BR112019012616B1 - Célula de combustível de metal-ar - Google Patents
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Abstract
o pedido refere-se a uma célula de combustível de metal-ar e suas utilizações, incluindo a utilização como fonte de energia de corrente contínua de longa duração, mecanicamente recarregável, para dispositivos e produtos.
Description
[001] A presente invenção refere-se a uma célula de combustível de metal-ar e seus usos, incluindo o uso como fonte de energia de corrente contínua de longa duração, mecanicamente recarregável, para dispositivos e produtos.
[002] A referência nesta especificação a qualquer publicação anterior, ou informação derivada dela, ou a qualquer matéria que seja conhecida, não é, e não deve ser tomada como uma confirmação ou admissão ou qualquer forma de sugestão que a publicação anterior, ou informação derivada dela, ou matéria conhecida faz parte do conhecimento geral comum no campo de atuação ao qual essa especificação se refere.
[003] Muitos produtos, em particular aparelhos domésticos e portáteis, são projetados para serem alimentados por baterias, como baterias de pilha AA, célula C e célula D. As desvantagens ao usar essas baterias tradicionais incluem: tempo de vida operacional relativamente curto e prazo de validade limitado, isto é, vencimento devido à degradação dos componentes internos (sistema fechado) ao longo do tempo mesmo quando não em uso. Estes dispositivos são, portanto, alternativamente alimentados por outras fontes, incluindo energia solar ou querosene.
[004] As desvantagens de usar o querosene como fonte de energia alternativa incluem: altos custos mensais; poluente ambiental (milhões de toneladas de CO2 e carbono negro liberados na atmosfera, contribuindo para o aquecimento global); impacto adverso na saúde (por exemplo, pulmões, olhos, pele e bem-estar geral); perigo potencial de incêndio (devido à inflamabilidade); problemas de armazenamento seguro e compra regular; não adequado como fonte de energia para alguns produtos e dispositivos (como sinalizadores de emergência, rádios, equipamentos de comunicação e estações de recarga para dispositivos USB); e até mesmo o potencial de envenenamento causado pelo consumo acidental devido à confusão como bebida.
[005] As desvantagens de usar a energia solar como fonte de energia alternativa incluem: variabilidade na quantidade e duração da luz solar (particularmente durante o inverno); impacto da chuva (que pode reduzir o potencial solar para perto de zero durante a estação tropical chuvosa / monção); condições nebulosas e neblina podem reduzir a geração de energia (em aproximadamente 10-80%); sombras e neblina também podem reduzir a eficácia da energia solar; impacto da latitude do sol (ângulo do sol) e necessidade de ajustar a posição do dispositivo de captura solar para captura efetiva; devem estar localizados ao ar livre para capturar a luz do sol, deixando-os em risco de danos causados por elementos externos, bem como por roubo; e limitações dos próprios dispositivos solares, pois não são recarregáveis, pelo que devem ser eliminados no final da sua vida útil.
[006] Células de combustível de metal-ar, como as células de combustível de magnésio-ar, também podem ser usadas como alternativa às baterias tradicionais. Células de combustível de metal-ar são consideradas para oferecer certas vantagens, incluindo: alta densidade de energia; preço baixo; e longo potencial de armazenamento.
[007] De um modo geral, as células de combustível de metal-ar operam por suspensão em uma solução aquosa iônica, como a água do mar ou outras soluções salinas, que atuam como o eletrólito entre o cátodo de ar e o ânodo. O cátodo de ar é exposto ao oxigênio para permitir que a reação eletroquímica ocorra. Subprodutos desta reação eletroquímica incluem: a) liberação de gás hidrogênio (e quantidades mínimas de cloro gasoso); e b) materiais residuais da degradação de ânodo (por exemplo, hidróxidos de metal).
[008] A tecnologia de célula de combustível de metal-ar não é sem suas desvantagens, incluindo: vazamento do eletrólito a partir da célula; exposição dos eletrodos ao excesso de eletrólito causando interferência no desempenho; problemas de vedação; problemas de acúmulo e ventilação de gases (por exemplo, hidrogênio e cloro); temperatura e pressão perigosas acumuladas causadas por reações redox exotérmicas descontroladas, problemas de gerenciamento de resíduos associados à degradação de ânodo (por exemplo, a vida útil do cátodo danificado causou o acúmulo de material residual na célula de combustível na ausência de limpeza regular e reposição de eletrólitos).
[009] As células de combustível de magnésio-ar têm uma vida útil típica de 50 a 100 horas antes de requerer a substituição do ânodo. O desempenho do cátodo de ar também diminui muito rapidamente após apenas 100 a 200 horas de uso, ou mesmo durante o armazenamento após o uso inicial. Algumas células de combustível de metal-ar exigem atividades regulares de manutenção e limpeza pelo usuário, a fim de maximizar a vida útil do cátodo de ar.
[0010] Configurações típicas de células de combustível de metal-ar são exemplificadas por: Patente dos EUA Número 3.519.486 (7 de julho de 1970), Huebscher, RG et. al.; e Patente dos EUA Número 3.963.519 (15 de junho de 1976), Louie, HP.
[0011] US 3.518.986 descreve uma célula de combustível de eletrólito aprisionado que inclui reservatório (s) / câmara (s) interna (s) no fundo da célula para capturar o excesso de eletrólito. O excesso de eletrólito capturado forma um grupo (s) de eletrólito no qual os eletrodos e uma matriz são posicionados. A matriz é feita de um material resistente ao hidróxido de potássio, tal como um tapete de amianto fibroso (coluna 2, linhas 45). A célula deve ser selada para evitar o vazamento do eletrólito. Além disso, como o (s) reservatório (s) está posicionado na parte inferior da célula, a célula deve ser posicionada em uma orientação vertical para assegurar o agrupamento de eletrólito e a operação da célula.
[0012] O documento US 3.963.519 descreve outra célula de combustível de eletrólito aprisionado com um espaçador de blindagem de proteção. O espaçador fornece resistência estrutural à célula e protege o cátodo, permitindo que o ar passe por toda a superfície do cátodo. Este projeto foi considerado um avanço em relação às construções anteriores de baterias de metal / ar com estrutura pesada que foram consideradas inadequadas para uso como células de metal-ar leves primárias e secundárias de configurações de célula AA, C e D. Uma configuração à prova de líquido para selar internamente o eletrólito é descrita.
[0013] Nem US3.519.486 nem US3.963.519 descrevem um processo para remover ou isolar resíduos acumulados de degradação de ânodo e / ou ventilar subprodutos para aliviar o acúmulo de pressão.
[0014] O desenvolvimento de tecnologias de células de combustível de metal-ar está em andamento. Por exemplo, Aqua Power System, Japão, está atualmente buscando avançar a tecnologia de célula de combustível de metal-ar como descrito pelo menos nos três pedidos de patentes PCT e comercializados como sua tecnologia de sistema “Realistic Magnesium Air Fuel” (RMAF) (http: // aquapowersystems.com/technology/how-aqua-powers-technology- works/, site acessado em 19 de dezembro de 2016).
