BRPI0608897A2

BRPI0608897A2 - sistemas de células a combustìvel e métodos relacionados

Info

Publication number: BRPI0608897A2
Application number: BRPI0608897-0A
Authority: BR
Inventors: Steven J Specht
Original assignee: Gillette Co
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2010-02-09
Also published as: EP1875546A2; WO2006098869A2; WO2006098869A3; DE602006004444D1; EP1875546B1; ATE418800T1; CN101138119A; US20060204802A1; JP2008532254A

Abstract

SISTEMAS DE CéLULAS A COMBUSTìVEL E MéTODOS RELACIONADOS. A presente invenção refere-se a um cartucho de combustível que inclui uma carcaça dotada de uma saída, um recipiente de combustível contendo combustível, um mecanismo de controle de fluxo em comunicação fluida com o recipiente de combustível e a saída, e uma fonte de energia. O mecanismo de controle de fluxo pode funcionar de modo a controlar o fluxo de combustível através da saída.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMAS DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL E MÉTODOS RELACIONADOS".

A presente invenção refere-se a sistemas de células a combustível.

Uma célula a combustível é um dispositivo capaz de oferecer

energia elétrica a partir de uma reação eletroquímica, tipicamente entre dois ou mais reagentes. Geralmente, uma célula a combustível inclui dois eletrodos, denominados ânodo e cátodo, e um eletrólito sólido disposto entre os ditos eletrodos. O ânodo contém um catalisador de ânodo, e o cátodo contém um catalisador de cátodo. O eletrólito, como uma membrana de eletrólito, tipicamente é ionicamente condutor porém eletronicamente não-condutor. Os eletrodos e o eletrólito sólido podem estar dispostos entre duas camadas de difusão de gás (CDG).

Durante o funcionamento da célula a combustível, os reagentes são introduzidos nos eletrodos adequados. No ânodo, os reagentes (reagentes do ânodo) interagem com o catalisador de ânodo e formam intermediários de reação, como íons e elétrons. Os intermediários da reação iônica podem fluir do ânodo, através do eletrólito e para o cátodo. Os elétrons, no entanto, fluem do ânodo para o cátodo através de uma carga externa que conecta eletricamente o ânodo e o cátodo. Conforme os elétrons fluem a-través da carga externa, é produzida energia elétrica. No cátodo, o catalisador de cátodo interage com os outros reagentes (reagentes do cátodo), os intermediários formados no ânodo e os elétrons, para completar a reação da célula a combustível. Por exemplo, em um tipo de célula a combustível, às vezes de-

nominada célula a combustível de metanol direto (DMFC), os reagentes do ânodo incluem metanol e água, e o reagente do cátodo inclui oxigênio (por exemplo, do ar). No ânodo, o metanol é oxidado e, no cátodo, o oxigênio é reduzido:

CH3OH + H20->C02+6H+ + 6e- (1)

3/202 + 6H+ + 6e' -> 3H20 (2) CH3OH + 3/202 —> C02 + 2H20 (3)Conforme mostrado na Equação 1, a oxidação do metanol produz dióxido de carbono, prótons e elétrons. Os prótons podem fluir do ânodo, através do eletrólito e para o cátodo. Os elétrons fluem do ânodo para o cá-todo através de uma carga externa, resultando assim em energia elétrica. No cátodo, os prótons e elétrons reagem com oxigênio para formar água (E-quação 2). A Equação 3 mostra a reação geral da célula a combustível.

A invenção refere-se a sistemas de células a combustível.

Em um aspecto da invenção, um cartucho de combustível inclui uma carcaça dotada de uma saída, um recipiente de combustível na dita 10 carcaça, um mecanismo de controle de fluxo em comunicação fluida com o recipiente de combustível e a saída, e uma fonte de energia na carcaça. O mecanismo de controle de fluxo controla o fluxo de combustível através da saída.

Em outro aspecto da invenção, um sistema de células a com- bustível inclui um conjunto de célula a combustível contendo uma célula a combustível e um atuador adaptado para receber a energia gerada pela célula a combustível. O sistema de células a combustível inclui, também, um cartucho de combustível adaptado para ser acoplado ao conjunto de célula a combustível. O cartucho de combustível inclui uma carcaça definindo uma saída, um recipiente de combustível na dita carcaça, um mecanismo de controle de fluxo em comunicação fluida com o recipiente de combustível e a saída, e uma fonte de energia em comunicação com o atuador. O mecanismo de controle de fluxo controla o fluxo de combustível através da saída.

Em um outro aspecto adicional da invenção, um sistema de cé- lulas a combustível inclui um conjunto de célula a combustível contendo uma célula a combustível e um cartucho de combustível adaptado para ser acoplado ao conjunto de célula a combustível. Um cartucho de combustível inclui

________uma carcaça definindo uma_saída,^um^recip^^

carcaça, um mecanismo de controle de fluxo em comunicação fluida com o recipiente de combustível e a saída, e uma fonte de energia. O mecanismo de controle de fluxo controla o fluxo de combustível através da saída.

Em ainda outro aspecto da presente invenção, um cartucho decombustível inclui uma carcaça dotada de uma saída, um recipiente de combustível na dita carcaça, um mecanismo de controle de fluxo em comunicação fluida com o recipiente de combustível e a saída, e um atuador na carcaça. O atuador está configurado de modo a fazer funcionar o mecanismo 5 de controle de fluxo que controla o fluxo de combustível através da saída.

Em um aspecto adicional da invenção, um método inclui conectar uma fonte de combustível a uma célula a combustível, detectar um nível de energia disponível na célula a combustível e, mediante a detecção de que o nível de energia disponível é menor que um primeiro nível de energia pre-10 determinado, fornecer energia à célula a combustível, a partir de uma fonte de energia.

As modalidades podem incluir um ou mais dos recursos apresentados a seguir.

Em algumas modalidades, o cartucho de combustível está aco-15 piado a um conjunto de célula a combustível.

Em certas modalidades, o mecanismo de controle de fluxo está acoplado a um atuador.

Em algumas modalidades, o mecanismo de controle de fluxo está mecanicamente acoplado ao atuador. 20 Em certas modalidades, o acoplamento mecânico inclui um eixo

canelado, um eixo chavetado, uma embreagem de garras, uma embreagem de fricção, uma engrenagem e/ou uma vara.

Em algumas modalidades, o atuador está posicionado no interior de um conjunto de célula a combustível, e o cartucho de combustível está 25 acoplado ao dito conjunto de célula a combustível.

Em certas modalidades, o atuador está posicionado no interior do cartucho de combustível.

Em algumas modalidades, o atuador inclui um elemento piezoe-

létrico.

30 Em certas modalidades, o mecanismo de controle de fluxo inclui

uma bomba.

Em algumas modalidades, a bomba inclui uma bomba peristáltica,uma bomba de lâmina, uma bomba de rosca, uma bomba de diafragma, uma bomba de engrenagem, uma bomba de fole e/ou uma bomba de pistão.

Em certas modalidades, o mecanismo de controle de fluxo inclui uma válvula.

Em algumas modalidades, a válvula inclui uma válvula de dia-

fragma, uma válvula de agulha, uma válvula rotativa, uma válvula de tampão, uma válvula de obturador, uma válvula de alça, uma válvula de disco, uma válvula de porta, uma válvula bico de pato, uma válvula cônica ou uma válvula de fenda.

Em certas modalidades, a fonte de energia inclui uma bateria

primária.

