Cartucho con suministro de membrana y conjunto o pila de electrodos de membrana.

Sistema (10) de pila de combustible que comprende:

Un dispositivo electrónico (11) con un alojamiento (17) que define una cámara (16) para cartucho de combustible;

un cartucho (12) de combustible introducido de manera desmontable en la cámara (16) para cartucho de combustible, incluyendo el cartucho (12) de combustible al menos un conjunto (54) de electrodos de membrana y un depósito (52) de combustible que contiene combustible, caracterizado porque el combustible puede transportarse al dispositivo electrónico (11) antes de transportarse al conjunto (54) de electrodos de membrana para ser convertido en electricidad utilizable por el dispositivo electrónico (11).

Cartucho con suministro de membrana y conjunto o pila de electrodos de membrana CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere en general a sistemas de pilas de combustible, y más en particular a sistemas de combustible que utilizan pilas y cartuchos de combustible, y aún más en particular esta invención se refiere a la incorporación de un conjunto de electrodos de membrana en el cartucho de combustible.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las pilas de combustible son dispositivos que convierten directamente la energía química de reactivos, es decir, combustible y oxidante, en electricidad de corriente continua (CC) . Para un número cada vez mayor de aplicaciones, las pilas de combustible son más eficientes que la generación clásica de energía, tal como la combustión de combustible fósil, y más eficientes que el almacenamiento de energía portátil, tal como baterías de iones de litio.

En general, las tecnologías de pilas de combustible incluyen una variedad de diferentes pilas, tales como pilas de combustible alcalino, pilas de combustible de electrólitos de polímeros, pilas de combustible de ácido fosfórico, pilas de combustible de carbonato fundido, pilas de combustible de óxido sólido y pilas de combustible de enzimas. Algunas pilas utilizan como combustible hidrógeno comprimido (H2) . El hidrógeno comprimido se mantiene por lo general a una presión elevada y, en consecuencia, es difícil de manipular. Además, normalmente se requieren depósitos de almacenamiento de gran tamaño, y no pueden hacerse lo suficientemente pequeños para dispositivos electrónicos de consumo. Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (MIP) utilizan metanol (CH3OH) , borohidruro de sodio (NaBH4) , hidrocarburos (tal como el butano) u otros combustibles reformados en combustible de hidrógeno. Las pilas clásicas de combustible reformado requieren reformadores y otros sistemas auxiliares y de vaporización para convertir los combustibles en hidrógeno, a fin de reaccionar con el oxidante en la pila de combustible. Los recientes avances hacen que las pilas de combustible reformado o reformato sean prometedoras para los dispositivos electrónicos de consumo. Otras pilas de combustible de MIP utilizan directamente combustible de metanol (CH3OH) ("pilas de combustible de metanol directo" o PCMD) . La PCMD es la pila de combustible más sencilla y potencialmente pequeña, y tiene también una prometedora aplicación como energía para los dispositivos electrónicos de consumo ordinario. Las pilas de combustible de óxido sólido (PCOS) convierten combustibles de hidrocarburos, por ejemplo butano, a elevada temperatura, para producir electricidad. Las PCOS requieren temperaturas relativamente elevadas en el rango de 1000º C para que tenga lugar la reacción de la pila de combustible.

Las reacciones químicas que producen electricidad son diferentes para cada tipo de pila de combustible. Para la PCMD la reacción electroquímica en cada electrodo y la reacción general para una pila de combustible de metanol directo se describen del modo siguiente:

Semi-reacción en el ánodo:

CH3OH + H2O 2 + 6H+ + 6e

Semi-reacción en el cátodo:

1, 5O2 + 6H+ + 6e- ºº2O

Reacción completa de la pila de combustible CH3OH + 1, 5O2 2 + 2H2O

Debido a la migración de los iones de hidrógeno (H+) a través de la MIP, del ánodo al cátodo, y debido a la incapacidad de los electrones libres (e-) para pasar a través de la MIP, los electrones deben fluir a través de un circuito externo, lo que produce una corriente eléctrica a través del circuito externo. El circuito externo puede utilizarse para alimentar muchos dispositivos electrónicos útiles para el consumo, por ejemplo teléfonos móviles, calculadoras, asistentes personales digitales y ordenadores portátiles, entre otros.

La PCMD se describe en las patentes de los EE.UU. números 5.992.008 y 5.945.231, que se incorporan a la presente en su totalidad mediante esta referencia. En general, la MIP está realizada con un polímero, por ejemplo Nafion®, de DuPont, que es un material perfluorado que tiene un espesor en el rango de aproximadamente 0, 05 mm a unos 0, 50 mm, u otras membranas adecuadas. El ánodo está realizado normalmente con un soporte de papel carbón teflonizado, con una fina capa de catalizador, tal como platino-rutenio, depositada sobre el mismo. El cátodo es normalmente un electrodo de difusión de gases en el cual se fijan las partículas de platino, en un lado de la membrana.