[0015] O documento WO2014 / 097909 (Aqua Power System, Japão; também publicado como US2015 / 0340704 A1) divulga uma célula de combustível de metal-ar com um corpo de cátodo em camadas incluindo material (s) de carbono eletricamente condutivo e repelente à água. A célula de combustível resultante é descrita como altamente repelente à água, permeável ao ar e resistente a vazamentos.
[0016] O documento WO2014 / 115880 (Aqua Power System, Japão; também publicado como US2015 / 0364800 A1), fornece uma célula de combustível de magnésio-ar com uma distância comparativamente mais curta entre o ânodo e o cátodo para melhorar a reação eletroquímica. A altura e largura da célula de combustível, o posicionamento relativo do ânodo e do cátodo, e a utilização de um tubo de abastecimento de água incluindo ainda um tubo de descarga de gases de reação geram um abastecimento estável de energia durante um período de tempo relativamente longo. Contudo, como a entrada para o tubo de descarga de gases de reação pode estar localizada dentro da célula, o tubo de descarga de gases de reação pode indesejavelmente vazar eletrólito e / ou gás.
[0017] O documento WO2014 / 115879 (Aqua Power System, Japão; também publicado como US2015 / 0380693 A1) revela uma célula de combustível de magnésio-ar que pode ser ligada e desligada em virtude de uma tampa que, quando apertada, coloca os terminais em contato para poder 'ligar' e quando soltos, ‘desliga’ a energia.
[0018] Entende-se que a tecnologia RMAF está incorporada em vários produtos comerciais, incluindo uma bateria AA de 1,5V ativada por água (http://aquapowersystems.com/products/batteries/, site acessado em 19 de dezembro de 2016). No entanto, conforme divulgado no site, a bateria Aqua Power é configurada como um sistema fechado de tamanho fixo que requer a introdução manual do eletrólito por meio de uma pequena pipeta operada manualmente.
[0019] Fluidic Inc. (EUA) é outra empresa que atualmente busca promover a tecnologia de célula de combustível de metal-ar. Entende-se que a tecnologia da plataforma Fluidic, Inc. está incorporada na primeira bateria recarregável de zinco-ar comercializada (http://fluidicenergy.com/technology/, site acessado em 19 de dezembro de 2016).
[0020] Fluidic, Inc. descreve vários avanços na tecnologia de célula de combustível de metal-ar incluindo, por exemplo: utilização de um dopante para aumentar a condutividade do produto de oxidação de combustível de metal, ou seja o ânodo é dopado degeneradamente (WO2014 / 062385, Fluidic, Inc.); utilização de aditivos no meio ionicamente condutor para aumentar a eletrodeposição e / ou prolongar a capacidade da célula (documento WO2014 / 160144, Fluidic, Inc.); aditivos aromáticos hetero-iônicos (documento WO2014 / 160087, Fluidic, Inc.); aditivos compreendendo poli (etilenoglicol) tetra-hidrofurfurila; e controle da concentração de aditivos no meio iônico condutor (WO2016 / 123113 e WO2012 / 030723, Fluidic, Inc.). Outros avanços reivindicados resultantes de modificações de projeto incluem: acomodar um espaço de recepção de oxidante gasoso (documento WO2013 / 066828, Fluidic. Inc.); uma bandeja de captura contendo um material catalisador para catalisar a oxidação de partículas residuais (documento WO2012 / 012364, Fluidic, Inc.); um ânodo tendo uma estrutura de tablado (WO2011 / 163553, Fluidic, Inc.); uma célula de combustível tendo uma pluralidade de eletrodos (WO2011 / 130178 e WO2012 / 037026, Fluidic, Inc. respectivamente) e múltiplos sistemas de células de combustível (WO2011 / 035176, WO2012 / 106369 e WO2010 / 065890, Fluidic, Inc. respectivamente).
[0021] Em geral, a tecnologia de célula de combustível de metal-ar da Fluidic, Inc. é semelhante a baterias recarregáveis convencionais em que o processo é reversível porque o ânodo não é consumido e ainda que o ânodo é “dopado” ou revestido para impedir sua degradação.
[0022] Apesar dos inúmeros avanços na tecnologia de célula de combustível de metal-ar, permanece uma necessidade contínua de superar certas desvantagens associadas à tecnologia e fornecer novas fontes de energia de corrente contínua particularmente na forma de baterias, para uso em dispositivos e produtos que tem um preço razoável, são acessíveis, ambientalmente amigáveis (reutilizáveis, recicláveis), tem uma longa vida útil (prateleira e / ou operação), são confiáveis e seguras.
[0023] Ao longo desta especificação e das reivindicações que seguem, a menos que o contexto exija o contrário, a palavra “compreende” e suas variações, tais como “compreende” e “compreendendo”, incluirão a inclusão de um inteiro declarado ou passo ou grupo de inteiros ou passos, mas não a exclusão de qualquer outro inteiro ou passo ou grupos de inteiros ou passos.
[0024] A presente invenção fornece uma célula de combustível de metal-ar compreendendo: (a) um ânodo; b) um cátodo de ar posicionável; c) uma camada de material absorvente adaptada para reter eletrólito, a camada de material absorvente posicionada intermediária ao ânodo e o cátodo de ar de tal modo que contacta o ânodo; e d) um meio de posicionamento de cátodo de ar elástico adaptado para posicionar o cátodo de ar para assegurar que o cátodo de ar permanece em contato com a camada de material absorvente, ao mesmo tempo que acomoda qualquer alteração no volume da camada de material absorvente; em que a camada de material absorvente funciona como uma ponte de transferência iônica entre o ânodo e o cátodo por reter o eletrólito.
[0025] De preferência, o ânodo, a camada de material absorvente e o cátodo de ar são dispostos coaxialmente de tal modo que o cátodo de ar rodeia substancialmente a camada de material absorvente e a camada de material absorvente rodeia substancialmente o ânodo.
[0026] De preferência, o ânodo, a camada de material absorvente e o cátodo de ar são fornecidos em um arranjo laminado ou de "camada em sanduíche" de modo que, por exemplo, o cátodo de ar sobrepõe a camada de material absorvente que por sua vez cobre o ânodo.
[0027] De preferência, o meio de posicionamento de cátodo de ar elástico é posicionado em torno de um perímetro de seção transversal da célula de combustível de metal-ar.
[0028] De preferência, o meio de posicionamento de cátodo de ar elástico é incorporado ou separado do cátodo de ar e é selecionado de entre: um anel de vedação, um material polimérico deformável, uma banda elástica (ou borracha) ou uma malha expansível.
[0029] De preferência, a célula de combustível de metal-ar está contida dentro de uma unidade de alojamento aberta.
[0030] De preferência, a célula de combustível de metal-ar é ativada ou reativada para uso, permitindo que a camada de material absorvente retenha eletrólito (por exemplo, por mergulhar a célula de combustível de metal-ar em um líquido).
[0031] De preferência, a camada de material absorvente é pré-impregnada com íons para formar eletrólito quando a camada de material absorvente retém água.
[0032] De preferência, a camada de material absorvente compreende uma subcamada de material absorvente que é pré-impregnada com íons, e uma subcamada de material absorvente que não é pré-impregnada com íons.
[0033] De preferência, a camada de material absorvente altera o volume mediante absorção ou depleção de eletrólito retido e / ou captura de material residual de ânodo.
