MXPA06013053A - Cartucho con suministrador de combustible y apilamiento de celdas de disposicion de electrodo de membrana. - Google Patents

Cartucho con suministrador de combustible y apilamiento de celdas de disposicion de electrodo de membrana.

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Abstract

La presente invencion esta dirigida a un sistema de celda de combustible con diversas caracteristicas para operaciones optimas de un dispositivo electronico. El sistema de celda de combustible incluye un cartucho de combustible con un reservorio de combustible que contiene combustible y una disposicion de electrodo de membrana (MEA) o un apilamiento de celdas. El cartucho de combustible esta selectivamente asociado operativamente con el dispositivo electronico para energizar el dispositivo. En una realizacion, el cartucho de combustible puede ser recibido dentro de una camara en el dispositivo electronico. En otra realizacion, el cartucho de combustible puede estar operativamente asociado con el dispositivo electronico a la vez que esta externo al mismo.

Description

i CARTUCHO CON SUMINISTRADOR DE COMBUSTIBLE Y APILAMIENTO DE CELDAS DE DISPOSICIÓN DE ELECTRODO DE MEMBRANA CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere en forma general a sistemas para celdas de combustible, y más particularmente a sistemas de combustible que utilizan celdas de combustible y cartuchos de combustible/ y aún más particularmente, esta invención se refiere a incorporar una disposición de electrodo de membrana dentro del cartucho de combustible.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las celdas de combustible son dispositivos que convierten directamente energía química de reactivos, es decir, combustible y oxidante, en electricidad de corriente continua (CC) . Para un creciente número de aplicaciones, las celdas de combustible son más eficientes que la generación de energía convencional, tal como la combustión de un combustible fósil y más eficiente que el almacenamiento de energía portátil, tal como las baterías de iones de litio.
En general, las tecnologías de celda de combustible incluyen una variedad de celdas de combustible diferentes, tales como celdas de combustible alcalino, celdas de combustible de electrolito de polímero, celdas de combustible de ácido fosfórico, celdas de combustible de carbonato fundido, celdas de combustible de óxido sólido y celdas de combustible de enzimas. Algunas celdas utilizan hidrógeno (H2) comprimido como combustible. El hidrógeno comprimido está generalmente mantenido bajo alta presión y es por lo tanto difícil de manejar. Más aún, se requieren típicamente grandes tanques de almacenamiento, y no pueden ser fabricados suficientemente pequeños para dispositivos electrónicos de consumo. Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) utilizan metanol (CH3OH) , borohidruro de sodio (NaBH4) , hidrocarburos (tales como butano) u otros combustibles reformados en combustible de hidrógeno. Celdas de combustible reformado convencionales requieren reformadores y otros sistemas de vaporización y auxiliares para convertir combustibles a hidrógeno para reaccionar con el oxidante en la celda de combustible. Avances recientes hacen prometedoras las celdas de combustibles reformadoras o reformadas para dispositivos electrónicos de consumo. Otras celdas de combustible PEM utilizan combustible de metanol (CH30H) directamente ("celda de combustible de metanol directo" o DMFC) . La DMFC, donde el metanol reacciona directamente con el oxidante en la celda de combustible, es la celda de combustible más simple y potencíalmente más pequeña, y además posee un poder de aplicación prometedor para dispositivos electrónicos de consumo. Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) convierten combustibles de hidrocarburos, tales como butano, a calor elevado para producir electricidad. La SOFC requiere temperatura relativamente alta en el rango de 1000°C para que ocurra la reacción de celda de combustible.
Las reacciones químicas que producen electricidad son diferentes para cada tipo de celda de combustible. Para la DMFC, la reacción electroquímica en cada electrodo y la reacción global para una celda de combustible de metanol directo se describen como sigue: Hemirreacción en el ánodo: CH3OH + H0 ? C02 + 6H+ + 6e~ Hemirreacción en el cátodo: La reacción global de la celda de combustible: CH3OH + 1,502 ? C02 + 2H20 Debido a la migración de los iones hidrógeno (H+) a través de la PEM desde el ánodo hacia el cátodo y debido a la incapacidad de los electrones libres (e~) para atravesar la PEM, los electrones fluyen a través de un circuito externo, produciendo de esta forma una corriente eléctrica a través del circuito externo. El circuito externo puede ser utilizado para energizar muchos dispositivos electrónicos de consumo, tales como teléfonos móviles o celulares, calculadoras, asistentes digitales personales, computadoras laptop, y herramientas de energía, entre otros.
La DMFC se discute en las patentes de EE.UU. Nros. 5.992.008 y 5.945.231, las cuales se incorporan en la presente como referencia en su totalidad. Generalmente, la PEM está hecha de un polímero, tal como Nafion® disponible de DuPont, que es un material perfluorado que tiene un espesor en el rango de aproximadamente 0,05 mm a aproximadamente 0,50 mm, u otras membranas adecuadas. El ánodo está hecho típicamente de un soporte de papel de carbón Teflonizado con una fina capa de catalizador, tal como platino-rutenio, depositada sobre él. El cátodo es típicamente un electrodo de difusión de gas en el cual están unidas partículas de platino a un lado de la membrana .
Otra reacción de celda de combustible para una celda de combustible reformadora de borohidruro de sodio, es como sigue : NaE-Há (acuoso) + 2H¿D — > (calor o catalizador) — » 4 (H2) + (NaBCfe) (acuoso) Hemi-reacción en el ánodo: H2 ? 2H+ -. 2e~ Hemi-reacción en el cátodo: 2 ( 2H+ + 2e") + 02 - 2H20 Catalizadores adecuados para esta reacción incluyen platino y rutenio, y otros metales. El combustible de hidrógeno producido a partir de reformar borohidruro de sodio reacciona en la celda de combustible con un oxidante, tal como 02, para crear electricidad (o un flujo de electrones) y agua como producto secundario. El producto secundario borato de sodio (NaB02) también es producido por el proceso de reformado. Una celda de combustible de borohidruro de sodio se discute en la solicitud de patente de EE.UU. publicada N° 2003/0082427, que se incorpora en la presente como referencia.
