MX2007014546A - Celda de combustible en polvo. - Google Patents

Abstract

Una celda de combustible en polvo incluye colectores de corriente, cámaras de combustible, membranas porosas, cámaras de electrolito y electrodos de difusión de gas. Las membranas porosas pasan el óxido formado a partir del combustible que reaccionó a través de los orificios de las mismas y bloquean el combustible en polvo que no reaccionó; las cámaras de electrolito proporcionan espacio de almacenamiento para el electrolito a fin de conducir iones y proporcionar el espacio de recolección para el óxido que reaccionó; y los electrodos de difusión de gas, cada uno que tiene una superficie lateral del mismo para un agente de oxidación que entra y sale y es catalizado para adquirir conducción de electrón y de ión, en donde uno de los colectores de corriente y uno de los electrodos de difusión de gas están conectados por postes, ahorrando conductores externos y que son conectados de manera directa al ánodo y al cátodo como un ciclo. Por lo tanto, se logra un suministro de energía que es capaz de conversión y almacenamiento de energía y es móvil.

Description

CELDA DE COMBUSTIBLE EN POLVO Campo de la Invención La presente invención se refiere a una celda de combustible en polvo y, en particular, a una celda de combustible que tiene bajo costo, alta densidad de energía, alta eficiencia y la capacidad de redulcir el peso y el uso de energía.

Descripción de la Técnica Anterior Es bien conocida la capacidad de la celda para convertir energía química a energía eléctrica y a la inversa. Sin embargo, en la rr anufactura de celdas Para muchas aplicaciones, por ejemplo, vehículo eléctrico, es necesario tener en consideración algunos factores tales como la alta densidad de energía, la alta eficiencia de conversión de energía, el bajo costo, prolongado ciclo de vida útil, seguridad, conveniencia y bajo efecto sobre el ambiente. En general, el seso y volumen de composición de la celda común se incrementarían debido a esos factores. Por lo tanto, es muy difícil construir una celda operativa, segura, práctica y conveniente a nivel com srcial.

La celda de combustible es un aparato electroquímico, en donde una porción de la energía a partir de la reacción química es convertida directamente a energía eléctrica de corriente directa. La conversión directa de la energía a energía eléctrica de corriente dire:ta elimina la demanda de la conversión de energía a calor y, por lo tanto, evita que resulte en la limitación establecida por el efecto del [ciclo de Carnot. En ausencia del efecto del ciclo de Carnot, teóricamente la celda de combustible tiene una eficiencia mayor que el aparato generador de energía tradicional (por ejemplo, el motor de comlpustión interna) de 2 a 3 veces.

La celda de combustible es clasificada de acuerdo con el combustible: (a) Celda de combustible de gas (hidrógeno, monóxido de carbono, hidrocarburo de gas); (b) Celda de combustible líquida (alcohol, aldehido, bidhazina, hidrocarburo, compuesto químico); (c) Celda de combustible sólido (carbón de piedra, carbón vegetal, coque, escama metálica).

Debido a la insuficiencia energética y el efecto invernadero en años recientes, y por la demanda de alto rendimiento de la energía limpia o de manera urgente por fuentes de energía independientes para transporte y carga de electricidad, se ha impulsado de manera significativa la investigación sobre nuevas baterías electroquímicas. Las celdas de combustible comunes utilizan una membrana polimérica para los iones de electrolitos, la cual es de manera convencional la membrana de intercambio protónico polimérico (PE ), como una membrana de intercambio iónico electrolítico. La membrana de ión es colocada entre en ánodo y el cátodo, los cuales son electrodos de difusión de gas expuestos al agente reductor respectivo y el gas de agente de oxidación para la reacción de los mismos.

Por tanto, cuando se presenta la reacción electroquímica, cada conlacto entre esos dos contactos (interfases trifásicas) es una inte'faz entre el polímero de electrolito y el gas de reactivo para los electrodos. Por ejemplo, cuando el gas de agente oxidante es oxígeno y el gas de agente reductor es hidrógeno, el hidrógeno es suministrado hacia el ánodo y el oxígeno es suministrado hacia el cátodo.

De manera adicional, se ha propuesto una celda de combustible tipo metal-aire que acopla de manera electroquímica un electrodo metálico reactivo a un electrodo de aire a través de un electrolito adecuado. Como es bien sabido en la técnica, el electrolito puede ser líquido cáustico común o cloruro de sodio, el cual es iónicamente conductor aunque no eléctricamente conductor. Por lo tanto, el cátodo de aire adquiere una forma de escama y tiene superficies opuestas expuestas de manera respectiva a un electrolito de la celda y lé atmósfera, en donde el oxígeno en la atmósfera puede descomponer (durante la acción de la celda) y el metal del ánodo puede experimentar la oxidación de modo que se proporciona una comente adecuada a través del circuito externo que conecta el ánodo al cátodo y de esta forma los dispositivos eléctricamente conc uctores utilizados en el circuito externo son combinados con certidumbre.

La celda de combustible de tipo metal de zinc-aire tiene las ecuaciones de la misma como sigue: Rea;ción eléctrica en el cátodo: 1/202 + H20 + 2e - ->20H - 0.401V; Reacción eléctrica en el ánodo: Zn + 20H - ->ZnO + H20 + 2e - 1.245V; Generación teórica de electricidad: ½02 + Zn?ZnO 1.645V.

