MX2007015798A - Cartuchos de celda de combustible que generan hidrogeno. - Google Patents

Cartuchos de celda de combustible que generan hidrogeno.

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Michael Curello
Andrew J Curello
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Abstract

Un aparato generado de gas (10) incluye una camara de reaccion (18) que contiene un componente de combustible solido (24) y un componente de combustible liquido (22) que es introducido dentro de la camara de reaccion mediante una via de fluido, tal como un tubo, boquilla o valvula. El flujo del combustible liquido hacia el combustible solido es autorregulado. Tambien se describen otras realizaciones del aparato generador de gas.

Description

CARTUCHOS DE CELDA DE COMBUSTIBLE QUE GENERAN HIDRÓGENO Referencia a solicitudes relacionadas Esta solicitud es una continuación en parte de la solicitud de patente provisional co-pendiente titulada "Hydrogen Generating Fuel Cell Cartridges", que lleva la solicitud N° 60/689539, presentada el 13 de junio de 2005, y es también una continuación en parte de la solicitud de patente co-pendiente titulada "Hydrogen Generating Fuei Cell Cartridges", que lleva ia solicitud N° 11/067167, presentada el 25 de febrero de 2005. Las descripciones de estas solicitudes madre están incorporadas a la presente como referencia en su totalidad.
Antecedentes La invención se refiere en forma general a suministradores para celdas de combustible. En particular, la invención se refiere a cartuchos para celdas de combustible configurados para producir un gas combustible según necesidad.
Las celdas de combustible son dispositivos que convierten directamente energía química de reactivos, es decir, combustible y oxidante, en electricidad de corriente continua (CC). Para un creciente número de aplicaciones, las celdas de combustible son más eficientes que la generación de energía convencional, tal como la combustión de un combustible fósil así como para almacenamiento de energía portátil, tal como las baterías de iones.de litio.
En . genera!, las tecnologías de celda de combustible ¡ncluyen una variedad de celdas de combustible diferentes, tales como celdas de combustible alcalino, celdas de combustible de electrolito de polímero, celdas de combustible de ácido fosfórico, celdas de combustible de carbonato fundido, celdas de combustible de óxido sólido y celdas de combustible de enzimas. Las celdas de combustible más importantes de la actualidad, pueden ser divididas en varias categorías generales, a saber: (i) celdas de combustible que utilizan hidrógeno (H2) comprimido como combustible; (ii) celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) que utilizan alcoholes, por ejemplo, metanoF(CH3OH), hidruros de metales, por ejemplo, borohidruro de sodio (NaBH4), hidrocarburos, u otros combustibles reformados en combustible de hidrógeno; (iii) celdas de combustible PEM que pueden consumir combustible no-hidrógeno directamente o celdas de combustible de oxidación directa; y (iv) celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) que directamente convierten combustibles de hidrocarburo en electricidad a elevada temperatura.
El hidrógeno comprimido es generalmente mantenido bajo alta presión y es por lo tanto difícil de manipular. Más aún, se requieren típicamente' grandes tanques de almacenamiento, y no pueden ser fabricados suficientemente pequeños para dispositivos electrónicos para el consumidor. Las celdas de combustible de reformado convencionales requieren reformadores y otros sistemas de vaporización y sistemas auxiliares para convertir combustibles a hidrógeno para reaccionar con el oxidante en la celda de combustible. Avances recientes hacen prometedoras a las celdas de combustibles de reformado o reformados para dispositivos electrónicos para el consumidor. Las celdas de combustible de oxidación directa más comunes son las celdas de combustible de metanol directo o DMFC. Otras celdas de combustible de oxidación directa incluyen celdas de combustible de etanol directo y celdas de combustible de tetrametil ortocarbonato directo. La DMFC, donde el metanol reacciona directamente con el oxidante en la celda de combustible, es la celda de combustible más simple y potencialmente más pequeña y además posee ..una pro.metedora aplicación para energía para dispositivos electrónicos de consumo. Las SOFC convierten combustibles de hidrocarburos, tales como butano, a elevado calor para producir electricidad.: La SOFC requiere temperatura relativamente elevada en el rango de 1000°C para que ocurra la reacción de celda de combustible.
Las reacciones químicas que producen electricidad son diferentes para cada tipo de celda de combustible. Para la DMFC, la reacción electroquímica en cada electrodo y la reacción global para una celda de combustible de metanol directo se describen como sigue: Hemirreacción en el ánodo: CH3OH + H20 ? CO2 + 6H+ + 6e Hemirreacción en el cátodo: 1 ,5O2 + 6H+ + 6e" ? 3H2O La reacción global de la celda de combustible: CH3OH + 1,5O2 ? CO2 + 2H2O Debido a la migración de los iones hidrógeno (H+) a través de la PEM desde el ánodo hacia el cátodo y debido a la incapacidad de los electrones libres (e") para atravesar la PEM, los electrones fluyen a través de un circuito externo, produciendo así una corriente eléctrica a través del circuito externo. El circuito externo puede ser utilizado para energizar muchos dispositivos electrónicos para el consumidor útiles, tales como teléfonos móviles o celulares, calculadoras, asistentes digitales personales, computadoras portátiles (laptop), y herramientas de energía, entre otros.
La DMFC se discute en las patentes de EE.UU. Nros. 5.992.008 y 5.945.231, las cuales están incorporadas en la presente como referencia en su totalidad. Generalmente, la PEM está hecha de un polímero, tal como Nafion® disponible de DuPont, que es un polímero de ácido sulfónico perfluorado que tiene un espesor en el rango de aproximadamente 0,05 mm a aproximadamente 0,50 mm, u otras membranas adecuadas. El ánodo está hecho típicamente de un soporte de papel de carbón Teflonizado con una fina capa de catalizador, tal como platíno-rutenio, depositada sobre él. El cátodo es típicamente un electrodo de difusión de gas en el cual están unidas partículas de platino a un lado de la membrana.
En una celda de combustible química de hidruro de metal, el borohidruro de sodio es reformado y reacciona como sigue: ' NaBH4 + 2H2O -> (calor o catalizador) ^ 4(H2) + (NaBO2) Hemirreacción en el ánodo: H2 ^ 2H+ + 2e ' Hemirreacción en el cátodo: 2(2H+ + 2e") + O2 -» 2H2O Los catalizadores adecuados para esta reacción incluyen platino y rutenio, y otros metaies. El combustible de hidrógeno producido a partir de reformar borohidruro de sodio reacciona en la celda de combustible con un oxidante, tal como O2, para crear electricidad (o un flujo de electrones) y agua como subproducto. El subproducto borato de sodio (NaB02) también es producido por el proceso de reformado. Una celda de combustible de borohidruro de sodio se discute en la patente de EE.UU. N° 4.261.956, la cual se incorpora en la presente como referencia en su totalidad.
Una de las características más ' importantes' para la' aplicación de celdas de combustible es el almacenamiento de combustible. Otra característica importante es regular el transporte de combustible fuera del cartucho de combustible hacia la celda de combustible. Para ser comercialmente útiles, las celdas de combustible tales como DMFC o sistemas PEM, deberían tener la capacidad para almacenar suficiente combustible para satisfacer el uso normal de los consumidores. Por ejemplo, para teléfonos móviles o celulares, para computadoras portátiles (noteboo ), y para asistentes digitales personales (PDAs), las celdas de combustible necesitan energizar estos dispositivos al menos tanto como las baterías actuales y, preferiblemente, mucho más. Adicionalmente, las celdas de combustible deberían tener tanques de combustible fácilmente reemplazables o rellenables para minimizar u obviar la necesidad de prolongadas recargas requeridas por las baterías recargables actuales.
Una desventaja de los generadores de gas hidrógeno conocidos es que una vez que la reacción comienza, el cartucho generador de gas no puede controlar la reacción. Por lo tanto, la reacción continuará hasta que el suministrador de los reactivos se agote o la fuente del reactivo sea manualmente cerrada.
Consecuentemente, existe una necesidad para obtener un aparato generador de gas hidrógeno que sea capaz de auto-regular el flujo de al menos un reactivo dentro de la cámara de reacción.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN Un aspecto de la invención está dirigido a un aparato generador de gas, el cual incluye una cámara de reacción que contiene un componente de combustible sólido y un reservorio que contiene un componente de combustible líquido. Se provee una vía de fluido para introducir ef componente de combustible líquido dentro de la cámara de reacción. La introducción del componente de combustible líquido es en respuesta a la presión dentro de la cámara de reacción.
Otro aspecto de la invención está dirigido a un aparato generador de gas en donde el flujo de reactivo líquido a la cámara de reacción es autorregulado.
Breve Descripción de los Dibujos Estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención serán mejor comprendidos cuando se lea la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos acompañantes en los cuales números similares representan partes similares a lo largo de los dibujos, en donde: La FIG. 1 es una vista esquemática en sección de un aparato generador de gas de acuerdo con la presente invención; La FIG. 2 es una vista esquemática en sección de una realización alternativa del aparato generador de gas de la FIG. 1 ; La FIG. 3 es una vista esquemática en sección de una realización altemativa de un aparato generador de gas de acuerdo con la presente invención; La FIG. 4 es una vista esquemática en sección de una realización alternativa del aparato generador de gas de la FIG. 3; La FIG. 5 es una vista esquemática en sección de aún otro aparato generador de gas de acuerdo con la presente invención que utiliza un tubo de flujo cubierto por un rodillo absorbente; La FIG. 6 es una vista esquemática en sección transversal de una realización alternativa del rodillo absorbente del aparato generador de gas mostrado en la FIG. 5; La FIG. 7 es una vista esquemática en sección de otra realización alternativa de un aparato generador de gas de acuerdo con la presente invención que tiene un cuerpo ¡nflable; La F1G. 8 es una vista esquemática en sección del aparato generador de gas mostrado en la FIG. 7, en donde el cuerpo inflable está en una configuración expandida; La FIG. 9 es una vista esquemática en sección de otra realización alternativa de un aparato generador de gas de acuerdo con la presente invención que. tiene un reservorio ' de solución y una cámara de reacción separada que incluye un elemento de tamiz; La FIG. 10 es una vista esquemática en sección del aparato generador de gas mostrado en la FIG. 9 en donde el elemento de tamiz está avanzado dentro de la cámara de reacción; La FIG. 11 es una vista esquemática en sección de otra realización alternativa de un aparato generador de gas de acuerdo con la presente invención que tiene un distribuidor con una pluralidad de canales de flujo de diámetro variable; La FIG. 12 es una vista esquemática en sección de otra realización altemativa de un aparato generador de gas de acuerdo con la presente invención que tiene un distribuidor con una pluralidad de válvulas activadas por presión; La FIG. 13 es una vista esquemática en sección de otra realización alternativa de un aparato generador de gas de acuerdo con la presente invención en donde la cámara de componente fluido líquido es un saco deformable accionado a resorte y la FIG. 13A es una vista en perspectiva de un conducto de fluido alternativo; y La FIG. 14 es una vista esquemática en sección de otra realización alternativa de un aparato generador de gas de acuerdo con la presente invención que tiene un tubo regulador de presión de pequeño diámetro interno que conecta un reservorio de componente de combustible líquido con una-tableta de combustible sólido.
