MX2008011593A - Composiciones combustibles para celdas de combustible y generadores de gas que las utilizan. - Google Patents

Composiciones combustibles para celdas de combustible y generadores de gas que las utilizan.

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Abstract

En una reacción de agua u otros líquidos reaccionables con combustibles de borohidruro sólido, el reactivo líquido y/o aditivos, se convierten en una forma de gel (14). El hidruro metálico sólido y el catalizador se forman en un miembro sólido simple (26). El miembro de hidruro metálico simple/catalizador se inserta en el gel (14) para iniciar la reacción con el fin de producir hidrógeno y se extrae del gel para detener o aminorar la reacción. Un generador de gas con autorregulación (10, 40) que utiliza tal formulación para producción de combustible controla automáticamente la velocidad de reacción de la misma para controlar la presión interna del generador de gas.

Description

COMPOSICIONES COMBUSTIBLES PARA CELDAS DE COMBUSTIBLE Y GENERADORES DE GAS QUE LAS UTILIZAN CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a nuevas composiciones combustibles para celdas de combustible, y más particularmente a nuevas composiciones combustibles que producen hidrógeno para utilizarse en celdas de combustible .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Un reto conocido en la técnica de generación de hidrógeno es controlar la velocidad de reacción entre un hidruro metálico químico, tal como borohidruro de sodio y un líquido, tal como agua o metanol. Cuando la reacción es demasiado lenta, la celda de combustible no tiene suficiente hidrógeno para generar electricidad. Cuando la reacción es demasiado rápida, el gas hidrógeno en exceso puede presurizar el suministro de combustible. Hasta ahora, el control de la velocidad de reacción para producir hidrógeno en una reacción química de hidruro metálico se ha logrado introduciendo el catalizador en una cámara de reacción que contiene hidruro metálico acuoso y agua para iniciar la reacción y eliminar el catalizador de ésta para detener la reacción, como se describe en las Patentes de los Estados Unidos Nos. 6,939,529 y 3,459,510 y en la Publicación de Patente de los Estados Unidos No. US 2005/0158595. Esta técnica regula la velocidad de reacción al controlar qué tanto interactúa el catalizador con el combustible acuoso o la duración de contacto entre el catalizador y el combustible. Otro método de control de la velocidad de reacción es agregar granulos de hidruro metálico que tienen tamaño uniforme en el agua a una velocidad uniforme para controlar la producción de hidrógeno como se describe en la Publicación de Patente de los Estados Unidos No. US 2004/0184987. Otro método es controlar la velocidad de inyección de agua y solución acuosa de hidruro metálico para controlar la velocidad de reacción. No obstante, persiste una necesidad de métodos adicionales para controlar la velocidad de reacción.
BREVE SUMARIO DE LA INVENCIÓN Un aspecto de la invención se enfoca en una composición combustible con la capacidad de producir hidrógeno a través de una reacción de oxidación para utilizarse en una celda de combustible. La composición combustible incluye un reactivo en gel, un reactivo químico de hidruro metálico y un catalizador. Otro aspecto de la invención está enfocado en un generador de gas adaptado para utilizarse con la composición combustible que incluye un reactivo en gel, un reactivo químico de hidruro metálico y un catalizador. El generador de gas incluye una cámara que contiene el reactivo en gel, en donde el reactivo sólido se coloca en una plataforma inclinada y el reactivo sólido es móvil con respecto al reactivo en gel. El reactivo en gel está separado de la plataforma para formar una cámara de presión. El gas producido de una reacción entre el reactivo en gel y el reactivo de hidruro metálico crea una presión dentro de la cámara de presión. Cuando la presión es superior a una presión predeterminada, el reactivo sólido se mueve lejos del reactivo en gel. Cuando la presión es inferior a la presión predeterminada, el reactivo sólido se mueve hacia el reactivo en gel. Otro aspecto de la invención se enfoca en un generador de gas con la capacidad de producir hidrógeno a través de una reacción de oxidación. El generador de gas contiene un reactivo líquido y un hidruro metálico químico. El generador de gas incluye una aleación/metal absorbente de hidrógeno para absorber el hidrógeno en exceso.