MX2010004828A - Dispositivo generador de energia para el funcionamiento de aparatos electricos. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos que utiliza hidrógeno como fuente de combustible en su modalidad de renovable y libre de contaminantes, y se comprende de una primera celda de combustible con membrana de conducción protónica PEM que recibe alimentación forzada de oxidante (oxígeno del aire) desde una pluralidad de ventiladores que al mismo tiempo la enfrían, y que recibe y recircula hidrógeno desde y a través de un primer sistema auxiliar de recirculación de hidrógeno con humidificación, que a su vez es alimentado desde un tanque de combustible que almacena hidrógeno cuando una línea de alimentación se abre y cierra por acción de una primera válvula solenoide que obedece a la señal recibida de un actuador, mediante la energía eléctrica de una batería de arranque y posteriormente por la celda de 100W, y de una segunda celda de combustible con membrana de conducción protónica PEM de 150W que se alimenta del oxígeno del aire mediante bombas de diafragma y que recibe y recircula hidrógeno desde y a través de un segundo sistema auxiliar de recirculación de hidrógeno con humidificación, que a su vez, es alimentado desde el tanque de combustible que almacena hidrógeno cuando una línea de alimentación se abre y cierra por acción de una segunda válvula solenoide que obedece a la señal recibida de un actuador, mediante la energía eléctrica del convertidor CD/CD del primer circuito.

Description

Dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos Campo técnico de la invención.

La presente invención se relaciona generalmente con las nuevas alternativas para generar energía eléctrica libre de contaminantes, mediante la utilización de combustibles y fuentes renovables. Más particularmente, la invención se refiere a un acoplamiento de una celda de combustible con membrana de conducción protónica (PEM) con un convertidor de Corriente Directa/Corriente Directa (CD/CD) y un inversor de corriente Directa/Corriente Alterna (CD/CA) para el funcionamiento de diversos aparatos eléctricos, utilizando hidrógeno como combustible.

Antecedentes de la invención.

A principios del siglo XXI, en el contexto de la creciente carestía de combustibles derivados del petróleo, muchos laboratorios del mundo han reportado prototipos de desarrollo y comercialización de dispositivos basados en la tecnología de las celdas de combustible, hecho que ha contribuido a disminuir la dependencia energética de los hidrocarburos. Las celdas de combustible no producen emisión contaminante, por lo tanto no afectan en el cambio climático debido al calentamiento global por la emisión de los gases de efecto invernadero.

Las celdas de combustible se han situado como las más interesantes en su clase, por ser una alternativa prometedora en suministro de potencia a equipos portátiles, revolucionando al mundo de la industria electrónica de baja potencia de gran consumo, debido a que estos nuevos dispositivos portátiles utilizan un rango de potencia comprendido de 1-1000 Watts y por lo tanto se va creando una brecha de potencia con todas las fuente recargables de baterías ya que los dispositivos portátiles deben estar en permanente operación y las baterías recargables no pueden cubrir estas expectativas.

Las celdas de combustible con membrana polimérica de conducción protónica PEM, son dispositivos que producen energía eléctrica C.D., mediante una reacción electroquímica que ocurre en los electrodos que se encuentran en su interior cuando se les alimenta hidrógeno (combustible) y oxígeno ('oxidante), para producir una densidad de corriente, agua y calor, sin producir contaminantes.

La versatilidad que presentan las celdas de combustible como son el tamaño, alta eficiencia, cero emisiones contaminantes y mantenimiento mínimo por no tener piezas que se muevan en el sistema, les ha permitido encontrar un gran número de aplicaciones en sistemas tales como: transporte, estacionarios y portátiles.

Ejemplo de lo anterior lo encontramos en la patente US 6,447,945 de Holger H Streckert y Linden P. Blue, titulada "Dispositivo electrónico portátil accionado por una celda de combustible con membrana de conducción protónica", en donde se divulga y protege un dispositivo electrónico portátil que incorpora una celda de combustible PEM y que está diseñado para funcionar por la reacción de hidrógeno que se contiene en un envase de hidruro combustible y del oxígeno del aire, mientras que eficientemente se quita el agua producida por un nuevo sistema de transporte de agua. La temperatura es controlada con eficacia poniendo una pluralidad de subunidades de celda de combustible como un arreglo, generalmente plano en la tapa de la PC adyacente a una placa de transferencia de calor. Se proporciona un sistema particularmente eficiente de abastecimiento en donde un electrolizador suministra H2 a una presión suficiente para continuar alimentando la PC y recargar simultáneamente un envase operativo-conectado y un segundo envase de . repuesto en el electrolizador.