Descripción Detallada Como se ilustra en los dibujos acompañantes y se discute en detalle más adelante, la presente invención está dirigida a un suministrador de combustible, el cual almacena combustibles para celdas de combustible, tales como metanol y agua, mezcla de metanol/agua, mezclas de metanol/agua de concentraciones variables, metanol puro, y/o clatratos de metilo descriptos en las patentes US Nos. 5.364.977 y 6.512.005 B2, las cuales están incorporadas como referencia a la presente en su totalidad. El metanol y otros alcoholes son utilizables en muchos tipos de celdas de combustible, por ej. DMFC, celdas de combustible de enzimas y celdas de combustible de reformado, entre otras. El suministrador de combustible puede contener otros tipos de combustibles para celdas de combustible, tal como etanol o alcoholes; hidruros de metal, tales como borohidruros de sodio; otros agentes químicos que pueden ser reformados en hidrógeno; u otros agentes químicos que pueden mejorar la performance o eficiencia de las celdas de combustible. Los combustibles también incluyen electrolito de hidróxido de potasio (KOH), el cual es utilizable con celdas de combustible de metales o celdas de combustible alcalinas, y pueden ser almacenados' en suministradores de combustible. Para las celdas de combustible de metales, el combustible está en forma de partículas de zinc transportadas en fluido inmersas en una solución de reacción de electrolito de KOH, y los ánodos dentro de las cavidades de la celda son ánodos particulados formados de partículas de zinc. La solución de electrolito de KOH está descripta en la publicación de solicitud de patente US 2003/0077493, titulada "Method of Using Fuel Cell System Configured to Provide Power to One or More Loads", publicada el 23 de abril de 2003, la cual es incorporada como referencia a la presente en su totalidad. Los combustibles también pueden incluir una mezcla de metanol, peróxido de hidrógeno y ácido sulfúrico, el cual fluye a través de un catalizador formado sobre trozos de silicio para crear una reacción de celda de combustible. Más aún, los combustibles incluyen una combinación o mezcla de metanol, borohidruro de sodio, un electrolito, y otros compuestos, tales como aquellos descriptos en las patentes US 6.554.877, 6.562.497 y 6.758.871 , las cuales son incorporadas como referencia a la presente en su totalidad. Adicionalmente, los combustibles incluyen aquellas composiciones que están parcialmente disueitas en un solvente y parcialmente suspendidas en un solvente, descriptas en la patente US 6.733.470 y aquellas composiciones que incluyen ambos combustible líquido y combustibles sólidos, descriptas en la publicación de solicitud de patente US 2002/0076602. Los combustibles adecuados también están descriptos en la solicitud co-pendiente titulada "Fuels for Hydrogen-Generating Cartridges" presentada el 13 de junio de 2005 bajo Código de Agentes N° BIC-068.PROV. Estas referencias están también incorporadas como referencia a la presente en su totalidad.
Los combustibles también pueden incluir un hidruro de metal tal como borohidruro de sodio (NaBH4) y agua, discutidos anteriormente. Los combustibles pueden incluir adicionalmente combustibles de hidrocarburos, los cuales ¡ncluyen, pero no están limitados a, butano, queroseno, alcohol, y gas natural, como se indica en la publicación de solicitud de patente US 2003/0096150, titulada "Liquid Hereto-Interface Fuel Cell Device", publicada el 22 de mayo de 2003, la cual es incorporada como referencia a la presente en su totalidad. Los combustibles pueden también incluir oxidantes líquidos que reaccionan con los combustibles. La presente invención, en consecuencia,, no. está limitada, a ningún tipo de combustibles, soluciones electrolíticas, soluciones o líquidos o sólidos oxidantes contenidos en el suministrador o utilizados de otra manera por el sistema de celda de combustible. El término "combustible" como se utiliza en la presente incluye todos los combustibles que pueden ser hechos reaccionar en celdas de combustible o en el suministrador de combustible, e incluye, pero no está limitado a, todos los combustibles adecuados anteriores, soluciones electrolíticas, soluciones, gases, líquidos sólidos oxidantes y/o agentes químicos y mezclas de los mismos.
Como se utiliza en la presente, la expresión "suministrador de combustible" incluye, pero no está limitada a,, cartuchos descartables, cartuchos rellenables/reutilizables, contenedores, cartuchos que se . colocan dentro del . dispositivo electrónico, cartuchos removibles, cartuchos que son externos al dispositivo electrónico, tanques de combustible, tanques de relleno de combustible, otros contenedores que almacenan combustible y los tubos conectados a- los tanques de combustible y contenedores. Aunque se describe más adelante un cartucho en conexión con las realizaciones de ejemplo de la presente invención, debe notarse >que estas realizaciones son también aplicables a otros suministradores de combustible y la presente invención no está limitada a ningún tipo particular de suministrador de combustible.
El suministrador de combustible de la presente invención puede también ser utilizado para almacenar combustibles que no son utilizados en celdas de combustible. Estas aplicaciones pueden incluir, pero no están limitadas a, almacenar combustibles de hidrocarburos y de hidrógeno para micromotores de turbina de gas construidos sobre los chips de silicio, discutidos en "Here Come the Microengines", publicado en The Industrial Physicist (Dic. 2001 /Ene. 2002) en págs. 20-25. Como se utiliza en la presente solicitud, la expresión "celda de combustible" puede también incluir micromotores. Otras aplicaciones pueden incluir el almacenamiento de combustibles tradicionales para motores de combustión interna e hidrocarburos, tales como butano para encendedores de bolsillo y otros y propano líquido. .
Aparatos generadores de hidrógeno conocidos adecuados están descriptos en la solicitud de patente copendiente de EE.UU., del mismo titular, N° 10/679756 presentada el 6 de octubre de 2003, 10/854540 presentada el 26 de mayo de 2004, 11/067167 presentada el 25 de febrero de 2005 y 11/066573 presentada el 25 de febrero de 2005. La descripción de estas referencias está incorporada a la presente como referencia en su totalidad.
El aparato generador de gas de la presente invención puede incluir una cámara de reacción, que puede incluir un primer reactivo opcional, y un reservorio que tiene un segundo reactivo. Los primero y segundo reactivos pueden ser un hidruro de metal, por ej. borohidruro de sodio y agua. Ambos reactivos pueden estar en forma gaseosa, líquida, acuosa o sólida. Preferiblemente, el primer reactivo almacenado en la cámara de reacción es un hidruro de metal o borohidruro de metal, sólido, y el segundo reactivo es agua opcionalmente mezclada con aditivos y catalizadores. Uno de los reactivos puede incluir clatratos de metilo, que esencialmente incluyen metano! encerrado o atrapado dentro de otros compuestos. El agua y el hidruro de metal de la presente invención reaccionan para producir gas hidrógeno, el cual puede ser consumido por una celda de combustible para producir electricidad. Otros reactantes o reactivos adecuados se discuten más adelante y se describen en la solicitud '540, previamente incorporada anteriormente.
Adicionalmente, el aparato generador de gas puede incluir un dispositivo o sistema que es capaz de controlar el transporte de un segundo reactivo desde el reservorio a la cámara de reacción. Las condiciones de operación dentro de la cámara de reacción y/o el reservorio, preferiblemente una presión dentro de la cámara de reacción, son capaces de controlar el transporte del segundo reactivo en el reservorio a la cámara de reacción. Por ejemplo, el segundo reactivo en el reservorio puede ser introducido dentro de la cámara de reacción cuando la presión dentro de la cámara de reacción es menor que un valor predeterminado, preferiblemente menos que la presión en el reservorio y, más preferiblemente, menos que la presión en el reservorio en una cantidad predeterminada. Es preferible que el flujo del segundo reactivo desde el reservorio dentro de la cámara de reacción sea autorregulado. Así, cuando la cámara de reacción alcanza una presión predeterminada, preferiblemente una presión predeterminada por encima de la presión en el reservorio, el flujo del segundo reactivo desde el reservorio dentro de la cámara de reacción puede ser detenido para detener la producción de gas hidrógeno. De manera similar, cuando la presión de la cámara de reacción es reducida por debajo de la presión del reservorio, preferiblemente por debajo de la presión en el reservorio en una cantidad predeterminada, el segundo reactivo puede fluir desde el reservorío dentro de la cámara de reacción. El segundo reactivo en el reservorio puede ser introducido dentro de la cámara de reacción mediante cualquier método conocido incluyendo, pero no limitado a, bombeo, osmosis, acción capilar, diferencial de presión, válvula(s), o combinaciones de los mismos.
En referencia a la FIG. 1 , se muestra un sistema de suministro de combustible 10. El sistema 10 incluye un aparato generador de gas 12 y está configurado para ser conectado a una celda de combustible (no mostrada) por medio de un conducto de combustible 16 y una válvula 34. Preferiblemente, el conducto de combustible 16 se inicia dentro del aparato generador de gas 12 y una válvula 34 está dispuesta en una pared lateral 21b del mismo. El conducto de combustible 16 es preferiblemente un tubo flexible que tiene una longitud total que es levemente más corta que la longitud del aparato generador de gas 12.
Dentro de las paredes laterales, el aparato generador de gas 12 preferiblemente incluye tres cámaras distintas: un reservorio 44 de componente de combustible fluido, una cámara de reacción 18, y un espacio 45, con una cámara de reacción 18 dispuesta en forma sellante pero en forma deslizable entre el reservorio 44 y el espacio 45. El reservorio 44 es preferiblemente un espacio formado entre una pared lateral 21a y una primera pared lateral 20a de la cámara de reacción 18. El reservorio 44 puede también, sin embargo, incluir un saco o contenedor similar de fluido. Un componente de combustible fluido 22, preferiblemente agua y/o un aditivo/catalizador, reside dentro del reservorio 44. Componentes de combustible fluido y aditivos apropiados adicionales se discuten en la presente. Aunque el componente de combustible fluido 22 puede estar presurizado, preferiblemente no está presurizado. El espacio 45 es preferiblemente un espacio vacío en el lado opuesto de la cámara de reacción 18. Los aditivos/catalizadores adecuados para los combustibles o reactivos incluyen, pero no están limitados a, agentes anticongelantes (por ej. metanol, etanol, propanol y otros alcoholes), catalizadores (por ej. cloruro de cobalto y otros catalizadores conocidos), agentes ajustadores de pH (por ej., ácidos tales como ácido sulfúrico y otros ácidos comunes).
La cámara de reacción 18 preferiblemente incluye cuatro paredes laterales 20a-d fabricadas de un material impenetrable al fluido, tal como acero inoxidable o plástico. La cámara de reacción 18 está sellada dentro de las paredes del aparato mediante miembros deformables 38, que pueden ser juntas tóricas ("O-rings") o empaquetaduras. La cámara de reacción 18 está unida a la pared lateral trasera dei aparato 21 b mediante un resorte de empuje 30. El resorte de empuje 30, que puede ser cualquier resorte apropiado conocido en el arte, provee una fuerza que empuja la cámara de reacción 18 hacia el reservorio 44. El resorte 30 puede ser reemplazado mediante un gas o líquido presurizado, tal como butano, propano o ísopropano, y el espacio 45 puede estar abierto al ambiente cuando el resorte 30 es utilizado para minimizar la creación de un vacío parcial.
Dispuesto dentro de la cámara de reacción 18 hay un componente de combustible sólido 24. El componente de combustible sólido 24 es preferiblemente una tableta de NaBH4. Sin embargo, pueden también ser apropiados granulos, granos y otras formas de material sólido. Componentes de combustible sólido apropiados adicionales se discuten adicionalmente en la presente. Pueden agregarse cargas, aditivos y otros agentes y sustancias químicas al combustible sólido NaBH4 para mejorar su contacto con el reactivo líquido.
Un punto de conexión 17 para el conducto 16 está formado en la' pared lateral posterior trasera 20c de la cámara de reacción 18. El punto de conexión 17 puede simpiemente ser un orificio a través de la pared lateral trasera 20c, preferiblemente situado en, o cerca de, el extremo superior de la misma. En tal caso, el conducto de combustible 16 está preferiblemente unido en forma fija a, o dentro del, punto de conexión 17, tal como mediante un adhesivo. Sin embargo, el punto de conexión 17 puede también incluir una boquilla sobre la cual puede estar calzado a presión un conducto de combustible 16 y luego opcionalmente fijado con un adhesivo o material similar. También, opcionalmente, una membrana 32 impermeable a líquidos, permeable a gases, puede estar fijada sobre el lado que enfrenta a la cámara de reacción del punto de conexión 17. La membrana 32 evita que el líquido o subproductos del mismo sean transferidos a la celda de combustible mediante el conducto de combustible 16. Pueden utilizarse cargas o espuma en combinación con la membrana 32 para retener líquidos o subproductos y para reducir la obturación. La membrana 32 puede estar formada a partir de cualquier material permeable al gas, impermeable al líquido, conocido para una persona experta en el arte. Tales materiales ¡ncluyen, pero no están limitados a: materiales hidrófobos que tienen un grupo alcano. Los ejemplos más específicos incluyen, pero no están limitados a: composiciones de polietileno, politetrafluoroetileno, polipropileno, poliglactina (VICRY®), duramadre liofilizada o combinaciones de los mismos. La membrana permeable al gas 30 puede también comprender una membrana permeable al gas/impermeable al líquido que cubre un miembro poroso. Los ejemplos de tal membrana son CELGARD® y GORE-TEX®. Otros miembros impermeables al líquido, permeables al gas, utilizables en la presente invención incluyen, pero no están limitados a, Fluoruro de Polivinilideno (PVDF) SURBENT® que tiene un tamaño de poros de desde aproximadamente 0,1 µm a aproximadamente 0,45 µm, disponible a partir de Millipore Corporation. El tamaño de poros del PVDF SURBENT® regula la cantidad de agua que sale del sistema. También puede utilizarse 'en la presente invención un material de tipo ventilación electrónica que tiene Hydro de 0,2 µm, disponible a partir de W.L. Gore & Associates, Inc. Adicíonalmente,' también son utilizables en la presente invención varillas que 0,25 pulgadas de diámetro que tienen un tamaño de poros de aproximadamente 10 µm o discos de 2 pulgadas de diámetro con un espesor de aproximadamente 0,3 µm disponibles a partir de GenPóre, y material poroso sinterizado y/o cerámico que tiene un tamaño de poros de menos de aproximadamente 10 µm disponible a partir de Applied Porous Technologies Inc. Adicionalmente, son también utilizables materiales nanohierba, a partir de Bell Labs., para filtrar el líquido. El nanohierba controla el comportamiento de las pequeñas gotitas de líquido mediante aplicación de cargas eléctricas a superficies de silicio especialmente procesadas que parecen hojas de hierba. Adicionalmente, o alternativamente, también son utilizables en la presente invención, materiales impermeables al líquido, permeables al gas, descriptos en la solicitud de EE.UU. cppendiente, del mismo titular, N° 10/356793, todos los cuales son incorporados como referencia a la presente, en su totalidad. Tal membrana 32 puede ser utilizada en cualquiera de las realizaciones discutidas en la presente.
