Una pila de combustible con un sistema de monitorización de combustible y su método de uso.

Un sistema de monitorización para un sistema de pila de combustible comprende:

una pile de combustible que tiene un controlador;

una reserve de combustible acoplada a la pile de combustible;

una pluralidad de sensores operativamente conectados a la reserve de combustible, donde lossensores ester) localizados en un chip, y los sensores estan en contacto con el combustible contenido enla reserva de combustible; y un enlace de comunicacion de sensores que conecta los sensores y elcontrolador.

UNA PILA DE COMBUSTIBLE CON UN SISTEMA DE MONITORIZACION DE COMBUSTIBLE Y SU METODO DE USO

CAMPO DE APLICACION

La invencion se relaciona generalmente con pilas de combustible y tecnologias de monitorizacion. En particular, una variedad de sensores unidos a un sistema de control remoto y a un dispositivo de almacenamiento de informaciOn que son usados para monitorizar los parametros del

sistema en una pila de combustible.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Las pilas de combustible son dispositivos que directamente convierten la energia quimica de los reactivos, esto es, combustible y oxidante, en corriente continua. Para un creciente numero de aplicaciones, las pilas de combustible son mas eficientes que la generación electrica convencional, como la combustión de combustibles fosiles, asi como los almacenamientos de electricidad portatiles, como las

baterias de iOn-litio.

En general, la tecnologia de pilas de combustible incluye una variedad de diferentes pilas de combustible, como son las pilas de combustible alcalinas, las pilas de combustible de polimero electrolito, las de acid° fosfOrico, las de carbonato fundido, las de Oxido sOlido y las de enzimas. Hoy en dia, las

principales pilas de combustible pueden dividirse en varias categorias generales, especificamente: (i) pilas de combustible que usan hidrogeno comprimido (H2) como combustible; (ii) pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) que usan alcoholes, por ejemplo, metanol (CH3OH) , hidruros de metales, por ejemplo, hidruro de boro y sodio (NaBH4) , hidrocarburos, u otros combustibles modificados a combustibles de hidrOgeno; (iii) pilas de combustible PEM que pueden consumir

combustible sin hidrOgeno directarnente o pilas de combustible de oxidación directa; y (iv) pilas de combustible de Oxido solid° (SOFC) que directamente convierten los combustibles de hidrocarburos en electricidad a altas temperaturas.

El hidrOgeno comprimido esta generalmente almacenado a alta presiOn y por consiguiente es

dificil de manejar. Ademas, se necesitan normalmente grandes tanques de almacenamiento y no son lo suficientemente pequenos para los dispositivos electrOnicos de los consumidores. El formateo convencional de pilas de combustible necesita reformados y otros sistemas auxiliares y de vaporizacion para convertir combustibles en hidrOgeno para reaccionar con el oxidante en la pila de combustible. Recientes avances hacen a las pilas de combustible formateadas mas prometedoras para los

consumidores de dispositivos electrOnicos. Las pilas de combustible mas comunes de oxidación directa son las de metanol directo o DMFC. Otras pilas de combustible de oxidación directa incluyen pilas de combustible de metanol directo y pilas de combustible de ortocarbonato tetra metil directo. DMFC, donde el metanol reacciona directamente con el oxidante en la pila de combustible, tiene una prometedora aplicaciOn electrica para los dispositivos electronicos de los consumidores. SOFC convierte los

combustibles de hidrocarburos, como el butano, a altas temperaturas para producir electricidad. SOFC necesitan relativamente una alta temperatura en el rango de los 1000°C para que ocurra la reacción de la pila de combustible.

Las reacciones quimicas que producen electricidad son diferentes para cada tipo de pila de combustible. Para DMFC la reacciOn quimica-electrica en cada electrodo y la reacción global para una pila de combustible de metanol directo de describe a continuaciOn: Semi-reacciOn en el anodo: CH3OH + H20 4 CO2 + 6H + 6e

Semi-reacción en el catodo:

1.502 +6H +6e 4 3H20

ReacciOn global en la pila de combustible: CH3OH + 1.502 4 CO2 + 2H20

Debido a la migración de los iones de hidrOgeno (Hi) a twos de PEM desde el anodo al catodo y a la incapacidad de los electrones libres (e-) para pasar a traves de PEM, los electrones circulan por un circuito extern°, por lo que producen una corriente electrica. El circuito extern° podria usarse para alimentar muchos dispositivos electrOnicos ütiles, como telefonos móviles, calculadoras, agendas

electrOnicas, portatiles y herramientas electricas entre otros.

DMFC es analizada en las patentes de los EE.UU. n° 5.992.008 y 5.945.231, las cuales se incorporan aqui por referencia en su totalidad. Generalmente, las PEM estan hechas de un polimero, como el Nafion de DuPont, que es un polimero de acid° sulfOnico perfluorado, que tiene un espesor en el rango entre 0.05mnn y 0.5mm, o de otras membranas apropiadas. El anodo esta tipicamente hecho de

papel carbon teflonizado con una fina capa de catalizador, como el platino-rutenio, depositada encima. El catodo es tipicamente un electrodo de gas de difusion, en el que las particulas de platino son depositadas a un lado de la membrana.

