de um kit educacional mostrado na figura 41. É
fornecido pela Horizon Fuel Cell Tecnology, empresa que desenvolve essa tecnologia
tanto para fins didáticos como também para aplicações diversas citadas na seção
2.1.6.
Figura 41 – Kit educacional adquirido da Horizon Fuel Cell Tecnology. (autor)
Figura 42 – CaC utilizada para os experimentos. (autor)
100
3.1.1.1. Dimensões da célula
A célula utilizada nos testes práticos possui as seguintes dimensões.
 Altura: 54 mm;
 Largura: 54 mm;
 Espessura: 17 mm.
3.1.1.2. Função eletrolisador
Sob condições ideais (de temperatura e pressão), a célula apresenta os
seguintes dados:
 Tensão de entrada:
(CC);
 Corrente de entrada:
;
 Taxa de produção de hidrogênio:
 Taxa de produção de oxigênio: 2,5
;
.
3.1.1.3. Função CaC
O modelo da CaC possui o código FCSU-23, e apresenta os seguintes dados sob
condições ideais:
 Tensão de saída:
(CC);
 Corrente de saída:
 Potência de saída:
;
.
3.1.2. Água bi deionizada
Por se tratar de uma CaC do tipo PEM, com dupla função (eletrolisador e CaC)
o uso de água faz-se necessário tanto para a produção de gás como também para
umedecer a membrana trocadora de prótons. Entretanto, tem-se a necessidade de
utilizar um tipo de água com elevado grau de pureza, a fim de não prejudicar a
membrana e os eletrodos (com fixação de partículas e minerais contidos na água
101
comum). Neste caso, recomenda-se o uso de água deionizada, ou neste caso, água
duplamente deionizada [figura 43].
Essa água possui um elevado grau de pureza devido ao processo de remoção
total dos íons. Esse processo consiste na remoção de nitratos, cálcio e magnésio,
além de cádmio, bário, chumbo e rádio. Essa remoção é realizada, passando a água
por uma resina catiônica e aniônica.
Figura 43 – Recipiente contendo água bideionizada. (autor)
3.1.3. Termômetro
Nos testes a serem realizados, um termômetro será utilizado para se obter as
temperaturas tanto do ambiente como do próprio gás. Dessa forma, segue abaixo, na
figura 44, a representação do dispositivo utilizado.
Figura 44 – Termômetro Full Gauge com quatro sensores. (autor)
102
As especificações do instrumento seguem:
 Fabricante: Full Gauge;
 Modelo: TI-4s;
 Faixa de medições: -55°C a 150°C;
 Número de sensores: 4 sensores.
3.1.4. Placa de aquisição de dados
A placa de aquisição de dados mostrada na figura 45 é um dispositivo
fabricado e fornecido pela Mesuremet Computing. Seu modelo é o USB-128FS. Seu
manual de especificações está disponibilizado no ANEXO I.
Esta será ligada em uma porta USB de um notebook e servirá para transmitir
dados a uma tabela, na qual serão realizados os cálculos pertinentes aos
experimentos.
Figura 45 – Placa de aquisição de dados. (autor)
103
3.1.5. Multímetro
O multímetro a ser utilizado para coletar dados está mostrado na figura 46.
Figura 46 – Multímetro utilizado nos experimentos. (autor)
Sua especificação técnica segue:
 Fabricante: Politerm;
 Modelo: Pol-45;
 Visor: Cristal líquido (LCD),
dígitos (
) com
de altura.
Funções: Tensão contínua e alternada, corrente contínua e alternada,
resistência, capacitância, frequência, temperatura, memória (HOLD), teste
de continuidade, transistores e diodos.
 Polaridade: Automática. O sinal negativo ( ) será exibido automaticamente.
 Temperatura e umidade de armazenagem: De
a
, menos que
de umidade (sem condensação).
 Alimentação: Uma bateria de
ou equivalente.
 Duração útil da bateria: Aproximadamente
bateria alcalina.
de uso contínuo com
104
 Taxa de amostragem do sinal: Três vezes por segundo.
 Dimensões:
 Peso:
.
(incluindo a bateria).
3.1.6. Materiais diversos
A seguir, na figura 47, estão dispostos os diversos materiais a serem
empregados nos experimentos. São listados como sendo:
 Chaves de fenda;
 Pilhas;
 Ferro de solda estanho;
 Chave liga/desliga;
 Alicate;
 Máquina fotográfica
 Notebook;
 Placa protobord (Placa para protótipo de circuito eletrônico);
 Resistores de
,
;
 Fios.
Figura 47 – Materiais diversos utilizados nos teste. (autor)
105
3.2. Experimentos do Eletrolisador
O primeiro conjunto de experimentos trata-se da função eletrolisador. Esses
têm como objetivos, verificar algumas propriedades da CaC, como estabilidade em
fornecer parâmetros confiáveis, taxa de produção e eficiência do processo de
produção dos gases.
3.2.1. Experimentos da Tensão x Tempo
Nesta seção, serão realizados dois experimentos utilizando-se métodos e
parâmetros semelhantes entre si. Isso se torna necessário, para que não se tenha
apenas um resultado como base para discussão, o que deixaria margem para
possíveis erros. Entende-se que dois ou mais resultados tornam os experimentos
mais confiáveis.
A
realização
desse
experimento
tem
por
finalidade
conhecer
comportamento da tensão durante o processo de produção de gás
e
o
.
Pretende-se também, verificar a taxa de produção de gás, para compará-lo com as
especificações dadas na seção 3.1.1.2.
Para proceder com esses experimentos, utilizou-se dos seguintes itens:
 Eletrolisador (citado na seção 3.1.1);
 Placa de aquisição (citada na seção 3.1.4);
 Fonte (duas baterias de
ligadas em série);
 Termômetro (citado na seção 3.1.3)
 Interruptor;
 Computador;
 Software TraceDaq (utilizado para coleta de dados).
A montagem dos experimentos está sendo representado na figura 49. Este
segue o projeto do circuito apresentado na figura 48.
106
Figura 48 – Projeto de circuito para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor)
Figura 49 – Circuito montado para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor)
107
Com o circuito montado, procedeu-se com coleta de dados iniciais. Salienta-se
que os dados dos dois experimentos estão dispostos na mesma tabela [tabela 11],
como segue.
Tabela 11 – Experimento Tensão x Tempo – Dados dos instantes iniciais. (autor)
VALOR MEDIDO
VALOR MEDIDO
1° EXPERIMENTO
2° EXPERIMENTO
Água adicionada na célula
4
4
ml
Tensão inicial da fonte
2,880
2,820
V
Temperatura inicial da água
18,4
18,2
°C
Temperatura ambiente
18,9
18,5
°C
Quantidade de
0
0
ml
Quantidade de
0
0
ml
0
0
s
DESCRIÇÃO
Tempo incial do experimento
UNIDADE DE MEDIDA
Após a realização dos experimentos, procedeu-se também com a coleta dos
dados finais. Os dados de ambos os experimentos estão dispostos na tabela 12.
Tabela 12 – Experimento Tensão x Tempo – Dados dos instantes finais. (autor)
VALOR MEDIDO
VALOR MEDIDO
1° EXPERIMENTO
2° EXPERIMENTO
Hidrogênio produzido
14
14
ml
Oxigênio produzido
7
7
ml
Tensão final da fonte
2,820
2,780
V
Temperatura final da água
18,4
18,2
°C
Temperatura final do ambiente
18,9
18,4
°C
Tempo final do experimento
165
165
s
DESCRIÇÃO
É possível notar na tabela 12, que o nível de
e
UNIDADE DE MEDIDA
são iguais. Da mesma
forma, pode-se constatar nas figuras 50 e 51, o nível de gás produzido. Observa-se
ainda que o tempo da realização dos experimentos é igual para ambos.