Otra reacción de la pila de combustible para una pila de combustible reformador de borohidruro de sodio es la siguiente:

NaBH4 (acuoso) + 2H2O (calor o catalizador) 4 (º 2) + (NaBO2) (acuoso)

Semi-reacción en el ánodo:

H2 ºº + + 2e

Semi-reacción en el cátodo:

2 (2H+ + 2e-) + O2 ºº 2O

Los catalizadores adecuados incluyen platino y rutenio y otros metales. El combustible de hidrógeno producto de la reformación del borohidruro de sodio reacciona en la pila de combustible con un oxidante, por ejemplo O2, para crear electricidad (o un flujo de electrones) y agua como subproducto. En el proceso de reformado se produce también borato sódico (NaBO2) como subproducto. La pila de combustible de borohidruro de sodio se describe en la solicitud de patente publicada de los Estados Unidos con el número 2003/0082427.

Una de las características más importantes para la aplicación de la pila de combustible es el almacenamiento de combustible. El suministro de combustible debe ser también fácilmente insertado en la pila de combustible o el dispositivo electrónico que alimenta la pila de combustible. Además, el suministro de combustible debe ser también fácilmente sustituible o rellenable.

La publicación de Patente de los EE.UU. 2003/082427 describe un cartucho de combustible donde el combustible de borohidruro de sodio se reforma dentro del cartucho para formar hidrógeno y subproductos. No obstante, la técnica anterior no describe un suministro de combustible que permita la producción in situ de combustible ni que contenga reactivos útiles para el almacenamiento no corrosivo y de bajo coste, ni suministros de combustible con las ventajas y características que se describen a continuación.

Normalmente, el CEM está situado dentro de una pila de combustible que está colocada dentro de los dispositivos electrónicos para el consumo. La solicitudes publicadas de patentes de los Estados Unidos números 2003/0082416 y 2003/0082426 describen dichos dispositivos. En los citados dispositivos, el suministro de combustible puede extraerse y almacenarse en un cartucho. La vida del CEM la limita normalmente la vida de la MIP. La eficiencia de la MIP depende de varios factores tales como la velocidad del flujo, la concentración de iones metálicos en el combustible, la temperatura del combustible, y la temperatura ambiente o de la pila. Cuando la eficiencia de la MIP está en un nivel lo suficientemente bajo, la MIP debe sustituirse o restaurarse. No es deseable el mantenimiento frecuente de la MIP dado que exige el mantenimiento del dispositivo electrónico.

La patente WO 02/09916 describe un sistema de pila de combustible que comprende un dispositivo electrónico con un alojamiento que define una cámara para el cartucho de combustible, un cartucho de combustible introducido de manera extraíble en dicha cámara, incluyendo el cartucho de combustible un CME y un depósito de combustible.

Existe la necesidad de un sistema de pila de combustible que permita que existan en el dispositivo electrónico elementos sensibles o caros relacionados con el "equilibrio de la planta"

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene como objetivo un sistema de pila de combustible que comprende un dispositivo electrónico que tiene un alojamiento que define una cámara para cartucho de combustible y un cartucho de combustible introducido de manera desmontable en la cámara para cartucho de combustible. El cartucho de combustible contiene al menos un conjunto o pila de electrodos de membrana y un depósito que contiene combustible. El dispositivo electrónico puede tener un controlador que controla las funciones del dispositivo electrónico y el cartucho de combustible, y el equilibro de la planta tiene lugar al menos parcialmente con el dispositivo electrónico BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

En los dibujos adjuntos, que forman parte... [Seguir leyendo]

1. Sistema (10) de pila de combustible que comprende:

Un dispositivo electrónico (11) con un alojamiento (17) que define una cámara (16) para cartucho de combustible; un cartucho (12) de combustible introducido de manera desmontable en la cámara (16) para cartucho de combustible, incluyendo el cartucho (12) de combustible al menos un conjunto (54) de electrodos de membrana y un depósito (52) de combustible que contiene combustible, caracterizado porque el combustible puede transportarse al dispositivo electrónico (11) antes de transportarse al conjunto (54) de electrodos de membrana para ser convertido en electricidad utilizable por el dispositivo electrónico (11) .

2. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo electrónico (11) incluye además un primer contacto eléctrico (18) y un controlador (20) , y porque el cartucho (12) de combustible incluye asimismo un segundo contacto eléctrico (46) , estando el primer y segundo contacto eléctrico en comunicación eléctrica cuando el cartucho (12) de combustible va asociado operativamente al dispositivo electrónico (11) , de modo que el controlador (20) controle las funciones del dispositivo electrónico (11) y el cartucho (12) de combustible.

3. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto (54) de electrodos de membrana incluye un ánodo (54a) , una membrana de intercambio de protones (54b) , y un cátodo (54c) .

4. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque el cartucho (12) de combustible incluye además un dispositivo (47) de almacenamiento de información en comunicación eléctrica con el segundo contacto eléctrico (46) ; cuando el cartucho (12) de combustible va asociado operativamente al dispositivo electrónico (11) , el dispositivo (47) de almacenamiento de información puede ser leído por un controlador (20) .

5. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el cartucho (12) de combustible incluye además un termointercambiador (56) en comunicación fluida aguas arriba del conjunto (54) de electrodos de membrana, de modo que el combustible puede transportarse al termointercambiador (56) , para su refrigeración, y su envío posterior al conjunto (54) de electrodo de membrana.

6. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el cartucho (12) de combustible incluye además un filtro (58) de iones en comunicación de fluidos aguas abajo del depósito (52) de combustible.

7. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el cartucho (12) de combustible incluye un sensor (60) de iones, y porque el sensor (60) de iones va conectado eléctricamente al segundo contacto eléctrico (46) .

8. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo electrónico (11) incluye también una bomba (22) para ayudar a transportar el combustible al conjunto (54) de electrodos de membrana, cuando el cartucho (12) de combustible va asociado operativamente al dispositivo electrónico (11) .

9. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 8, caracterizado porque la bomba (22) está en comunicación eléctrica con el segundo contacto eléctrico (46) y el controlador (20) .

10. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo electrónico (11) incluye también una cámara (28) de aire; cuando el cartucho (12) de combustible va asociado operativamente al dispositivo electrónico (11) , la cámara (28) de aire está en comunicación de fluidos con un cátodo (54c) del conjunto

(54) de electrodos de membrana de modo que el aire pueda transportarse al cátodo (54c) .

11. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo electrónico (11) incluye además un separador (30) de subproductos gaseosos; cuando el cartucho (12) de combustible va asociado operativamente al dispositivo electrónico (11) , el separador (30) de dióxido de carbono está en comunicación de fluidos con el ánodo (54a) del conjunto (54) de electrodos de membrana, de modo que un subproducto gaseoso pueda transportarse al separador (30) de tales productos.

12. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo electrónico (11) incluye también un condensador (32) ; cuando el cartucho (12) de combustible va asociado operativamente al dispositivo electrónico (11) , el condensador (32) está en comunicación de fluidos con un cátodo (54c) del conjunto

(54) de electrodos de membrana de modo que un subproducto líquido pueda transportarse al condensador (32) .

13. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 12, caracterizado porque el dispositivo electrónico (11) incluye también una cámara de mezcla (34) ; cuando el cartucho (12) de combustible va asociado operativamente al dispositivo electrónico (11) la cámara de mezcla (34) está en comunicación de fluidos con el condensador (32) y el depósito de combustible (52) de modo que el combustible pueda transportarse a la cámara de mezcla (34) y el subproducto se pueda transportar a la cámara de mezcla (34) , mezclándose el combustible y el subproducto que, a continuación, se transportan al conjunto (54) de electrodos de membrana .

14. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 13, caracterizado porque el dispositivo electrónico (11) incluye también una válvula dosificadora (26) dispuesta, en comunicación de fluidos, entre el condensador (32) y la cámara de mezcla (34) , de manera que el subproducto pueda transportarse a la cámara de mezcla (34) a través de la válvula dosificadora (26) .

15. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto (54) de electrodos de membrana es desechable.

16. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el depósito (52) de combustible es desechable.

17. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto (54) de electrodos de membrana está dispuesto en forma de pila.

18. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque el dispositivo electrónico (11) incluye además una serie de primeros componentes fluidos y porque el cartucho (12) de combustible incluye también una serie de segundos componentes fluidos y una serie de válvulas bicomponentes, estando un primer conjunto de componentes de válvula acoplados al cartucho (12) de combustible y un segundo juego de componentes de válvula acoplados al dispositivo electrónico, estando el cartucho (12) de combustible asociado operativamente al dispositivo electrónico (11) , y uniéndose el primer y segundo conjunto de componentes de válvulas para permitir la comunicación de fluidos entre la serie de primeros componentes fluidos y la serie de segundos componentes fluidos.

19. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el depósito (52) de combustible va acoplado de modo desmontable al cartucho (12) , de manera que el depósito de combustible pueda rellenarse o ser sustituido.

20. Sistema (10) de pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto (54) de electrodos de membrana va acoplado de modo desmontable al cartucho (12) de manera que el conjunto (54) de electrodo de membrana pueda repararse o ser sustituido.

Intercambiador de calor

Ínodo Cátodo

Cámara decombustión