Neste artigo, Diego Riquero aborda uma das tecnologias em desenvolvimento na busca por diminuir o impacto ambiental do mercado automotivo
artigo por Diego Riquero Tournier fotos Arquivo Bosch
Nesta entrega vamos abordar uma das tecnologias em desenvolvimento nessa busca por diminuir o impacto ambiental do mercado automotivo, mas sem entrar em nenhum aspecto político, ecológico ou de mercado; estaremos apenas abordando o conceito de funcionamento dos veículos que utilizam como fonte de energia o Hidrogênio, formando a partir de um princípio eletroquímico, corrente elétrica para propulsão de motores elétricos de alta tensão.
A mencionada tecnologia, passou a ser denominada dentro do ambiente automotivo como: “Células de combustível”.
Para compreender o funcionamento da mesma, vamos estudar os componentes e suas funções dentro do sistema.
A base de um veículo movido a célula de combustível, traz como proposta utilizar o hidrogênio como fonte de energia para gerar corrente elétrica, diminuindo a dependência de grandes e pesadas baterias de alta tensão para armazenar energia, passando a ser o veículo propriamente dito, uma espécie de “usina de geração elétrica”, oferecendo autonomia e velocidade de recarregamento.
Claro que há desafios a serem superados por esta tecnologia, sendo o mais crítico neste momento, a alta complexidade do sistema e o respectivo custo de produção.
Para começar com a compreensão do sistema, vamos entrar no processo de geração de corrente elétrica, através de uma célula de combustível.
A figura 1 mostra uma célula de combustível a qual é composta por diversas placas formando um grande conjunto de células conhecido com o nome de “Cell Stack” transformando esse grande número de células, em uma pilha de grandes proporções.
Em uma célula de combustível como a que vemos na figura 1, vai ser possível identificar um lado negativo, no qual se encontra uma concentração de hidrogênio (H2), formando desta forma, o ânodo da célula (1).
No outro extremo da célula, será possível identificar o cátodo (2), quem representa o lado positivo agrupando uma concentração de oxigênio (O2).
Para compreender o processo eletroquímico que acontece dentro da célula, devemos partir da base de uma molécula de Hidrogênio a qual possui 2 átomos (por este motivo a sua representação química é H2), da mesma forma, uma molécula de Oxigênio (H2), também possui 2 átomos.
Desta forma, vamos contar com 2 eletrodos polarizados constituídos nos dois extremos da célula; um deles com um potencial elétrico negativo, e o outro com potencial elétrico positivo; no meio da célula atuando como separador dos polos, vamos encontrar uma membrana eletrolítica (3).
Dentro da constituição química do átomos, vamos encontrar prótons com carga positiva, nêutrons sem cara elétrica (carga neutra), assim como também, os elétrons com carga negativa; do ponto de vista do comportamento elétrico de um átomo, o que interessa saber é, a capacidade de cada tipo de átomo para liberar elétrons (carga negativa), fator que determinará a capacidade de estabelecer um fluxo de elétrons (por eletropositividade), ou seja, a formação de uma corrente elétrica.
No caso das células de combustível, a membrana eletrolítica que separa os dois polos, tem a particularidade de deixar passar através dela, apenas os prótons (carga positiva), ou seja, os elétrons (carga negativa), no podem fluir através da membrana (3), estabelecendo uma diferencia de potencial elétrico entre os dois extremos da célula e consequentemente, um fluxo de elétrons (corrente elétrica), estabelecida através da conexão na parte superior do desenho.
Quando os prótons atravessam a membrana eletrolítica (3), e fluem desde o ânodo para o cátodo, os 2 átomos de hidrogênio junto com o oxigênio presente no outro lado da membrana, vão formar átomos de H₂O (água); isto quer dizer que, além da geração da corrente elétrica provocada pelo fluxo de elétrons, a célula de combustível terá como resultado do processo eletroquímico, a formação de água.
Este fenômeno (formação de água) poderá ser observado na saída do escapamento de um veículo propulsionado por células de combustível durante o funcionamento normal do mesmo.