108
[a]
[b]
Figura 50 – H2 produzido – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor)
[a]
[b]
Figura 51 – O2 produzido – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor)
109
Esses experimentos tem por finalidade, propiciar o entendimento de como se
porta a tensão em relação ao tempo no processo de produção de gás. Para isso, na
figura 52, estão dispostos os gráficos de ambos os experimentos, onde tem-se o
comportamento dessa grandeza em função do tempo. Salienta-se que para adquirir
esses dados, utilizou-se a placa de aquisição de dados descrita na seção 3.1.4.
Tensão x Tempo
2,00
1,80
1,60
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
Tensão (V)
Tensão (V)
Tensão x Tempo
0
100
2,00
1,80
1,60
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
200
0
100
Tempo (s)
200
Tempo (s)
[a]
[b]
Figura 52 – Gráficos – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor)
Salienta-se que para a realização do segundo experimento, foi estabelecido um
intervalo de duas horas. Durante esse período, foram abertas as vias de entrada dos
gases e montado um circuito fechado com um resistor de
para que assim,
houvesse a descarga total da membrana da CaC. Esse procedimento foi realizado com
o intuito de aproximar ao máximo as condições em que o primeiro experimento foi
realizado.
Nota-se que para o mesmo período de coleta de dados, ocorreu uma produção
de gás igual entre os experimentos. Com isso, pode-se representar analiticamente
que a taxa de produção de gás dessa célula, nas condições apresentadas, é dada por
uma regra de três simples, onde se encontra para o
uma taxa de
.
uma taxa de
e para o
110
Em relação ao volume, enfatiza-se o quesito precisão dos mesmos, pois ambos
foram coletados visualmente, sem uma medição precisa.
Pelos resultados obtidos, nota-se que a CaC é capaz de reproduzir valores
semelhantes entre diversos experimentos realizados na sua função de eletrolisador.
Diga-se semelhantes, desde que os experimentos atentem para as nas condições em
que os experimentos foram realizados.
3.2.2. Experimento da Corrente x Tempo
Nesta seção, serão realizados dois experimentos com a mesma finalidade, ou
seja, para conhecer o comportamento da corrente durante um tempo indefinido.
Diga-se tempo indefinido, pois o experimento decorrerá até o reservatório de gás
ficar completamente preenchido.
Serão realizados dois experimentos pela justificativa de se ter mais de um
resultado, sendo dessa forma, possível a comparativa dos valores obtidos.
Na figura 53 pode-se observar o projeto do circuito, e na figura 54 representase o circuito já montado para a realização dos experimentos.
Figura 53 – Projeto de circuito para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor)
111
Figura 54 – Circuito montado para os experimentos da Corrente x Tempo. (autor)
Estando o circuito montado, realizou-se primeiramente a coleta dos dados
iniciais para cada experimento. Observam-se esses valores na tabela 13.
Tabela 13 – Experimentos Corrente x Tempo – Dados do instante inicial. (autor)
VALOR MEDIDO
VALOR MEDIDO
UNIDADE DE
1° EXPERIMENTO
2° EXPERIMENTO
MEDIDA
Agua adicionada na célula
4
4
ml
Tensão inicial da fonte
2,691
2,671
V
Tensão inicial da célula
0,05
0,03
mV
Quantidade de
0
0
ml
Quantidade de
0
0
ml
0
0
s
DESCRIÇÃO
Tempo incial do experimento
No instante final dos experimentos, realizou-se também a coleta dos dados.
Esses seguem nas tabelas 14.
112
Tabela 14 – Experimento Corrente x Tempo – Dados dos instantes finais. (autor)
VALOR MEDIDO
VALOR MEDIDO
1° EXPERIMENTO
2° EXPERIMENTO
Hidrogênio produzido
14
14
ml
Oxigênio produzido
7
7
ml
Tensão final da fonte
2,617
2,583
V
Tempo final do experimento
900
900
s
DESCRIÇÃO
UNIDADE DE MEDIDA
Nota-se que em ambos os experimentos, o volume de gás produzido é igual.
Possibilita-se comparar esses níveis na figura 55 onde estão os reservatórios
contendo o gás produzido em cada experimento.
[a]
[b]
Figura 55 – H2 produzido – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor)
A figura 56 apresenta os níveis de
de cada experimento.
113
[a]
[b]
Figura 56 – O2 produzido – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor)
A finalidade desses experimentos é de entender o comportamento da corrente
durante o processo de eletrólise da água. Para isso, apresentam-se na figura 57, os
gráficos de cada experimento. Salienta-se que como não havia instrumentos para
coletar os valores da corrente do circuito e passá-los para uma tabela em um
computador (como a placa de aquisição que só coleta os valores de tensão), esses
valores foram anotados manualmente, e repassado a uma tabela. Nota-se que o
experimento decorreu durante 900 s. O intervalo de medições deu-se de 5 s em 5 s.
Corrente x Tempo
300
300
250
250
Corrente (mA)
Corrente (mA)
Corrente x Tempo
200
150
100
50
200
150
100
50
0
0
500
1000
0
0
500
Tempo (s)
Tempo (s)
[a]
[b]
Figura 57 – Gráficos – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor)
1000
114
Nota-se neste experimento que a taxa de produção de
e
caiu
consideravelmente. Para entender o motivo pelo qual esse efeito ocorreu, seria
necessária uma revisão bibliográfica mais aprofundada em eletricidade. Porém,
observa-se que não é este o foco deste trabalho e sim, determinar a eficiência da CaC
estudada.
3.2.3. Experimento da Potência fornecida para produzir H2 e O2
Com a finalidade de conhecer o rendimento da função eletrolisador desse
dispositivo, apresenta-se nessa seção o experimento da potência fornecida para
produzir
e
. Através dessa potência e da quantidade de gás armazenado, será
calculado o rendimento do eletrolisador.
A coleta de dados dar-se-á da seguinte forma. A tensão de entrada na CaC será
coletada a cada segundo pela placa de aquisição. Já a corrente, será coletada
visualmente a cada segundo, e anotada em uma tabela. Para tal procedimento,
dispõe-se de uma filmadora, a qual gravará todos os valores a cada segundo. Esses
dados serão coletados a partir do filme gerado.
Para calcular a potência fornecida ao eletrolisador, será utilizada a equação 16.
Com isso, obtém-se a potência pontual. Através dessa potencia pontual, serão
integrados os valores em função do tempo para obter o valor da energia fornecida
para a célula. Na figura 58 apresenta-se o projeto do circuito para a realização do
experimento. Logo na sequência, na figura 59 tem-se o circuito montado.
Figura 58 – Projeto do circuito para o a potência na produção de H2 e O2 . (autor)
115
Figura 59 – Circuito montado para o primeiro experimento. (autor)
Sendo assim, partiu-se para a coleta de dados iniciais, de onde foram retirados
os valores apresentados na tabela 15. Esses dados representam as condições iniciais
em que foi dado o inicio ao experimento.