El voltaje de circuito abierto real es de aproximadamente 1.5 V. El nftateri a I metálico que puede ser utilizado para ser oxidado incluye zinc, hierro, magnesio, calcio, estaño, aluminio, litio o aleaciones de los mismos, y puede estar presente como metal o el óxido del mismo.

Las celdas de tipo metal-aire empleadas actualmente a nivel comercial tienen un gran volumen y baja densidad de energía, requieren de reemplazo o carga de toda la celda para reapastecimiento con electricidad y consumen la energía de manera incompleta con 10-20% no oxidado residual, de modo que la electricidad se desperdiciaría y la eficiencia sería influenciada de forma muy inconveniente. Además, las celdas de tipo metal-aire tienen otra desventaja con respecto al manejo de aire (catalizador) y calo y para la expansión de volumen intrínseca asociada del metal. Por ejemplo, el electrodo de zinc se expande cuando el zinc metálico se oxida para convertirse en óxido de zinc e hidróxido de zinc con un cambio resultante de volumen ya que el polvo de zinc tiene un peso específico de 7.14 en tanto que el óxido de zinc tiene un peso específico de 5.06; debido a la diferencia en los pesos específicos, el volumen del polvo de zinc se expandiría después de la oxidación y dicho cambio de volumen resultaría en un sobreflujo del electrolito y una flexión del ánodo. Las celdas de tipo metal-aire tienen incluso otra desventaja con respecto a la falla de celda ocasionada pos ánodos deteriorados que conducen a descarga no uniforme y de esta forma reduce la salida de energía. Pos tanto es muy difícil reemplazar la gasolina con celdas de tipo metal-aire aunque sean económicas.

Las figura 1 y 2 muestra una celda de combustible de escama metálica convencional y una celda de combustible de pella convencional, respectivamente, las cuales tendrían problemas después del ensamble en serie tales como manejo del flujo de aire, manejo térmico, expansión del metal, y sobreflujo y escape del electrolito y tienen numerosas patentes derivadas en asociación, por ejemplo las Solicitudes de Patente de los Estados Unidos de Ñor eamérica Nos. 60/340,592 * 60/380,048 60/387,355 > 60/285,850 60/-l84,547 60/3884,550 60/391 ,860 60/340,592 * 60/389,821 60/386,121 60/326,432 - 60/346,128 09/805,419 > 09/621 ,836 09/893,163 60/288,675 < 60/292,237 09/258,573 09/584,875 60/301 ,558 60/312,659 > 09/695,698 09/695,699 60/290,945 60/:>86,199 09/594,649 * 09/414,874 60/275,786 09/695,697 60/358,229 60/274,337 - 09/827,982 60/344,546 60/324,867 60/340,697 60/298,537 « 60/295,634 60/267,819 60/286,198 60/263,174 « 60/270,952 * 60/267,933 60/261,126, mencionado todas de almacenamiento para el combustible en polvo para llevar a cabo la reacción de oxidación; membranas porosas, para pasar el óxido formado a partir del combustible que reaccionó a través de las mismas y bloquear el combustible que no reaccionó, cada una de las 3 membranas porosas que tiene una pluralidad de orificios para pasar el óxido a través de ellos! hacia la cámara de electrolito descrita a continuación; cámaras de electrolito, cada una que proporciona un espacio de almácenamiento para el electrolito a fin de conducir los iones y cada una que proporciona un espacio de recolección para el óxido que reaccionó; y electrodos de difusión de gas, cada uno que tiene por lo menos una superficie lateral de los mismos para un agente de oxidación que entra y sale y catalizado para adquirir conducción de electrones y iones.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos describen modalidades ilustrativas de la presente invdnción, las cuales sirven para ejemplificar las diferentes ventajas y otjjetivos de la misma, y son como sigue: La figura 1 es un diagrama esquemático de ensamble de una celcja de combustible de escama metálica convencional; La figura 2 es un diagrama esquemático de una celda de corrjbustible de pella convencional; La figura 3 es un diagrama esquemático de combinación de una celcja de combustible en polvo de la presente invención; La figura 4 es una vista superior de la celda de combustible en polvó de la presente invención con el almacenamiento de combustible en polvo y electrolito; La figura 5 es un diagrama esquemático despiezado de la celda de cpmbustible en polvo de la presente invención; La figura 6 es un diagrama esquemático despiezado visto desde el ojtro lado de la celda de combustible en polvo de la presente La figura 7 es un diagrama esquemático de un electrodo de difusión de gas con postes conductores separados una distancia para form|ar canales de flujo de gas; La figura 8 es un diagrama esquemático de un electrodo de difusión de gas con postes y postes conductores separados una distancia para formar canales de flujo de gas; La figura 9 es un diagrama esquemático de combinación en secqión de una celda de combustible en polvo para el reabastecimiento hecho en forma manual de acuerdo con la presente invelnción; La figura 10 es un diagrama esquemático de combinación en sección de otra modalidad de la celda de combustible en polvo el reab1 astecimiento hecho en forma manual de acuerdo con la presente nvejnción; La figura 11 es un diagrama esquemático de combinación en sección de una modalidad adicional de la celda de combustible en polvo el reabastecimiento hecho en forma manual de acuerdo con la presente invención; La figura 12 es un diagrama esquemático visto desde el otro lado (opuesto) de un electrodo de difusión de gas de la celda de corrí bustible en polvo para el reabastecimiento hecho en forma manual ciclo de reabastecimiento de las celdas de combustible en polvo de la presente invención; DESCRIPCIÓN DE LA MODALIDAD PREFERIDA Haciendo referencia a la figura 3, que muestra una vista superior en combinación de una celda de combustible en polvo provista en la presente invención, que comprende: colectores de corriente 1, hechos de material conductor para recolectar electrones concuctores; cámaras de combustible 2, cada una que proporciona un (ispacio de almacenamiento para combustible en polvo A par llevéir a cabo la reacción de oxidación; membranas porosas 3, para pase r el óxido B formado a partir del combustible que reaccionó a través de las mismas y bloquear el combustible en polvo que no reaccionó A, cada una de las membranas porosas 3 que tiene una plur alidad de orificios para pasar el óxido B a través de los mismos hacia las cámaras de electrolito 4 descritas a continuación; cámaras de electrolito 4, cada una que proporciona espacio de almacenamiento para el electrolito C a fin de conducir iones y cada una que proporciona un espacio de recolección para el óxido sin reaccionar B; y electrodos de difusión de gas 5, cada uno que tiene por lo menos una superficie lateral del mismo para un agente de oxidación que entra y sale y es catalizado para adquirir conducción de electrones y de iones.

