SISTEMA. DE CELDAS DE COMBUSTIBLE QUE TIENE UN ELEMENTO DESGASIFICADOR REEMPLAZABLE, PARA PURIFICAR EL SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE
CAMPO TÉCNICO Esta invención concierne en general a celdas de combustible, y más particularmente a un aparato y método para remover impurezas de una corriente de suministro de hidrógeno combustible. ANTECEDENTES Las celdas de combustible son celdas electroquímicas en las cuales un cambio de energía libre que resulta de una reacción de oxidación, es convertida en energía eléctrica. Una celda de combustible típica, consiste de un electrodo de combustible (ánodo) y de un electrodo oxidante (cátodo) , separados por un electrólito conductor de iones. Los electrodos se conectan eléctricamente a una carga (tal como un circuito electrónico) por medio de un circuito conductor externo. En el circuito conductor, se transporta corriente eléctrica por medio del flujo de electrones, mientras que en el electrólito es transportada por medio del flujo de iones, tales como hidrógeno (H+) en electrólitos ácidos, o el ion hidroxilo (OH-) en elctrólitos alcalinos. Se suministra al ánodo un ' combustible capaz de oxidación química, y se ioniza sobre
un catalizador adecuado para producir iones y electrones. Hidrógeno gaseoso es el combustible ' seleccionado para la mayor parte de las aplicaciones, por su alta reactividad en la presencia de catalizadores adecuados y por su alta densidad de energía. Similarmente, se suministra un oxidante al cátodo de la celda de combustible y éste se reduce catalíticamente. El oxidante más común es oxígeno gaseoso, el cual está disponible fácil y económicamente desde el aire para celdas de combustible usadas en aplicaciones terrestres. Cuando se usan el hidrógeno y el oxígeno gaseosos como un combustible y un oxidante, los electrodos son porosos para permitir que la unión electrólito-gas sea tan grande como sea posible. Los electrodos deben de ser conductores electrónicos, y poseer la reactividad apropiada para dar velocidades de reacción significativas. Ya que el electrólito es un conductor no electrónico, los electrones fluyen alejándose del ánodo vía el circuito externo. En el cátodo, el oxígeno reacciona con los iones hidrógeno que migran a través del electrólito y con los electrones que proceden del circuito externo, para producir agua como un subproducto. El agua subproducto generalmente es extraída como vapor. La reacción completa que tiene lugar en las celdas de combustible es la suma de las reacciones del ánodo y del cátodo, con parte de la energía libre de
reacción, liberada directamente como energía eléctrica y la residual como calor. Recientemente, casi todos los dispositivos electrónicos han sido reducidos de tamaño y elaborados livianos, en particular dispositivos electrónicos portátiles. Al mismo tiempo, las características de demanda de energía tales como pantallas a todo color, multimedia, transmisión de datos en amplitud de banda larga, y 'siempre encendido, siempre conectado' han empujado la tecnología de baterías electrolíticas tradicionales a los límites. Algunas han sido vendidas para reemplazar a las baterías electrolíticas con celdas de combustible pequeñas. La tremenda ventaja de las celdas de combustible es la capacidad potencial de proporcionar cantidades significativamente más grandes de energía en un empaque pequeño (en comparación con una batería) . Sin embargo, el problema de cómo proporcionar el suministro de hidrógeno combustible a las celdas de combustible, aún exige una solución elegante y práctica antes de que tenga lugar la aceptación difundida del consumidor. Igualmente, con siete décadas detrás de nosotros desde el desastre de Hindenberg, los consumidores permanecen cautelosos del gas hidrógeno, y no hay infraestructura para proporcionar hidrógeno para rellenar las celdas de combustible agotadas .