Una de las características más importantes para la aplicación de celda de combustible es el almacenamiento de combustible. El suministrador de combustible debería ser también fácilmente insertable dentro de la celda de combustible o el dispositivo electrónico que la celda de combustible energiza. Adicionalmente, el suministrador de combustible debería ser fácilmente reemplazable o rellenable.
La publicación de la solicitud de patente de EE.UU. N° 2003/0082427 divulga un cartucho de combustible donde el combustible de borohidruro de sodio es reformado dentro del cartucho para formar hidrógeno y producto secundario. No obstante, el arte previo no divulga un suministrador de combustible que permita in situ la producción de combustible o que contenga reactivos tratables con almacenamiento no-corrosivo, de bajo costo, o suministradores de combustible con las ventajas y características descriptas a continuación.
Típicamente, la disposición de electrodo de membrana (de aquí en adelante, MEA) está ubicada dentro de una celda de combustible la cual está ubicada dentro de dispositivos electrónicos de consumo. Las solicitudes de patente de EE.UU. publicadas N° 2003/0082416 y 2003/0082426 divulgan tales dispositivos. En tales dispositivos, el suministrador de combustible es removible y almacenado en un cartucho. La vida de la MEA está usualmente limitada por la vida de la PEM. La eficiencia de la PEM es susceptible a diversos factores tales como caudal de combustible, concentración de iones metálicos en el combustible, temperatura del combustible, y temperatura ambiente/del apilamiento de celdas. Cuando la eficiencia de la PEM está a un nivel suficientemente bajo, la PEM debe ser reemplazada o renovada. La reparación frecuente de la PEM es indeseable dado que requiere reparar el dispositivo electrónico.
Existe una necesidad para un sistema de combustible que permita la reparación o mantenimiento de la PEM sin mantener el dispositivo electrónico.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN La presente invención está dirigida a un sistema de celda de combustible que comprende un dispositivo electrónico que tiene un alojamiento que define una cámara de cartucho de combustible y un cartucho de combustible removiblemente admisible en la cámara de cartucho de combustible. El cartucho de combustible contiene al menos una disposición de electrodo de membrana o un apilamiento de celdas (del inglés, stack) , y un reservorio de combustible que contiene combustible. El combustible es transportado hacia la disposición de electrodo de membrana para la conversión a electricidad para energizar el dispositivo electrónico. El dispositivo electrónico puede tener un controlador que controla las funciones del dispositivo electrónico y el cartucho de combustible, y el balance de planta ocurre al menos parcialmente dentro del dispositivo electrónico. La presente invención también está dirigida a un cartucho para celdas de combustible adaptado para ser insertado a un dispositivo electrónico para suministrar electricidad al dispositivo electrónico. El cartucho para celda de combustible tiene una disposición de electrodo de membrana o un apilamiento de celdas, y un reservorio de combustible que contiene combustible. El combustible reacciona en la disposición de electrodo de membrana para producir la electricidad.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS En los dibujos anexos, que forman parte de la memoria descriptiva y están destinados a ser leídos en conjunto con ésta y en los cuales números de referencia similares son utilizados para indicar partes similares, en diversas vistas: La Fig. 1 es una vista esquemática de un sistema de celda de combustible de la presente invención que incluye un cartucho de combustible con un reservorio de combustible y una MEA o un apilamiento de celdas, en donde el cartucho de combustible está operativamente conectado al dispositivo electrónico; La Fig. 2 es una vista esquemática despiezada del sistema de celda de combustible de la Fig. 1, en donde el cartucho de combustible está removido del dispositivo electrónico; La Fig. 3 es una vista esquemática de un sistema de celda de combustible alternativo de la presente invención en donde el cartucho de combustible es utilizado externamente al dispositivo electrónico; La Fig. 4 es una vista esquemática de aún otro sistema de celda de combustible alternativo de la presente invención en donde el cartucho de combustible es utilizado externamente a dos dispositivos electrónicos; y La Fig. 5 es una vista esquemática de un cartucho para celda de combustible de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS Como se ilustra en los dibujos anexos y se discute en detalle más adelante, la presente invención está dirigida a un sistema de celda de combustible, que utiliza combustibles de celdas de combustible tales como metanol y agua, mezcla de metanol/agua, mezclas de metanol/agua de concentraciones variables o metanol puro. El metanol es utilizado en muchos tipos de celdas de combustible, por ejemplo, DMFC, celdas de combustible de enzimas, celdas de combustible reformado, entre otras. El sistema de celda de combustible puede contener otros tipos de combustibles para celdas de combustible, tales como etanol o alcoholes, agentes químicos que pueden ser reformados en hidrógeno, u otros agentes químicos que pueden mejorar la performance o eficiencia de las celdas de combustible. Combustibles también incluyen electrolito de hidróxido de potasio (KOH) , que es utilizable con celdas de combustible de metales o celdas de combustible de álcalis, y puede ser almacenado en suministradores de combustible. Para celdas de combustible de metales, el combustible se encuentra en la forma de fluido con partículas de zinc inmersas en una solución de reacción de KOH electrolítico, y los ánodos dentro de las cavidades de celda son ánodos particulados formados por las partículas de zinc. La solución de KOH electrolítico está descripta en la solicitud de patente de EE.UU. publicada N° 2003/0077493, titulada "Method of Using Fuel Cell System Configured to Provide Power to One or more Loads", publicada el 24 de Abril de 2003, la cual es incorporada aquí como referencia en su totalidad. Combustibles también incluyen una mezcla de metanol, peróxido de hidrógeno y ácido sulfúrico, que fluye a través de un catalizador formado sobre chips de silicio para crear una reacción de celda de combustible. Combustibles también incluyen borohidruro de sodio (NaBH-¡) acuoso y agua, discutidos anteriormente. Combustibles incluyen adicionalmente combustibles de hidrocarburos, los cuales incluyen, pero no están limitados a, butano, kerosene, alcohol y gas natural, descriptos en la solicitud de patente de EE.UU. publicada N° 2003/0096150, titulada "Liquid Hereto-Interface Fuel Cell Device", publicada el 22 de Mayo de 2003, la cual es incorporada aquí como referencia en su totalidad. Butano es un combustible adecuado para celdas de combustible de óxido sólido. Combustibles también incluyen oxidantes líquidos que reaccionan con los combustibles. La presente invención no está, por lo tanto, limitada a ningún tipo de combustibles, soluciones electrolíticas, soluciones oxidantes o líquidos o sólidos contenidos en el suministrador, o utilizados de otra forma por el sistema de celda de combustible. El término "combustible" tal como se utiliza en la presente, incluye todos los combustibles que pueden hacerse reaccionar en celdas de combustible o en el suministrador de combustible, e incluye, pero no está limitado a, todos los combustibles adecuados anteriores, soluciones electrolíticas, soluciones oxidantes, líquidos, sólidos y/o agentes químicos y mezclas de los mismos.
