ES2393405T3

ES2393405T3 - Cartucho de combustible para pilas de combustible

Info

Publication number: ES2393405T3
Application number: ES06816255T
Authority: ES
Inventors: Paul Adams; Andrew J. Curello; Jens Mueller
Original assignee: BIC SA
Current assignee: BIC SA
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2006-10-04
Publication date: 2012-12-21
Anticipated expiration: 2026-10-04
Also published as: WO2007044425B1; WO2007044425A2; BRPI0617156A2; ZA200802864B; WO2007044425A3; JP2009512142A; RU2008115151A; EP1932201A4; EP1932201A2; EP1932201B1; CN101326664B; US20070077470A1; US8408246B2; AU2006302508A1; CN101326664A; KR20080050603A; CA2624116A1; EP2456001A1

Abstract

Suministro de combustible que puede conectarse a una pila de combustible, que comprende:una envoltura exterior,un recipiente interior de combustible que comprende combustible para la pila de combustible, donde elrecipiente interior de combustible está realizado de material polimérico,caracterizado porque el recipiente interior de combustible comprende un primer espacio libre que tiene unapresión total P1, donde un segundo espacio entre la envoltura exterior y el recipiente interior de combustiblese rellena con un gas para controlar la presión P1 del recipiente interior de combustible, el gas es unmiembro seleccionado del grupo compuesto de helio, neón, argón, criptón, xenón, radón y nitrógeno, elsegundo espacio tiene una presión total P2 prácticamente en equilibrio con P1 y el gas altera el gradientede aire desde la atmósfera al recipiente interior de combustible.

Description

Cartucho de combustible para pilas de combustible

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere en general a suministros de combustible para pilas de combustible, y más en particular a suministros de combustible que disminuyen la presión en el interior de un revestimiento dentro de los suministros de combustible.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las pilas de combustible son dispositivos que convierten directamente la energía química de reactivos, es decir, combustible y oxidante, en electricidad de corriente continua (CC). Para un número cada vez mayor de aplicaciones, las pilas de combustible son más eficientes que la generación clásica de energía, tal como la combustión de combustible fósil, así como el almacenamiento de energía portátil, tal como baterías de iones de litio.

En general, las tecnologías de pilas de combustible incluyen una variedad de diferentes pilas, tales como pilas de combustible alcalino, pilas de combustible de electrólitos de polímero, pilas de combustible de ácido fosfórico, pilas de combustible de carbonato fundido, pilas de combustible de óxido sólido y pilas de combustible de enzimas. Las pilas de combustible más importantes actualmente pueden dividirse en varias categorías generales, a saber (i) pilas que utilizan como combustible hidrógeno comprimido (H2); (ii) pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (MIP) que utilizan alcoholes, por ejemplo metanol (CH3OH), hidruros metálicos, por ejemplo borohidruro de sodio (NaBH4), hidrocarburos, u otros combustibles reformados en combustible de hidrógeno; (iii) pilas de combustible de MIP que pueden consumir directamente combustible distinto del hidrógeno o pilas de combustible de oxidación directa; y (iv) pilas de combustible de óxido sólido (PCOS) que convierten directamente combustibles de hidrocarburos en electricidad a elevada temperatura.

El hidrógeno comprimido se mantiene por lo general a una presión elevada y, en consecuencia, es difícil de manipular. Además, normalmente se requieren depósitos de almacenamiento de gran tamaño, y no pueden hacerse lo suficientemente pequeños para dispositivos electrónicos de consumo. Las pilas clásicas de combustible reformado requieren reformadores y otros sistemas auxiliares y de vaporización para convertir los combustibles en hidrógeno, a fin de reaccionar con el oxidante en la pila de combustible. Los recientes avances hacen que las pilas de combustible reformado o reformato sean prometedoras para los dispositivos electrónicos de consumo. Las pilas de combustible de oxidación directa más comunes son las pilas de combustible de metanol directo o PCMD. Otras pilas de combustible de oxidación directa incluyen las pilas de combustible de etanol directo y pilas de combustible de ortocarbonato de tetrametilo directo. Cuando se hace reaccionar el metanol directamente con el oxidante en la pila de combustible, la PCMD es la pila de combustible más sencilla y potencialmente pequeña, y tiene también una prometedora aplicación de energía para los dispositivos electrónicos de consumo ordinario. Para producir electricidad, las pilas de combustible de óxido sólido (PCOS) convierten combustibles de hidrocarburos, por ejemplo butano, a una temperatura elevada. Las PCOS requieren una temperatura relativamente elevada, en el rango de los 1.000°C, para que tenga lugar la reacción de la pila de combustible.

Las reacciones químicas que producen electricidad son diferentes para cada tipo de pila de combustible. Para la PCMD, la reacción electroquímica en cada electrodo y la reacción general para una pila de combustible de metanol directo, se describen del modo siguiente:

Semi-reacción en el ánodo:

CH3OH + H2O 2 + 6H++ 6e

Semi-reacción en el cátodo:

1,5O2 + 6H+ + 6e- 2O

Reacción completa de la pila de combustible

CH3OH + 1,5O2 2 + 2H2O

Debido a la migración de los iones de hidrógeno (H+) a través de la MIP, del ánodo al cátodo, y debido a la incapacidad de los electrones libres (e-) para pasar a través de la MIP, los electrones deben fluir a través de un circuito externo, lo que produce una corriente eléctrica a través del circuito externo. El circuito externo puede utilizarse para alimentar muchos dispositivos electrónicos útiles para el consumo, por ejemplo teléfonos móviles, calculadoras, asistentes personales digitales, ordenadores portátiles y herramientas eléctricas, entre otros.