Se hace referencia a la figura 4 a 6 para una descripción detallada de la presente invención. Los colectores de corriente 1 se forman de una placa de material y están hechos de material conductor para recolectar electrones conductores, el material conductor que incluye cobre, hierro (II), acero inoxidable, níquel, carbón, polímero conductor (hule conductor), grafito, vidrio y metal aunbue no se limita a éstos. Aquellos con experiencia en la técnica pueden decidir la utilización de otro material que sea útil. pasar las membranas porosas 3 y puede ser descargado con el electrolito C. a continuación, el combustible en polvo A puede ser renovado de manera que no solamente se puede continuar la descarga son residuo de combustible sino que también no se presenta la expansión de volumen junto con la producción del óxido B, lo cual conduciría de otra manera a un espacio no uniforme entre el ánodo y el cátodo ocasionando eficiencia reducida o sobreflujo del electrolito C y estructura de celda dañada. Cuando, las membranas porosas 3 pueden hacerse solamente de malla tejida, malla de orificio punzonado, malla metálica expandida o cerámica porosa, o puede ser recubierta con un adhesivo y fijada sobre una primera estructura 31 formada de un cuerpo rígido aislante tal como plástico, cerámica mineral o, de modo alternativo, puede ser moldeada por colado con la primera estructura 31 o moldeada por compresión/inyección de una pieza con la primera estructura 31, y aquollos con experiencia en la técnica pueden percatarse de que no se limita a esta técnica; las membranas porosas 3 de la presente invención pueden tener resistencia incrementada en un miembro a grar escala mediante la adopción de dos capas de material diferente con orificios, de los cuales uno tiene diámetros de orificio de 3-200 µ?? descritos con anterioridad y el otro es uno que tiene diámetros de orificio de más de 200 µ??, y el tamaño de orificio puede adoptarse par.i ser, aunque no se limita a, lo que puedan decidir los expertos en la técnica.

Cada una de las cámaras de electrolito 4 proporciona espacio de álmacenamiento para el electrolito C a fin de que conduzca iones y céida una proporciona un espacio de recolección para el óxido que reaccionó B, cada una de las cámaras de electrolito 4 que está formada con una segunda estructura de cuerpo de material aislante, y los segundos cuerpos de estructura que están hechos de un cuerpo rígi do o un cuerpo elástico de material flexible sellado por medio de solc adura ultrasónica, soldadura láser, recubrimiento adhesivo o corrpresión a fin de evitar el escape del electrolito C. Aquellos con experiencia en la técnica pueden percibir que no se limita a esta técn ca. Cada una de las cámaras de electrolito 4 tiene la porción extrema superior o una superficie extrema de la misma construida para permitir que el electrolito acuoso o no acuoso C pase y cada una tiene por lo menos una abertura de renovación de comunicación 41 colocada en el extremo superior o una superficie extrema de la misma, y cada una de las cámaras de electrolito 4 tiene el extremo infeijior o una porción de superficie extrema de la misma construida para tener un drenaje de ciclo 42 para drenar de manera cíclica el electrolito C y para drenar el óxido B.