Por su parte la patente US 6,259,971 de Nathan Mitchell y Joseph F. Freiman, titulada "Sistema portátil accionado por una celda de combustible con atomización ultrasónica del subproducto H20", da a conocer un sistema electrónico portátil que obtiene energía.de una celda de combustible de electrólito seco. El agua que es producida por la celda de combustible es atomizada por un transductor ultrasónico, para evitar la inconveniencia del usuario debido a los depósitos o al goteo.

Así mismo la patente US 5,314,762 de Akira Hamada y colaboradores titulada "Fuente de energía portátil", divulga y protege una fuente que comprende una celda de combustible que genera electricidad usando hidrógeno como combustible, una unidad de almacenaje de hidrógeno llena de una aleación absorbente de hidrógeno para abastecimiento de hidrógeno a la celda de combustible, un alojamiento que incluye tanto a la celda de combustible como a la unidad de almacenaje de hidrógeno y una tapa para sellar una parte del alojamiento cuando la fuente de energía portátil no está en uso, en donde la tapa sella una superficie del alojamiento en donde se forma por lo menos una entrada de aire para admitir el aire necesario para que la celda de combustible genere electricidad y una salida de gas reactivo para expulsar el gas reactivo producido durante la generación de electricidad.

Finalmente, en la patente MX 254879 de Nicolás Louis Bouchon titulada "Métodos de suministro de energía hacia un bus de energía en un vehículo eléctrico híbrido y aparatos, medios y señales para los mismos", se describen métodos, aparatos, medios y señales para suministrar energía a un bus de energía en comunicación con un dispositivo generador de energía y con un sistema de frenado regenerativo en un vehículo eléctrico híbrido. Tal método incluye controlar la energía suministrada por el dispositivo generador de energía al bus de energía, en respuesta a una señal de frenado indicadora de accionamiento del freno por el usuario. Otro tal método incluye controlar las contribuciones de energía sobre.el bus de energía desde el dispositivo generador de energía y desde el sistema de frenado regenerativo respectivamente, para prevenir que las contribuciones excedan una contribución de energía total deseada. El dispositivo generador de energía puede incluir una unidad de energía auxiliar, tal como celda de combustible, o un generador acoplado a una máquina motriz tal como por ejemplo, un motor de combustión interna.

Tal y como se desprende de los documentos del estado de la técnica previamente referidos, las celdas de combustible son uno de los dispositivos más prometedores para la generación de energía debido a que presentan alta eficiencia y un mínimo daño ambiental, desafortunadamente hoy en día existen múltiples complicaciones en su funcionamiento, ya que no permiten el paso de corriente en dirección inversa y no funcionan correctamente si existen variaciones de corriente, razón por lo cual se propone a titulo de dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos la presente invención, en donde se realiza el acoplamiento de una celda de combustible tipo PEM, a un circuito CD/CD - CD/CA, para el funcionamiento de diversos aparatos eléctricos con el cual son pretendidos los siguientes: Objetivos de la invención.

Un objetivo de la presente invención, es motivar el uso de energía eléctrica a partir de celdas de combustible tipo PEM, en virtud de ser considerada un dispositivo electroquímico de alta eficiencia y que origina un mínimo daño ambiental.

Otro objetivo de la presente invención, es proporcionar un acoplamiento de una celda de combustible tipo PEM, a un circuito CD/CA - CD/CA para el funcionamiento de diversos aparatos eléctricos.

Otro objetivo de la presente invención, es proporcionar un dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos, a partir del cual sea posible elevar y regular el voltaje de salida para darle una aplicación concreta.

Otro objetivo de la presente invención, es proporcionar un dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos, en donde el dispositivo comprenda dos arreglos con celdas de combustible tipo PEM.

Aun otro objetivo de la presente invención, es proporcionar un dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos, en donde el dispositivo comprenda un sistema auxiliar de recirculación de hidrógeno con humidificación.

Los objetivos de la presente invención antes referidos y aun otros no mencionados, serán evidentes a partir de la descripción de la invención y los dibujos que con carácter ilustrativo y no limitativo la acompañan, y que a continuación se presentan.

Breve descripción de la figuras.

Figura 1. Se muestra un diagrama esquemático de los diferentes componentes que integran el dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos, realizado de conformidad con la presente invención; Figura 2. Se muestran dos celdas de combustible con membrana de conducción protónica PEM que integran el dispositivo de la figura 1; Figura 3. Se muestra una primera celda de combustible con membrana de conducción protónica PEM que integran el dispositivo de la figura 1, acompañada de unos ventiladores que son utilizadas para lograr una alimentación forzada de oxidante; Figura 4. Se muestra una gráfica en donde se aprecia la respuesta voltaje-corriente- potencia de una celda de combustible de 100 watts; y Figura 5. Se muestra una gráfica en donde se aprecia la respuesta voltaje-corriente- potencia de una celda de combustible de 150 watts.