La PCMD se describe en las patentes de los EE.UU. números 5.992.008 y 5.945.231. En general, la MIP está realizada con un polímero, por ejemplo Nafion®, de DuPont, que es un material perfluorado de ácido sulfónico que tiene un espesor en el rango de aproximadamente 0,05 mm a unos 0,50 mm, u otras membranas adecuadas. El ánodo está realizado normalmente con un soporte de papel carbón teflonizado, con una fina capa de catalizador, tal como platino-rutenio, depositada sobre el mismo. El cátodo es normalmente un electrodo de difusión de gases en el cual se fijan las partículas de platino, en un lado de la membrana.

En otra pila de combustible de oxidación directa, la pila de combustible de borohidruro (PCBD) reacciona del modo siguiente:

Semi-reacción en el ánodo:

BH4-+ 8OH-BO2 -+ 6H2O + 8e-

Semi reacción el cátodo:

2O2 + 4H2O + 8e-+ 8e-8OH-

En una pila química de combustible de hidruro metálico, el borohidruro de sodio se reforma y reacciona del modo siguiente:

NaBH4 + 2H2O (calor o catalizador) 4( 2) + (NaBO2)

Semi-reacción en el ánodo

H2 + + 2e

Semi-reacción en el cátodo:

2(2H+ + 2e-) + O2 2O

Los catalizadores adecuados para esta reacción incluyen platino y rutenio y otros metales. El combustible de hidrógeno producto de la reformación del borohidruro de sodio reacciona en la pila de combustible con un oxidante, por ejemplo O2, para crear electricidad (o un flujo de electrones) y agua como subproducto. En el proceso de reformado se produce también borato sódico (NaBO2) como subproducto. La pila de combustible de borohidruro de sodio se describe en la patente de los Estados Unidos con el número 4.261.956.

Una de las características más importantes para la aplicación de la pila de combustible es el almacenamiento de combustible. Cuando un combustible líquido como el metanol se almacena en el suministro de combustible o en un revestimiento de combustible dentro del suministro de combustible, podría formarse una presión no deseada dentro del suministro de combustible o el revestimiento de combustible

La patente US2005/023236 describe un suministro correspondiente de combustible que puede conectarse a una pila de combustible.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene como objetivo un suministro de combustible que puede conectarse a una pila de combustible, que comprende una envoltura exterior y un recipiente interior de combustible que contiene combustible para la pila de combustible. El especio entre el recipiente de combustible y las envolturas exteriores puede rellenarse con un gas. El gas puede ser un gas inerte, aire, nitrógeno o dióxido de carbono y puede estar también presurizado.

El suministro de combustible puede comprender además una válvula de retención dispuesta en la envoltura exterior a fin de regular la presión en el espacio entre la envoltura exterior y el revestimiento de combustible, o ajustar la cantidad de gas almacenado en el mismo espacio. Un cierre puede cubrir la válvula de retención, a fin de limitar el movimiento de gases que entren o salgan del espacio entre la envoltura exterior y el revestimiento de combustible durante el almacenamiento. Todo el suministro de combustible puede estar también dispuesto en un envase exterior hermético. En el recipiente interior de combustible puede colocarse también una válvula de retención o membrana permeable a los gases e impermeable a los líquidos, a fin de regular la presión interna del recipiente interior.

La presente invención tiene como objetivo también los procedimientos para controlar la presión dentro de un cartucho de combustible, y los procedimientos para desgasificar el combustible a fin de controlar la presión dentro del cartucho de combustible.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La FIG. 1 es una vista en sección transversal de un cartucho de combustible según la presente invención; La FIG. 2 es una vista en sección transversal de un cartucho de combustible sellado dentro del envase exterior; La FIG. 3 es una vista en sección transversal de un cartucho de combustible que posee un revestimiento de combustible lleno en una cantidad preestablecida, inferior a la capacidad total. La FIG. 4A es un diagrama que describe un procedimiento de uso de un gas inerte a fin de retirar el gas disuelto en el combustible; La FIG. 4B es un diagrama que describe un procedimiento de uso repetido de un gas inerte y vacío para retirar el gas disuelto en el combustible; y la FIG. 4C es un diagrama que describe un procedimiento para utilizar un dispositivo de filtración en línea para retirar el gas disuelto en el combustible, y la FIG. 5 es un dibujo esquemático de un cartucho de combustible con un sistema de desgasificación.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS

Tal como se ilustra en los dibujos adjuntos, y se describe con más detalle a continuación, la presente invención tiene como objetivo un suministro de combustible, que almacena combustibles de pila de combustible tales como metanol y agua, mezcla de metanol/agua, mezclas de metanol/agua de diferentes concentraciones, o metanol puro. El metanol puede utilizarse en muchos tipos de pilas de combustible, por ejemplo PCMD, pila de combustible de enzimas y pila de combustible reformado, entre otras. La alimentación de combustible puede contener otros tipos de combustibles de pila de combustible, tales como etanol o alcoholes, hidruros metálicos, por ejemplo borohidruro de sodio, otros productos químicos que pueden ser reformados en hidrógeno, u otros productos químicos que pueden mejorar el rendimiento o la eficiencia de las pilas de combustible. Los combustibles incluyen también electrólito de hidróxido de potasio (KOH), que puede utilizarse con pilas de combustible metálico o pilas de combustible alcalino, y puede almacenarse en suministros de combustible. Para pilas de combustible metálico, el combustible se encuentra en forma de partículas de zinc transportadas por fluido, sumergidas en una solución de reacción electrolítica de KOH, y los ánodos dentro de las cavidades de la pila son ánodos particulados formados de partículas de zinc. La solución electrolítica de KOH se describe en la solicitud de patente concedida de los Estados Unidos número 2003/0077493 titulada “Procedimiento de Uso del Sistema de Pila de Combustible Configurado para Proporcionar Energía a Una o Más Cargas”, concedida el 24 de abril de 2003. Los combustibles incluyen también una mezcla de metanol, peróxido de hidrógeno y ácido sulfúrico, que fluye a través de un catalizador formado sobre virutas de silicio para crear una reacción de pila de combustible. Los combustibles incluyen también una mezcla de metanol, borohidruro de sodio, un electrolito y otros compuestos, tales como los que se describen en las patentes de los Estados números 6.554.877, 6.562.497 y 6.758.71. Los combustibles incluyen también los que están parcialmente disueltos en disolvente y parcialmente suspendidos en disolvente, descritos en la patente de los Estados Unidos número 6.773.470 y los que incluyen tanto combustibles líquidos como sólidos, descritos en la solicitud de patente concedida número 2002/076602. Los combustibles incluyen también hidrógeno.

Los combustibles incluyen también un hidruro metálico como por ejemplo borohidruro de sodio (NaBH4) y agua, discutido anteriormente, y la baja presión y baja temperatura producidos por dicha reacción. Los combustibles incluyen asimismo combustibles de hidrocarburos, que incluyen, aunque sin que esto represente limitación alguna, butano, queroseno, alcohol y gas natural, descritos en la solicitud de patente concedida de los Estados Unidos número 2003/0096150, titulada “Dispositivo de Pila de Combustible con Interfaz Líquida“, concedida el 22 de mayo de 2003. Los combustibles incluyen también oxidantes líquidos que reaccionan con los combustibles. La presente invención, en consecuencia, no se limita a cualquier tipo de combustibles, soluciones electrolíticas, soluciones oxidantes o líquidos o sólidos que se contienen en el suministro o que usa de otro modo el sistema de pila de combustible. Tal como se utiliza en la presente, el término “combustible” incluye todos los combustibles que pueden reaccionar en pilas de combustible o en el suministro de combustible, e incluye, aunque sin que esto represente limitación alguna, todos los combustibles adecuados anteriores, soluciones electrolíticas, soluciones oxidantes, gases, líquidos, sólidos y/o productos químicos y mezclas de los mismos.

Tal como se utiliza en la presente, el término “suministro de combustible” incluye, aunque sin que esto represente limitación alguna, cartuchos desechables, cartuchos rellenables/reutilizables, recipientes, cartuchos que permanecen dentro del dispositivo electrónico, cartuchos extraíbles, cartuchos que se encuentran fuera del dispositivo electrónico, depósitos de combustibles, depósitos de relleno de combustible, otros recipientes que almacenan combustible y los tubos conectados a los depósitos y recipientes de combustible. Aunque a continuación se describe un cartucho junto con los ejemplos de realización de la presente invención, conviene señalar que estas realizaciones son aplicables también a otros suministros de combustible, y la presente invención no se limita a un tipo particular de suministros de combustible.

El suministro de combustible de la presente invención puede utilizarse también para almacenar combustibles que no se suelen usar en pilas de combustible. Estas aplicaciones incluyen, aunque sin que esto represente limitación alguna, el almacenamiento de combustibles de hidrocarburos e hidrógeno para motores de microturbinas de gas construidas en chips de silicio, descritas en “Aquí Llegan los Micro-motores”, publicada en The Industrial Physicist, (diciembre 2001/enero 2002) en las páginas 20 a 25. Otras aplicaciones incluyen el almacenamiento de combustibles clásicos para motores de combustión interna, e hidrocarburos, tales como butano para encendedores de bolsillo y funcionales, y propano líquido.

Cuando un combustible líquido, como por ejemplo metanol, se almacena en el recipiente de combustible, con el tiempo puede acumularse presión dentro del recipiente. La acumulación de presión dentro del recipiente de combustible puede aumentar la velocidad del combustible a medida que sale del recipiente. El aumento en la presión puede verse influida por una serie de factores, incluida la presión parcial del vapor del combustible en estado gaseoso.

Con referencia a la FIG. 1, el cartucho de combustible 10 comprende una envoltura exterior 12 y un recipiente interior 14 de combustible que contiene un combustible. El recipiente interior 14 de combustible se contiene dentro de la envoltura exterior 12, definiéndose el espacio 20 para estar entre la envoltura exterior 12 y el recipiente interior 14 de combustible. El cartucho de combustible 10 comprende además una válvula de cierre 18, que está en comunicación de fluidos con el recipiente interior 14 de combustible. El cartucho de combustible 10 comprende además una válvula de seguridad 24 en la envoltura 12, que puede ser una válvula de retención, válvula de bola o válvula de vástago. Un cierre extraíble optativo cubre la válvula de retención 24. El recipiente interior 14 de combustible contiene combustible 28, por ejemplo metanol o cualquiera de los combustibles adecuados descritos anteriormente, y puede tener el espacio libre 27 sobre el combustible.