Algunos sistemas del arte anterior usaron metanol líquido como la fuente de hidrógeno, convirtiendo catalíticamente o 'reformando' el metanol en hidrógeno usando dispositivos de reformado en miniatura. La Patente USA No. 6,063,515 por Epp y Baumert, asignada a Ballard Power Systems, es un ejemplo de ésto, y describe un sistema de generación de energía eléctrica de celdas de combustible integrada para aplicaciones submarinas. El metanol líquido es fácil de obtener y no adolece de las mismas percepciones de seguridad pública que el gas hidrógeno. Un mayor escollo con el procedimiento reformador es que el proceso de reformado no proporciona un suministro de gas hidrógeno puro, sino que preferiblemente el 'reformado' contiene cantidades en trazas de óxidos de carbono, tales como monóxido de carbono (CO) , el cual ataca agresivamente y envenena el catalizador de platino en las celdas de combustible. Estas impurezas en la corriente de hidrógeno combustible da como. resultado la degradación continua en el funcionamiento y falla eventual de las celdas de combustible. Para reducir las impurezas en el reformado, se requieren etapas adicionales en el proceso de reformado y aparatos de reformado caros, complejos. Un ejemplo de esto es el reactor de etapas múltiples HOT-SPOT por Johnson Matthey, que se publicó en European Fuel Cell News, Vol. 3, No. 2,
1996. Estas desventajas niegan el uso de reformadores para sistemas de celdas de combustible pequeñas, portátiles a causa del tamaño, peso y costo. Sería un adelanto en el arte de los sistemas de celdas de combustible tener un reformador barato, pequeño para convertir metanol líquido a gas hidrógeno acoplado a un medio simple para reducir contaminantes de modo que el funcionamiento no se degrade.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA FIGURA La única figura que se dibuja, es una representación esquemática de un sistema para remover impurezas desde una corriente de suministro de combustible para una celda de combustible, de conformidad con la invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA Se remueven óxidos de carbono y otras impurezas desde una corriente de suministro de hidrógeno combustible para una celda de combustible. Un elemento desgasificador suficiente para adsorber químicamente los óxidos de carbono desde el hidrógeno, es conectado desmontablemente al lado anódico de la celda de combustible para ser fácilmente reemplazado cuando se gaste. Se pasa la corriente de combustible a través del elemento desgasificador para adsorber químicamente los óxidos de carbono sobre el desgasificador, proporcionando así una corriente de hidrógeno purificado al ánodo de la celda de combustible. El desgasificador es removido de la celda de
combustible cuando el desgasificador se gasta, y luego se reemplaza con un desgasificador nuevo. Un indicador visual sobre el elemento desgasificador puede usarse para indicar cuándo el desgasificador necesita reemplazo. Aunque la especificación concluye con reivindicaciones que definen las características de la invención que son consideradas como novedad, se 'cree que la construcción, método de operación y ventajas de la invención serán mejor comprendidas desde una consideración con la figura dibujada. Refiriéndonos ahora a la única figura dibujada, un sistema de purificación de una corriente de combustible 5 para una .celda de combustible 30, opera de la manera siguiente. Una fuente de combustible 10, proporciona una corriente de combustible 12 que contiene típicamente impurezas que son potencialmente dañinas para la celda de combustible 30. En la modalidad preferida la fuente de combustible es un reformador químico para reformar metanol líquido en hidrógeno y la corriente de combustible es conocida como el reformado, pero alternativamente la fuente de combustible podría ser un cilindro de gas hidrógeno, un generador de hidrógeno, una línea municipal de suministro de combustible, un hidruro metálico, etc. Los reformadores químicos para otros combustibles hidrocarbonados tales como gasolina, pueden servir también
como la fuente de combustible. La corriente de combustible 12, es decir, el reformado, contiene usualmente cantidades en trazas de impurezas de óxidos de carbono que son dañinos para la celda de combustible o perjudiciales para el funcionamiento de la celda de combustible, tales como monóxido de carbono (CO) y/o dióxido de carbono (C02) . El CO daña la celda de combustible atacando el catalizador de platino en el electrodo anódico. El C02, aunque no daña directamente a la celda de combustible, limita el funcionamiento al diluir el volumen molar de hidrógeno liberado al electrodo anódico. Los niveles típicos de contaminantes encontrados en el reformado de reformadores químicos pequeños, baratos para sistemas de celdas de combustible portátiles son 5 % molar de CO y 15 % molar de C02. Los niveles de CO encima de 40 ppm dan como resultado una degradación del funcionamiento y eventual falla de la celda de combustible. Actualmente, los sistemas de celdas de combustible que utilizan combustibles hidrocarbonados reformados, ya sea que requieran grandes reformadores químicos de etapas múltiples caros, depuradores y filtros o bien, tienen una vida limitada debido a la contaminación, excluyendo así dichos sistemas de celdas de combustible para uso práctico en equipo electrónico portátil . En nuestra invención, la corriente de combustible 12,