Cada uno de los electrodos de difusión de gas 5 está formado para, estar fijo sobre una segunda estructura 51 con una entrada de gas 52 y una salida de gas 53, y cada uno tiene por lo menos una superficie lateral del mismo con una pluralidad de canales de flujo de gas 54 formados para que el agente oxidante entre y salga y sea catalizado y una pluralidad de regiones de difusión formadas entre los canales de flujo de gas 54, lós canales de flujo de gas 54 que están colocados a una distancia predeterminada o que están colocados a una distancia fija unos de otros, y los canales de flujo de as 54 que comunican con la entrada de gas 52 y la salida de gas 53, en donde la entrada de gas 52 y la salida de gas 53 están colocadas en dos vértices diagonalmente no adyacentes de la seg jnda estructura 51, de manera respectiva, de modo que el agente de oxidación puede fluir en distancias iguales cuando fluye desde la entrada de gas 52 a través de cualquier canal de flujo de gas 54 hac a la salida de gas 53 y por lo tanto el agente de oxidación puede tenor un área de difusión uniforme. Ya que el agente de oxidación, corro es un fluido, fluye por la trayectoria más cercana, un diseño para manejar la difusión del agente de oxidación es necesario un incremento del área de contacto entre el agente de oxidación y los electrodos de difusión de gas. El electrodo de difusión de gas de la presente invención confronta la superficie del electrolito en operación. Para ello, se pueden utilizar electrodos de difusión de gas convencionales o desconocidos 5, los cuales comprenden de manera comilin un miembro activo y un sustrato de carbono para ser conectado al colector de corriente 1 de manera apropiada. El eleclrodo de difusión de gas 5 puede estar provisto con una función dobls, por ejemplo, puede ser un electrodo de níquel o grafito poroso, o un sustrato de carbón con una capa de sustrato de orificio de níquel poroso que se sobrepone a la superficie del mismo para desplazarse entre la carga y la descarga. Un electrodo de difusión común con sustratos como ese se describe en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 6,368,751, titulada "ELfiCTROCHEMICAL ELECTRODE FOR FUEL CELL". Aquellos con experiencia en la técnica pueden percatarse de que no se limita a esta técnica .

Como se muestra en la figura 6, el electrodo de difusión de gas 5 que confronta la superficie de electrolito en la operación no necesita ser cubierto por una membrana aislante 56, la cual puede ser utilizada para evitar el malfuncionamiento del sistema de reabastecimiento y corto circuito por un contacto directo como resultado de una acumulación del óxido B en ele electrodo de difu ión 5 junto con la descarga continua a través del mismos hacia una estación de mantenimiento o que quede inmóvil para disminuir la eficiencia. Además, los productos electrónicos 3C de pequeña escala o ciclos dobles eléctricos, diseñados sin un sistema de reafc astecimiento de ciclo automático pero que adopte el rea astecimiento ejecutado en forma manual, requiere también por lo menos de una capa de membrana aislante 56 para evitar el corto circuito. La membrana aislante 56 puede estar hecha a partir de plásticos, telas de fibra de vidrio de minerales, tela no tejida, película expandida, membrana de electrolito sólida, membrana de ión sólida, membrana de ión o membrana de polímero, ya que todas son útiles. Aquellos con experiencia en la técnica percibirán que no está limii ada a esta técnica.

Las figuras 7 y 8 muestran un diagrama esquemático de otra modalidad de la presente invención, en donde los canales de flujo de gas 54 pueden estar formados de modo alternativo con postes 55 (o postas conductores 55") separados a una distancia, los postes 55 (o postas conductores 55") que son individuales o múltiples, que son concuctores o no conductores aunque uno de los postes 55 de los mismos está hecho de un material conductor para ahorrar la conexión de cable externa, y que está provisto con la función de manejo de flujo de viento para el agente de oxidación, los canales de flujo de gas 54 que están diseñados para tener anchuras iguales, prof jndidades iguales y distancias de manera que el agente de oxidación puede ser distribuido sobre los electrodos de difusión de gas 5 de modo más uniforme a fin de promover la eficiencia de uso de los electrodos de difusión de gas 5.

El miembro de electrodo de difusión de gas 5 de la presente invención, como se muestra de forma adicional en las figuras 5 y 6, tien= la entrada de gas 52 y la salida de gas 53 colocadas en dos vért ees diagonalmente no adyacentes de las mismas, de manera respectiva, de manera que el agente de oxidación puede fluir en distancias iguales cuando fluye desde la entrada de gas 52 a través un canal de flujo de gas 54 hacia la salida de gas 53 y los canales de llujo de gas 54 pueden ser cubiertos por una membrana aislante 56 on la cara opuesta de los mismos para evitar el corto circuito, la membrana aislante 56 que está hecha a partir de plásticos, papel de fibra de vidrio, telas, tela no tejida, película expandida. Aquellos con experiencia en la técnica pueden percibir que no se limita a esta técrjiiea.

Haciendo referencia adicional a las figuras 9 y 10, las cuales muestran un diagrama esquemático de una modalidad adicional de la celqla de combustible en polvo para el reabastecimiento efectuado de forrha manual de acuerdo con la presente invención, cada una de las celdas de combustible del sistema de celda de combustible en polvo quei comprende: un colector de corriente 1; una cámara de combustible 2, formada con un cuerpo de estructura 7 de material aislante y que tiene una abertura 21 colocada en el cuerpo de estructura 7; una membrana porosa 3; una cámara de electrolito 4, formada con el cuerpo de estructura 7 de material aislante y que tien«! una abertura de renovación 41, un drenaje 43 y un dispositivo de escape 44 colocado en el cuerpo de estructura 7, el dispositivo de escape 44 que tiene un orificio de ventilación 441 que penetra en el mismo, y el orificio de ventilación 441 que tiene un filtro de ventilación 442 colocado en el mismo, el filtro de ventilación 442 que está hecho de una película expansible permeable al aire e hidrofóbica en tanto que es impermeable al agua o película permeable al aire de tela no tejida de escala nanométrica; y electrodos de difusión de gas 5.

