Cartucho de combustible que contiene combustible líquido adecuado para su uso en una pila de combustible.

Dicho cartucho de combustible comprende una serie de cámaras, caracterizado porque cada cámara tiene una concentración predeterminada y diferente de combustible, y porque cada cámara comprende un inserto de relleno hecho de un material absorbente que posee una capilaridad que absorbe, a modo de mecha, el combustible contenido dentro de la cámara. El inserto de relleno está dispuesto en la cámara de modo que se mantenga en contacto con el combustible sean cuales fueren la orientación de la cámara y el nivel de combustible. El cartucho de combustible está conectado a un medio para controlar el flujo de combustible líquido que sale del cartucho.

Cartucho de combustible para pilas de combustible.

La presente invención se refiere en general a cartuchos de combustible para pilas de combustible, y más en particular a cartuchos de combustible desechables y rellenables. La presente invención se refiere también a cartuchos de combustible para pilas de combustible de metanol directo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las pilas de combustible son dispositivos que convierten directamente la energía química de reactivos, por ejemplo, combustible y oxidantes, 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 las baterías de iones de litio.

En general, las tecnologías de pilas de combustible incluyen una variedad de diferentes pilas de combustible, incluidas las pilas de combustible alcalino, pilas de combustible de electrolitos poliméricos, pilas de combustible de ácido fosfórico, pilas de combustible de carbonato fundido y pilas de combustible de óxido sólido. Las pilas más importantes actualmente pueden dividirse en tres categorías generales, a saber, las pilas de combustible que utilizan como combustible hidrógeno comprimido (H2) , pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (MIP) , que utilizan como combustible metanol (CH3OH) reformado en hidrógeno, y pilas de combustible de MIP que utilizan combustible de metanol (CH3OH) directamente (“pilas de combustible de metanol directo” o PCMD) . El hidrógeno comprimido normalmente se mantiene a alta presión, y en consecuencia es difícil de manipular. Además, por lo general se requieren depósitos de almacenamiento de gran tamaño, y no pueden hacerse lo suficientemente pequeños para los dispositivos electrónicos. Por otro lado, las pilas de combustible que utilizan reformados de metanol requieren reformadores y otros sistemas auxiliares y de vaporización, aumentándose así el tamaño y complejidad de las pilas de combustible basadas en metanol reformado. La PCMD es la pila de combustible más simple y potencialmente pequeña, y conserva la aplicación de energía más prometedora para dispositivos electrónicos dirigidos al consumo ordinario.

La PCMD para aplicaciones relativamente grandes comprende normalmente un ventilador o compresor para suministrar al electrodo cátodo un oxidante, normalmente aire u oxígeno, una bomba para suministrar una mezcla de agua y metanol al electrodo del cátodo, y un conjunto de membrana y electrodo (CME) . El CME incluye normalmente un cátodo, una MIP y un ánodo. Durante el funcionamiento, la mezcla líquida de combustible de agua y metanol se suministra directamente al ánodo, y el oxidante se suministra al cátodo. La reacción electroquímica en cada electrodo, y la reacción general para la pila de combustible, se describen del modo siguiente:

Reacción en el ánodo:

CH3OH + H2O ºº2 + 6H++ 6e-

Reacción en el cátodo:

O2 + 4H++ 4e- 2O

Reacción completa de la pila de combustible:

CH3OH + 1, 5 O2 ºº2 + 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 ser cualquier dispositivo electrónico útil 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 de 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. El ánodo está realizado normalmente de 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.

Una de las características más importantes para la aplicación de la PCMD es el almacenamiento de combustible. Otra característica importante es la regulación del transporte de combustible fuera del cartucho de combustible, al CME. A fin de ser comercialmente útil, los sistemas de PCMD deben tener la capacidad de almacenar suficiente combustible para satisfacer el uso normal de los consumidores. Por ejemplo, para teléfonos móviles, para ordenadores portátiles pequeños y para asistentes personales digitales APD, las pilas de combustible deben alimentar estos dispositivos durante al menos tanto tiempo como las baterías actuales, y preferentemente mucho más tiempo. Además, la PCMD deberá tener depósitos de combustible fácilmente sustituibles o rellenables, a fin de disminuir o eliminar la necesidad de largas recargas de las baterías recargables actuales.

La literatura de patentes no contiene descripción específica alguna de un depósito de combustible portátil no presurizado, ni del almacenamiento de combustible para pilas de combustible. La publicación de solicitud de patente de los Estados Unidos número US 2002/0127451 A1 describe una pila compacta de combustible de MIP que almacena combustible de metanol en un depósito o depósitos circulares y verticales, y que ventila el subproducto de CO2 de regreso al depósito, a fin de presurizarlo. Este depósito de combustible comprende una válvula de seguridad para prevenir la sobrepresurización del depósito, y una válvula de entrada de combustible para añadir combustible. El depósito de combustible comprende una capa porosa para absorber, a modo de mecha, la mezcla de combustible de agua y metanol por acción capilar, al terminal del ánodo de la MIP. No obstante, esta capa porosa no puede permanecer en contacto con el combustible en posiciones distintas de la vertical ni en ligero ángulo de la vertical. Así pues, este depósito de combustible no puede utilizarse en todas las orientaciones.

