Cartuchos de pila de combustible generadores de hidrógeno.

Un aparato generador de hidrógeno (1) que comprende:

un cartucho (10) que comprende una cámara de reacción (18) aislada,

desde el punto de vista fluídico, de un depósito(12) que contiene un primer reactante; un receptor (30) separado del cartucho (10) y adaptado para recibir el cartucho(10), en donde el cartucho (10) y el receptor (30) pueden conectarse entre sí de forma móvil y en donde el receptor (30)comprende un dispositivo de control de flujo (36) capaz de conectar el depósito a la cámara de reacción, lo que permiteal primer reactante (14) penetrar en la cámara de reacción (18) cuando el cartucho (10) está conectado al receptor (30),en donde cuando una presión, en la cámara de reacción, alcanza una presión predeterminada, el dispositivo de controlde flujo (36) se cierra para impedir el transporte del primer reactante (14) a la cámara de reacción (18) y en dondeel aparato generador de hidrógeno puede funcionar en cualquier orientación.

Cartuchos de pila de combustible generadores de hidrógeno ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las pilas de combustible son dispositivos que convierten directamente la energía química de reactantes, esto es, combustible y oxidante, en electricidad de corriente continua (DC) . Para un número cada vez mayor de aplicaciones, las pilas de combustible son más eficientes que la generación de energía convencional, tal como la combustión de combustible fósil así como el almacenamiento de energía portátil, tal como baterías de ión-litio.

En general, la tecnología de la pila de combustible incluye una diversidad de diferentes pilas de combustible, tales como pilas de combustible alcalinas, pilas de combustible de electrolito polimérico, pilas de combustible de ácido fosfórico, pilas de combustible de carbonato molido, pilas de combustible de óxido sólido y pilas de combustible de enzimas. Las más importantes pilas de combustible actuales se pueden dividir en varias categorías generales, esto es: (i) pilas de combustible que utilizan hidrógeno comprimido (H2) como combustible; (ii) pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) que utilizan alcoholes, p.e., metanol (CH3OH) hidruros metálicos, p.e., borohidruro de sodio (NaBH4) , hidrocarburos u otros combustibles reformados en combustibles de hidrógeno, (iii) pilas de combustible de PEM que pueden consumir directamente combustible no de hidrógeno o pilas de combustible de oxidación directa y

(iv) pilas de combustible de óxidos sólidos (SOFC) que convierten directamente los combustibles de hidrocarburos a electricidad a alta temperatura.

El hidrógeno comprimido se suele mantener bajo alta presión y por lo tanto, es difícil de tratar. Además, se suelen requerir grandes tanques de almacenamiento y no se pueden hacer suficientemente pequeños para dispositivos electrónicos de consumo. Las pilas de combustible reformatadas convencionales requieren reformadores y otros sistemas de vaporización y auxiliares para convertir los combustibles en hidrógeno para reaccionar con oxidante en la pila de combustible. Los recientes avances hacen que el reformador o de las pilas de combustible reformatadas sean prometedores para los dispositivos electrónicos de consumo. Las más conocidas pilas de combustible de oxidación directa son las pilas de combustible de metanol directo o DMFC. Otras pilas de combustible de oxidación directa incluyen las pilas de combustible de etanol directas y las pilas de combustible de ortocarbonato de tetrametilo directas, DMFC, en donde el metanol se hace reaccionar directamente con oxidante en la pila de combustible, es la más simple y potencialmente más pequeña pila de combustible. Además, tiene una aplicación de potencia prometedora para los dispositivos electrónicos de consumo. SOFC convierten los combustibles de hidrocarburos, tales como butano, a altas temperaturas para generar electricidad. SOFC requiere una temperatura relativamente alta en el nivel de 1000º C para que se produzca la reacción de la pila de combustible.

Las reacciones químicas que generan electricidad son diferentes para cada tipo de pila de combustible. Para DMFC, la reacción química-eléctrica en cada electrodo y la reacción global para una pila de combustible de metanol directa se describen como sigue:

Semireacción en el ánodo:

CH3OH + H2O º CO2 º + 6H++6e-

Semireacción en el cátodo:

1.5O2 + 6H++ 6e-º 3H2O

Reacción de la pila de combustible global:

CH3OH + 1.5O2 º CO2 º + 2H2O

Debido a la migración de los iones de hidrógeno (H+) a través de PEM desde el ánodo al cátodo y la incapacidad de los electrones libres (e-) para pasar a través del PEM, los electrones fluyen a través de un circuito exterior, con la consiguiente generación de una corriente eléctrica. El circuito exterior se puede utilizar para proporcionar energía eléctrica a numerosos dispositivos electrónicos de consumo útiles, tales como teléfonos móviles o celulares, calculadoras, agendas electrónicas de bolsillo, ordenadores portátiles y herramientas eléctricas, entre otros.

