ES2247928B1 - Pila de consumo con tecnologia de pila de combustible. - Google Patents
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Abstract
Pila de consumo con tecnología de pila de combustible, que cumple con los estándares de tamaño y voltaje de las pilas tradicionales también conocidas como "secas" o "domésticas", estando constituida por dos partes independientes y separables entre sí, que son una unidad generadora eléctrica (2) y una unidad proveedora de combustible (3); en donde, la unidad generadora eléctrica (2) es permanente o reutilizable con sucesivas unidades proveedoras de combustible (3), la unidad proveedora de combustible (3) es desechable o recargable después de cada uso; existen unos medios de acoplamiento (4) entre la unidad generadora eléctrica (2) y la unidad proveedora de combustible (3) y también existen unos medios de apertura (5) de la unidad proveedora de combustible (3), y los medios de apertura (5) actúan una vez que están acopladas mutuamente la unidad generadora eléctrica (2) y la unidad proveedora de combustible (3).
Description
Pila de consumo con tecnología de pila de
combustible.
En el título de esta invención la designación
"pila de consumo" alude a la fisonomía y medidas del tipo de
pila conocida comúnmente en el ámbito doméstico bajo diversos
formatos normalizados y que también son llamadas "pilas secas"
o "pilas domésticas". Asimismo, como "pila de
combustible" es designado un tipo de generador eléctrico
desarrollado con una nueva tecnología que hasta ahora está
destinada al suministro de energía para sistemas estacionarios
aunque se prevé su uso en el campo de los vehículos automóviles
como alternativa a la procedente de combustibles derivados del
petróleo. Para evitar confusiones, en la descripción que sigue se
denomina "pila tradicional" al tipo hasta ahora conocido como
pila seca o pila doméstica; y "pila de consumo" a la que es
objeto de esta invención y que, con una fisonomía similar a la de
la "pila tradicional", está construida de acuerdo con la
tecnología de las "pilas de combustible" del campo del
automóvil.
Pues bien, la presente invención tiene como
objetivo la construcción de una pila de consumo utilizando la
tecnología de las pilas de combustible. Una pila de combustible, al
igual que la pila tradicional, es un sistema para transformar la
energía química en energía eléctrica mediante reacciones
electroquímicas, con la diferencia de que en la pila de combustible
los reactivos son externos a la propia pila. Por lo tanto, la pila
de consumo de la presente invención dispondrá de dos partes o
unidades diferenciadas, una que incluye el sistema para la
producción de la electricidad a partir de los combustibles
almacenados externamente y otra con los mencionados
combustibles.
El científico italiano Alexandro Volta construyó
la primera pila de la historia en el año 1800, pero no fue hasta
1860 cuando el francés Georges Leclanché desarrolló un sistema que
pudo ser comercializado. Gracias a sucesivas mejoras, entre las que
destacan el uso del propio material anódico como contenedor y la
gelatinización del electrolito, se desarrolló una pila de reducido
tamaño, bajo coste y fácil utilización cuyo uso se popularizó a lo
largo y ancho del mundo. Uno de los hitos que permitió su
generalización fue la estandarización. Así, las pilas tradicionales,
también conocidas como "pilas secas" o "pilas domésticas"
son dispositivos electroquímicos unitarios o monocelda
no-recargables que proporcionan 1,5 V en circuito
abierto (existen excepciones que proporcionan 4,5 V o 9V, pero en
realidad son sistemas multiceldas, es decir, sistemas que incluyen
varias pilas empaquetadas en serie). Estas pilas tradicionales se
comercializan con diferentes formatos que varían en su forma y
dimensiones. Los más habituales son los formatos cilíndricos y,
entre éstos, los denominados AAA, AA, C y D. Las especificaciones
de todos estos formatos, así como las del resto de formatos
cilíndricos, cuadrados o planos de las pilas tradicionales vienen
recogidas en las normas de la Comisión Electrotécnica Internacional
(IEC) 60086-1 y 60086-2.
El sistema químico utilizado en las pilas
Leclanché es el formado por el zinc como ánodo y dióxido de
manganeso como cátodo. Durante casi 100 años este sistema fue el
utilizado en las pilas tradicionales y la única modificación
importante que sufrió fue en los años 1960 con el cambio del
electrolito pasándose a un sistema alcalino (de ahí el nombre
popular de "pilas alcalinas") que permitió una mejora
sustancial de las prestaciones de las pilas.
