WO2016156650A1 - Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible - Google Patents

Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible Download PDF

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WO2016156650A1
WO2016156650A1 PCT/ES2016/070221 ES2016070221W WO2016156650A1 WO 2016156650 A1 WO2016156650 A1 WO 2016156650A1 ES 2016070221 W ES2016070221 W ES 2016070221W WO 2016156650 A1 WO2016156650 A1 WO 2016156650A1
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fuel cell
hydrogen
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generating device
cell according
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PCT/ES2016/070221
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English (en)
French (fr)
Inventor
Juan Pablo Esquivel Bojorquez
María Neus SABATÉ VIZCARRA
Francisco Javier DEL CAMPO GARCÍA
Joshua BUSER
Original Assignee
Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic)
University Of Washington Through Its Center For Commercialization
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention discloses a generating device that incorporates a fuel cell.
  • the device includes a hydrogen producing apparatus and the fuel cell itself, thereby connected, that hydrogen-producing reactions occur in the apparatus and this hydrogen feeds the fuel cell to generate electrical energy.
  • nucleic acid amplifier disclosed in the article "A simple, inexpensive device for nucleic acid amplification without electricity— toward instrument-free molecular diagnostics in low-resource settings , "by LaBarre, P., Hawkins, K., Gerlach, J., Wilmouth, J., Beddoe, A., Singleton, J., Boyle, D., and Weigl, B., published in PLoS One, 6 (5), e19738 (2011).
  • document DE3814160 discloses a fuel cell that It comprises, on the one hand, an electrolyte that is arranged tightly between two electrodes, equally sealed, in which the anode is fed from a hydrogen container and the cathode is fed from an oxygen container.
  • a similar fuel cell structure is disclosed in JPH09283155.
  • both documents disclose devices that require specific sources of hydrogen and oxygen and are not intended for the reuse of hydrogen from chemical reactions within a device.
  • the fuel cells of these two documents are static electrolyte fuel cells, in particular, the battery of document DE3814160 is a battery whose electrolyte is stagnant NaOH in a filter and the battery of document JPH09283155 is a battery with a polymer electrolyte membrane (Nafion) that, likewise, does not have any electrolyte flow.
  • the battery of document DE3814160 is a battery whose electrolyte is stagnant NaOH in a filter
  • the battery of document JPH09283155 is a battery with a polymer electrolyte membrane (Nafion) that, likewise, does not have any electrolyte flow.
  • Having a waterproof electrolyte has, among others, the problem that the chemical products generated in the reaction such as carbonates can be deposited on the electrolyte by modifying its physical-chemical properties, in addition, there is the problem of water management that can be generated in the electrodes that can block the reaction sites in the electrodes or even limit the reaction necessary for the generation of electrical energy.
  • the present invention discloses an electric generating device incorporating a fuel cell and a hydrogen producing apparatus, in which the fuel cell is of the type that It comprises a cathode with an oxygen inlet, an anode with a hydrogen inlet and an electrolyte circulation channel, where the anode and cathode are connected to the electrolyte circulation channel, in which the electrolyte circulation channel is a porous material, preferably a paper-based material, where the flow of the electrolyte is carried out by capillarity.
  • the fuel cell incorporates an absorbent material connected to one end of the channel that would maintain the capillary flow after the channel has been filled.
  • the absorbent material would realize the suction force that would keep the electrolyte flowing through said channel avoiding the need to use a pump as in other applications.
  • the source of oxygen that comes into contact with the cathode can be an atmospheric air inlet or alternatively an oxygen container or any oxidizing substance can be used.
  • the hydrogen producing apparatus connected to the fuel cell has a raw material input capable of generating hydrogen, a treatment or reaction chamber connected to the raw material input and a hydrogen outlet connected to the reaction chamber, where The hydrogen outlet is in turn connected to the hydrogen inlet of the fuel cell, so that the apparatus feeds hydrogen to the fuel cell so that it generates electricity.
  • the apparatus can be, for example, a chemical heater or a nucleic acid amplifier that generates hydrogen as a byproduct that is directed to the fuel cell.
  • the hydrogen producing apparatus can have a specific utility, as is the case of those referred to in the previous paragraph, and release hydrogen, which is taken to the fuel cell.
  • the hydrogen producing apparatus is an apparatus designed specifically to generate hydrogen that is directed to the fuel cell. It is preferably contemplated that the device has the hydrogen producing apparatus integrated with the fuel cell, preferably forming a compact assembly.
  • the device can be designed to have a limited life for the intended application, so it can be said that in this case it is disposable or for single use.
  • the hydrogen producing apparatus is a heating apparatus in which an exothermic reaction occurs in the reaction chamber generating heat and hydrogen.
  • the input of raw material is constituted by a porous material, preferably of paper base, and that the fuel cell channel also comprises a porous material, preferably of paper base, each impregnated with materials. that when wet with a liquid, for example water, they will determine on the one hand the generation of hydrogen in the apparatus and then the flow of the electrolyte in the channel of the battery that will generate electrical energy.
  • the input of the raw material of the apparatus is constituted by a paper base in which a first salt, such as NaCl, is located and the reaction chamber incorporates a material capable of producing hydrogen, such as for example Mg, MgFe, AI, NaBH 4 , H 3 NBH 3 or NaSi, and the fuel cell channel also comprises a paper base on which a second salt, for example KOH.
  • a first salt such as NaCl
  • the reaction chamber incorporates a material capable of producing hydrogen, such as for example Mg, MgFe, AI, NaBH 4 , H 3 NBH 3 or NaSi
  • the fuel cell channel also comprises a paper base on which a second salt, for example KOH.