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Las anteriores y otras características y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción de la invención como se ilustra en los dibujos anexos. Los dibujos anexos forman parte de la especificación para explicar los principios de la invención y para habilitar a una persona experta en la técnica pertinente a realizar y utilizar la invención. La Figura 1 es una vista seccional transversal de un generador de gas hidrógeno de acuerdo con la presente invención; la Figura 1A es una vista frontal de una pared de soporte utilizada en el generador de gas hidrógeno de la Figura 1; la Figura IB es una vista seccional transversal de una variación del generador de gas de la Figura 1; La Figura 2 es una vista seccional transversal de otro generador de gas hidrógeno de acuerdo con la presente invención; y la Figura 2A es una vista en perspectiva de una membrana utilizada en el generador de gas hidrógeno de la Figura 2.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Se conoce la reacción general entre un reactivo de hidruro metálico y un reactivo líquido para producir hidrógeno. En un ejemplo, la reacción entre borohidruro de sodio y agua es como sigue: NaBH4 + 2H20 (catalizador) 4 (H2) + (NaB02) Catalizadores adecuados incluyen platino, rutenio y sal de rutenio (RuCl3) , entre otros metales y sales de los mismos. El subproducto borato de sodio (NaB02) también se produce por la reacción. El combustible de borohidruro de sodio como se utiliza en celdas de combustible se describe en la Patente de los Estados Unidos No. 3,459,510, cuya exposición íntegra se considera forma parte de la presente, como referencia. Como se ilustra en los dibujos anexos y se describe con detalle enseguida, la presente invención se dirige a métodos y composiciones capaces de controlar y maximizar la liberación de hidrógeno a partir de combustibles químicos de hidruro metálico, tales como borohidruro de sodio (NaBHj y agua. La presente invención también se dirige a aparatos de autorregulación que maximizan la . liberación de combustibles de hidrógeno a partir de una reacción de combustibles químicos de hidruro metálico y agua. Los aparatos generadores de hidrógeno que utilizan combustibles químicos de hidruro metálico se describen en la Solicitud copendiente de los Estados Unidos No. 10/679,756 presentada el 6 de Octubre de 2003, Solicitud de los Estados Unidos No. 11/067,167 presentada el 25 de Febrero de 2005, Solicitud de los Estados Unidos No. 11/066,573 presentada el 25 de Febrero de 2005, Solicitud Provisional de los Estados Unidos No. 60/689,538 presentada el 13 de Junio de 2005, y Solicitud Provisional de los Estados Unidos No. 60/689,539 presentada el 13 de Junio de 2005. Las descripciones de todas estas citas se incorporan como referencia en la presente en su totalidad. Combustibles químicos de hidruro metálico adecuados incluyen, pero no se encuentran limitados a, hidruros de elementos de los Grupos IA-IVA de la Tabla Periódica de los Elementos y mezclas de los mismos, tales como hidruros alcalinos o de metales alcalinos, o mezclas de los mismos. Otros compuestos, tales como hidruros de metal alcalino-aluminio (alanatos) y borohidruro de metal alcalino también se pueden emplear. Ejemplos más específicos de hidruros metálicos incluyen, pero no se encuentran limitados a, hidruro de litio, hidruro de litio- aluminio, borohidruro de litio, hidruro de sodio, borohidruro de sodio, hidruro de potasio, borohidruro de potasio, hidruro de magnesio, borohidruro de magnesio, hidruro de calcio, y sales y/o derivados de los mismos. Los hidruros preferidos son hidruro de sodio, borohidruro • de sodio, borohidruro de magnesio, borohidruro de litio, y borohidruro de potasio, más preferentemente NaBH4 y/o Mg(BH4)2. Líquidos diferentes al agua, tales como metanol y otros alcoholes también se pueden utilizar para reaccionar con los hidruros metálicos químicos. En forma sólida, el NaBH4, que típicamente está en la forma de polvo o granulos o en la forma sólida de partículas comprimidas, no se hidroliza fácilmente en ausencia de agua, y por lo tanto el uso de borohidruro anhidro mejora la estabilidad en almacenaje del suministro de combustible o del generador de gas. No obstante, la forma acuosa de combustible que lleva hidrógeno, tal como NaBH4 acuoso, típicamente se hidroliza fácilmente salvo que esté presente un agente estabilizante. Agentes estabilizantes ejemplares pueden incluir, pero no se encuentran limitados a, metales e hidróxidos metálicos, tales como hidróxidos de metal alcalino, por ejemplo KOH y/o NaOH. Ejemplos de tales estabilizantes se describen en la Patente de los Estados Unidos" No. 6,683,025, cuya exposición íntegra se considera forma parte de la presente, como referencia. La forma sólida del combustible que lleva hidrógeno generalmente se prefiere sobre la forma acuosa. En general, se piensa que los combustibles sólidos son más ventajosos que los combustibles líquidos porque los combustibles acuosos contienen proporcionalmente