Actualmente el mercado de las pilas
tradicionales sigue dominado por la química del
Zn-MnO_{2} (preferentemente en su forma
alcalina), pero la rápida evolución de la electrónica ha hecho que
en muchas ocasiones la demanda de energía eléctrica en equipos
portátiles no quede satisfecha con la energía suministrada por
estos dispositivos. Lamentablemente, el sistema
Zn-MnO_{2} puede considerarse como
tecnológicamente maduro, lo que hace poco probable que se produzcan
mejoras radicales del mismo. Esto está propiciando la aparición de
tecnologías alternativas que manteniendo los mismos estándares de
tamaño y voltaje proporcionan ciertas ventajas frente a las pilas
tradicionales: las pilas de níquel-zinc duran más en
cámaras digitales, las pilas de litio de 1.5 V duran más a un mayor
precio o las baterías de Ni-MH de recarga rápida
pueden ser reutilizadas aunque todavía sus prestaciones son
inferiores a las de las pilas alcalinas primarias. En la presente
invención se propone una tecnología alternativa como es la de las
pilas de combustible que con un coste competitivo puede
proporcionar mejores prestaciones que las pilas tradicionales.
Las pilas de combustible son sistemas para
transformar la energía química en energía eléctrica mediante
reacciones electroquímicas. A diferencia de las pilas tradicionales
en la pila de combustible los reactivos son externos a la propia
pila. Los combustibles más utilizados son gases (preferentemente
hidrógeno y oxígeno), aunque también pueden utilizarse líquidos
(metanol) o incluso sólidos (zinc). Es una práctica habitual
utilizar el aire como fuente de suministro del oxígeno para evitar
el almacenamiento de uno de los combustibles y de esta forma
incrementar la densidad energética del sistema.
En un elemento de una pila de combustible típica
el hidrógeno es canalizado y distribuido a través de una placa
difusora que suele actuar simultáneamente como colector electrónico
positivo. El gas se difunde por toda la superficie del ánodo el
cual actúa como soporte del catalizador y barrera para evitar que
el electrolito se escape de la pila de combustible. Cuando el
hidrógeno entra en contacto con el catalizador se produce la
reacción electroquímica de oxidación en la que se generan protones
y electrones. Los primeros atraviesan el electrolito mientras los
segundos circulan por el circuito exterior generando una corriente
eléctrica. En el otro electrodo una placa difusora similar a la
descrita anteriormente distribuye el oxígeno por toda la superficie
del cátodo, que, como en el caso del cátodo, soporta el
catalizador. La reacción electroquímica que se produce es la unión
del átomo de oxígeno con dos protones que llegan a través del
electrolito y dos electrones que acceden desde el circuito exterior
siendo el producto resultante una molécula de agua. Por lo tanto, a
partir de hidrógeno y oxígeno se obtiene electricidad como producto
y agua como sustancia residual.
El potencial o voltaje de la reacción completa
descrita en el párrafo anterior es de 1.23 V teóricos, aunque en la
práctica la existencia de resistencias internas, entre otros
factores, limitan este valor a un rango entre 0.9 V y 0.5 V (de la
misma forma que el voltaje práctico de una pila de consumo oscila
entre 1,4 V y 0,9 V). Por lo tanto, para disponer de voltajes
útiles en una pila de combustible es necesario colocar al menos dos
elementos unitarios o celdas en serie.
Existen cinco tipos de pilas de combustible
definidos por el tipo de electrolito utilizado (MCFC \rightarrow
Carbonatos fundidos, PAFC \rightarrow Ácido fosfórico, SOFC
\rightarrow Óxidos sólidos, AFC\rightarrow Alcalino y PEMFC
\rightarrow Membrana protónica). En la presente invención se
propone el uso, preferentemente, del último tipo de pila de
combustible, debido a su temperatura de uso (ambiente) y facilidad
de operación (membrana sólida frente a líquido) especialmente a la
hora de colocar celdas en serie.
