Cartucho con surtidor de combustible y apilamiento de unidades de electrodo de membrana.

Cartucho para pila de combustible (12, 112, 212) adaptado para que se conecte a un dispositivo electrónico (11,

111,211) para proporcionar electricidad al mismo comprendiendo una carcasa externa (51) que tiene al menos una unidad deelectrodo de membrana (54) y un depósito de combustible (52) que contiene combustible haciéndose reaccionar elcombustible en la unidad de electrodo de membrana (54) para producir dicha electricidad caracterizado por que elcombustible se puede conducir desde el depósito de combustible (52) hasta el dispositivo electrónico (11, 111, 121) y devuelta al cartucho (12, 112, 212) de modo que los sistemas auxiliares están, al menos unos cuantos, dentro deldispositivo electrónico (11, 111, 211).

Cartucho con surtidor de combustible y apilamiento de unidades de electrodo de membrana

Campo de la invención Esta invención se refiere en general a sistemas de pilas de combustible y más específicamente a sistemas para combustible en los que se usen pilas de combustible y cartuchos de combustible y, por precisar aun más, esta invención se refiere a la incorporación de una unidad de electrodo de membrana al cartucho de combustible.

Antecedentes de la invención Las pilas de combustible son dispositivos que convierten directamente la energía química de los reactivos, es decir, el combustible y el 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 eléctrica convencional como, por ejemplo, mediante la combustión de combustibles fósiles y más eficientes que los acumuladores de energía portátiles como las baterías de iones de litio.

En general las tecnologías de pilas de combustible comprenden una gama de diferentes pilas de combustible como las pilas de combustible alcalinas, las pilas de combustible de electrolitos poliméricos, las pilas de combustible de ácido fosfórico, las pilas de combustible de carbonatos fundidos, las pilas de combustible de óxido sólido y las pilas de combustible enzimáticas. Algunas pilas de combustible utilizan hidrógeno (H2) comprimido como combustible. El hidrógeno comprimido se conserva, por lo general, a alta presión y por lo tanto es difícil manipularlo. Además típicamente hacen falta tanques de almacenamiento grandes y no se pueden hacer suficientemente pequeños para los dispositivos de electrónica de consumo. Las pilas de combustible de intercambio de protones (PEM) utilizan metanol (CH3OH) , hidruro de boro-sodio (NaBH4) , hidrocarburos (como el butano) y otros combustibles convertidos en combustible de hidrógeno. Las pilas de combustible de conversión convencionales necesitan convertidores y otros sistemas de vaporización y auxiliares para convertir el combustible en hidrógeno que reaccione con el oxidante en la pila de combustible. Los desarrollos recientes hacen que las pilas de combustible de convertidor o de conversión resulten prometedoras para los dispositivos de electrónica de consumo. Otras pilas de combustible utilizan combustible de metanol (CH3OH) directamente (pilas de combustible de metanol directo o DMFC) . Las DMFC, en las que el metanol reacciona directamente con el oxidante en la pila de combustible es la pila de combustible más sencilla y potencialmente más pequeña y también tiene una prometedora aplicación para la alimentación eléctrica de los dispositivos de electrónica de consumo. Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) convierten los combustibles de hidrocarburos, como el butano, con aportación de mucho calor, para producir electricidad. Las SOFC necesitan una temperatura comparativamente alta, del orden de 1000 °C, para que se produzca la reacción de la pila de combustible.

Las reacciones químicas que producen electricidad son diferentes para cada tipo de pila de combustible. Para las DMFC la reacción electroquímica en cada electrodo y la reacción global de la pila de combustible de metanol directo en sí se expresan como sigue:

Semirreacción en el ánodo:

CH3OH + H2O º CO2 + 6H+ + 6e-

Semirreacción en el cátodo:

1, 5O2 +6H++6e-º 3H2O

Reacción global de la pila de combustible:

Ch3OH + 1, 5O2 º CO2 +2H2O

Debido a la migración de los iones de hidrógeno (H+) a través de la PEM desde el ánodo hasta el cátodo y debido a la incapacidad de los electrones (e-) libres de atravesar la PEM los electrones se ven forzados a circular por un circuito externo produciendo así una corriente eléctrica por dicho circuito externo. El circuito externo se puede utilizar para alimentar muchos dispositivos de electrónica de consumo útiles tales como teléfonos móviles o celulares, calculadoras, asistentes digitales personales, ordenadores portátiles y herramientas eléctricas entre otros.