[0034] De preferência, a camada de material absorvente compreende um material fibroso tecido ou não tecido ou uma sua combinação. É ainda preferido que a camada de material absorvente compreenda celulose fibrosa, fibra de bambu ou uma combinação destes.
[0035] De preferência, o ânodo compreende uma liga de magnésio.
[0036] De preferência, o cátodo de ar compreende uma camada de folha. É ainda preferido que o cátodo de ar seja hidrófobo, permeável ao ar e compreenda um material de Teflon (politetrafluoroeteno) em camadas.
[0037] De preferência, a célula de combustível de metal-ar compreende ainda uma camada separadora de papel localizada entre a camada de material absorvente e o cátodo de ar para suportar e conter a camada de material absorvente e / ou isolar e proteger adicionalmente o cátodo dos precipitados residuais de ânodo.
[0038] Em uma modalidade, a célula de combustível de metal-ar é adaptada e / ou usada para fornecer uma fonte de energia de corrente contínua para uso para alimentar a operação de um produto ou dispositivo. De preferência, o produto ou dispositivo é selecionado do grupo que consiste em: tochas (incluindo lanternas intermitentes, faróis magnéticos, luzes de caneta); luzes e produtos ou dispositivos de iluminação (incluindo luzes globo, luzes LED, luzes estroboscópicas e luzes de Natal); aplicações de segurança ou de iluminação temporária (incluindo obras rodoviárias); lanternas (incluindo lanternas de acampamento e lanternas chinesas); produtos de combinação (incluindo combinações de lanterna intermitente-lanterna conversíveis entre operação como lanterna intermitente e lanterna); produtos domésticos (incluindo escovas de dentes elétricas e máquinas de barbear), sinalizadores de emergência (incluindo EPIRB e localizadores direcionais); rádios (analógicos e digitais); equipamentos de comunicação (incluindo rádios, rádios CB e pequenos dispositivos de áudio); brinquedos (ou seja, alimentados por bateria), bancos de energia para produtos recarregáveis e docas de recarga para dispositivos USB (pequenos produtos eletrônicos, incluindo telefones celulares, i-pods, ipads).
[0039] A menos que de outra forma definido aqui, os seguintes termos serão entendidos como tendo os significados gerais que seguem.
[0040] “Permeabilidade ao ar” significa, em relação a um material, aquele que é capaz ou tem a capacidade de permitir que o ar flua, difunda ou de outro modo passe através dele.
[0041] "Absorvente" significa, em relação a um material, aquele que é capaz ou tem a capacidade ou tendência de embeber ou absorver um fluido (líquido ou gás), em particular, um líquido.
[0042] “Ativar” significa, com relação à célula de combustível de metal-ar da invenção, tornar pronta (ativa ou operacional) para uso, isto é, gerar eletricidade através de uma reação redox da célula de combustível de metal-ar.
[0043] “Que pode contrair” significa, com respeito a um material ou objeto, capaz de ou adaptada para diminuir em tamanho e / ou volume por encolhimento ou contratação.
[0044] “Mergulhar” significa o processo de colocar ou imergir algo brevemente em um líquido.
[0045] “Armazenamento a seco” significa processo de armazenamento em condições secas, isto é, em um ambiente de baixa umidade e desprovido de umidade atmosférica.
[0046] “Elástico” significa, com relação a um material ou objeto, aquele que é capaz de ou tem a capacidade de retomar seu tamanho e forma originais espontaneamente após ser esticado ou comprimido ou deformado de alguma outra forma.
[0047] “Eletrólito” significa uma solução (líquida ou gel, preferencialmente líquida) que compreende íons e é capaz de ou tem a capacidade de conduzir eletricidade.
[0048] “Expansível” significa, com respeito a um material ou objeto, aquele que é capaz de ou adaptado para aumentar em tamanho e / ou volume por expansão.
[0049] “Hidrofobicidade” significa, com respeito a um material, aquele que é capaz de ou tem a capacidade de repelir (ao contrário de atrair ou absorver) água.
[0050] “Recarregável mecanicamente” significa, com respeito a uma célula de combustível ou bateria, a substituição do ânodo consumido, por exemplo, no caso de um ânodo de magnésio, o material de magnésio é um meio de armazenamento para os elétrons que são liberados durante a reação química e o material de magnésio é consumido no processo.
[0051] “Acúmulo de pressão” significa, com respeito a gás (es), o acúmulo de pressão devido a gás (es) em um sistema selado ou fechado.
[0052] “Prazo de validade” significa, com respeito a um produto, o período, comprimento ou duração de tempo para o qual o produto permanece utilizável, incluindo adequação ao seu propósito original.
[0053] “Ventilação” significa, com relação a gás (es), o processo de liberação de gás (s) a partir de um sistema selado ou fechado, incluindo, por exemplo, através de uma saída.
[0054] “Resíduo” significa material indesejado ou subproduto (s) resultante a partir de um processo, como, por exemplo, no caso de uma célula de combustível de magnésio metal-ar, o hidróxido de magnésio e / ou gases como hidrogênio e cloro que são produzidos a partir da reação eletroquímica na célula quando em uso.
[0055] "Absorção" significa o processo de absorver ou desenhar um líquido em ou através de um material por ação capilar.
[0056] A invenção é ainda descrita em relação às figuras anexas que ilustram modalidades preferidas de uma célula de combustível de metal-ar de acordo com a presente invenção. Outras modalidades da invenção são possíveis e, consequentemente, a particularidade dos desenhos anexos não deve ser entendida como substituindo a generalidade da descrição precedente da invenção.
[0057] A Figura 1A: Mostra uma vista lateral recortada de seção transversal de uma célula de combustível de magnésio-ar (MgO2) tradicional tal como é conhecido na arte.
[0058] A Figura 1B: Mostra uma vista lateral parcialmente recortada de seção transversal de uma célula de combustível de magnésio-ar de acordo com uma modalidade da invenção.
[0059] A Figura 2: Mostra uma vista lateral recortada de seção transversal da célula de combustível de magnésio-ar da Figura 1B para ilustrar a entrada (absorção) do eletrólito líquido (solução salina) pela camada de material absorvente quando mergulhada em eletrólito líquido.
[0060] A Figura 3a: Mostra uma vista lateral recortada de seção transversal da célula de MgO2 tradicional da Figura 1A para ilustrar o acúmulo de gás da célula (subproduto de reação de célula de combustível) e processo de ventilação, quando em utilização.
[0061] A Figura 3B: Mostra uma vista lateral recortada de seção transversal da célula de combustível de metal-ar da Figura 1B para ilustrar o acúmulo de gás da célula (subproduto de reação de célula de combustível) e processo de ventilação quando em utilização.
[0062] A Figura 4A: Mostra uma vista lateral recortada de seção transversal da célula de MgO2 da Figura 1A, para ilustrar acúmulo de precipitados residuais de ânodo de magnésio corrosivos (subproduto de reação de célula de combustível) no cátodo a partir do uso.
[0063] A Figura 4B: Mostra uma vista lateral recortada de seção transversal da célula de combustível de metal-ar da Figura 1B, para ilustrar a prevenção ou redução de acúmulo de precipitados residuais de ânodo de magnésio corrosivos (subproduto de reação de célula de combustível) sobre o cátodo do uso.