menor energía que los combustibles sólidos y los combustibles líquidos típicamente son menos estables que los combustibles sólidos. Uno de los problemas asociados con las formas sólidas de NaBH4 (pella, gránulo, polvo, aglomerado, etc.) es que, durante la oxidación del borohidruro por agua, puede aparecer el subproducto metaborato (B02") sobre la superficie del sólido. Conforme continúa la reacción de oxidación, el metaborato y otras formas de boratos tienden a formar una película o capa sobre la superficie del sólido de borohidruro, lo que puede inhibir la reacción de oxidación de borohidruro-agua. Además, el metaborato y otros iones de borato pueden absorber varias moléculas de agua cada uno, reaccionando con algunos y quelando con otros, lo que provoca que la reacción de oxidación de hidruro metálico necesite más agua que la reacción estequiométrica ideal. También, se cree que el agua debe pasar a través de la película de borato y no debe quelarse por, o reaccionar con, los subproductos de oxidación de borato antes de llegar debajo del borohidruro. Aunque el metaborato y otros iones de borato son menos reactivos con el agua que las moléculas de borohidruro, la película de borato provoca que se limite la reacción de borohidruro-agua . Adicionalmente , la reacción entre NaBH4 y agua, una vez que comienza, puede ser difícil de controlar, de manera que el hidrógeno se puede producir de manera no uniforme con un nivel máximo en la producción de hidrógeno cuando se combinan reactivos frescos. Cuando el gas se produce demasiado rápido después de que reaccionan los reactivos frescos, el gas puede sobrepresurizar un suministro de combustible o generador de hidrógeno y dañar el suministro de combustible. Adicionalmente , si se comunica alta presión a una celda de combustible, ésta también puede dañar la celda de combustible. De acuerdo con la presente invención, la reacción de agua u otros líquidos que pueden reaccionar con combustibles de borohidruro sólido, se puede modificar como sigue: convertir el reactivo líquido y/o aditivos a una forma de gel, formando el hidruro metálico sólido y el catalizador un miembro sólido simple, insertar el hidruro metálico simple/miembro catalizador en el gel para iniciar la reacción, con el fin de producir hidrógeno y extraer el hidruro metálico/miembro catalizador del gel para detener o aminorar la reacción. Otro aspecto de la invención se refiere a un generador de gas con autorregulación que controla automáticamente la velocidad de reacción para controlar la presión interna del generador de gas. En una modalidad, el reactivo líquido se forma en un gel, de modo que las moléculas líquidas se encapsulan reversiblemente en una matriz hasta que se necesite para la reacción. De esta manera, el componente líquido no está fluyendo libremente para reaccionar a voluntad. En la presente invención se utilizan polímeros insolubles en agua, pero hinchables en agua capaces de absorber líquidos.
Cuando un material insoluble en agua, hinchable en agua se agrega al agua, la unión entre el compuesto insoluble en agua, hinchable en agua y el agua es suficientemente fuerte para mantener el agua, pero suficientemente débil para liberar moléculas de agua cuando otra reacción, es decir, entre agua y NaBH4, necesita el agua. Materiales insolubles en agua, hinchables en agua preferidos incluyen poliacrilato de sodio, utilizado comúnmente en productos de pañales infantiles, y poliacrilamida, entre otros. Materiales insolubles en agua, hinchables en agua, adecuados se describen en la Patente de los Estados Unidos No. 6,998,367 B2 y las referencias citadas ahí. Los polímeros insolubles en agua, hinchables en agua descritos en estas citas se incorporan en la presente como referencia. En una modalidad, un copolímero de poliacrilato de sodio y bis-acrilamida, en donde dos cadenas de poliacrilato de sodio están conectadas por la bis-acrilamida se parecen a rieles de ferrocarril. Este polímero contiene muchos sitios que pueden absorber moléculas de agua por el enlace del hidrógeno. Sin estar ligado por algunas teorías particulares, el inventor cree que estos enlaces de hidrógeno son más débiles que la tendencia de NaBH4 a reaccionar con el agua enlazada en presencia de un catalizador, tal como sal de rutenio, de manera que los enlaces hidrógeno liberan las moléculas de agua para reaccionar con el NaBH4. Adicionalmente, también se pueden incluir activadores, materiales que refuerzan el catalizador para la reacción. En la presente invención se puede utilizar cualquier activador conocido en la técnica para usarse con los catalizadores particulares seleccionados . Otros polímeros insolubles en agua, hinchables en agua adecuados se describen en la Patente de los Estados Unidos No. 6,998,377 