La DMFC se describe en los documentos de patente de los Estados Unidos de número 5992008 y de número 5945231. Generalmente la PEM está constituida por un polímero, como Nafion® de la empresa DuPont que es un material

perfluorado que tiene un espesor en el intervalo que va entre aproximadamente 0, 05 mm y 0, 50 mm, u otras membranas adecuadas. El ánodo está hecho típicamente de una base de papel de carbón teflonado con una capa fina de catalizador como platino-rutenio depositado en él. El cátodo típicamente es un electrodo de difusión de gas al que las partículas de platino están unidas por un lado de la membrana.

Otra reacción de pila de combustible para una pila de combustible de convertidor de hidruro de boro-sodio es la siguiente:

NaBH4 (acuoso) + 2H2Oº (calor o catalizador) º4H2+NaBO2 (acuoso)

Semirreacción en el ánodo:

H2º 2H++2e-

Semirreacción en el cátodo:

(2H++2e-) + O2º2H2O

Los catalizadores adecuados para esta reacción son, entre otros, el platino, el rutenio y otros metales. El combustible de hidrógeno producido de la conversión del hidruro de boro-sodio se hace reaccionar en la pila de combustible con un oxidante, como el oxígeno, O2 para producir electricidad (o un flujo de electrones) formándose como producto adicional agua. En el proceso de conversión también se produce como producto adicional borato de sodio (NaBO2) . En el documento de solicitud de patente publicada de los Estados Unidos de nº 2003/ 0082427 se describe una pila de combustible de hidruro de boro-sodio.

Una de las características más importantes para la aplicación de pilas de combustible es el almacenamiento de combustible. El surtidor de combustible también tiene que ser fácil de insertar en la pila de combustible o dispositivo electrónico que alimenta dicha pila de combustible. Adicionalmente el surtidor de combustible debe ser también fácil de sustituir y rellenar.

El documento de publicación de patente de los Estados Unidos de nº 2003/0082427 describe un cartucho de combustible en el que el combustible de hidruro de boro-sodio se convierte en el cartucho formándose hidrógeno y un producto adicional. Sin embargo el estado de la técnica anterior no divulga un surtidor de combustible que permita una producción “in situ” del combustible o que contenga reactivos susceptibles de ser almacenados sin que se produzca corrosión y de bajo coste o surtidores de combustible con las ventajas y características descritas más adelante.

Típicamente, la MEA, está situada dentro de la pila de combustible que se encuentra en el interior de los dispositivos de electrónica de consumo. Las solicitudes de patente publicadas de los Estados Unidos de nº 2003/0082416 y 2003/0082426 y la solicitud de patente internacional de nº WO 02/099916 divulgan estos dispositivos. En estos dispositivos el surtidor de combustible se puede quitar y se guarda en un cartucho. La vida de la MEA por lo general viene limitada por la vida de la PEM. El rendimiento de la PEM depende de varios factores como el caudal de combustible, la concentración de iones metálicos del combustible, la temperatura del combustible y la temperatura ambiental o del apilamiento. Cuando el rendimiento de la PEM está a un nivel suficientemente bajo la PEM se tiene que sustituir o renovar. El mantenimiento frecuente de la PEM no es algo deseable puesto que supone hacer el mantenimiento del dispositivo electrónico.

Existe la necesidad de un sistema de pila de combustible que permita hacer el mantenimiento o la reparación de la PEM sin tener que hacer el mantenimiento del dispositivo electrónico.

Compendio de la invención La presente invención se refiere a un sistema de pila de combustible que comprende un dispositivo electrónico que tiene una carcasa que define una cámara para un cartucho de combustible y un cartucho de combustible que se puede alojar en y sacar de la cámara para cartucho de combustible. El cartucho de combustible comprende al menos una unidad de electrodo de membrana o un apilamiento de ellas y un depósito de combustible que contiene combustible. El combustible se conduce hasta la unidad de electrodo de membrana para su conversión en electricidad que alimente el dispositivo electrónico. El dispositivo electrónico puede tener un controlador que controle las funcionalidades del dispositivo electrónico y del cartucho combustible y los sistemas auxiliares están, al menos unos cuantos de ellos, dentro del dispositivo electrónico.

La presente invención se refiere también a un cartucho para pila de combustible adaptado para su inserción en un dispositivo electrónico para proporcionar... [Seguir leyendo]

1. Cartucho para pila de combustible (12, 112, 212) adaptado para que se conecte a un dispositivo electrónico (11, 111, 211) para proporcionar electricidad al mismo comprendiendo una carcasa externa (51) que tiene al menos una unidad de electrodo de membrana (54) y un depósito de combustible (52) que contiene combustible haciéndose reaccionar el combustible en la unidad de electrodo de membrana (54) para producir dicha electricidad caracterizado por que el combustible se puede conducir desde el depósito de combustible (52) hasta el dispositivo electrónico (11, 111, 121) y de vuelta al cartucho (12, 112, 212) de modo que los sistemas auxiliares están, al menos unos cuantos, dentro del dispositivo electrónico (11, 111, 211) .

