ES2286597T3 - Cartucho de combustible para celulas de combustible. - Google Patents
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Abstract
Cartucho de combustible que contiene combustible líquido adecuado para su uso con una célula de combustible, comprendiendo dicho cartucho de combustible un inserto de relleno, caracterizado porque el inserto de relleno comprende un material absorbente que tiene una capilaridad que absorbe el combustible contenido dentro del cartucho, y caracterizado porque el inserto de relleno está dispuesto en el cartucho de manera que el inserto de relleno está en contacto con el combustible en cualquier orientación del cartucho y en cualquier nivel de combustible y caracterizado porque al menos una parte del inserto de relleno está cubierto por una película impermeable de fluido.
Description
Cartucho de combustible para células de
combustible.
La presente invención se refiere en general a
cartuchos de combustible para células de combustible, y más
particularmente esta invención se refiere a cartuchos de combustible
desechables y rellenables. Esta invención se refiere también a
cartuchos de combustible para células de combustible de metanol
directo.
Las células de combustible son dispositivos que
convierten directamente energía química de reactivos, por ejemplo
combustible y oxidante, en electricidad de corriente directa (CC).
Para un cada vez mayor número de aplicaciones, las células de
combustible son más eficientes que la generación de energía normal,
como la combustión de combustibles fósiles, y más eficiente que el
almacenamiento de energía portátil, como las baterías de
litio-iones.
En general, las tecnologías de células de
combustible incluyen una serie de diferentes células de combustible,
incluidas células de combustible alcalino, células de combustible
electrolito de polímero, células de combustible de ácido fosfórico,
células de combustible de carbonato fundido y células de
combustible de óxido sólido. Las células más importantes en la
actualidad pueden dividirse en tres categorías, a saber, células de
combustible que utilizan hidrógeno comprimido (H_{2}) como
combustible, células de combustible de membrana de intercambio de
protones (PEM) que utilizan metanol (CH_{3}OH) reformado en
hidrógeno como combustible, y células de combustible PEM que
utilizan combustible de metanol (CH_{3}OH) directamente
("células de combustible de metanol directo" o DMFC). El
hidrógeno comprimido se mantiene generalmente bajo una elevada
presión, y en consecuencia es difícil de manejar. Además,
normalmente se necesitan depósitos de almacenamiento de gran tamaño
y no pueden hacerse lo suficientemente pequeños para dispositivos
electrónicos para el consumidor. Por otro lado, las células de
combustible que utilizan reformatos de metanol requieren
reformadores y otros sistemas de vaporización y sistemas
auxiliares, aumentando así el tamaño y complejidad de las células de
combustible basadas en metanol-reformato. La DMFC
es la célula de combustible más sencilla y posiblemente más pequeña,
y posee la aplicación de energía más prometedora en dispositivos
electrónicos para el consumidor.
La DMFC para aplicaciones relativamente mayores
comprende normalmente un ventilador o compresor para suministrar un
oxidante, normalmente aire u oxígeno, al electrodo cátodo, una bomba
para suministrar una mezcla de agua/metanol al electrodo ánodo y un
conjunto de electrodo de membrana (MEA). El MEA incluye normalmente
un cátodo, una PEM y un ánodo. Durante el funcionamiento, la mezcla
líquida combustible de agua/metanol se suministra directamente al
ánodo, y el oxidante se suministra al cátodo. La reacción
química-eléctrica en cada electrodo y la reacción
global para la célula de combustible se describen del modo
siguiente:
Reacción en el ánodo:
CH_{3}OH +
H_{2}O\rightarrow CO_{2} + 6H^{+}+
6e^{-}
\vskip1.000000\baselineskip
Reacción en el cátodo:
O_{2} + 4H^{+}
+ 4e^{-} \rightarrow 2
H_{2}O
\vskip1.000000\baselineskip
La reacción global de la célula de
combustible:
CH_{3}OH +
1.5 O_{2 }\rightarrow CO_{2} + 2
H_{2}O
Debido a la migración de los iones de hidrógeno
(H^{+}) a través de la PEM, del ánodo al cátodo, y debido a la
incapacidad de los electrones libres (e-) de pasar a través de la
PEM, los electrones deben fluir a través del circuito externo, lo
que produce una corriente eléctrica a lo largo del circuito externo.
El circuito externo puede ser cualquier dispositivo electrónico de
utilidad para el consumidor, como teléfonos móviles o celulares,
calculadoras, asistentes digitales personales y ordenadores
portátiles, entre otros. La DMFC se discute en las patentes de los
Estados Unidos números 5.992.008 y 5.945.231. Generalmente, la PEM
está realizada de un polímero, como Naflon®, disponible en DuPont,
que es un material perfluorinado que posee un espesor en el rango
de aproximadamente 0,05 mm. a aproximadamente 0,50 mm. El ánodo está
realizado normalmente de un soporte de papel de carbón teflonizado
con una capa delgada de catalizador, como
platino-rutenio, depositada sobre el mismo. El
cátodo es normalmente un electrodo de difusión de gas en el cual se
fijan las partículas de platino a un lado de la membrana.