El formato estándar en las pilas de combustible
PEMFC es el de celdas planas, apiladas y conectadas en serie
formando lo que se conoce como un "stack" (apilamiento) para
lograr un voltaje elevado. En este stack, entre celda y celda se
coloca una placa conductora (llamada placa bipolar) con
canalizaciones a ambos lados para distribuir los gases (hidrógeno
por uno y oxígeno por el otro) mientras la propia placa trasmite la
electricidad.
Como se muestra por ejemplo en las patentes US
5,925,477 y US 6,127,058 existen diseños alternativos en los cuales
las celdas se colocan una junto a otra en el mismo plano de forma
que aunque la conexión entre las celdas es más compleja se consigue
una separación en dos partes de los gases combustibles, lo que
facilita el diseño en sistemas de pequeño tamaño.
El diseño tubular de celdas de pilas de
combustible de membrana polimérica también ha sido explorado, como
por ejemplo en las patentes US 5,509,942, US 6,001,500, US
6,007,932, US 6,080,501 o US 2003/021,890, aunque en todos estos
casos se han centrado exclusivamente en su método de fabricación y
no en su utilización.
En la patente WO 90/14694 se propone el uso de
una pila de combustible alcalina con formato AA. Como combustible
utiliza metano) o etilenglicol lo que hace que el voltaje del
sistema no supere 1V, inferior al necesario para las pilas
tradicionales. Además, el metanol tiene una cinética muy lenta, por
lo que las intensidades que pueden extraerse de una pila con el
tamaño mencionado son excesivamente bajas. Tampoco propone la
separación del combustible del resto de la pila, por lo que el
reemplazo de la pila completa es completamente inviable desde el
punto de vista económico.
La presente invención tiene como objetivo la
construcción de una pila de consumo con tecnología de pila de
combustible; todo ello, teniendo en cuenta los conceptos que al
principio de esta descripción han sido asignados a cada una de
estas denominaciones. Dado que uno de los parámetros críticos en
las pilas de consumo es el precio y las pilas de combustible
incorporan varios componentes de elevado coste en su configuración
interna (catalizador, membrana, etc.), en la presente invención se
propone la construcción de un dispositivo formado por dos partes
diferenciadas, una permanente y la otra reemplazable; de tal manera
que la pila de consumo ahora propugnada está caracterizada porque
cumple los estándares de tamaño y voltaje de las pilas
tradicionales también conocidas como "secas" o
"domésticas", porque está constituida por dos partes
independientes y separables entre sí, que son una unidad generadora
eléctrica y una unidad proveedora de combustible, porque existen
unos medios de acoplamiento entre la unidad generadora eléctrica y
la unidad proveedora de combustible, y porque existen unos medios
de apertura de la unidad proveedora de combustible; en donde, dicha
unidad generadora eléctrica es permanente o reutilizable con
sucesivas unidades proveedoras de combustible, dicha unidad
proveedora de combustible es desechable o recargable después de cada
uso, y dichos medios de apertura actúan una vez que están acopladas
mutuamente la unidad generadora eléctrica y la unidad proveedora de
combustible. Esta pila de consumo se basa en la utilización de una
pila de combustible pasiva. Por otro lado, esta pila de consumo
genera electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno; en particular,
utiliza como combustible anódico hidrógeno almacenado en la unidad
proveedora de combustible mediante cualquier medio físico o químico
capaz de retener el gas, tales como a presión, en hidruros
metálicos o nanofibras de carbón, o bien porque utiliza hidrógeno
producido a partir de un combustible capaz de reaccionar
químicamente para dar lugar a la formación de hidrógeno, tales como
el metanol o el NaBH_{4}; y como combustible catódico utiliza
oxígeno obtenido a partir del aire. En esta invención la unidad
generadora eléctrica incorpora el contacto negativo de la pila de
consumo y tiene una carcasa metálica multiperforada en contacto con
la atmósfera; por su parte, la unidad proveedora de combustible
incorpora el contacto positivo y tiene un cierre hermético que ha de
ser vulnerado por dichos medios de apertura al ser puesta en
servicio la pila de consumo, cuyo cierre hermético de esta unidad
proveedora de combustible es un sello de material no conductor. Una
forma preferente de la invención consiste en que los medios de
acoplamiento son unos medios de roscado mutuo con hermeticidad
entre la unidad generadora eléctrica y la unidad proveedora de
combustible; de igual modo, los medios de apertura son unas púas
huecas susceptibles de atravesar dicho sello y proporcionar el
acceso del combustible desde la unidad proveedora de combustible a
la unidad generadora eléctrica.