2. Cartucho para pila de combustible (12, 112, 212) según la reivindicación 1 en el que el depósito de combustible (52) está fijado, pudiéndose desprender de él, al cartucho (12, 112, 212) de modo que el depósito de combustible (52) se puede rellenar o sustituir.

3. Cartucho para pila de combustible (12, 112, 212) según la reivindicación 1 en el que la unidad de electrodo de membrana (54) está fijada, pudiéndose desprender de él, al cartucho (12, 112, 212) de modo que la unidad de electrodo de membrana (54) se puede reparar o sustituir.

4. Cartucho para pila de combustible (12, 112, 212) según la reivindicación 1 en el que el dispositivo electrónico (11, 111, 211) además comprende un primer contacto eléctrico (18, 118, 218) y un controlador (20) y el cartucho (12, 112, 212) además comprende un segundo contacto eléctrico (46, 146, 246) y cuando el cartucho (12, 112, 212) interopera con el dispositivo electrónico (11, 111, 211) el primer y segundo contactos eléctricos (18, 118, 218, 46, 146, 246) se tocan de modo que el controlador (20) controla las funcionalidades del dispositivo electrónico (11, 111, 211) y el cartucho (12, 112, 212) .

5. Cartucho para pila de combustible según la reivindicación 1 en el que la unidad de electrodo de membrana (54) comprende un ánodo (54a) , una membrana de intercambio de protones y un cátodo (54c) .

6. Cartucho para pila de combustible (12, 112, 212) según la reivindicación 4 comprendiendo además el cartucho (12, 112, 212) un dispositivo de almacenamiento de información (47) interconectado eléctricamente con el segundo contacto eléctrico (46, 146, 246) y cuando el cartucho (12, 112, 212) interopera con el dispositivo electrónico (11, 111, 211) el dispositivo de almacenamiento de información (47) lo puede leer el controlador (20) .

7. Cartucho para pila de combustible (12, 112, 212) según la reivindicación 1 comprendiendo además el cartucho (12, 112, 212) un intercambiador de calor (56) aguas arriba de la unidad de electrodo de membrana (54) de modo que el combustible se puede conducir hasta el intercambiador de calor (56) para su enfriamiento y posteriormente a la unidad de electrodo de membrana (54) .

8. Cartucho para pila de combustible (12, 112, 212) según la reivindicación 1 comprendiendo además el cartucho (12, 112, 212) un filtro de iones (58) aguas abajo del depósito de combustible (52) .

9. Cartucho para pila combustible (12, 112, 212) según la reivindicación 4 comprendiendo además el cartucho (12, 112, 212) un sensor de iones (60) estando el sensor de iones (60) conectado eléctricamente con el segundo contacto eléctrico (46, 146, 246) .

.Cartucho para pila de combustible (12, 112, 212) según la reivindicación 1 en el que la unidad de electrodo de membrana (54) es desechable.

11. Cartucho para pila combustible (12, 112, 212) según la reivindicación 1 en el que el depósito de combustible (52) es desechable.

12. Cartucho para pila de combustible (12, 112, 212) según la reivindicación 1 en el que la unidad de electrodo de membrana (54) es un apilamiento.

REFERENCIAS CITADAS EN LA MEMORIA DESCRIPTIVA

Esta lista de referencias citadas por el solicitante es para comodidad del lector solamente. No forma parte del documento de la patente europea. Aun cuando se tuvo gran cuidado en cumplir las referencias, no se pueden excluir errores u omisiones y la EPO declina toda responsabilidad a este respecto.

Documentos de patentes citados en la memoria descriptiva

• US 5992008 A [0006] • US 10629004 B [0032]

• US 5945231 A [0006] • US 10629006 B [0032]

• US 20030082427 A [0010] [0012] • US 10725235 B [0037] 10 • US 20030082416 A [0013] • US 6630518 B1 [0041]

• US 20030082426 A [0013] • US 20030131663 A [0045]

• WO 02099916 A [0013] • US 20030134162 A [0045]

• US 20030077493 A [0018] • US 6254748 B [0045]

• US 20030096150 A [0018] • US 6306285 B [0045] 15 • US 10725237 B [0025] • US 4496309 A [0047]

• US 10356793 B [0032] • US 4560345 A [0047]