La envoltura exterior 12 es preferentemente rígida, pero puede ser también lo suficientemente flexible para ser comprimida a lo largo del recipiente interior 14 de combustible, a medida que el combustible se transporta desde el cartucho. Una envoltura exterior rígida puede proporcionar soporte estructural adicional al revestimiento 14 de combustible. La envoltura exterior 12 está realizada preferentemente de metales, como por ejemplo acero inoxidable

: o resina de poliacetal, que puede moldearse por inyección o extruirse. Opcionalmente, la envoltura exterior 12 puede realizarse de materiales que no contengan contaminantes, tales como zinc, azufre, talco y aceites, y puede tratarse con flúor para disminuir el paso. La envoltura exterior 12 puede estar realizada también de un material de malla abierta que puede resistir la expansión del recipiente interior 14 de combustible y puede plegarse a medida que se retira el combustible del revestimiento interior 14 de combustible.

El recipiente interior 14 de combustible es preferentemente flexible y deformable, por ejemplo, un revestimiento de combustible, de modo que el volumen dentro del revestimiento 14 de combustible disminuye cuando el combustible se transporta a la pila de combustible. Más preferentemente, el revestimiento 14 de combustible es delgado y está realizado de un material duradero y flexible de manera que se pliegue o reduzca su volumen eficientemente a medida que se extrae el combustible. Ejemplos de materiales para el revestimiento 14 de combustible incluyen caucho natural, polietileno (incluido PE de baja y alta densidad), etilen-propileno (EP), EPDM y otras películas poliméricas delgadas. El polietileno puede laminarse con una capa barrera al vapor, tal como una lámina de aluminio

: o plásticos tratados con flúor, a fin de reducir el paso del metanol. Preferentemente, el revestimiento 14 de combustible está realizado de un polietileno de baja densidad, y va moldeado por soplado para formar una vejiga de paredes delgadas. Dicho revestimiento de combustible y envoltura exterior, y los materiales adecuados para los mismos, se describen en su totalidad en las solicitudes de patente de los Estados Unidos co-pendientes y de propiedad común números 10/629.004, titulada “Cartucho de Combustible con Revestimiento Flexible”, presentada el 29 de julio de 2003; 10/725.244 titulada “Suministro de Pila de combustible que tiene Materiales Compatibles con el Combustible”, presentada el 1 de diciembre de 2003; y 10/913.715 titulada “Suministros de Combustible para Pilas de Combustible,” presentada el 6 de agosto de 2004. Una ventaja de tener un revestimiento 14 de combustible plegable y deformable es que dado que el revestimiento 14 de combustible se pliega, a medida que se transporta a la pila de combustible, el cartucho 10 de combustible puede utilizarse en cualquier orientación.

La válvula de corte 18 está adaptada para ir conectada a una pila de combustible (no ilustrada) o a un recipiente /cartucho de combustible rellenable, o un adaptador de relleno. Las válvulas de corte se describen en su totalidad en la solicitud de patente de los Estados co-pendiente y de propiedad común número de serie 10/629.006, titulada “Cartucho de Combustible con Válvula de Conexión”, presentada el 29 de julio de 2003 (la “Solicitud 006”). La válvula de corte 18 puede sustituirse también por un material fibroso capaz de transportar combustible a través de la acción capilar o de absorción tipo mecha, o un material elastomérico que puede abrirse o perforarse con un pasador

: o aguja tal como un separador. Los materiales capilares o de absorción por mecha adecuados se describen completamente en la solicitud de patente de los Estados co-pendiente y de propiedad común número de serie 10/356.793, presentada el 31 de enero de 2003, titulada “Cartuchos de Combustible para Pilas de Combustible. La válvula de retención 24 se describe totalmente en la “solicitud 004”.

En una realización de la presente invención, cuando la envoltura exterior es prácticamente rígida, el espacio 20 del cartucho 10 de combustible se llena con una cantidad efectiva de gas a fin de reducir el paso o el movimiento del aire atmosférico, vapor de agua y otros gases en el revestimiento 14 de combustible a través del espacio 20 durante la vida prevista del cartucho. Una cantidad efectiva de gas incluye hasta un 100% de gas inerte en el espacio 20, pero puede disminuirse hasta un 100%, y puede ser de solo un 50%. Los gases adecuados incluyen, aunque sin que esto represente limitación alguna, gases inertes (helio, neón, argón, criptón, xenón, radón), nitrógeno, y dióxido de carbono. Los gases preferidos son helio, argón, criptón, nitrógeno y dióxido de carbono. Los gases inertes más preferidos son argón y criptón. Los gases adecuados según la presente invención no incluyen gases que pueden utilizarse como combustible para pilas de combustible. La envoltura exterior puede ser también flexible.

Las leyes de los gases ideales rigen el aumento de presión dentro del espacio libre 27, dentro del revestimiento 14, y en el espacio 20. La ley de Boyle establece que la temperatura constante, el volumen de un gas varía inversamente con la presión. La ley de Charles establece que a presión constante, el volumen de un gas varía directamente con la temperatura absoluta, y que a volumen constante la presión de un gas varía directamente con la temperatura absoluta. La Ley de Dalton establece que la presión total de una mezcla de gases equivale a la suma de las presiones parciales debidas a cada tipo de gas. Sin limitarse por teoría alguna, se utilizará la Ley de Dalton para describir la invención.