Em algumas modalidades, a bateria primária produz no máximo cerca de 3 W.

Em algumas modalidades, a bateria primária produz ao menos cerca de 50 mW.

Em certas modalidades, o combustível inclui metanol, etanol, hidrocarbonetos, ácido fórmico, amônia e/ou hidrazina.

Em algumas modalidades, o combustível encontra-se a uma pressão de cerca de 0,01 MPa (0,1 atmosfera) a cerca de 1,01 MPa (10 atmosferas).

Em certas modalidades, o recipiente de combustível inclui uma bexiga de combustível.

Em algumas modalidades, o conjunto de célula a combustível inclui, ainda, uma bateria secundária. Em certas modalidades, o sistema de células a combustível inclui,

ainda, um dispositivo de controle conectado à bateria secundária e à fonte de energia. O dispositivo de controle está adaptado para determinar se um nível

_____ de-potênciajja-bateri^ ------------

Em algumas modalidades, o dispositivo de controle está adap- tado para conectar eletricamente a fonte de energia ao atuador, mediante a avaliação de que o nível de potência é insuficiente para fazer funcionar o atuador.Em certas modalidades, o mecanismo de controle de fluxo está acoplado ao atuador.

Em algumas modalidades, o sistema de células a combustível inclui, ainda, um atuador em comunicação com a fonte de energia. 5 Em certas modalidades, o atuador está posicionado no conjunto

de célula a combustível.

Em algumas modalidades, o atuador está posicionado no interior do cartucho de combustível.

Em certas modalidades, o cartucho de combustível inclui uma 10 fonte de pressão configurada de modo a aplicar pressão à bexiga de combustível.

Em algumas modalidades, a fonte de pressão inclui um mecanismo acionado por mola.

Em certas modalidades, a fonte de pressão compreende um fluido 15 pressurizado.

Em algumas modalidades, uma carcaça do atuador é formada integralmente com a carcaça do cartucho de combustível.

Em certas modalidades, o primeiro nível de energia predeterminado é um nível mínimo de energia necessária para iniciar o funcionamento 20 da célula a combustível.

Em algumas modalidades, o primeiro nível de energia predeterminado é um nível mínimo de energia necessário para fazer funcionar um atuador da célula a combustível durante um intervalo predeterminado de tempo.

25 Em certas modalidades o método inclui, ainda, a interrupção do

fornecimento de energia a partir da fonte de energia à célula a combustível, mediante a detecção de que o nível de energia disponível é maior que um segundo nível de energia predeterminado.

Em algumas modalidades, o segundo nível de energia prede-30 terminado é um nível mínimo de energia necessária para manter o funcionamento da célula a combustível.

Em certas modalidades, a conexão da fonte de combustível àcélula a combustível inclui conectar o cartucho de combustível à célula a combustível. O cartucho de combustível inclui a fonte de combustível e a fonte de energia.

Em algumas modalidades o método inclui, ainda, a transferência de energia da célula a combustível para um dispositivo eletrônico.

Outros recursos e vantagens são mencionados na descrição, nos desenhos e nas reivindicações.

A Figura 1 é uma ilustração esquemática de uma modalidade de um sistema de células a combustível que inclui um cartucho de combustível acoplado a um conjunto de célula a combustível.

A Figura 2 é uma ilustração esquemática de uma modalidade de um sistema de células a combustível que inclui um cartucho de combustível tendo um atuador posicionado em seu interior.

A Figura 3 é uma ilustração esquemática de uma modalidade de um sistema de células a combustível que inclui um conjunto de célula a combustível tendo um mecanismo de controle de fluxo em seu interior.

A Figura 4 é uma ilustração esquemática de um sistema de células a combustível que inclui um cartucho de combustível tendo uma fonte de combustível pressurizada e uma válvula.

Com referência à Figura 1, um sistema de células a combustível 10 inclui um cartucho de combustível 12 acoplado a um conjunto de célula a combustível 24. O cartucho de combustível 12 inclui uma fonte de energia 14 posicionada no interior de uma carcaça 13. Uma bexiga de combustível 16 e um mecanismo de controle de fluxo 20 também estão no interior da carcaça 13. A bexiga de combustível 16 está em comunicação fluida com o mecanismo de controle de fluxo 20. O conjunto de célula a combustível 24 inclui um atuador 26 que está conectado de maneira funcional ao mecanismo de con-trole de fluxo 20. O conjunto de célula^conibuslí^ unidade de controle 30, uma bateria secundária 32, e uma pilha de combustível 33. A unidade de controle 30 está em comunicação com a bateria secundária 32 e a pilha de combustível 33, e pode ser conectada à bateria primária 14.Em algumas modalidades, mediante o acoplamento do cartucho de combustível 12 ao conjunto de célula a combustível 24, a unidade de controle 30 detecta se a bateria secundária 32 e/ou a pilha de células a combustível 33 tem níveis de potência suficientes para fazer funcionar o atuador 26 durante um intervalo predeterminado de tempo, de modo a iniciar um processo gerador de energia no interior do conjunto de célula a combustível 24. Mediante a determinação de que o nível de potência da bateria secundária 32 e/ou da pilha de células a combustível 33 é insuficiente, a unidade de controle 30 conecta eletricamente a fonte de energia 14 ao atuador 26, de modo a fornecer energia para fazer funcionar o dito atuador 26. O atuador 26 ativa, então, o mecanismo de controle de fluxo 20 para fazer com que o combustível flua da bexiga de combustível 16 para a pilha de células a combustível 33. A pilha de células a combustível 33 converte o combustível em energia elétrica, que pode ser usada para fazer funcionar um dispositivo eletrônico (por exemplo, um telefone móvel, um computador portátil, um dispositivo de áudio/vídeo) conectado ao sistema de células a combustível 10. A energia elétrica também pode ser usada para recarregar a bateria secundária 32. Depois de a bateria secundária 32, e/ou a pilha de células a combustível 33, ter atingido um nível de potência predeterminado suficiente para manter independentemente o processo gerador de energia em um conjunto de célula a combustível 24, a unidade de controle 30 pode conectar eletricamente a bateria secundária 32, a pilha de células a combustível 33 ou ambas ao atuador 26, e pode desconectar a fonte de energia 14 do atuador 26. Nesse ponto, a energia proveniente da bateria secundária 32 e/ou da pilha de células a combustível 33 pode ser usada para manter o processo gerador de energia. Portanto, em algumas modalidades, a energia proveniente da fonte de energia 14 só precisa ser usada durante um período de tempo inicial (por exemplo, até que a operação do sistema de células a combustível 10 possa ser mantida sem o uso de energia proveniente da fonte de energia 14).