Tabela 15 – Experimento da Potência fornecida - Dados do instante inicial. (autor)
POTÊNCIA UTILIZADA PARA A PRODUÇÃO DE GÁS
Descrição
Valor medido
Unidade de medida
Água adicionada na célula
4
ml
Tensão inicial da fonte
2,918
V
Temperatura inicial da água
17,8
°C
Temperatura incial do ambiente
17,9
°C
Quantidade de H2
0
ml
Quantidade de H2
0
ml
Tempo inicial
0
s
116
Após o experimento, os dados finais foram coletados e transferidos para a
tabela 16.
Tabela 16 – Experimento da Potência fornecida - Dados do instante inicial. (autor)
POTÊNCIA UTILIZADA PARA A PRODUÇÃO DE GÁS
Descrição
Valor medido
Unidade de medida
Hidrogênio produzido
14
ml
Oxigênio produzido
7
ml
Tensão final da fonte
2,820
V
Temperatura final da água
17,1
°C
Temperatura final do ambiente
17
°C
Tempo
755
s
Salienta-se que o tempo do experimento mostrado na tabela 16, foi
determinado pela quantidade de gás produzido, ou seja, no momento em que atingiu
o nível máximo de 14
de gás hidrogênio, foi então dado fim ao experimento. Na
figura 60 está representado o nível de gás
[a]
e
produzido neste experimento.
[b]
Figura 60 – Potência fornecida – Nível de H2 [a]; Nível de O2 [b]. (autor)
117
Utilizando-se dos dados coletados em tabela e o software Microsoft Excel, foi
calculada a potência no instante da medição.
A coleta de dados foi feita no intervalo de 1 segundo. Entretanto, para não
apresentar uma tabela muito extensa, os dados foram dispostos em um intervalo de
60 s em 60 s. Salienta-se ainda que o tempo apresentado na tabela 17 é apenas de
, mas o experimento decorreu durante
.
Tabela 17 – Potência fornecida a CaC - Resultados do experimento. (autor)
TEMPO
TENSÃO
CORRENTE
POTÊNCIA INSTANTÂNEA
(S)
(V)
(A)
(W)
0
0,00
0
0,000
60
1,58
0,1905
0,301
120
1,58
0,1861
0,294
180
1,58
0,1841
0,291
240
1,58
0,1827
0,289
300
1,58
0,1812
0,286
360
1,58
0,1798
0,284
420
1,59
0,1787
0,284
480
1,59
0,1772
0,282
540
1,59
0,176
0,280
600
1,59
0,1737
0,276
660
1,59
0,1722
0,274
720
1,59
0,172
0,273
725
1,59
0,1717
0,273
730
1,59
0,1715
0,272
735
1,59
0,1713
0,272
740
1,59
0,1713
0,272
745
1,59
0,1711
0,272
750
1,59
0,1709
0,271
755
1,59
0,1708
0,271
Através desses dados, foi então possível traçar o gráfico da tensão, corrente e
da potência, apresentando assim o comportamento de cada uma dessas grandezas
no decorrer do tempo. A figura 61 mostra esse gráfico.
118
(Tensão; Corrente; Potência) x Tempo
Tensão (V) / Corrente (A) / Potência (W)
1,80
1,60
1,40
1,20
1,00
Tensão
0,80
Corrente
0,60
Potência
0,40
0,20
0,00
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Tempo (s)
Figura 61 – Gráfico das Grandezas x Tempo. (autor)
A partir desse gráfico, foram integrados os valores da potência em função do
tempo, o que resultou na energia utilizada para a produção de gás (energia de
entrada no sistema). Essa integral [equação 51] foi realizada na mesma planilha onde
os dados foram coletados. Através de equações montadas na planilha do Microsoft
Excel, possibilitou-se calcular a área de cada intervalo de 1s em 1s e por fim somá-los
para obter o valor da energia total fornecida a para célula. Dessa forma, têm-se:
∫
(51)
Obteve-se
(52)
Assim, tornando conhecida a energia fornecida ao eletrolisador, partiu-se para
o cálculo da energia armazenada, que é dada pelo poder calorífico superior
armazenado.
do
119
Os seguintes dados apresentados a seguir, são alguns valores obtidos no
experimento realizado e outros de tabelas referenciadas neste documento.
(tabela 20)
(tabela 3)
(
) [16]
Utilizando a equação 12, pode-se calcular a massa de gás armazenada no
volume de
.
Sabendo que
representa o número de mols de
contida em um
determinado volume, e que:
(53)
Onde:
= Massa de
que se necessita saber;
= Massa molecular do
;
Obtém-se a equação 54:
(54)
Isolando o termo
que representa a massa que se necessita saber, tem-se:
(55)
Já a massa molecular
é dada pela soma das massas atômicas dos átomos
que compõe determinada molécula. Para o caso do
tabela 4.
, esse valor é encontrado na
120
A representação da molécula do gás hidrogênio é dada como
, o que
representa que possui um valor multiplicador igual a 2. Sendo assim, torna-se
possível calcular a massa molecular do gás.
(56)
(57)
Adicionando então os valores na equação 55, é obtida a massa de
em
contido
.
(
)(
)(
(
)
)
(58)
(59)
Sabendo então que
l de
possuem
possível relacionar esse dado com o seu
de massa, torna-se
para se obter a energia contida nesse
volume armazenado. Dessa maneira, tem-se:
(60)
(61)
(62)
Assim, é possível descrever o rendimento da função de eletrolisador como
sendo:
121
(63)
(64)
(65)
3.3. Experimento da função Célula a Combustível
Foram realizados até então, alguns experimentos referentes a produção de gás
através da função eletrolisador. Em verdade, esses experimentos servem tanto como
fonte de dados, como também de base comparativa para o experimento a ser
realizado nesta seção.
Neste capítulo, será visto a função da CaC propriamente dita, ou seja, será
utilizado o gás produzido para gerar energia elétrica e realizar trabalho. Nesse
processo, o comportamento da tensão e o consumo de
serão acompanhados no
decorrer do tempo.
3.3.1. Experimento da CaC
Este experimento tem por finalidade apresentar as características da função da
célula a combustível e tornar possível o cálculo de eficiência do dispositivo estudado.
Para tal, serão utilizados praticamente os mesmos materiais mostrados nos
experimentos da seção 3.1. Os itens que se diferenciam nesse experimento, são um
resistor, cujo valor é de
, um mini motor elétrico, o qual não se tem
conhecimento de seus parâmetros, uma placa protoboard, mencionada na seção
3.1.6. Nesta será montada um pequeno circuito para que se torne possível a
realização dos cálculos de potência.
O método para o cálculo da eficiência consiste no consumo total do
em
armazena uma energia de
, o qual
. Utilizando-se dos cálculos a serem
122
realizados, será obtida a energia produzida pela CaC. Relacionando esses dois valores,
resultará na sua eficiência.
Para o início do experimento, foi realizado o projeto do circuito elétrico [figura
62], com suas devidas ligações. Na sequência [figura 63], está representado o circuito
montado.
Figura 62 – Projeto do circuito elétrico para o experimento da função CaC. (autor)
Figura 63 – Circuito montado para estudo da função CaC. (autor)
123
Antes do início do experimento, foram coletados os dados iniciais. Esses estão
dispostos na tabela 18.
Tabela 18 – Experimento da CaC – Dados do instante inicial. (autor)
POTÊNCIA FORNECIDA PELA CAC
Descrição
Valor medido
Unidade de medida
Tensão inicial da fonte
2,918
V
Temperatura inicial da água
17
°C
Temperatura incial do ambiente
17,1
°C
Quantidade de H2
14
ml
Quantidade de H2
7
ml
Tempo inicial
0
s
Na figura 64, está sendo apresentado o nível inicial de
. Enfatiza-se que
nessas condições, a energia armazenada nesse volume de gás já foi calculada na
seção 3.2.3.