DMFC se describe en las patentes de Estados Unidos números 5.992.008 y 5.945.231. En general, el PEM se obtiene a partir de un polímero, tal como Nafion® disponible a través de DuPont, que es un polímero de ácido sulfónico perfluorado que tiene un espesor en el margen de aproximadamente 0, 05 mm a aproximadamente 0, 5 mm u otras membranas adecuadas. El ánodo suele obtenerse a partir de un soporte de papel de carbón teflonizado con una capa delgada de catalizador, tal como platino – rutenio, allí depositado. El cátodo suele ser un electrodo de difusión de gas en donde las partículas de platino están enlazadas a un lado de la membrana.

En otra pila de combustible de oxidación directa, la pila de combustible de borohidruro (DBFC) reacciona como sigue: Semireacción en el ánodo:

BH4- + 8OH- º BO2- + 6H2O + 8e-

Semireacción en el cátodo:

2O2 + 4H2O + 8e- º 8OH-

En una pila de combustible de hidruro metálico química, generalmente borohidruro de sodio acuoso se reforma y reacciona como sigue:

NaBH4 + 2H2O º (calor o catalizador) º 4 (H2) + (NaBO2)

Semireacción en el ánodo:

H2 º 2H+2e-

Semireacción en el cátodo:

(2H+ + 2e-) + O2 º 2H2O

Catalizadores adecuados para esta reacción incluyen platino y rutenio así como otros metales. El combustible de hidrógeno producido a partir de la reforma de borohidruro sódico se hace reaccionar en la pila de combustible con un oxidante, tal como O2, para crear electricidad (o un flujo de electrones) y subproductos de agua. Un subproducto de borato sódico (NaBO2) se genera también mediante el proceso de reforma. Una pila de combustible de boro hidruro sódico se describe en la patente de Estados Unidos número 4.261.956. Por lo tanto, las reacciones de hidruros químicos conocidos, que utilizan hidruro metálico acuoso, tienen aproximadamente de 9 a 12 de porcentaje en peso de expectativas de almacenamiento y el líquido y el catalizador, utilizados en el sistema de reacción química en húmedo necesitan una estrecha vigilancia. Además, resulta difícil mantener la estabilidad de una solución de hidruro metálico durante un largo periodo de tiempo, porque de acuerdo con la fórmula t1/2-pH*log (0.034+kT) , que proporciona la mitad de vida de la reacción, la reacción de hidrólisis siempre ocurre con gran lentitud. Además, si se estabiliza la solución, la reactividad no está completa.

En un método de almacenamiento de hidruros, la reacción es como sigue:

Metal + H2 º hidruro + calor

Sin embargo, la expectativa de almacenamiento de dicha reacción es solo aproximadamente de 5 de porcentaje en peso. Además, dichas reacciones pueden ser de alto coste y difíciles de empaquetar.

Otro método conocido para generar hidrógeno es una reacción de hidruros en seco. La reacción en seco suele implicar la reacción siguiente:

X (BH4) º H2, en donde X incluye, sin limitación, a Na, Mg, Li, etc.

De nuevo, las reacciones en seco tienen varios inconvenientes, tales como tener una expectativa de almacenamiento de solamente un porcentaje en peso de 10 y la necesidad de vigilar estrechamente la presión.

Un método adicional para generar gas hidrógeno es mediante un método de almacenamiento a presión utilizando la fórmula PV=nRT, en donde P es la presión, V es el volumen, n es un número de moles, R es la constante del gas y T es la temperatura. Este método requiere una vigilancia de la presión constante.

El documento EP 1 375 419 A2 da a conocer un aparato generador de hidrógeno que tiene una cámara de reacción, un depósito de solución y un elemento generador de presión, sin suministro de energía, para desplazar la solución a la cámara de reacción.

Una de las más importantes características para la aplicación de la pila de combustible es el almacenamiento de combustible. Otra característica importante es regular el transporte de combustible fuera del cartucho de combustible a la pila de combustible. Para ser comercialmente de utilidad, las pilas de combustibles, tales los sistemas DMFC o PEM deben tener la capacidad de almacenar suficiente combustible para satisfacer el consumo normal de los usuarios. A modo de ejemplo, para teléfonos móviles o celulares, para ordenadores portátiles y para agendas electrónicas de bolsillo (PDAs) , las pilas de combustible necesitan proporcionar energía eléctrica a estos dispositivos durante al menos tanto como las baterías actuales y preferentemente, en un periodo mucho más largo. Además, las pilas de combustible deben tener tanques de combustible fáciles de sustituir... [Seguir leyendo]