[0064] A Figura 5a: Mostra uma vista lateral recortada de seção transversal da célula de MgO2 da Figura 1A, para ilustrar o processo de deposição e acúmulo de precipitados residuais de ânodo de magnésio (subproduto de reação de célula de combustível) na célula durante utilização.
[0065] A Figura 5B: Mostra uma vista lateral recortada de seção transversal da célula de combustível de metal-ar da Figura 1B para ilustrar a captura ou contenção de resíduos de ânodo de magnésio pelo material de absorção na célula durante a utilização.
[0066] A Figura 6A: Mostra uma vista em perspectiva de uma célula de metal-ar de acordo com a invenção para ilustrar a construção de camada concêntrica (arranjo coaxial) da haste de ânodo interna, camada de material absorvente intermediária, camada separadora de papel e camada de cátodo de ar externa mantida ou posicionada no lugar com um meio de posicionamento de cátodo de ar elástico (tal como um anel de vedação ou malha elástica) para acomodar a expansão (e contração) da camada de material absorvente após entrada / absorção (ou depleção) do eletrólito líquido adsorvido e / ou a coleta de precipitados residuais de ânodo com o tempo através do uso.
[0067] A Figura 6B: Mostra uma vista frontal recortada de seção transversal da célula de combustível da Figura 6A para ilustrar a construção de camada concêntrica (coaxial) antes da expansão da camada de material absorvente.
[0068] A Figura 6C: Mostra uma vista frontal recortada de seção transversal da célula de combustível da Figura 6A para ilustrar a construção de camada concêntrica (coaxial) após a expansão da camada de material absorvente.
[0069] A Figura 7: Mostra uma vista explodida de uma célula de combustível de magnésio-ar de acordo com uma modalidade da invenção para ilustrar os seus vários componentes.
[0070] A Figura 8 mostra uma vista frontal recortada de seção transversal de uma célula de combustível de magnésio-ar para ilustrar a camada de material absorvente de acordo com uma modalidade da invenção.
[0071] A Figura 9: Apresenta os resultados do teste de resistência (milliAmps) para as células de protótipo 1, 2 e 3 de acordo com uma modalidade da invenção durante aproximadamente 750 horas (Exemplo 1, Experiência 1).
[0072] A Figura 10: Apresenta os resultados da saída de energia comparativa (milliAmps) de teste para uma célula de MgO tradicional 2 e uma célula protótipo de acordo com uma modalidade da invenção, ao longo de aproximadamente 500 horas de funcionamento (Exemplo 1, Experiência 2).
[0073] [73] A Figura 11: Apresenta os resultados do teste de desempenho (milliAmps) das células de protótipo 1, 2 e 3 de acordo com uma modalidade da invenção durante aproximadamente 500 horas (Exemplo 1, Experiência 3).
[0074] A Figura 1A mostra um célula de MgO2 tradicional tal como é conhecido na arte. A célula de MgO2 compreende um ânodo de Mg posicionado centralmente (1) dentro de um recipiente fechado (2) contendo eletrólito aquoso (3) em que o ânodo está suspenso. O cátodo de ar (4) é incorporado na parede externa do recipiente, de tal modo que uma reação redox com a atmosfera externa pode ocorrer, resultando em trocas iônicas ocorrendo entre o ânodo e o cátodo através do eletrólito.
[0075] Como se mostra na Figura 3A, subprodutos gasosos gerados pela célula de MgO2 da Figura 1A irão acumular no vazio (12) no interior do sistema fechado. Estes subprodutos gasosos devem ser ventilados (13) para a atmosfera através de um orifício de ventilação (14) que permita que o gás ventile, mas evite o vazamento do eletrólito (3).
[0076] A Figura 4A ilustra a degradação de ânodo (16) da célula de MgO2 da Figura 1A e correspondentes acúmulo de resíduos precipitados de ânodo (por exemplo, hidróxido de magnésio) (17) no cátodo (4).
[0077] Em contraste com a Figura 1A, a Figura 1B mostra uma célula de combustível de metal-ar de acordo com uma modalidade da invenção na qual um ânodo de magnésio (5) está posicionado dentro de um recipiente aberto (6) compreendendo uma ou mais aberturas (7) e rodeado por uma camada de material absorvente (8) que por sua vez é envolvida pelo cátodo de ar (9).
[0078] A Figura 2 ilustra a entrada de eletrólito líquido (10) pela célula de combustível de metal-ar da Figura 1B. O eletrólito (10) é absorvido pela camada de material absorvente (8) por meio de uma ação de absorção na direção das setas (11) quando mergulhado no eletrólito.
[0079] Como mostrado na Figura 3B, a célula de combustível de metal-ar da Figura 1B fornece uma unidade de alojamento aberta (6) com ventilações (7) que permitem a troca de gás (incluindo a entrada de oxigénio) e a ventilação dos subprodutos gasosos na direção de setas (15).
[0080] Embora o ânodo (5) seja descrito como um ânodo de magnésio, metais, ligas ou combinações de ligas alternativos para fornecer ânodos adequados serão geralmente conhecidos dos especialistas na técnica. Metais alternativos adequados incluem Li, Ca, Al, Zn e Fe. De preferência, o ânodo compreende uma liga de magnésio tal como "AZ31B" com a seguinte composição: Alumínio: 2,5 - 3,5 Cobre: 0,05 máx Ferro: 0,005 máx Magnésio: Equilíbrio Manganês: 0,2 mín Níquel: 0,005 máx Silício: 0,1 máx Zinco: 0,6 - 1,4
[0081] Como o ânodo (5) pode ser adaptado para ser internamente, de preferência centralmente, localizado dentro da célula de combustível de metal-ar, o ânodo pode geralmente ser formado na forma de uma haste ou cilindro e pode ser formado através de extrusão. Onde a célula de combustível de metal-ar é alternativamente configurada em um arranjo de camadas em sanduíche (isto é, laminado), o ânodo, a camada de material absorvente e o cátodo de ar podem, cada um, ser fornecidos como uma camada substancialmente plana. Esta configuração pode ser particularmente desejável na substituição de certas formas de bateria retangular, como as baterias de 9V existentes.
[0082] Os cátodos de ar (9) que podem ser adequados para utilização na célula de combustível de metal-ar da invenção serão geralmente conhecidos dos peritos na arte. Propriedades adequadas do cátodo de ar (9) incluem hidrofobicidade e permeabilidade ao ar. De preferência, o cátodo de ar (9) está na forma de uma camada de folha adaptada para acomodar a alteração no volume da camada de material absorvente (8) por expansão e contração. De preferência, o cátodo de ar (9) é hidrofóbico e permeável ao ar e compreende um Material de teflon (politetrafluoroeteno) em camadas. Ainda mais preferencialmente, o cátodo de ar (9) pode compreender um material de Teflon (politetrafluoroeteno) em camadas, fio revestido de carbono e níquel.
[0083] A camada de material absorvente (8) pode ser um material com propriedades tornando-a adequada para absorver e reter uma quantidade absorvida de eletrólito. A camada de material absorvente (8) funciona essencialmente para transportar os íons na quantidade absorvida de eletrólito entre o cátodo de ar e o ânodo. Considera-se, portanto, que atua como um sistema de ponte iônica (ou ponte de transferência iônica) que é necessário para a operação da célula.