Un válvula 26 de introducción de fluido está dispuesta en una pared lateral opuesta de la cámara de reacción 20a. La válvula 26 de introducción de fluido, que es preferiblemente una válvula de control, controla la comunicación del componente de combustible fluido 22 desde el reservorio 44 dentro de la cámara de reacción 18. La válvula 26 puede ser cualquier válvula de una vía, abierta por presión, conocida en el arte, tal como una válvula de seguridad o una válvula que tiene un diafragma que responde a la presión, que se abre cuando se alcanza un umbral de presión. Dentro de la cámara de reacción 18, la válvula 26 incluye preferiblemente una .boquilla 28 para dispersar el componente de fluido 22 dentro de la cámara de reacción 18. Como es bien conocido por aquellos en el arte, la válvula 26 puede ser omitida opcionalmente, como se muestra en la FIG. 2. En esa realización, que es la misma en todos los otros aspectos a la realización mostrada en la F1G. 1 , un orificio de diámetro pequeño 28a actúa como una boquilla disparada por presión para dispersar el componente de combustible fluido 22 dentro de la cámara de reacción 18. El orificio 28a está preferiblemente situado en la parte inferior de la cámara 18 para minimizar la migración del gas dentro del reservorio 44. Aiternativamente, el componente de combustible sólido 24 puede estar posicionado adyacente al orificio 28a para minimizar la migración de gas dentro dei reservorio 44.
Cuando la celda de combustible necesita gas hidrógeno, se abre una válvula 36 sí/no o de corte, como se muestra en la FIG. 1. La válvula 36 sí/no puede ser cualquier válvula conocida en el arte, incluyendo, pero no limitada a, válvula de solenoide, válvula de seguridad, etc. y puede ser abierta manualmente por el usuario o mediante el controlador que controla la celda de combustible. Para generar gas para ser utilizado como -combustible para la celda de combustible, el componente de combustible fluido 22 es transferido dentro de la cámara de reacción 18 para reaccionar con el componente de combustible sólido 24. El aparato generador de gas 12 realiza esto, automáticamente. El resorte 30 empuja la cámara de reacción 18 hacia el reservorio 44 con una fuerza constante F. La fuerza F, combinada con la presión hidrostática PH dentro del reservorio 44, crean una presión total en el reservoriq P22 sobre el lado deja válvula 26 del reservorio 44. Mientras está abierta la válvula sí/no, la presión de la cámara de reacción P.8 dentro de la cámara de reacción 18 forma ciclos dinámicamente de alta a baja conforme se crea gas y luego se lo transfiere a través del conducto de combustible 16. Cuando la presión total de reservorio P22 es mayor que la presión de la cámara de reacción P18l la válvula 26 se abre y el componente de combustible fluido 22 fluye dentro de la cámara de reacción 18, que se mueve hacia la pared lateral 21a. Cuando la diferencia entre la presión total del reservorio P22 y la presión de la cámara de reacción P-?8 cae por debajo del punto de disparo de la válvula 26, la válvula 26 se cierra y la cámara de reacción 18 detiene su movimiento mientras el gas se acumula adentro. Cuando la presión de la cámara de reacción P.ß alcanza la presión de disparo PD, la válvula de combustible 34 se abre y el gas combustible comienza a fluir fuera de la cámara de reacción 18. Cuando suficiente gas combustible ha sido transferido fuera de la cámara de reacción 18, la válvula de fluido 26 se abre e ingresa componente de combustible fluido 22 adicional a la cámara de reacción 18 mientras el gas está aún siendo transferido fuera de la cámara de reacción 18 por medio del conducto de combustible 16. Finalmente, la presión de la cámara de reacción Pie cae por debajo de la presión de disparo PD para mantener abierta la válvula de transferencia 34. Esto permite que el gas combustible se acumule dentro de la cámara de reacción 18 para finalmente cerrar la válvula de transferencia de fluido 26. Este ciclo se resume más adelante en la Tabla 1.
Tabla 1 : Ciclo de Presión del Aparato Generador de Gas Cuando la Válvula 36 se Abre La FIG. 3 muestra otra realización de un suministrador de combustible 210 que incluye un aparato generador de gas 212 en donde un componente de combustible fluido 222, similar al componente de combustible fluido 22 discutido anteriormente, es mantenido en un reservorio 244 y transferido a una cámara de reacción 218 que contiene un componente de combustible sólido 224, similar al componente de combustible sólido 24 discutido anteriormente. En esta realización, la cámara de reacción 218 está formada de tres paredes laterales 220a-c. Una cámara de reacción inferior 218 está sellada por un portador de combustible sólido 225, el cual calza holgadamente y en forma deslizable entre las paredes laterales 220b, 220c. El portador de combustible sólido 225 está sellado en la abertura mediante miembros deformables 238, los cuales pueden ser juntas tóricas (O- rings), empaquetaduras o lo similar. Alternativamente, el portador de combustible sólido 225 puede en sí mismo estar formado de un material deformable apropiadamente sellante, aunque el portador 225 está preferiblemente fabricado de un material rígido tal como acero inoxidable o plástico. El portador 225 incluye una porción abierta del contenedor rellena con componente de combustible sólido 224, tal como una tableta o granulos de borohidruro de sodio.
El portador 225 está sometido a empuje dentro de la cámara de reacción 218 mediante un resorte de empuje 230, el cual puede ser cualquier tipo de resorte conocido en el arte. El resorte de empuje.230 está montado en forma fija sobre una base 231 , tal como una pared lateral del suministrador de combustible 210, la celda de combustible, u otra plataforma similar, y el resorte de empuje 230 provee una fuerza constante sobre el portador 225.
Unido en forma fija a la parte inferior del portador 225 hay un brazo de manivela 242. El brazo de manivela 242 se extiende desde la parte inferior del portador 225, a través de una abertura sellada en el reservorio 244, y termina como un obturador 240 posicionado sobre un orificio de transferencia de fluido 226 formado en la interfase del reservorio 244 y la cámara de reacción 218. Aunque el brazo de manivela 242 puede ser fabricado de cualquier material rígido que no reaccione con el componente de combustible fluido 222, el obturador 240 preferiblemente incluye un recubrimiento exterior de un materia! deformable, tal como goma o silicona, capaz de sellar el orificio 226.
A través de la parte superior de la pared lateral 220a, el orificio de transferencia de fluido 226 conecta el reservorio- 244 de componente de combustible fluido con la cámara de reacción 218. De manera similar a la realización discutida anteriormente con respecto a la FIG. 1 , el extremo del orificio de transferencia de fluido 226 que enfrenta la cámara de reacción 218 forma preferiblemente una boquilla 228 de modo que cualquier componente de combustible fluido que pasa a través del orificio de transferencia de fluido 226 es dispersado dentro de la cámara de reacción 218. También está dispuesta en la parte superior de la pared lateral 220a una válvula 234 de transferencia de fluido que conecta la cámara de reacción con un conducto de fluido 216. De manera similar a la válvula 34 discutida anteriormente, la válvula 234 de transferencia de fluido es preferiblemente una válvula disparada por la presión tal como una válvula de seguridad, y está opcionalmente cubierta por una membrana impermeable al líquido, permeable al gas, 232, que puede ser cualquiera de tales membranas conocidas en el arte.
De manera similar a la realización discutida anteriormente con respecto a la FIG. 1, la operación del aparato generador de gas 212 es preferiblemente controlada automáticamente o en ciclos por el balance entre las presiones y fuerzas dentro del aparato 212. La presión P218 de la cámara de reacción cambia dinámicamente debido a la producción de gas combustible dentro de la cámara de reacción 218 y la transferencia de ese gas combustible a una celda de combustible (no mostrada) a través de la válvula de transferencia de combustible 234. El resorte 230 provee una F constante hacia arriba sobre el portador 225. Cuando la fuerza desde P2?a es mayor que F, el portador 225 es, empujado hacia^abajo, moviendo asimismo de este modo el brazo de manivela 242 hacia abajo. Finalmente, el portador 225 se alejará suficientemente debido a la elevada P218 para empujar el obturador 240 en su lugar, cerrando de este modo el flujo de componente de combustible fluido dentro de la cámara de reacción 218. La válvula de transferencia de combustible 234 es abierta sólo cuando P218 es mayor que una presión de disparo PD.
Preferiblemente, la cámara de reacción 218 es cargada con combustible o gas inerte de modo que el estado inicial del portador 225 esté en una posición hacia abajo y el resorte 30 esté comprimido. Alternativamente, el usuario puede manualmente desellar el obturador 240 mediante medios, mecánicos conocidos (por ej. lengüetas traccionables, pasadores, etc.), o el obturador 240 es automáticamente removido cuando está unido a la celda de combustible, de modo que no es necesaria una presión inicial.
En una realización, el componente de combustible fluido 222 es almacenado en un saco (no mostrado) y el reservorio 244 es presurizado mediante gas comprimido, gas licuado, espuma comprimida o un resorte cargado, de modo que el componente fluido 222 puede salir del reservorio 244 cuando el reservorio 244 está posicionado en cualquier orientación.
También, preferiblemente, P218 es mayor que la PD para la válvula 234. Cuando está conectado a una celda de combustible, ei gas es transferido fuera de la cámara de reacción 218, reduciendo de este modo la P2?s- Finalmente, suficiente gas es transferido de modo que la F del resorte 230 vence la fuerza de P2?ß y empuja el portador 225 hacia arriba, desobtúrando de este modo el obturador 240 del orificio de transferencia de fluido 226 por medio del brazo de manivela 242. El fluido 222 es luego rociado dentro de la cámara de reacción 218 a través de la boquilla 228. Sin embargo, el gas continúa siendo transferido fuera de la cámara de reacción 218 a través de la válvula 234_hasta que la P218 cae por debajo de la PD. Cuando la válvula se cierra, la presión en la cámara de reacción 218 nuevamente crece hasta que la fuerza de P2?s vence la F dei resorte 230, y el obturador 240 nuevamente tapona el orificio de transferencia de fluido 226. Este ciclo se resume en ia Tabla 2.
Tabla 2: Ciclo de Presión para el Aparato Generador de Gas Cuando la Válvula 36 esta Abierta Otro dispositivo para controlar la presión de la cámara de reacción 218 es colocar una celda de combustible secundaria 214' sobre una pared lateral 220b, como se muestra en la FIG. 3. La celda de combustible secundaria 214' consume el exceso de hidrógeno para minimizar la presión P218 cuando la válvula de corte 236 está cerrada. Como se muestra, la celda de combustible secundaria 214' está posicionada sobre una pared lateral 220b con el lado del ánodo 211 enfrentando a la cámara de reacción 218 y en contacto con el gas hidrógeno en ella y con el lado del cátodo 209 enfrentado al aire ambiente y en contacto con oxígeno. Preferiblemente, se provee una compuerta de cobertura movible 213 para cubrir el lado del cátodo cuando el aparato generador de gas está en operación para evitar que el aire alcance la celda de combustible 214' de modo que el hidrógeno no se desperdicie en el consumo por la celda de combustible secundaria 214' cuando lo necesita la celda de combustible principal (no mostrada). Cuando el usuario o controlador abre la válvula 236 la compuerta 213 se mueve para cubrir la celda de combustible secundaria 214'. Cuando el usuario o controlador cierra la válvula 236 (o cuando la presión P218 excede un nivel umbral) la compuerta 213 se mueve para permitir que el aire entre. en contacto, con el lado del cátodo para consumir el hidrógeno en exceso. Se provee un dispositivo que consume energía eléctrica, tal como un resistor 215, diodo emisor de luz, o circuito que consume y/o disipa electricidad similar, como se muestra esquemáticamente, para consumir la electricidad producida por la celda de combustible 214'. La celda de combustible secundaria 214' y la cubierta 213 pueden ser utilizadas con cualquiera de las realizaciones de la presente invención.