1. Un aparato generador de hidrógeno (1) que comprende:

un cartucho (10) que comprende una cámara de reacción (18) aislada, desde el punto de vista fluídico, de un depósito (12) que contiene un primer reactante; un receptor (30) separado del cartucho (10) y adaptado para recibir el cartucho (10) , en donde el cartucho (10) y el receptor (30) pueden conectarse entre sí de forma móvil y en donde el receptor (30) comprende un dispositivo de control de flujo (36) capaz de conectar el depósito a la cámara de reacción, lo que permite al primer reactante (14) penetrar en la cámara de reacción (18) cuando el cartucho (10) está conectado al receptor (30) , en donde cuando una presión, en la cámara de reacción, alcanza una presión predeterminada, el dispositivo de control de flujo (36) se cierra para impedir el transporte del primer reactante (14) a la cámara de reacción (18) y en donde el aparato generador de hidrógeno puede funcionar en cualquier orientación.

2. El aparato generador de hidrógeno, según la reivindicación 1, en donde la presión predeterminada comprende una diferencia predeterminada entre la presión en el depósito y la presión en la cámara de reacción.

3. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 1, en donde la cámara de reacción comprende un segundo reactante.

4. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 3, en donde el primer reactante comprende agua, un alcohol, un ácido diluido o una de sus combinaciones, mientras que el segundo reactante comprende un hidruro metálico

o un borohidruro metálico.

5. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 1, en donde el cartucho está conectado al receptor mediante al menos uno entre: un acoplador de acción rápida de estanqueidad del vehículo, una válvula de no retorno, una válvula de pico de pato, una válvula de solenoide, una combinación de aguja y diafragma, una válvula eléctrica o una válvula magnética.

6. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 1, que comprende, además, un catalizador, en donde el catalizador comprende hierro, cobalto, níquel, rutenio, rodio, platino, paladio, osmio, iridio, cobre, plata, oro, zinc, cadmio, mercurio, escandio, titanio, vanadio, cromo y manganeso.

7. El aparato generador de hidrógeno, según la reivindicación 3, en donde el segundo reactante está en una forma de polvo, gránulos, estructura porosa, bolas, tubos, envolventes solubles, depositadas sobre las paredes de la cámara de reacción o una de sus combinaciones.

8. El aparato generador de hidrógeno, según la reivindicación 1, en donde la cámara de reacción contiene un gas a presión antes del primer uso.

9. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 8, en donde el gas comprende nitrógeno, oxígeno, flúor, cloro, helio, neón, argón, criptón, xenón, radón, hidrógeno o una de sus combinaciones.

10. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 1, en donde el depósito está bajo presión.

11. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 10, en donde el depósito está bajo presión por un resorte, pistón, hidrocarburo licuado, gas propulsor, paredes autoretráctiles o una de sus combinaciones.

12. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 1 que comprende, además, un elemento impermeable a los líquidos/permeable a los gases situado dentro de la cámara de reacción.

13. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 1, en donde el primer reactante se transporta desde el depósito a la cámara de reacción, cuando la presión en la cámara de reacción es de una magnitud predeterminada inferior a la presión en el depósito.

14. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 13, en donde el primer reactante se transporta desde el depósito a la cámara de reacción, cuando la presión en la cámara de reacción es 2 psi menor que la presión en el depósito.

15. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 4, en donde el metal es un metal de los grupos IA y IIA de la Tabla Periódica de Elementos.

16. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 3, en donde el primer reactante, el segundo reactante o una de sus combinaciones comprende un catalizador, un ácido o un aditivo.

17. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 16, en donde el catalizador comprende un metal del grupo IB al grupo VIIIB de la Tabla Periódica de Elementos.

18. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 16, en donde el catalizador es un CoCI2, cloruro de cobalto.

19. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 16, en donde el aditivo comprende al menos un alcohol.

20. El aparato generador de hidrógeno según la reivindicación 16, en donde el alcohol es CH3OH.

21. Un combustible para un sistema generador de hidrógeno (1) que comprende:

un hidruro metálico sólido (20) y

una solución acuosa (14) que comprende agua, un catalizador y un alcohol en donde el catalizador está en la solución acuosa.

22. El combustible según la reivindicación 21, en donde el hidruro metálico se selecciona de entre un grupo constituido por borohidruro de sodio, borohidruro de litio y borohidruro de potasio y sus combinaciones.

23. El combustible según la reivindicación 21, en donde la solución acuosa tiene un pH que varía de 2 a 7.

24. El combustible según la reivindicación 21, en donde la solución acuosa comprende el ácido acético.

25. El combustible según la reivindicación 21, en donde el catalizador se selecciona de entre un grupo constituido por hierro, cobalto, níquel, rutenio, rodio, paladio, osmio, iridio, platino, cobre, plata, oro, zinc, cadmio y mercurio y sus combinaciones.