Tal como se utiliza en la presente, el término "suministrador de combustible" incluye, pero no está limitado a, cartuchos descartables, cartuchos rellenables/reutilizables, contenedores, cartuchos que residen dentro del dispositivo electrónico, cartuchos removibles, cartuchos que están fuera del dispositivo electrónico, tanques de combustible, reservorios de combustible, tanques rellenables de combustible, otros contenedores que almacenan combustible y los tubos conectados a los tanques de combustible y contenedores.
Mientras que un cartucho es descripto más adelante en conjunción con las realizaciones de ejemplo de la presente invención, se hace notar que estas realizaciones también son aplicables a otros suministradores de combustible y la presente invención no está limitada a ningún tipo particular de suministradores de combustible.
Tal como se ilustra en los dibujos anexos y se discute en detalle a continuación, la presente invención está dirigida a un sistema de celda de combustible 10 para energizar una carga 11, tal como se muestra en la Fig. 1. La carga 11 es típicamente un dispositivo electrónico que el cartucho de la celda de combustible 12 energiza. En la primera realización del sistema de celda de combustible 10, la carga o dispositivo electrónico 11 es el circuito externo y funciones asociadas con cualesquiera dispositivos electrónicos útiles de consumo. En esta realización, el dispositivo electrónico 11 incluye un alojamiento 14 que define la cámara de cartucho de combustible 16 (mostrada en la Fig. 2) para recibir removiblemente el cartucho de celda de combustible 12. En la Fig. 1, el cartucho 12 es recibido en la cámara 16 y el cartucho 12 está operativamente conectado al dispositivo electrónico 11. Cuando el cartucho de combustible 12 está vacío de combustible, un usuario puede separar el cartucho del dispositivo electrónico e insertar otro cartucho o rellenar el cartucho vacío, tal como se muestra en la Fig. 2 .
El dispositivo electrónico 11 puede incluir teléfonos móviles o celulares, calculadoras, herramientas de energía, herramientas de jardinería, asistentes personales digitales, cámaras digitales, computadoras laptop, sistemas de juegos de computadora, sistemas de música portátil (MP3 o reproductores de CD) , sistemas de posicionamiento global y equipos de campamento, entre otros.
La Fig. 1 contiene dos conjuntos de líneas conectoras. El primer conjunto de líneas conectoras comprende fluido, esto es, líquido y gas, líneas, las cuales tienen flechas para mostrar la dirección de flujo. El segundo conjunto de líneas conectoras comprende líneas eléctricas, las cuales tienen círculos oscuros en las intersecciones para mostrar la conectividad eléctrica. Mientras que esta realización está descripta en la presente con respecto a la celda de combustible de metanol directo, se entiende que esta realización es adecuada para cualquier celda de combustible.
El dispositivo electrónico 11 preferiblemente incluye los siguientes componentes electrónicamente controlados: primer contacto eléctrico 18, cámara 16 adaptada para recibir el cartucho de celda de combustible 12, controlador 20, batería opcional 21, bomba 22, medidor de flujo 24, sensor de concentración de combustible 25 y válvula medidora de agua 26. El controlador 20 está en comunicación eléctrica con estos dispositivos. Además, el dispositivo electrónico 11 incluye los siguientes componentes para fluidos: cámara de aire 28, separador de dióxido de carbono 30, condensador 32, y cámara de mezclado 34. Estos componentes para fluidos están en comunicación de fluidos unos con otros o con otros componentes para fluidos, tal como se discute a continuación. Más aún, el dispositivo electrónico incluye una pluralidad de componentes de válvula 36b, 38b, 40b, 42b, 44b para conectar a la celda diversos componentes para fluidos en el dispositivo electrónico 11 a diversos componentes para fluidos en el cartucho de celda de combustible 12 tal como se discute en detalle a continuación.
El cartucho de celda de combustible 12 preferiblemente incluye los siguientes componentes electrónicamente controlados: segundo contacto eléctrico 46, dispositivo de almacenamiento de información 47 y válvula reguladora 50. El contacto 46 está en comunicación eléctrica con el dispositivo de almacenamiento de información 47 y la válvula reguladora 50, y se conecta al primer contacto eléctrico 18. Además, el cartucho de celda de combustible 12 incluye el alojamiento 51 (mostrado en punteado) que contiene el reservorio de combustible 52, la disposición de electrodo de membrana (MEA) 54 y un intercambiador de calor 56. La MEA o elemento 54 también se refiere a un apilamiento de celdas. Tal como se utiliza en la presente, un apilamiento de celdas incluye al menos una disposición de electrodo de membrana y placas bipolares. El apilamiento de celdas también incluye suministradores opcionales de combustible y oxígeno y componentes de recolección de corriente. El interca biador de calor 56 también puede estar posicionado en el dispositivo electrónico 11. La MEA 54 preferiblemente incluye un ánodo 54a, una membrana de intercambio de protones (PEM) 54b u otra capa de electrolito, y un cátodo 54c. Opcionalmente, el cartucho de celda de combustible 12 puede adicionalmente incluir un filtro de iones 58 y un sensor de iones 60. Estos componentes están en comunicación de fluidos unos con otros o con otros componentes para fluidos, tal como se discute a continuación. Más aún, el cartucho de combustible 12 incluye una pluralidad de componentes de válvula 36a, 38a, 40a, 42a y 44a operativamente asociados con los componentes de válvula 36b, 38b, 40b, 42b, 44b para conectar fluidamente los diversos componentes del cartucho de combustible 12 con los diversos componentes del dispositivo electrónico 11, tal como se discute en detalle a continuación.