Descripción detallada de la invención.

De acuerdo con lo que se ¡lustra en las figuras 1 a 5, el dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos 100, objeto de la presente solicitud de patente, en lo sucesivo denominado dispositivo 100, se caracteriza por ser un dispositivo generador de energía eléctrica autónomo de alta eficiencia funcional, que utiliza hidrógeno como fuente de combustible en su modalidad de renovable y libre de contaminantes, y que comprende una primera celda de combustible con membrana de conducción protónica PEM 110 que recibe alimentación forzada de oxidante (oxígeno del aire) desde una pluralidad de ventiladores 120 que al mismo tiempo la enfrían, y que recibe y recircula hidrógeno desde y a través de un primer sistema auxiliar de recirculación de hidrógeno con humidificacion 130, que a su vez es alimentado desde un tanque de combustible 140 que almacena hidrógeno cuando una línea de alimentación se abre y cierra por acción de una primera válvula solenoide de CD 150 que obedece a la señal recibida de un actuador, mediante la energía eléctrica de una batería de arranque 160, que preferentemente es un pila voltaica de 9V y posteriormente es accionada por la celda de 100W 110, y una segunda celda de combustible con membrana de conducción protónica PEM 170 que se alimenta del oxígeno del aire mediante bombas de diafragma y que recibe y recircula hidrógeno desde y a través de un segundo sistema auxiliar de recirculación de hidrógeno con humidificación 180, que a su vez, es alimentado desde el tanque de combustible 140 que almacena hidrógeno cuando una línea de alimentación se abre y cierra por acción de una segunda válvula solenoide de CD 190 que obedece a la señal recibida de un actuador, mediante la energía eléctrica del primer circuito 200.

A partir de la configuración anterior, es posible que la CD no regulada generada por la primera celda de combustible 110 sea enviada a un primer convertidor CD/CD 200 para posteriormente ser dirigida en su calidad de corriente directa regulada a un inversor de CD/CA 210 que alimenta unas bombas de CA del primer y segundo sistemas auxiliares de recirculación de hidrógeno con humidificación (130 y 180), en tanto que la CD no regulada generada por la segunda celda de combustible 170 puede ser enviada a un segundo convertidor CD/CD 220 para así obtener una corriente directa regulada a partir de la cual se pueda hacer funcionar aparatos eléctricos 240 con CD, o bien, la corriente directa regulada obtenida del segundo convertidor CD/CD 220 puede ser enviada a un segundo inversor de CD/CA 230 para así obtener CA regulada capaz de hacer funcionar aparatos eléctricos 250 con CA.

Durante un primer desarrollo experimental de la primera y segunda celdas de combustible con membrana de conducción protónica PEM (110 y 170) cada una de ellas con diferente potencia, fueron realizadas utilizando el software AutoCAD, con la construcción de platos monopolares y bipolares de grafito y finales de aluminio, los cuales fueron maquinados utilizando una fresadora de control numérico y los empaques y membranas cortadas por medio de una cortadora Láser.

Las primera y segunda celdas de combustible con membrana de conducción protónica PEM (11Ó y 170) fueron construidas con platos de carbón de alta densidad con campo de flujo del gas para el ánodo y cátodo en forma de canales rectos transversales, dos láminas de latón para colectar la corriente, cuatro platos de acrílico para canalizar la entrada y salida del hidrógeno, dos platos finales de aluminio y empaques de Silicón resistentes a altas temperatura.

En la figura 2, se muestran la primera celda de combustible 110 de 100 watts con 20 ensambles, y la segunda celda de combustible 170 de 150 watts con 21 ensambles membrana-electrodo, ambas celdas conteniendo catalizadores de platino soportados en carbón Vulcan (Pt 20wt%/C) con cargas catalíticas de 0.5 mg/cm2 en ánodo y cátodo y membranas Nafion® NRE-212.

De acuerdo con lo que se ¡lustra en la figura 3, la primera celda de combustible 110, se encuentra acompañada de uno o varios ventiladores 120 que son utilizadas para lograr una alimentación forzada de oxidante y que al mismo tiempo se encargan de enfriar dicha primera celda de combustible 110, accionados por la energía eléctrica no regulada de la misma celda.