La unidad generadora de energía (parte
permanente) está formada por una pila de combustible
preferentemente de membrana polimérica e incorpora los difusores de
gases, los electrodos, el catalizador, la membrana y cualquier otra
parte de la pila de combustible que sea necesaria para generar la
electricidad a partir del combustible. Dado que el voltaje
producido en una celda de combustible es aproximadamente la mitad
del de una pila de consumo será necesario duplicar los componentes
mencionados hasta disponer de al menos dos celdas conectadas en
serie que proporcionen el voltaje necesario. El modo preferente de
disponer de la superficie de electrodo necesaria es mediante la
configuración tubular de las celdas aunque una disposición de
celdas planas circulares también puede ser utilizada.
Es especialmente necesario remarcar que en la
parte permanente (unidad generadora eléctrica) se encuentran todas
los componentes de elevado coste de la pila, bien por su alto
precio intrínseco o bien por su dificultad de fabricación.
La presente invención utilizará preferentemente,
aunque no exclusivamente, el oxígeno del aire como combustible
catódico por lo que la disposición de los elementos en esta pila de
consumo con tecnología de pila de combustible debe ser tal que se
permita el acceso del aire hasta el electrodo positivo. Así mismo,
el uso del aire como combustible facilita el diseño de la parte del
almacenamiento del combustible (unidad proveedora de combustible),
al quedar limitado a un único combustible, preferentemente
hidrógeno.
La parte que almacena el combustible (unidad
proveedora de combustible) debe ser hermética para garantizar su
conservación y almacenamiento durante largos periodos de tiempo. El
combustible utilizado (entendiéndose como tal al combustible
anódico, ya que como ha sido descrito el combustible catódico es
preferentemente el oxígeno del aire) será preferentemente el
hidrógeno, dado que la energía química que almacena es suficiente
para disponer de un sistema generador de electricidad competitivo
con las pilas tradicionales. Así mismo, los residuos que genera son
absolutamente inocuos para el medio ambiente, aspecto de suma
importancia para esta clase de producto.
El combustible puede estar en forma de gas,
líquido o sólido y puede ser hidrógeno o cualquier producto que
mediante una operación sencilla de lugar a la formación de
hidrógeno.
La parte del dispositivo de la presente
invención que almacena el combustible (unidad proveedora de
combustible) se desechará una vez el combustible esté agotado, por
lo que su coste, tanto con respecto a la materia prima como a su
proceso de fabricación, debe ser reducido, al menos una vez
aplicada la economía de escala.
El sistema de conexión (medios de acoplamiento)
entre la parte permanente de la pila de combustible (unidad
generadora eléctrica) y la parte que almacena el combustible
(unidad proveedora de combustible) tiene que estar diseñada de
forma que garantice un cierre hermético para evitar la fuga del
combustible en la zona de contacto, y la operación de acoplamiento
debe ser sencilla ya que el presente dispositivo va a ser utilizado
por personal no especializado.
Por otro lado, el sistema de apertura (medios de
apertura) de la parte de almacenamiento de combustible (unidad
proveedora de combustible) solo debe ser operativo una vez que las
dos unidades están acopladas o debe funcionar simultáneamente a la
operación de acople, para evitar, en cualquiera de los dos casos, la
fuga del combustible. Este sistema de apertura puede ser
destructivo ya que solo será utilizado una vez.
La presente invención se refiere a la
utilización de la tecnología de las pilas de combustible en las
pilas de consumo. Dado que el término "pilas de consumo", que
usualmente es aplicado a las pilas tradicionales, abarca diferentes
formatos, también la presente invención puede adoptar dicha
variación de formatos. Por lo tanto, aunque preferentemente se
describa un sistema cilíndrico de 1.5V no quedan excluidos otros
formatos como, por ejemplo, el LP1 (pila primaria de 1.5V con
formato prismático) o el 6F22 (pila primaria de 9V con formato
prismático).