\newpage
Una de las características más importantes de la
aplicación de la DMFC es el almacenamiento de combustible. Otra
característica importante es regular el transporte de combustible
del cartucho de combustible al MEA. Para ser comercialmente útil,
los sistemas de DMFC deben tener la capacidad de almacenar
suficiente combustible para satisfacer el uso normal de los
consumidores. Por ejemplo, para teléfonos móviles o celulares, para
ordenadores personales y para asistentes digitales personales
(PDAs), las células de combustible necesitan dar energía a estos
dispositivos al menos durante el mismo tiempo que las baterías
actuales, y preferentemente durante más tiempo. Además, la DMFC
deberá tener depósitos de combustible fácilmente sustituibles y
rellenables para minimizar o evitar la necesidad de recargas de
larga duración de las baterías recargables actuales.
La literatura de patentes no contiene ninguna
literatura específica de un depósito de combustible o
almacenamiento de combustible portátil no presurizado para células
de combustible. La publicación de solicitud de patente de los
Estados Unidos número US 2002/0127451 A1 expone una célula compacta
de combustible de PEM, que almacena combustible de metanol en
depósitos circulares colocados en posición vertical y ventea el
subproducto de CO2 devolviéndolo al depósito para presurizarlo.
Este depósito de combustible comprende además una válvula de
seguridad para impedir un exceso de presión en el depósito, y una
válvula de admisión de combustible para poder añadirlo. El depósito
de combustible comprende una capa porosa para absorber la mezcla
combustible de agua/metanol por acción capilar llevándola al ánodo
de la PEM. No obstante, esta capa porosa no puede permanecer en
contacto con el combustible en posiciones distintas de la vertical o
en un ligero ángulo respecto a la vertical. Así pues, este depósito
de combustible no puede utilizarse en todas las orientaciones.
De igual modo, la publicación de solicitud de
patente de los Estados Unidos número 2001/005 1293 A1 describe una
estructura absorbente realizada de un material absorbente en
comunicación fluida con una reserva de combustible rellenable. La
función de la estructura absorbente es llevar combustible a la PEM
por acción capilar en cantidades regulares. Sin embargo, esta
referencia no describe el procedimiento para regular el flujo de
combustible, ni cómo la estructura absorbente mantiene contacto con
el combustible cuando el nivel de combustible es menor que completo
para que funcione la acción capilar.
La patente de los Estados Unidos número
6.326.097 B I describe, entre otras cosas, ampollas de combustible
que puedan rellenarse con materiales permeables de combustible que
permiten que el combustible se comunique a través de la acción
capilar en cualquier orientación a un inyector de combustible que
pasa por absorción a la PEM. Estas ampollas de combustible no
pueden almacenar una cantidad suficiente de combustible, dado que
para que funcione adecuadamente la acción capilar, el espacio dentro
de los materiales permeables es necesariamente pequeño. Así pues,
los materiales permeables de combustible ocupan la mayoría del
espacio en las ampollas, reduciendo así la capacidad de
almacenamiento. Esta referencia también describe una bomba accionada
manualmente, es decir, un área alveolada en las ampollas, para que
el usuario presione y así bombear el combustible. Esta bomba es
poco práctica dado que requiere que el usuario efectúe el bombeo
antes de que pueda suministrarse energía a los dispositivos
electrónicos, y puede requerir que el usuario bombee continuamente
la célula de combustible para mantener el flujo de combustible de
la PEM. Además, cada una de las acciones de bombeo manual podría
enviar un exceso de combustible a la PEM, y puede provocar una
subida indeseable en la salida eléctrica de la célula de
combustible a los dispositivos electrónicos. De modo importante, la
referencia 6.326.097 no proporciona ninguna enseñanza en cuanto a
cómo puede transportarse a la PEM el combustible no utilizado
absorbido por los materiales permeables.
El documento de patente EP 1 280 219 A2 describe
un cartucho de pared individual/cámara individual con una
estructura absorbente en el mismo. La estructura absorbente está
conectada al inyector para transportar el combustible por acción
capilar o por bombeo.
La publicación de solicitud de patente de los
Estados Unidos número 2002/0018925 A1 describe una cavidad en un
dispositivo electrónico, donde se almacena un globo que contiene
combustible o donde se almacena sólido absorbente que contiene
combustible para su uso con una célula de combustible. Igual que con
la referencia 6.326.097, este material absorbente ocuparía la mayor
pare del espacio en el depósito de combustible y retendría el
combustible dentro de los materiales absorbentes, reduciendo así la
capacidad efectiva de almacenamiento de combustible.
La patente de los Estados Unidos número
8.447.941 describe una serie de capas horizontales permeables de
combustible que están en contacto con el combustible en un depósito
de combustible, y el combustible se comunica por acción capilar
desde el almacenamiento de combustible a las capas permeables de
combustible. El combustible se evapora entonces en las capas de
evaporación de combustible antes de llegar a la terminal de ánodo.
Este depósito de combustible no tiene ninguna estructura interna
para ayudar en el transporte del combustible.