[0084] A camada de material absorvente (8) pode ser feita de um material absorvente que é capaz de absorver e reter ou manter eletrólito por um processo de absorção, sucção, ação capilar ou similar. O material absorvente pode ser selecionado com base na em possuir uma ou mais, de preferência todas as propriedades seguintes: • capacidade de retenção de eletrólitos e absorção; • capacidade de expansão para acomodar um aumento no volume devido à absorção do eletrólito líquido e / ou retenção dos materiais residuais de ânodo; • capacidade de encapsular partículas sólidas de modo a capturar e / ou reter os resíduos sólidos; • capacidade de funcionar como uma “ponte iônica”; e / ou • capacidade de permitir a troca ou difusão de gases (por exemplo, para o processo de difusão de gás oxigênio e liberação de subprodutos gasosos durante a operação da célula).
[0085] A camada de material absorvente (8) pode ser feita a partir de uma combinação de materiais absorventes de água, hidrofílicos e / ou hidrofóbicos permeáveis ao ar e ser condutiva ou não condutiva. Materiais adequados podem incluir materiais tecidos ou não tecidos ou suas combinações produzidos a partir de microfibra, rayon, algodão, algodão bruto, cânhamo, lã, juta, polpa de fibra de madeira natural, compósitos de aerogel, pasta de fibra de bambu e / ou qualquer combinação adequada dos mesmos. De preferência, a camada de material absorvente compreende celulose fibrosa, polpa de fibra de bambu ou uma sua combinação.
[0086] O desempenho da camada de material absorvente (8) pode ser melhorado com aditivos, tais como, por exemplo, a adição de esfagno e poliacrilato, bem como outros géis superabsorventes derivados de petróleo, que serão familiares para os especialistas na técnica.
[0087] A célula pode ser ativada ou reativada para uso quando a camada de material absorvente compreende uma quantidade absorvida de eletrólito. A camada de material absorvente (8) pode compreender uma quantidade absorvida de eletrólito após absorção de um eletrólito ou água (quando a camada de material absorvente é pré-impregnada com íons). Um arranjo alternativo preferido da camada de material absorvente é estabelecido e descrito em relação à Figura 8, que será subsequentemente descrita em maior detalhe.
[0088] Os tipos de eletrólito que podem ser adequados para utilização na célula de combustível de metal-ar da invenção serão geralmente conhecidos pelos especialistas na técnica. Exemplos adequados podem incluir, mas não estão limitados a uma solução aquosa compreendendo íons tais como NaCl (por exemplo água salgada, água do mar e soluções salinas), eletrólitos (por exemplo, bebidas desportivas), soluções de urina e alcalinas (por exemplo, KOH) e água (por exemplo, material absorvente é pré- impregnado com íons).
[0089] Como mostrado na Figura 4B, os resíduos de ânodo precipitados (18) são capturados dentro da camada de material absorvente (8) da célula de combustível de metal- ar da Figura 1B e são impedidos de fazer contato direto com o cátodo de ar (9). Este processo é semelhantemente ilustrado nas Figuras 5A e 5B, respectivamente, em que 5A ilustra acúmulo de precipitados residuais de ânodo (17) no cátodo (4) da célula de MgO2 da Figura 1A, enquanto que a Figura 5B ilustra a captura de precipitados residuais de ânodo (18) dentro da camada de material absorvente (8) da célula de combustível de metal-ar da Figura 1B.
[0090] A Figura 6A apresenta uma célula de combustível de metal-ar de acordo com a invenção que fornece um arranjo coaxial da haste de ânodo interna (19), substancialmente rodeada pela camada de material absorvente (20), que por sua vez é substancialmente rodeada por uma camada separadora de papel (20A). A camada separadora de papel (20A) é, por sua vez, substancialmente rodeada pela camada de cátodo de ar (21). A camada de cátodo de ar (21) é posicionada por um meio de posicionamento de cátodo de ar elástico (22), tal como um anel de vedação ou malha elástica, para reter contato com a camada de material absorvente (20). Célula de combustível de metal-ar é, portanto, capaz de acomodar a expansão (e contração) da camada de material absorvente mediante entrada (ou depleção) do eletrólito líquido e / ou a coleta de precipitados residuais de ânodo ao longo do tempo. Em um arranjo alternativo, o meio de posicionamento de cátodo de ar elástico pode ser incorporado na camada de cátodo de ar, tal como por tecer material elástico no cátodo de ar.
[0091] Uma vista recortada de seção transversal da célula de combustível da Figura 6A é também apresentada para ilustrar a camada de material absorvente (20) antes da expansão (Figura 6B) e após a expansão (Figura 6C). Como mostrado nas Figuras 6B e 6C, a camada de cátodo de ar (21) permanece posicionada em contato com a camada de material absorvente (20) e camada separadora de papel (20A), em virtude do meio de posicionamento de cátodo de ar elástico.
[0092] A Figura 7 mostra uma vista explodida de uma célula de combustível de metal-ar de acordo com a invenção para ilustrar alguns dos seus vários componentes. Ânodo de magnésio (28), camada de material absorvente (29), camada separadora de papel (29A) e cátodo de ar (30) são coaxialmente dispostos de forma que o cátodo de ar (30) rodeia a camada separadora de papel (29A), que rodeia a camada de material absorvente (29), que por sua vez rodeia o ânodo de magnésio (28). O meio de posicionamento de cátodo de ar elástico (27) - formado por anéis de vedação na presente modalidade - asseguram o contato entre o cátodo de ar (30) e a camada de material absorvente (29). O arranjo coaxial dos eletrodos é posicionado dentro de um alojamento ventilado (32). O alojamento ventilado (32) é fechado nas respectivas extremidades por uma tampa superior (25) e uma tampa inferior (33), cada uma mantida no lugar por um parafuso (24) preso ao ânodo (28). Um anel de contato (23) situado fora da tampa superior (25) fornece um terminal a partir do cátodo de ar (30) e é conectado ao cátodo de ar (30) pela aba de contato (31). Anéis de vedação de borracha ou plástico (27A) e arruelas plásticas (26) selam cada extremidade do arranjo de eletrodo e qualquer eletrólito aprisionado nele a partir de outros componentes para proteção contra corrosão.
[0093] Como demonstrado na Figura 7, os componentes da célula de combustível de metal-ar podem ser facilmente substituídos por desparafusar um dos parafusos (24) segurando a tampa superior (25) ou a tampa inferior (33) no lugar para acessar o arranjo de eletrodos. O ânodo de magnésio (28) (e o cátodo de ar (30)) podem, portanto, ser facilmente substituídos, fornecendo uma fonte de energia que pode ser recarregada mecanicamente de maneira simples.
[0094] A Figura 8 mostra uma vista recortada de uma célula de combustível de metal-ar da invenção para ilustrar uma modalidade preferida da camada de material absorvente. Célula de combustível de metal-ar compreende em sequência movendo-se para dentro a partir da circunferência externa: meio de posicionamento de cátodo de ar 35, cátodo de ar 34, camada separadora de papel 36 para suportar e conter a camada de material absorvente, e ainda isolar e proteger o cátodo a partir de precipitados residuais de ânodo, subcamada pré-impregnada 37 da camada de material absorvente (sendo pré-impregnada com íons), subcamada não impregnada 38 da camada de material absorvente (não sendo pré-impregnada com íons) e ânodo 39.