Tal y como se ha mencionado anteriormente, las características de la primera y segunda celdas de combustible con membrana de conducción protónica PEM (110 y 170) previamente referidas, son el resultado de un primer desarrollo experimental, sin embargo, dichas celdas de combustible pueden ser sustituidas por otras de características similares que actualmente se encuentren disponibles en el mercado, ya que no es el espíritu de esta solicitud de patente reivindicar las características que de las celdas de combustible puedan derivarse, en virtud de que, previamente se ha reconocido la versatilidad de dichas celdas y el gran número de aplicaciones en sistemas actuales, sin embargo, y a efecto de lograr el resultado deseado con el dispositivo 100 propuesto, será necesario que la primera celda de combustible sea de 100 watts, en tanto que la segunda celda sea de 150 watts, y respectivamente muestren comportamientos como los que se representan en las figuras 4 y 5, bajo las siguientes condiciones de operación: alimentación de hidrógeno húmedo (Grado UPC 99.9993%) con recirculación y flujo de 4.0 l/min a temperatura ambiente y presión de O.lbar, alimentado con aire con ventilación forzada, temperatura operación de 40 9Q En lo que respecta al primer y segundo sistemas auxiliares de recirculación de hidrógeno presurizado a 0.1 bar con humidificación (130 y 180) que acompañan respectivamente a la primera y segunda celdas de combustible con membrana de conducción protónica PEM (110 y 170), cada uno de dichos sistemas comprende una pluralidad de bombas de diafragma de recirculación (no ilustradas) que operan a una presión de 0.1 bar con un flujo de hidrógeno de 4 l/min, en donde tanto las bombas del primer como del segundo sistemas auxiliares de recirculación, son bombas de CA que se alimentan de la corriente alterna regulada proveniente del inversor de CD/CA 210.

En una modalidad1 preferida de la presente invención, las bombas de recirculación del primer y segundo sistemas auxiliares de recirculación de hidrógeno con humidificación (130 y 180), son bombas de CD, en cuyo caso se alimentarán de la corriente directa regulada proveniente del convertidor CD/CD 200, eliminándose así el inversor de CD/CA 210 del dispositivo 100.

El primer sistema auxiliar de recirculación de hidrógeno con humidificación 130, se acompaña de una válvula 131 que permite purgar el hidrógeno cuando en dicho sistema así resulte necesario.

En el dispositivo 100, se debe entender que el inicio de la generación de energía eléctrica a partir de las primera y segunda celdas de combustible con membrana de conducción protónica PEM (110 y 170), comienza con la alimentación de hidrógeno del primer y segundo sistemas auxiliares de recirculación de hidrógeno con humidificación (130 y 180), hidrógeno que proviene del tanque de combustible 140 que almacena hidrógeno presurizado a 4 bar y que se entrega vía primera y segundas válvulas solenoides (150 y 190) cuando dichas válvulas se abren y cierran mediante la señal de un actuador. o Haciendo referencia nuevamente a la figura 1, es posible apreciar que la corriente no regulada proveniente tanto de la primera como de la segunda celdas de combustible con membrana de conducción protónica PEM (110 y 170), es dirigida respectivamente a un primer convertidor de CD/CD 200 y a un segundo convertido de CD/CD 220 para obtener corriente directa regulada, que busca en el primer caso alimentar con CD a un inversor de CD/CA 210 las bombas de recirculación del primer y segundo sistemas auxiliares de recirculación de hidrógeno con humidificación (130 y 180), para el segundo caso se busca hacer funcionar, con CD cargas que requieran un voltaje de CD regulado mediante un segundo inversor de CD/CA 230, diversos aparatos eléctricos que requieran un voltaje nominal de 115 V, 60Hz.

Finalmente, el dispositivo 100 integra dentro de si misma toda la electrónica de potencia requerida con la que se puede obtener energía eléctrica regulada, dicha electrónica de potencia está constituida por un primer y segundo convertidores CD/CD (200 y 220) basados en microprocesadores que se acoplan respectivamente a la primera y segunda celdas de combustible con membrana de conducción protónica PEM (110 y 170). Dichos convertidores puede operar con voltajes de entrada de entre 6V a 15V y producir voltajes de salida de 13.8V con una variación de ±0.5Volts.