Figura 64 – Nível inicial de H2 para o experimento da CaC . (autor)
Observa-se ainda que não está apresentado o nível de
visto que esse é
apenas o comburente da reação, não oferecendo importância significativa nos
cálculos da eficiência da CaC.
124
Durante a realização do mesmo, foi observado que utilizando o circuito
montado, o consumo total do
tornou-se um procedimento impossível, pois houve
uma queda da tensão e da corrente a ponto de zerar os valores. O efeito de queda de
tensão está mostrado na figura 65.
Figura 65 – Gráfico da queda de tensão ocorrida no experimento. (autor)
Assim, com o encerramento do precipitado do experimento, realizou-se o
processo de coleta de dados das condições finais do mesmo. Esses dados foram
ordenados na tabela 19.
Tabela 19 – Dados coletados no encerramento do experimento. (autor)
POTÊNCIA FORNECIDA PELA CAC
Descrição
Valor medido
Unidade de medida
Tensão final da fonte
2,989
V
Temperatura final da água
17,0
°C
Temperatura final do ambiente
17,1
°C
Quantidade restante de
10
ml
Quantidade restante de
5
ml
215
s
Tempo do experimento
125
Na figura 66, é possível verificar o nível de
no momento em que o
experimento teve que ser encerrado. Nota-se que durante o período de
consumo de gás
foi de
o
.
Figura 66 – Nível de H2 ao final do experimento. (autor)
Para o cálculo das potências envolvidas no sistema, a alternativa buscada foi
deduzi-las a partir da análise do circuito mostrado na figura 62. As deduções seguem:
Dados definidos:
(Canal 0 da placa de aquisição = Tensão 0)
(Canal 1 da placa de aquisição = Tensão 1)
Assim,
(66)
(67)
126
(68)
̇
(69)
̇
(70)
Ou ainda:
̇
(71)
A equação 73, representa analiticamente a potência do mini motor.
̇
̇
̇
(72)
Assim, utilizando-se dessas formulações, e de posse dos dados coletados pela
placa de aquisição, realizou-se os cálculos em uma tabela pra cada valor coletado
pela placa no instante de
. Os resultados obtidos foram ordenados na tabela
20.
Salienta-se que para não dispor de todos os resultados adquiridos, foram
ordenados apenas os valores de 30 em 30 segundos. Entretanto, os dados foram
calculados utilizando um intervalo de
, durante
.
127
Tabela 20 – Resultados de potência calculados no experimento da CaC. (autor)
=
=
( )
( )
( )
0
0
30
Tempo
̇
Resistor
̇
̇
( )
( )
( )
( )
( )
0
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,73
0,4
0,33
0,22
0,16
0,07
0,09
60
0,71
0,38
0,33
0,22
0,16
0,07
0,08
90
0,68
0,35
0,33
0,22
0,15
0,07
0,08
120
0,61
0,33
0,28
0,19
0,11
0,05
0,06
150
0,45
0,24
0,21
0,14
0,06
0,03
0,03
180
0,29
0,17
0,12
0,08
0,02
0,01
0,01
210
0,18
0,12
0,06
0,04
0,01
0,00
0,00
211
0,17
0,11
0,06
0,04
0,01
0,00
0,00
212
0,17
0,11
0,06
0,04
0,01
0,00
0,00
213
0,17
0,11
0,06
0,04
0,01
0,00
0,00
214
0,17
0,11
0,06
0,04
0,01
0,00
0,00
215
0,16
0,11
0,05
0,03
0,01
0,00
0,00
( )
1,5
A figura 67 apresenta o gráfico do comportamento de cada grandeza calcula
na tabela 20.
1,6
1,4
1,2
Tensão - Canal 0
1
Tensão - Canal 1
Variação da tensão
0,8
Potência total
Potência resistiva
0,6
Potência do motor
0,4
Corrente
0,2
0
0
50
100
150
200
250
Figura 67 – Grandezas envolvidas no rendimento da CaC. (autor)
128
3.3.1.1. Eficiência por testes práticos
Partindo para os cálculos da eficiência da CaC, primeiramente precisa-se
esclarecer sobre como era previsto o experimento para a obtenção desse
rendimento.
Nota-se que na seção 3.2.3, onde foi encontrada a energia fornecida para a
geração de gás (equação 52), foi deixado correr o tempo até que o volume de gás
atingisse o valor máximo, de
. Para que o processo de cálculo de eficiência se
tornasse um processo mais simplificado, foi dividido nas seguintes etapas:
 Calcular a energia de entrada para o processo de obtenção de gás;
 Calcular a energia armazenada em
 Consumir todo o
de
;
e coletar os parâmetros desse processo de consumo;
 Calcular a energia produzida pela célula, e relacionar esse valor com a
energia armazenada.
Entretanto, com foi visto na seção 3.3.1, não foi possível realizar o consumo
total do gás. Para que mesmo assim fosse possível calcular a eficiência desse
dispositivo, partiu-se por outra forma.
Primeiramente, foi calculado o trabalho realizado pela célula durante
.
Para esse processo foi utilizando o mesmo método mostrado na seção 3.2.3, que
consistiu em integrar a potência em função do tempo e achar a energia de entrada,
energia esta fornecido para a célula no processo de geração de gás.
Sendo assim, tem-se:
∫
̇
(73)
Em verdade, essa integral corresponde a área pintada no gráfico representado
na figura 68, e representa o
. Da mesma maneira que a integral da energia
fornecida para a produção de
e
, a integral apresentada na equação 73, foi
129
resolvida. Através do Microsoft Excel, montou-se funções que calculassem a área
traçada pela potência total. Dessa maneira, obteve-se os seguintes resultados.
Potência x Tempo
Potencia total produzida (W)
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0
8
16
24
32
40
48
56
64
72
80
88
96
104
112
120
128
136
144
152
160
168
176
184
192
200
208
0,00
Tempo (s)
Figura 68 – Energia produzida pela CaC. (autor)
Portanto, a energia produzida pela CaC corresponde a soma de todas as áreas
calculadas dentro do intervalo de 215 s, ou seja, para cada segundo, tem-se um valor
de potência, e multiplicando esse valor pelo tempo de 1s, tem-se a área representada
no gráfico para um segundo. Dessa forma, somando essas áreas durante os 215 s,
resulta em:
(74)
Para fins de cálculo de eficiência, a forma encontrada foi de estabelecer
algumas relações conforme são apresentadas abaixo:
(Energia armazenada em 14 ml)
(Energia produzida pela CaC com
(75)
de
)
(76)
130
Enfatiza-se que os
referem-se a quantidade de gás consumido durante o
experimento realizado na seção 3.3.1. Dessa quantidade consumida,
de
energia foi produzido.
Utilizando-se novamente de uma regra de três simples, é possível encontrar
quanta energia foi armazenada em 4 ml no processo de geração de gás. Através
disso, obteve-se o valor de
Dessa forma, sendo a
de energia armazenada em 4 ml.
, torna-se possível calcular a
eficiência CaC.
(77)
(78)
(79)
131
4. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS
A relação entre prática e teoria muitas vezes sofrem divergências. Sabe-se que
em situações práticas, muitos fatores tendem a distorcer os resultados obtidos na
teoria. Isso ocorre devido a teoria ser geralmente baseada em condições ideais, ou
bem definidas, o que realmente não ocorre na prática.