[0095] De acordo com a modalidade preferida ilustrada, a configuração do material absorvente permite o controle da dissolução de íons no eletrólito retido. Isso pode, por sua vez, permitir o controle de matérias como dissipação ou concentração de calor da solução surgindo quando os íons são dissolvidos em solução. Esta configuração também pode permitir o controle da composição do eletrólito nas subcamadas da camada de material absorvente, particularmente quando, por exemplo, os íons pré-impregnados têm uma taxa de dissolução lenta. Isto pode, por sua vez, permitir o controle das taxas de reação e da temperatura dentro da camada de material absorvente e da célula de combustível de metal-ar, observando que a reação redox entre o cátodo e o ânodo será tipicamente exotérmica. Deste modo, temperaturas mais elevadas provocadas por reações redox descontroladas podem estar contidas em zonas ou subcamadas particulares da camada de material absorvente (por exemplo, subcamada 37, conforme previsto na modalidade mostrada na Figura 8) que permitem um maior arrefecimento evaporativo e resultante redução no conteúdo de eletrólitos para restringir a reação redox descontrolada.
[0096] Como sugerido pelos desenhos e descrição precedente, a célula de combustível de metal-ar da invenção permite vantajosamente a expansão e contração da camada de material absorvente após absorção / libertação de eletrólito e / ou captura de material residual de ânodo. Além disso, as vantagens potenciais da invenção podem incluir: • a célula de combustível de metal-ar pode ser simplesmente e convenientemente ativada e reativada sob demanda por mergulhar o material absorvente no eletrólito, e desativada por deixar secar entre os usos. Isso fornece uma célula de combustível de metal-ar com um modo “inativo” no qual os componentes não são consumidos, e o potencial associado para uma longa vida de prateleira sem qualquer perda significativa ou apreciável no poder de desempenho da célula; • por fornecer um novo sistema de absorção e retenção para o eletrólito, a invenção que pode permitir configurações evitando volumosos reservatórios de água e exigindo menos eletrólito, reduzindo assim o peso da célula enquanto elimina o potencial de vazamento de eletrólito causado, por exemplo, por inclinação da célula de combustível a partir de uma posição vertical; • por fornecer a célula de combustível de metal-ar em uma unidade de alojamento aberta, a invenção pode ultrapassar as desvantagens presentes em sistemas fechados de célula de combustível de metal-ar, tais como o acúmulo de pressão de gás e vedação eficaz de eletrólito, melhorando também a entrada de oxigênio e ventilação de subprodutos; • conveniente substituição e reciclagem de componentes. O ânodo, a camada de material absorvente e o cátodo de ar podem ser simples e convenientemente substituídos e reciclados para fornecer um dispositivo mecanicamente recarregável amigo do meio ambiente; e / ou • o novo sistema de absorção e retenção para o eletrólito pode permitir um controle térmico maior para evitar uma reação exotérmica descontrolada. Células de combustível de metal-ar trabalham criando uma reação redox exotérmica entre o ânodo e o cátodo. Nas tradicionais células de combustível de metal-ar, isso cria o potencial para reações exotérmicas descontroladas, nas quais a pressão e o calor dentro da célula podem atingir níveis perigosos. A camada de material absorvente da invenção permite uma melhor evaporação e ventilação do eletrólito à medida que as temperaturas aumentam dentro da célula. Isso, por sua vez, pode controlar reações descontroladas ao reduzir o eletrólito disponível por evaporação, retardando a reação. Qualquer reação redox dentro da célula poderia parar completamente com a evaporação completa do eletrólito.
[0097] As células de combustível de metal-ar do presente pedido são, dependendo do seu tamanho, consideradas como potencialmente fornecendo uma fonte de energia equivalente ao uso de 90-100 baterias AA tradicionais. Isso se baseia no armazenamento elétrico conhecido dos materiais em comparação com as baterias de células secas AA de carbono padrão. Uma bateria de carbono AA padrão tem uma capacidade de armazenamento de menos de um watt-hora (Wh) de energia (consulte, por exemplo, http://www.allaboutbatteries.com/Energy-tables.html, site acessado em 19 de dezembro de 2016). Tabela : Armazenamento de energia em pilhas AA (tabela reproduzida de http://www.allaboutbatteries.com/Energy- tables.html, site acessado em 19 de dezembro de 2016)
[0098] A liga de magnésio usada tem uma capacidade de armazenamento de um watt-hora (Wh) para cada grama de material em peso. Por conseguinte, uma haste de 50 g de liga de magnésio fornece um potencial de 50 watt horas ou armazenamento, enquanto uma haste de magnésio mais pesada ou maior, por exemplo 150 gramas, fornece 150 watt-horas de armazenamento. A referência para a densidade de energia galvânica de magnésio é a seguinte.
[0099] Para testar o desempenho das células de combustível de metal-ar de acordo com a invenção, foi conduzida uma série de experiências utilizando células de protótipo construídas de acordo com a invenção. No Experimento 1, as células de protótipo foram testadas sozinhas. Nas Experiências 2 e 3, as células de protótipo foram testadas contra uma célula de combustível de MgO2 tradicional construída substancialmente de acordo com as Figuras 1A, 3A e 4A.
[00100] Materiais anódicos e catódicos idênticos foram usados em todos os testes.
[00101] Uma haste (ânodo) de magnésio extrudida AZ31B com a seguinte composição resultando em uma composição de ânodo de magnésio de aproximadamente (tipicamente) 96% de magnésio puro: Alumínio: 2,5 - 3,5 Cobre: 0,05 máx Ferro: 0,005 máx Magnésio: Equilíbrio Manganês: 0,2 mín Níquel: 0,005 máx Silício: 0,1 máx Zinco: 0,6 - 1,4
[00102] Um cátodo de ar com hidrofobicidade suficiente, consistindo de camadas Material de Teflon (politetrafluoroeteno), fio revestido de carbono e níquel.
[00103] A célula de MgO2 tradicional era de configuração normalmente entendida de tal modo que o ânodo de magnésio estava contido dentro de um vaso de 5% de eletrólito de solução de água salina, e o cátodo de ar formou parte da estrutura de parede de vaso.
[00104] As células de protótipo consistiram de um ânodo de magnésio de 45 gramas e um cátodo de ar consistindo de material de teflon (politetrafluoroeteno), fio revestido de carbono e níquel. O ânodo foi encapsulado em um material absorvente (material de algodão tecido enrolado e tecido em uma substância tipo esteira). O cátodo de ar foi envolvido em torno do material absorvente e fixado com anéis elásticos para permitir a expansão.
[00105] As medições eletrônicas foram realizadas usando multímetros portáteis, de precisão de medição de tensão e amperagem bem conhecida (geralmente bem dentro de 1%) e armazenadas em um ambiente de clima controlado. Os instrumentos foram permitidos aquecer antes de as medições começarem.