Conforme descrito acima, o cartucho de combustível 12 inclui a carcaça 13, na qual estão situados a fonte de energia 14, a bexiga de combustível 16 e o mecanismo de controle de fluxo 20. A carcaça 13 pode serformada a partir de qualquer dentre diversos materiais, como plásticos (por exemplo ABS, polietileno, policarbonato, poliamida), metais (por exemplo alumínio, aço, aço folheado) e/ou compósitos (por exemplo, polímeros reforçados com fibra). Em algumas modalidades, a carcaça 13 inclui recursos 5 de fixação que se encaixam em recursos de fecho correspondentes no conjunto de célula a combustível 24, de modo a acoplar de maneira liberável o cartucho de combustível 12 ao conjunto de célula a combustível 24. Exemplos de recursos de fixação incluem elementos de encaixe, grampos com mola, travas, fechos rosqueados e mecanismos de liberação rápida de tipo baioneta.Uma da paredes da carcaça 13 define uma saída 22 através da qual o combustível pode fluir do cartucho de combustível 12 para o conjunto de célula a combustível 24, e uma abertura 23 através da qual um eixo giratório saliente 28 do atuador 26 pode se estender, quando o cartucho de combustível 12 estiver acoplado ao conjunto de célula a combustível 24. A fonte de energia 14 pode ser qualquer uma dentre diversas

fontes eletroquímicas primárias e/ou secundárias, dimensionadas e conformadas para ajustar-se ao interior do cartucho 12, e capazes de fornecer uma quantidade desejada de energia. Para uso na presente invenção, o termo fontes eletroquímicas primárias destinam-se a serem descarregadas (por exemplo, até a exaustão) somente uma vez, sendo então descartadas. As fontes eletroquímicas primárias não se destinam a ser recarregadas. Exemplos de fontes eletroquímicas primárias incluem baterias primárias, como baterias com célula de tipo botão, baterias cilíndricas e baterias prismáticas. As baterias primárias podem incluir baterias de diferentes químicas, como baterias alcalinas, baterias de lítio, baterias de lítio-dióxido de manganês, baterias de zinco-óxido de prata e baterias de zinco e ar. Outras células primárias são descritas, por exemplo, em "Handbook of Batteries", de David Linden (McGraw-Hill, 2a. Edição, 1995). As fontes eletroquímicas secundárias podem ser recarregadas muitas vezes (por exemplo, mais de cinqüenta vezes, mais de cem vezes ou mais). Em alguns casos, as fontes eletroquímicas secundárias incluem separadores relativamente robustos, como aqueles tendo várias camadas e/ou que são relativamente espessos. As células se-cundárias também podem ser projetadas de modo a acomodar alterações, como expansão, que podem ocorrer nas células. As fontes de energia secundárias incluem baterias secundárias, como baterias com célula de tipo botão, baterias cilíndricas e baterias prismáticas. As baterias secundárias podem ser de diferentes químicas, como íon de lítio, lítio-polímero, ní-quel-hidreto metálico, níquel-cádmio, níquel-zinco, prata-zinco e chum-bo-ácido. Outras células secundárias são descritas, por exemplo, em "Alkaline Storage Batteries", de Falk & Salkind, John Wiley & Sons, Inc. 1969, na patente U.S. N9 345.124, e na patente francesa N9164.681, estando todos esses documentos aqui incorporados, a título de referência.

A fonte de energia 14 pode ser posicionada de modo a fazer contato elétrico com os contatos elétricos do conjunto de célula a combustível 24, mediante o acoplamento do cartucho de combustível 12 ao conjunto de célula a combustível 24. Conseqüentemente, a energia elétrica pode ser

transferida da fonte de energia 14 para o conjunto de célula a combustível 24 (por exemplo, para a unidade de controle 30, que pode estar em comunicação com os contatos elétricos do conjunto de célula a combustível 24). Em algumas modalidades, a fonte de energia 14 é capaz de produzir uma saída máxima de cerca de 30 W ou menos (por exemplo, cerca de 1 W ou menos, cerca de 500 mW ou menos, cerca de 100 mW ou menos, cerca de 50 mW ou menos, ou cerca de 10 mW ou menos).

A bexiga de combustível 16 contém o combustível fluido 18. O combustível 18 pode ser qualquer material capaz de fornecer energia ao sistema de células a combustível 10. Os exemplos de combustíveis ade- quados incluem metanol, etanol, misturas de álcool e água, hidrocarbonetos, soluções de hidrocarbonetos e água, soluções de boroidretos metálicos (por exemplo, boroidreto de sódio) e água, ácido fórmico, amônia e hidrazina. O combustível 18 pode estar sob a forma de um líquido e/ou de um gás. A bexiga de combustível 16 pode ser formada a partir de um material polimérico (por exemplo náilon, uretano, polietileno, borracha de silício e/ou polipropi-leno), um laminado metálico (por exemplo alumínio, aço, ligas de aço e/ou níquel) e/ou um compósito de metal e plástico. Outros combustíveis e mate-riais para bexiga são descritos no pedido de patente cedido à mesma requerente U.S. N9 10/957.935, depositado em 4 de outubro de 2004, o qual está aqui incorporado, a título de referência.

A bexiga de combustível 16 pode estar em comunicação fluida com o mecanismo de controle de fluxo 20, de modo que o combustível 18 possa ser bombeado da dita bexiga de combustível 16 para o conjunto de célula a combustível 24 por meio do mecanismo de controle de fluxo 20, conforme descrito mais adiante neste documento. Em algumas modalidades, a bexiga de combustível 16 é impermeável a líquidos e/ou vapores (por e-

xemplo, C02, 02, ar). A bexiga de combustível 16 pode se achatar de modo a reduzir (por exemplo, minimizar) a resistência ao fluxo de combustível, conforme se reduzem os níveis do mesmo. Por exemplo, conforme o combustível 18 sai da bexiga de combustível 18, esta pode adaptar-se substancialmente ao volume do combustível restante, até que a dita bexiga esteja quase tò-

talmente achatada (por exemplo, até que cerca de 95% ou mais do combustível tenha sido liberado da bexiga). Em determinadas modalidades, uma pressão relativamente constante pode ser mantida no interior da bexiga de combustível 16. A capacidade da bexiga de combustível 18 para manter uma pressão relativamente constante pode ser uma função da espessura e/ou da

flexibilidade da mesma, bem como do formato da bexiga de combustível 18 e/ou do cartucho de combustível 12. Em certas modalidades, a bexiga de combustível 16 contém substancialmente somente o combustível 18. Por exemplo, a bexiga de combustível 16 pode ser substancialmente isenta de gases não-condensáveis. Conseqüentemente, o mecanismo de controle de

fluxo 20 pode ser alimentado com combustível 18 pelo cartucho de combustível 12 disposto em substancialmente qualquer posição. Por exemplo, o mecanismo de controle de fluxo 20 pode permanecer carregado substanci-almente todo o tempo, quando o cartucho^de combustJV-elJ-2-estiv-e^acopladO-ao conjunto de célula a combustível 24.

O mecanismo de controle de fluxo 20 pode ser qualquer disposi-

tivo capaz de transportar combustível 18 (conforme mostrado, da bexiga 16 para a pilha 33). Por exemplo, o mecanismo de controle de fluxo 20 podeconsistir em qualquer dentre vários tipos de bombas de deslocamento positivo, como uma bomba peristáltica, uma bomba de lâmina, uma bomba de rosca, uma bomba de diafragma, uma bomba de engrenagem, uma bomba de fole e/ou uma bomba de pistão. Alternativamente ou adicionalmente, ainda outros tipos de bombas podem ser usados. Por exemplo, o mecanismo de controle de fluxo 20 pode ser uma bomba centrífuga. As válvulas de verificação podem estar dispostas para cooperar com a bomba centrífuga, de modo a evitar o refluxo de combustível quando a bomba não se encontra em funcionamento.