  • a saline solution for example of NaCl
  • a saline solution for example of NaCl
  • the application of the liquid sample on the fuel cell channel produces an electrolyte solution for example of KOH, which flows by capillarity through the fuel cell channel, allowing the battery to function and therefore the generation of electrical energy from the hydrogen supplied by the device.
  • the product reaction chamber incorporates a porous hydrophobic membrane that separates the fluids to allow only hydrogen, in the form of gas, to access the hydrogen outlet that connects with the anode of the battery is provided at its outlet .
  • the reaction chamber can incorporate at its entrance at least one valve to block the return of hydrogen to the raw material inlet, thus forcing hydrogen to exit through the porous hydrophobic membrane.
  • the valve instead of the valve, the possibility is contemplated that the raw material inlet is conceived in an expandable porous material in contact with liquid that determines that the fluidic resistance with which hydrogen is encountered when trying to exit through the inlet is greater than that found when exiting through the porous hydrophobic membrane.
  • Figure 1 shows a schematic view of a device according to the present invention.
  • Figure 2 is a schematic view of a fuel cell of the type applicable to the device of Figure 1.
  • Figure 3 shows, schematically, an example of a device according to the present invention in which the apparatus is a nucleic acid amplifier.
  • Figure 4 shows a perspective view of a section of a second embodiment of the present invention.
  • Figure 5 shows a perspective view of a section of a third embodiment of the present invention.
  • Figure 6 shows a perspective view of a section of a fourth embodiment of the present invention.
  • Figure 7 shows an exemplary embodiment of a fuel cell according to the present invention together with their respective voltage, current and power measurements.
  • Figure 8 shows a fifth embodiment of the device that integrates the apparatus, specifically designed to generate hydrogen, with the fuel cell.
  • Figure 9 shows an alternative embodiment to that provided in Figure 8 in which the device also integrates the apparatus and the battery.
  • Figure 10 shows the same elements that the embodiment of Figure 9 incorporates in a more compact way and occupying less space.
  • Figure 1 shows a schematic view of a device according to the present invention in which it is observed that the device is formed by a hydrogen producing apparatus (1) and a fuel cell (2) connected to an electric element (3), or electric energy consuming element.
  • the apparatus (1) has a raw material inlet (1 1), a reaction chamber (13) and a hydrogen outlet (14), and optionally depending on the application, a finished product outlet (12).
  • the fuel cell (2) is a cell of the type comprising a first electrode arranged as a cathode (22), a second electrode arranged as an anode (23) and a channel (24) arranged between said cathode (22) and anode (23).
  • this embodiment has a structure in which an electrolyte (21) flows by capillarity through said channel (24). This flow by capillarity allows, on the one hand, to dispense with elements such as pumps to propel the fluid through the channel that would consume electrical energy, making the device not suitable for use in areas lacking means for external power supply.
  • porous channel material (24) As regards possible materials that can be used as porous channel material (24), a paper base material, or nitrocellulose, cellulose paper, porous polymer, fabric or fiberglass, stands out in general.
  • the electric element (3) there are several applications to use the electric energy generated by the fuel cell (2).
  • the electrical element (3) may comprise instrumentation electronics such as sensors, indicators of all types (LED, LCD, etc.) or additional measurement, control and actuation systems on the device (1) or devices external to the device.
  • instrumentation electronics such as sensors, indicators of all types (LED, LCD, etc.) or additional measurement, control and actuation systems on the device (1) or devices external to the device.
  • an LED (31), shown in Figure 1 is provided to consume said electrical energy.
  • the fuel cell - LED assembly would serve as a hydrogen sensor.
  • this consumption of the generated electricity would serve, in a way collateral, as an element to prevent hydrogen leaks into the environment since hydrogen is used to generate electricity and as waste would be water that, unlike releasing hydrogen to the environment, does not represent any danger.
  • Figure 2 shows a preferred embodiment of a fuel cell (2) suitable for use in a device according to the present invention. This figure shows in more detail the operation of the fuel cell (2).
  • the fuel cell (2) of Figure 2 shows a container (210) in which an electrolyte (21), an anode (23), a cathode (22) and an absorbent material (242) are arranged.
  • Said container (210) can be, in particular, a groove or a porous material of a similar type to the electrolyte transfer channel (24).
  • said channel (24) is in contact with the anode (23) and the cathode (22).
  • electrolyte As for possible substances that can be used as electrolyte (21), strong electrolytes in general as well as weak electrolytes with pH buffering capacity stand out. Strong electrolyte is understood to be that ionic substance whose constituent ions dissociate completely upon entering into solution giving rise to a conductive solution with basic, acidic or neutral pH. Also, ionic liquids and conductive polymers could also be used to maintain adequate conductivity in the middle. In a preferred embodiment of the present invention said electrolytes can be: sulfuric acid, sodium sulfate, phosphate buffer, potassium hydroxide, sodium hydroxide, among others. As for possible materials that can be used as absorbent material (242), nitrocellulose, cellulose paper, porous polymer, fabric, fiberglass, foam, gel, among others.
  • FIG. 3 An exemplary embodiment of the present invention is seen in Figure 3.
  • This figure shows an example of application of a device of the present invention by modifying an existing apparatus (1) comprising a hydrogen outlet (14) adding a fuel cell (2) that is connected to the hydrogen outlet (14) of the apparatus so that its anode (23) comes into contact, on the one hand, with said hydrogen outlet (14) and, on the other, with the electrolyte channel (24).