En otra pila de combustible de oxidaciOn directa, la pila de combustible de hidruro de boro (DBFC) reacciona de la siguiente manera: Semi-reacción en el anodo:

+ 80H-4 B02.. + 6H20 + 8e

Semi-reacción en el catodo: 202 + 4H20 + 8e-4 80H-

En una pila de combustible de hidruro de metal, generalmente el hidruro de boro y sodio acuoso se reforma y reacciona asi: NaBH4 + 2H20 4 (calor o catalizador) 4 4 (H2) + (NaB02)

Semi-reacción en el anodo: H2 2H+ + 2e"

Semi-reacción en el catodo: 2 (2H+ + 2e-) + 024 2H20

Catalizadores apropiados para esta reacción son platino y rutenio, asi como otros metales. El combustible hidrOgeno producido por la reforma del hidruro de boro y sodio reacciona en la pila de combustible con un oxidante, como el 02, para generar electricidad (o un flujo de electrones) y agua

como subproducto. Tambien sale como subproducto en este proceso el borato sOdico NaB02.

Una pila de combustible de hidruro de boro y sodio es analizada en la patente de EE.UU n° 4.261.956, que es incorporada aqui por referenda. Por lo tanto, las reacciones quinnicas conocidas de hidruros que usan hidruros de metal acuosos tienen una expectativa de almacenamiento del 9% al 12% en peso, y el liquido y el catalizador usados en el sistema de reacciOn quinnica humeda necesitan ser

estrechamente monitorizados. Ademas, es dificil mantener la estabilidad de una soluciOn de hidruro de metal en un largo periodo de tiempo, porque segun la fOrnnula t1/2-pHlog (0.034+kT) , que nos da la vida media de la reacciOn, la reacciOn de hidrOlisis siempre ocurre muy despacio. Adernas, si la soluciOn de estabiliza, la reactividad no se completa.

Enun metodo de almacenamiento de hidruro, la reaccion es como sigue:

Metal + H2 hidruro + calor

Sin embargo, la expectativa de almacenamiento de este tipo de reacciOn es de solo un 5% en

peso. Adennas, dichas reacciones pueden ser caras y dificiles de almacenar. Otro metodo conocido de producir hidrOgeno es una reacción seca de hidruro. Las reacciones secas, generalmente, conllevan esta reacciOn:

X (BH4) -› H2, siendo X, pero no limitativamente, Na, Mg, Li, etc

De nuevo, las reacciones secas tienen muchas desventajas, como tener unas expectativas de almacenamiento de solo un 10% en peso, y la necesidad de monitorizar estrecharnente la presión. Otro metodo adicional para producir gas hidrOgeno es mediante un metodo de almacenamiento de presion, usando la fOrmula PV=nRT, donde P es la presión, V el volumen, n es el n° de moles, R es la constante del gas y T es la temperatura. Este metodo requiere la continua monitorizaciOn de la presiOn.

Una de las mas importantes funciones de aplicaciOn de las pilas de combustible es la de almacenamiento de combustible. Otra aplicaciOn importante es la regulaciOn del transporte de combustible desde el cartucho de combustible hasta la pila de combustible. Para ser 6til comercialmente, las pilas de combustible como los sistemas PEM y DMFC, deberian tener la capacidad de almacenar suficiente combustible para satisfacer el uso normal del consumidor. Por ejemplo, para telefonos mOviles, portables, agendas electrOnicas (PDAs) , las pilas de combustible necesitan alinnentar dichos dispositivos durante al nnenos el tiempo que lo hacen las actuates baterias, preferiblemente, mucho mas. Adennas, las pilas de combustible deberian ser facilmente reennplazables o rellenables para minimizar o eliminar la

necesidad de las largas recargas de las baterias de hoy en dia.

En la operaciOn de las piles de combustible, es deseable por muchas razones la monitorizaciOn en tiempo real de varios parametros del sistema. En primer lugar, el seguimiento del histOrico de consumo de combustible indica la cantidad restante de combustible a suministrar y da al usuario informaciOn sobre la vide ütil restante al suministro de combustible. La literature de la patente revela un numero... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de monitorización para un sistema de pila de combustible comprende: una pile de combustible que tiene un controlador; una reserve de combustible acoplada a la pile de combustible; una pluralidad de sensores operativamente conectados a la reserve de combustible, donde los sensores ester) localizados en un chip, y los sensores estan en contacto con el combustible contenido en la reserva de combustible; y un enlace de comunicacion de sensores que conecta los sensores y el controlador.

2. El sistema de la reivindicaciOn 1, edemas comprende un dispositivo de almacenamiento de informacion operativamente conectado a cualquiera o a ambos de la pila de combustible y el controlador.

3. El sistema de la reivindicaciOn 2, edemas connprende un enlace de comunicacion de inforrnaciOn que conecta el controlador y el dispositivo de almacenamiento de informacion.

4. El sistema de la reivindicaciOn 2 o 3, donde el dispositivo de almacenamiento de información comprende un chip de memoria o una EEPROM.