Dentro del espacio libre 27 ilustrado en la FIG.1, la presión total (Ptotal-27) equivale a la suma de la presión parcial de combustible, por ejemplo metal (Pmetanol-27) y la presión parcial de cualquier aire u otros gases (Paire-27) presente en el mismo:

Ptotal-27 = Pmetanol-27 + Paire-27

La Presión total (Ptotal-20) del espacio 20 equivale a la suma de la presión parcial del gas inerte (Pgas inerte-20) y la presión parcial de cualquier aire (Paire-20) presente en el mismo:

Ptotal-20 = Pgas inerte-20 + Paire-20

En cualquier momento dado, la presión total del espacio libre 27 se equilibra por la presión total del espacio 20 y, preferentemente, las presiones en el espacio 27 y el espacio 20 son prácticamente similares para disminuir la presión ejercida sobre el revestimiento 14 de combustible, es decir:

Ptotal-27 = Ptotal-20

Según la presente invención, el gas inerte seleccionado genera una presión parcial para el espacio 20 en diferentes etapas de uso del metanol en el revestimiento 14 de combustible, incluida la etapa en la que tiene lugar el aumento de presión. Cuando aumenta la presión total del espacio libre 27, se equilibra por la presión total del espacio 20:

Pmetanol-27 + Paire-27 Pgas inerte-20 + Paire-20

El gas inerte está preferentemente presurizado para aumentar su densidad en el espacio 20 cuando el revestimiento 14 está prácticamente lleno. En este estado, el revestimiento 14 va apoyado por el combustible y puede soportar la presión del gas inerte. Cuando el revestimiento 14 de combustible está parcial o prácticamente vacío, el gas inerte de alta densidad se expande para rellenar el espacio del combustible extraído y continúa aplicando presión sobre el revestimiento 14 de combustible, aunque menos que la presión ejercida cuando el revestimiento de combustible estaba lleno, disminuyendo así la tendencia del gas dentro del espacio 27 a expandirse. Esto disminuye también la presión neta ejercida sobre el revestimiento 14 de combustible.

El nivel de presión que deberá aplicarse al gas inerte cuando el revestimiento de combustible está prácticamente lleno puede determinarse por los factores siguientes: la ley del gas, y el volumen del espacio 20 cuando el revestimiento de combustible está prácticamente lleno y el volumen del espacio 20 cuando el revestimiento de combustible está prácticamente vacío. De manera preferente, cuando el revestimiento de combustible está prácticamente vacío, la presión aplicada por el gas inerte sobre el revestimiento 14 de combustible es al menos 4 psi superior a la presión atmosférica, y más preferentemente al menos 6 psi, y más preferentemente al menos 8 psi.

La presencia de gas inerte en el espacio 20 puede ser una barrera de aislamiento efectiva que reduce el paso del aire atmosférico, vapor de agua y otros gases, impidiendo su entrada a través de la pared del revestimiento 14 de combustible. La presencia de gas en el espacio 20 altera el gradiente de concentración de gas atmosférico desde la atmósfera al espacio 20, hasta el espacio libre 27, reduciendo así la velocidad de paso del aire del ambiente.

La invención permite también la regulación de la presión cuando la temperatura del cartucho de combustible varía de caliente a frío. La temperatura aumenta simultáneamente las presiones parciales de los gases en el espacio libre 27 y las presiones parciales de los gases en el espacio 20. La presión total aumentada en el espacio libre 27 es así compensada por la presión total aumentada en el espacio 20.

El cierre 26 puede colocarse sobre la válvula de retención 24 a fin de disminuir aún más el movimiento del aire, nitrógeno y cualquier otro tipo de gas atmosférico en el interior del espacio 20 y en el interior del revestimiento 14 de combustible durante el almacenamiento y el transporte. El cierre 26 lo puede retirar el usuario antes del uso, o puede ser retirado automáticamente a medida que el cartucho 10 es retirado de su envase. Los materiales adecuados para el cierre 26 incluyen, aunque sin que esto represente limitación alguna, envoltorio de plástico, lámina de aluminio o lámina de grafito exfoliada descrita en la “solicitud 004”. Como variante, el cierre 26 puede adoptarse de:

(1): el sistema de cierre para conjuntos de filtro y sistemas de filtro para la entrada de aire para pilas de combustible tal como se describe en la Patente de los EE.UU. número 6.797.027 de Stenersen, et al, titulada “Conjuntos de Filtro y Sistemas para la Entrada de Aire para Pilas de Combustible"

(2): el cierre para la entrada de tinta tal como se describe en la Patente de los EE.UU. número 6.796.644 de Anderson, Jr., et al, titulada “Regulador de Fuente de Tinta para Impresora de Chorro de Tinta; o

(3): los medios de cierre descritos en la Patente de los EE.UU. número 6.802.491 de Kelly et al, titulada “Cartucho de Válvula de Corte de Fluido con Conexión Rápida”.