La patente de los Estados Unidos número
6.460.733 B2 describe un contenedor de combustible de paredes
múltiples que comprende un contenedor interior de un combustible de
metanol dispuesto dentro de un contenedor exterior. El contenedor
interior puede tener paredes rígidas o puede ser una cámara de aire
distensible. El área impelente entre los dos contenedores comprende
agentes o aditivos que neutralizan el combustible de metanol en
caso de rotura o antes de su disposición. El combustible se alimenta
a una reserva de combustible o directamente al electrodo ánodo
mediante la gravedad o mediante una fuente de gas presurizado
situada dentro de la reserva exterior. Se proporciona una bomba
exterior para comunicar el combustible con la PEM.
Las patente de los Estados Unidos números
5.709.961 y 6.268.077 B1 describen depósitos de combustible para
comunicar el combustible con la célula de combustible.
Así pues, existe la necesidad de un dispositivo
de almacenamiento de combustible que posea una elevada capacidad de
almacenamiento y no requiera una fuente presurizada para transportar
el combustible a la PEM desde el dispositivo de almacenamiento.
En consecuencia, la presente invención tiene
como objetivo un cartucho de combustible adaptado para su uso con
una célula de combustible.
La presente invención tiene también como
objetivo un cartucho de combustible adaptado para su uso con una
célula de combustible de metanol directo.
La presente invención tiene también como
objetivo un cartucho de combustible de un único uso y también un
cartucho de combustible rellenable.
La presente invención tiene también como
objetivo cartuchos de combustible apilables o cartuchos de
combustible que posean múltiples cámaras de combustible.
Una realización preferida de la presente
invención tiene como objetivo un cartucho de combustible que
contenga combustible adecuado para su uso con una célula de
combustible. El cartucho de combustible comprende una parte de
espacio libre y un inserto de relleno. El inserto de relleno
comprende un material absorbente capaz de absorber el combustible
contenido en el cartucho por acción capilar, y el inserto de relleno
está en contacto con el combustible en cualquier orientación del
cartucho y en cualquier nivel de combustible. El inserto de relleno
comprende preferentemente menos de aproximadamente el 67%, más
preferentemente menos de aproximadamente el 50% e incluso más
preferentemente menos de aproximadamente el 33% del volumen de
cartucho.
De acuerdo con un aspecto de esta realización,
el inserto de relleno comprende una columna de conexión y al menos
dos discos. Los discos están situados preferentemente en los
extremos de la columna de conexión. La columna de conexión y/o al
menos un disco están cubiertos preferentemente por una película
impermeable de fluido. Preferentemente, el inserto de relleno
comprende además un orificio de salida para que el combustible deje
el cartucho. El orificio de salida puede estar realizado de material
absorbente, o puede comprender un inyector capilar o un haz de
tubos capilares. Alternativamente, el inserto de relleno comprende
una columna de inserción y una serie de radios, y puede comprende
también una serie de anillos, caracterizado porque los radios
conectan la columna de conexión a los anillos.
De acuerdo con otro aspecto de esta realización,
el inserto de relleno comprende un envoltura que cubre al menos una
parte de la superficie interior del cartucho y un orificio de
salida. El inserto de relleno puede comprender también al menos un
disco y/o una columna de conexión. La envoltura puede cubrir también
la totalidad de la superficie interior del cartucho.
El material absorbente del inserto de relleno
puede estar realizado de fibra poliméricas, como fibras de
poliéster, polietileno, poliolefina, poliacetalo o polipropileno, o
de fibras con base vegetal, como cáñamo, algodón o acetato de
celulosa.
El cartucho puede comprende además un ventilador
de aire y una válvula rellenable. El ventilador de aire impide que
se forme un vacío parcial dentro del cartucho, cuando se retira el
combustible. El ventilador de aire puede ser una válvula de aire o
una abertura cubierta por una micro-membrana
hidrofóbica. El ventilador de aire puede también permitir que se
ventilen los vapores o gases del cartucho.
De acuerdo con otro aspecto de esta realización,
el cartucho de combustible se conecta operativamente a una bomba
para controlar el flujo de combustible del cartucho.
Preferentemente, la bomba es una bomba de sistema
microelectromecánico (MEMS). La bomba de MEMS puede ser bien una
bomba de campo magnético o una bomba de desplazamiento de membrana.
Una bomba de campo magnético aplica un campo eléctrico o magnético
de CD o de CA al combustible para bombear el mismo. Las bombas de
campo magnético incluyen, pero sin que esto represente limitación
alguna, una bomba electrohidrodinámica, una bomba
magnetohidrodinámica y una bomba electro-osmótica.
La bomba electrohidrodinámica y la bomba magnetohidrodinámica pueden
utilizarse conjuntamente. Una bomba de desplazamiento de membrana
comprende una membrana a la que se aplica una fuerza, provocando que
la membrana se mueva o vibre para bombear el combustible. Las
bombas de desplazamiento de membrana incluyen, pero sin que esto
represente limitación alguna, una bomba electroestática y una bomba
termo-neumática. La bomba de MEMS controla la
velocidad del flujo de combustible e invierte el flujo, así como lo
detiene.
Otra realización preferida de la presente
invención tiene como objetivo un cartucho de combustible adecuado
para su uso con célula de combustible que comprende un inserto de
relleno y una bomba de MEMS para controlar el flujo de
combustible. El inserto de relleno comprende un material absorbente
capaz de absorber el combustible contenido dentro de cartucho por
la acción capilar, estando el inserto de relleno en contacto con el
combustible en cualquier orientación del cartucho y en cualquier
nivel de combustible.