  • this embodiment contemplates the provision of an atmospheric air inlet (26) as a source of oxygen to supply the cathode (22).
  • the device is a chemical heater comprising a housing (101) and a chamber (100) in which a chemical reaction occurs that gives off heat. .
  • hydrogen (140) is released, which is stored in a sealed chamber (141).
  • this hydrogen is supplied by the outlet (14) to the anode (23) of the fuel cell.
  • the cathode (22) is fed by atmospheric oxygen (26) and the energy generated is used to light an LED (31).
  • said LED is arranged as an indicator of the presence of hydrogen in the chamber (141).
  • FIG. 5 shows that the electric power generated is used in other types of elements, in particular, it is used as a power supply for an electronics module (32) that has control means of an LCD screen as well as media of instrumentation control (320) of the apparatus. Additionally, said generated electric energy can be applied to various applications such as, for example, chemical analysis instruments, actuators, controllers, etc.
  • Figure 6 shows a fourth embodiment of the present invention.
  • the fuel cell is connected to an apparatus (1), specifically a heater that has as its byproduct the generation of hydrogen.
  • a solid electrolyte (240) soluble in water (or in any other liquid) is adhered to the channel (24).
  • Said solid electrolyte (240) can alternatively be arranged in part of the channel, uniformly along it or in an external container in contact with said channel. Additionally, in this embodiment the channel (24) is arranged in a container (241) of the apparatus (1) containing water (241) or, alternatively, said water (241) is produced as a result of the internal processes of the apparatus.
  • Figure 7 shows an embodiment of a fuel cell in which a set of two fuel cells is constructed on a paper strip as a channel (24) of the type commercially known by the name of Fusion 5 (of the Whatman brand) 5 mm wide.
  • Both the anode (23) and the cathode (22) are manufactured on carbon paper of the type manufactured by Toray Industries, Inc (with reference EC-TP1-060T) by depositing a platinum / carbon catalyst charge.
  • the area of each electrode is 2.5 mm by 5 mm.
  • the cathodes (22) are placed on the channel (24) and receive oxygen from the air, while the anodes (23) are arranged in the lower part of the channel (24) exposed to a flow of hydrogen.
  • the electrolyte flowing through the channel (24) of the fuel cell is a solution of 1 M KOH.
  • the entry of hydrogen into the fuel cell comes from the reaction of an apparatus (1) which, in this particular case, is a chemical heater that produces hydrogen by contacting 0.1 g of MgFe particles with 600 of NaCl saline solution. at 2.5%
  • This hydrogen produced as a byproduct is the hydrogen to which each of the anodes is exposed (23).
  • a first fuel cell 201 1, 2021, 2031
  • a second fuel cell 2012, 2022, 2032
  • an electrolyte transfer channel 24.
  • each battery has its own channel and is connected externally, which results in the benefit of reducing leakage currents or losses between batteries that share the same electrolyte.
  • the polarization curves of the fuel cells shown in the figure are obtained from measurements made with a bipotentiostat / electroplating which is available in three different configurations; A first configuration (201) for measuring the voltage (V201) corresponding to the first fuel cell (201 1, 2021, 2031); a second configuration (202) for measuring the voltage (V202) of the second fuel cell (2012, 2022, 2032); and a third configuration (203) in which the voltage (V201 + 202) of the two batteries connected in series is measured.
  • the open circuit voltage of the individual batteries is recorded around 0.9V
  • the maximum power (P201) of the first battery is 5.5 mW at 15 mA
  • the maximum power (P202) of The second battery is 5.5 mW at 15 mA
  • the voltage (V201 +202) of the set of the two batteries connected in series reaches 1.7V
  • the power (P201 + 202) combined of both batteries reaches 9.5 mW at a current of 10 mA.
  • the set output voltage is used to turn on a red reference LED HLMP-D155 and thus indicate the presence of hydrogen from the chemical heater.
  • a device that integrates the apparatus (1) specifically designed to generate hydrogen with the fuel cell (2) that is fed by the hydrogen of the apparatus is schematically observed.
  • the apparatus (1) has a raw material inlet (1 1) consisting of a porous material, preferably of paper base, a reaction chamber (13) incorporating a material capable of producing hydrogen (44) and a hydrogen outlet (14) through which the hydrogen generated in the reaction chamber (13) goes out towards the anode (23) to feed the fuel cell (2).
  • Said fuel cell (2) also shows the cathode (22) and the channel (24) consisting of a porous material, preferably of paper base.
  • the reaction chamber (13) incorporates in its outlet a porous hydrophobic membrane (40) that separates the fluids to allow only the passage to hydrogen, and the reaction chamber (13) comprises at its entrance at least one valve (41) for block the return of hydrogen to the raw material inlet (1 1).
  • Figure 8 also shows that the apparatus (1) incorporates a first liquid inlet (42) to introduce a saline solution (46) that would impregnate the entry of raw material (1 1), as well as the fuel cell (2) ) incorporates a second liquid inlet (43) to introduce an electrolytic solution (45) that would impregnate the channel electrolyte (24).
  • Figure 9 An alternative embodiment to that of Figure 8 is shown in Figure 9, in which the device also integrates hydrogen producing apparatus and the fuel cell, it is contemplated that in contact with the raw material inlet (1 1) it incorporates a first solid electrolyte of a first salt (47), and which in contact with the channel (24) incorporates a second electrolyte of a second salt (48), and which additionally has an absorbent material (49), which is in communication with the entry of raw material (1 1) and with the channel (24), and which is fed by an aqueous liquid (50) that is transferred to:
  • Figure 10 shows the same combination of elements that make up the device of Figure 9, but in a more compact and integrated way, preferably with a strip-like geometry in which the absorbent material (49) appears integrated without protruding from the device (1).