De igual modo, la publicación de solicitud de patente de los Estados Unidos número 2001/0051293 A1 describe una estructura de absorción a modo de mecha, realizada de material absorbente en comunicación de fluidos con una reserva de combustible rellenable. La función de la estructura de absorción a modo de mecha es llevar combustible a la MIP por acción capilar en cantidades reguladas. No obstante, esta referencia no describe el procedimiento para regular el flujo de combustible, ni cómo la estructura de absorción a modo de mecha mantiene el contacto con el combustible cuando el nivel del mismo es inferior al total para que funcione la acción capilar.

La patente de los Estados Unidos número 6.326.097 B1 describe, entre otras cosas, ampollas de combustible que pueden rellenarse con materiales permeables al combustible que permiten que el combustible se comunique a través de acción capilar en cualquier orientación, con una aguja de combustible que debe absorberse hasta la MIP. Estas ampollas de combustible no pueden almacenar una cantidad suficiente de combustible, dado que para que la acción capilar funcione apropiadamente, el espacio entre los materiales permeables es necesariamente pequeño. Así pues, los materiales permeables al combustible ocupan la mayoría del espacio de las ampollas, reduciendo así la capacidad de almacenamiento. Esta referencia describe también una bomba accionada manualmente, es decir, un área ondulada sobre las ampollas, para que el usuario bombee el combustible. Esta bomba es también poco práctica dado que requiere que el usuario bombee antes de que pueda suministrarse energía a los dispositivos electrónicos, y puede requerir que el usuario bombee continuamente la pila de combustible para mantener el flujo de combustible a la MIP. Además, cada acción de bombeo manual puede enviar un impulso brusco de combustible a la MIP, y provocar un impulso brusco indeseado en la salida eléctrica de la pila de combustible a los dispositivos electrónicos. Conviene señalar que la referencia ´097 no proporciona ninguna enseñanza en cuanto a cómo el combustible indeseado absorbido por los materiales permeables puede transportarse a la MIP.

La publicación de solicitud de patente de los Estados Unidos... [Seguir leyendo]

1. Cartucho de combustible que contiene combustible líquido adecuado para su uso en una pila de combustible. Dicho cartucho de combustible comprende una serie de cámaras, caracterizado porque cada cámara tiene una concentración predeterminada y diferente de combustible, y porque cada cámara comprende un inserto de relleno hecho de un material absorbente que posee una capilaridad que absorbe, a modo de mecha, el combustible contenido dentro de la cámara. El inserto de relleno está dispuesto en la cámara de modo que se mantenga en contacto con el combustible sean cuales fueren la orientación de la cámara y el nivel de combustible. El cartucho de combustible está conectado a un medio para controlar el flujo de combustible líquido que sale del cartucho.

2. Cartucho de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios para controlar el flujo de combustible líquido comprenden una película impermeable a los fluidos que cubre al menos parte de uno de los insertos de relleno.

3. Cartucho de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios para controlar el flujo de combustible líquido comprenden una bomba.

4. Cartucho de combustible según la reivindicación 3, caracterizado porque la bomba es una bomba microelectromecánica.

5. Cartucho de combustible según la reivindicación 4, caracterizado porque la bomba micro-electromecánica comprende al menos una de las bombas siguientes:

i. una bomba inducida por campo;

ii. una bomba inducida por campo eléctrico;

iii. una bomba inducida por campo magnético;

iv. una bomba electrohidrodinámica;

v. una combinación de bomba electrohidrodinámica y de bomba electro-osmótica;

vi. una bomba magnetohidrodinámica;

vii. una bomba electro-osmótica;

viii. una bomba de desplazamiento por membrana;

ix. una bomba micro-electromécanica con una membrana, y una fuerza aplicada a la membrana que hace que esta última se mueva para bombear el combustible;

x. una bomba electrostática; o

xi. una bomba termoneumática.

6. Cartucho de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque al menos un inserto de relleno comprende como mínimo uno de los siguientes:

i. una columna de conexión y al menos dos discos;

ii. un recubrimiento que cubre al menos una parte de la superficie interior del cartucho;

iii. un orificio de salida;

iv. un orificio de salida que tiene al menos dos materiales absorbentes;

v. una columna de conexión y una serie de dientes conectados a una columna; o

vi. una columna de conexión y una serie de dientes conectados a una columna, caracterizado porque al menos un anillo va conectado a algunos de los dientes.

7. Cartucho de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el material absorbente está realizado con fibras poliméricas o fibras vegetales.

8. Cartucho de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el cartucho comprende también un orificio de venteo.

9. Cartucho de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el cartucho comprende además una válvula rellenable.

10. Cartucho de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque la concentración de combustible

varía de alrededor del 100% de combustible líquido y el 0% de agua hasta aproximadamente 0% de 5combustible y 100% de agua.

11. Cartucho de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el combustible líquido comprende metanol.

12. Cartucho de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque las cámaras están dispuestas unidas por los lados o por los extremos.

13. Cartucho de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además una válvula de cierre.

14. Cartucho de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque la bomba es una bomba reversible.