La celda de combustible en polvo para reabastecimiento efectuado en forma manual mostrada en las figuras 11 a 14, es diferente de aquella descrita con anterioridad en que los electrodos de difusión de gas 5 se forman en una segunda estructura 51, los electrodos de difusión de gas 5 que tienen una pluralidad de canales de flujo de gas 54 formados en por lo menos una superficie lateral de los electrodos para un agente de oxidación que entra y sale y es oxidado, la segunda estructura 51 que tiene una entrada de gas 52 y una salida de gas 53 formadas en la misma sobre la superficie lateral, y los canales de flujo de gas 54 que están cubiertos por una membrana aislante 56 en la cara opuesta de los mismos.

Haciendo referencia a la figura 15, que muestra una combinación de una pluralidad de celdas de combustible en polvo parn reabastecimiento efectuado en forma manual. Se muestra que cada una de las celdas de combustible en polvo tiene una entrada de gas 52 o una salida de gas 53 formada en el lado de las mismas, y cada una de las celdas de combustible en polvo puede tener de modo adicional una caja de reabastecimiento 8 que posee una cubierta superior elevable 81, una región de renovación de combustible 82 y una región de regulación de sobreflujo del electrolito 83, la región de renovación de combustible 82 que está provista para renovar el combustible en polvo A, o de modo alternativo el combustible en polvo A renovado para reabastecer la cámara de combustible 2 a travos de la abertura 21 de la cámara de combustible 2; la región de regulación de sobreflujo del electrolito 83 está colocada en el extremo superior de una cámara de electrolito 4, la cámara de electrolito 4 tiene por una abertura de renovación 41 colocada en el extr mo superior de la cámara en comunicación con la región de regulación de sobreflujo del electrolito 83, la región de regulación de sobreflujo del electrolito 83 que tiene un dispositivo de escape 44 colocado en la misma o en el límite con la región de renovación de comDustible 82 y la cámara de electrolito 4 tiene la porción extrema inferior de la misma construida para tener un drenaje de ciclo para drenar el electrolito C y el óxido B; las celdas de combustible en polvo pueden tener de manera adicional una caja de recolección común 9 para el electrolito C y el óxido B colocada en el extremo infe i o r de las mismas para cada una de las celdas de combustible, la caja de recolección 9 que está construida para ser removible para recitar el electrolito C y el óxido B, y un detector de detección de combustible 606 y un detector de detección de electrolito 607 se pueden agregar para determinar la renovación del combustible en polvo A y el electrolito C.

Haciendo referencia de modo adicional a la figura 16, la cual mue'stra un diagrama esquemático de una modalidad adicional de la celda de combustible en polvo para reabastecimiento efectuado de forma manual de acuerdo con la presente invención, cada una de las celcas de combustible del sistema de celda de combustible en polvo que comprende: un colector de corriente 1; una cámara de combustible/electrolito 2", que proporciona un espacio de almacenamiento para la mezcla de combustible en polvo A y elec trolito C, y que tiene una abertura de renovación 21", un drenaje 23" y un dispositivo de escape 44 colocado, el dispositivo de escape 44 que tiene un orificio de ventilación 441 que penetra el mismo, y el orificio de ventilación 441 que tiene un filtro de ventilación 442 colocado en el mismo, el filtro de ventilación 442 que está hecho de una película expansible permeable al aire e hidrofóbica en tanto que es inpermeable al agua o película permeable al aire de tela no tejida de escala nanométrica; electrodos de difusión de gas 5, cubiertos por una membrana aislante 56 para evitar corto circuito; y un cuerpo de estructura 7, cubierto por una membrana porosa 71, la membrana porosa 71 que pasa el óxido B a través de la misma a fin de que el óxidD B sea almacenado en la caja de recolección 9. Hágase referencia a la figura 17. Esta celda de combustible en polvo puede ser diseñada para tener funciones similares a aquellas de la figura 15 y la figura 22 siguiente, en donde la celda de combustible en polvo puede tener de forma adicional una caja de reabastecimiento 8 y una región de regulación de sobreflujo del electrolito 83 colocada en <;l extremo superior de la misma y una caja de recolección 9 colocada en el extremo inferior de la misma para cada una de las celdas de combustible para renovar y reciclar el combustible en polvo A y el óxido B, de manera respectiva.

Las figuras 18 y 19 muestran un diagrama esquemático de una modalidad adicional de la presente invención, en donde cada una de las celdas de combustible comprende: un colector de corriente 1'; un prirrer cuerpo de estructura 2', que tiene una entrada de gas 2G y una salida de gas 22' colocadas en el mismo; un electrodo de difusión de gas 3', fijado sobre un primer cuerpo de estructura 31', y que tiene una pluralidad de canales de flujo de gas 34', los canales de flujo de gas 34' que comunican con una entrada de gas 32' y una salida de gas 33'; un segundo cuerpo de estructura 4', que tiene una abertura de renovación 41' y un drenaje de ciclo 42' colocado en la misma; una membrana porosa 5', fijada sobre un segundo cuerpo de estructura 51'; y un tercer cuerpo de estructura 6', que tiene una abertura 61' colocada en el mismo. El sistema de acuerdo con la presente invención tiene las unidades del mismo que constan cada una del colector de corriente 1", el primer cuerpo de estructura 2', el electrodo de difusión de gas 3', el segundo cuerpo de estructura 4', la membrana porosa 5' y el tercer cuerpo de estructura 6'. El sistema de celda de combustible se puede formar de las unidades en serie.