Conforme descrito na presente invenção, o mecanismo de controle de fluxo 20 é acionado pelo atuador 26, o qual está posicionado no interior do conjunto de célula a combustível 24. O atuador 26 pode ser mecanicamente acoplado ao mecanismo de controle de fluxo 20 mediante o aco-plamento do cartucho de combustível 12 ao conjunto de célula a combustível 24. Nessa disposição, o mecanismo de controle de fluxo 20 pode bombear combustível para dentro do conjunto de célula a combustível 24 (por exemplo, para dentro da pilha de células a combustível 33) ao ser ativado pelo atuador 26. Em certas modalidades, o mecanismo de controle de fluxo 20 permanece em uma posição fechada ou lacrada enquanto não for ativado pelo atuador 26, o que pode impedir que o combustível 18 saia da bexiga 16 enquanto o sistema de células a combustível não estiver sendo usado (por exemplo, quando o cartucho de combustível 12 não estiver acoplado ao conjunto de célula a combustível 24). Conseqüentemente, pode-se evitar o vazamento do combustível 18 para fora do cartucho de combustível 12.

O conjunto de célula a combustível 24, conforme descrito acima, inclui o atuador 26, uma bateria secundária 32, uma pilha de células a combustível 33, e uma unidade de controle 30. Conforme mostrado na Figura 1, o atuador 26 é um motor giratório que inclui um eixo canelado giratório 28 que se estende a partir do motor. O eixo canelado 28 pode estar acoplado de modo operacional ao mecanismo de controle de fluxo 20, quando o cartucho de combustível 12 estiver acoplado ao conjunto de célula a combustível 24. Por exemplo, o eixo canelado 28 pode encaixar-se a um cilindro sulcado no interior do mecanismo de controle de fluxo 20. Os sulcos do cilindro podemengatar-se às chavetas do eixo 28 para proporcionar uma conexão giratória. Devido ao acoplamento mecânico entre o atuador 26 e o mecanismo de controle de fluxo 20, o cartucho de combustível 12 pode ser fabricado a um custo relativamente baixo. Por exemplo, o acoplamento mecânico pode tornar desnecessário, em muitos casos, o uso de uma unidade de controle e/ou um atuador eletrônicos, relativamente dispendiosos, no cartucho de combustível 12. O atuador 26, conforme descrito mais adiante neste documento, pode criar uma ação de bombeamento no interior do mecanismo de controle de fluxo 20, o que faz com que o combustível 18 flua do cartucho de combustível 12 para o conjunto de célula a combustível 24 (por exemplo, para dentro da pilha de células a combustível 33).

A bateria secundária 32 pode consistir em qualquer dos diversos tipos de baterias secundárias acima descritos, em relação à fonte de energia 14. A bateria secundária 32 pode ser usada para fornecer energia adicional ao sistema de células a combustível 10, durante períodos de carga máxima. Por exemplo, a bateria secundária 32 pode fornecer energia adicional ao sistema de células a combustível 10, quando a carga aplicada ao mesmo for maior que a energia que a pilha de células a combustível 33 é capaz de produzir independentemente. A bateria secundária 32 também pode ser usada para fornecer energia ao motor 26, de modo a iniciar e/ou manter o processo gerador de energia do sistema de células a combustível 10.

Ainda com referência à Figura 1, um exemplo de pilha de células a combustível 33 será descrito agora. A pilha de células a combustível 33 inclui uma célula a combustível tendo um eletrólito 38, um ânodo 42 ligado em um primeiro lado do eletrólito, e um cátodo 40 ligado em um segundo lado do eletrólito. O eletrólito 38, o ânodo 42 e o cátodo 40 estão dispostos entre as duas camadas de difusão de gás (CDGs) 34 e 36. Para propósitos ilustrativos, a pilha de células a combustível 33 é mostradajC-Qmo^tendo-uma-célula^a-combustível mas, em outras modalidades, a pilha de células a combustível inclui uma pluralidade de células a combustível, por exemplo, dispostas em série e/ou em paralelo.

O eletrólito 38 pode ser capaz de permitir que os íons fluam a-través do mesmo, ao mesmo tempo em que proporciona uma substancial resistência ao fluxo de elétrons. Em algumas modalidades, o eletrólito 38 é um polímero sólido (por exemplo, uma membrana de troca iônica em polímero sólido), como uma membrana de troca protônica em polímero sólido (por exemplo, um polímero sólido contendo grupos de ácido sulfônico). Essas membranas estão disponíveis comercialmente junto à E.l. DuPont de Nemours Company (Wilmington, DE, EUA) sob a marca registrada NAFION. Alternativamente, o eletrólito 38 também pode ser preparado a partir do produto comercial GORE-SELECT, disponível junto à W. L. Gore & Associates (Elkton, MD).

O ânodo 42 pode ser formado a partir de qualquer dentre diversos materiais dependendo, entre outras coisas, do tipo de combustível sendo utilizado. Em algumas modalidades, o ânodo 42 é formado a partir de um material, como um catalisador, capaz de interagir com metanol e água para formar dióxido de carbono, prótons e elétrons. Exemplos desses materiais incluem, por exemplo, platina, ligas de platina (como Pt-Ru, Pt-Mo, Pt-W ou Pt-Sn) e platina dispersa em negro-de-fumo. O ânodo 42 pode incluir, ainda, um eletrólito, como um material ionomérico, por exemplo NAFION, que permita que o ânodo conduza prótons. Alternativamente, uma suspensão é a-plicada à superfície das camadas de difusão de gás (descrito a seguir) que estão voltadas para o eletrólito sólido 38, e a dita suspensão é, então, seca. O método para preparação do ânodo 42 pode incluir, ainda, o uso de pressão e temperatura para obter a ligação.

O cátodo 40 pode, de modo similar, ser formado a partir de qualquer dentre diversos materiais dependendo, entre outras coisas, do tipo de combustível sendo utilizado. Em certas modalidades, o cátodo 40 é formado a partir de um material, como um catalisador, capaz de interagir com oxigênio, elétrons e prótons para formar água. Exemplos desses materiais incluem, por exemplo, platina, ligas de platina (como Pt-Co, Pt-Cr ou Pt-Fe) e metais nobres dispersos em negro-de-fumo. O cátodo 40 pode incluir, ainda, um eletrólito, como um material ionomérico, por exemplo NAFION, que permita que o cátodo conduza prótons. O cátodo 40 pode ser preparado medi-ante o uso de técnicas similares àquelas acima descritas em relação ao ânodo 42.

As camadas de difusão de gás (CDGs) 34 e 36 podem ser formadas por materiais que sejam permeáveis tanto a gases como a líquidos. Os CDGs adequados estão disponíveis junto a diversas companhias, como Etek em Natick, MA, EUA, SGL em Valencia, CA, EUA e Zoltek em St. Louis, MO. As CDGs 34 e 36 podem ser eletricamente condutivas, de modo que os elétrons possam fluir do ânodo 42 para uma placa de campo de fluxo do ânodo, e de uma placa de campo de fluxo do cátodo para o cátodo 40.