Nesse contexto é que foram realizados os experimentos apresentados no
capítulo 3.2 e 3.3, dos quais serão discutidos os resultados obtidos em cada
experimento, procurando trazer uma interpretação clara e objetiva.
4.1. Experimento do eletrolisador
4.1.1. Experimento da Tensão x Tempo
Como visto, a realização dos dois experimentos teve a finalidade de averiguar
qual seria o comportamento da tensão no processo de geração dos gases
e
.
Nesses experimentos, quando comparados os resultados, foi possível verificar que a
célula apresenta uniformidade na sua função eletrolisador.
Nas figuras 50, 51 e 52, é possível afirmar que os valores obtidos pelo
experimento são semelhantes, e que houve pouca variação entre os mesmos. Essa
pequena variação deu-se devido a utilização da mesma fonte para ambos os
experimentos. Como foram utilizadas duas baterias de
, é natural que no
primeiro experimento a tensão seja maior que a do segundo experimento, haja vista
a queda de amperagem da bateria em função do uso no primeiro experimento.
4.1.2. Experimento da Corrente x Tempo
Mesmo com as condições de medição e coleta de valores do experimento da
corrente em função do tempo, foi possível verificar a estabilidade de operação da
132
CaC. Para esse experimento, a coleta dos valores da corrente ocorreu manualmente.
Isso foi possível devido a filmagem do visor do multímetro no momento da realização
do experimento. Após o término deste, a filmagem foi revista segundo por segundo e
os dados foram anotados em tabela.
A partir desses dados, conclui-se aqui, que a semelhança dos resultados
obtidos nos experimentos da corrente em função do tempo, mais uma vez
comprovam a estabilidade da célula nos parâmetros fornecidos pela mesma. As
pequenas diferenças apresentadas nesses experimentos são desprezíveis, visto que
podem ser variações dos dispositivos de medição, variações das condições em que os
experimentos foram realizados ou ainda pequenos erros no processo de coleta de
dados.
4.1.3. Experimento da Potência fornecida para produzir H2 e O2
Sabendo então que a célula apresenta estabilidade em seus parâmetros, foi
então realizado o experimento para cálculo da potência fornecida para produção de
gás
e
. Como foi visto nesse experimento houve a integração entre os dois
experimentos anteriores (Tensão x Tempo e Corrente x Tempo).
Nesse experimento, poucas dificuldades foram encontradas, entretanto,
notou-se uma redução considerável na taxa de produção de gás
para
caindo de
.
É suposto que alguma interferência por parte dos circuitos do multímetro
possa ter ocorrido, resultando assim nessa variação. Entretanto, por não se tratar do
foco do trabalho, optou-se em não procurar quais os reais motivos desse processo,
visto que não prejudicou no restante dos cálculos.
Enfatiza-se que é uma suposição, visto que foram realizados outros
experimentos sem o multímetro e que não apresentaram esse efeito. Entretanto,
esses experimentos não foram relatados nesse trabalho.
Em termos de rendimento, foi calculado como sendo
.
Esse valor pode ser considerado elevado. Salienta-se que esse rendimento, além de
133
outros fatores, é afetado pela composição do material do eletrodo, ou no caso, da
malha da célula ensaiada, que infelizmente não se tem conhecimento do que se
trata.
Outro provável fator que pode ter influenciado na queda do rendimento do
eletrolisador, foi o calor gerado durante o experimento. Não foi possível medir essa
energia, visto as condições e instrumentação utilizada no experimento.
4.1.4. Experimento da CaC
Neste experimento, encontraram-se as particularidades da CaC ensaiada. De
acordo com o fornecedor da célula, os parâmetros máximos do dispositivo sob
condições ideais são os relacionados na seção 3.1.1. Os dados da tabela 20
apresentam valores que se aproximam dos especificados pelo fabricante.
Tratando mais especificamente do fato ocorrido na realização desse
experimento, foi procurado entender os reais motivos que ocasionaram esse efeito.
Devido a ser um fator inesperado, o primeiro passo a procura desses motivos, deu-se
na observação do comportamento da tensão, corrente e potência, cada qual expressa
na figura 67.
Nesse gráfico, é possível perceber a queda de ambas as grandezas medidas.
Isso se deu devido a corrente, e a potência serem grandezas que estão em função da
tensão. Ou seja, a corrente, e a potência foram calculadas utilizando os valores das
tensões coletadas pela placa de aquisição e utilizando-se de um resistor de
,
montado ao circuito, [figura 63] foram encontrados esses valores. Em resumo, esses
valores de corrente e potência são dependentes da tensão coletada.
Obviamente que isso não explica o motivo pelo qual o experimento de
rendimento foi interrompido depois de
. Entretanto, esclarece que o problema
ocorrido está diretamente ligado à CaC, e não com a coleta de dados.
Sendo assim, hipoteticamente falando, é possível que tenha ocorrido perdas
na célula por motivos que são descritos a seguir. Essas perdas são grandezas já
134
estudadas e conhecidas, mas que neste documento serão somente comentadas pra
fins de discussão.
4.1.4.1. Tensão reversível
A tensão reversível de uma CaC corresponde a tensão que essa pode fornecer
sob determinada condição de trabalho, ou seja, sob determinada temperatura,
pressão ou concentração dos gases. Em síntese, caso um desses fatores não estiver
próximo das condições ideais, ocorre a queda de tensão oferecida pela célula.
Com isso, e analisando os valores da tensão da célula no decorrer do tempo
(valores mostrados na tabela 24), nota-se que até o tempo de
a tensão
apresentou uma pequena queda, e após isso, houve uma queda acentuada. Em
análise, pode-se dizer que até esse período a célula trabalhou sob condições ideais, e
que após, algum fator externo acabou afetando esse trabalho.
Levanta-se a hipótese de que como a célula estudada não apresenta
escapamento para o vapor de água, esse vapor acumula-se dentro dos canais de fluxo
no cátodo (lado positivo, onde o
é bombeado) ao ponto de equilibrar a pressão
entre a câmara da célula e reservatório, impedindo assim o fluxo de gás dentre o
catalisador a membrana. Salienta-se ainda, que ambos os gases estão sob baixa
pressão, sendo que não necessita muito para que a pressão seja equilibrada pelo
vapor de água.
4.1.4.2. Perdas por ativação
As perdas por ativação são ocasionadas em decorrência da energia
desperdiçada para romper as barreiras de ativação da reação química. Quanto menor
a densidade da corrente, maiores são as perdas por ativação.
Sabe-se que o processo de eletrólise de água, consiste na passagem de
determinada corrente entre eletrodos e o meio, que no caso é a água. No processo
reverso à eletrólise, também há a necessidade de romper as barreiras da reação
química, para que dos gases, seja formado a água.
135
Dessa forma, outra hipótese surge. Como se trata de uma célula para fins
demonstrativos, a densidade da corrente é muito pequena, levando a entender que
depois de determinado tempo de trabalho, quando ocorre a queda de tensão, a
corrente se torna tão pequena que não é mais capaz de formar água, por não
conseguir vencer as barreiras da reação química.
4.1.4.3. Perdas ôhmicas
As perdas ôhmicas são aquelas que ocorrem devido a resistência a passagem
dos íons através da membrana, ou ainda pela resistência oferecida pelos eletrodos
para a passagem de elétrons. Idealmente, o eletrólito deveria permitir a passagem de
íons
, no entanto, algumas particularidades como até mesmo a umidade da
membrana pode influenciar nessa transição.