La invención se describe con mayor detalle en el
ejemplo mostrado a continuación. Este ejemplo se muestra con el
propósito de ilustrar y facilitar la comprensión de la presente
invención. No sirve, sin embargo, para restringir el alcance de la
invención real.
La figura 1 es una vista en alzado que muestra
una pila de consumo (1) según la invención bajo su forma de uso en
la que la unidad generadora eléctrica (2) y la unidad proveedora de
combustible (3) están acopladas entre sí.
La figura 2 es una vista en alzado que muestra
la pila de consumo (1) de la figura 1, pero separada en sus
unidades, generadora eléctrica (2) y proveedora de combustible
(3).
La figura 3 es una representación esquemática de
la pila de consumo (1) de la figura 1, seccionada
longitudinalmente.
La figura 4 es una ampliación del detalle IV que
aparece circundado en la figura 3.
La figura 5 es similar a la figura 4, pero
muestra las unidades, generadora eléctrica (2) y proveedora de
combustible (3) separadas entre sí como en la figura 2.
En estas figuras están indicadas las referencias
siguientes:
- 1.
- Pila de consumo con tecnología de pila de combustible según la invención.
- 2.
- Unidad generadora de energía o parte permanente.
- 3.
- Unidad proveedora de combustible o parte desechable.
- 4.
- Medios de acoplamiento.
- 5.
- Medios de apertura o púas huecas cortantes.
- 6.
- Sello de hermeticidad de la unidad proveedora de combustible (3).
- 7.
- Celda exterior.
- 8.
- Celda interior.
- 9.
- Electrodo anódico de celdas (7, 8).
- 10.
- Electrodo catódico de celdas (7, 8).
- 11.
- Membrana electrolítica de celdas (7, 8).
- 12.
- Primer difusor de gases anódico.
- 13.
- Difusor de gases catódico.
- 14.
- Colector intermedio.
- 15.
- Segundo difusor de gases anódico.
- 16.
- Envuelta metálica y colector positivo.
- 17.
- Agujeros de carcasa metálica (16).
- 18.
- Colector negativo.
- 19.
- Primer material no-conductor.
- 20.
- Perforaciones de colector negativo (18) y primer material no-conductor (19).
- 21.
- Segundo material no-conductor.
- 22.
- Cilindro metálico o carcasa de unidad proveedora de combustible (3).
- 23.
- Combustible.
- 24.
- Pieza hembra de medios de acoplamiento (4).
- 25.
- Pieza macho de los medios de acoplamiento (4).
- 26.
- Extremo superior o contacto positivo de la pila de consumo (1).
Con relación a los dibujos y referencias arriba
enumerados, en los planos adjuntos se ilustra un modo preferente de
ejecución de la invención, referida a una pila de consumo (1)
construida con tecnología de pila de combustible. Esta pila de
consumo (1) está caracterizada porque cumple los estándares de
tamaño y voltaje de las pilas tradicionales también conocidas como
"secas" o "domésticas", porque está constituida por dos
partes independientes y separables entre sí, que son una unidad
generadora eléctrica (2) y una unidad proveedora de combustible
(3), porque existen unos medios de acoplamiento (4) entre la unidad
generadora eléctrica (2) y la unidad proveedora de combustible (3),
y porque existen unos medios de apertura (5) de la unidad
proveedora de combustible (3); en donde, dicha unidad generadora
eléctrica (2) es permanente o reutilizable con sucesivas unidades
proveedoras de combustible (3), dicha unidad proveedora de
combustible (3) es desechable o recargable después de cada uso, y
dichos medios de apertura (5) actúan una vez que están acopladas
mutuamente la unidad generadora eléctrica (2) y la unidad
proveedora de combustible (3). Esta pila de consumo (1) se basa en
la utilización de una pila de combustible pasiva. Por otro lado,
esta pila de consumo (1) genera electricidad a partir de hidrógeno y
oxígeno; en particular, utiliza como combustible anódico hidrógeno
almacenado en la unidad proveedora de combustible (3) mediante
cualquier medio físico o químico capaz de retener el gas, tales
como a presión, en hidruros metálicos o nanofibras de carbón, o bien