B2 , cuya exposición íntegra se considera forma parte de la presente, como referencia. Los polímeros absorbentes de la presente invención también pueden incluir al menos un polímero absorbente formador de hidrogel (también denominado como polímero formador de hidrogel) . Los polímeros formadores de hidrogel, adecuados incluyen una gama de polímeros insolubles en agua, hinchables en agua, capaces de absorber líquidos. Los polímeros absorbentes formadores de hidrogel útiles en la presente invención pueden tener un tamaño, forma y/o morfología variables en un amplio intervalo. Estos polímeros pueden estar en la forma de partículas que no tengan una proporción amplia de la dimensión más grande a la dimensión más pequeña (por ejemplo, gránulos, materiales pulverulentos, agregados interparticulados, agregados reticulados interparticulados, y similares) y pueden estar en la forma de fibras, hojas, películas, espumas, hojuelas y similares. Los polímeros absorbentes formadores de hidrogel también pueden comprender mezclas con bajos niveles de uno o varios aditivos, tales como sílice en polvo, zeolitas, carbón activado, tamices moleculares, surfactantes , pegamento, aglutinantes, y similares. Los componentes en esta mezcla pueden estar físicamente y/o químicamente asociados en una forma tal que el componente polimérico formador de hidrogel y el aditivo polimérico no formador de hidrogel no son físicamente separables de- manera fácil. Los polímeros absorbentes formadores de hidrogel pueden ser esencialmente no porosos (es decir, sin porosidad interna) o tener porosidad interna sustancial . Los geles a base de acrilamida también son adecuados para utilizarse en la presente invención. Específicamente adecuados son acrilamida, fosfato ácido de 2- (acriloiloxi) etilo, ácido 2-acrilamido-2-metilpropansulfónico, acrilato de 2-dimetilaminoetilo, ácido 2 , 2 ' -bis (acrilamido) acético, cloruro de 3- (metacrilamido) propiltrimetilamonio, cloruro de acrilamidometilpropandimetilamonio, acrilato, acrilonitrilo, ácido acrílico, cloruro de dialildimetilamonio, cloruro de dialilamonio, acrilato de dimetilaminoetilo, metacrilato de dimetilaminoetilo, etilenglicol , diraetacrilato, monometacrilato de etilenglicol , metacrilamida, cloruro de metilacrilamidopropiltrimetilamonio, N, N-dimetilacrilamida, N- [2- [ [5- (dimetilamino) 1-naftalenil] sulfonil] amino-etil] -2-acrilamida, clorhidrato de N- [3- (dimetilamino) ropil] acrilamida, clorhidrato de N- [3-(dimetilamino) propil] metacrilamida, poli (cloruro de dialildimetilamonio) , 2- (2-carboxibenzoiloxi) etil-metacrilato de sodio, acrilato de sodio, alil-acetato de sodio, metacrilato de sodio, estiren-sulfonato de sodio, vinilacetato de sodio, trialilamina, cloruro de trimetil-(N-acriloil-3-aminopropil) amonio, derivados de trifenilmetan-leuco, polimetilsiloxano terminado en vinilo, N- (2-etoxietil) acrilamida, N-3 - (metoxipropil) acrilamida, N-(3-etoxipropil) acrilamida, N-ciclopropilacrilamida, N-n-propilacrilamida, y N- (tetrahidrofurfuril) acrilamida. También son adecuados los geles basados en N-isopropilacrilamida . Éstos pueden incluir N-isopropilacrilamida, metacrilato de 2- (dietilamino) etilo, metacrilato de 2 - (dimetilamino) etilo, 2-acrilamido-2-metil-1-propansulfonacrilato, ácido acr lico, alquil-metacrilato de acrilamida, leucocianuro de bis (4 -dimetilamino) fenil) (4-vinilfenil) metilo, Concanavalina A (Lecitina) , metacrilato de hexilo, metacrilato de laurilo, ácido metacrílico, cloruro de metacrilamidopropiltrimetilamonio, metacrilato de n-butilo, poli ( tetrafluoroetileno) , politetrametilen-eter-glicol, acrilato de sodio, metacrilato de sodio, vinil-sulfonato de sodio, y polimetilsiloxano terminado en vinilo . También son adecuados los geles basados en ?,?'-dietilacrilamida . Éstos pueden incluir ?,?'-dietilacrilamida, cloruro de metilacrilamidopropiltrimetilamonio, éster de N-acriloxisuccinimida, N-ter-butilacrilamida, y metacrilato de sodio. También son adecuados geles basados en acrilato. Éstos pueden incluir acrilato de 2-dimetilaminoetilo, ácido 2 -acrilamido-2 -metilpropansulfónico, acrilamida, trialilamina, acrilato, acrilamida, metacrilato de metilo, divinilbenceno, metacrilato de N, -dimetilaminoetilo, poli (dimetacrilato de oxitetrametileno) , poli (metacrilato de 2 -hidroxietilo) , poli (metacrilato de 2 -hidroxipropilo) , y metacrilato de polietilenglicol . También son adecuados los geles basados en varios monómeros . Éstos pueden incluir ácido acrílico, cloruro de metacrilamidopropiltrimetilamonio, Colágeno, dipalmitoilfosfatidiletanolamina, poli [4-6-decadien-l, 10-diolbis (n-butoxicarbonilmetil-uretano) ] , poli [bis [ (aminoetoxi) etoxi] fosfazeno] , poli- [bis [ (butoxietoxi) etoxi] fosfazeno] , poli [bis [ (etoxietoxi) etoxi] fosfazeno] , poli [bis [ (metoxietoxi) etoxi] fosfazeno] , poli [bis [ (metoxietoxi) fosfazeno] , polidimetilsiloxano, óxido de polietileno, poli (óxido de etilen-dimetilsiloxan-etileno) , poli (N-acrilopirrolidina) , poli- [betaina de n,n-dimetil- [ (metacriloiloxietil] -N- (3 -sulfopropil) amonio] , ácido polimetacrílico, dipéptido de polimetacriloílo , alcohol polivinílico, alcohol polivinilico-acetato de vinilo, éter metílico de polivinilo, poli (n-acetiletilen-imina) modificada con furano, y poli (n-acetiletilen-imina) modificada con maleinimida. También son adecuados los geles descritos en las Patentes de los Estados Unidos Nos. 4,555,344, 4,828,710, y la solicitud Europea EP 648,521 A2 , cuya exposición íntegra se considera forma parte de la presente, como referencia. Se prefiere que el catalizador se combine con NaBH4 en una masa sólida simple, porque alguno de los catalizadores, por ejemplo, sal de rutenio, pueden interferir con la formación del gel. Cuando esta masa sólida se pone en contacto con el gel, se libera agua de los enlaces hidrógeno, a causa de la presencia del o los catalizadores de NaBH4 o ambos, y reacciona con NaBH4 para formar hidrógeno y borato de sodio, NaB02. Otros factores, tales como factores ambientales, también pueden afectar la formación de gel y/o la capacidad del material para permanecer en forma de gel sin descomponerse. Estos factores incluyen la temperatura, presión y pH. En un ejemplo, 37 gramos de agua destilada se agregaron a 1 gramo de poliacrilato de sodio obtenido de un producto de pañal para formar un gel de agua, que tiene una apariencia translúcida. Se formó una pella sólida de 90% de NaBH4 y 10% de RuCl3 (en peso) para crear el combustible sólido, que tenía un color negro. Una cantidad de gel y una cantidad del combustible sólido se seleccionaron de manera que la proporción molar entre el reactivo acuoso y el reactivo de NaBH4 fue de aproximadamente 6:1. La pella sólida se insertó en el gel y se observó una producción uniforme de hidrógeno. Todo o prácticamente todo el combustible sólido se hace reaccionar para formar hidrógeno sin ninguna señal perceptible fácilmente de la formación de película o capa, independientemente de que el combustible sólido/catalizador permanezca en contacto con el gel por la duración de la reacción, o independientemente de que el combustible/sólido catalizador esté en contacto intermitentemente con el gel, es decir, el combustible/sólido catalizador se cicla en y fuera de contacto con el gel. Además, parte de la pella sólida, que estaba negra, debido al RuCl3, se observó que se dispersaba a través del gel de agua translúcido. Como se describe anteriormente, en una reacción convencional, el subproducto NaB02 puede formar una película o capa en la masa de combustible sólido, previniendo así que reaccione algo del combustible sólido encapsulado por la película de NaB02. Sin estar ligada por alguna teoría particular, en la presente invención, los percolados de hidrógeno producidos a través de la interfaz entre el reactivo en gel y el reactivo de combustible sólido y esta precolación, pueden impedir la formación de la película o capa. Adicionalmente, ya que el NaB02 también se atrae al agua para unirse o quelarse y nuevamente sin estar ligada a alguna teoría particular, la atracción del subproducto NaB02 al agua también es mayor que el enlace hidrógeno entre el agua y el compuesto insoluble en agua, hinchable en agua, es decir, poliacrilato de sodio. Por lo tanto, en vez de formar la película o capa, parece que el subproducto NaB02 saca agua del gel para reaccionar, y por lo tanto es menos probable que el subproducto de NaB02 forme la película o capa. Esto se pone en evidencia por la observación de que durante la reacción, algo del combustible sólido negro se lixivia en el gel translúcido. En otro aspecto de la presente invención, la proporción de agua que deja el estado de gel se balancea por la proporción de agua que reacciona con NaBH4 y NaB02, de manera que existe cantidad suficiente de agua disponible, como se necesite, para alimentar estas reacciones. La proporción de agua que deja el gel se puede determinar por la cantidad de catalizador y/o NaBH4 disponible para el gel, la capacidad del catalizador y/o NaBH4 para extraer el agua del gel, la selección del compuesto formador de gel y la selección de catalizador, entre otras cosas . De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporciona un generador de gas 10 para generar combustible de hidrógeno a partir del reactivo en gel y NaBH4/masa de catalizador, descritos anteriormente. Una ventaja de bloquear reversiblemente o encapsular el agua en un gel es que un cartucho, suministro de combustible o generador de hidrógeno que utilicen este gel, pueden