26. El combustible según la reivindicación 21, en donde el catalizador comprende un catión de un metal de transición y un anión.

27. El combustible según la reivindicación 26, en donde el catión comprende hierro (II) , hierro (III) , cobalto, níquel (II) , níquel (III) , rutenio (III) , rutenio (IV) , rutenio (V) , rutenio (VI) , rutenio (VIII) , rodio (III) , rodio (IV) , rodio (VI) , paladio, osmio (III) , osmio (IV) , osmio (V) , osmio (VI) , osmio (VIII) , iridio (III) , iridio (IV) , iridio (VI) , platino (II) , platino (III) , platino (IV) , platino (VI) , cobre (I) , cobre (II) , plata (I) , plata (II) , oro (I) , oro (III) , zinc, cadmio, mercurio (I) y mercurio (II) .

28. El combustible según la reivindicación 26, en donde el anión comprende hidruro, floruro, cloruro, bromuro, ioduro, óxido, sulfuro, nitruro, fosfuro, hipoclorito, clorito, clorato, perclorato, sulfito, sulfato, sulfato de hidrógeno, hidróxido, cianuro, tiocianato, cianato, peróxido, manganato, permanganato, dricromato, carbonato, carbonato de hidrógeno, fosfato, fosfato de hidrógeno, fosfato dihidrógeno, aluminato, arseniato, nitrato, acetato y oxalato.

29. El combustible según la reivindicación 21, en donde el alcohol se selecciona de entre un grupo constituido por metanol, etanol, isopropanol, n-butanol, t-butanol, etilenoglicol y una de sus combinaciones.

30. El combustible según la reivindicación 21, en donde el hidruro metálico sólido está en una cantidad que varía desde 42 a 52 de porcentaje en peso, en donde el agua está en una cantidad desde 40 a 50 de porcentaje en peso, en donde el catalizador está en una cantidad desde 0, 1 a 4 de porcentaje en peso y en donde el alcohol está en una cantidad de 1 a 10 de porcentaje en peso.

31. El combustible según la reivindicación 30, en donde el hidruro metálico es NaBH4, el catalizador es CoCI2.y el alcohol es CH3OH.

32. El combustible según la reivindicación 21, en donde el hidruro metálico sólido está en una cantidad que varía desde 43 a 53 de porcentaje en volumen, en donde el agua está en una cantidad que varía entre 39 a 49 de porcentaje en volumen, en donde el catalizador está en una cantidad que varía de 0, 1 a 3 de porcentaje en volumen y en donde el alcohol está en una cantidad que varía de 3 a 11 de porcentaje en volumen.

33. El combustible según la reivindicación 32, en donde el hidruro metálico es NaBH4, el catalizador es CoCI2, y el alcohol es CH3OH.

34. Un método para generar hidrógeno que comprende las etapas de:

proporcionar un depósito (12) que comprende un primer reactante (14) en un cartucho (10) que incluye una cámara de reacción (18) , en donde el depósito (12) está aislado, desde el punto de vista fluídico, de la cámara de reacción (18) ;

unir el cartucho (10) a un receptor (30) , estando dicho receptor (30) separado del cartucho (10) , que comprende una válvula (36) y conductos (34a, 34b) capaces de colocar el depósito (12) en comunicación fluídica con la cámara de reacción (18) y

abrir la válvula (36) para introducir el primer reactante (14) en la cámara de reacción (18) ; generar el hidrógeno y accionar el cartucho (10) y el receptor (30) en cualquier orientación.

35. El método según la reivindicación 34 que comprende, además, una etapa que consiste en poner bajo presión la cámara de reacción en el cartucho antes de introducir el cartucho en el receptor.

36. El método según la reivindicación 35, en donde la etapa de abrir la válvula comprende una etapa de reducir la presión en la cámara de reacción.

37. El método según la reivindicación 34 que comprende, además, una etapa de cierre de la válvula, en donde el cierre de la válvula comprende la represurización de la cámara de reacción, en donde la cámara de reacción represurizada tiene una presión superior a la presión en el depósito en un valor predeterminado.

38. El método según la reivindicación 34 que comprende, además, las etapas de evacuación del hidrógeno y la introducción del hidrógeno en un dispositivo que demanda el hidrógeno.

39. El método según la reivindicación 34 que comprende, además, una etapa de poner el depósito bajo presión.

40. El método según la reivindicación 34 que comprende, además, una etapa de proporcionar un ácido en el depósito o en la cámara de reacción.

41. El método según la reivindicación 34 que comprende, además, una etapa de proporcionar un segundo reactante en la cámara de reacción.