\newpage
De acuerdo con un aspecto de esta realización,
el cartucho de combustible comprende una primera parte de espacio
libre y una segunda parte de espacio, donde el inserto de relleno
ocupa la segunda parte de espacio. El inserto de relleno comprende
preferentemente menos de cerca del 67%, más preferentemente menos de
cerca del 50% e incluso más preferentemente menos de cerca del 33%
de volumen del cartucho.
De acuerdo con otro aspecto de esta realización,
el inserto de relleno puede tener cualquiera de las estructuras
discutidas anteriormente. El material absorbente del inserto de
relleno puede estar realizado de fibras poliméricas o fibras con
base vegetal. El cartucho puede comprender también un ventilador de
aire y una válvula rellenable. La bomba MEMS puede ser bien una
bomba de campo magnético o bien una bomba de desplazamiento de
membrana, como se expone anteriormente.
Otra realización preferida de la presente
invención tiene como objetivo un cartucho de combustible adecuado
para su uso con una célula de combustible, donde el cartucho
comprende una serie de cámaras. Cada cámara tiene una concentración
predeterminada de combustible, y cada cámara comprende un inserto de
relleno realizado de material absorbente capaz de absorber el
combustible contenido dentro de la cámara por acción capilar. El
inserto de relleno está en contacto con el combustible en cualquier
orientación de la cámara y en cualquier nivel de combustible.
Las concentraciones de combustible en las
cámaras son preferentemente diferentes entre sí. La concentración
de combustible varía de aproximadamente 100% de combustible y
aproximadamente 0% de agua a aproximadamente 0% de combustible y
aproximadamente 100% de agua. Las cámaras colocarse adosadas o
unidas entre sí por los extremos.
De acuerdo con un aspecto de esta realización,
al menos una cámara comprende una primera parte de espacio libre y
una segunda parte de espacio, donde el inserto de relleno ocupa la
segunda parte de espacio. El inserto de relleno comprende
preferentemente menos de cerca del 67%, más preferentemente menos de
cerca del 50% e incluso más preferentemente menos de cerca del 33%
de volumen de la cámara.
De acuerdo con otro aspecto de esta realización,
el inserto de relleno puede tener cualquiera de las estructura
discutidas anteriormente. El material absorbente del inserto de
relleno puede estar realizado de fibras poliméricas o fibras con
base vegetal. El cartucho puede comprender también un ventilador de
aire y una válvula rellenable. La bomba MEMS puede ser bien una
bomba de campo magnético o bien una bomba de desplazamiento de
membrana, como se expone anteriormente. El combustible en cada
cámara se bombea preferentemente en un porcentaje diferente, y los
combustibles de las cámaras se mezclan preferentemente después de
bombearse desde las cámaras.
En los dibujos adjuntos, que forman parte de la
especificación y deben leerse junto con la misma y en los cuales se
utilizan números de referencia similares para indicar piezas
similares en las diferentes vistas:
La Fig. 1 es una vista frontal de un cartucho
orientado en una posición arbitraria de acuerdo con la presente
invención;
La Fig. 2 es una vista frontal del cartucho de
combustible de la Fig. 1 orientada en otra posición arbitraria;
La Fig. 3(a) es una vista frontal de una
realización preferida del inserto de relleno de acuerdo con la
presente invención; Las Figs
3(b)-3(d) son diferentes vistas de
otra realización preferida del inserto de relleno; y las Figs
3(e)-3(g) son diferentes vistas de
otra realización preferida del inserto de relleno;
La Fig. 4(a) es una vista frontal con un
corte parcial de otra realización preferida del inserto de relleno
de acuerdo con la presente invención. Las Figs. 4(b) y
4(c) son diferentes vistas de otra realización preferida del
inserto de relleno; y las Figs. 4(d) y 4(e) son vistas
frontales de otras realizaciones preferidas del inserto de
relleno;
Las Figs. 5(a), 5(b) y 6 son
realizaciones alternativas del cartucho de combustible ilustrado en
las Figs. 1 y 2;
Las Figs.
7(a)-7(b) son vistas esquemáticas de
realizaciones alternativas de una bomba
electro-osmótica que controla o regula el flujo de
combustible de metano y/o agua del cartucho o cartuchos de
combustible al MEA;
Las Figs.
8(a)-8(b) son vistas esquemáticas de
la bomba electro-osmótica con polaridad inversa para
detener el flujo de combustible, y estando aislada eléctricamente
del cartucho de combustible, respectivamente;
La Fig. 9 es otra realización preferida del
cartucho de combustible de la presente invención con los detalles
omitidos a efectos de claridad, que posee una serie de cámaras de
combustible;
La Fig. 10 es otra realización preferida del
cartucho de combustible de la presente invención con los detalles
omitidos a efectos de claridad, que posee una serie de cámaras de
combustible conectadas esquemáticamente a un elemento
difusor/mezclador opcional y al MEA; y
La Fig. 11 es una realización alternativa del
inserto de relleno ilustrado en las Figs. 1 y 2 con una funda
protectora.