Con referencia a la FIG. 2, el envase opcional exterior 30 rodea y cierra el cartucho 10 de combustible. Las paredes de cierre 32 aseguran que el envase 30 sea prácticamente hermético. El espacio 34, definido como el espacio entre el cierre 32 y el cartucho 10 de combustible, puede llenarse bien con un gas inerte o mantenerse al vacío. El envase exterior 30 puede ir cubierto con películas desprendibles que sean adecuadas para el empaquetado de alimentos, tal como se describe en la patente de los Estados Unidos número 6.688.078 de Mauclair, et al, titulada “Bolsa o Envase para Productos Alimentarios Realizados de una Película Desprendible y Proceso para su fabricación”. La película desprendible comprende una primera capa orientada de poliamida, que va acoplada a una segunda capa desprendible y coextruida de polietileno. Esta película desprendible la fabrica Sudpack GmbH, Ochsenhausen, Alemania. La primera capa orientada de poliamida tiene un espesor de aproximadamente 15 micras, y la segunda capa desprendible coextruida de polietileno tiene un espesor de aproximadamente 60 micras. El cierre entre las dos partes de la película desprendible para formar un envase tiene lugar entre los lados interiores de polietileno. Los materiales adicionales adecuados para el envase exterior incluyen materiales adecuados para el cierre 26. Como variante, dicha película puede cubrir el cartucho 10 directamente o dicha película puede envasarse al vacío alrededor del cartucho 10, a fin de retirar las bolsas de aire entre el cartucho y la película.

Con referencia a la FIG. 3, en otra realización de la presente invención el cartucho 40 de combustible comprende una envoltura exterior 42, y un revestimiento 44 de combustible que contiene un combustible y se dispone dentro de la envoltura exterior 42. La envoltura exterior 42 es preferentemente rígida. El revestimiento 44 de combustible es preferentemente flexible o plegable. El espacio 46 se define para que sea el espacio entre la envoltura exterior 42 y el revestimiento 44 de combustible. El cartucho 40 de combustible comprende además una válvula de corte 50, que está en comunicación de fluidos con el revestimiento 44 de combustible. El revestimiento 44 de combustible contiene combustible 52, por ejemplo metanol. La cantidad de combustible 52 dentro del revestimiento 44 de combustible es inferior a la capacidad total del revestimiento en una cantidad preestablecida, por ejemplo, cerca de un 10%. El espacio 54 representa la diferencia en volumen entre la capacidad casi completa y la capacidad máxima.

Esto puede realizarse (1) rellenando el revestimiento de combustible con el combustible a aproximadamente la capacidad completa y después retirando un volumen preestablecido, por ejemplo cerca de un 10% o alguna otra cantidad preestablecida de combustible del revestimiento de combustible, o (2) comprimiendo un revestimiento de combustible vacío a una cantidad preestablecida, por ejemplo cerca del 90% menos de la capacidad total y rellenando el volumen restante con combustible. Por cualquiera de ambos procedimientos, el revestimiento de combustible se rellena a menos de la capacidad. Cuando comienza el aumento de la presión dentro del revestimiento de combustible, existe espacio para la expansión sin tensionar el revestimiento de combustible. Aunque el 10% se utiliza aquí como ejemplo, podría retirarse o mantenerse cualquier porcentaje de combustible del cartucho de combustible. La cantidad de combustible retirado puede basarse en parte en la expansión térmica del combustible.

Cuando se rellena el revestimiento interior 14 pueden utilizarse otras técnicas para reducir los gases, por ejemplo aire, que entran al revestimiento interior 14. Un procedimiento es el de rellenar el revestimiento interior 14 con combustible 28, después hacer que rebose el revestimiento interior 14 con un gas inerte o no reactivo, incluidos, aunque sin que esto represente limitación alguna, argón y nitrógeno. El objetivo de estos gases es rellenar prácticamente los espacios vacíos dentro del revestimiento interior 14, ralentizando el paso de aire al interior del revestimiento interior 14.

Además, es conveniente en algunos casos crear una contrapresión ligeramente aumentada o vacío de bajo nivel dentro del revestimiento interior 14. Esta contrapresión podría crearse en una serie de diferentes modos. Después de que el revestimiento interior 14 está completamente lleno, se vacía una pequeña cantidad de combustible a fin de deformar el revestimiento interior 14. Otro procedimiento de crear la ligera contrapresión es calentar el combustible antes de rellenar el revestimiento interior 14 desde un depósito. A continuación se llena completamente y se cierra el revestimiento interior 14. A medida que se enfría el combustible en el revestimiento interior 14, se contrae, provocando así que se comprima ligeramente el revestimiento interior 14.

Según otro aspecto de la presente invención, el gas disuelto en el combustible se retira para disminuir el aumento de la presión parcial durante el uso. Con referencia a la FIG. 4A, se describe un procedimiento para retirar los gases disueltos en el combustible. En la etapa 60, el gas inerte está en contacto con el combustible, preferentemente por percolación. En la etapa 62, el combustible desgasificado se utiliza para rellenar el revestimiento de combustible. El as inerte adecuado incluye, aunque sin que esto represente limitación alguna, argón y helio. Este proceso de desgasificación del combustible puede efectuarse utilizándose un sistema de aireación del gas inerte que se usa normalmente junto con la cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC).

En la FIG. 4B se describe otro procedimiento para retirar los gases disueltos en el combustible. En la etapa 64, el gas inerte pasa al interior del combustible. En la etapa 66, se retira el gas inerte, preferentemente aplicando vacío al combustible. Opcionalmente, las etapas 64 y 66 pueden repetirse cualquier número de veces, por ejemplo de 2 a 10 veces. En la etapa 68, el combustible desgasificado se utiliza para rellenar el revestimiento de combustible. Al combustible desgasificado se le puede aplicar vacío antes de ser transportado al cartucho de combustible.