operar en la posición invertida o en cualquier orientación, ya que el agua no está en un estado líquido. Como se muestra en la Figura 1, el generador de gas 10 comprende la cámara de gel 12 que contiene la composición de agua-gel descrita anteriormente, designada por el número de referencia 14 en lo sucesivo. El gel 14 está encerrado en un lado por la membrana 16 y el filtro opcional 18, y en el otro lado por la membrana 20. La membrana 20, que puede ser cualquier tipo de membrana, filtro, o material impermeable al gas/impermeable al líquido conocido en la técnica, puede estar soportada por la pared 22, como se muestra con mayor detalle en la Figura 1A. La pared 22 soporta la válvula 24, la cual en esta modalidad es de preferencia una válvula de boca curva. La boca curva 24 está ajustada a tamaño y dimensionada para recibir el combustible sólido 26, el cual como se describe anteriormente, comprende de preferencia un combustible de hidruro metálico, tal como borohidruro de sodio, y un catalizador, tal como sal de rutenio. El combustible sólido 26 está unido a un pistón de sello móvil 28, que se desvxa por el resorte 30 hacia el combustible en gel 14. Cuando el combustible sólido 26 se pone en contacto con el combustible en gel 1 , se produce gas hidrógeno y se percola a través de la membrana 16 y el filtro opcional 18 hacia la válvula 32. Cuando la válvula 32 se abre, el gas se transporta fuera del generador 10 a una celda de combustible (no mostrada) para la conversión en electricidad. Una porción del gas producido también se percola a través de la o las membranas opuestas 20, de modo que la presión creada por el gas generado se comunica a la cámara 34. Ya que el pistón 28 está sellado por los miembros de sellado 36, la presión en la cámara 34 se aisla de la presión en la cámara 37 ubicada en el otro lado del pistón 28, de modo que la presión en la cámara 34 actúa sobre el pistón 28 y se opone por la fuerza proveniente del resorte 30. La o las membranas 20 igualan la presión en la cámara de gel 12 a la cámara 34. Si la presión dentro de la cámara de gel 12, en donde sucede la reacción, es superior a un umbral predeterminado, entonces esa presión actúa sobre el pistón 28 para empujarlo contra el resorte 30 para extraer combustible sólido 26 del recipiente de gel 12. Cuando la presión dentro de la cámara de gel 12 cae debajo de la presión de umbral, el resorte 30 supera la presión en la cámara 34 para insertar o reinsertar combustible sólido 26 dentro del recipiente de gel 12. Debido al balance entre la presión en la cámara 34 y el resorte 30, la varilla de combustible sólido 26 puede insertarse totalmente, insertarse parcialmente o extraerse totalmente del recipiente de gel 12. Cuando la válvula 32 se cierra, la presión excedería la presión de umbral y el combustible sólido 26 se podría extraer totalmente. Por lo tanto, el generador de gas se autorregula, dependiendo de la presión interna del generador de gas 10. La boca curva 24, cuando se ensambla en la orientación mostrada en la Figura 1, ventajosamente puede limpiar algo o la mayoría del combustible en gel proveniente del combustible sólido 26, conforme se extrae, para minimizar la reacción residual después de que el combustible sólido se extrae. Alternativamente, como se muestra en la Figura IB, la boca curva 24 se puede reemplazar por los limpiadores 38. La membrana 20 se puede reemplazar por ventilaciones o cualquier otro mecanismo de comunicación de presión. Puesto que solamente se ilustran dos membranas 20, se puede utilizar cualquier número de mecanismo de comunicación de presión. Antes del primer uso por los usuarios, la cámara 34 se puede presurizar por un gas inerte para mantener el combustible sólido 26 separado del combustible en gel 14, o el pistón 28 se puede mantener en una posición que separe el combustible sólido 26 y el combustible en gel 14 hasta que los usuarios empujen una lengüeta o dispositivo similar para liberar el pistón 28. La válvula 32 se podría entonces abrir para liberar el gas generado, y dependiendo del volumen del gas utilizado, el generador de gas 10 autorregula su presión interna, como se describe anteriormente, a un nivel predeterminado. El generador de gas 10 disminuye o detiene la reacción cuando el uso de gas es bajo y la presión interna es alta, o permite la producción completa cuando el uso de gas es alto y la presión interna es baja. Este nivel predeterminado de presión se puede seleccionar al seleccionar la constante de salto del resorte 30. Como se reconocerá por los expertos en la técnica, el resorte 30 no está limitado a resortes helicoidales, pero puede incluir otros resortes mecánicos, tales como resortes de torsión, gas presurizado, e hidrocarburos licuados tales como butano o propano.