La FIG. 4 muestra un aparato generador de gas similar 212 al mostrado y discutido anteriormente con respecto a la FIG. 3. En esta realización, sin embargo, en lugar de un brazo de manivela conectado directamente a una parte inferior del portador 225, un eje 247 está unido en forma abisagrada a la parte inferior del portador 225 y a una rueda de manivela 246. Un resorte forzador 230 está unido en forma fija a la rueda de manivela 246 en un extremo y a una base sólida 231 en el otro. El resorte forzador 230 provee una fuerza constante F que tiende a empujar la rueda de manivela 246 en una dirección en el sentido de las agujas del reloj.
Un brazo de manivela 242 está unido en forma fija a la rueda de manivela 246 en un extremo inferior de la rueda de manivela 246. Un extremo superior del brazo de manivela 242 está unido en forma abisagrada a un tubo 241 en un punto de unión 239 que contiene un obturador deslizable 240. El otro extremo del tubo 241 está unido en forma abisagrada a un punto de acceso 237 por encima del orificio de transferencia de fluido 226. El obturador 240 puede ser de cualquier material o forma, siempre que el obturador 240 pueda moverse fácilmente dentro del tubo 241 y del orificio de tapón 226.
Conforme la rueda de manivela 246 gira, el brazo de manivela 242 se mueve en un plano vertical. Cuando la rueda de manivela 246 gira en sentido de las agujas del reloj, el brazo de manivela 242 se mueve hacia abajo hacia la base 231. Este movimiento hacia abajo del brazo de manivela 242 fracciona el tubo 241 de modo que el punto de unión 239 está posicionado por debajo del punto de acceso 237. Cuando el tubo 241 está orientado de esta manera, el obturador 240 se desliza hacia el punto de unión 239, desobturando de este modo el' orificio 226. Cuando la rueda de manivela 246 gira en una dirección contra las agujas del reloj, el brazo de manivela 242 se mueve en una dirección hacia arriba, alejándose de la base 231. El tubo 241 es nuevamente inclinado de modo que el punto de unión 239 está posicionado por encima del punto de acceso 237. Cuando el tubo 241 está orientado de esta manera, el obturador 240 se desliza hacia el punto de acceso 237, obturando de este modo el orificio 226.
Como en el caso de la realización mostrada en la FIG. 3, este proceso es preferiblemente controlado automáticamente mediante los balances de presiones y fuerzas dentro del aparato generador de gas 212. Por jemplo, la cámara de reacción 218 es preferiblemente cargada inícialmente de modo que la fuerza debido a P2?s dentro de la cámara de reacción 218 empuje hacia abajo sobre el portador 225, lo suficiente para que el brazo de manivela 242 incline el tubo 241 hasta un grado en el que el obturador 240 se deslice hacia el punto de acceso 237 y obture el orificio 226. También, P2?s está por encima de PD, de modo que la válvula 234 se abre cuando conecta con la celda de combustible y el gas combustible fluye fuera de la cámara de reacción 218. En este punto la generación de gas dentro de la cámara de reacción 218 se hace más lenta y eventualmente se detiene causando que P2?s disminuya. P218 eventualmente disminuye hasta un punto en donde la fuerza de P2,8 deja de ser suficiente para vencer F, lo.que causa que la rueda de manivela 246 gire en el sentido de las agujas del reloj. Este movimiento inclina ei tubo 241 por medio del brazo de manivela 242 de modo que el obturador 240 se deslice hacia el punto de unión 239, desobturando de este modo el orificio de transferencia de fluido 226, lo que permite que el componente de combustible fluido 222 fluya dentro de la cámara de reacción 218 a través de la boquilla 228. Nuevamente se genera gas dentro de la cámara de reacción 218. El gas es removido de la cámara de reacción 218 a través dé la válvula 234 a una velocidad que es preferiblemente más lenta que la velocidad a la cual el gas continua siendo generado dentro de la cámara de reacción 218, de modo que P218 continúa creciendo. Si P2i8 cae por debajo de PD, la válvula 234 se cierra, lo que permite que el gas se acumule dentro de la cámara de reacción 218. Este ciclo de presiones y fuerzas está resumido en la Tabla 3.
Tabla 3. Ciclo de Presiones del Aparato Generador de Gas Cuando la Válvula 36 está Abierta La FIG. 5 muestra aún otro aparato generador de gas 312 que tiene una cámara de reacción 318 definida por paredes laterales 320, similar a aquellos descriptos anteriormente con respecto a las FIGS. 1-4. Una válvula de transferencia de combustible 334, tal como una válvula de control, atraviesa una de las paredes laterales 320 para permitir que el gas combustible formado dentro de la cámara de reacción 318 pase a través y dentro de un conducto de combustible 316, similar al conducto de combustible descripto anteriormente con respecto a las FIGS. 3 y 4.
Un tubo de transferencia de fluido 350 ingresa a la cámara de reacción 318 a través de una pared lateral, preferiblemente una pared lateral superior. El tubo de transferencia de fluido está unido por un extremo a un reservorio que contiene un componente de combustible fluido (no mostrado). El componente de combustible fluido es preferiblemente similar a los componentes de combustible fluido descriptos anteriormente.
El tubo de transferencia de fluido 350 se extiende dentro de la cámara de reacción 318. Hacia el extremo libre del tubo de transferencia de fluido 350 están formados varios orificios de canal de flujo 352 a lo largo de la longitud del tubo de transferencia de fluido 350. El componente de combustible fluido es transferido a través del tubo de transferencia de fluido 350 de modo que el componente de combustible fluido puede fluir a través de los orificios de canal de fluido 352.
El recubrimiento de ios orificios de canal de flujo 352 es un recubrimiento formado de un componente de combustible sólido 324 y un material 354 que absorbe rápidamente el componente de combustible fluido y lo mueve a través de! componente de combustible sólido 324. Preferiblemente, el componente de combustible sólido 324 está en forma granular de modo que puede hacerse pasar fácilmente a través de él, al componente de combustible fluido. Preferiblemente, el material 354 es capaz de absorber líquido, pero permite pasar el gas a través del material. Un ejemplo de tal material es pelusa de papel que contiene cristales de poliacrilato de sodio, tal material es comúnmente utilizado en pañales. Otros ejemplos incluyen, pero no están limitados a, cargas y espumas. En una realización, mostrada en la FIG. 6, varias -capas de componente de combustible sólido 324a, 324b y 354a, 354b son enrolladas alrededor del tubo de transferencia de fluido 350. Sin embargo, puede utilizarse tan sólo una capa. Conforme el componente de combustible fluido es movido a través del componente de combustible sólido, se forma gas combustible y pasa a través del material 354 y dentro de la cámara de reacción 318. Adicionalmente, el fluido puede estar en contacto primero con una carga o espuma y luego ser transferido al combustible sólido mediante acción de capilaridad.
Los cristales de poíiacrilato de sodio forman un gel con agua y el gel de agua puede reaccionar con un hidruro de metal, como se muestra en la solicitud de patente de EE.UU. copendiente, del mismo titular, titulada "Fuel Compositions for Fuel Cells and Gas-Generator Utilizing Same" que lleva el número de serie 60/782632, y fue presentada el 15 de marzo de 2006. La solicitud '632 es incorporada a la presente como referencia én su totalidad.
Preferiblemente se dispone una válvula de control de fluido 326 dentro de! tubo de transferencia de fluido 350 para controlar el flujo del componente de combustible fluido a través de los canales de flujo 352. La válvula de control de fluido 326 es preferiblemente una válvula disparada por la presión que es abierta y cerrada en respuesta a la presión P3i8..en la cámara de reacción 318. Un tubo de transferencia de presión 356 permite la exposición de una pequeña porción del gas combustible formado dentro de la cámara de reacción 318 a la válvula de control de fluido. Cuando P3?8 es mayor que la presión de disparo para la válvula de control de fluido 326, la válvula de control de fluido 326 se cierra y corta el flujo del componente de combustible fluido a través del tubo de transferencia de fluido 350. Cuando la P3?s cae por debajo de !a presión de disparo para la válvula de control de fluido 326, la válvula de control de fluido 326 se abre y admite más componente de combustible fluido dentro del tubo de transferencia de fluido 350.
De manera similar, la operación de la válvula de transferencia de fluido 334 es también controlada por P3 8. Cuando P3?8 es mayor que una presión de disparo PD para la válvula de transferencia de combustible 334, entonces la válvula de transferencia de combustible 334 se abre para permitir que el gas combustible fluya a través del conducto de" fluido 316 y dentro de la celda de combustible. Cuando P3-?8 cae por debajo de la presión de disparo para la válvula de - transferencia de fluido 334, entonces la válvula de transferencia de fluido 334 se cierra, lo que permite que la presión de gas crezca dentro de la cámara de reacción. Como en el caso de las realizaciones discutidas anteriormente, la cámara de reacción es preferiblemente cargada durante la fabricación de modo que pueda iniciarse la producción de gas.
Las FIGS. 7 y 8 muestran aún otra realización de un aparato generador de gas 412 de un suministrador de combustible 410. En esta realización se define una cámara de reacción 418 mediante un saco expansible 458. El saco expansible 458 puede ser fabricado de . cualquier tipo de material capaz de expandirse y contraerse sin la aplicación de fuerzas externas. Por ejemplo, el saco expansible 458 puede ser una estructura con forma de balón hecha de goma o látex.
Alternativamente, el saco expansible 458 puede ser fabricado de un material plástico que puede ser configurado por calor para volver a su configuración original cuando está vacío, tal como PET.
El saco expansible 458 está preferiblemente suspendido cerca del centro del aparato generador de gas 412 sobre un soporte 460. El saco expansible 458 también rodea en forma sellable una jaula 462 llena con un componente combustible sólido tal como borohidruro de sodio que se extiende desde el soporte 460. Preferiblemente, el componente combustible sólido es granular, aunque también pueden ser utilizados una tableta o barra sólidas. La jaula 462 puede ser fabricada de cualquier material inerte ai componente de combustible sólido y un componente de combustible líquido 422 que también está dispuesto dentro" del saco expansible 458. Por ejemplo, la jaula 462 puede ser fabricada de acero inoxidable o plástico. En la jaula 462 están formados orificios 464 de modo que el componente de combustible líquido pueda ponerse en contacto con el componente de combustible sólido. El componente de combustible líquido 422 es similar a los componentes de combustible líquido discutidos en las realizaciones anteriores.
Un segundo extremo del saco expansible 458 está unido a un conducto de fluido 416, que está configurado para transferir gas combustible formado dentro de la cámara de reacción 418 a una celda de combustible. El conducto de combustible 416 es similar a aquellos conductos de combustible discutidos anteriormente con respecto a las realizaciones mostradas en las FIGS. 3-6. Una válvula de transferencia de combustible 434, preferiblemente una válvula disparada por presión tal como una válvula de seguridad, es configurada para controlar el flujo hacia fuera del gas combustible desde la cámara de reacción 418.