Exemplos de células a combustível e de sistemas de células a combustível são descritos nos pedidos de patente de propriedade comum e co-pendentes U.S. Ne 10/779.502, depositado em 13 de fevereiro de 2004, e 10/957.935, depositado em 4 de outubro de 2004, os quais estão aqui incorporados a título de referência. Outras modalidades de células e sistemas de células a combustível de metanol direto, incluindo métodos de uso, são descritos, por exemplo, em "Fuel Cell Systems Explained' de J.Laraminie, A. Dicks, Wiley, New York, 2000, "Direct Methanol Fuel Cells: From a Twentieth Century Electrochemisfs Dream to a Twenty-first Century Emerging Technology" de C. Lamy, J. Leger, S. Srinivasan, "Modem Aspects of Electro-chemistry", NB 34, editado por J. Bockris et al., Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, EUA (2001) páginas 53-118, e "Development of a Miniature Fuel Cell for Portable Applications" de S. R. Narayanan, T.l. Valdez e F. Clara, em Direct Methanol Fuel Cells, de S. R. Narayanan, S. Gottesfeld e T. Zawodzinski, Editores, Electrochemical Society Proceedings, 2001-4 (2001) Pennington, NJ, estando todos esses documentos aqui incorporados, a título de referência.

A unidade de controle 30 pode ser usada para iniciar a partida e manter o funcionamento do sistema de células a combustível 10. Conforme mostrado na Figura 1, a unidade de controle 30 pode estar em comunicação (por exemplo, eletricamente conectada) com a fonte de energia 14, o atuador 26, a bateria secundária 32 e a pilha de células a combustível 33. A unidade de controle 30, ao ser alimentada pela fonte de energia 14, a bateria secun-daria 32 e/ou a pilha de células a combustível 33, pode controlar o funcionamento do atuador 26, o qual pode ditar a quantidade de energia produzida pelo sistema de células a combustível 10. Conforme descrito em detalhes abaixo, a unidade de controle 30 pode, alternativa ou adicionalmente, realizar outras funções para controlar o funcionamento do sistema de células a combustível 10.

Durante o uso do sistema de células a combustível 10, um usuário acopla o cartucho de combustível 12 ao conjunto de célula a combustível 24. Por exemplo, o usuário pode encaixar o cartucho de combustível 12 e o conjunto de célula a combustível 24, de modo que o eixo canelado 28 do atuador 26 seja inserido no interior do cilindro sulcado do mecanismo de controle de fluxo 20, e de modo que a bateria primária 14 se engate a elementos de contato elétrico do conjunto de célula a combustível 24. Em algumas modalidades, conforme observado acima, o cartucho de combustível 12 pode ser fixado de maneira liberável ao conjunto de célula a combustível 24, mediante o uso de um ou mais elementos de fixação.

Uma vez que o cartucho de combustível 12 esteja acoplado ao conjunto de célula a combustível 24, a unidade de controle 30 detecta a quantidade de energia disponível no conjunto de célula a combustível 24 (por exemplo, na bateria secundária 24 e/ou na pilha de células a combustível 33). Se a unidade de controle 30 detectar que o nível de potência disponível é menor que um nível de potência mínimo predeterminado, necessário para iniciar o processo gerador de energia do sistema de células a combustível 10 (por exemplo, menor que 30 W, menor que 3 W, menor que 1 W, menor que 500 mW, menor que 100 mW, menor que 5 mW ou menor que 1 mW), então a unidade de controle 30 ativa o atuador 26 usando energia fornecida pela fonte de energia 14.

Ao ser ativado, o atuador 26 faz com que o mecanismo de controle de fluxo 20 bombeie combustível da bexiga de combustível 16 para a pilha de células a combustível 33. Por exemplo, o atuador 26 pode fazer com que o eixo canelado 28 gire o cilindro sulcado do mecanismo de controle de fluxo 20, o que cria uma ação de bombeamento no interior do dito mecanismode controle de fluxo 20. A ação de bombeamento força o combustível 18 a passar através da saída 22 e para dentro da pilha de células a combustível 33. O combustível 18 pode, por exemplo, ser bombeado a uma taxa de cerca de 0,1 microlitro por minuto a cerca de 50 mililitros por minuto (por exemplo, de cerca de um microlitro por minuto a cerca de dez microlitros por minuto) dependendo do tipo de célula a combustível sendo usado, bem como do nível de potência da dita célula a combustível. O combustível 18 pode ser bombeado de maneira contínua ou conforme necessário (por exemplo, mediante o funcionamento em um laço de retroinformação com a unidade de controle 30).

Ao entrar na pilha de células a combustível 33, o combustível 18 entra em contato com o ânodo 42 que, conforme descrito acima, permite que a pilha de células a combustível 33 produza energia elétrica. A energia elétrica fluindo a partir da pilha de células a combustível 33 flui para a unidade de controle 30, que pode então transferir a energia ao motor 26, à bateria secundária 32 e/ou ao dispositivo eletrônico conectado a um sistema de células a combustível 10. Por exemplo, a energia elétrica pode ser transferida ao atuador 26 de modo a manter o processo gerador de energia do sistema de células a combustível 10. Alternativa ou adicionalmente, a energia elétrica pode ser transferida para a bateria secundária 32, de modo a recarregar a bateria e/ou alimentar o atuador 26 para manter o processo gerador de e-nergia do sistema de células a combustível 10, e/ou o dispositivo eletrônico conectado ao sistema de células a combustível 10. De modo similar, a energia elétrica pode ser transferida diretamente ao dispositivo eletrônico conectado ao sistema de células a combustível 10, de modo a alimentar esse dispositivo.

Conforme descrito na presente invenção, o sistema de células a combustível 10 pode iniciar o processo gerador de energia mesmo quando o conjunto de célula a combustível 24 for inicialmente incapaz de fornecer e-nergia suficiente para a partida do sistema (por exemplo, após ter estado inativo durante longos períodos de tempo). Por exemplo, conforme descrito acima, pode-se usar a energia fornecida pela fonte de energia 14 para iniciar o processo gerador de energia. Após iniciar o processo gerador de energia mediante o uso de energia proveniente da fonte de energia 14, a unidade decontrole 30 pode continuar a monitorar o nível de potência no interior do conjunto de célula a combustível 24 (por exemplo, no interior da bateria secundária 32 e/ou da pilha de células a combustível 33). A unidade de controle 30 pode, por exemplo, trocar a fonte de energia do atuador da fonte de e-nergia 14 para a bateria secundária 32 e/ou a pilha de células a combustível 33, ao detectar que a bateria secundária 32 e/ou a pilha de células a combustível 33 atingiu um nível de potência mínimo predeterminado necessário para manter a operação do sistema de células a combustível. Portanto, mesmo quando a energia proveniente da fonte de energia 14 é usada para iniciar o processo gerador de energia, o sistema de células a combustível 10 pode, subseqüentemente, ser ajustado para gerar energia sem apoio da fonte de energia 14. Conseqüentemente, conforme observado acima, a fonte de energia 14 só precisa ser capaz de fornecer quantidades relativamente pequenas de energia. Em determinadas modalidades, por exemplo, a fonte de energia 14 está configurada de modo a fornecer energia suficiente para iniciar o processo gerador de energia do sistema de células a combustível 10 cerca de 12 vezes ou menos (por exemplo, cerca de dez vezes ou menos, cerca de cinco vezes ou menos, cerca de duas vezes ou menos ou cerca de uma vez).