Como se ilustra en los dibujos adjuntos y se
discute con detalle a continuación, la presente invención tiene
como objetivo un cartucho de combustible versátil para almacenar
combustibles de célula de combustible como metanol y agua, mezcla
de metanol/agua, mezclas de metanol/agua de diferentes
concentraciones o metanol puro. El cartucho de combustible puede
contener otros tipos de combustibles de célula de combustible, como
etanol, u otros químicos que pueden mejorar el rendimiento o
eficiencia de las células de combustible, y la presente invención
no se limita a cualquier tipo de combustibles o líquidos contenidos
en el cartucho. El término "combustible" como se utiliza en la
presente incluye todos los combustibles que pueden reaccionar en
las células de combustible, e incluye la totalidad de los
combustibles apropiados indicados anteriormente, líquidos y/o
químicos y mezclas de los mismos. La presente invención utiliza un
inserto de relleno que ocupa preferentemente una pequeña parte del
volumen del cartucho de combustible, de manera que el cartucho de
combustible pueda retener más combustible para asegurar una larga
vida del cartucho de combustible, y minimice la retención de
combustible en el cartucho al término de la vida útil del mismo. El
inserto de relleno es capaz de absorber y transportar el
combustible al MEA. Además, el inserto de relleno permanece
físicamente en contacto con el combustible en cualquier orientación
del cartucho de combustible y en cualquier nivel de combustible en
el cartucho de combustible.
Opcionalmente, el cartucho de combustible puede
incluir también una bomba para iniciar, mantener y/o controlar el
flujo de combustible desde la reserva de combustible. La bomba
también puede regular el flujo de combustible al MEA para aumentar
o disminuir la salida de corriente eléctrica del MEA y, de manera
importante, cortar el flujo de combustible cuando sea necesario.
Alternativamente, puede utilizarse una válvula de corte para
asegurar que se corte el flujo de combustible cuando se apague el
dispositivo electrónico o cuando se separe el cartucho del
dispositivo. La bomba o bombas pueden también mezclar metanol puro
con agua antes de bombear la mezcla al MEA. La bomba puede también
bombear selectivamente la mezcla metanol/agua desde diferentes
reservas que tengan diferentes concentraciones de metanol.
Preferentemente, la bomba está adaptada para su
uso con un porcentaje bajo de flujo de líquido, y preferentemente
está disponible en tamaños pequeños para su uso con dispositivos
electrónicos para el consumidor. Preferentemente, la bomba posee un
número mínimo de partes móviles o más preferentemente ninguna parte
móvil para minimizar la posibilidad de rotura. Preferentemente, las
bombas apropiadas incluyen bombas de sistemas
micro-electromecánicos (MEMS), como las utilizadas
para bombear tinta en impresores de chorro de tinta o las utilizadas
para refrigerar los chips de circuitos integrados, entre otros. Más
específicamente, las bombas MEMS adecuadas incluyen bombas de campo
magnético o bombas de desplazamiento de membrana. Las bombas de
campo magnético utilizan un campo eléctrico o magnético para
producir el flujo. Una bomba de campo magnético adecuada es una
bomba electro-osmótica, que es capaz de mover el
líquido en espacios pequeños, como espacios capilares, mediante la
aplicación de una potencia de circuito directo (CD) a través de al
menos una parte de una columna capilar. La dirección del flujo de
fluido en la columna capilar puede también invertirse o detenerse
invirtiendo la dirección de la potencia de CD. Otras bombas de
campo magnético adecuadas incluyen, pero sin que esto represente
limitación alguna, bombas electrohidrodinámicas y bombas
magnetohidrodinámicas. Las bombas de desplazamiento de membrana
utilizan una fuerza, por ejemplo una carga eléctrica, aplicada a una
membrana, que provoca que la membrana se mueva o vibre para
impulsar el combustible que debe bombearse. Las bombas de
desplazamiento de membrana adecuadas incluyen, pero sin que esto
represente limitación alguna, bombas electroestáticas y bombas
termo-neumáticas.
Como se ilustra en la Fig. 1, el cartucho de
combustible 10 comprende una parte de espacio libre y una parte
ocupada por el inserto de relleno 12. La parte del espacio libre
indica que el espacio puede ser ocupado por combustible o gas
cuando el nivel de combustible es menor que completo, pero sin
embargo no ocupado por otras substancias o materiales. El inserto
12 está realizado preferentemente de una material absorbente. Los
materiales absorbentes adecuados incluyen, sin que esto represente
limitación alguna, esponjas y polímeros fibrosos como el poliéster,
polietileno, poliolefina, poliacetato o polipropileno, o de fibras
naturales como el cáñamo, algodón, acetato de celulosa u otras
fibras con base vegetal. Preferentemente, si se utilizan fibras
poliméricas, estas fibras son bien plásticos termoestables o
termoplásticos con una elevada temperatura de ablandado o fusión
para soportar las posibles elevadas temperaturas internas que pueden
existir dentro de las células de combustible o dentro de los
dispositivos electrónicos. Pueden utilizarse materiales de relleno
de cualquier porosidad o permeabilidad, en tanto en cuanto los
materiales de relleno puedan absorber combustible en una proporción
de flujo suficiente. El inserto 12 comprende preferentemente dos
bases o discos 14 y una columna de conexión 16. El inserto 12 ocupa
preferentemente menos de cerca del 67% del volumen interno del
cartucho 10, más preferentemente menos de cerca del 50% e incluso
más preferentemente menos de cerca del 33%, de manera que la parte
de espacio libre y el volumen intersticial dentro del inserto 12
pueda utilizarse para retener el combustible 20. Alternativamente,
el inserto 12 puede ocupar la totalidad del volumen interno del
cartucho 10, preferentemente cuando el cartucho 10 se utiliza con
una bomba de MEMS.