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Abstract

Se describe una pila de combustible (1) en la que el canal de circulación del electrolito (24) es de material poroso,y un dispositivo que incorpora dicha pila de combustible (1) y un aparato (2) productor de hidrógeno que alimenta de hidrógeno a la pila de combustible (1). En una realización preferente el aparato (2) productor de hidrógeno está integrado con la pila de combustible (1) y está concebido para generar hidrógeno que es dirigido a la pila de combustible (1).

Description

DISPOSITIVO GENERADOR ELÉCTRICO QUE INCORPORA UNA PILA DE
COMBUSTIBLE
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención da a conocer un dispositivo generador que incorpora una pila de combustible.
El dispositivo incluye un aparato productor de hidrógeno y la propia pila de combustible, de tal modo conectados, que en el aparato se producen reacciones que producen hidrógeno y este hidrógeno alimenta a la pila de combustible para generar energía eléctrica.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Son conocidos diversos dispositivos que utilizan reacciones químicas para llevar a cabo procesos como, por ejemplo, los calentadores químicos utilizados en los procesos de amplificación de ADN son calentadores que, generalmente, no requieren energía eléctrica alguna y que, como desventaja, carecen de medios de alimentación de instrumentación asociada al proceso de calentamiento tales como, detectores de presencia de hidrógeno, indicadores de funcionamiento, entre otros. Un ejemplo de calentador de este tipo se aplica, entre otros, al amplificador de ácido nucleico que se da a conocer en el artículo "A simple, inexpensive device for nucleic acid amplification without electricity— toward instrument-free molecular diagnostics in low-resource settings," de LaBarre, P., Hawkins, K., Gerlach, J., Wilmouth, J., Beddoe, A., Singleton, J., Boyle, D., and Weigl, B., publicado en PLoS One, 6(5), e19738 (2011).
Además, son conocidas en el mercado diversas pilas de combustible que utilizan hidrógeno como material combustible para generar energía eléctrica.
Por ejemplo, el documento DE3814160 da a conocer una pila de combustible que comprende, por una parte, un electrolito que se dispone estanco entre dos electrodos, igualmente estancos, en los que el ánodo se alimenta de un contenedor de hidrógeno y el cátodo se alimenta de un contenedor de oxígeno. Una estructura de pila de combustible similar se da a conocer en el documento JPH09283155. Sin embargo, ambos documentos dan a conocer dispositivos que requieren fuentes específicas de hidrógeno y oxígeno y no se orientan al reaprovechamiento de hidrógeno procedente de reacciones químicas dentro de un dispositivo.
Las pilas de combustible de estos dos documentos son pilas de combustible de electrolito estático, en particular, la pila del documento DE3814160 es una pila cuyo electrolito es NaOH estancado en un filtro y la pila del documento JPH09283155 es una pila con una membrana de electrolito polimérico (Nafion) que, de igual manera, no dispone de flujo de electrolito alguno.
Disponer de un electrolito estanco tiene, entre otros, el problema de que los productos químicos generados en la reacción como, por ejemplo, carbonatos pueden quedar depositados sobre el electrolito modificando sus propiedades físico-químicas, además, existe el problema de la gestión del agua que se pueda generar en los electrodos que puede llegar a bloquear los sitios de reacción en los electrodos o, incluso, limitar la reacción necesaria para la generación de la energía eléctrica.
La modificación de este tipo de pilas de combustible para disponer un electrolito que fluya de manera que pueda evitar los problemas anteriormente mencionados presentaría el inconveniente de que necesitaría, por una parte, disponer de bombas de fluido de electrolitos y, por otra, tener fuentes de hidrógeno y oxígeno dedicadas a las celdas de combustible que requieren recargas habituales. En ciertas aplicaciones en las que se utilizan las pilas de combustible como fuente de generación eléctrica principal, se puede disponer de bombas para hacer fluir electrolito y de fuentes de hidrógeno dedicadas que mantengan unos niveles aceptables de hidrógeno así como los sistemas de monitorización de los niveles y de la calidad necesarios para que la energía eléctrica generada sea lo más uniforme posible. Sin embargo, en aplicaciones en las que la generación de energía es un procedimiento secundario para reaprovechar gases de desecho de otros procesos químicos, resulta inaceptable el consumo eléctrico que tienen dichas bombas además de sus sistemas de control asociados.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Con el fin de solucionar los problemas que presentan los dispositivos de la técnica anterior, la presente invención da a conocer un dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible y un aparato productor de hidrógeno, en el que la pila de combustible es del tipo que comprende un cátodo con una entrada de oxígeno, un ánodo con una entrada de hidrógeno y un canal de circulación de electrolito, donde el ánodo y el cátodo se encuentran conectados al canal de circulación de electrolito, en el que el canal de circulación de electrolito es un material poroso, preferentemente un material con base de papel, donde el flujo del electrolito se realiza por capilaridad.
Complementariamente se ha previsto que la pila de combustible incorpore un material absorbente conectado a un extremo del canal que mantendría el flujo capilar después de que el canal se haya llenado. El material absorbente realizaría la fuerza de succión que mantendría al electrolito fluyendo a través de dicho canal evitando la necesidad de emplear una bomba como sucede en otras aplicaciones.