As modalidades acima descrevem métodos de iniciação do processo gerador de energia no sistema de células a combustível 10, quando o conjunto de célula a combustível 24 tem um nível de potência insuficiente para iniciar independentemente o processo. Nesses casos, conforme observado acima, a fonte de energia 14 pode ser usada para inicialmente ativar o atuador 26, de modo a iniciar o processo gerador de energia. No entanto, deve-se considerar o fato de que a energia fornecida pela bateria secundária 24 e/ou pela pilha de combustível 33 pode ser usada para ativar o atuador 26 mediante a detecção inicial de que o nível de potência disponível no conjunto de célula a combustível 24 (por exemplo, o nível de potência disponível na bateria secundária e/ou na pilha de células a combustível 33) é maior ou igual ao nível de potência mínimo predeterminado necessário para iniciar o processo gerador de energia do sistema de células a combustível 10 (por exemplo, maior que 1 mW, maior que 5 mW, maior que 100 mW, maior que 500 mW,maior que 1 W, maior que 3 W ou maior que 30 W). Nesses casos, é geralmente desnecessário o uso da energia proveniente da fonte de energia 14 para iniciar o processo gerador de energia do sistema de células a combustível 10.

Embora diversas modalidades tenham sido descritas, outras modalidades são possíveis.

Embora algumas das modalidades discutidas acima envolvam o bombeamento de combustível líquido 18 do cartucho de combustível 12 para o conjunto de célula a combustível 24, o combustível 18 pode também ser bombeado sob a forma de vapor. Por exemplo, técnicas de separação por gravidade podem ser usadas para separar o combustível líquido de seu vapor, e o vapor pode ser bombeado do cartucho de combustível 12 para o conjunto de célula a combustível 24. Um separador por gravidade pode incluir um recipiente preenchido com líquido, disposto de modo a controlar o nível do líquido. O nível de líquido pode ser mantido, por exemplo, mediante o uso de um tubo de transbordamento. Mediante o controle do nível de líquido no interior do recipiente, pode-se manter uma interface entre líquido e gás no interior do recipiente. O gás pode ser removido de uma porção superior do recipiente, e fornecido ao conjunto de combustível 24. Em certas modalidades, um ou mais defletores são usados para permitir alguma variação na orientação do tanque, ao mesmo tempo em que se mantém a separação do gás.

Alternativa ou adicionalmente, o cartucho de combustível 12 pode incluir uma barreira de difusão que permite que o vapor seja transportado através da mesma, mas que substancialmente evita o transporte de líquidos através da mesma. A barreira de difusão, por exemplo, pode estar situada na trajetória de fluxo do combustível 18, entre a bexiga de combustível 16 e o mecanismo de controle de fluxo 20. A barreira de difusão pode ser formada a partir de qualquer dos diferentes materiais que permitem o transp_o_rte_de_ combustível gasoso ou em vapor e impedem o transporte de combustível líquido através dos mesmos. Os materiais adequados podem ser escolhidos com base no tipo de combustível a ser usado. Em certas modalidades, o cartucho de combustível 12 inclui uma barreira microporosa e/ounão-molhável. De modo similar ao que ocorre com a barreira de difusão, a barreira microporosa e/ou não-molhável não permite a passagem de líquidos, mas permite a passagem de vapor através da mesma. Pode ser usado qualquer um dentre os diversos materiais que sejam não-molháveis e/ou tenham um tamanho médio de poro suficientemente pequeno para impedir o fluxo volumoso de líquidos (por exemplo, alta pressão de bolha). Os tipos de materiais com os quais formar a barreira microporosa e/ou não-molhável dependem do tipo de combustível usado no sistema.

Embora o atuador 26 tenha sido descrito acima como um motor giratório, em outras modalidades vários outros tipos de atuadores podem ser usados. Por exemplo, o atuador 26 pode ser um atuador linear (por exemplo, um motor giratório acoplado a uma engrenagem de cremalheira), um motor direto linear magnético (por exemplo, um solenóide) e/ou um atuador piezo-elétrico. De modo similar, qualquer dentre os diversos tipos de conexões pode ser usado entre o atuador 26 e o mecanismo de controle de fluxo 20. Por exemplo, o atuador 26 e o mecanismo de controle de fluxo 20 podem estar conectados pneumática, hidráulica, magnética, eletrostática, térmica e/ou mecanicamente. O tipo de atuador e o tipo de conexão podem variar, dependendo da aplicação desejada e do tipo de mecanismo de controle de fluxo a ser utilizado.

Embora as modalidades acima descritas envolvam a alimentação inicial do motor 26 com a bateria primária 14, quando o conjunto de célula a combustível 24 inclui níveis limitados de energia, outras disposições são possíveis. Em algumas modalidades, por exemplo, a bateria primária 14 é configurada de modo a inicialmente carregar uma bateria secundária 32, em vez de alimentar o atuador 26. Ao atingir um nível de energia predeterminado, por exemplo, a bateria secundária 32 pode fornecer energia ao atuador 26 e/ou ao controlador 30. O restante do processo gerador de energia pode ser realizado de modo similar àquele descrito acima.

Em algumas modalidades, o cartucho da célula a combustível 12 pode ser configurado de modo a detectar e indicar a um usuário se o cartucho de combustível 12 foi suficientemente acoplado ao conjunto de célula acombustível 24. Por exemplo, ao fazer contato elétrico com os contatos do conjunto de célula a combustível 24, a fonte de energia 14 pode fornecer energia para iluminar uma luz indicadora no cartucho de combustível 12, a qual indica ao usuário que o cartucho de combustível 12 foi suficientemente 5 acoplado ao conjunto de célula a combustível 24. Alternativa ou adicionalmente, outros tipos de indicadores, como indicadores de áudio, podem ser usados.

Em algumas modalidades, o cartucho de combustível 12 é descartável. Por exemplo, o cartucho de combustível 12 pode ser removido do conjunto de célula a combustível 24 e descartado, uma vez que o nível de combustível 18 e/ou o nível de potência da fonte de energia 14 se tornem substancialmente depletados. Nesse ponto, um novo cartucho pode ser acoplado ao conjunto de célula a combustível 24 de modo a gerar energia.

Em determinadas modalidades, o cartucho de combustível 12 é reabastecível. Por exemplo, mediante a substancial depleção do nível de combustível 18 no interior da bexiga de combustível 16, o cartucho de combustível 12 pode ser desacoplado do conjunto de célula a combustível 24 e reabastecido com combustível para nova utilização. De modo similar, a fonte de energia 14 pode ser substituída por uma bateria sem uso prévio, ao ocorrer a depleção de seu nível de potência.

Em algumas modalidades, o cartucho de combustível 12 inclui um medidor de combustível. O medidor de combustível pode, por exemplo, estar conectado ao atuador 26, ao eixo 28 e/ou à bomba 20, e pode determinar o nível de combustível no interior da bexiga de combustível 16 como função do número de acionamentos do atuador.

Embora o atuador descrito em muitas das modalidades acima esteja posicionado no conjunto de célula a combustível, em algumas moda-

referência à Figura 2, por exemplo, um cartucho de combustível 112 inclui um 30 atuador 126 e um mecanismo de controle de fluxo 120. O atuador 126 está eletricamente conectado ao mecanismo de controle de fluxo 120 e a uma bateria primária 114 armazenada no interior do cartucho de combustível 112.A bateria primária 114 pode inicialmente fornecer energia ao atuador 126 (por meio da unidade de controle 130) para iniciar o processo de liberação de combustível (por exemplo, para bombear combustível 118 da bexiga de combustível 116 para a pilha de células a combustível 133). Ao gerar suficiente energia para tornar-se auto-suficiente, o conjunto de célula a combustível 124 pode começar a alimentar o atuador 126 sem a assistência da fonte de energia 114. Por exemplo, de modo similar a algumas das modalidades discutidas acima, a unidade de controle 130 pode conectar eletricamente o a-tuador 126 à pilha de células a combustível 33 e/ou à bateria secundária 32, ao determinar que o conjunto de célula a combustível 124 tem um nível de potência suficiente para manter o processo gerador de energia.