Haciendo referencia a la Fig. 1, cuando el cartucho 12 es cargado o insertado dentro de la cámara 16, el primero y segundo contactos eléctricos 18 y 46 se conectan de forma que el controlador 20 está electrónicamente enlazado al dispositivo de almacenamiento de información 47 y a los componentes eléctricos restantes del cartucho 12. Como resultado, el controlador 20 puede recibir información del cartucho de celda de combustible 12 y controlar las funciones de la válvula reguladora 50 y puede leer y escribir al dispositivo de almacenamiento de información 47. Controladores y dispositivos de almacenamiento de información preferidos y sus operaciones se describen en la solicitud de patente co-pendiente, de este mismo solicitante, de EE.UU. N° 10/725237 titulada "Fuel Cell System Including Information Storage Device and a Controlling Syste ", presentada el 1° de Diciembre de 2003. La solicitud '237 está incorporada en la presente como referencia en su totalidad.
Dispositivos de almacenamiento de información adecuados incluyen, pero no están limitados a, memorias de acceso aleatorio (RAM) , memoria de sólo lectura (ROM) , memoria de sólo lectura programable (PROM) , memoria de sólo lectura programable borrable (EPROM) , memoria de sólo lectura programable eléctricamente borrable (EEPROM) , memoria flash, elementos legibles electrónicamente (tales como resistores, capacitancia, inductores, diodos y transistores) , elementos legibles ópticamente (tales como códigos de barra) , elementos legibles magnéticamente (tales como bandas magnéticas) , circuitos integrados (chips de Cl) y arreglos lógicos programables (ALP) y chips inteligentes (tales como aquellos utilizados en baterías), entre otros. El dispositivo de almacenamiento de información preferido incluye ALP y EEPROM, y la presente invención está descripta en la presente con la EEPROM. No obstante, se entiende que la presente invención no está limitada a ningún tipo particular de dispositivo de almacenamiento de información.
Típicamente, la información se almacena como ceros (0) y unos (1) en el sistema binario. Los grupos de estos dígitos binarios forman dígitos octales (grupos de 3 dígitos binarios) o dígitos hexadecimales (grupos de 4 dígitos binarios) . Los dígitos hexadecimales son comúnmente utilizados para facilitar la lectura del dispositivo de almacenamiento de información.
La EEPROM es una memoria de sólo lectura modificable por el usuario que puede ser borrada y re-escrita o reprogramada repetidamente a lo largo de su vida útil a través de la aplicación de un voltaje de escritura superior al normal sobre la misma pata entre otras formas de programación. La EEPROM no necesita ser removida del suministrador de combustible para ser modificada. Ventajosamente, las porciones de una EEPROM pueden ser protegidas contra escritura, esto es, la información escrita originalmente es guardada y protegida del voltaje de escritura, mientras que otras porciones de la EEPROM pueden ser repetidamente re-escritas. Adicionalmente, una EEPROM, similarmente a otras ROM's, no necesita energía eléctrica para mantener la memoria o datos almacenados en la misma. Por lo tanto, cuando un dispositivo eléctrico se enciende, se basa en la información almacenada en una EEPROM para iniciar y correr su programación. Para borrar y re-escribir una EEPROM, un controlador dirige un voltaje predeterminado a una ubicación particular de la EEPROM para almacenar nueva información en la misma .
La EEPROM, así como las otras ROM's, están ampliamente disponibles comercialmente. EEPROM' s adecuadas son disponibles de Ciprés Semiconductor Corp. de San José, CA, y Altera Corp. de San José, CA, ATMEL Corporation of Hayward, CA y Microchip Technology Inc. de Chandler, AZ, entre otros.
En una realización alternativa, la conexión eléctrica entre los contactos primero y segundo 18 y 46 puede ser inalámbrica. Sistemas de transmisión inalámbrica adecuados incluyen tecnología Blue Tooth, radio frecuencia, rayos infrarrojos, etc.
Además del dispositivo de almacenamiento de información lector y escritor 47, el controlador 20 también controla las funciones del dispositivo electrónico 11, y las válvulas, sensores, bombas en el dispositivo electrónico 11 y cartucho 12. Preferiblemente, el alojamiento 17 también soporta al menos una batería opcional 21 para energizar diversos componentes del sistema de celda de combustible 10 y dispositivo electrónico 11 cuando la MEA no está operando o durante el inicio del sistema. Alternativamente, la batería opcional 21 energiza el controlador 20 cuando el cartucho 12 está vacío o cuando la celda de combustible/MEA está apagada. La batería opcional 21 puede ser reemplazada por o utilizada en conjunción con paneles solares.
Bombas 22 adecuadas están completamente descriptas en la solicitud de patente co-pendiente de este mismo solicitante de EE.UU. N° 10/356793, 10/629004, 10/629006. La solicitud '793 titulada "Fuel Cartridge for Fuel Cells", fue presentada el 31 de Enero de 2003. La solicitud '004 titulada "Fuel Cartridge with Flexible Liner", fue presentada el 29 de Julio de 2003. La solicitud '006 titulada "Fuel Cartridge with Connecting Valve", fue presentada el 29 de Julio de 2003. Estas solicitudes de patente están incorporadas a la presente como referencia en su totalidad.