[00106] Os testes foram conduzidos em uma base de 24 horas em um laboratório de clima controlado com tipicamente 65% de umidade e temperatura de ar constante de 25 graus Celsius. As tradicionais células de MgO2 foram mantidas por cuidadosamente esvaziar e substituir o eletrólito salino a cada 24 horas, enquanto as células de protótipo foram mergulhadas, por aproximadamente 10 segundos, na mesma solução salina a cada 24 horas.
[00107] Uma carga eletrônica na forma de um circuito conversor de DC para CC de alta eficiência alimentando 3 LEDs foi usada. Este circuito foi projetado especificamente para maximizar carga nas células em todos os momentos, enquanto maximiza o brilho dos LEDs.
[00108] O experimento foi conduzido utilizando três células de protótipo idênticas construídas rotuladas como Célula 1, Célula 2 e Célula 3. O alvo era gerar pelo menos 250 miliampéres a mais de 1,2 volts (sob carga elétrica constante) por 250 horas (o tempo de execução alegado nos produtos).
[00109] A célula 1 e a célula 2 tinham uma carga elétrica contínua (isto é, 24 horas por dia) enquanto a célula de controle 3 funcionava por quatro (4) horas por dia sob carga elétrica.
[00110] A voltagem de cada célula não foi registrada diariamente, mas em uma base aleatória regular. Todas as células mantiveram-se acima de 1,2V durante a duração do teste e tipicamente entre 1,3V e 1,65V.
[00111] Os resultados são apresentados na Tabela 1 abaixo e na Figura 9. Tabela 1: Resultados de teste de resistência (milliAmps) das Células 1, 2 e 3 de acordo com uma modalidade da invenção durante aproximadamente 750 horas
[00112] Os resultados mostram que as células de protótipo excederam o limiar alvo de 250 miliampéres após 264 horas, como segue: Célula 1: 440 mA Célula 2: 360 mA Célula 3: 350 mA
[00113] A duração do teste foi prolongada e após 504 horas, novamente o limiar de 250 mA ainda foi excedido da seguinte forma: Célula 1: 280 mA Célula 2: 490 mA Célula 3: 580 mA
[00114] As células 2 e 3 continuaram a mostrar melhor desempenho.
[00115] Na marca de 740 horas, duas das três células ainda excederam o limiar de saída de energia alvo de 250 mA, como segue: Célula 1: 180 mA Célula 2: 340 mA Célula 3: 280 mA
[00116] Após vários experimentos repetidos com observações e resultados semelhantes, concluiu-se que as células excederam as expectativas de resistência de ciclo de vida (ou seja, a meta de 250 mA) por um fator de três.
[00117] Com base nesses resultados, prevê-se que as células executem, na maioria das aplicações, pelo menos 250 horas e, em muitos casos, mais de 500 horas com uma saída de energia satisfatória ou alvo acima de 250 mA e 1,2 volts.
[00118] Para testar a vida útil e o desempenho do cátodo, uma experiência comparativa foi conduzida usando células de protótipo construídas de forma idêntica (rotuladas como Célula de Protótipo 1 e Célula de Protótipo 2) e célulasde MgO2 tradicionais construídas identicamente (rotuladas como Célula Tradicional 1 e Célula Tradicional 2).
[00119] Os resultados são apresentados na Tabela 2 abaixo e na Figura 10. Tabela 2: Saída de energia comparativa (miliampéres) de uma célula de MgO2 tradicional e uma célula de protótipo de acordo com uma modalidade da invenção em relação a cerca de 500 horas de operação
[00120] Os resultados mostram que a célula de MgO2 tradicional, após um pico de energia de primeira ativação inicial comumente observado, diminuiu rapidamente no desempenho elétrico e, em seguida, continuou a degradar em um ritmo constante. Após 500 horas de operação contínua, as células de MgO2 tradicionais não conseguiram gerar mais de 10% da saída de energia elétrica inicial.
[00121] Em comparação, após 500 horas de operação contínua, a célula de protótipo foi capaz de manter mais de 70% da saída de energia elétrica original em uma instância e mais de 100% da saída em outra - mostrando claramente a melhoria na produção de energia bem acima da saída de primeira ativação inicial.
[00122] É bem conhecido que os poros de cátodos de ar em células de Mg-Ar ficam cada vez mais bloqueados por precipitados que se formam durante a descarga e consumo de magnésio (por exemplo, precipitados de hidróxido de magnésio). Isso, por sua vez, afeta negativamente a difusão do gás oxigênio, de tal forma que a reação diminui, degradando o desempenho do cátodo de ar ao longo do tempo. A microestrutura e a permeabilidade ao ar dos materiais de cátodo de ar à base de carbono são, portanto, um fator crítico que afeta o desempenho eletroquímico das células de MgO2.
[00123] Após a avaliação, os cátodos de ar das células de MgO2 tradicionais foram completamente degradados, cobertos de um material sólido branco (hidróxido de magnésio solidificado) e também foram observados como muito corroídos e, portanto, não mais utilizáveis.
[00124] Em comparação, os cátodos de ar nas células de protótipo pareceram normais e foram reutilizados para experimentos futuros com pouca ou nenhuma perda de desempenho.
[00125] Após várias experiências repetidas com observações idênticas e resultados idênticos, concluiu-se que, em contraste com a configuração de células de MgO2 tradicionais, as células de protótipo demonstraram uma melhoria da vida útil e do desempenho do cátodo.
[00126] Uma série de experimentos e testes foram realizados para caracterizar os benefícios e a eficácia do sistema de gerenciamento de resíduos incorporado nas células do presente pedido.
[00127] A camada de material absorvente para cada célula testada de acordo com uma modalidade da invenção compreendendo uma celulose fibrosa / material de bambu tendo uma consistência semelhante aos produtos sanitários femininos. A camada de material absorvente encapsulante de ânodo expansível funcionava para fornecer uma “ponte iônica” entre o ânodo e o cátodo após mergulhar em uma solução eletrolítica (água salgada) para iniciar e sustentar a reação iônica que pode durar até vários dias. Como demonstrado pelos resultados a seguir, observou-se que o processo de troca iônica melhorou na célula ao longo do tempo com o acúmulo de material residual de ânodo (hidróxido de magnésio) gerado como subproduto da reação.
[00128] Os resultados são apresentados na Tabela 3 abaixo e na Figura 11. Tabela 3: Resultados do teste de desempenho (milliAmps) das Células 1, 2 e 3 de acordo com uma modalidade da invenção ao longo de aproximadamente 500 horas
[00129] Os resultados mostram que à medida que os “resíduos” de hidróxido de magnésio se acumulam, o desempenho elétrico (saída elétrica) das células melhorou até o material de ânodo de magnésio ter sido totalmente consumido. Isto é evidente a partir das 100 horas em todos os testes realizados. Ou seja, uma vez que a queda inicial na energia estabilizou, os resultados mostram que a saída de célula melhora subsequentemente progressivamente e, como resultado, o desempenho elétrico (energia de saída) aumenta.