Dessa forma, também tem-se essa possibilidade de ocorrência. Como foi
utilizado a CaC tanto para o processo de produção de energia como para o processo
de eletrólise, que consiste em adicionar água no lado em que o gás
é bombeado, a
membrana fica umedecida, podendo prejudicar o funcionamento do processo
reverso à eletrólise.
Com isso, afetaria a densidade de corrente e a própria tensão oferecida pela
célula.
4.1.4.4. Perdas por concentração
As perdas por concentração ocorrem devido a mudança de concentração dos
reagentes na superfície dos eletrodos. Essa redução de concentração é resultado do
transporte insuficiente de reagentes para os eletrodos. Com isso, essas perdas são
chamadas também de perdas por transporte de massa.
Esse efeito pode estar ocorrendo devido a baixa pressão com que os gases
estão submetidos.
136
4.1.4.5. Correntes internas
Como dito na seção 4.1.4.3, todo o material apresenta resistência a passagem
elétrica. Da mesma forma, a membrana de uma CaC não possui um comportamento
ideal, onde se tem uma única e determinada resistência. Outra não idealidade cita-se
a passagem de combustível, oxidante e elétrons (que não produzem trabalho) pela
membrana. Essas não idealidades são conhecidas como correntes internas.
Dessa forma, trazendo essa característica para o experimento apresentado,
também pode estar afetando nos resultados coletados. Isso, hipoteticamente
relatando.
4.1.1. Eficiência da CaC
Tratando-se da eficiência da célula, foi possível estabelecer um valor de
de rendimento. Esse valor se torna representativo quando comparado a
outras formas de geração de energia, como no caso dos motores térmicos, que
atualmente estão na faixa de 25% a 30%. Enfatiza-se ainda que essa eficiência pode
sofrer algumas variações, levando em conta as condições em que foi realizado o
experimento (tratando-se de instrumentação, medição, e coleta de dados).
Dessa maneira, é possível afirmar que a CaC ensaiada está mais para fins
demonstrativos, sendo um dispositivo de um rendimento intermediário, sendo
aceitável pelas suas dimensões e limitações.
137
5. SUGESTÕES PARA PRÓXIMOS ESTUDOS
Decorrentes das dificuldades apresentadas na realização dos testes práticos
surgiram alguns aspectos que poderiam ser trabalhados de maneira mais
aprofundada, tornando possível a aplicação efetiva das teorias encontradas nas
literaturas referenciadas nesse trabalho.
O estudo aprofundado dessa tecnologia não precisa ser necessariamente
sobre as células do tipo PEM, visto que existem vários tipos cada qual com suas
particularidades. Os diversos modelos citados abrangem assuntos que podem
integrar vários ramos do conhecimento.
Alguns aspectos que podem ser motivos de estudos e pesquisas mais
detalhadas estão dispostos a seguir.
5.1. Estudo térmico da CaC
As células de combustíveis são dispositivos que geram energia elétrica a partir
de reações químicas. Dessas reações, também ocorre a geração de energia térmica
(calor), que ao ser desperdiçada, afeta a eficiência do equipamento. Devido a
condições apresentadas neste documento, e até mesmo pelos baixos valores
coletados, é possível notar a grande dificuldade de medir essa forma de energia na
CaC estudada.
Entretanto, baseando-se na teoria apresentada, e dispondo de instrumentos
de medição adequados, é possível afirmar que o estudo térmico é uma tarefa
possível de ser realizada, inclusive de ser comparada com experimentos práticos.
Também cita-se, a possibilidade de estudos desse dispositivo em softwares de
simulações como o ANSYS, o qual apresenta módulos direcionados aos cálculos dessa
tecnologia.
138
5.2. Estudo das causas da perda de eficiência
Como em todo o setor energético, conhecer o processo de geração de energia,
é extremamente importante para o seu bom aproveitamento. Entretanto, conhecer
os motivos pela qual essa energia não é aproveitada de maneira integral também é
fundamental, pois conhecendo esses motivos da perda de eficiência, é possível
trabalha-los a fim de reduzir os efeitos de perdas que são produzidas em
determinado sistema.
Nas CaC também ocorre essas perdas de eficiência. Como foi visto nos
resultados, e até mesmo na seção teórica, os dados de entrada sempre foram
maiores que os dados de saída. Isso sempre irá ocorrer, entretanto, conhecer os
motivos desse efeito, abre a possibilidade em atuar de maneira pontual nos
problemas a fim de se obter valores de saída mais próximos dos valores de entrada.
5.3. Estudo da eficiência em laboratórios
Os materiais utilizados e os métodos de medição e coleta de dados foram
relativamente simples, o que podem sim trazer algumas variações no resultado final
apresentado. Logicamente, que a finalidade aqui não é de tirar a credibilidade dos
valores apresentados, mas que podem sim ser melhorados em estudos e pesquisas
com equipamentos mais precisos dispostos em laboratório.
Com isso, a possibilidade de conhecer os reais processos e efeitos que
envolvem essa tecnologia, surge de maneira a ter-se uma base mais concreta dos
dados coletados e dos dados obtidos.
139
CONCLUSÃO
O processo de transição entre fontes de energia poluentes para as fontes de
energia limpa e renováveis pode ser descrito com sendo um marco na história da
humanidade. Ao descrever sobre células a combustível em meio a tantas discussões
sobre sustentabilidade, redução de poluentes, aquecimento global, nota-se que
sociedade mundial está caminhando para um futuro mais limpo, onde enfim, a
tecnologia começa a trabalhar em prol da humanidade.
É certo que há muito a ser pesquisado, e muitos paradigmas a serem
quebrados, mas enfim, aos poucos estão vindo à tona as possibilidades de geração de
energia, e se tornando atraentes aos olhos do mundo.
Dentro dessas possibilidades citam-se as CaC, as quais há poucas décadas atrás
era algo que dificilmente teriam aplicações comuns, como em veículos de passeio
ônibus de transporte coletivo. Hoje, pode ser considerada uma realidade palpável.
Como foi possível perceber, estes dispositivos são de funcionamento simples.
Mesmo em dimensões pequenas, como a apresentada neste relatório, seus
parâmetros são relativamente bem definidos. Notou-se que nos experimentos
realizados, os parâmetros coletados como tensão, corrente, e potência fornecida,
apresentaram-se semelhantes quando comparados entre si.
Entretanto, devido a
algumas hipóteses comentadas na
seção 4,
impossibilitaram o experimento completo da função célula a combustível, do qual se
obteria resultados mais precisos. Mesmo que no decorrer dos experimentos, essa
CaC apresentou resultados semelhantes, há fatores que não foram considerados,
devido a impossibilidade de medi-los. Conclui-se dessa maneira que esse dispositivo
está mais para fins demonstrativos do que para estudos científicos.
Problemas como, dificuldade de medir valores consideravelmente baixos,
impossibilidade de consumir todo o gás produzido condições não idealizada,
140
tornaram-se obstáculo no estudo dessa CaC, mas que por fim, foram contornadas
com testes práticos, onde então, foram aplicados alguns conceitos revisados no
capítulo 1.
Mesmo empregando valores experimentais para determinar os parâmetros da
CaC estudada, os resultados obtidos foram satisfatórios, chegando a uma eficiência
relativamente alta, quando comparados a motores térmicos.