Por otra parte la fuente de oxígeno que entra en contacto con el cátodo puede ser una entrada de aire atmosférico o alternativamente se puede utilizar un contendor de oxígeno o cualquier sustancia oxidante.
El aparato productor de hidrógeno conectado a la pila de combustible dispone de una entrada de materia prima con capacidad de generar hidrógeno, una cámara de tratamiento o reacción conectada a la entrada de materia prima y una salida de hidrógeno conectada a la cámara de reacción, donde la salida de hidrógeno se encuentra a su vez conectada a la entrada de hidrogeno de la pila de combustible, de tal modo que el aparato alimenta de hidrógeno a la pila de combustible para que ésta genere energía eléctrica. En una posible realización el aparato puede ser por ejemplo un calentador químico o un amplificador de ácido nucleico que generan hidrógeno como subproducto que es dirigido a la pila de combustible.
El aparato productor de hidrógeno puede tener una utilidad concreta, como es el caso de los referidos en el párrafo anterior, y desprender hidrógeno, el cual es conducido a la pila de combustible. En otra realización el aparato productor de hidrógeno es un aparato concebido ex profeso para generar hidrógeno que es dirigido a la pila de combustible. Preferentemente se contempla que el dispositivo disponga del aparato productor de hidrógeno integrado con la pila de combustible, preferentemente formando un conjunto compacto.
El dispositivo puede concebirse de modo que tenga una vida limitada para la aplicación pretendida, por lo que se puede decir que en este caso es desechable o de un solo uso.
En una posible realización el aparato productor de hidrógeno es un aparato calentador en el que se produce una reacción exotérmica en la cámara de reacción generando calor e hidrógeno.
Se ha previsto que la entrada de materia prima esté constituida por un material poroso, preferentemente de base de papel, y que el canal de la pila de combustible comprenda igualmente un material poroso, preferentemente de base de papel, cada una de ellas impregnadas con materiales que al mojarse con un líquido, por ejemplo agua, van a determinar por un lado la generación de hidrógeno en el aparato y a continuación el flujo del electrolito en el canal de la pila que va a generar energía eléctrica. En un posible ejemplo de realización la entrada de materia prima del aparato está constituida por una base de papel en la que se encuentra una primera sal, tal como NaCI, y la cámara de reacción incorpora un material capaz de producir hidrógeno, tal como por ejemplo Mg, MgFe, AI,NaBH4, H3NBH3 o NaSi, y el canal de la pila de combustible comprende igualmente una base de papel en la que se encuentra una segunda sal, por ejemplo KOH.
Al añadir una muestra líquida, por ejemplo agua, sobre la entrada de materia prima se produce una solución salina (por ejemplo de NaCI) que fluye por capilaridad hacia la cámara de reacción en donde entra en contacto con la aleación de MgFe produciendo hidrógeno; este gas se dirige por la salida de hidrógeno hacia el ánodo de la pila de combustible. Por otra parte la aplicación de la muestra líquida sobre el canal de la pila de combustible produce una solución electrolítica por ejemplo de KOH, que fluye por capilaridad por el canal de la pila de combustible, permitiendo el funcionamiento de la pila y por tanto la generación de energía eléctrica a partir del hidrógeno suministrado por el aparato.
Se ha previsto la posibilidad de que la cámara de reacción de producto incorpore en su salida una membrana hidrofóbica porosa que separa los fluidos para permitir únicamente al hidrógeno, en forma de gas, acceder a la salida de hidrógeno que conecta con el ánodo de la pila.
La cámara de reacción puede incorporar en su entrada al menos una válvula para bloquear el retorno del hidrógeno hacia la entrada de materia prima, obligando así al hidrógeno a salir por la membrana hidrofóbica porosa. Alternativamente, en lugar de la válvula, se contempla la posibilidad de que la entrada de materia prima se conciba en un material poroso expandible en contacto con líquido que determina que la resistencia fluídica con la que se encuentra el hidrógeno al intentar salir por la entrada sea mayor que la que se encuentra al salir a través de la membrana hidrofóbica porosa.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Éstas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de las formas preferidas de realización, dadas únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompañan. La figura 1 muestra una vista esquemática de un dispositivo según la presente invención.
La figura 2 es una vista esquemática de una pila de combustible del tipo aplicable al dispositivo de la figura 1.
La figura 3 muestra, de forma esquemática, un ejemplo de dispositivo según la presente invención en la que el aparato es un amplificador de ácido nucleico.
La figura 4 muestra una vista en perspectiva de una sección de un segundo ejemplo de realización de la presente invención.
La figura 5 muestra una vista en perspectiva de una sección de un tercer ejemplo de realización de la presente invención. La figura 6 muestra una vista en perspectiva de una sección de un cuarto ejemplo de realización de la presente invención.
La figura 7 muestra un ejemplo de realización de una pila de combustible según la presente invención junto con sus respectivas mediciones de voltaje, corriente y potencia.
La figura 8 muestra un quinto ejemplo de realización del dispositivo que integra el aparato, específicamente concebido para generar hidrógeno, con la pila de combustible.
La figura 9 muestra una realización alternativa a la prevista en la figura 8 en la que asimismo el dispositivo integra el aparato y la pila.