En la Fig. 1, el cartucho 10 se ilustra
arbitrariamente en la posición horizontal para imitar a un
dispositivo electrónico, como una calculadora o PDA, que se esté
utilizando. En esta posición, el combustible líquido 20, que se
ilustra como parcialmente vacío, puede entrar en contacto con el
inserto de relleno 12, de manera que el combustible 20 pueda
comunicarse con el inserto 12 en puntos de contacto 22 para que se
absorba hasta el MEA. A continuación el combustible se transfiere
fuera del cartucho 10 a través del orificio de salida 24. El
orificio de salida 24 puede contener el mismo material de relleno
que el inserto 12, de manera que el combustible 20 puede ser
absorbido continuamente fuera del cartucho 10. Alternativamente, el
orificio de salida 24 puede comprender un inyector capilar
individual o u haz de tubos capilares. Más preferentemente, el
orificio de salida 24 comprende un material más adecuado con la
bomba seleccionada para optimizar el flujo del cartucho y controlar
el mismo. Por ejemplo, si se utiliza una bomba electrostática, el
orificio de salida 24 comprende preferentemente tubos capilares o
perlas de vidrio o de fundido.
Como se ilustra en la Fig. 2, el cartucho 10
puede también estar colocado arbitrariamente en cualquier ángulo de
inclinación y el combustible 20 mantiene su contacto con el inserto
de relleno 12 en los puntos de contacto 22. De igual modo, cuando
el cartucho 10 se coloca verticalmente, de manera que el orificio de
salida 24 esté colocado bien en la parte superior o en la parte
inferior, el combustible que permanece en el cartucho 10 mantiene
contacto con el disco 14 del inserto de relleno 12.
Alternativamente, como se ilustra en la Fig.
3(a), el inserto de relleno 12 puede comprender discos
adicionales 26 situados entre los discos 14. El disco 26 puede tener
cualquier orientación incluida, sin que esto represente limitación
alguna, paralelo a los discos 14. El disco 26 puede estar colocado
diagonalmente entre los discos 14. Para un soporte estructural
adicional, la columna de conexión 16 puede estar cubierta por una
película fina de plástico 25, como se ilustra en la Fig. 11.
Ventajosamente, dicha película fina mejora el flujo de líquido a
través de inserto 12, impidiendo que el aire u otros gases entren en
el material de relleno. Alternativamente, la película de plástico
puede también cubrir al menos parcialmente el disco 14, 16 y pueden
proporcionarse cierres 27 donde la columna de cobertura 14 se cruza
con la película que cubre el disco 14, 26.
La Fig. 3(b) ilustra otra variación del
inserto de relleno 12, que comprende la columna 16 y una serie de
radios 28. La Fig. 3(c) es una vista en sección transversal
de la Fig. 3(b) que muestra un recorrido preferido del flujo
de combustible dentro del inserto. Los radios 28 pueden estar
alienados en líneas rectas como se ilustra en las Figs. 3(b)
y 3(c) o pueden estar alineados como se ilustra en la Fig.
3(d). La Fig. 3(e) ilustra otra variación del inserto
de relleno 12, que comprende una columna 16, radios 28 y anillos 29.
La Fig. 3(f) es una vista en sección transversal de la Fig.
3(e) que muestra un recorrido preferido del flujo de
combustible dentro del inserto, la Fig. 3(g) es una vista
superior de la Fig. 3(e). En esta realización, los radios 28
pueden estar también alienados o desalineados.
En otra realización preferida, el inserto de
relleno 12 puede comprende el orificio de salida 24, discos 14 y
una envoltura 31. La Fig. 4 (a), ilustrada con una parte de la
envoltura 31 retirada a efectos de claridad, ilustra esta
realización. Dado que la pared 31 y los discos 14 cubrirían la
totalidad de la superficie interior del cartucho 10, el combustible
20 permanecería siempre en contacto con el inserto 12 en cualquier
nivel de combustible y en cualquier orientación del cartucho. Es
importante observar que no es necesario que la envoltura 31 y los
discos 14 cubran completamente la superficie interior del cartucho
10 para que el combustible 20 mantenga contacto con el inserto 12.
Por ejemplo, como se ilustra en las Figs. 4(d) y 4(e),
la envoltura 31 puede tener una forma en espiral o puede comprende
una serie de tiras separadas, respectivamente, y cubre parcialmente
la superficie interior del cartucho. Como se ilustra en las Figs.
4(d) y 4(e), el inserto 12 puede tener también un
orificio de salida 24 y un disco 14. Alternativamente, esta
realización puede también tener un segundo disco 14 y una columna
16. Además, como se ilustra en la Fig. 4(b), el inserto de
relleno 12 comprende un orificio de salida 24, una columna 16, un
disco 14 y una envoltura 31 conectados en serie en la manera que se
expone. La Fig. 4(c) es una vista en sección transversal de
la Fig. 4(b) que muestra el recorrido preferido de flujo de
combustible dentro del inserto.