es purificada por paso a través de un elemento desgasificador 20. Un desgasificador es una substancia que enlaza gases sobre su superficie. Los gases activos son adsorbidos químicamente y / o adsorbidos físicamente sobre la superficie, mientras que otros gases pasan sin ser afectados. La quimiosorción es un proceso de adsorción química bien conocido, en el cual se forman enlaces químicos débiles entre moléculas de gas o líquido y una superficie sólida. Los desgasificadores son usados comúnmente para remover contaminantes de los gases, y se diferencian de los filtros de partículas. Antes que 'filtrar' contaminantes por los principios de exclusión de tamaño mecánicos, los desgasificadores tienden a adsorber impurezas. El elemento desgasificador 20 contiene un material 22 que adsorbe químicamente las impurezas de la corriente de combustible 12. Los materiales adecuados para la presente invención incluyen platino, plata, tungsteno, polvo de vidrio, mica, carbón, hierro y compuestos de hierro. Un material disponible comercialmente, útil para adsorber químicamente C02 es ASCARITE, los cuales son fibras de asbestos recubiertas con hidróxido de sodio. El ASCARITE es usado para adsorber C02 en analizadores de combustión. El elemento desgasificador 20, incluye opcionalmente un medio de indicación visual 24, que comunica al usuario cuando ha
alcanzado su capacidad y está agotado, usado, empobrecido, expirado, consumido o gastado, y necesita ser reemplazado. Son conocidos en la industria, varios métodos de monitorear o de medir la capacidad remanente de un elemento desgasificador, tales como incorporar materiales que cambian de color para indicar la cantidad de CO o de C02 captada, medidores electrónicos, medir y comparar la cantidad de impurezas en la corriente de alimentación y la corriente de salida 'purificada, etc. El elemento desgasificador 20 es conectado desmontablemente al lado anódico de la celda de combustible de una manera tal que pueda ser removido fácilmente por el usuario humano y reemplazado con un elemento desgasificador nuevo. El término 'conectado desmontablemente' significa que el desgasificador y la celda de combustible son dos piezas individuales separadas y no están permanentemente unidas juntas, ni son una pieza unitaria monolítica. Se pretende que el desgasificador esté fijado a la celda de combustible de una manera tal que pueda ser fácil y rápidamente separada de la celda de combustible sin daño a la misma, o sin la necesidad de una pluralidad de instrumentos. Por ejemplo, un medio de proporcionar un montaje 'conectado desmontablemente' es usar adaptadopres de presión para gas, entre el elemento desgasificador, la fuente de combustible, y la celda de
combustible. El elemento desgasificador puede estar fijado mecánicamente a la celda de combustible por un medio rápido de colocación u otros mecanismos de retención convencionales, puede ser roscado , puede ser sellado en el sitio por medio de empaques y rebordes, etc. No contemplamos la definición de 'conectado desmontablemente' para incluir un desgasificador que está unido adhesivamente o moldeado por inyección a la celda de combustible o conectado por medios de adaptación por compresión o adaptadores SWAGE-LOK. Después de parar a través del elemento desgasificador conectado desmontablemente 20, la corriente de combustible purificado 26 fluye a la celda de combustible 30. En la modalidad preferida, la corriente de combustible purificado 26, comprende gas hidrógeno. Para el propósito de la presente invención, purificado, se define como que tiene un nivel de CO inferior a 40 ppm. El reformado que sale del reformador químico está compuesto principalmente de gas hidrógeno además de cantidades en trazas de CO y de C02. El reformado es pasado a través del elemento desgasificador que contiene platino, plata, tungsteno, polvo de vidrio, mica, carbón, hierro o compuestos de hierro, en los que el CO y el C02 es adsorbido químicamente, y el gas hidrógeno purificado es exportado a la celda de combustible. Después de un
período de uso, el platino, plata, tungsteno, polvo de vidrio, mica, carbón, hierro o compuestos de hierro en el desgasificador están agotados, y el desgasificador gastado es removido del sistema y reemplazado con un desgasificador nuevo. Para un modelo de uso típico para un consumidor de un dispositivo electrónico manual energizado con un sistema de celdas de combustible, el elemento desgasificador sería diseñado y dimensionado para terminar, al menos una semana antes de que se necesite reemplazar. Al utilizar la presente invención, pueden usarse reformadores pequeños baratos en una aplicación de celda de combustible portátil,' para reformar combustibles hidrocarbonados líquidos tales como metanol para obtener gas hidrógeno para energizar las celdas de combustible. El elemento desgasificador sacrificable, pone en evidencia la necesidad de procesos y equipos reformadores más elaborados, más grandes y más caros que permitan un reformado menos puro como un suministro de combustible, y, por lo tanto, que permita sistemas de celdas de combustible basados en reformadores portátiles de tamaño y costo prácticos. En resumen, creamos un medio novedoso para reducir la concentración de impurezas en una corriente de combustible para una celda de combustible, haciendo así posible el uso de reformadores baratos, en miniatura y combustible de
metanol líquido en un sistema de celdas de combustible portátiles para energizar dispositivos electrónicos manuales. Aunque las modalidades preferidas de la invención se han ilustrado y descrito, será obvio que no son limitativas de la misma. Para los expertos en la materia, tendrán lugar numerosas modificaciones, cambios, variaciones, substituciones y equivalentes, sin alejarse del espíritu y el alcance de la presente invención co o se define por las reivindicaciones que se anexan.