Em algumas modalidades, o cartucho de combustível 112 é descartável. Nessas modalidades, o atuador 126 pode ser fabricado a um custo relativamente baixo pois só precisa ser construído para durar tanto quanto o cartucho descartável de combustível (por exemplo, tanto quanto o combustível 118). O atuador 126, por exemplo, pode ser integrado à carcaça, de modo que a carcaça 126 e o cartucho 112 compartilhem uma mesma carcaça (por exemplo, uma mesma porção da carcaça). O atuador 126 pode incluir qualquer um dentre diversos componentes magnéticos de baixo custo e/ou de vida útil limitada. Em algumas modalidades, o atuador 126 inclui um disco piezoelétrico.

Embora muitas das modalidades acima descrevam o mecanismo de controle de fluxo como estando posicionado no interior do cartucho de combustível, em algumas modalidades o mecanismo de controle de fluxo pode estar, alternativamente, no conjunto de célula a combustível. Com referência à Figura 3, por exemplo, um sistema de células a combustível 210 inclui um cartucho de combustível 212 que está acoplado a um conjunto de célula a combustível 224. O cartucho de combustível 212 inclui a tubulação 215 que leva da bexiga de combustível 216 a uma abertura definida na carcaça 213. Uma válvula 217 (por exemplo, uma válvula unidirecional) pode estar posicionada no interior da tubulação 215 para impedir que o combustível 218 vaze para fora do cartucho de combustível 212 quando este não estiveracoplado ao conjunto de célula a combustível 224. A válvula 217 pode ser qualquer uma dentre diversos tipos de válvulas mecânicas e/ou elastoméricas. Exemplos de válvulas mecânicas incluem válvulas de obturador, válvulas de alça, válvulas de disco e válvulas de porta. Exemplos de válvulas elastoméricas incluem válvulas bico de pato, válvulas cônicas e válvulas de fenda. Mediante o acoplamento do cartucho de combustível 212, uma projeção estendendo-se a partir do mecanismo de controle de fluxo 220 pode se estender para dentro da tubulação 215 para abrir a válvula 217. Conseqüentemente, o combustível 218 pode fluir da bexiga de combustível 216 ao mecanismo de controle de fluxo 220 no interior do conjunto de célula a combustível 224. O mecanismo de controle de fluxo 220 pode bombear o combustível 218 para a pilha de células a combustível 233 quando ativado, e um processo gerador de energia similar àqueles acima descritos pode ocorrer.

Embora muitas das modalidades acima descrevam o mecanismo de controle de fluxo como uma bomba, em algumas modalidades o mecanismo de controle de fluxo pode ser uma válvula. Com referência à Figura 4, por exemplo, um sistema de células a combustível 310 inclui um cartucho de combustível 312 acoplado a um conjunto de célula a combustível 324. O cartucho de combustível 312 inclui uma válvula 320 e uma bexiga de combustível 316. A válvula 320 pode ser qualquer uma dentre diversos tipos de válvulas, como uma válvula de diaf ragma, uma válvula de agulha, uma válvula rotativa, uma válvula de tampão, uma válvula de fole, uma válvula de porta e/ou uma válvula de cunha. A válvula 320 está em comunicação fluida com a bexiga de combustível 316 e com uma saída 322 definida por uma parede do cartucho de combustível 312. A válvula 320 está mecanicamente acoplada a um atuador 326 posicionado no interior do conjunto de célula a combustível 324. A válvula 320 pode ser configurada de modo a estar normalmente em _uma4)osiçãoJ£chada

posição fechada até que o atuador 326 seja ativado para abrir a válvula 320. Conseqüentemente, o combustível pode ser impedido de sair do cartucho de combustível 312 enquanto o sistema de células a combustível 310 não estiver em uso (por exemplo, quando o cartucho de combustível 312 não estiveracoplado ao conjunto de célula a combustível 324).

O cartucho de combustível inclui uma bexiga de combustível 316, a qual contém combustível 318. Um dispositivo acionado por mola 319 está posicionado junto a uma região de extremidade da bexiga de combustível 316. O dispositivo acionado por mola 319 está configurado de modo a aplicar pressão à bexiga de combustível 316, pressurizando assim o combustível 318 ali contido. Alternativa ou adicionalmente, outros meios podem ser usados para pressurizar o combustível 318. Por exemplo, em algumas modalidades o cartucho de combustível 312 contém uma alta pressão de vapor líquido entre a carcaça 313 e a bexiga de combustível 316. Os exemplos de líquidos com alta pressão de vapor incluem clorofluorocarbonos (por exemplo, Freon), HCFCs, butano, propano, diclorodiflurometano e cloreto de metila. Como outro exemplo, uma fonte de pressão pode ser configurada de modo a introduzir fluido pressurizado (por exemplo, ar e/ou gases de escape da célula a combustível) em um volume interno da carcaça 313 (por exemplo, a região entre a superfície da carcaça 313 e a superfície externa da bexiga de combustível 316), de modo a pressurizar a dita bexiga de combustível 316. Ainda como outro exemplo, o combustível 318 pode ser qualquer dentre diversos combustíveis autopressurizados. Exemplos de combustíveis autopressuri-zados incluem butano, propano e etano. Em determinadas modalidades, o combustível 318 é pressurizado a uma pressão de cerca de 0,15 MPa (1,5 atmosfera) a cerca de 1,01 MPa (10 atmosferas).

Mediante a ativação da válvula 320 com o atuador 326, o combustível pressurizado 318 é deixado fluir da bexiga de combustível 316 para a pilha de células a combustível 333. Em determinadas modalidades, uma u-nidade de controle 330 do conjunto de célula a combustível 324 está conectada ao sensor de pressão posicionado no interior da bexiga de combustível. A unidade de controle 330 pode ser adaptada para ajustar a válvula 320 por meio do atuador 326, conforme se altera a pressão no interior da bexiga de combustível 318. Conforme o nível de combustível no interior da bexiga de combustível 316 diminui, por exemplo, a pressão no interior da bexiga de combustível 316 geralmente diminui. A unidade de controle 330 pode abrirmais a válvula 320, conforme a pressão diminui, de modo a manter o fluxo de combustível 318 a uma taxa substancialmente constante, mantendo assim um nível de geração de energia substancialmente constante. Depois de o combustível 318 ter sido alimentado à pilha de células a combustível 333, o pro-5 cesso gerador de energia pode ser realizado conforme descrito acima.

Embora as modalidades acima mostrem cartuchos de combustível incluindo uma fonte de energia, os cartuchos de combustível não precisam incluir uma fonte de energia. Em algumas modalidades, por exemplo naquelas em que é necessária energia suplementar para iniciar o processo 10 gerador de energia da célula a combustível, a célula a combustível pode ser temporariamente conectada (por exemplo, eletricamente conectada) a uma fonte de energia externa.

Outras modalidades estão nas reivindicações.

Claims

1. Cartucho de combustível, compreendendo: uma carcaça com uma saída;um recipiente de combustível na carcaça;um mecanismo de controle de fluxo em comunicação fluida com o recipiente de combustível e a saída, sendo que o dito mecanismo de controle de fluxo tem por finalidade controlar o fluxo de combustível através da saída; euma fonte de energia na carcaça.

2. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 1, em que o cartucho de combustível está acoplado a um conjunto de célula a combustível.

3. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 1, em que o mecanismo de controle de fluxo está acoplado a um atuador.

4. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 3, em que o mecanismo de controle de fluxo está mecanicamente acoplado a um atuador.

5. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 4, em que o acoplamento mecânico compreende um ou mais elementos selecionados do grupo consistindo em um eixo canelado, um eixo chavetado, uma embreagem de garras, uma embreagem de fricção, uma engrenagem e uma haste.

6. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 4, em que o atuador está posicionado no interior de um conjunto de célula a combustível, sendo que o dito cartucho de combustível está acoplado ao conjunto de célula a combustível.

7. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 4, em que o atuador está posicionado no interior do dito cartucho de combustível.

8. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 7, em que o atuador compreende um elemento piezoelétrico.

9. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 1, em que o mecanismo de controle de fluxo compreende uma bomba.

10. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 9,em que a bomba compreende um ou mais elementos selecionados do grupo consistindo em uma bomba peristáltica, uma bomba de lâmina, uma bomba de rosca, uma bomba de diafragma, uma bomba de engrenagem, uma bomba de fole e uma bomba de pistão.

11. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 1,em que o mecanismo de controle de fluxo compreende uma válvula.

12. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 11, em que a válvula compreende um ou mais elementos selecionados do grupo consistindo em uma válvula de diafragma, uma válvula de agulha, uma válvula rotativa, uma válvula de tampão, uma válvula de obturador, uma válvula de alça, uma válvula de disco, uma válvula de porta, uma válvula bico de pato, uma válvula cônica e uma válvula de fenda.

13. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 1, em que a fonte de energia compreende uma bateria primária.

14. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 13,em que a bateria primária produz no máximo cerca de 3 W.

15. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 13, em que a bateria primária produz ao menos cerca de 50 mW.

16. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 1, em que o combustível compreende um ou mais elementos selecionados dogrupo consistindo em metanol, etanol, hidrocarbonetos, ácido fórmico, amônia e hidrazina.

17. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 1, em que o combustível está a uma pressão de cerca de 0,01 MPa (0,1 at- mosfera) a cerca de 1,01 MPa (10 atmosferas).

18. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 1, em que o recipiente de combustível compreende uma bexiga de combustível.

19. Sistema de células a„combustív-eUcompxeefidecido:-um conjunto de célula a combustível compreendendo uma célula a combustível, eum atuador adaptado para receber energia gerada pela célula a combustível; eum cartucho de combustível adaptado para ser acoplado ao conjunto de célula a combustível, e compreendendouma carcaça definindo uma saída,um recipiente de combustível na carcaça, um mecanismo de controle de fluxo em comunicação fluida com orecipiente de combustível e a saída, sendo que o dito mecanismo de controle de fluxo tem por finalidade controlar o fluxo de combustível através da saída; euma fonte de energia em comunicação com o atuador.

20. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindi- cação 19, em que o conjunto de célula a combustível compreende, ainda, umabateria secundária.

21. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindicação 20, compreendendo, ainda, um dispositivo de controle conectado à bateria secundária e à fonte de energia, estando adaptado para determinar se um nível de potência da bateria secundária é suficiente para fazer funcionar o atuador.

22. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindicação 21, em que o dispositivo de controle está adaptado para conectar ele^ tricamente a fonte de energia ao atuador, mediante a avaliação de que o nível de potência é insuficiente para fazer funcionar o atuador.

23. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindicação 19, em que o mecanismo de controle de fluxo está acoplado ao atuador.

24. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindi-25 cação 19, em que o mecanismo de controle de fluxo compreende uma bomba.

25. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindicação 19, em que o mecanismo de controle de fluxo compreende uma válvula.

26. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindicação 19, em que a fonte de energia compreende uma bateria primária.

27. Sistema de células a combustível, compreendendo:um conjunto de célula a combustível compreendendo uma célula a combustível; eum cartucho de combustível adaptado para ser acoplado ao conjunto de célula a combustível, e compreendendouma carcaça definindo uma saída,um recipiente de combustível na carcaça, um mecanismo de controle de fluxo em comunicação fluida com orecipiente de combustível e a saída, sendo que o dito mecanismo de controle de fluxo tem por finalidade controlar o fluxo de combustível através da saída; euma fonte de energia.

28. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindi- cação 27, compreendendo, ainda, um atuador em comunicação com a fontede energia.

29. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindicação 28, em que o atuador está posicionado no conjunto de célula a combustível.

30. Sistema de células a combustível, de acordo coma reivindi-cação 29, em que o atuador está acoplado ao mecanismo de controle de fluxo.

31. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindicação 28, em que o atuador está posicionado no interior do cartucho de combustível.

32. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindicação 27, em que o conjunto de célula a combustível compreende, ainda, uma bateria secundária.

33. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindi- cação 27, em que a fonte de energia compreende uma bateria primária.

34. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindicação 27, em que o recipiente de combustível compreende uma bexiga de combustível._________

35. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindi- cação 34, em que o cartucho de combustível compreende uma fonte depressão configurada de modo a aplicar pressão à bexiga de combustível.

36. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindi-cação 35, em que a fonte de pressão compreende um mecanismo acionado por mola.

37. Sistema de células a combustível, de acordo com a reivindicação 35, em que a fonte de pressão compreende um fluido pressurizado.

38. Cartucho de combustível, compreendendo:uma carcaça com uma saída;um recipiente de combustível na carcaça;um mecanismo de controle de fluxo em comunicação fluida com o recipiente de combustível e a saída; e 10 um atuador na carcaça, configurado de modo a fazer funcionar omecanismo de controle de fluxo destinado a controlar o fluxo de combustível através da saída.

39. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 38, em que uma carcaça do atuador é formada integralmente com a carcaça do cartucho de combustível.

40. Cartucho de combustível, de acordo com a reivindicação 39, em que o atuador compreende um elemento piezoelétrico.

41. Método compreendendo:conectar uma fonte de combustível a uma célula a combustível; detectar um nível de energia disponível na célula a combustível; emediante a detecção de que o nível de energia disponível é menor que um primeiro nível de energia predeterminado, fornecer energia oriunda de uma fonte de energia à dita célula a combustível.

42. Método, de acordo com a reivindicação 41, em que o primeiro nível de energia predeterminado é um nível mínimo de energia necessáriapara iniciar o funcionamento da célula a combustível.

43. Método, de acordo com a reivindicação 41, em que o primeiro nível de energia predeterminado é um nível mínimo de energia necessário para fazer funcionar um atuador da célula a combustível durante um intervalo predeterminado de tempo.

44. Método, de acordo com a reivindicação 41, compreendendo, ainda, a interrupção do fornecimento de energia a partir da fonte de energia àcélula a combustível, mediante a detecção de que o nível de energia disponível é maior que um segundo nível de energia predeterminado.

45. Método, de acordo com a reivindicação 44, em que o segundo nível de energia predeterminado é o nível mínimo de energia necessário para manter a operação da célula a combustível.

46. Método, de acordo com a reivindicação 41, em que a conexão da fonte de combustível à célula a combustível compreende conectar o cartucho de combustível à célula a combustível, sendo que o cartucho de combustível compreende a fonte de combustível e a fonte de energia.

47. Método, de acordo com a reivindicação 41, compreendendo,ainda, a transferência de energia da célula a combustível para um dispositivo eletrônico.