En operación, el saco expansible 458 está inicialmente en una configuración colapsada, tal como se muestra en la FIG. 7. Cuando está colapsado, el componente de combustible líquido 422 está en contacto con la jaula 462. Como tal, el componente de combustible líquido 422 puede fluir a través de los orificios 464 para reaccionar con el componente de combustible sólido. Se produce gas 25 • . . . . . combustible tal como hidrógeno. Conforme ei gas combustible se acumula dentro de la cámara de reacción 418, el saco expansible 458 se expande. Cuando la PCR dentro de la cámara de reacción 418 excede una presión de disparo PD para la válvula de transferencia de combustible 434, la válvula de transferencia de combustible 434 se abre para permitir la transferencia de gas combustible desde la cámara de reacción 418 a la celda de combustible. Cuando el saco expansible 458 alcanza un tamaño crítico, tal como es mostrado en la FIG. 8, todo el componente de combustible líquido 422 se recolecta en la parte inferior del saco expansibie 458 y no continúa en contacto con el componente de combustible sólido dentro de la jaula 462. Como tal, no puede ocurrir una reacción adicional entre el componente de combustible líquido 422 y el componente de combustible sólido hasta que suficiente gas haya sido transferido fuera de la cámara de reacción 418 a la celda de combustible. Puede incluirse una válvula aliviadora 430 de una vía para evitar la sobre-presurización del saco expansible 458, tal como venteando el gas combustible a la atmósfera. Como será reconocido por aquellos expertos en el arte, el aparato generador de gas 412 trabaja en cualquier orientación.
Las FIGS. 9 y 10 muestran aún otra realización de un aparato generador de gas 512 de un suministrador de combustible 510 adaptado para ser conectado a una celda de combustible (no mostrada) por medio de un conducto de combustible 516. El aparato generador de gas 512 incluye dos cámaras formadas dentro de las paredes laterales 520, una cámara de componente combustible líquido presurizado 544 y una cámara de reacción 518. Las paredes laterales 520 están preferiblemente formadas de un material inerte a un componente combustible líquido 522, tai como agua o agua con aditivos, contenido dentro de la cámara de componente de combustible líquido presurizado 544 y un componente de combustible sólido 524, tal como borohidruro de sodio, contenido dentro de la cámara de reacción 518. Un conducto de transferencia de fluido 588 conecta la cámara de componente dé combustible líquido presurizado 544 y la cámara de reacción 518. Como en el caso de las realizaciones anteriormente discutidas, una válvula de transferencia de combustible 534, preferiblemente una válvula disparada por presión, tal como una válvula de seguridad, y una válvula sí/no 36 (no mostrada) aguas abajo de la válvula 534 permiten la transferencia de combustible desde la cámara de reacción 518 ai conducto de combustible 516 y a la celda de combustible.
Un pistón forzado a resorte 584 está dispuesto en forma sellante y en forma deslizable, ¡nicialmente, en, o cerca de, la parte superior de la cámara de componente de combustible líquido presurizado 544. Preferiblemente, el pistón 584 está sellado con un material sellador lubricante 586, tal como petrolato, aunque pueden ser utilizados otros componentes selladores tales como juntas tóricas (O-rings) o empaquetaduras. Un resorte forzador 530 provee una fuerza continua F sobre el pistón 584 de modo que el componente de combustible líquido 522 es forzado constantemente hacia la cámara de reacción 518. De manera similar a la discusión anterior, el resorte 530 puede ser reemplazado por un material presurizado, tal como hidrocarburo líquido/gaseoso, por ej. butano, propano o isopropano.
Un tubo flexible para fluido 582 está conectado en forma fluida a un conducto para transferencia de fluido 588, discutido más adelante, y termina en una boquilla o abertura 528 dentro de la cámara de reacción 518. El componente de combustible fluido 522 pasa selectivamente a través del tubo flexible para fluido 582 dentro de la cámara de reacción 518. El tubo, flexible para fluido 582 pasa a través o está en contacto con un pistón de malla 580. El pistón de malla 580 es empujado hacia el componente de combustible 524 mediante un resorte de empuje 572. El resorte de empuje 572 provee una fuerza continua sobre el pistón de malla 580 para empujarlo dentro del componente de combustible 524 ' hacia el conducto de combustible 516. El pistón de malla 580 es mantenido en contacto mediante el resorte 572 con el componente de combustible sólido 524, el cual está preferiblemente formado de granulos que son demasiado grandes para pasar a través del pistón de malla 580. Sin embargo, conforme el componente de combustible fluido 522 fluye dentro de la cámara de reacción 518 a través de la boquilla 528 y reacciona con el combustible sólido 524, como se muestra en la 2.7 .
FIG. 10, se forman ambos el gas combustible y una suspensión 590, por ej. borato acuoso. La suspensión 590 puede fluir a través de la malla del pistón 580 para acumularse bajo el pistón de malla 580. El resorte 572 entonces empuja continuamente el pistón de malla 580 dentro de la porción no reaccionada del componente de combustible sólido 524. Así, el componente de combustible fluido que fluye fuera de la boquilla 528 está continuamente en contacto con componente de combustible sólido fresco 524 que está relativamente libre de subproductos.
De manera similar a las realizaciones discutidas anteriormente, el aparato generador de gas 512 está también autorregulado. El diafragma 574, un resorte opcional 573 y una válvula 526, posicionados por debajo del pistón de malla 580, están expuestos a la presión P518 dentro de la cámara de reacción 518. Un conducto de fluido 575 está formado a través del diafragma 574 y conecta en forma fluida el conducto de fluido 588 al tubo flexible 582. Conforme crece la presión dentro de la cámara de reacción 518, finalmente se alcanza una presión de disparo, PD, del diafragma 574. Cuando se alcanza la presión de disparo del diafragma 574, el diafragma 574 se deforma para cerrar la válvula 526 (no mostrada), cortando de ese modo el flujo de componente de combustible fluido dentro de la cámara de reacción 518. El gas combustible fluye fuera de la válvula de transferencia de combustible 534 hasta que ia P51S disminuye hasta por debajo de la PD, en donde el diafragma 574 se abre nuevamente para una vez mas iniciar ia producción de gas combustible mediante la introducción de componente de combustible líquido adicional 522 dentro de la cámara de reacción 518. El resorte 573 asiste ai diafragma 574 en el retorno a la posición abierta. La válvula 526 puede ser cualquier válvula que puede abrirse y cerrarse conforme el diafragma 574 reacciona a la P518, por ej., válvula de seguridad.
La FIG. 11 muestra aún otra realización de un aparato generador de gas 612 adaptado para ser conectado a una celda de combustible (no mostrada) por medio de un conducto de combustible 616. En esta realización, una cámara de reacción 618 contiene una cantidad de un componente de combustible sólido 624, que está preferiblemente en forma granular o en forma de polvo. La cámara de reacción 618 incluye dos paredes laterales opuestas 620, que están fabricadas de un material no reactivo, sólido, similar a las paredes laterales 20 como se discutió anteriormente. Sin embargo, una parte inferior 680 de la cámara de reacción 618 está preferiblemente fabricada de un material no reactivo poroso, tal como una malla o una hoja de material con orificios dispuestos a través de ella. Fiberglass es uno de los muchos materiales apropiados para uso como parte inferior 680. Los poros de la parte inferior 680 están dimensionados de tal modo que los granos individuales de componente de combustible sólido 624 no puedan pasar a través de ellos.
Una parte superior 632 de la cámara de reacción '618 está preferiblemente formada de una membrana impermeable al líquido, permeable al gas, tal como la membrana 32 como se describió anteriormente con respecto a la FIG. 1. Los ejemplos de una membrana apropiada incluyen CELGARD® y GORE-TEX®. Un reservorio de gas combustible 619 está posicionado adyacente a la membrana superior 632 para recibir a través de ella el gas combustible producido dentro de la cámara de reacción 618. Una válvula 634, tal como una válvula de seguridad, controla el flujo hacia fuera del gas combustible desde el reservorio de gas combustible 619 al conducto de combustible 616. La válvula 634 puede ser cualquier tipo de válvula conocida en el arte y es similar en diseño y función a !a válvula 34 como se describió anteriormente con respecto. a la FIG. 1.
Un distribuidor 679 está posicionado adyacente a la parte inferior 680. Preferiblemente, varios canales de flujo 652a-f están formados en el distribuidor 679. Como es bien conocido por aquellos en el arte, el número de canales de flujo variará ampliamente dependiendo de factores que ¡ncluyen el tipo de combustible, el tipo de celda de combustible, y el dispositivo que esté siendo energizado por la celda de combustible. Preferiblemente, el número de canales de flujo está en el rango de desde 2 a aproximadamente 100, y más preferiblemente, desde aproximadamente 50 a aproximadamente 75.
Los canales de flujo 652a-f están en conexión de fluidos con un tubo alimentador. 650 a través del cual un componente de combustible fluido (no mostrado) es provisto desde un reservorio (no mostrado). El flujo inicial de fluido mediante el tubo alimentador 650 es preferiblemente controlado mediante un controlador (no mostrado) que señala una necesidad de combustible adicional y abre una válvula (no mostrada) dispuesta entre el reservorio de fluido y el tubo alimentador 650. Alternativamente, un usuario puede iniciar el flujo gatillando un interruptor para abrir tal válvula. El distribuidor 679 está configurado para permitir que sólo un canal de flujo 652a-f reciba el componente de combustible fluido del tubo de alimentación 650 en cualquier momento dado de modo que diferentes áreas del componente de combustible sólido 624 reaccionen sucesivamente. En otras palabras, si el componente de combustible fluido está fluyendo a través del canal de flujo 652a, los canales de flujo 652b-f no contienen componente de combustible fluido de modo que el componente de combustible sólido 624 dispuesto por encima de los canales de flujo no utilizados 652b-f permanezca seco y no reaccionado.
Esta utilización de series de canales de flujo 652a-f se logra preferiblemente en parte proveyendo cada canal de flujo con un diámetro que es diferente de los otros canales de flujo. Preferiblemente, el canal de flujo 652a tiene el diámetro mayor, con cada canal de flujo teniendo sucesivamente un diámetro levemente menor en progresión en la dirección del flujo. En otras palabras, el diámetro del canal de flujo 652b es mayor que el diámetro del canal de flujo 652c, y así subsiguientemente. Como es conocido en el arte, el fluido fluye por la vía de menor resistencia. Como el diámetro más estrecho del siguiente canal de flujo aguas abajo está esencialmente constriñendo el flujo del fluido, el fluido tiende a seguir la vía a través del canal más ancho disponible. Por ejemplo, si encara la vía a través del canal de flujo 652a o el canal de flujo 652b, la mayor parte del fluido fluirá a través del canal de flujo 652a.
Esta tendencia del fluido a fluir a través del canal disponible más grande es realzada opcionalmente configurando el tubo de alimentación 650 con una construcción en etapas, en donde el diámetro del tubo de alimentación 650 aumenta levemente antes de alcanzar el siguiente canal de flujo sucesivo. Por ejemplo, como el tubo de alimentación 650 es relativamente estrecho en la vecindad del relativamente amplio canal de flujo 652a, el fluido en el tubo de alimentación 650 tenderá a ingresar el canal de flujo 652a en lugar de continuar fluyendo a lo largo del tubo de alimentación 650.
Conforme el componente de combustible fluido fluye dentro de la cámara de reacción 618 a través del canal de flujo 652a, el componente de combustible fluido reacciona con combustible sólido 624. Por ejemplo, si el componente de combustible sólido 624 es borohidruro de sodio y el componente de combustible fluido es agua o agua dopada, entonces se produce gas hidrógeno y una suspensión de borato acuoso. Si la suspensión no es removida de la boca del canal de flujo 652a, la suspensión tiende a endurecer como concreto. Esta suspensión endurecida finalmente obtura completamente el canal de flujo 652a. Como el canal de flujo 652a ahora está bloqueado, el fluido en el tubo de alimentación 650 fluirá a la siguiente vía disponible, el canal de flujo 652b. Aunque parte del fluido puede fluir pasando el canal de flujo 652b, se cree que esta cantidad de flujo es insuficiente para fluir dentro de cualquiera de los restantes canales de flujo 652c-f hasta que ei canal de flujo 652b también esté obturado con suspensión endurecida. Este proceso continúa hasta que todos los canales de flujo 652a-f están obturados y/o todo el componente de combustible sólido 624 esté consumido. • • . • • Opcionalmente, se dispone una segunda malla 681 a la entrada de cada uno de los canales de flujo 652a-f. La segunda malla 681 tiene un tamaño de poros muy pequeño de modo que ei fluido puede fluir a través de ellos pero cualquier suspensión que pueda escapar de la cámara de reacción 618 es capturada de modo de no contaminar el componente de combustible fluido u obturar el tubo de alimentación 650. Como se reconocerá por aquellos en el arte, pueden también cambiarse otros parámetros hidráulicos de los canales de flujo 652 para manipular la tendencia del fluido a elegir una vía del flujo en particular, tal como la altura de los canales de flujo, en donde cada canal sucesivo aguas abajo es más alto que el canal de flujo previo. Puede utilizarse cualquier combinación de parámetros hidráulicos.