La figura 10 muestra los mismos elementos que incorpora la realización de la figura 9 de forma más compacta y ocupando menos espacio.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La figura 1 muestra una vista esquemática de un dispositivo de acuerdo con la presente invención en la que se observa que el dispositivo está formado por un aparato (1) productor de hidrógeno y una pila de combustible (2) conectada a un elemento eléctrico (3), o elemento consumidor de energía eléctrica. De manera el aparato (1) presenta una entrada de materia prima (1 1), una cámara de reacción (13) y una salida de hidrógeno (14), y opcionalmente según aplicación una salida de producto terminado (12).
Por otra parte en esta misma figura 1 se observa que la pila de combustible (2) es una pila del tipo que comprende un primer electrodo dispuesto como cátodo (22) un segundo electrodo dispuesto como ánodo (23) y un canal (24) dispuesto entre dichos cátodo (22) y ánodo (23). Para poder generar energía eléctrica, esta realización dispone de una estructura en la que un electrolito (21) fluye por capilaridad a través de dicho canal (24). Este flujo por capilaridad permite, por una parte prescindir de elementos tales como bombas para impulsar el fluido a través del canal que consumirían energía eléctrica haciendo que el dispositivo no sea adecuado para su utilización en zonas carentes de medios de suministro externo de energía eléctrica..
En cuanto a posibles materiales que se puedan utilizar como material poroso del canal (24) destaca de modo general un material base de papel, o nitrocelulosa, papel de celulosa, polímero poroso, tela o fibra de vidrio.
En cuanto al elemento eléctrico (3), existen diversas aplicaciones para utilizar la energía eléctrica generada por la pila de combustible (2).
El elemento eléctrico (3) puede comprender electrónica de instrumentación como, por ejemplo sensores, indicadores de todo tipo (LED, LCD, etc.) o sistemas adicionales de medición, control y actuación sobre el aparato (1) o aparatos externos al dispositivo.
En realizaciones particulares de la presente invención, se dispone un LED (31), representado en la figura 1 , para consumir dicha energía eléctrica. De esta manera, el conjunto pila de combustible - LED serviría como un sensor de hidrógeno. Cabe destacar que este consumo de la energía eléctrica generada serviría, de forma colateral, como un elemento para evitar fugas de hidrógeno al ambiente ya que el hidrógeno se utiliza para generar energía eléctrica y como residuo quedaría agua que, a diferencia de liberar hidrógeno al ambiente, no representa peligro alguno. La figura 2 muestra una realización preferente de una pila de combustible (2) adecuada para su utilización en un dispositivo según la presente invención. En esta figura se observa en más detalle el funcionamiento de la pila de combustible (2).
En particular, la pila de combustible (2) de la figura 2 muestra un contenedor (210) en el que se dispone un electrolito (21), un ánodo (23), un cátodo (22) y un material absorbente (242). Dicho contenedor (210) puede ser, de manera particular, una acanaladura o un material poroso de tipo similar al canal (24) de transferencia de electrolito. Entre dicho contenedor (210) y dicho material absorbente (242) se dispone un canal (24) a través del cual circularía el electrolito (21) por capilaridad dada la fuerza de succión ejercida por el material absorbente (242). Además dicho canal (24) se encuentra en contacto con el ánodo (23) y el cátodo (22). En cuanto a posibles sustancias que se puedan utilizar como electrolito (21), destacan los electrolitos fuertes en general así como los electrolitos débiles con capacidad tamponadora del pH. Se entiende como electrolito fuerte a aquella sustancia iónica cuyos iones constituyentes se disocian completamente al entrar en disolución dando lugar a una solución conductora con pH básico, ácido o neutro.. Asimismo, también podrían usarse líquidos iónicos y polímeros conductores para mantener una conductividad adecuada en el medio. En una realización preferente de la presente invención dichos electrolitos pueden ser: ácido sulfúrico, sulfato de sodio, tampón fosfato, hidróxido de potasio, hidróxido de sodio, entre otros. En cuanto a posibles materiales que se puedan utilizar como material absorbente (242), destacan nitrocelulosa, papel de celulosa, polímero poroso, tela, fibra de vidrio, espuma, gel, entre otros. Cabe destacar que como materiales absorbentes pueden utilizarse materiales que han sido modificados con sustancias higroscópicas como el cloruro de calcio y el óxido de calcio. Un ejemplo de realización de la presente invención se observa en la figura 3. En esta figura se observa un ejemplo de aplicación de un dispositivo de la presente invención mediante la modificación de un aparato (1) existente que comprende una salida de hidrógeno (14) añadiendo una pila de combustible (2) que se conecta a la salida de hidrógeno (14) del aparato de manera que su ánodo (23) entra en contacto, por una parte a dicha salida de hidrógeno (14) y, por otra, al canal (24) de electrolito. Adicionalmente, esta realización contempla la disposición de una entrada de aire atmosférico (26) como fuente de oxígeno para suministrar al cátodo (22).
En esta y las figuras posteriores se ha eliminado la referencia al contenedor de electrolito y el material absorbente para facilitar la comprensión de la presente invención. Un segundo ejemplo de realización de la presente invención se describe haciendo referencia a la figura 4. En esta realización el dispositivo es un calentador químico que comprende una carcasa (101) y una cámara (100) en la que ocurre una reacción química que desprende calor. Como resultado de dicha reacción química se desprende hidrógeno (140) que se mantiene almacenado en una cámara estanca (141). Posteriormente, este hidrógeno se suministra mediante la salida (14) al ánodo (23) de la pila de combustible. Por otra parte, el cátodo (22) se alimenta de oxígeno (26) atmosférico y la energía generada se utiliza para encender un LED (31).
De esta manera, dicho LED se dispone como un indicador de la presencia de hidrógeno en la cámara (141).