porque utiliza hidrógeno producido a partir de un combustible capaz
de reaccionar químicamente para dar lugar a la formación de
hidrógeno, tales como el metanol o el NaBH_{4}; y como combustible
catódico utiliza oxígeno obtenido a partir del aire. En esta
invención la unidad generadora eléctrica (2) incorpora el contacto
o colector negativo (18) de la pila de consumo (1) y tiene una
envuelta metálica (16) en contacto con la atmósfera que está
multiperforada mediante agujeros (17); por su parte, la unidad
proveedora de combustible (3) incorpora el contacto positivo (26) y
tiene un cierre hermético que ha de ser vulnerado por dichos medios
de apertura al ser puesta en servicio la pila de consumo (1), cuyo
cierre hermético de esta unidad proveedora de combustible (3) es un
sello (6) de material no conductor. Una forma preferente de la
invención consiste en que los medios de acoplamiento (4) son unos
medios de roscado mutuo con hermeticidad entre la unidad generadora
eléctrica (2) y la unidad proveedora de combustible (3); de igual
modo, los medios de apertura (5) son unas púas huecas susceptibles
de atravesar dicho sello y proporcionar el acceso del combustible
(23) desde la unidad proveedora de combustible (3) a la unidad
generadora eléctrica (2).
En las figuras 1 y 2 aparece la pila de consumo
(1) preconizada, respectivamente, en sus estados acoplado y
desacoplado. La parte inferior es la unidad generadora eléctrica
(2), con agujeros (17) en su envuelta y es la parte permanente de
la pila de consumo, mientras que la parte superior (3), con la
carcasa (22) no-perforada, es la parte desechable
en la que está almacenado el combustible (23).
En la figura 3 se muestra un esquema del corte
transversal de la pila de consumo (1) completa y en ella se pueden
ver los diferentes componentes: la parte permanente inferior (2),
el sistema de acoplamiento (4) entre las partes inferior (2) y
superior (3), los medios de apertura (5) de la parte desechable
superior (3), una vez efectuada la apertura de la misma y la propia
parte superior (3) en la que se almacena el combustible.
En las figuras 4 y 5 se muestra el esquema
anterior con más detalle, antes y después de llevar a cabo el
acoplamiento; en la figura 5 se muestran las dos partes (2, 3)
separadas, destacándose el sello de hermeticidad (6) de la parte
desechable (3). En la figura 4 se muestra el dispositivo con sus
dos partes acopladas y se puede apreciar cómo el sistema de
apertura (5) ha perforado este sello de hermeticidad (6)
permitiendo el acceso del combustible (23) a la parte permanente
(2).
De los diferentes formatos correspondientes a
las pilas tradicionales se ha seleccionado el más habitual: el
formato AA o LR6. Las dimensiones de una pila tradicional con este
formato son de 5 cm de alto y 1.4 cm de diámetro. Dado que el
voltaje de una pila de consumo (1) debe ser de 1.5 V, en la
presente invención es necesario utilizar dos elementos unitarios o
celdas en serie.
La comparativa entre las prestaciones de una
pila alcalina de tipo tradicional y una pila de consumo (1) con
tecnología de pila de combustible según la invención dotada de
membrana polimérica alimentada por hidrógeno y aire de forma pasiva
(sin presurizar ni humidificar los gases ni aplicar temperatura)
indica que es necesario disponer de dos celdas (7, 8) cada una
compuesta por un electrodo anódico (9), un electrodo catódico (10)
y una membrana electrolítica (11) con una superficie de 4 cm^{2}
cada una, para que ambos sistemas proporcionen niveles de energía
similares.
La disposición más sencilla para colocar dos
celdas (7, 8) de este tamaño en el interior de una estructura
cilíndrica del tamaño mencionado de tal forma que un electrodo de
cada celda tenga acceso al aire, es formando dos cilindros
concéntricos en uno de los extremos de la pila (1) formado la
denominada parte permanente (2), tal y como se muestra en la figura
3.