En la FIG. 4C se describe otro procedimiento para retirar los gases disueltos en el combustible. En la etapa 72, el combustible se filtra con un dispositivo de filtrado en línea. En la etapa 74, el combustible filtrado se utiliza para rellenar el revestimiento de combustible. La tecnología reciente de separación puede ahora extraer virtualmente todos los gases disueltos de la solución de un modo sencillo y asequible. Los dispositivos adecuados de filtrado en línea están disponibles en Insight Process Solution, de Hendersonville, Carolina del Norte.

A fin de desgasificar el combustible después de la disposición dentro del revestimiento interior 14, el sistema podría pasar periódicamente el combustible a través de separador de gases-líquidos. Como se ilustra en la FIG. 5, el cartucho 10 incluye un revestimiento interior con dos válvulas, una primera válvula 18, similar a la válvula 18 ilustrada en la FIG. 1, y una segunda válvula de entrada 76. El cartucho 10 se conecta a una primera bomba 78, que extrae el combustible del revestimiento interior 14. La primera bomba 78 puede pasar el combustible extraído a la pila de combustible, o puede bombear el combustible extraído a un separador de gases 80 para su purificación.

El separador de gases puede ser cualquiera de los separadores de gases-líquidos que se conocen en la técnica. Un ejemplo de separador de gases es una membrana permeable a los gases e impermeable a los líquidos. El combustible pasa a través de un orificio que contiene dicha membrana, y se ventea el gas separado, por ejemplo, a la atmósfera, mientras que el combustible se bombea a la pila de combustible o vuelve al revestimiento interior 14, o puede utilizarse directamente como combustible para la pila de combustible. Esta membrana solo permite preferentemente que aire u otros gases salgan del cartucho, e impide que el líquido salga del cartucho. Dicha membrana permeable a los gases e impermeable a los líquidos se describe en la solicitud ´793, en la patente de los Estados Unidos número 3.508.708, titulada “Pila Eléctrica con Detención de Venteo Permeable a los Gases, concedida el 21 de abril de 1970, y en la patente de los Estados Unidos número 4.562.123, titulada “Pila de Combustible Líquido”, concedida el 31 de diciembre de 1985. Dichas membranas pueden estar realizadas de politetrafluoretileno (PTFE), nylon, poliamidas, polivinilideno, polipropileno, polietileno u otras membranas poliméricas. Una membrana hidrofóbica microporosa de PTFE comercialmente disponible puede obtenerse de W. L. Gore Associates, Inc. Gore-tex® es una membrana adecuada. Goretex® es una membrana micro-porosa que contiene poros que son demasiado pequeños para que pase el líquido, pero lo suficientemente grandes para que salgan los gases.

En la técnica se conocen también separadores de gases-líquidos más complejos. Únicamente a título de ejemplo, en la presente se describe otro separador 80 de gases similar al conocido separador de dióxido de carbono. Las personas entendidas en la técnica reconocerán que en la presente invención pueden utilizarse también otros separadores.

El separador 80 de gases incluye una válvula de entrada 82, a través de la cual el combustible entra a una cámara hueca 81. Cuando entra en la cámara hueca 61, la corriente de fluido encuentra un generador de vórtice 84, que provoca que el combustible gire dentro de la cámara hueca 81. A medida que gira la corriente de fluido, el líquido en la misma es empujado hacia las paredes interiores de la cámara hueca 81. Cualquier gas que se encuentre dentro de la corriente de fluido sube hacia la parte superior de la cámara hueca 81 y es venteado a la atmósfera a través de la salida 86. Como variante, los vapores gaseosos que salen del separador 80 de gases a través de la salida 86 podrían a su vez transferirse a una cámara de mezcla de la pila de combustible, al bucle del ánodo de la pila de combustible o a un quemador catalítico. A fin de no desperdiciar los vapores, los vapores del combustible podrían condensarse y reintroducirse al revestimiento interior 14. El líquido dentro de la corriente de fluido se recoge en el fondo de la cámara hueca 81 y pasa a través de una salida 88 de líquido. A continuación el combustible líquido desgasificado es bombeado a través de una segunda bomba 90 de regreso al revestimiento interior a través de la válvula de entrada 76.

La bomba utilizada para mover el combustible desde el cartucho 10 hasta la pila de combustible y/o separador 80 de gases puede ser cualquier bomba capaz de transportar fluidos a la velocidad deseada. Las bombas adecuadas incluyen, aunque sin que esto represente limitación alguna, bombas microelectromecánicas (BMEM), tales como las que se describen reivindican en la solicitud de patente ´793. La bomba BMEM puede ser una bomba inducida por campo o una membrana de desplazamiento de membrana. Una bomba inducida por campo tiene un campo eléctrico de CA o CC o campo magnético aplicado al combustible/líquido a fin de de bombear el combustible/líquido. Las bombas inducidas por campo adecuadas incluyen, aunque sin que esto represente limitación alguna, la bomba electrohidrodinámica, la bomba magnetohidrodinámica y la bomba electro-osmótica. La bomba electrohidrodinàmica y la bomba electro-osmótica pueden utilizarse conjuntamente. Una bomba de desplazamiento de membrana comprende una membrana a la cual se aplica una fuerza, provocando que la membrana se mueva o vibre para bombear el combustible. Las bombas de desplazamiento de membrana adecuadas incluyen, aunque sin que esto represente limitación alguna, la bomba electrostática, la bomba piezoeléctrica y la bomba termoneumática. La bomba BMEM controla la velocidad del flujo de combustible e invierte el flujo, deteniendo también el flujo.