Una bomba adecuada es una bomba piezoeléctrica. Bombas piezoeléctricas adecuadas incluyen aquellas disponibles de PAR Technologies, LLC de Newport News, VA. Las bombas piezoeléctricas no tienen partes móviles y son livianas, compactas, robustas, silenciosas y eficientes. Estas bombas tienen voltajes de excitación superiores a aproximadamente 50 V y toma de corriente, por ejemplo de tan pequeño como aproximadamente 15 miliampers hasta aproximadamente 130 miliampers a un voltaje de entrada desde aproximadamente 2,2 VCC hasta aproximadamente 12 VCC. El caudal de las bombas piezoeléctricas es desde aproximadamente 10 ml/hora hasta aproximadamente 900 ml/hora a presiones en el rango de aproximadamente 0 a aproximadamente 5 psi . El tamaño de' la bomba es desde aproximadamente 0,5 pulgada2 hasta aproximadamente 1,5 pulgada2 por menos que aproximadamente 0,5 pulgadas de espesor. La bomba piezoeléctrica puede estar construida a partir de materiales que son compatibles con los combustibles a ser utilizados con la celda de combustible y cartuchos de combustible. Estas bombas también operan en un amplio rango y tienen prolongado ciclo de vida.
En la presente realización, la bomba 22 está externa al cartucho 12 y está asegurada dentro del alojamiento 17. Como resultado, cuando el cartucho 12 es removido del alojamiento 17, tal como se muestra en la Fig. 2, la bomba permanece dentro del alojamiento 17. La bomba 22 está ubicada corriente arriba de la cámara de mezclado 34 en la presente realización. En una realización alternativa, la bomba 22 puede estar ubicada corriente abajo de la cámara de mezclado 34 (esto es, entre la cámara de mezclado 34 y el componente de válvula 36b) o en otras ubicaciones. También alternativamente, la bomba 22 puede ser omitida y el cartucho 12 puede ser presurizado para dirigir el combustible desde el cartucho 12 a través de una válvula de control hacia el dispositivo electrónico 11.
Con referencia adicional a la Fig. 1, el cartucho de combustible 12 incluye un alojamiento 51 con una cámara 51a para recibir un reservorio de combustible 52. En esta realización, el reservorio de combustible 52 puede incluir un casco exterior o carcasa exterior 52a separados del alojamiento 51. La carcasa exterior puede ser relativamente rígida o flexible. El reservorio de combustible 52 puede estar formado con o sin un revestimiento interno o saco de combustible. Cartuchos sin revestimientos y componentes relacionados se describen en la solicitud '793. Cartuchos con revestimientos internos o sacos se describen en la solicitud '004.
El componente de válvula 36a está adosado al cartucho 12 y el componente de válvula 36b está adosado al dispositivo electrónico 11. La válvula 36a,b es preferiblemente una válvula de dos componentes. Cada componente de válvula es capaz de formar un sello cuando el cartucho de combustible 12 es separado del dispositivo electrónico 11. Válvulas de dos componentes se describen completamente en la solicitud '006.
Cuando el cartucho 12 está dentro de la cámara 16, el combustible dentro del reservorio 52 está en comunicación de fluidos con la cámara de mezclado 34 vía los componentes de válvula 36a,b.
De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, un filtro de iones 58 y un sensor de iones 60 se proveen opcionalmente al cartucho 12. El filtro de iones y el sensor de iones están completamente descriptos en la solicitud de patente co-pendiente, de este mismo solicitante, US N° 10/725235 titulada "Fuel Cell System Including an Ion Filter", presentada el 1° de Diciembre de 2003. El filtro de iones remueve los iones del combustible y extiende la vida de la PEM. El filtro de iones 58 puede estar ubicado dentro de o externo al reservorio de combustible 52. Las partículas de iones pueden ser removidas mediante agentes secuestrantes de iones, agentes quelantes o membrana de intercambio de iones (por ejemplo, materiales PEM) .
El sensor de iones 60 puede asegurar la efectividad del filtro y determinar cuándo el filtro debe ser reemplazado. El sensor de iones 60 está preferiblemente ubicado dentro del cartucho de celda de combustible 12, tal como se muestra, o estar ubicado en el dispositivo electrónico 11. El controlador 20 puede leer el nivel de iones en el combustible utilizando un sensor de iones 60 y escribir esta información al dispositivo de almacenamiento de información 47, de forma que combustible con nivel inaceptable de iones no será utilizado. El sensor de iones 60 puede asegurar el nivel de iones mediante la lectura de conductividad eléctrica del combustible. Una conductividad elevada indica un nivel de iones elevada. El controlador puede chequear el nivel de iones en el combustible siempre que el dispositivo electrónico esté encendido o cuando un cartucho diferente es instalado.
La MEA 54 está tipicamente posicionada entre dos placas bipolares (no mostradas) . En la presente invención, la MEA 54 es preferiblemente recibida por la cámara 53 dentro del cartucho 12. Por lo tanto, la MEA está preferiblemente hecha a partir de un material de bajo costo y puede ser descartada cuando el cartucho 12 está vacío. Una ventaja de una realización de la presente invención es que cuando la MEA es descartable, los filtros de iones y/o sensores de iones pueden ser omitidos. Adicionalmente, la cámara interna 51 o reservorio de combustible 52 puede ser rellenada/o o reemplazada/o, y el cartucho de combustible 12 puede ser reutilizado hasta que la MEA tenga que ser reemplazada. Alternativamente, la MEA o apilamiento de celdas 54 puede ser reemplazada mientras que el resto del cartucho es reutilizable. Esto provee a los diseñadores de celdas de combustible de la opción de utilizar tanto PEM descartable como reutilizable dentro del cartucho de celda de combustible 12.