Ventajosamente, el inserto de relleno 12 puede
utilizarse con otros cartuchos como el cartucho 30, que tiene
superficies exteriores con curvatura variante, por ejemplo el
cartucho en forma de cristal de reloj ilustrado en la Fig.
5(a) o el cartucho en forma de botella ilustrado en la Fig.
5(b). Como se ilustra, el inserto de relleno que se muestra
en las Figs. 1-2, se utiliza con el cartucho 30 en
la Fig. 5(a) y el inserto de relleno que se muestra en las
Figs. 4(b)-4(c) se ilustra con el
cartucho 30 en la Fig. 5(b). Los discos 14 y/o anillos 29
pueden también modificarse a otras formas, por ejemplo discos
hexagonales 34, que deben utilizarse en el cartucho 32 ilustrado en
la Fig. 6. Así pues, como se utiliza en el presente, el término
"disco" o "anillo" no se limita a cualquier forma
particular e incluye formas circulares y no circulares así como
formas regulares e irregulares.
A medida que el combustible se retira del
cartucho 10, 30 o 32, puede crearse un vacío parcial dentro del
cartucho. Este vacío parcial tiene a forzar a que el combustible
fluya de regreso dentro del cartucho o puede tirar del agua desde
la reacción de la célula de de combustible hacia el interior del
cartucho. Este efecto puede actuar contra el efecto capilar del
inserto de relleno 12 para sacar el combustible del cartucho. Para
superar este efecto, cuando el dispositivo electrónico del
consumidor no está en uso, puede permitirse que el aire o CO_{2},
producidos por la reacción de la célula de combustible, fluyan hacia
el interior del cartucho a través del orificio de salida 24 para
eliminar el vacío parcial. En aplicaciones en las cuales el
orificio de salida 24 está conectado en una manera correcta al MEA o
cuando la célula de combustible se utiliza continuamente durante un
largo período de tiempo, puede proporcionarse un ventilador 36 para
permitir que el aire entre al cartucho para igualar la presión
interna del cartucho con la presión externa. El ventilador 36,
ilustrado esquemáticamente en la Fig. 6, puede ser una válvula de
una dirección que sólo permite que el aire entre pero no permita
salir al combustible u otros líquidos. Alternativamente, el
ventilador 36 es una abertura cubierta por una membrana
hidrofóbica, de manera que no puedan pasar metanol, agua u otros
líquidos, pero se permita al aire entrar al cartucho. Las membranas
hidrofóbicas pueden estar realizadas de politetrafluoroetileno
(PTFE), nylon, poliamidas, polivinilideno, polipropileno,
polietileno u otra membrana polimérica. Una membrana
micro-porosa hidrofóbica de PTFE, disponible
comercialmente, puede obtenerse de W.L. Gore Associates, Inc.
Además, puede proporcionarse una válvula de relleno 38 para añadir
combustible al cartucho 10, 30, 32, cuando sea necesario. Es
importante observar que aunque que el ventilador de aire 36 y la
válvula 38 se ilustran en relación con la Fig. 6, estos
dispositivos son aplicables a todas las realizaciones de cartucho
ilustradas y que aquí se reivindican.
Para asegurar que se regula el flujo de
combustible del orificio de salida 24 del cartucho de combustible
al MEA, se proporciona una bomba opcional. Puede utilizarse
cualquier bomba en tanto en cuanto el combustible pueda bombearse
desde el cartucho de manera regulada. Preferentemente, la bomba es
una bomba MEMS para minimizar el tamaño de la bomba. La bomba
electro-osmótica es una de las bombas utilizables
con la presente invención. Como se ilustra en las Figs.
7(a)-7(c), se proporciona una bomba
electro-osmótica 39. La bomba
electro-osmótica 39 no contiene ninguna pieza móvil
y es capaz de mover fluidos a través de espacio apretados. La bomba
electro-osmótica puede mover ventajosamente el
fluido con una baja conductividad. Cuando se aplica una potencia de
CD a lo largo de un medio poroso, se crea un flujo
electro-osmótico. Cuando se expone al campo
eléctrico de CD, el líquido en el medio poroso es impulsado desde
el ánodo o electrodo positivo al cátodo o electrodo negativo. La
bomba electro-osmótica es particularmente útil en
micro-canales, como los que se encuentran dentro del
inserto de relleno 12 o orificio de salida 24, y en flujo lento y
controlado, que es muy útil en las DMFC. El flujo
electro-osmótico se discuta con detalle en la
patente de los Estados Unidos número 3.923.426 titulada "Bomba
Electro-osmótica y Dispensador de Fluido que incluye
la misma", emitida el 2 de diciembre de 1975, en "Bombas
Electro-osmóticas con frita de polímero" por S.
Zeng, C. Chen, J. Santiago, J. Chen, R. Zare, J. Tripa, F. Svec y
J. Frechet, publicada en la Revista Química de Sensores y
Accinadores B, Tomo 82, pp. 209-212 (2002), y en
"Bomba Electro-osmótica con elevada proporción de
Flujo con Poros Micrométricos", por S. Yao, D. Huber, J.
