Sistema de celda de combustible que incluye un filtro iónico.

Un sistema de celda de combustible que comprende:

una celda de combustible (10) que tiene una membrana de electrolito polimérico (PEM) en un conjunto de membrana-electrodo (16),

en donde, durante la operación, dicha membrana de electrolito polimérico (PEM) convierte un combustible de la celda de combustible en electricidad; un suministro de combustible (12) que almacena el combustible de la celda de combustible para transportar a la celda de combustible (10); y un filtro iónico (270) que comprende un medio filtrante, en donde dicho medio filtrante se produce de un polímero de ácido sulfónico perfluorado que es el mismo material que el material de la membrana de electrolito polimérico (PEM) en el conjunto de membrana-electrodo (16) de la celda de combustible (10) y al menos un catalizador, en donde el medio filtrante atrae iones metálicos y en donde el filtro iónico (270) está en comunicación fluida con dicho combustible y está ubicado corriente arriba de la membrana de electrolito polimérico (PEM) entre el suministro de combustible (12) y dicha celda de combustible (10) y elimina los iones metálicos del combustible de la celda de combustible.

Sistema de celda de combustible que incluye un filtro iónico Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a sistemas de combustibles que usan celdas de combustible y cartuchos de combustibles y, más en particular, la presente invención se refiere a un filtro iónico incorporado en tales sistemas.

Antecedentes de la invención Las celdas de combustible son dispositivos que convierten directamente la energía química de reactivos, es decir, combustible y oxidante, en electricidad de corriente directa (DC) . Para una mayor cantidad de aplicaciones, las celdas de combustible son más eficaces que la generación de energía convencional, como combustión de combustible fósil y más eficaz que el almacenamiento de energía portátil, como baterías de ion litio.

En general, las tecnologías de celdas de combustible incluyen una variedad de diferentes celdas de combustible, tales como celdas de combustible alcalinas, celdas de combustible de electrolito polimérico, celdas de combustible de ácido fosfórico, celdas de combustible de carbonato fundido, celdas de combustible de óxido sólido y celdas de combustible enzimáticas. Las celdas de combustible más importantes actualmente se pueden dividir en tres categorías generales, a saber, celdas de combustible que utilizan hidrógeno comprimido (H2) como combustible, celdas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM) que usan metanol (CH3OH) , borhidruro de sodio (NaBH4) , hidrocarburos (como butano) u otros combustibles reformados en combustible hidrogenado y celdas de combustible PEM que usan combustible de metanol (CH3OH) directamente (“direct methanol fuel cells” o DMFC) . El hidrógeno comprimido se mantiene en general a alta presión y, por ello, es difícil de manipular. Por otra parte, normalmente se requieren grandes tanques de almacenamiento y no se pueden hacer suficientemente pequeños para dispositivos electrónicos de consumo. Las celdas de combustible reformadas convencionales requieren reformadores y otros sistemas de vaporización y sistemas auxiliares para convertir los combustibles en hidrógeno para reaccionar con oxidante en la celda de combustible. Los recientes avances hacen que los reformadores o celdas de combustible reformadas sean promisorios para los dispositivos electrónicos de consumo. DMFC, donde el metanol se hace reaccionar directamente con oxidante en la celda de combustible, es la celda de combustible más simple y potencialmente más pequeña y también tiene una aplicación de energía promisoria para dispositivos electrónicos de consumo.

DMFC para aplicaciones relativamente más grandes comprende un ventilador o un compresor para proporcionar un oxidante, típicamente aire u oxígeno, al electrodo de cátodo, una bomba para suministrar una mezcla de agua/metanol al electrodo de ánodo y un ensamble de membrana y electrodo (MEA) . El MEA típicamente incluye un cátodo, PEM y un ánodo. Durante la operación, la mezcla de combustible líquido de agua/metanol se proporciona directamente al ánodo y el oxidante se proporciona al cátodo. La reacción químico-eléctrica en cada electrodo y la reacción general para una celda de combustible de metanol directa se describen de la siguiente manera:

Mitad de la reacción en el ánodo CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-

Mitad de la reacción en el cátodo:

O2 + 4H+ + 4e-→ 2 H2O

Toda la reacción en la celda de combustible:

CH3OH + 1, 5 O2 → CO2 + 2 H2O

Debido a las migraciones de los iones hidrógeno (H+) a través de PEM del ánodo a través del cátodo y debido a la incapacidad de los electrones libres (e-) de pasar a través de PEM, los electrones deben fluir a través de un circuito externo, que produce una corriente eléctrica a través del circuito externo. El circuito externo puede ser cualquier dispositivo electrónico de consumo útil como teléfonos móviles o celulares, calculadoras, asistentes digitales personales y ordenadores laptop, entre otros. Se trata DMFC en las patentes de los Estados Unidos Nros. 5.992.008 y 5.945.231. En general, PEM se hace de un polímero, como Nafion® disponible de DuPont, que es un polímero de ácido sulfónico perfluorado que tiene un espesor en el intervalo de aproximadamente 0, 05 mm a aproximadamente 0, 50 mm u otras membranas apropiadas.

Las reacciones en las celdas electroquímicas tienen lugar en un conjunto de membrana-electrodo típicamente compuesto por una capa de difusión de ánodo, compuesta por un soporte de papel carbónico tratado con un fluoropolímero, como Teflon® disponible de DuPont, una capa de catalizador de ánodo compuesta por catalizador, como platino-rutenio y un conductor protónico, como polímero de ácido sulfónico perfluorado Nafion®, PEM, una capa de catalizador de cátodo compuesta por catalizador, como platino y un conductor protónico y una capa de difusión de cátodo compuesta por un soporte de papel carbónico tratado con un fluoropolímero.

La reacción en la celda para una celda de combustible reformadora de borhidruro de sodio es la siguiente:

NaBI4 (acuoso) + 2 H2O → (calor o catalizador) → 4 (H2) + (NaBO2) (acuoso) H2 → 2H+ + 2e- (en el ánodo)

(2H+ + 2e-) + O2 → 2 H2O (en el cátodo)

Los catalizadores apropiados incluyen platino y rutenio, entre otros metales. El combustible de hidrógeno producido de la reforma de borhidruro de sodio se hace reaccionar en la celda de combustible con un oxidante, como O2, para crear electricidad (o un flujo de electrones) y subproducto agua. El subproducto borato de sodio (NaBO2) también se produce por el proceso de reformado. La celda de combustible de borhidruro de sodio se trata en la solicitud de patente publicada de los Estados Unidos N.º 2003/0082427.

Los cationes distintos de los protones reducen la conductividad de la PEM. Lo que daña en especial la conductividad de la membrana son iones metálicos multivalentes que tienden a quedar atrapados en la PEM. Cuando la conductividad es suficientemente reducida o cuando el nivel de iones atrapados alcanza un nivel umbral, la PEM debe ser reemplazada o reformada.

La literatura de patente revela una cantidad de filtros para celdas de combustible. La patente de los Estados Unidos N.º US 6.265.093 B1 revela un sistema de celda de combustible de alimentación de metanol directa que incluye un filtro de combustible ubicado en frente del MEA. Este filtro es un filtro de tipo tamiz que atrapa partículas en base al tamaño de partícula para eliminar impurezas hidrocarbonadas del combustible. La patente de los Estados Unidos N.º

6.630.518 B1 revela una membrana polimérica que es irradiada y luego sulfonada para ligar el grupo ácido sulfónico con la membrana. La membrana es de utilidad como PEM en celdas de combustible y se puede usar como miembro de intercambio iónico o en sistemas de purificación selectiva de iones, entre otros usos. El documento EP-A1468857 revela un filtro a base de zeolita que remueve el azufre y cualquier otro agente desodorante del combustible.

En consecuencia, hay una necesidad de un filtro que reduce la concentración de ion metálico en combustible para usar en una celda de combustible.