En la figura 5 se observa un tercer ejemplo de realización de la presente invención. En particular en esta figura se observa que la energía eléctrica generada se utiliza en otro tipo de elementos, en concreto, se utiliza como fuente de alimentación para un módulo de electrónica (32) que dispone de medios de control de una pantalla LCD así como medios de control de instrumentación (320) del aparato. Adicionalmente, dicha energía eléctrica generada se puede aplicar a diversas aplicaciones como, por ejemplo, en instrumentos de análisis químico, actuadores, controladores, etc. La figura 6 muestra un cuarto ejemplo de realización de la presente invención. En este caso, la pila de combustible se conecta a un aparato (1), concretamente un calentador que tiene como subproducto la generación de hidrógeno. En este dispositivo se adhiere al canal (24) un electrolito sólido (240) soluble en agua (o en cualquier otro líquido). Dicho electrolito sólido (240) se puede disponer de manera alternativa en parte del canal, de manera uniforme a lo largo del mismo o en un contenedor externo en contacto con dicho canal. Adicionalmente, en esta realización se dispone el canal (24) en un recipiente (241) del aparato (1) que contiene agua (241) o, alternativamente, dicho agua (241) se produce como resultado de los procesos internos del aparato.
Posteriormente, por acción del material absorbente (242), el agua (241) fluye a través del canal (24) solubilizando el electrolito.
La figura 7 muestra un ejemplo de realización de una pila de combustible en la que se construye un conjunto de dos pilas de combustible en una tira de papel a modo de canal (24) del tipo conocido comercialmente por el nombre de Fusión 5 (de la marca Whatman) de 5 mm de ancho. Tanto el ánodo (23) como el cátodo (22) se fabrican sobre papel de carbón del tipo fabricado por Toray Industries, Inc (con referencia EC- TP1-060T) depositando una carga de catalizador de platino/carbón. El área de cada electrodo es de 2.5 mm por 5 mm. Los cátodos (22) se colocan sobre el canal (24) y reciben oxigeno del aire, mientras que los ánodos (23) están dispuestos en la parte inferior del canal (24) expuestos a un flujo de hidrogeno. El electrolito que fluye por el canal (24) de la pila de combustible es una solución de 1 M KOH. La entrada de hidrógeno a la pila de combustible proviene de la reacción de un aparato (1) que, en este caso particular, es un calentador químico que produce hidrogeno al poner en contacto 0.1 g de partículas de MgFe con 600 de solución salina de NaCI al 2.5%. Este hidrógeno producido como subproducto es el hidrógeno al que se encuentra expuesto cada uno de los ánodos (23).
En particular, haciendo referencia a la figura 7, se dispone una primera pila de combustible (201 1 , 2021 , 2031) y una segunda pila de combustible (2012, 2022, 2032) sobre un canal (24) de transferencia de electrolito. En una solución alternativa, no representada, se contempla la opción de que cada pila disponga de su propio canal y se conecten externamente, lo que redunda en el beneficio de reducir las corrientes de fuga o pérdidas entre pilas que comparten un mismo electrolito.
Las curvas de polarización de las pilas de combustible que se observan en la figura se obtienen a partir de mediciones realizadas con un bipotenciostato/galvanostato que se dispone en tres configuraciones distintas; Una primera configuración (201) para medir el voltaje (V201) correspondiente a la primera pila de combustible (201 1 , 2021 , 2031); una segunda configuración (202) para medir el voltaje (V202) de la segunda pila de combustible (2012, 2022, 2032); y una tercera configuración (203) en la que se mide el voltaje (V201+202) de las dos pilas conectadas en serie.
El voltaje de circuito abierto, de las pilas individuales se registra en torno a 0.9V, la potencia (P201) máxima de la primera pila (201 1 , 2021 , 2031) es 5.5 mW a 15 mA, la potencia (P202) máxima de la segunda pila (2012, 2022, 2032) es 5.5 mW a 15 mA, Cuando las pilas se conectan en serie, el voltaje (V201 +202) del conjunto de las dos pilas conectadas en serie alcanza 1.7V y la potencia (P201 +202) combinada de ambas pilas llega a 9.5 mW a una corriente de 10 mA. El voltaje de salida del conjunto se utiliza para encender un LED rojo de referencia HLMP-D155 y de esta forma indicar la presencia de hidrogeno proveniente del calentador químico.
Aunque en las realizaciones descritas de la presente invención se hace mención a que el efecto para la transferencia de fluidos es mediante la capilaridad debido a un material absorbente (242) conectado a uno de los extremos del canal (24) de transferencia de electrolito, también se puede utilizar cualquier otro tipo de técnica conocida de bombeo pasivo conocida en el campo de la microfluídica de canales.
En una quinta realización representada en la figura 8 se observa de modo esquemático un dispositivo que integra el aparato (1) específicamente concebido para generar hidrógeno con la pila de combustible (2) que es alimentada por el hidrógeno del aparato. Se aprecia que el aparato (1) dispone de una entrada de materia prima (1 1) constituida por un material poroso, preferentemente de base de papel, una cámara de reacción (13) que incorpora un material capaz de producir hidrógeno (44) y una salida de hidrógeno (14) por la que sale el hidrógeno generado en la cámara de reacción (13) que se dirige hacia el ánodo (23) para alimentar la pila de combustible (2). En dicha pila de combustible (2) se observa asimismo el cátodo (22) y el canal (24) constituido por un material poroso, preferentemente de base de papel.