En las figuras 4 y 5 se muestra una ampliación
de la parte permanente (2) de la figura 3. Como se puede observar,
entre la celda exterior (7) y la interior (8) se sitúan el difusor
de gases anódico (12), cuya función es distribuir el hidrógeno, y
el difusor de gases catódico (13), responsable de la difusión del
oxígeno del aire hasta el electrodo positivo o catódico (10). Ambos
difusores (12, 13) deben ser conductores eléctricos ya que además
de distribuir los gases deben transferir los electrones desde los
electrodos hasta el colector intermedio (14). Este colector
intermedio (14) es un tubo metálico que impide la mezcla de los
gases y al tiempo permite el contacto eléctrico entre las dos
celdas (7, 8).
En el centro del sistema se coloca un segundo
difusor anódico (15) para alimentar de hidrógeno al electrodo
negativo o anódico (9) de la celda interior (8).
Todos los componentes de la parte permanente (2)
están introducidos en una envuelta metálica (16) que actúa
simultáneamente como contenedor de los componentes de la unidad
generadora eléctrica (2) y como colector positivo. Esta envuelta
(16) está multiperforada con agujeros (17) para permitir el paso
del aire hasta el electrodo catódico (10) de la celda exterior
(7).
En su extremo inferior, la parte permanente (2)
dispone de un contacto o colector negativo (18) para facilitar la
conexión de la pila (1) con el equipo al que hace funcionar o con
otras pilas (1) colocadas en serie. Este colector negativo (18)
está unido eléctricamente al difusor de hidrógeno interno (15) y
aislado de los demás componentes por un primer material
no-conductor (19). Tanto el primer material
no-conductor (19) como el colector negativo (18)
deben permitir la entrada de aire hasta el difusor interno del aire
(13), para lo cual deberán disponer de las oportunas perforaciones
(20) en caso de que sean necesarias.
En su extremo superior, la parte permanente (2)
dispone de un sellado con un segundo material
no-conductor (21) que impida la fuga de los gases y
el contacto eléctrico entre los diferentes componentes.
La parte desechable (3) tiene una configuración
mucho más sencilla que la parte permanente (2). Básicamente, es un
cilindro metálico (22) en cuyo interior se encuentran el combustible
(23) almacenado (por ejemplo, hidrógeno adsorbido en nanofibras de
carbón tal y como se especifica en la patente US 5,653,951). En su
extremo inferior, este cilindro (22) está sellado con un sello de
hermeticidad (6) de propiedades no conductoras que puede ser
fácilmente perforado por los medios de apertura (5).
Los medios de acoplamiento (4) entre las partes
permanente (2) y desechable (3) están formados por dos piezas, una
incorporada en la parte permanente (2) y otra en la desechable (3).
En el presente ejemplo, la pieza (24,) incorporada en la parte
permanente (2), es la componente hembra de los medios de
acoplamiento (4) y la pieza (25) incorporada en la parte desechable
(3), es la componente macho de estos medios de acoplamiento. Sin
embargo, en general, la configuración y disposición de los medios
de acoplamiento (4) dependerá del sistema utilizado.
Estas dos piezas (24, 25) de los medios de
acoplamiento (4) deben ser preferentemente metálicas ya que, además
de mantener unidas las partes permanente (2) y desechable (3)
durante el uso de la pila (1) deben asimismo conectar el colector
positivo (16) de la parte permanente (2) con el extremo superior o
contacto positivo (26) de la pila (1), a través de la carcasa
metálica exterior (22) de la parte desechable (3).
Otra característica importante de los medios de
acoplamiento es su hermeticidad, dado que una vez sean accionados
los medios de apertura de la parte desechable (3) es un posible
punto de fuga del combustible (23). El sistema de acoplamiento más
sencillo es el de una rosca metálica, aunque existen muchos otros
diseños posibles.
Los medios de apertura (5) perforan el sello de
hermeticidad (6) de la parte desechable (3) cuando las dos partes
(2, 3) de la pila (1) se acoplan. En ese momento el combustible (23)
hidrógeno comienza a salir desde su lugar de almacenamiento en la
parte desechable (3) y se introduce en los difusores anódicos (12,
15) de la parte permanente (2) alcanzando los electrodos anódicos
(9). En el presente ejemplo los medios de apertura (5) están
formados por púas huecas cortantes en su extremo superior (5) y su
actuación está ligada a los medios de acoplamiento (4) ya que en la
fase final del mismo, las púas huecas cortantes (5) alcanzan a
rasgar el sello de hermeticidad (6) de la parte desechable (3). Sin
embargo, la actuación de los medios de apertura (5) no tiene por qué
estar ligada a la acción de acoplamiento pudiendo desarrollarse en
dos etapas diferenciadas.