El primer y segundo circuitos Inversores CD/CA (210 y 230) de 100W acoplados respectivamente al primer y segundo convertidores CD/CD (200 y 220), operan con un voltaje de entrada de 11V a 13.8V a 8A y producen un voltaje de salida de 115V CA, 60Hz. La justificación para usar este esquema de distribución de energía es que satisface el voltaje de las bombas de alimentación de hidrógeno a la celda, logrando de esta manera obtener un sistema más eficiente y autónomo al no requerir de energía externa tal cómo la de una batería. Otro factor importante es tratar de satisfacer la mayoría de los aparatos eléctricos que trabajan con un voltaje residencial de 115V, 60Hz. El cálculo de los componentes del sistema del convertidor e inversor se basó en las características de la celda de combustible de 100 watts cuya curva de desempeño es la mostrada en la figura 4.

Así, a partir de la configuración anteriormente descrita para cada uno de los elementos que integran el dispositivo 100, la función que de manera independiente realiza cada uno de ellos y el resultado obtenido de su integración, es posible determinar que todos los objetivos de la invención originalmente definidos y aún otros no especificados se cumplen, obteniéndose un dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos.

Claims (11)

1. Un dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos de los del tipo que utilizan hidrógeno como fuente de combustible en su modalidad de renovable y libre de contaminantes, que se caracteriza porque se comprende de una primera celda de combustible con membrana de conducción protónica PEM que recibe alimentación forzada de oxidante desde una pluralidad de ventiladores que al mismo tiempo la enfrían, y que recibe y recircula hidrógeno desde y a través de un primer sistema auxiliar de recirculación de hidrógeno con humidificacion, que a su vez es alimentado desde un tanque de combustible que almacería hidrógeno cuando una línea de alimentación se abre por acción de una primera válvula solenoide de CD que obedece a la señal recibida de un actuador mediante la energía eléctrica de una batería de arranque, y de una segunda celda de combustible con membrana de conducción protónica PEM que se alimenta del oxigeno del aire mediante bombas de diafragma y que recibe y recircula hidrógeno desde y a través de un segundo sistema auxiliar de recirculación de hidrógeno con humidificacion, que a su vez, es alimentado desde el tanque de combustible que almacena hidrógeno cuando una línea de alimentación se abre por acción de una segunda válvula solenoide que obedece a la señal recibida de un actuador. mediante la energía eléctrica de un primer circuito, en donde, la CD no regulada generada por la primera celda de combustible se envía a un primer convertidor CD/CD para posteriormente ser dirigida en su calidad de corriente directa regulada a un inversor de CD/CA que alimenta unas bombas de CA del primer y segundo sistemas auxiliares de recirculación de hidrógeno con humidificacion, en tanto que la CD no regulada generada por la segunda celda de combustible es enviada a un segundo convertidor CD/CD para así obtener una corriente directa regulada a partir de la cual se puede hacer funcionar aparatos eléctricos con CD.
2. El dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque la primera celda de combustible con membrana de conducción protónica PEM es de 100 watts.
3. 3. El dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque la segunda celda de combustible con membrana de conducción protónica PEM es de 150 watts.
4. 4. El dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque las bombas de recirculación del primer y segundo sistemas auxiliares de recirculación de hidrógeno presurizado a 0.1 bar con humidificación operan a una presión de 0.1 atmósferas con un flujo de hidrógeno de 4 l/min.
5. 5. El dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 4, que se caracteriza porque las bombas de recirculación son bombas de CD.
6. 6. El dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el primer sistema auxiliar de recirculación de hidrógeno con humidificación, se acompaña de una válvula que permite purgar el hidrógeno cuando en dicho sistema así resulte necesario.
7. 7. El dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el tanque de combustible almacena hidrógeno presurizado a 4 bar.
8. 8. El dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque la batería de arranque que controla al actuador de la primera válvula solenoide es en principio una pila voltaica de 9V y posteriormente la primera celda de combustible con membrana de conducción protónica PEM es de 100 watts.
9. 9. El dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el primer y segundo convertidores CD/CD que se acoplan respectivamente a la primera y segunda celdas de combustible con membrana de conducción protónica PEM, están basados en microprocesadores y operan con voltajes de entrada de entre 6V a 15V y producen voltajes de salida de 13.8V con una variación de ±0.5Volts.
10. 10. El dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el primer y segundo circuitos inversores CD/CA de 100W acoplados respectivamente al primer y segundo convertidores CD/CD, operan con un voltaje de entrada de 11V a 13.8V a 8A y producen un voltaje de salida de 115V CA, 60Hz.
11. 11. El dispositivo generador de energía para el funcionamiento de aparatos eléctricos de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque la señal de corriente directa regulada obtenida del segundo convertidor CD/CD es enviada a un segundo inversor de CD/CA para obtener CA regulada capaz de hacer funcionar aparatos eléctricos con CA.