Con referencia a la FIG. 12, se muestra otra configuración para un aparato generador de gas 712 que permite el acceso a sucesivos canales de flujo 752a-f. En esta realización, la cual es similar a la realización mostrada en la FIG. 11, el acceso a los canales de flujo aguas abajo 752b-f es controlada por una serie de válvulas 753a-e. Las válvulas 753a-e son preferiblemente válvulas disparadas por presión tales como válvulas de seguridad- o válvulas a diafragma. Conforme el fluido fluye a través de un tubo de alimentación 750, todas las válvulas 753a-e están cerradas de modo que el fluido debe fluir dentro del canal de flujo 752a. Como se describió anteriormente, el canal de flujo 752a se obturará con suspensión endurecida. Cuando el canal de flujo 752a está bloqueado, la presión del fluido en el tubo de alimentación 750 aumentará hasta que se abra la primera válvula 753a. El fluido puede ahora fluir dentro del canal de flujo 752b. Preferiblemente, una vez que se abre la válvula 753a, no se cerrará nuevamente, tal como por tener una miembro interno frangible, conforme la presión de flujo típicamente disminuye una vez que se abre la nueva vía de flujo. Como se reconocerá por aquellos en el arte, cada válvula 753a-e puede ser reemplazada opcionalmente con una membrana frangible. Este proceso de obturación de los canales de flujo 752a-f y apertura de las válvulas o rotura de las membranas frangibles continúa hasta que tp.dos los canales de flujo 752a-f están obturados y/o todo el componente de combustible sólido 724 está agotado.
Con referencia a la FIG. 13, se muestra aún otro aparato generador de gas 812. De manera similar a las realizaciones previas, una cámara de reacción 818 está contenida dentro de un alojamiento 820. El alojamiento 820 puede ser fabricado de cualquier material capaz de contener una reacción generadora de gas, preferiblemente un material inerte a la reacción, tal como plástico o acero inoxidable. Un extremo del alojamiento 820 está sellado con un obturador 840. El obturador 840 está fabricado de cualquier material capaz de sellar el alojamiento 820 contra el escape de gas producido durante la reacción o de componente de combustible líquido 822. El extremo opuesto del alojamiento 820 incluye una válvula 834, que conduce a la celda de combustible (no mostrada) o un conducto que conduce a la celda de combustible (no mostrada). La válvula 834 es similar a otras válvulas discutidas en la presente y es preferiblemente una válvula de seguridad o una válvula de corte.
Un componente de combustible sólido 824 tal como borohidruro de sodio recubre las paredes laterales del alojamiento 820. Preferiblemente, el componente de combustible sólido 824 está eri forma de polvo o e? forma granular, aunque el componente de combustible sólido 824 puede estar en forma de tableta. Si el componente de combustible sólido 824 es provisto en forma de polvo o en forma granular, se dispone un tamiz o malla 827 sobre el componente de combustible sólido 824. El tamaño de poros de la malla 827 es suficientemente pequeño para permitir que el componente de combustible líquido 822 acceda al componente de combustible sóiido 824 mientras que retiene el componente de combustible sólido 824. También, el componente de combustible sólido 824 puede estar dividido en varios compartimientos mediante divisores 825. Los divisores 825 están fabricados de un material capaz de sellar cada compartimiento de modo que el componente de combustible líquido 822 no puede migrar desde un divisor al siguiente. Opcionalmente, los granulos del componente de combustible sólido 824 pueden estar encerrados en un material de liberación en el tiempo, en donde se utilizan diferentes materiales de liberación en el tiempo, tal como materiales solubles en agua de espesores variables. Como tal, parte del componente de combustible sólido 824 puede ser utilizado rápidamente, mientras que el componente de combustible sólido 824 restante es reservado para uso en un momento posterior.
El componente de combustible líquido 822 es preferiblemente agua o un gel de base agua, similar a ¡os componentes de combustible líquido discutidos anteriormente. El gel de base agua puede ser formado mezclando agua con un compuesto hidrófilo, tal como cristales de poliacrilato de sodio. El gel de agua está discutido anteriormente y descripto en la solicitud de patente '632, previamente incorporada como referencia. El componente de combustible líquido 822 está contenido dentro del saco 844. El saco 844 está fabricado de un material deformable que es sustancialmente inerte al componente- de combustible líquido 822, tal como goma, silicona o plástico de pared delgada. Preferiblemente, el saco 844 está configurado con una pluralidad de corrugaciones para permitir que el saco 844 colapse más fácilmente y de una manera controlada.
En conexión de fluidos con el saco 844 hay un conducto de fluido 882 que termina en una boquilla 828. El conducto de fluido 882 y la boquilla 828 proveen una vía de flujo para dirigir el componente de combustible líquido 822 a una sección particular del componente de combustible sólido 824, tal como un compartimiento único. Preferiblemente, el conducto de fluido 882 y la boquilla 828 son componentes de diámetro interno relativamente pequeño, de modo que sólo una pequeña cantidad de componente de combustible líquido 822 pueda ser dispensada en cualquier momento dado. Como se muestra en la FIG. 13A, mientras que la boquilla 828 está mostrada como una única boquilla de punto en la FIG. 13, la boquilla 828' conectada al conducto de fluido 882' puede incluir múltiples salidas, tal como, por ejemplo, un anillo hueco en conexión de fluidos con un saco 844 que tiene múltiples orificios formados en él que sirven como múltiples y simultáneas salidas de fluido.
Un resorte 830 está dispuesto en el extremo del saco 844 opuesto al conducto de fluido 882 y la boquilla 828. El resorte 830 es preferiblemente un resorte de fuerza constante. El resorte 830 puede ser cualquier tipo de resorte capaz de proveer una fuerza de tracción constante, tal como un resorte plano o de reloj. Preferiblemente, el resorte 830 está fabricado de un material sustancialmente inerte al componente de combustible líquido 822, tal como plástico o acero inoxidable. Un extremo del resorte 830 se extiende a través de un extremo dei saco 844 para estar unido en forma fija al extremo opuesto del saco 844 en, o cerca del, conducto de fluido 882. Como tal, el resorte 830 tracciona el extremo de la boquilla del saco 844 hacia el obturador 840. La tracción del resorte 830 estruja el saco 844, forzando de este modo ei componente de combustible líquido 822 a través del conducto de fluido 882 y fuera de la boquilla 828 para ser introducido en el componente de combustible sólido 824. Se produce gas dentro de la cámara de reacción 818. Cuando la presión dentro de la cámara de reacción 818 alcanza un valor umbral, la válvula 834 se abre para permitir que el gas sea transferido a la celda de combustible. Alternativamente, la válvula 834 es una válvula de corte y puede ser abierta por un usuario o un controlador. Conforme el saco 844 se vacía, la boquilla 828 se mueve hacia el obturador 840 como se discute adicionalmente más adelante, asegurando así que el componente de combustible líquido 822 sea introducido en una nueva sección del componente de combustible sólido 824.
Conforme el resorte 830 tracciona sobre el saco 844, se produce continuamente gas mediante la introducción del componente de combustible líquido 822 en el componente de combustible sólido 824. Sin embargo, puede no ser deseable producir gas sin interrupción. Por ejemplo, cuando la válvula de corte tal como la válvula 834 está cerrada, la producción de hidrógeno debería detenerse. Tal válvula puede ser disparada manualmente, tal como por el usuario o por medio de un controlador que monitorea el uso de combustible por la celda de combustible. Cuando tal válvula de corte está cerrada, el gas no puede ser transferido fuera del alojamiento 820 a la celda de combustible. Como tal, la presión del gas producido crecerá dentro de la cámara de reacción 818 o el alojamiento 820. Aunque la presión puede ser aliviada con, por ejemplo, una válvula de seguridad aliviadora de presión (no mostrada) o una celda de combustible secundaria, como se discutió anteriormente, dispuesta en las paredes laterales del alojamiento 820, la producción de gas debería detenerse después de cerrarse una válvula de corte.
Como tal, el aparato generador de gas 812 está preferiblemente provisto con un manguito 832 sensible a la presión configurado para detener el enrollamiento del resorte 830. El manguito 832 sensible a la presión está situado en forma adyacente al obturador 840 y es adyacente a al menos una porción del resorte 830. El manguito 832 sensible a la presión está preferiblemente fabricado de un material rígido fácilmente trasladable por la presión dentro del alojamiento 820, tal como plástico, resina, metal o lo similar. El manguito 832 sensible a la presión está dispuesto en forma deslizable dentro del alojamiento 820 separado del obturador 840 para crear un espacio 831 de modo que el manguito 832 sensible a la presión sea libre de trasladarse dentro del alojamiento 820 dentro y fuera del espacio 831. El manguito 832 sensible a la presión es empujado alejándolo del obturador 840 mediante un resorte 829, el cual puede ser cualquier tipo de resorte conocido en el arte, tal como un resorte de compresión arrollado o un gas o hidrocarburo líquido.
Una vez que la presión dentro de la cámara de reacción 818 alcanza el nivel umbral, la fuerza provista por el resorte 829 que empuja el manguito 832 sensible a la presión alejándolo del obturador 840 es vencida de modo que el manguito 832 sensible a la presión se traslada hacia el obturador 840. Al realizar esto, el manguito 832 sensible a la presión aprieta el resorte 830, evitando de este modo que el resorte 830 se enrolle adicionalmente. Como tal, el resorte 830 no puede continuar traccionando el saco 844 y no se expele componente de combustible líquido adicional del saco 844. Cuando el gas es una vez más liberado del alojamiento 820 para disminuir la presión allí dentro por debajo del nivel umbral, el resorte 829 se expande y el manguito 832 sensible a la presión es trasladado de regreso a su posición original, liberando de este modo el resorte 830. El resorte 830 una vez más puede traccionar sobre el extremo de la boquilla del saco 844, y puede producirse gas adicional.
En la FIG. 14 se muestra aún otro aparato generador de gas 912. El aparato generador de gas 912 incluye un alojamiento 920 similar a los alojamientos para los otros aparatos generadores de gas mostrados y discutidos anteriormente. El alojamiento 920 está configurado generalmente para definir una cámara de reacción 918 que contiene un componente de combustible sólido 924, tal como borohidruro de sodio, y una cámara de componente de combustible líquido 944 que contiene un componente de combustible líquido 922, tal como agua. Como será reconocido por aquellos en el arte, cualquiera de los componentes de combustible sólido o líquido discutidos en esta solicitud son apropiados para uso con esta realización. - • . • • Un pistón 980 dispuesto en forma deslizable dentro del alojamiento 920 divide el interior del alojamiento 920 en una cámara 944 de componente de combustible líquido y una cámara de reacción 918. El pistón 980 está dispuesto en forma sellante dentro del alojamiento 920. Como tal, el pistón 980 está preferiblemente fabricado de un material deformable que no es reactivo ni con el componente de combustible líquido 922, ni con el componente de combustible sólido 924 ni con el gas producido mediante la reacción entre ambos, y está cubierto con un material de tipo gel que realza los aspectos de sellado del pistón 980 y facilita el movimiento de deslizamiento del mismo, tal como petrolato. Alternativamente, como se muestra en la FIG. 14, el pistón 980 puede ser fabricado de cualquier material rígido que es, de modo similar, no reactivo como el material deformable discutido anteriormente, pero incluye al menos un elemento sellador 938, tal como una junta tórica (O-ring) de goma o silicona o un material lubricante de tipo gel tal como petrolato. Se provee un freno 981 o estructura similar adyacente al pistón 980 dentro de la cámara de reacción 918, de modo que el pistón 980 se desliza solamente hacia la cámara 944 de componente de combustible líquido. El freno 981 es preferiblemente un disco o placa cóncava de plástico o metal cuyos bordes son agudos y pueden aferrarse o anclarse contra las paredes laterales del alojamiento 920 para evitar el movimiento en dirección opuesta a la concavidad.