Adicionalmente , se puede proporcionar la fuerza restauradora por el resorte 30 en vez de por la producción in situ de gas, como se describe con detalle en la Publicación de Patente de los Estados Unidos No. US 2005/0266281 Al, cuya exposición íntegra se considera forma parte de la presente, como referencia. Otro generador de gas 40 adecuado para utilizarse con la composición de agua-gel 14 de la presente invención se muestra en la Figura 2. Una diferencia entre el generador de gas 40 y el generador de gas 10 de las Figuras 1-1B, es que el gas generado se produce o se transporta a la celda de combustible desde la cámara de presión 34, cuya presión también actúa sobre el combustible sólido 26 para permitir que el combustible sólido se ponga en contacto con el agua-gel 14 o para extraer el combustible sólido del agua-combustible en gel. También, el combustible sólido 26 puede tener una o múltiples protuberancias que entren en contacto con el agua-gel 14. El combustible sólido mostrado en la Figuras 1 y IB también puede tener múltiples puntos de contacto con el agua-gel 14. Similar al generador de gas 10, el combustible sólido 26 se desvía por el resorte 30 y la cámara de presión 34 se sella por el pistón 28 y los elementos de sellado 36 de la cámara 37 detrás del pistón 28, de manera que la presión de la cámara 34 se puede balancear por el resorte 30. Cuando la presión en la cámara de presión 34 excede un nivel predeterminado, el combustible 26 se empuja contra el resorte 30 para extraer el combustible sólido del agua-gel 14 con el fin de disminuir o detener la producción de gas, para minimizar o detener la acumulación de presión en la cámara 34. Cuando la válvula 32 se abre, el gas producido se transporta desde la cámara 34 hacia la celda de combustible y la presión de la cámara 34 disminuye, entonces el resorte 30 empuja el combustible sólido 26 para que esté en contacto con el agua-gel 14 para producir más gas. Conforme varía la demanda para el gas producido, la presión en la cámara 34 también varía y la interacción entre esta presión y la fuerza proveniente del resorte 30 controla la cantidad de contacto entre el combustible sólido 26 y el agua-combustible en gel 14 para que corresponda a la producción de gas de la demanda para gas . Cuando la válvula 32 se cierra, la presión de la cámara 34 se incrementa para superar la cantidad de umbral predeterminada y separa el combustible sólido del agua-combustible en gel. En el generador de gas 40, el agua-combustible en gel 14 está contenido por la membrana 42, que está ajustada a tamaño y dimensionada para permitir que las protuberancias del combustible sólido 26 entren y salgan de ahí. Ya que el gel es viscoso o tiene alta tensión superficial, la membrana 42 puede contener el agua-gel 14 dentro de la cámara de gel 12. En una modalidad alternativa, el gel de metanol se puede utilizar en vez de agua-gel 14. El gel de metanol es muy conocido y se utiliza ampliamente en la industria de provisión de alimentos como un carburante de combustible para calentar alimentos. La cámara de presión 34 también puede estar provista con válvula de alivio 35, de modo que el gas producido en exceso se puede liberar del generador de gas 10, 40. Alternativamente, un elemento de almacenamiento de hidrógeno 44 puede estar ubicado en la cámara 34 de los generadores 10, 40 y/o en otros sitios, por ejemplo, dentro del filtro 18 o cerca de la válvula 32 del generador 10 para absorber el hidrógeno en exceso. Los materiales de almacenamiento de hidrógeno 44 incluyen, pero no se encuentran limitados a, metal en polvo o aleaciones de metal en polvo, conocidos como metales/aleaciones absorbentes de hidrógeno. Estos metales o aleaciones metálicas tiene la capacidad de absorber hidrógeno a alta presión para formar hidruros metálicos tales como aquellos descritos en las Patentes de los Estados Unidos Nos. 4,600,525 y 4,036,944, cuya exposición íntegra se considera forma parte de la presente, como referencia. Los metales absorbentes de hidrógeno 44 son diferentes del combustible de hidruro metálico sólido 14 (por ejemplo, borohidruro de sodio) , en que éste no reacciona con el agua o metanol para producir hidrógeno. Los metales absorbentes de hidrógeno 44 absorben el hidrógeno para formar hidruros metálicos en una reacción exotérmica a alta presión y liberan el hidrógeno en una reacción endotérmica a baja presión. Por lo tanto, el metal/aleación absorbente de hidrógeno puede pasar por ciclos de absorciones de hidrógeno, por ejemplo, en una instalación de fabricación o recarga, y desorciones de hidrógeno, por ejemplo, a una celda de combustible para la conversión en electricidad. Ejemplos de metales absorbentes de hidrógeno típicamente en forma de polvo incluyen pentaníquel de lantano (LaNis) . Algunos metales/aleaciones absorbentes de hidrógeno, adecuados están disponibles como hidruros metálicos Solid-HR de Hydrogen Components, Inc. Los hidruros metálicos Solid-HMR están disponibles en varios grados. Todos los grados pueden absorber hidrógeno a temperatura ambiente o parecida y a presiones de 1-10 atmósferas, 2-3 atmósferas y 8-12 atmósferas (1 atmósfera = 1.03 kg/cm2 (14.7 psi) ) . Se prefiere el grado de aleación que puede absorber hidrógeno a 2-3 atmósferas ó 2.11-3.16 kg/cm2 (30-45 psi), ya que está en el intervalo de presión en los generadores 10-40, en donde se prefiere la absorción de hidrógeno.