Síntesis de la invención

La presente invención se refiere a un sistema de celda de combustible que comprende: una celda de combustible que tiene una membrana de electrolito polimérico en un conjunto de membrana-electrodo, en donde durante la operación, dicha membrana de electrolito polimérico convierte el combustible de una celda de combustible en electricidad; un suministro de combustible que almacena el combustible de la celda de combustible para transportar a la celda de combustible; y un filtro iónico que comprende un medio filtrante, en donde dicho medio filtrante se prepara a partir de un polímero de ácido sulfónico perfluorado que es el mismo material que el material de la membrana de electrolito polimérico en el conjunto de membrana-electrodo de la celda de combustible y al menos un catalizador, en donde el medio filtrante atrae iones metálicos y en donde el filtro iónico está en comunicación fluida con dicho combustible y está ubicado corriente arriba de la membrana de electrolito polimérico entre el suministro de combustible y dicha celda de combustible y elimina los iones metálicos del combustible de la celda de combustible.

El filtro iónico se puede posicionar en cualquier ubicación en el sistema fluídico de una celda de combustible.

La celda de combustible puede comprender una entrada, una salida y un medio hecho de un polímero de ácido sulfónico perfluorado y se dispone entre la entrada y la salida. El combustible que sale del filtro contiene menos partículas de iones metálicos que el combustible... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de celda de combustible que comprende:

una celda de combustible (10) que tiene una membrana de electrolito polimérico (PEM) en un conjunto de membrana-electrodo (16) , en donde, durante la operación, dicha membrana de electrolito polimérico (PEM) convierte un combustible de la celda de combustible en electricidad; un suministro de combustible (12) que almacena el combustible de la celda de combustible para transportar a la celda de combustible (10) ; y un filtro iónico (270) que comprende un medio filtrante, en donde dicho medio filtrante se produce de un polímero de ácido sulfónico perfluorado que es el mismo material que el material de la membrana de electrolito polimérico (PEM) en el conjunto de membrana-electrodo (16) de la celda de combustible (10) y al menos un catalizador, en donde el medio filtrante atrae iones metálicos y en donde el filtro iónico (270) está en comunicación fluida con dicho combustible y está ubicado corriente arriba de la membrana de electrolito polimérico (PEM) entre el suministro de combustible (12) y dicha celda de combustible (10) y elimina los iones metálicos del combustible de la celda de combustible.

2. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el filtro iónico (270) se ubica dentro de una salida (22) del suministro de combustible (12) .

3. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el filtro iónico (270) se ubica sobre el suministro de combustible (12) .

4. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el filtro iónico (270) también comprende una entrada (276) y una salida (278) y el medio filtrante se dispone entre la entrada

(276) y la salida (278) .

5. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 4, que también comprende una carcasa (274) que encierra el medio filtrante.

6. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el filtro iónico (270) incluye trozos discretos (270a) del medio filtrante.

7. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el medio polimérico de ácido sulfónico perfluorado está triturado.

8. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el medio polimérico de ácido sulfónico perfluorado está en forma de lingotes.

9. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el medio polimérico de ácido sulfónico perfluorado se transforma en una tela textil.

10. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 9, en donde la tela textil es una tela no tejida.

11. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 9, en donde la tela textil es una red tejida.

12. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el medio polimérico de ácido sulfónico perfluorado está en forma pulverulenta.

13. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el medio filtrante se humecta antes de usar.

14. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el suministro de combustible (12) para la celda de combustible (10) comprende: una carcasa externa que contiene el combustible de la celda de combustible y el filtro iónico (270) está soportado por la carcasa.

15. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el medio filtrante se posiciona dentro de la vía de flujo fluídico en relación con la celda de combustible (10) .

16. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el filtro iónico (270) se provee de un sensor iónico (272) para medir la conductividad eléctrica del combustible.

17. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en donde al menos un catalizador no tiene material de base.

18. El sistema de celda de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en donde al menos un catalizador comprende platino o rutenio.