La cámara de reacción (13) incorpora en su salida una membrana hidrofóbica porosa (40) que separa los fluidos para permitir únicamente el paso al hidrógeno, y la cámara de reacción (13) comprende en su entrada al menos una válvula (41) para bloquear el retorno del hidrógeno hacia la entrada de materia prima (1 1).
En la figura 8 se observa asimismo que el aparato (1) incorpora una primera entrada de líquido (42) para introducir una disolución salina (46) que impregnaría la entrada de materia prima (1 1), así como la pila de combustible (2) incorpora una segunda entrada de líquido (43) para introducir una solución electrolítica (45) que impregnaría el electrolito del canal (24).
En la figura 9 se muestra una realización alternativa a la de la figura 8, en la que asimismo el dispositivo integra aparato productor de hidrógeno y la pila de combustible, se contempla que en contacto con la entrada de materia prima (1 1) incorpore un primer electrolito sólido de una primera sal (47), y que en contacto con el canal (24) incorpore un segundo electrolito de una segunda sal (48), y que complementariamente disponga de un material absorbente (49), que está en comunicación con la entrada de materia prima (1 1) y con el canal (24), y que es alimentado por un líquido acuoso (50) que se transfiere a:
la entrada de materia prima (1 1) para contactar con el primer electrolito sólido (47) para dar lugar a la primera disolución salina que circula por la entrada de materia prima (1 1), y
al canal (24) para contactar con el segundo electrolito (48) para dar lugar a la segunda solución electrolítica que circula por el canal (24).
La figura 10 muestra la misma combinación de elementos que componen el dispositivo de la figura 9, pero de forma más compacta e integrada, preferentemente con una geometría a modo de tira en la que el material absorbente (49) aparece integrado sin sobresalir del aparato (1).

Claims

REIVINDICACIONES
1. - Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible que comprende:
un cátodo (22) con una entrada de oxígeno;
un ánodo (23) con una entrada de hidrógeno; y
un canal (24) de circulación de electrolito formado por un material poroso donde el flujo del electrolito se realiza por capilaridad,
en el que tanto el ánodo (23) como el cátodo (22) se encuentran conectados al canal (24) de transferencia de electrolito,
caracterizado por que el dispositivo generador eléctrico comprende adicionalmente un aparato productor de hidrógeno (1) que dispone:
una entrada de materia prima (1 1),
una cámara de reacción (13) conectada a la entrada de materia prima (1 1), y una salida de hidrógeno (14) conectada a la cámara de reacción (13), donde la salida de hidrógeno (14) se encuentra conectada a la entrada de hidrogeno de la pila de combustible.
2. - Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque comprende adicionalmente un material absorbente (242) conectado al canal (24).
3. - Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 2 caracterizado porque el material absorbente (242) está fabricado de un material tratado con sustancias higroscópicas.
4. - Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el material poroso del canal (24) de transferencia de electrolito es un material seleccionado entre un material base de papel, o nitrocelulosa, papel de celulosa, polímero poroso, tela o fibra de vidrio.
5. - Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque la entrada de materia prima (1 1) está constituida por un material poroso de base de papel.
6.- Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el aparato productor de hidrógeno (1) es un calentador químico.
7.- Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el aparato productor de hidrógeno (1) es un amplificador de ácido nucleico.
8. - Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque la materia prima es una solución salina.
9. - Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 8 caracterizado porque la cámara de reacción (13) incorpora un material capaz de producir hidrógeno con el que reacciona una solución de la sal procedente de la entrada de materia prima (1 1) para generar hidrógeno.
10. - Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque la cámara de reacción (13) comprende en su salida una membrana hidrofóbica porosa (40) que separa los fluidos para permitir únicamente al hidrogeno, en forma de gas, acceder a la salida de hidrogeno (14).
1 1. - Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque la cámara de reacción (13) comprende en su entrada al menos una válvula (41) para bloquear el retorno del hidrógeno a la entrada de materia prima (1 1).
12. -Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque la entrada de materia prima se concibe en un material poroso expandible en contacto con líquido que bloquea el retorno del hidrógeno hacia la entrada de materia prima (1 1).
13. - Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el aparato (1) incorpora una primera entrada de líquido (42) para introducir una disolución salina (46) que impregnaría la entrada de materia prima (1 1), y la pila de combustible (2) incorpora una segunda entrada de líquido (43) para introducir una solución electrolítica (45) que impregnaría el canal de circulación de electrolito (24).
14.- Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende:
un primer electrolito sólido (47) en contacto con la entrada de materia prima
(1 1),
un segundo electrolito sólido (48) en contacto con el canal (24), y
un material absorbente (49), que está en comunicación con la entrada de materia prima (1 1) y con el canal (24), y que es alimentado por un líquido acuoso (50) para transferirse a:
la entrada de materia prima (1 1) para contactar con el primer electrolito (47) para dar lugar a la primera disolución salina que circula por la entrada de materia prima (1 1), y
el canal (24) para contactar el segundo electrolito (48) para dar lugar a la segunda disolución salina que circula por el canal (24).
15.- Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el aparato productor de hidrógeno (1) está integrado con la pila de combustible (2) formando un conjunto compacto.
16.- Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende al menos una pila de combustible adicional, dotada de otro ánodo y otro cátodo conectados a otro canal de circulación de electrolito, en el que la pila de combustible adicional está conectada en serie a la pila de combustible.
17.- Dispositivo generador eléctrico que incorpora una pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 16 caracterizado porque el otro canal de circulación de electrolito de la otra pila de combustible es coincidente con el canal (24) de circulación de electrolito de la pila de combustible.
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