Un extremo del alojamiento 920 está sellado con un obturador 940 de modo que la cámara del componente de combustible líquido 944 está definida mediante el obturador 940, el alojamiento 920 y el pistón 980. El obturador 940 está fabricado de cualquier materíal capaz de sellar el alojamiento 920 contra el escape de gas producido durante la reacción del componente de combustible líquido 922, tal como goma, silicona o lo similar. El componente de combustible líquido 922 preferiblemente llena completamente la cámara de componente de combustible líquido 944. Adicionalmente, el componente de combustible líquido 922 puede estar presurizado con hidrógeno o un gas combustible similar de modo que se realza el flujo de componente de combustible líquido 922 fuera de la cámara de componente de combustible líquido 944. El gas presurizado puede estar contenido dentro de un saco elástico dispuesto dentro de la cámara del componente de combustible líquido 944 y configurado para expandirse para expeler componente de combustible líquido 922 desde la cámara de componente de combustible líquido 944. Opcionalmente, se provee una válvula de seguridad o válvula aliviadora de presión (no mostrada) en las paredes laterales del alojamiento 920 que define la cámara del componente de combustible líquido 944 que permite que el aire u otros gases del ambiente dentro de la cámara de componente de combustible líquido 944, eviten la formación de vacío dentro de ella y posiblemente detengan el movimiento del pistón 980.
El extremo opuesto del alojamiento 920 incluye un segundo obturador 935 que es similar en construcción y materiales al obturador 940. Como tal, la cámara de reacción 918 está definida por un segundo obturador 935, alojamiento 920 y pistón 980. Sin embargo, una válvula 934 está dispuesta en el segundo obturador 935 para crear una vía de flujo a la celda de combustible (no mostrada) o un conducto que conduce a la celda de combustible (no mostrada). La válvula 934 es similar a otras válvulas discutidas en la presente y es preferiblemente una válvula de corte p una válvula de seguridad configurada para abrirse sólo cuando la presión dentro de la cámara de reacción 918 alcanza un nivel umbral. El componente de combustible sólido 924 está dispuesto sobre las paredes laterales del alojamiento 920 dentro de la cámara de reacción adyacente al, o cerca del, segundo obturador 935. Preferiblemente, el componente de combustible sólido 924 está en forma similar a una tableta, presionado a, o adherido de otro modo a, las paredes laterales del alojamiento 920 para formar una estructura de tipo anillo. Alternativamente, el componente de combustible sólido 924 puede estar en forma granular o en forma de polvo y retenido en su lugar contra las paredes laterales del alojamiento 920 mediante una malla o tamiz cuyo tamaño de poros está seleccionado de modo que los granulos del componente de combustible sólido 924 no pasen a través de los poros, pero que permite que el componente de combustible líquido 922 pase a través de los mismos para reaccionar con el componente de combustible sólido 924.
Se provee un tubo de transferencia de fluido 982 a través del pistón 980 para conectar los fluidos de la cámara de componente de combustible líquido 944 con la cámara de reacción 918. tubo de transferencia de fluido 982 puede ser cualquier tipo de tubo o conducto capaz de transferir componente de combustible líquido 922 al componente de combustible sólido 924. Sin embargo, el tubo de transferencia de fluido 982 es preferiblemente un tubo rígido, de pequeño diámetro interno, fabricado de un material que es sustancialmente inerte al componente de combustible líquido 922, al componente de combustible sólido 924 y al gas producido mediante ia reacción entre ambos. Preferiblemente, el diámetro interno del tubo de transferencia de fluido 982 está entre aproximadamente 0,001 pulgadas y 0,01 pulgadas; más preferiblemente, el diámetro interno del tubo de transferencia de fluido 982 es aproximadamente 0,005 pulgadas.
La longitud del tubo de transferencia de fluido 982 está seleccionada de modo que el movimiento del pistón 980 hacia el obturador 940 da por resultado sólo la expulsión de una gota de fluido desde el extremo del tubo de transferencia de fluido 982 sobre el componente de combustible sólido 924. El tubo de transferencia de fluido 982 preferiblemente tiene una longitud suficiente de modo que cuando está en una posición inicial, el extremo libre del tubo de transferencia de fluido 982 se extiende a través del componente de combustible sólido 924 hasta un punto en, o cerca del, segundo obturador 935. De este modo, cuando el pistón 980 se mueve, el tubo de transferencia de fluido 982 es movido hacia un suministro fresco de componente de combustible sólido 924. También, en la alternativa, el pistón 980 no se mueve necesariamente, tal como si el componente de combustible líquido 922 estuviera presurizado con un saco lleno con un hidrocarburo licuado provisto dentro de la cámara de componente de combustible líquido 944. En tal caso, el hidrocarburo licuado se expande a una presión constante para expeler componente de combustible líquido 922 desde la cámara de componente de combustible líquido 944.
En operación, el flujo de componente de combustible líquido 922 es inicialmente disparado, tal como por un usuario, presurizando el componente de combustible líquido 922 o perforando o removiendo un sello que cubre el extremo libre del tubo de transferencia de fluido 982 (no mostrado). El componente de combustible líquido 922 entonces fluye a través del tubo de transferencia de fluido 982 dentro de la cámara de reacción y gotea sobre el componente de combustible sólido 924. El componente de combustible líquido 922 y el componente de combustible sólido 924 reaccionan para producir hidrógeno. Cuándo se ha juntado suficiente presión dentro de la cámara de reacción 918, se abre la válvula de seguridad 934 para permitir que el gas combustible fluya hacia la celda de combustible (no mostrada) o, alternativamente, un usuario o un controlador abre la válvula de corte 934. Si la presión dentro de la cámara de reacción 918 aumenta adicionalmente, una presión de la cámara de reacción Pg-?8 eventualmente alcanza un nivel en donde la presión de la cámara de reacción Pg-?8 empuja ei pistón 980 hacia el obturador 940. Sin embargo, un incremento adicional en la presión de la cámara de reacción Pg.s finalmente evitará que componente de combustible líquido 922 adicional fluya a través del tubo de transferencia de fluido 982, como cuando la presión de la cámara de reacción P9?8 es mayor que la presión de la cámara de componente de combustible líquido P944, el componente de combustible líquido 922 no puede fluir dentro de la cámara de reacción 918 debido al gradiente de presión. En otras palabras, la presión de la cámara de componente de combustible líquido P944 necesita ser mayor que la presión de la cámara de reacción Pg-|8 en al menos una cantidad fija, tal como X psi. El tubo de transferencia de fluido 982 es preferiblemente suficientemente largo de modo que X sea igual a 2 psi, por ejemplo, para que el fluido fluya a través del tubo de transferencia de fluido 982. Cuando la presión de la cámara de reacción Pg?8 es disminuida, tal como mediante transferencia fuera de la cámara de reacción a través de la válvula 934, el componente de combustible líquido 922 fluye nuevamente a través del tubo de transferencia de fluido 982 de modo que puede producirse gas adicional. En otras palabras, mientras el hidrógeno producido sea transportado fuera del aparato generador de gas 912 a una velocidad suficiente para mantener la presión de la cámara de reacción P918 relativamente baja, el componente de combustible líquido 922 continúa siendo transportado a la cámara de reacción 918.
Algunos ejemplos de los combustibles que son utilizados en la presente invención incluyen, pero no están limitados a, hidruros de elementos de los Grupos IA-IVA de la Tabla Periódica de Elementos y mezclas de los mismos, tales como hidruros de metales alcalinos o mezclas de los mismos. Pueden también emplearse otros compuestos, tales como hidruros de metal alcalino y aluminio (alanatos) y borohidruros de metales alcalinos. Ejemplos más específicos de hidruros de metales ¡ncluyen, pero no están limitados a, hidruro de litio, hidruro de aluminio y litio, borohidruro de litio, hidruro de sodio, borohidruro de sodio, hidruro de potasio, borohidruro de potasio, hidruro de magnesio, hidruro de calcio, y sales y/o derivados de los mismos. Los hidruros preferidos son borohidruro de sodio, borohidruro de magnesio, borohidruro de litio y borohidruro de potasio. Preferiblemente, el combustible que lleva hidrógeno comprende la forma sólida de NaBH4, Mg(BH )2, o compuesto clatrato de metanol (MCC) que es un sólido que incluye metanol. En forma sólida, el NaBH4 no se hidroliza en ausencia de agua y en consecuencia mejora la vida en estante del cartucho. Sin embargo, la forma acuosa de combustible que lleva hidrógeno, tal como NaBH4 acuoso, puede también ser utilizada en la presente invención. Cuando se utiliza una forma acuosa de NaBH4, la cámara que contiene el NaBH4 acuoso también incluye un estabilizante. Los estabilizantes a modo de ejemplo pueden incluir, pero no están limitados a, metales e hidróxidos de metales, tales cómo hidróxidos de metales alcalinos. Los ejemplos de tales estabilizadores se describen en la patente US 6.683.025, que es incorporada como referencia a la presente en su totalidad. Preferiblemente, el estabilizante es NaOH.
La forma sólida del combustible que lleva hidrógeno es preferida sobre la forma líquida. En general, los combustibles sólidos son más ventajosos que los combustibles líquidos porque los combustibles líquidos contienen propprcionalmente menos energía que los combustibles sólidos y los combustibles líquidos son menos estables que su contraparte los combustibles sólidos. En forma concordante, el combustible más preferido para la presente invención es borohidruro de sodio en polvo o en polvo aglomerado.
De acuerdo con la presente invención, el componente de combustible fluido preferiblemente es capaz de reaccionar con un componente de combustible sólido que lleva hidrógeno en presencia de un catalizador opcional para generar hidrógeno. Preferiblemente, el componente de combustible fluido incluye, pero no está limitado a, agua, alcoholes, y/o ácidos diluidos. La fuente más común de componente de combustible fluido es el agua. Como se indica anteriormente y en la formulación más adelante, el agua puede reaccionar con un combustible que • lleva hidrógeno, tal como NaBH4 en presencia de un catalizador opcional para generar hidrógeno.
X(BH4)y + 2H2O - X(BO)2 + 4H2 En donde X incluye, pero no está limitado a, Na, Mg, Li y todos los metales alcalinos, e y es un entero. . . .
El componente de combustible fluido también incluye aditivos opcionales que reducen o incrementan el pH de la solución. El pH del componente de combustible fluido puede ser utilizado para determinar la velocidad a la cual se produce hidrógeno. Por ejemplo, los aditivos que reducen el pH de! componente de combustible fluido dan por resultado una mayor velocidad degeneración de hidrógeno. Tales aditivos incluyen, pero no están limitados a, ácidos, tales como ácido acético y ácido sulfúrico. De modo inverso, los aditivos que elevan el pH pueden hacer más lenta la velocidad de reacción hasta el punto en donde casi no evoluciona hidrógeno. La solución de la presente invención puede tener cualquier valor de pH menor que 7, tal como un pH de desde aproximadamente 1 a aproximadamente 6 y, preferiblemente, desde aproximadamente 3 a aproximadamente 5.
En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el componente de combustible fluido incluye un catalizador que puede iniciar y/o facilitar la producción de gas hidrógeno incrementando la velocidad a la cual el componente de combustible fluido reacciona con un componente de combustible. El catalizador de estas realizaciones a modo de ejemplo incluye cualquier forma o tamaño que sea capaz de promover la reacción deseada. Por ejemplo, el catalizador puede ser suficientemente pequeño para formar un polvo o puede ser tan grande como la cámara de reacción, dependiendo del área superficial deseada del catalizador. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el catalizador es un lecho de catalizador. El catalizador puede estar situado dentro de la cámara de reacción o próximo a la cámara de reacción, siempre que al menos uno del componente de combustible fluido o del componente de combustible sólido entre en contacto con el catalizador.
El catalizador de la presente invención puede incluir uno o más metales de transición del Grupo VIIIB de la Tabla Periódica de Elementos. Por ejemplo, el catalizador puede incluir metales de transición tales como hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), rutenio (Ru), rodio (Rh), platino (Pt), paladio (Pd), osmio (Os) e iridio (ir). Adicionalmente, los metales de transición del Grupo IB, es decir, cobre (Cu), plata (Ag) y oro (Au), y del Grupo IIB, es decir, zinc (Zn), cadmio (Cd) y mercurio (Hg) pueden también ser utilizados en el catalizador de la presente invención. El catalizador puede también incluir otros metales de transición que incluyen, pero no están limitados a, escandio (Sc), titanio (Ti), vanadio (V), cromo (Cr) y manganeso (Mn). Los catalizadores de metales de transición útiles en la presente invención están descriptos en la patente US 5.804.329, que es incorporada como referencia a la presente en su totalidad. El catalizador preferido de la presente invención es CoCI2.
Alguno de los catalizadores de la presente invención pueden genéricamente ser definidos mediante la siguiente fórmula en donde M es el catión del metal de transición, X es el anión y "a" y "b" son enteros desde 1 a 6 según sea necesario para balancear las cargas del complejo de metal de transición.