5. El sistema de la reivindicaciOn 1, edemas comprende una estaciOn lectora RFID, donde la estacion

lectora RFID este dispuesta en la proximidad de una etiqueta RFID operativamente conectada a los sensores.

6. El sistenna de la reivindicación 5, donde al menos uno de la pluralidad de sensores transmite datos a la etiqueta RFID.

7. El sistema de la reivindicaciOn 6, donde el sensor este fuertemente conectado a la etiqueta RFID para former un paquete RFID.

8. El sistema de la reivindicación 7, donde el paquete RFID este suspendido dentro del combustible.

9. El sistema de la reivindicaciOn 7, donde el paquete RFID este dispuesto en la superficie de la reserve de combustible.

10. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones de la 5 a la 9, donde la etiqueta RFID este operativamente acoplada a la memoria adicional para almacenar los datos.

11. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones de la 5 a la 10, donde al nnenos un sensor este encapsulado en un material inerte al combustible.

12. El sistema de la reivindicaciOn 11, donde el material connprende al menos uno de entre Oxido de silicone, xilileno, tereftalato de polietileno, silicone cubierta de alcohol tereftalatopolivinilo polietileno (PVOH) , alcohol vinilo etileno (EVOH) , EVOH pegado a un sustrato de poliester, copolimeros de cloruro polivinildieno (PVDC o Saran) , resinas de nylon, polimeros de fluor, poliacrilonitrilo (PAN) , naftalato polietileno (PEN) , poli (tereftalato trimetileno) (PTT) , copolimeros resorcinol, polimeros de

cristal liquid°, policetonas alifaticas (PK) , poliuretano, poliamida y mezclas y copolimeros de estos materiales.

13. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones de la 5 a la 12, donde la estaciOn lectora de etiquetas RFID se dispone en la reserve de combustible.

14. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones de la 5 a la 12, donde la estación lectora de etiquetas RFID se dispone en la pila de combustible.

15. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 14, donde el enlace de comunicación de

sensores comprende un conducto electric°, una transmisiOn RE, inducción magnetica o combinaciones de ellos.

16. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 15, donde la pluralidad de sensores comprende un sensor de presiOn, un sensor de temperatura, un circuito medidor de tiempo, un

medidor de esfuerzos, un medidor de combustible, un sensor piezoelectric°, un sensor de fuerza, un acelerometro o combinaciones de ellos.

17. El sistenna de la reivindicaciOn 16, donde el medidor de combustible comprende un termistor, un termopar y un sensor inductivo, o connbinaciones de ellos.

18. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 17, donde los sensores se pueden meter ysacar en la reserva de combustible.

19. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 18, donde el chip esta suspendido dentro del combustible.

20. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 19, adernas connprende una fuente de luz operativamente conectada al controlador y: al menos un fotodetector operativamente conectado al controlador, donde la pluralidad de sensores incluye al menos un sensor Optic°.

21. El sistema de la reivindicaciOn 20, donde al menos un sensor Optic° comprende interferOmetros, sensores Michelson, sensores Fabr y -Perot o combinaciones de ellos.

22. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 21, donde el chip es un chip de circuito integrado (IC) .

23. Un metodo de monitorizacion de una condiciOn de una reserva de combustible comprende los pasos de:

(i) proporcionar una reserva de combustible con combustible en su interior; y

(ii) recoger datos respecto al menos una condicion de la reserva de combustible usando la

pluralidad de sensores localizados en un chip y que estan en contacto con el combustible o estan suspendidos en el combustible, y cambiar un sistema de parametros basado en las diferencias entre los datos recogidos y los datos de control.

24. El metodo de la reivindicación 23 ademas comprende las etapas de:

(iii) transmisiOn de la informaciOn del sensor al controlador; y

(iv) almacenamiento de la información en un dispositivo de almacenamiento de información, donde la pluralidad de sensores se localiza en la reserva de combustible y el dispositivo de almacenamiento de infomnaciOn esta alejado de la reserva de combustible.

25. El metodo de la reivindicaciOn 23 o 24, donde la etapa (ii) ademas comprende la recogida de informaciOn de una etiqueta RFID operativamente conectada con al menos un sensor.

26. El metodo de la reivindicaciOn 25 ademas comprende las etapas de:

(v) preguntar a la etiqueta RFID; y

(vi) transferir los datos desde la etiqueta RFID hasta el controlador.

27. El metodo de la reivindicaciOn 26, donde la transferencia de datos de la etapa (vi) ocurre tras la conexiOn inicial de la reserva de combustible y el controlador.

28. El metodo de la reivindicaciOn 26 o 27, donde los datos son software.

29. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones 26 a 28, donde los datos comprenden tablas de calibraciOn.

30. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones 26 a 28, adernas comprende las etapas de:

(v) preguntar a la pluralidad de sensores; y

(vi) comparar los datos recogidos de la pluralidad de sensores con los datos de control.

31. El metodo de la reivindicaciOn 30, donde el sistema de parametros comprende un indice de bombeo

decombustible, el estado de una valvula de corte, la monitorizaciOn del nivel de combustible o combinaciones de ellos.

A LA C, ARGA (11)