Por fim, foi possível ver alguns experimentos realizados com o objetivo
principal focado na obtenção do rendimento desse dispositivos. Entretanto, por outra
perspectiva, tem-se que comentar sobre o benefício da emissão zero que esse
apresenta. Esse fator nos dias atuais deveria torna-se tão importante quanto à
eficiência, pois é assim que serão economizados recursos naturais e preservados os
sistemas ambientais do planeta.
141
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&ID_area=6&ID_sub_area=18>. Acesso em: 30 abr. 2012.
[20]
MERCEDES, H. V.; TICIANELL, E. A.; GONZÁLEZ, E.. Células a combustível:
Energia limpa apartir de fontes renováveis, Maio 2002. 34. Seção atualidades
em Química.
[21]
OFFICE OF FOSSIL ENERGY. Fuel Cell Handbook. 5ª Edition. ed. Morgantown:
Energy, U.S. Department of - National Energy Technology Laboratory, 2000.
352 p.
[22]
COSTA, ANTONIO R. Modelagem Computacional e análise do comportamento
de células a combustível de membrana polimérica em regime estático e
dinâmico. Universidade Ferderal de Uberlândia. Uberlândia, p. 119. 2005.
Dissertação (Mestrado em Ciências); 2005.
[23]
MEDEIROS, ELYAS F. D. Hidrogênio Energetico no Brasil - Subsídios para
políticas de competitividade: 2010-2025. Centro de Gestão e Estudos
Estratégicos. [S.l.], p. 72. 2010. (7).
144
ANEXO I
Abaixo, segue as especificações da placa de aquisição de dados utilizada para a
coleta de informações para os experimentos realizados com a CaC.
Chapter 4
Specifications
Typical for 25°C unless otherwise specified.
Specifications in italic text are guaranteed by design.
Analog input
Table 1. Analog input specifications
Parameter
A/D converter type
Input voltage range for linear operation,
single-ended mode
Input common-mode voltage range for linear
operation, differential mode
Absolute maximum input voltage
Input impedance
Input current (Note 1)
Conditions
Specification
CHx to GND
Successive approximation type
±10 volts (V) max
CHx to GND
-10 V min, +20 V max
CHx to GND
±28 V max
122KOhm
70 microamperes (µA) typ
-12 µA typ
-94 µA typ
8 single-ended / 4 differential, software
selectable
±10 V, G=2
±20 V, G=1
±10 V, G=2
±5 V,
G=4
±4 V,
G=5
±2.5 V, G=8
±2.0 V, G=10
±1.25 V, G=16
±1.0 V, G=20
Software selectable
250 samples per second (S/s) typ,
PC-dependent
50 kilosamples per second (kS/s)
Software configurable channel, range, and
gain.
12 bits, no missing codes
11 bits
±36.25 mV max
±1 least significant bit (LSB) typ
±0.5 LSB typ
±1 LSB typ
5 milliamperes (mA) max
20 µA min, 100 µA typ
External digital: TRIG_IN
Internal
External (SYNC), rising edge triggered
Programmed IO
Vin = +10 V
Vin = 0 V
Vin = -10 V
Number of channels
Input ranges, single-ended mode
Input ranges, differential mode
Throughput (Note 2)
Software paced
Channel gain queue
Continuous scan
Up to 16 elements
Resolution (Note 3)
CAL accuracy
Integral linearity error
Differential linearity error
Repeatability
CAL current
Trigger source
Pacer source
Note 1:
Differential
Single-ended
CAL = 2.5 V
Source
Sink
Software selectable
Software selectable
Input current is a function of applied voltage on the analog input channels. For a given input
voltage, Vin, the input leakage is approximately equal to (8.181*Vin-12) µA.
25
USB-1208FS User's Guide
Specifications
Note 2:
Maximum throughput scanning to PC memory is machine dependent. The rates specified are for
Windows XP only. Maximum rates on operating systems that predate XP may be less and must
be determined through testing on your machine
Note 3:
The AD7870 converter only returns 11-bits (0-2047 codes) in single-ended mode.
Table 2. Accuracy, differential mode
Range
Accuracy (LSB)
±20 V
±10 V
±5 V
±4 V
±2.5 V
±2 V
±1.25 V
±1 V
5.1
6.1
8.1
9.1
12.1
14.1
20.1
24.1
Table 3. Accuracy, single-ended mode
Range
Accuracy (LSB)
±10 V
4.0
Table 4. Accuracy components, differential mode - All values are (±)
Range
% of Reading
Gain Error at full scale (FS)
(millivolts (mV))
Offset (mV)
Accuracy at FS (mV)
±20 V
±10 V
±5 V
±4 V
±2.5 V
±2 V
±1.25 V
±1 V
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
40
20
10
8
5
4
2.5
2
9.766
9.766
9.766
9.766
9.766
9.766
9.766
9.766
49.766
29.766
19.766
17.766
14.766
13.766
12.266
11.766
Table 5. Accuracy components, single-ended mode - All values are (±)
Range
% of Reading
Gain Error at FS (mV)
Offset (mV)
Accuracy at FS (mV)
±10 V
0.2
20
19.531
39.531
Table 6. Noise performance, differential mode
Range
Typical counts
Least significant bitroot mean square (LSBrms)
±20 V
±10 V
±5 V
±4 V
±2.5 V
±2 V
±1.25 V
±1 V
2
2
3
3
4
5
7
8
0.30
0.30
0.45
0.45
0.61
0.76
1.06
1.21
26
USB-1208FS User's Guide
Specifications
Table 7. Noise performance, single-ended mode
Range
Typical Counts
LSBrms
±10 V
2
0.30
Analog output
Table 8. Analog output specifications
Parameter
Conditions
Resolution
Output range
Number of channels
Throughput (Note 4)
Software paced
Single channel, continuous scan
Dual channel, continuous scan,
simultaneous update
Power on and reset voltage
Output drive
Slew rate
Note 4:
Specification
12-bits, 1 in 4096
0 4.096 V, 1 mV per LSB.
2
250 S/s single channel typical, PC dependent
10 kS/s
5 kS/s
Initializes to 000h code
15 mA
0.8V/microsecond (µs) typ
Each D/A OUT
Maximum throughput scanning to PC memory is machine dependent. The rates specified are for
Windows XP only. Maximum rates on operating systems that predate XP may be less and must
be determined through testing on your machine.
Table 9. Analog output accuracy, all values are (±)
Range
Accuracy (LSB)
0-4.096 V
4.0 typ, 45.0 max
Table 10. Analog output accuracy components, all values are (±)
Range
0-4.096 V
Note 5:
% of FSR
0.1 typ, 0.9 max
Gain Error at FS (mV)
Offset (mV)
4.0 typ, 36.0 max
(Note 5)
1.0 typ, 9.0 max
Accuracy at FS
(mV)
4.0 typ, 45.0 max
Negative offsets will result in a fixed zero9 mV, any input code of less than 0x009 will not produce a response in the output.
Digital input/output
Table 11. Digital I/O specifications
Digital type
Number of I/O
Configuration
Pull up/pull-down configuration
Input high voltage
Input low voltage
Output high voltage
(IOH = -2.5 mA)
Output low voltage
(IOL = 2.5 mA)
Power on and reset state
CMOS
16 (Port A0 through A7, Port B0 through B7)
2 banks of 8
All pins pulled up to Vs via 47K resistors (default). Positions available for pull
resistors as a factory
option.
2.0 V min, 5.5 V absolute max
0.8 V max, 0.5 V absolute min
3.8 V min
0.7 V max
Input
27
-
USB-1208FS User's Guide
Specifications
External trigger
Table 12. Digital trigger specifications
Parameter
Conditions
Specification
Trigger source (Note 6)
Trigger mode
External Digital
Software selectable
TRIG_IN
Edge sensitive: user configurable for CMOS compatible
rising or falling edge.