El hidrógeno absorbido puede permanecer absorbido, o se puede liberar a presión inferior y con la adición de calor. Por ejemplo, el calor se puede suministrar por la reacción exotérmica de la reacción de borohidruro de sodio con agua. Otros materiales absorbentes de hidrógeno incluyen NaAlH4 (alanato de sodio) , PdH06, LaNi5H6, ZrV2H5.5, FeTiH2, Mg2NiH4 y TiV2H4, o mezclas de los mismos. Otras aleaciones absorbentes de hidrógeno se pueden encontrar en el sitio web, htt : //hydpark . ca . sandia . gov . mantenido por Sandia National Laboratories como parte del Trabajo 12 del Acuerdo de Hidrógeno de la Agencia Internacional de Energía (IEA, por sus siglas en inglés) , como se describe en Sandrock, G. & Thomas, G. , las bases de datos de hidruros en línea IEA/DOE/SNL, Appl . Phys . A72, 153-55 (2001). Las aleaciones absorbentes de hidrógeno también se pueden mezclar con un aglutinante polimérico. Puesto que se han descrito varias modalidades de la presente invención anteriormente, se debe comprender que éstas se han presentado a manera de ilustración y ejemplo solamente, y no de restricción. Será evidente para las personas expertas en la técnica relevante, que se pueden realizar varios cambios en forma y detalle en ella sin apartarse del espíritu y alcance de la invención. De este modo, la extensión y alcance de la presente invención no deben limitarse por alguna de las modalidades ejemplares descritas anteriormente, sino que se deben definir solamente de acuerdo con las reivindicaciones anexas y sus equivalentes . También se debe comprender que cada característica de cada modalidad descrita en la presente, y de cada referencia citada aquí, se puede utilizar en combinación con las características de alguna otra modalidad. Todas las patentes y publicaciones descritas aquí se incorporan como referencia en la presente en su totalidad.

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES ; 1. Una composición combustible capaz de producir hidrógeno a través de una reacción química para utilizarse en una celda de combustible que comprende un reactivo en gel, un reactivo químico de hidruro metálico y un catalizador.
  2. 2. La composición combustible según la reivindicación 1, en donde el reactivo en gel comprende agua y un polímero insoluble en agua, hinchable en agua.
  3. 3. La composición combustible según la reivindicación 2 , en donde las moléculas de agua están unidas al polímero insoluble en agua, hinchable en agua por enlaces hidrógeno.
  4. 4. La composición combustible según la reivindicación 2, en donde el polímero insoluble en agua, hinchable en agua comprende poliacrilato de sodio.
  5. 5. La composición combustible según la reivindicación 2, en donde el polímero insoluble en agua, hinchable en agua comprende poliacrilamida .
  6. 6. La composición combustible según la reivindicación 1, en donde el reactivo químico de hidruro metálico comprende borohidruro de sodio.
  7. 7. La composición combustible según la reivindicación 1, en donde el catalizador comprende sal de rutenio .
  8. 8. La composición combustible según la reivindicación 1, en donde el catalizador está combinado o mezclado con el hidruro metálico químico para formar un reactivo sólido.
  9. 9. Un generador de gas adaptado para utilizarse con la composición combustible según la reivindicación 8, que comprende : una cámara que contiene el reactivo en gel y en donde el reactivo sólido se coloca en una plataforma inclinada y el reactivo sólido es movible con relación al reactivo en gel, en donde el reactivo en gel está separado de la plataforma para formar una cámara de presión y en donde el gas producido de una reacción entre el reactivo en gel y el reactivo de hidruro metálico crea una presión dentro, de la cámara de presión, y cuando tal presión es superior a una presión predeterminada, el reactivo sólido se mueve separándose del reactivo en gel y cuando tal presión es inferior a la presión predeterminada, el reactivo sólido se mueve hacia el reactivo en gel.
  10. 10. El generador de gas según la reivindicación 9, en donde el gas producido se transporta desde la cámara de presión hacia una celda de combustible.
  11. 11. El generador de gas según la reivindicación 9, en donde el gas producido se transporta desde el generador de gas a un sitio lejos de la cámara de presión hacia una celda de combustible.
  12. 12. El generador de gas según la reivindicación 9, que comprende además una aleación/metal absorbente de hidrógeno para absorber el hidrógeno en exceso.
  13. 13. Un generador de gas capaz de producir hidrógeno a través de una reacción de oxidación y que contiene un reactivo líquido y un hidruro metálico químico, dicho generador de gas comprende una aleación/metal absorbente de hidrógeno para absorber el hidrógeno en exceso .
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