Preferiblemente, el ánodo 54a y el cátodo 54c están formados por materiales convencionales. La PEM 54b de la MEA está preferiblemente formada por un polímero conductor por iones. Polímeros conductores por iones adecuados incluyen, pero no están limitados a, un polímero de ácido sulfónico perfluorado recubierto con un catalizador, el cual está disponible como Nafion® de DuPont, descripto anteriormente. Los polímeros recubiertos con catalizador son polímeros de soporte de catalizador conocidos. Catalizadores adecuados incluyen platino y rutenio, o aleaciones de los mismos, entre otros metales. Otro polímero conductor por iones adecuado es el polibenzimidazol (PBl) fabricado por Celanese Fuel Cells-USA, Inc. de Murria Hill, New Jersey. El PBl es una PEM de elevada temperatura que puede operar en el rango de 120°C a 200°C.
Otros polímeros conductores por iones adecuados están descriptos en Davis, T. A., Genders, J. D. y Pletcher, D., "First Course in Ion Permeable Membranes", en páginas 35-37, y en la patente de EE.UU. N° 6.630.518 Bl, los cuales están incorporados a la presente como referencia en su totalidad. Estos polímeros incluyen alqueno no sustituido co-polimerizado con un alqueno funcionalizado que contiene grupos ionizables o sus precursores (por ejemplo, membranas perfluoradas Nafion®') , y alqueno polimerizado y grupos iónicos que son introducidos dentro de la membrana posteriormente. Otros polímeros conductores por iones adecuados incluyen material resistente a la intemperie GoreTex, que es un politetrafluoroetileno (PTFE) , con un polímero perfluorado que rellena los poros, y una capa de fluoruro de polivinilo (PVC) irradiada en una solución de ácido clorosulfónico 2,5%. La patente '518 describe otros polímeros conductores por iones adecuados, incluyendo una membrana de baja permeabilidad que es irradiada y luego sulfonada. Membranas adecuadas incluyen polietileno (PE), polipropileno (PP) , polihexafluoropropileno, policlorotrifluoroetileno, politetrafluoroetileno (PTFE) , fluoruro de polivinilo (PVF) , fluoruro de polivinilideno (PVDF), copolímeros de los mismos y mezclas de los mismos.
Estas membranas y membranas con elevada permeabilidad son utilizables con la presente invención. Otras membranas adecuadas también incluyen aquellas fabricadas por Polyfuel, Inc. Cualesquiera materiales intercambiadores de iones pueden ser utilizados, y material de bajo costo, como aquellos discutidos en este párrafo, pueden ser utilizados porque la MEA puede ser reemplazada cuando el cartucho está vacío o cuando la eficiencia de la MEA ha disminuido significativamente.
Como resultado de las reacciones en el ánodo 54a, el producto secundario gaseoso que incluye dióxido de carbono es formado sobre el lado ánodo de la reacción DMFC. Estos productos secundarios gaseosos y el combustible no tratado, de existir, son transportados al separador de dióxido de carbono 30 en el dispositivo electrónico 11 vía los componentes de válvula 38a, b. La válvula 38a, b puede ser una válvula de dos componentes similar a la válvula 36a,b. El separador de dióxido de carbono 30 separa el dióxido de carbono del combustible no utilizado, utilizando la flotabilidad natural del gas. Adicionalmente, el separador de dióxido de carbono 30 tiene una válvula de alivio 30a para ventear el dióxido de carbono hacia fuera del dispositivo electrónico 11 a la atmósfera. Las válvulas de alivio pueden ser válvulas de tipo de seguridad a resorte descriptas en la solicitud '004.
Este producto secundario líquido/agua del cátodo es transportado al condensador 32 en el dispositivo electrónico 11 vía los componentes de válvula 40a,b. La válvula 40a,b puede ser una válvula de dos componentes similar a la válvula 36a,b. El condensador 32 recibe el producto secundario agua, condensa el vapor de agua, de existir, y transporta el agua en forma líquida hacia la cámara de mezclado 34. Adicionalmente, el condensador 32 puede incluir la válvula de alivio 32a para ventear cualquier gas hacia fuera del dispositivo electrónico 11 a la atmósfera. Alternativamente, las válvulas de alivio 30a y/o 32a pueden ser reemplazadas con una única válvula de alivio sobre la cámara de mezclado 34.
La válvula 26 regula el flujo de agua y combustible no reaccionado hacia la cámara de mezclado 34 y asiste en la obtención de una concentración de combustible óptima en una mezcla de combustible/agua. El controlador 20 controla la válvula 26 para obtener la concentración combustible/agua adecuada en la cámara 3 .
Una mezcla de combustible/agua de la concentración adecuada es transportada desde la cámara 34 mediante la bomba 22. La concentración de combustible en la mezcla de combustible/agua es medida por el sensor de concentración de combustible 25 y monitoreada y regulada por el controlador 20 utilizando la válvula medidora de agua 26. Tales sensores se describen en las publicaciones de patente de EE.UU. N° 2003/0131663 y 2003/0134162 y en las patentes de EE.UU. N° 6.254.748 y 6.306.285. Estas referencias se incorporan como referencia en la presente.
La mezcla de combustible/agua fluye desde la bomba 22 hacia el intercambiador de calor 56 en el cartucho de combustible 12 vía los componentes de válvula 44a,b. Las válvulas 44a, pueden ser una válvula de dos componentes similar a la válvula 36a,b. Dado que la MEA y más particularmente la PEM pueden ser sensibles a la temperatura del combustible, el intercambiador de calor 56 enfría el combustible hasta un rango de temperatura preferido. El intercambiador de calor puede ser un intercambiador convencional e incluye aletas.
Desde el intercambiador de calor 56, la mezcla de combustible/agua fluye hacia el ánodo 54a de la MEA 54 para reaccionar para generar electricidad para energizar el dispositivo electrónico 11. En esta realización, la válvula reguladora 50 regula el flujo de combustible a la MEA 54. La válvula reguladora 50 puede tener un orificio variable que puede ser abierto a un diámetro predeterminado para regular el flujo. Válvulas reguladoras alternativas se describen en la solicitud '237. Válvulas reguladoras similares se describen en las patentes de EE.UU. N° 4.496.309 y 4.560.345. Estas dos patentes son incorporadas como referencia en la presente en su totalidad.
