Desempenho de uma stack fuel cell PEM alimentada a hidrogênio conectada a inversor carregador para sistemas de backup

Abstract

Resumo: O aumento da demanda por energia e a necessidade de reduzir a dependência de fontes não renováveis têm impulsionado a busca por soluções sustentáveis para geração elétrica. A crescente população e a melhoria da qualidade de vida pressionam o setor energético, historicamente sustentado por combustíveis fósseis. O hidrogênio e as células de combustível (CaC) têm emergido como alternativas promissoras para a geração de energia limpa e descentralizada. Este estudo se concentra na aplicação de hidrogênio em células a combustível do tipo membrana trocadora de prótons (PEM) para implementação de um sistema de backup de energia em corrente alternada, utilizando um inversor híbrido off-grid comercializado para sistemas fotovoltaicos. A célula a combustível H-5000 foi submetida a ensaios de corrente contínua com degraus discretos e progressivos de carga, bem como à caracterização para alimentação CC do inversor. Durante esses ensaios, os maiores degraus discretos de carga resultaram em quedas significativas de tensão, com a célula apresentando dificuldades operacionais para degraus superiores a 60 A, resultando no desligamento do sistema. Já nos testes com degraus progressivos de carga, a tensão da célula variou de 116 V em circuito aberto para 63 V em potência máxima de 4.423,6 W a 70 A. Episódios de subtensão e sobretensão foram identificados durante o ensaio de degraus progressivos, os quais estão relacionados à desidratação do ânodo e à elevada umidade, respectivamente. A análise da curva de polarização revelou o comportamento típico de uma célula a combustível, apresentando as quedas de tensão associadas a perdas por ativação e ôhmicas. A caracterização da célula em corrente alternada demonstrou que, apesar do inversor híbrido off-grid ser capaz de alimentar cargas em CA, ele não conseguiu extrair todo o potencial da célula a combustível devido à configuração do MPPT integrado. Contudo, a curva de polarização obtida com a CaC alimentando a fonte bidirecional quando comparada com a curva obtida com a CaC suprindo o inversor de tensão, mostrou comportamentos elétricos semelhantes, sugerindo que é viável a aplicação da Stack PEM na configuração proposta com o inversor como fonte geradora para backup de energia, desde que sejam considerados os desafios identificados como o dimensionamento do sistema, os degraus de carga elevado e deixar com que o banco de baterias lide com oscilações de carga enquanto a célula atua como fonte principal.

Abstract: The increase in energy demand and the need to reduce dependence on nonrenewable sources have driven the search for sustainable solutions in power generation. The growing population and improved quality of life put pressure on the energy sector, which has historically relied on fossil fuels. Hydrogen and fuel cells (FCs) have emerged as promising alternatives for clean and decentralized energy generation. This study focuses on the application of hydrogen in proton exchange membrane (PEM) fuel cells to implement an AC backup power system using an offgrid hybrid inverter marketed for photovoltaic systems. The H-5000 fuel cell was subjected to direct current tests with discrete and progressive load steps, as well as characterization for DC feeding of the inverter. During these tests, larger discrete load steps resulted in significant voltage drops, with the cell facing operational challenges at loads exceeding 60 A, causing the system to shut down. In tests with progressive load steps, the cell voltage ranged from 116 V in open circuit to 63 V at a maximum power of 4,423.6 W at 70 A. Undervoltage and overvoltage episodes were identified during progressive step testing, attributed to anode dehydration and high humidity, respectively. The polarization curve analysis revealed the typical behavior of a fuel cell, showing voltage drops associated with activation and ohmic losses. The characterization of the cell in alternating current demonstrated that, while the off-grid hybrid inverter could power AC loads, it could not extract the full potential of the fuel cell due to the integrated MPPT configuration. However, the polarization curve obtained with the FC powering the bidirectional source, compared to the curve obtained with the FC supplying the voltage inverter, showed similar electrical behaviors. This suggests that the proposed configuration of the PEM stack with the inverter as a power source for energy backup is feasible, provided that the identified challenges are addressed, such as system sizing, high load steps, and allowing the