El colector de corriente 1', el primer cuerpo de estructura 2' el electrodo de difusión de gas 3', el segundo cuerpo de estructura 4', la membrana porosa 5' y el tercer cuerpo de estructura 6', y otro colector de corriente 1' se pueden combinar a su vez, en donde cada uno del primer cuerpo de estructura similar a escama o plano 2', el seg.ndo cuerpo de estructura 4' y el tercer cuerpo de estructura 6' hacen ciertos espacios entre el colector de corriente 1', el electrodo de cifusión de gas 3', la membrana porosa 5' y el otro colector de corr ente 1', para los canales de flujo de gas 34', una cámara de electrolito y cámara de combustible en polvo, respectivamente. La abeitura de renovación 41' para la cámara de electrolito es construida para pasar el electrolito C a través de la misma. El dreraje de ciclo 42' en el extremo inferior de la cámara de electrolito es construido para drenar de manera cíclica el electrolito C y el óxido B. La abertura 61' colocada en el extremo superior de la cámara de combustible en polvo es construida para ser un canal de reatf astecimiento para pasar el combustible en polvo A.

Además, el colector de corriente 1' tiene postes 35' (o postes conductores 35") colocados en la superficie lateral del mismo que confronta el electrodo de difusión de gas 3', los postes 35' (o los pos es conductores 35") hacen contacto con el electrodo de difusión de gas 3' estrechamente para formar una pieza o, de modo alternativo, los postes 35' pueden formar una pieza de un conductor individual con el colector de corriente 1', ahorrando conductores externos y que están conectados de manera directa al ánodo y el cátodo como un ciclo. Los canales de flujo de gas 34' se forman en los espacios entre dos postes 35', los canales de flujo de gas 34' comunican con la entrada de gas 32' y la salida de gas 33'. El electrodo de difusión de gas 3', como se muestra en la figura 18, tiene los canales de flujo de gas 34' formados y separados por una distancia, los canales de flujo de gas 34' que comunican con la entnida de gas 32' y la salida de gas 33'. Para otra modalidad en la figura 19, el electrodo de difusión de gas 3' puede ser cubierto por una membrana aislante 36' en los canales de flujo de gas 34' de la superficie opuesta de los mismos para evitar el corto circuito. Para otra modalidad en las figuras 20 y 21, los canales de flujo de gas 34' se pueden formar de modo alternativo con postes 35' (o postes conc uctores 35") separados una distancia, los postes 35' (o postes conc uctores 35") que son individuales o múltiples, que son conc uctores o no conductores aunque un poste 35' de los mismos está hecho de material conductor.

La cámara de electrolito se forma entre el electrodo de difusión de gas 3' y la membrana porosa 5' con el segundo cuerpo de estrjctura 4', para almacenar el electrolito C y recolectar el óxido B, la ébertura de renovación 41' que está colocada en el segundo cueipo de estructura 4' para colocar el electrolito C, y el drenaje de ciclo 42' para drenar de forma cíclica el electrolito C y para drenar el óxido B.

La cámara de combustible en polvo se forma entre la membrana porosa 5' y el otro colector de corriente 1' con el tercer cuerpo de estructura 6' para almacenar el combustible, en donde la abertura 61' en el tercer cuerpo de estructura 6' es utilizada para la entrada de renovación para el combustible en polvo A.

La membrana porosa 5' se puede hacer individual. De manera alternativa, la membrana 52' de la segunda estructura 51' puede ser cub erta directamente sobre el segundo cuerpo de estructura aislante 4' y después, de modo opcional, comprimida, sinterizada o enlazada con| el tercer cuerpo de estructura 6'. De forma alternativa, la membrana 52' puede ser moldeada por colado o moldeada por compresión/inyección de una piza. Aquellos con experiencia en la técnica percibirán que se limita a esta técnica.

La figura 22 es un diagrama esquemático de un sistema de ciclo] de reabastecimiento de las celdas de combustible en polvo de la presente invención. La celda de combustible de la presente inveición sigue una fórmula de generación de electricidad similar a aquella de la celda de combustible de tipo metal-aire mencionada con anterioridad. En consecuencia, el combustible en polvo A en un tanque de combustible en polvo metálico 601 y el electrolito C en un tanque de almacenamiento de electrolito 602 pueden ser renovados por una bomba 605 de forma individual, bajo el control de un mezclador 603, a través de un tubo de mezclado 604 para la cámara de combustible en polvo 2 y la cámara de electrolito 4. El combustible en polvo puede ser alimentado a través de un serpentín, el cual es una técnica bien conocida. Para conveniencia en la transportación y alimentación el combustible en polvo A, el combustible en polvo A puede ser colocado dentro de agua desionizada (agua pura) o agente tensioactivo no iónico, por ejemplo, fosfatos o poliacrilatos, para tener el combustible en polvo A en estado líquido o estado coloidal para ser renovado y alimentado. Esta es una técnica bien conocida. Entonces, se puede determinar la renovación del combustible en polvo y el electrolito C por medio de un detector de detección de combustible 606 y un deteictor de electrolito 607, respectivamente. Durante la acción de la celca, el aire desde la entrada de aire 608 fluye a través de un filtro de aire 609 hacia los canales de flujo de gas 54 del electrodo de difusión de gas 5, en donde el oxígeno en el aire puede descomponerse en tanto que el metal de electrodo procede a ser oxidado, resultando en una reacción de disolución como la reacción de la celda, el aire que sale desde los canales de flujo de gas 54 puede ser drenado a través de una salida de aire 661 con un soplador 610, y el óxido disuelto B que pasa por los orificios de la membrana porosa 3 junto con el electrolito C pueden ser drenados fue a de la celda a través del drenaje de ciclo 42 en el extremo inferior de la cámara de electrolito 4. Por tanto, el combustible en polvo A puede ser suministrado al colector de corriente 1 de manera cont¡|nua para lograr la descarga durante un largo tiempo.