En otra realización, el revestimiento 14 puede tener una válvula de seguridad 92 similar a la válvula de seguridad que se ilustra en la FIG. 1 dispuesta en el mismo para descargar la presión cuando la presión interna del revestimiento 14 alcanza un nivel preestablecido. La válvula de seguridad 92 podría utilizarse para ventear los vapores que se acumulan dentro del revestimiento interior 14. La válvula de seguridad 92 incluye preferentemente una membrana que permite la transmisión de sustancias gaseosas pero no líquidas. Las membranas adecuadas se describen anteriormente e incluyen los materiales comercialmente disponibles tales como Gore-Tex®. Los vapores venteados desde el revestimiento interior 14 se ventean a un punto fuera del revestimiento interior 14, por ejemplo al espacio 20 entre el revestimiento interior 14 y la envoltura 12, o a la atmósfera. La válvula de seguridad 92 puede seleccionarse para abrirse cuando la presión interna del revestimiento 14 supera la presión en el espacio 20 en una presión preestablecida, por ejemplo, mayor de unos 2 psi. Como variante, la válvula de seguridad 92 puede sustituirse por una membrana permeable a los gases e impermeable a los líquidos de manera que el gas o los vapores puedan salir el revestimiento 14 siempre que el gas esté en contacto con la membrana y siempre que su presión sea superior a la presión en el espacio 20. La membrana impermeable a los líquidos y permeable a los gases puede colocarse en uno o más lugares en cualquier parte del revestimiento 14 y puede ocupar hasta un 50%

o más del revestimiento. Las membranas adecuadas se describen en la solicitud co-pendiente ´793.

Aunque es evidente que las realizaciones ilustrativas de la invención descritas en el presente cumplen los objetivos de la presente invención, puede observarse que las personas entendidas en la técnica podrán desarrollar numerosas modificaciones y otras realizaciones. Además, las características y/o elementos de cualquier realización pueden utilizarse individualmente o en combinación con otras realizaciones. En consecuencia, se entenderá que las reivindicaciones adjuntas tienen como objetivo cubrir todas las citadas modificaciones y realizaciones, que entrarían dentro del ámbito de la presente invención.

REFERENCIAS CITADAS EN LA MEMORIA DESCRIPTIVA

Esta lista de referencias citadas por el solicitante es para comodidad del lector solamente. No forma parte del documento de la patente europea. Aun cuando se tuvo gran cuidado en cumplir las referencias, no se pueden excluir 5 errores u omisiones y la EPO declina toda responsabilidad a este respecto.

Documentos de patentes citados en la memoria descriptiva

.US 599 008 A [0007] .US 6 90040 A [0024] .US 5945231 A [0007] .US 107 5 44 B [0024]

10 .US 4 61956A [0010] .US 1091 715 B [0024] .US 0050 36 A [0012] .US 6 90060 A [0025] .US 00 007749 A[0017] .US 5679 0 A [0025] .US 6554877 B [0017] .US 67970 7 B,Stenersen [0036] .US 656 497B [0017] .US 6796644 B, Anderson, Jr. [0036]

15 .US6758871 B [0017] .US 680 491 B, Kelly [0036] .US 677 470 B [0017] .US 6688078 B,Mauclair [0037] .US 00 07660 A [0017] .US 508708 A [0046] .US 00 0096150 A [0018] .US 456 1 A [0046]

Literatura citada en la descripción que no es una patente

. ere ome the Microengines. The Industrial Physi- Cist, Diciembre 2001, 20-25 [0020]

Claims

REIVINDICACIONES

1.

Suministro de combustible que puede conectarse a una pila de combustible, que comprende:

una envoltura exterior, un recipiente interior de combustible que comprende combustible para la pila de combustible, donde el recipiente interior de combustible está realizado de material polimérico, caracterizado porque el recipiente interior de combustible comprende un primer espacio libre que tiene una presión total P1, donde un segundo espacio entre la envoltura exterior y el recipiente interior de combustible se rellena con un gas para controlar la presión P1 del recipiente interior de combustible, el gas es un miembro seleccionado del grupo compuesto de helio, neón, argón, criptón, xenón, radón y nitrógeno, el segundo espacio tiene una presión total P2 prácticamente en equilibrio con P1 y el gas altera el gradiente de aire desde la atmósfera al recipiente interior de combustible.
2.

Suministro de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el gas está presurizado.
3.

Suministro de combustible según la reivindicación 1, que comprende además una válvula de seguridad en la envoltura exterior para regular la cantidad de gas en el espacio entre la envoltura exterior y el recipiente interior de combustible.
4.

Suministro de combustible según la reivindicación 3, que comprende además un cierre extraíble que cubre la válvula de retención.
5.

Suministro de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el suministro de combustible está rodeado con un envase exterior.
6.

Suministro de combustible según la reivindicación 5, caracterizado porque un espacio entre el envase exterior y el suministro de combustible se llena con un gas, donde el gas es un miembro seleccionado del grupo compuesto de helio, neón, argón, criptón, xenón, radón, nitrógeno y dióxido de carbono.
7.

Suministro de combustible según la reivindicación 5, donde el espacio entre el envase exterior y el suministro de combustible se somete a vacío.
8.

Suministro de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque la envoltura exterior es rígida.
9.

Suministro de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el recipiente interior de combustible es deformable.