El dispositivo electrónico 11 adicionalmente incluye una cámara de aire 28 que contiene aire. El aire fluye desde la cámara de aire 28 hacia el cátodo 54c en el cartucho de combustible 12 vía los componentes de válvula 42a,b. Las válvulas 42a,b pueden ser una válvula de dos componentes similar a la válvula 36a,b. Alternativamente, el aire puede ser suministrado desde el ambiente que rodea directamente al cátodo o a través del dispositivo electrónico antes de recibir el cátodo. Una bomba o ventilador puede también ser utilizado para transportar aire.
Tal como se muestra en las Figs. 1 y 2, mientras que la MEA está ubicada en el cartucho 12, de forma que puede ser más fácilmente reemplazada, el "balance de planta" es llevado a cabo sustancialmente en un dispositivo electrónico. La ventaja de esto es que ese balance de planta puede incluir ítems sensibles o caros, por ejemplo, controlador (es) , bomba(s), que son más adecuadas para estar en el dispositivo electrónico.
Dependiendo del costo y confiabilidad, estos ítems pueden también estar ubicados en el cartucho.
Haciendo referencia a la Fig. 3, de acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se provee un cartucho de combustible 112 y está adaptado para operar con un dispositivo electrónico 111 mientras que está ubicado externamente al dispositivo. El dispositivo electrónico 111 incluye los diversos componentes electrónicos y para fluidos del dispositivo 111 incluyendo el primer contacto 118. En la presente realización, el primer contacto incluye componentes para conectar eléctrica y fluidamente los componentes del dispositivo 111 al cartucho de combustible 112. El cartucho de combustible 112 incluye los diversos componentes electrónicos y para fluidos del cartucho 12 incluyendo un segundo contacto 146. En la presente realización, el segundo contacto incluye componentes para conectar eléctrica y fluidamente los componentes del dispositivo 111 al cartucho de combustible 112 cuando los contactos 118 y 146 están operativamente asociados. En una realización alternativa, el cartucho de combustible 112 puede ser incorporado dentro de una estación de acoplamiento que tiene el segundo contacto y una plataforma opcional para soportar la laptop 111 durante el uso.
Haciendo referencia a la Fig. 4, de acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se provee el cartucho de combustible 212 como una estación o cubo o colector/distribuidor de carga de combustible central y está adaptado para operar con dos o más dispositivos electrónicos 211 mientras están externos al dispositivo. El cartucho de combustible 212 puede ser diseñado para operativamente asociarse con cualquier número de dispositivos electrónicos 211. Cada dispositivo electrónico 211 incluye los diversos componentes electrónicos y para fluidos del dispositivo 11 incluyendo un primer contacto 218. En la presente realización, el primer contacto incluye componentes para conectar eléctrica y fluidamente los componentes del dispositivo 211 al cartucho de combustible 212. El cartucho de combustible 212 Incluye los diversos componentes electrónicos y para fluidos del cartucho 12 incluyendo un segundo contacto 246 y líneas 246a, b. En la presente realización, el segundo contacto 246 incluye componentes para conectar eléctrica y fluidamente los componentes del dispositivo 211 al cartucho de combustible 212 cuando los contactos 218 y 246 están operativamente asociados.
De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, algunos componentes que están ubicados dentro del dispositivo electrónico 11, mostrado en la Fig. 1, pueden ser movidos dentro o sobre el cartucho 12. Por ejemplo, la bomba 22 y la cámara de mezclado 34 pueden ser movidas hacia el cartucho 12. Adicionalmente, uno o más de los componentes de la cámara de aire 28, el condensador 32 y el separador de C02 30, pueden también ser movidos hacia el cartucho 12.
Alternativamente, la MEA 54 puede ser movida hacia el dispositivo eléctrico 11, y el reservorio de combustible 52, la bomba 22 y la cámara de mezclado 34 están ubicados en el cartucho 12. La mezcla de combustible y agua puede ser preparada en el cartucho antes de ser transportada hacia el dispositivo electrónico 11 para la reacción en la MEA.
De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, todos los componentes de celda de combustible que son mostrados como ubicados en la Fig. 1 son movidos hacia el cartucho 12. Haciendo referencia a la Fig. 5, el cartucho 12 es una celda de combustible única con un suministrador de combustible reemplazable/rellenable 52 y una MEA o apilamiento de celdas reparable/reemplazable. Lo producido por este cartucho 12 es la electricidad producida por la MEA 54. Las ventajas de tal sistema incluye que (i) la MEA puede ser conformada y dimensionada para producir la electricidad necesaria para operar el dispositivo electrónico 11, cualquiera que éste sea y (ii) las conexiones de válvula 36a, b, 38a,b, 40a, b, 42a, b, 44a, b, y conexiones eléctricas 18, 46 pueden ser minimizadas o eliminadas .
Mientras que es evidente que las realizaciones ilustrativas de la invención descriptas en la presente cumplen con los objetivos de la presente invención, se aprecia que numerosas modificaciones y otras realizaciones pueden ser concebidas por aquellos expertos en el arte. Adicionalmente, la/s característica/s y/o elemento/s de cualquier realización puede/n ser utilizado/s en forma única o en combinación con característica/s y/o elemento/s de otra/s realización/es. Por lo tanto, se entenderá que las reivindicaciones anexas pretenden cubrir todas dichas modificaciones y realizaciones, las cuales estarán dentro del espíritu y alcance de la presente invención.

Claims (22)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de celda de combustible que comprende: un dispositivo electrónico con un alojamiento que define una cámara de cartucho de combustible; un cartucho de combustible removiblemente admisible en la cámara de cartucho de combustible, en donde el cartucho de combustible incluye al menos una disposición de electrodo de membrana y un reservorio de combustible que contiene combustible, el combustible es transportable hacia el dispositivo electrónico antes de ser transportable hacia la disposición de electrodo de membrana para la conversión a electricidad para el uso por el dispositivo electrónico.
2. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde el dispositivo electrónico adicionalmente incluye un primer contacto eléctrico y un controlador, y el cartucho de combustible adicionalmente incluye un segundo contacto eléctrico, cuando el cartucho de combustible está operativamente asociado con el dispositivo electrónico, el primer y segundo contactos eléctricos están en comunicación eléctrica de forma que el controlador controla las funciones del dispositivo electrónico y del cartucho de combustible.
3. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde la disposición de electrodo de membrana incluye un ánodo, una membrana de intercambio de protones y un cátodo.
4. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde el cartucho de combustible adicionalmente incluye un dispositivo de almacenamiento de información en comunicación eléctrica con el segundo contacto eléctrico, en donde cuando el cartucho de combustible está operativamente asociado con el dispositivo electrónico, el dispositivo de almacenamiento de información es legible por un controlador.
5. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde el cartucho de combustible adicionalmente incluye un intercambiador de calor en comunicación de fluidos corriente arriba de la disposición de electrodo de membrana, de forma que el combustible es transportable hacia el intercambiador de calor para enfriarse, y luego hacia la disposición de electrodo de membrana.
6. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde el cartucho de combustible adicionalmente incluye un filtro de iones en comunicación fluida corriente abajo del reservorio de combustible.
7. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde el cartucho de combustible adicionalmente incluye un sensor de iones y el sensor de iones está eléctricamente conectado con el segundo contacto eléctrico.
8. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde el dispositivo adicionalmente incluye una bomba para asistir en el transporte de combustible hacia la disposición de electrodo de membrana, cuando el cartucho de combustible está operativamente asociado con el dispositivo electrónico.
9. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 8, en donde la bomba está en comunicación eléctrica con el segundo contacto eléctrico y el controlador.
10. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde el dispositivo electrónico adicionalmente incluye una cámara de aire, en donde cuando el cartucho de combustible está operativamente asociado con el dispositivo electrónico, la cámara de aire está en comunicación de fluidos con un cátodo de la disposición de electrodo de membrana, de forma que el aire es transportable hacia el cátodo.
11. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde el dispositivo electrónico adicionalmente incluye un separador de producto secundario gaseoso, en donde cuando el cartucho de combustible está operativamente asociado con el dispositivo electrónico, el separador de dióxido de carbono está en comunicación de fluidos con un ánodo de la disposición de electrodo de membrana, de forma que un producto secundario gaseoso es transportable hacia el separador de producto secundario gaseoso.
12. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde el dispositivo electrónico adicionalmente incluye un condensador, en donde cuando el cartucho de combustible está operativamente asociado con el dispositivo electrónico, el condensador está en comunicación de fluidos con un cátodo de la disposición de electrodo de membrana, de forma que un producto secundario líquido es transportable hacia el condensador.
13. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 12, en donde el dispositivo electrónico adicionalmente incluye una cámara de mezclado, en donde cuando el cartucho de combustible está operativamente asociado con el dispositivo electrónico, la cámara de mezclado está en comunicación de fluidos con el condensador y el reservorio de combustible, de forma que el combustible es transportable hacia la cámara de mezclado y el producto secundario es transportable a la cámara de mezclado, y el combustible y el producto secundario son mezclados y luego transportados hacia la disposición de electrodo de membrana.
14. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 13, en donde el dispositivo electrónico adicionalmente incluye una válvula medidora ubicada entre y en comunicación de fluidos con el condensador y la cámara de mezclado, de forma que el producto secundario es transportable hacia la cámara de mezclado a través de la válvula medidora.
15. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde la disposición de electrodo de membrana es descartable.
16. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde el reservorio de combustible es descartable.
17. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde la disposición de electrodo de membrana está dispuesta en un apilamiento de celdas.
18. Un sistema de celda de combustible que comprende: un dispositivo electrónico con un primer contacto eléctrico y un controlador en comunicación eléctrica con el primer contacto eléctrico; un cartucho de combustible selectivamente asociado operativamente con el dispositivo electrónico y que incluye un segundo contacto eléctrico, al menos una disposición de electrodo de membrana y un reservorio de combustible que contiene combustible, en donde cuando el cartucho de combustible está operativamente asociado con el dispositivo electrónico, el primer y segundo contactos eléctricos están en comunicación eléctrica, de forma que el controlador controla las funciones del dispositivo electrónico y del cartucho de combustible, y el combustible es transportable hacia la disposición de electrodo de membrana para la conversión a electricidad para el uso por el dispositivo electrónico.
19. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 18, en donde el dispositivo electrónico adicionalmente incluye una pluralidad de primeros componentes para fluidos y el cartucho de combustible adicionalmente incluye una pluralidad de segundos componentes para fluidos y una pluralidad de válvulas de dos componentes, en donde un primer conjunto de componentes de válvula están adosados al cartucho de combustible y un segundo conjunto de componentes de válvula están adosados al dispositivo electrónico, en donde cuando el cartucho de combustible está operativamente asociado con el dispositivo electrónico, el primero y segundo conjuntos de componentes de válvula coinciden para permitir la comunicación de fluidos entre la pluralidad de los primeros componentes para fluidos y la pluralidad de los segundos componentes para fluidos.
20. Un cartucho de celda de combustible adaptado para ser insertado en un dispositivo eléctrico para suministrar electricidad al mismo, que comprende al menos una disposición de electrodo de membrana, y un reservorio de combustible que contiene combustible, en donde el combustible se hace reaccionar en la disposición de electrodo de membrana para producir dicha electricidad y en donde el balance de planta ocurre dentro del cartucho .
21. El cartucho de celda de combustible de la reivindicación 20, en donde el reservorio de combustible está removiblemente adosado al cartucho, de forma que el reservorio de combustible puede ser rellenado o reemplazado.
22. El cartucho de celda de combustible de la reivindicación 20, en donde la disposición de electrodo de membrana está removíblemente adosada al cartucho, de forma que la disposición de electrodo de membrana puede ser reparada o reemplazada.
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