10 µs max
1 µs min
4.0 V min, 5.5 V absolute max
1.0 V max, 0.5 V absolute min
±1.0 µA
Trigger latency
Trigger pulse width
Input high voltage
Input low voltage
Input leakage current
Note 6:
TRIG_IN is a Schmitt trigger input protected with a 1.5 kilohm (
) series resistor.
External clock input/output
Table 13. External clock I/O specifications
Parameter
Conditions
Pin name
Pin type
Software selectable direction
Input clock rate
Clock pulse width
Input leakage current
Input high voltage
Input low voltage
Output high voltage (Note 7)
Output low voltage (Note 7)
Note 7:
Specification
SYNC
Bidirectional
Outputs internal A/D pacer clock.
Receives A/D pacer clock from external source.
50 KHz, maximum
1 µs min
5 µs min
±1.0 µA
4.0 V min, 5.5 V absolute max
1.0 V max, 0.5 V absolute min
3.3 V min
3.8 V min
1.1 V max
0.6 V max
Output (default)
Input
Input mode
Output mode
Input mode
IOH = -2.5 mA
No load
IOL = 2.5 mA
No load
SYNC is a Schmitt trigger input and is over-current protected with a 200
28
series resistor.
USB-1208FS User's Guide
Specifications
Counter
Table 14. Counter specifications
Pin name (Note 8)
Counter type
Number of channels
Input type
Input source
Resolution
Schmidt trigger hysteresis
Input leakage current
Maximum input frequency
High pulse width
Low pulse width
Input high voltage
Input low voltage
Note 8:
CTR
Event counter
1
TTL, rising edge triggered
CTR screw terminal
32 bits
20 mV to 100 mV
±1 µA
1 MHz
500 ns min
500 ns min
4.0 V min, 5.5 V absolute max
1.0 V max, 0.5 V absolute min
CTR is a Schmitt trigger input pr
Non-volatile memory
Table 15. Non-volatile memory specifications
EEPROM
EEPROM Configuration
1,024 bytes
Address Range
Access
Description
0x000-0x07F
0x080-0x1FF
0x200-0x3FF
Reserved
Read/write
Read/write
128 bytes system data
384 bytes cal data
512 bytes user area
Microcontroller
Table 16. Microcontroller specifications
Type
Program Memory
Data Memory
High performance 8-bit RISC microcontroller
16,384 words
2,048 bytes
Power
Table 17. Power specifications
Parameter
Conditions
Supply current (Note 9)
+5V USB power available (Note 10)
Output current (Note 11)
Note 9:
Specification
Connected to self-powered hub
Connected to externally-powered root port hub
Connected to bus-powered hub
Connected to self-powered hub
Connected to externally-powered root port hub
Connected to bus-powered hub
80 mA
4.5 V min, 5.25 V max
4.1 V min, 5.25 V max
420 mA max
20 mA max
This is the total current requirement for the USB-1208FS which includes up to 10 mA for the
status LED.
29
USB-1208FS User's Guide
Specifications
Note 10: Self-powered hub refers to a USB hub with an external power supply. Self-powered hubs allow a
connected USB device to draw up to 500 mA.
Root port hubs reside in
The USB port(s) on your PC are root port
hubs. All externally powered root port hubs (desktop PCs) provide up to 500 mA of current for a
USB device. Battery-powered root port hubs provide 100 mA or 500 mA, depending upon the
manufacturer. A laptop PC that is not connected to an external power adapter is an example of a
battery-powered root port hub.
Bus powered hubs receive power from a self-powered or root port hub. In this case the
maximum current available from the USB +5 V is 100 mA. The minimum USB +5 V voltage
level can be as low as 4.1 V.
Note 11: This refers to the total amount of current that can be sourced from the USB +5 V, analog outputs
and digital outputs.
General
Table 18. General specifications
Parameter
Conditions
Specification
Device type
Device compatibility
USB 2.0 full speed
USB 1.1, USB 2.0
Environmental
Table 19. Environmental specifications
Operating temperature range
Storage temperature range
Humidity
0 to 70 °C
-40 to 70 °C
0 to 90% non-condensing
Mechanical
Table 20. Mechanical specifications
Dimensions
USB cable length
User connection length
79 millimeters (mm) long x 82 mm wide x 25 mm high
3 meters max
3 meters max
Main connector and pin out
Table 21. Main connector specifications
Connector type
Wire gauge range
Screw terminal
16 AWG to 30 AWG
30
USB-1208FS User's Guide
Specifications
4-channel differential mode
Pin
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Signal Name
CH0 IN HI
CH0 IN LO
AGND
CH1 IN HI
CH1 IN LO
AGND
CH2 IN HI
CH2 IN LO
AGND
CH3 IN HI
CH3 IN LO
AGND
D/A OUT 0
D/A OUT 1
AGND
CAL
GND
TRIG_IN
SYNC
CTR
Pin
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
Signal Name
Port A0
Port A1
Port A2
Port A3
Port A4
Port A5
Port A6
Port A7
GND
PC+5V
GND
Port B0
Port B1
Port B2
Port B3
Port B4
Port B5
Port B6
Port B7
GND
Pin
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
Signal Name
Port A0
Port A1
Port A2
Port A3
Port A4
Port A5
Port A6
Port A7
GND
PC+5V
GND
Port B0
Port B1
Port B2
Port B3
Port B4
Port B5
Port B6
Port B7
GND
8-channel single-ended mode
Pin
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Signal Name
CH0 IN
CH1 IN
AGND
CH2 IN
CH3 IN
AGND
CH4 IN
CH5 IN
AGND
CH6 IN
CH7 IN
AGND
D/A OUT 0
D/A OUT 1
AGND
CAL
GND
TRIG_IN
SYNC
CTR
31
Declaration of Conformity
Manufacturer:
Address:
Category:
Measurement Computing Corporation
10 Commerce Way
Suite 1008
Norton, MA 02766
USA
Electrical equipment for measurement, control and laboratory use.
Measurement Computing Corporation declares under sole responsibility that the product
USB-1208FS
to which this declaration relates is in conformity with the relevant provisions of the following standards or other
documents:
EU EMC Directive 89/336/EEC: Electromagnetic Compatibility, EN 61326 (1997) Amendment 1 (1998)
Emissions: Group 1, Class A
EN 55011 (1990)/CISPR 11: Radiated and Conducted emissions.
Immunity: EN61326, Annex A
IEC 1000-4-2 (1995): Electrostatic Discharge immunity, Criteria C.
IEC 1000-4-3 (1995): Radiated Electromagnetic Field immunity Criteria A.
IEC 1000-4-4 (1995): Electric Fast Transient Burst immunity Criteria C.
IEC 1000-4-5 (1995): Surge immunity Criteria A.
IEC 1000-4-6 (1996): Radio Frequency Common Mode immunity Criteria A.
IEC 1000-4-8 (1994): Magnetic Field immunity Criteria A.
IEC 1000-4-11 (1994): Voltage Dip and Interrupt immunity Criteria A.
Declaration of Conformity based on tests conducted by Chomerics Test Services, Woburn, MA 01801, USA in
August, 2004. Test records are outlined in Chomerics Test Report #EMI3948.04.
We hereby declare that the equipment specified conforms to the above Directives and Standards.
Carl Haapaoja, Director of Quality Assurance