[00130] Sem querer estar limitado pela teoria, os inventores acreditam que esse fenômeno inesperado pode ocorrer como resultado de qualquer um ou de todos os itens a seguir: • o resíduo de ânodo capturado ao longo do tempo dentro da camada de material absorvente fornece melhores trajetos condutores ou iônicos para melhorar a reação; • à medida que a célula se expande durante o acúmulo de resíduos, mais eletrólito é adsorvido pelo material absorvente e disponibilizado para reação; • a área superficial da célula onde a reação está ocorrendo é aumentada, permitindo maior reação; e / ou • os poros do cátodo de ar são protegidos dos precipitados de hidróxido de magnésio, de modo que a difusão do gás de oxigênio não é significativamente prejudicada.
[00131] Com base nos resultados das experiências e observações, considerou-se que a concepção, engenharia e operação únicas das células de combustível de metal-ar, de acordo com a invenção, permitem filtrar e / ou captar os precipitados residuais de ânodo no material absorvente, que o por sua vez: • protege os poros encontrados no cátodo de ar contra o bloqueio por partículas residuais, permitindo, por sua vez, a difusão de gás de oxigênio crítico através do cátodo de ar; • previne eficazmente os precipitados residuais, de outro modo degradando o cátodo de ar; através do ingresso de sal ou corrosão (por exemplo, migração de sal devido a “fluência de sal”, ou seja, migração de cristais de sal resultando no ingresso de sal e / ou corrosão), potencialmente melhorando também a vida útil do cátodo e outros componentes da célula, como contatos, fiação e / ou eletrônicos; • processa a limpeza interna regular da célula para remover o resíduo acumulado desnecessário; e / ou • pode realmente melhorar o desempenho da célula à medida que os precipitados residuais coletam ou são capturados dentro do material absorvente.
[00132] Células de combustível de metal-ar de acordo com a invenção podem oferecer uma fonte de energia acessível e de baixo custo para uso no mundo em desenvolvimento. Prevê-se que esse combustível de metal-ar possa fornecer aproximadamente cinco (5) horas de uso de luz por dia, a um custo inferior a 0,05 USD / dia no primeiro ano (incluindo o custo inicial do dispositivo). Isso reduziria nos anos subsequentes para 0,01 USD / dia. É ainda de notar que todas as partes constituintes são permutáveis e substituíveis (sendo ideais para aplicações do terceiro mundo) e toda a célula é inerentemente segura, pois mesmo os curtos circuitos não têm efeitos prejudiciais além do consumo do metal de ânodo.
[00133] Células de combustível de metal-ar de acordo com a invenção podem, portanto, fornecer um gerador de corrente contínua portátil, leve (ou seja, leve e resistente que evite volumosos vasos e / ou recipientes de água), ambientalmente amigável, trocável, potente (isto é, potente o suficiente para impulsionar uma miríade de aplicações elétricas e elétricas não possíveis anteriormente com certas células de combustível de metal-ar conhecidas), escalonável e miniaturizado (isto é, pode ser miniaturizado para ser usado em áreas “clássicas” anteriormente dominadas por baterias como bateria de células D e outras baterias de fatores de forma somente); e / ou para oferecer o potencial de uma fonte de energia ambientalmente amigável ou “verde” para produtos e dispositivos (quando comparada, por exemplo, com baterias tradicionais, solar e querosene, pois as partes constituintes são ecologicamente amigáveis e comumente disponíveis permitindo excelente reciclabilidade de todo o dispositivo, o próprio cátodo também é removível e adequado para reciclagem.
[00134] Modificações e variações, como seria óbvio para o perito na arte, estão incluídas no âmbito da presente invenção, como reivindicado nas reivindicações anexas.
[00135] A menos que o contexto exija de outra forma, “posição” significa, quando usado como um verbo, colocar ou arranjar algo em uma nova localização ou forma, e “posicionar” e “posicionável” devem ser construídos em conformidade.
Claims (16)
1. Célula de combustível de metal-ar compreendendo: a) um ânodo (19); b) um cátodo de ar (21) posicionável; e c) uma camada de material absorvente (20) configurada para reter um eletrólito aquoso, a camada de material absorvente (20) posicionada intermediária ao ânodo (19), em que a camada de material absorvente (20) funciona como uma ponte de transferência iônica entre o ânodo (19) e o cátodo (21), para reter o eletrólito; CARACTERIZADA pelo fato de que a célula de combustível de metal-ar compreende ainda um ou mais membros elásticos, em que um ou mais membros elásticos são configurados para pressionar o cátodo de ar (21) para assegurar que o cátodo de ar (21) permaneça em contato com a camada de material absorvente (20), ao mesmo tempo que acomoda qualquer alteração no volume da camada de material absorvente (20).
2. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o ânodo (19), a camada de material absorvente (20) e o cátodo de ar (21) são coaxialmente dispostos de tal modo que o cátodo de ar (21) rodeia substancialmente a camada de material absorvente (20) e a camada de material absorvente (20) rodeia substancialmente o ânodo (19).
3. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o ânodo (19), a camada de material absorvente (20) e o cátodo de ar (21) são fornecidos em um arranjo laminado.
4. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADA pelo fato de que o meio de posicionamento de cátodo de ar elástico (22) é posicionado em torno de um perímetro de seção transversal da célula.
5. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADA pelo fato de que o meio de posicionamento de cátodo de ar elástico (22) é incorporado ou separado do cátodo de ar (21) e é selecionado de: um anel de vedação, uma banda elástica (ou borracha) ou uma malha expansível.
6. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADA pelo fato de que a célula de combustível de metal-ar está contida dentro de uma unidade de alojamento aberta.
7. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADA pelo fato de que a camada de material absorvente (20) retém eletrólito para ativar ou reativar a célula de combustível de metal-ar.
8. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADA pelo fato de que a camada de material absorvente (20) é pré- impregnada com íons para formar eletrólito quando a camada de material absorvente (20) retém água.
9. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, CARACTERIZADA pelo fato de que a camada de material absorvente (20) compreende uma primeira subcamada de material absorvente pré-impregnada com íons e uma segunda subcamada de material absorvente não pré-impregnada com íons.
10. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, CARACTERIZADA pelo fato de que a célula de combustível de metal-ar retém eletrólitos quando é mergulhada em um líquido para ativar ou reativar a célula de combustível de metal-ar.
11. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, CARACTERIZADA pelo fato de que a camada de material adsorvente compreende um material fibroso tecido ou não tecido ou uma sua combinação.
12. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, CARACTERIZADA pelo fato de que a camada de material adsorvente compreende celulose fibrosa, fibra de bambu ou uma sua combinação.
13. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, CARACTERIZADA pelo fato de que o ânodo (19) compreende uma liga de magnésio.
14. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, CARACTERIZADA pelo fato de que o cátodo de ar (21) compreende uma camada de folha.
15. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, CARACTERIZADA pelo fato de que o cátodo de ar (21) é hidrofóbico, permeável ao ar e compreende um material de politetrafluoroeteno em camadas.
16. Célula de combustível de metal-ar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, CARACTERIZADA pelo fato de que a célula de combustível de metal-ar compreende ainda uma camada separadora de papel (20A) localizada entre a camada de material absorvente (20) e o cátodo de ar (21) para suportar e conter a camada de material absorvente (20) e / ou isolar e ainda proteger o cátodo (21) a partir precipitados residuais de ânodo capturados na camada de material absorvente (20).
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