Los cationes adecuados de los metales de transición incluyen, pero no están limitados a, hierro (II) (Fe2+), hierro (lll) (Fe3+), cobalto (Co2+), níquel ( ) (Ni2+), níquel (lll) (Ni3+), rutenio (lll) (Ru3+), rutenio (IV) (Ru +), rutenio (V) (Ru5+), rutenio (VI) (Ru64), rutenio (VIII) (Ru8+), rodio (lll) (Rh3+), rodio (IV) (Rh4+), rodio (VI) (Rh6+), paladio (Pd2+), osmio (lll) (Os3+), osmio (IV) (Os +), osmio (V) (Os5+), osmio (VI) (Os6+), osmio (VIII) (Os8+ , iridio (lll) (lr3+), iridio (IV) (lr4+), Iridio VI (lr6+), platino (II) (Pí2*), platino (lll) (Pt3+), platino (IV) (Pt4+), platino (VI) (Pt6+), cobre (!) (Cu+), cobre (II) (Cu2+), plata (I) (Ag+), plata (II) (Ag2+), oro (I) (Au+), oro (NI) (Au3+), zinc (Zn2+), cadmio (Cd2+), mercurio (I) (Hg+), mercurio (II) (Hg +), y lo similar.
Los aniones adecuados incluyen, pero no están limitados a, hidruro (H"), fluoruro (F"), cloruro (Cl"), bromuro (Br), yoduro (I"), óxido (O2-), sulfuro' (S2"), nitruro (N3"), fosfuro (P4"), hipoclorito (CIO"), clorito (ClO2"), clorato (CIO3"), perclorato (CIO4"), sulfito (SO32"), sulfato (SO42"), hidrógeno sulfato (HSO4"), hidróxido (OH"), cianuro (CN"), tiocianato (SCN"), cianato (OCN"), peróxido (O22"), manganato (MnO42"), permanganato (MnO4"), dicró'mato (Cr2O72"), carbonato (CO32"), hidrógeno carbonato (HCO3"), fosfato (PO43"), hidrógeno fosfato (HPO42"), dihidrógeno fosfato (H2PO4"), aluminato (AI2O42"), arsenato (AsO43"), nitrato (NO3"), acetato (CH3COO"), oxalato (C2O42"), y lo similar. Un catalizador preferido es el cloruro de cobalto.
En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el aditivo opcional, que está en el componente de combustible fluido y/o en la cámara de reacción, es cualquier composición que es capaz de prevenir sustancialmente el congelamiento de, o reducir el punto de congelamiento del, componente de combustible fluido y/o componente de combustible sólido. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el aditivo puede ser una composición en base alcohol, tal como un agente anticongelante. Preferiblemente, el aditivo de la presente invención es CH3OH. Sin embargo, como se expresó anteriormente, puede utilizarse cualquier aditivo capaz de reducir el punto de congelamiento del componente de combustible fluido y/o componente de combustible sólido.
Otras realizaciones de la presente invención serán evidentes para aquellos expertos en el arte de la consideración de la presente memoria descriptiva y práctica de la presente invención descripta en la presente. Se entiende que la presente memoria descriptiva y ejemplos sean considerados como ejemplos solamente, estando indicado el verdadero alcance y espíritu de la invención por las siguientes reivindicaciones y equivalentes de las mismas.
Aunque es evidente que las realizaciones ilustralivas de la invención descriptas en la presente satisfacen los objetivos de la presente invención, se apreciará que numerosas modificaciones y oirás realizaciones pueden ser deducidas por aquellos expertos en el arte. Por ejemplo, cualquiera de las válvulas en la presente pueden ser disparadas por un controlador electrónico tal como un microprocesador. Adicionalmente, en estas realizaciones que ¡ncluyen ambas una válvula de seguridad (34, 234, 334, 434, 534, 634, 834, 934) y/o una válvula de corte (36, 834, 934), Una o ambas de las válvulas puede ser omitida y/o la válvula de seguridad y la válvula de corte pueden ser intercambiadas. Adicionalmente, característica (s) y/o elemento(s) de cualquier realización pueden ser utilizados por separado o en combinación con característica(s) y/o elemento(s) de otra(s) realización(es). En consecuencia, se entenderá que las reivindicaciones anexas están destinadas a cubrir todas tales modificaciones y realizaciones, que estarán dentro del espíritu y alcance de la presente invención. Todas las publicaciones descriptas en la presente, incluyendo, pero no limitadas a, patentes, solicitudes de patentes, artículos, y libros, están incorporados como referencia en su totalidad.

Claims (34)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato generador de gas que comprende: una cámara de reacción que contiene un componente de combustible sólido; un reservorio que contiene un componente de combustible líquido; una vía de fluido para introducir ei componente de combustible líquido dentro de la cámara de reacción; y un medio para controlar el flujo del componente de combustible líquido dentro de la cámara de reacción.
2. Un aparato generador de gas que. comprende: . una cámara de reacción que contiene un componente de combustible sólido; un reservorio que contiene un componente de combustible líquido; y una vía de fluido para introducir el componente de combustible líquido dentro de la cámara de reacción, en donde el componente de combustible líquido es introducido dentro de la cámara de reacción en respuesta a una presión dentro de la cámara de reacción.
3. El aparato generador de gas de la reivindicación 2, en donde la cámara de reacción es una cámara movible dispuesta entre el reservorio y una cámara vacía.
4. El aparato generador de gas de la reivindicación 3, en donde la vía de fluido comprende una boquilla dispuesta en una pared lateral de la cámara movible.
5. El aparato generador de gas de la reivindicación 4, en donde la boquilla comprende una válvula.
6. El aparato generador de gas de la reivindicación 4, en donde la boquilla comprende una abertura.
7. El aparato generador de gas de la reivindicación 4, en donde la cámara movible está empujada hacia el reservorio.
8. El aparato generador de gas de la reivindicación 2, en donde la cámara de reacción está conectada a la válvula de transferencia de combustible mediante un tubo flexible.
9. El aparato generador de gas de la reivindicación 2, en donde la cámara movible está conectada a un brazo.
10. El aparato generador de gas de la reivindicación 9, en donde el brazo está configurado para extenderse dentro del reservorio de modo que cuando la cámara movible es movida, el brazo sella la vía del fluido.
11. El aparato generador de gas dé la reivindicación 9 que comprende adicionaimente una rueda que conecta la cámara móvil al brazo y a un obturador operativamente conectado al brazo, en donde el obturador sella la vía de fluido cuando la cámara es movida.
12. El aparato generador de gas de la reivindicación 11 , en donde el obturador está dispuesto en forma movible dentro de un tubo conectado en forma abisagrada al brazo y conectado en forma abisagrada y en conexión de fluidos con la vía de fluido, en donde el obturador se mueve para sellar la vía de fluido cuando la cámara es movida.
13. El aparato generador de gas de la reivindicación 2, en donde la vía de fluido comprende un miembro tubular que tiene un extremo libre que se extiende dentro de la cámara de reacción, en donde al menos está dispuesto un puerto en el extremo libre, y en donde el componente de combustible sólido y un material de mecha están conectados al extremo libre:
14. El aparato generador de gas de la reivindicación 13, en donde el material de mecha comprende cristales de poliacrilato de sodio en una matriz fibrosa.
15. El aparato generador de gas de la reivindicación 13 que comprende adicionalmente una válvula de control de fluido dispuesta dentro del miembro tubular y un tubo de transferencia de presión que conecta la cámara de reacción y el miembro tubular de modo que la válvula de control de fluido puede ser disparada por la presión dentro de la cámara de reacción.
16. El aparato generador de gas de la reivindicación 2, en donde la cámara de reacción comprende un saco expansible que contiene ambos el componente de combustible sólido y ei componente de combustible líquido, y en donde la vía de fluido está formada en un manguito que separa el componente de combustible sólido del componente de combustible líquido, y en donde e! componente de combustible líquido está en contacto con el componente de combustible sólido de modo que ocurre una reacción entre el componente de combustible líquido y el componente de combustible sólido para producir un gas cuando el saco expansible está en la configuración colapsada, y en donde el componente de combustible líquido no está en contacto con el componente de combustible sólido de modo que sustancialmente no se produce gas cuando el saco expansible ha sido inflado hasta un diámetro predeterminado.
17. El aparato generador de gas de la reivindicación 16, en donde el saco expansible está en la configuración colapsada cuando la presión en la cámara de reacción está por debajo de un valor predeterminado de modo que se produce gas adicional, y en donde el saco expansible es inflado cuando la presión en la cámara de reacción está por encima de un nivel predeterminado.
18. El aparato generador de gas de la reivindicación 16, que comprende adicionalmente una vía de transferencia de fluido configurada para transferir el gas producido por la reacción a una celda de combustible.
19. El aparato generador de gas de la reivindicación 2 que comprende adicionalmente: un pistón de malla dispuesto en forma deslizable dentro de la cámara de reacción en contacto con el componente de combustible sólido, en donde el pistón de malla está configurado para permitir que pase a través de él un subproducto de una reacción entre el componente de combustible sólido y el componente de combustible líquido; un tubo flexible que se extiende a través del pistón de malla, en donde el tubo flexible es la vía de fluido; y un resorte que empuja el pistón de malla hacia el componente de combustible sólido. - •
20. El aparato generador de gas de la reivindicación 19, en donde el resorte empuja el pistón de malla a través del subproducto hasta una ubicación de componente de combustible sólido fresco, conforme el componente de combustible sólido es consumido por la reacción.
21. El aparato generador de gas de la reivindicación 2, que comprende adicionalmente un pistón dispuesto en forma deslizable entre la cámara de reacción y el reservorio, en donde la vía de fluido comprende un miembro tubular de pequeño diámetro interno que se extiende a través del pistón.
22. El aparato generador de gas de la reivindicación 21, que comprende adicionalmente un freno dispuesto dentro de la cámara de reacción y adyacente al pistón, en donde el freno es configurado para permitir que el pistón se mueva sólo en dirección hacia el reservorio.
23. El aparato generador de gas de la reivindicación 21, que comprende adicionalmente un saco dispuesto dentro del reservorio, en donde el saco está configurado para expandirse con el objeto de expeler el componente de combustible líquido del reservorio.
24. El aparato generador de gas de la reivindicación 23, en donde el saco contiene un hidrocarburo líquido.
25. El aparato generador de gas de la reivindicación 21, en donde el miembro tubular está conformado y dimensionado para evitar que el componente de combustible líquido fluya a través del miembro tubular hasta que se alcance un diferencial de presión umbral entre el reservorio y la cámara de reacción.
26. El aparato generador de gas de la reivindicación 2, en donde el reservorio es un saco deformable con un resorte de fuerza constante unido en forma fija a un primer extremo del saco, en donde el resorte de fuerza constante tracciona continuamente el primer extremo del saco hacia un segundo extremo del saco para expeler el componente de combustible líquido a través de la vía de fluido.
27. El aparato generador de gas de la reivindicación 26, que comprende adicionalmente un manguito disparado por presión, en donde el manguito disparado por presión está configurado para evitar que el resorte de fuerza constante se enrolle cuando la presión en la cámara de reacción alcanza una presión umbral.
28. El aparato generador de gas de la reivindicación 26, en donde la vía de fluido comprende una boquilla en conexión de fluidos con el saco.
29. El aparato generador de gas de la reivindicación 28, en donde la boquilla incluye un único puerto de salida.
30. El aparato generador de gas de la reivindicación 28, en donde la boquilla incluye una pluralidad de puertos de salida.
31. El aparato generador de gas de la reivindicación 2, en donde la vía de fluido comprende múltiples vías de flujo, en donde las múltiples vías de flujo están en conexión de fluidos de modo que la vía de combustible líquido fluye a través de cada vía secuencialmente.
32. El aparato generador de gas de la reivindicación 31, en donde cada uno de las múltiples vías de flujo tiene un diámetro diferente.
33. El aparato generador de gas de la reivindicación 32, en donde los diámetros de las múltiples vías de flujo disminuye secuencialmente mientras que una cámara provista debajo de las múltiples vías de flujo aumenta en diámetro secuencialmente.
34. El aparato generador de gas de la reivindicación 31, en donde cada uno de las múltiples vías de flujo está provista con una válvula, en donde la válvula está configurada para restringir el acceso a su vía de flujo asociada hasta que se alcanza un umbral de presión.
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