La celda de combustible en polvo de la presente invención puede actuar simplemente a temperatura y atmósfera normal. El colector de corriente 1 hace contacto con el electrodo de difusión de gas 3' directamente por medio de los postes 55 (o los postes conductores 55") de manera que se puede proporcionar tanto la conducción eléctrica como la disipación térmica. Además, ya que el combustible en polvo metálico A es oxidado con mucha facilidad (paríi electrodos de escama metálica-aire convencionales, ya que el óxido no puede ser drenado, las películas delgadas de óxido serían fácilmente producidas y serían inamovibles con una caída de voltaje generada con corriente elevada para afectar la eficiencia de la descarga) y el producto del mismo es el óxido B de escala nanométrica, el cual tiende a disolverse en el electrolito C y puede ser c renado con el electrolito C, el combustible en polvo A puede ser reno/ado para la celda de combustible en polvo de manera que no sólo la descarga se puede continuar sin residuo del combustible en polvo A que no se ha descargado, sino que también se puede lograr la eficiencia con 1 V incluso para 500 mA por centímetro cuadlrado.

El electrolito tiene eficiencia de corriente de más del 98% y la eficiencia total de más del 60%, en tanto que la celda de combustible de h drógeno hecha del mismo material tiene solamente un voltaje de 0.4 V para la corriente de 500 mA por centímetro cuadrado. La razón para esta significativa eficiencia elevada radica en que la presente invención está libre de la perdida por sobrevoltaje debida a la reac:ión del electrodo de hidrógeno, y a partir de la impedancia (que afee a la eficiencia de corriente) de la membrana de ión (PEM). El alto voltaje implica la permisibilidad para la reducción de la cantidad de electrodos, de manera que puede reducirse el costo y el volumen del sistema se puede disminuir relativamente.

Un litro de gasolina tiene una densidad de energía de 33,000 KJ. 1 KWH = 3600 KJ = 9.16 KW. Teóricamente, un kilogramo de material metálico de almacenamiento de hidrógeno puede almacenar energía de 320 W. Un kilogramo de combustible en polvo A (por ejemplo, polvo de zinc) tiene 820 Ax1.645 V, la cual es 4 veces la densidad de energía del matejrial de almacenamiento de hidrógeno. Ya que un kilogramo de polvo de zinc tiene un peso específico de 7.14, tiene una densidad de energía de 9.63 KW, la cual es ligeramente mayor que aquella de la gasolina.

Los compuestos químicos actuales para la celda de combustible líquido tienen, de manera teórica, una densidad de energía de satu ación de 5.16 KWH por un litro. Se puede cargar para dar tan sólo 70-80% de densidad de energía en la práctica y descargar con aproximadamente 20% de energía residual, de manera que se reduciría la densidad de energía.

La celda de combustible en polvo de la presente invención está libre de esa desventaja. Puede tener incluso una densidad de energía mucho mayor si se emplea el polvo metálico de magnesio o litio. La celda de combustible en polvo de la presente invención tiene un ¿eso más ligero que todo el motor del automóvil. Tiene una eficiencia mayor que la del automóvil en 2-3 veces cuando se aplica al vehículo eléctrico e incluso mayor en más de 4 veces cuando se aplica al vehículo eléctrico que se desplaza en un área urbana, de manera que se puede lograr un ahorro de energía.

El combustible en polvo A (por ejemplo, polvo de zinc) puede combrender además un componente de aleación seleccionado a partir del grupo que comprende bismuto, calcio, magnesio, aluminio, litio, indio, plomo, mercurio, galio, estaño, cadmio, germanio, antimonio, selenio, talio y una combinación de de por lo menos un componente anterior.

La celda de combustible de la presente invención puede ser reablastecida en una estación de reabastecimiento, al igual que un reabastecimiento de combustible de automóvil con gasolina. El reabastecimiento depende de la cantidad utilizada y es rápido y conveniente. El óxido metálico B como el único producto puede ser recic lado para electrolización también en la estación de reabastecimiento, en donde se recolectarían los pagos de la energía y la ganancia en lugar del polvo metálico. En contraste, el costo del reciclaje y el reprocesamiento de las baterías ordinarias es tan elevado que es desventajosos tener la protección ambiental.

La disipación térmica directa es posible debido a un contacto directo del colector de corriente 1 con el aire frío. Se puede intrcducir aire húmedo a fin de promover la disipación térmica y para activar los electrodos. Después de que el óxido B y el electrolito C son drenados por medio de una bomba 612 desde el drenaje de ciclo 42 en el extremo inferior de la cámara de electrolito 4, son separados con un separador de filtrado 614. El óxido reciclado B es almacenado en un tanque de reciclado de óxido 615. El electrolito reci ;lado C es reciclado hacia el tanque de almacenamiento de electrolito 602, en el cual se pueden colocar además un detector de tem jeratura 616 y un ventilador (no mostrado). El electrolito C puede ser enfriado antes de entrar a las celdas a fin de reducir la tem aeratura de las celdas de manera opcional. El detector de termeratura 616 y el ventilador también pueden ser colocados de marera adecuada en cualquier parte en las celdas.