Desta forma, e seguindo a explicação apresentada acima, uma célula de combustível, gera seu potencial elétrico, o qual será multiplicado pela quantidade de células individuais que compõe o conjunto de células (4).
Toda a geração da corrente elétrica acontece dentro da unidade de poder e seus respectivos circuitos como mostra a figura 2.
Desta forma vemos que, em esse grande e complexo componente (geralmente com um peso aproximado aos 100Kg para um veículo da linha leve), se encontram os circuitos responsáveis pela administração do hidrogênio (H2), conformando o ânodo do gerador, um circuito responsável pela gestão do Oxigênio (Cátodo – O2), os quais juntos formam o pack de células de combustível, somando também uma eletrônica de controle e gerenciamento do sistema, e um circuito responsável pela gestão térmica (arrefecimento), o qual é extremamente sensível ás variações de temperatura geradas pelo próprio principio de funcionamento do sistema.
Na figura 3 vemos o sistema completo que compõe um veículo movido a célula de hidrogênio, do qual analisaremos os diferentes subsistemas e seus respectivos componentes.
Ao lado direito da imagem (3), podemos ver representados os subsistemas com diferentes cores, dessa forma vemos na cor verde, o subsistema de hidrogênio, para o qual, ficam em destaque os tubos de pressão que têm a função de atuar como depósito de combustível (H2), pressurizado (geralmente acima de 400 bar), para o funcionamento do anodo da unidade FCPM.
O hidrogênio proveniente dos tubos de pressão, vai alimentar o conjunto de células de combustível representado no esquema com o número (1), local no qual será gerada a corrente elétrica.
Com o número (2) representado na cor azul, se encontra o subsistema de Ar, composto por um compressor elétrico de ar, similar ao funcionamento de um turbo de acionamento elétrico.
A continuação do compressor elétrico de ar, se encontra representado o sistema de controle de umidade do ar (2ª), sendo este, um dispositivo de extrema importância para que o processo eletroquímico baseado em uma reação catalítica, que se desenvolve dentro das células de combustível (1), aconteça uma condição muito especifica relacionada à condição de umidade do ar; ou seja, é necessário controlar o índice de umidade do ar que entra no catodo da unidade FCPM.
Para o correto funcionamento da unidade de poder (FCPM), é necessário contar com um controle térmico muito eficiente, já que, como resultado dos processos eletroquímicos se formará calor o qual deve ser monitorado e controlado com altíssima precisão.
Para este fim, o subsistema térmico, representado no esquema com a cor violeta, tem como principal função manter o processo da reação química em condição estável, e sempre com um nível da temperatura homogêneo.
Desta forma, o sistema de controle térmico conta com fluido refrigerante de circulação forçada, trocadores de temperatura (radiador), e eletro ventiladores para forçar o fluxo de ar, promovendo uma troca térmica eficiente através do fluido de refrigeração.
Uma vez que a unidade de poder (FCPM), fornece a energia elétrica, a mesma passa a ser administrada pelo sistema de Powertrain elétrico representado no esquema pela cor laranja.
Para essa finalidade, o veículo conta com os mesmos componentes que equipam o trem de força de um sistema de alta tensão de um carro elétrico (HV); em resumo, podemos dizer que a partir deste ponto em diante, contaremos com os mesmos componentes de um veículo elétrico.
Com o número (3), vemos o inversor de frequência, quem tem a função de regular a entrega de energia para o motor elétrico (4), assim como, gerenciar os processos de conversão de corrente contínua em corrente alternada e vice-versa, além disso, o inversor deve administrar processos importantes como o freio regenerativo, acionamento de atuadores de alta tensão como Ar-condicionado e carregamento da bateria de baixa tensão 12v (7).
Dependendo da configuração de cada fabricante, o veículo poderá estar equipado com uma bateria de alta tensão (5), como fonte alternativa, mas para todos os casos, se trata de uma bateria de baixa capacidade de armazenamento, já que, o sistema não precisa de baterias de tração para funcionar, e geralmente a utilização das mesmas encarece muito os projetos.
Com o número (6), vemos uma unidade de gestão eletrônica (ECU), responsável por toda a inteligência do sistema suportado no circuito de baixa tensão de 12V por uma bateria convencional (7).
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