Claims (11)
1. Pila de consumo con tecnología de pila de
combustible, caracterizada porque cumple los estándares de
tamaño y voltaje de las pilas tradicionales también conocidas como
"secas" o "domésticas", porque está constituida por dos
partes independientes y separables entre sí, que son una unidad
generadora eléctrica (2) y una unidad proveedora de combustible
(3); en donde, dicha unidad generadora eléctrica (2) es permanente
o reutilizable con sucesivas unidades proveedoras de combustible
(3), dicha unidad proveedora de combustible (3) es desechable o
recargable después de cada uso.
2. Pila de consumo con tecnología de pila de
combustible, de acuerdo con la primera reivindicación,
caracterizada porque existen unos medios de acoplamiento (4)
entre la unidad generadora eléctrica (2) y la unidad proveedora de
combustible (3) y porque existen unos medios de apertura (5) de la
unidad proveedora de combustible (3), y dichos medios de apertura
(5) actúan una vez que están acopladas mutuamente la unidad
generadora eléctrica (2) y la unidad proveedora de combustible
(3).
3. Pila de consumo con tecnología de pila de
combustible, de acuerdo con las reivindicaciones primera y segunda,
caracterizada porque utiliza una pila de combustible
pasiva.
4. Pila de consumo con tecnología de pila de
combustible, de acuerdo con las reivindicaciones primera y segunda,
caracterizada porque genera electricidad a partir de
hidrógeno y oxígeno.
5. Pila de consumo con tecnología de pila de
combustible, de acuerdo con la cuarta reivindicación,
caracterizada porque utiliza como combustible anódico
hidrógeno almacenado en la unidad proveedora de combustible (3)
mediante cualquier medio físico o químico capaz de retener el gas,
tales como a presión, en hidruros metálicos o nanofibras de carbón,
o bien porque utiliza hidrógeno producido a partir de un
combustible capaz de reaccionar químicamente para dar lugar a la
formación de hidrógeno, tales como el metanol o el NaBH_{4}.
6. Pila de consumo con tecnología de pila de
combustible, de acuerdo con la cuarta reivindicación,
caracterizada porque utiliza como combustible catódico
oxígeno obtenido a partir del aire.
7. Pila de consumo con tecnología de pila de
combustible, de acuerdo con las reivindicaciones primera y segunda,
caracterizada porque la unidad generadora eléctrica (2)
incorpora el contacto o colector negativo (18) de la pila de
consumo (1) y tiene una envuelta metálica (16) en contacto con la
atmósfera que está multiperforada mediante agujeros (17).
8. Pila de consumo con tecnología de pila de
combustible, de acuerdo con las reivindicaciones primera y segunda,
caracterizada porque la unidad proveedora de combustible (3)
incorpora el contacto positivo (16) y tiene un cierre hermético que
ha de ser vulnerado por dichos medios de apertura (5) al ser puesta
en servicio la pila de consumo (1).
9. Pila de consumo con tecnología de pila de
combustible, de acuerdo con la octava reivindicación,
caracterizada porque el cierre hermético de la unidad
proveedora de combustible (3) es un sello (6) de material no
conductor.
10. Pila de consumo con tecnología de pila de
combustible, de acuerdo con las reivindicaciones primera y segunda,
caracterizada porque los medios de acoplamiento (4) son unos
medios de roscado mutuo con hermeticidad entre la unidad generadora
eléctrica (2) y la unidad proveedora de combustible (3).
11. Pila de consumo con tecnología de pila de
combustible, de acuerdo con las reivindicaciones primera y segunda,
caracterizada porque los medios de apertura (5) son unas
púas huecas cortantes susceptibles de atravesar dicho sello (6) y
proporcionar el acceso del combustible desde la unidad proveedora
de combustible (3) a la unidad generadora eléctrica (2).
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Effective date: 20180809 |