Para reabastecimiento, el electrolito C fluye con el combustible en DOIVO (metálico) A a través del mezclador dentro de las celdas, para renovar el combustible. El detector de detección de combustible 606 está colocado para monitorear el uso del combustible en las celc as, para renovación o paro. La renovación excesiva ocasionaría corto circuito, en tanto que la renovación inadecuada afectaría la electricidad de salida. El detector de detección de electrolito 607 sera colocado a una altura diferente de aquella para el detector de detección de combustible 606. El tiempo de ciclo del electrolito C se pueqe detectar con la diferencia de goteo, de manera que no es necejsario el bombeo cíclico. Además, se puede agregar un electrolizador (no mostrado) para reducir directamente el óxido B. Por [lo tanto, la celda de combustible en polvo tiene la conveniencia tanto del automóvil con gasolina como la adecuación de la batería para uso en cualquier parte. Además, es de operación sencilla y casi no necesita mantenimiento ni suministros y, por lo tanto, ahorra recursos naturales.

En la teoría de la electroquímica, se pueden utilizar diferentes electrodos de alta eficiencia para carga y descarga por separado, a fin ce proporcionar a la celda con duración adicional, alta eficiencia y protección ambiental superior a cualquier batería. Debido a que el polvo metálico no se quema para ser oxidado de manera directa y no explotaría, es adecuado para almacenamiento a largo plazo de una manera simple sin necesitar de recipientes especiales y es adecuado aún para la transportación, almacenamiento de electricidad y conversión de electricidad con perfecta seguridad.

Como se sabe a partir de la descripción anterior, la celda de combustible en polvo tiene la misma ventaja a nivel comercial en cad a aspecto de la alta densidad de energía, alta eficiencia de con/ersión de energía, bajo costo, largo ciclo de vida útil, bajo efecto en el ambiente, seguridad y conveniencia para uso y mar tenimiento. De hecho, es una invención novedosa y no obvia, ya que es un inicio para la sustitución del combustible fósil.

Por supuesto se pueden llevar a cabo muchos cambios y modificaciones en la modalidad antes descrita de la invención, sin apartarse del alcance de la misma. En consecuencia, para promover el Drogreso en la ciencia y las técnicas útiles, se describe la invención y está destinada a quedar limitada solamente por el alca nce de las reivindicaciones anexas.

Claims (1)

16. La celda de combustible en polvo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque los colectores de corriente (1) comprenden además los postes (55). 17. Una celda de combustible en polvo, que comprende: un colector de corriente (1'); un primer cuerpo de estructura (2'); un electrodo de difusión de gas (3'), fijado sobre un primer cuerpo de estructura (31'), y que tiene una pluralidad de canales de flujcj de gas (34'), los canales de flujo de gas (34') que comunican con luna entrada de gas (32') y una salida de gas (33'); un segundo cuerpo de estructura (4'), que tiene una abertura de j-enovación (41') y un drenaje de ciclo (42') colocados en el misrpo; una membrana porosa (5'), fijada sobre un segundo cuerpo de estructura (51 '); y un tercer cuerpo de estructura (6'), que tiene una abertura (61') colo]cada en el mismo. 18. La celda de combustible en polvo de conformidad con la reivindicación 17, caracterizada porque el colector de corriente (1') tien|e una entrada de gas (21') y una salida de gas (22') colocadas en el rrjismo. 19. La celda de combustible en polvo de conformidad con la reivindicación 17, caracterizada porque se forma un espacio entre el colector de corriente (1') y el electrodo de difusión de gas (3') para los canales de flujo de gas (34'). 20. La celda de combustible en polvo de conformidad con la reivindicación 17, caracterizada porque se forma un espacio entre el electrodo de difusión de gas (3') y la membrana porosa (5') para una cárrara de electrolito. 21. La celda de combustible en polvo de conformidad con la reivihdicación 17, caracterizada porque se forma un espacio entre la membrana porosa (5') y otro colector de corriente (1') para una cámara de combustible en polvo. 22. La celda de combustible en polvo de conformidad con la reivihdicación 17, caracterizada porque la membrana porosa (5') se formb con el segundo cuerpo de estructura (4') en una pieza. 23. La celda de combustible en polvo de conformidad con la reivihdicación 17, caracterizada porque la membrana porosa (5') se formja con el segundo cuerpo de estructura (4') y el tercer cuerpo de estructura (6') en una pieza. 24. Una celda de combustible en polvo, que comprende: un colector de corriente (1), hecho de material conductor para recolectar electrones de conducción; un cuerpo de estructura (7) que tiene la parte inferior del misrrjio cubierta por una membrana porosa (71); una cámara de combustible/electrolito (2"), colocada en el cuerdo de estructura (7), que tiene una abertura de renovación (21") y un|drenaje (23"), y que proporciona un espacio de almacenamiento para la mezcla de combustible en polvo (A) y el electrolito (C) para lleva'r a cabo la reacción de oxidación de la celda; y electrodos de difusión de gas (5), cubiertos por una membrana aisla]nte (56) para evitar el corto circuito; para un agente de oxidación catalizado y para reunir la conducción de electrón y de ión.