Mikkelsen y J. Santiago, procedimientos del IMECE, Congreso y
Exposición Internacional de Ingeniería Mecánica ASME de 2001,
Noviembre 11-16, 2001, Nueva York, NY, entre otras
referencias. Estas referencias se incorporan mediante referencia a
la presente en su totalidad.
Como se ilustra en la Fig. 7(a), puede
aplicarse una potencia de CD a lo largo de la totalidad del inserto
12 para asegurar que se regula el flujo de combustible que sale del
cartucho 10. Más preferentemente, se aplica una potencia de CD a lo
largo sólo del orificio de salida 24, dado que se requiere menos
voltaje y una vez que el combustible comienza a fluir a través del
orificio de salida 24, el impulso se transfiere al combustible
restante a través de la interacción viscosa. Se selecciona la
batería 40 para tener cualquier potencia necesaria para inducir el
flujo de combustible. Pueden apilarse en serie una o más baterías 40
para aumentar la potencia de CD aplicada, como se ilustra en la
Fig. 7(c). Alternativamente, puede utilizarse un convertidor
CD-CD para aumentar la salida de potencia de CD. El
convertidor CD-CD convierte el bajo voltaje CD a
voltaje de corriente alterna (CA) (o a impulsos eléctricos), y
después transforma el bajo voltaje de CA en voltaje de CA mayor
antes de reconvertirlo en voltaje de CD. Ventajosamente, los
convertidores CD-CD están disponibles en tamaños
pequeños. Cuando se ha utilizado el combustible almacenado en el
espacio libre del cartucho de combustible, la bomba
electro-osmótica 39 puede bombear el combustible
hacia fuera de inserto 12 para hacer que se utilice la mayor parte
del combustible. Para reducir el consumo de la batería 40, puede
utilizarse la potencia eléctrica de la célula de combustible para
accionar el flujo electro-osmótico una vez que la
célula de combustible está operativa. Preferentemente, se
proporciona el controlador 42 para controlar la potencia y/o
invertir la polaridad de la batería 40.
De acuerdo con un aspecto de la presente
invención, la batería 40 es recargable de manera que la corriente
de la célula de combustible, cuando está en funcionamiento, puede
recargar la batería 40. Ventajosamente, la batería 40 puede
recargarse de manera continua para prolongar la vida de la batería,
y es posible que el consumidor no sepa que está utilizando una
batería dentro de la célula de combustible. De acuerdo con otro
aspecto de la presente invención, puede proporcionarse una bomba
manual 44, como una bomba de aire accionada manualmente, para
bombear manualmente el combustible par activar el MEA cuando la
batería 40 está agotada o después de un largo período de
inactividad el combustible se drena desde el orificio de salida 24 o
de la mayor parte del inserto 12, o cuando se bloquea el espacio
capilar.
Otra ventaja de la bomba
electro-osmótica 39 es que cuando se debe cerrar el
MEA, el controlador/inversor 42 puede invertir la polaridad de la
batería 40 de manera que el combustible se vea obligado a fluir
hacia fuera del MEA para detener la reacción de la célula de
combustible para desconectar el circuito eléctrico, como se ilustra
en la Fig. 8(a). Alternativamente, puede proporcionarse una
válvula de cierre 45, como se ilustra en la Fig. 8, para aislar el
combustible del MEA. La válvula de cierre 45 puede también ayudar a
impedir la descarga no prevista del combustible del cartucho de
combustible, cuando se separa el cartucho del dispositivo
electrónico. La válvula de cierre puede colocarse bien encima o
debajo de la válvula de relleno 38. La válvula de cierre 45 puede
ser una válvula abierta normalmente o una válvula cerrada
normalmente, como se discute en la patente de los Estados Unidos de
propiedad común 5.520.197. La patente 5.520.197 se incorpora a la
presente en su totalidad mediante referencia.
Después de que se haya detenido la producción
eléctrica de la célula de combustible, se abre un conmutador manual
o electrónico para retirar cualquier potencia de CD a lo largo del
inserto de relleno 12 o orificio de salida 24. El controlador 42,
por ejemplo, puede conectarse operativamente al conmutador de
encendido/apagado del dispositivo electrónico del consumidor, de
modo que cuando se encienda el dispositivo, se aplique una potencia
de CD a lo largo del inserto 12 o el orificio de salida 24. Cuando
el dispositivo está apagado, se invierte la potencia de CD y
después se desconecta. El controlador 42 puede también controlar la
proporción del flujo de combustible desde el cartucho de
combustible mediante la variación de la potencia de CD aplicable. A
continuación se describe un procedimiento para variar la potencia de
CD.
La batería 40 y el controlador/inversor 42
pueden estar situados en el cartucho de combustible, preferentemente
cuando el cartucho es rellenable, o puede estar situada en la
célula de combustible de manera que puedan reducirse los costes
para fabricar los cartuchos de combustible, para hacer que el
cartucho de combustible sea desechable después de un único uso.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, el
cartucho de combustible 10 puede comprender dos o más cámaras. Como
se ilustra en la Fig. 9, el cartucho de combustible 10 puede tener
cámaras 46 y 48, donde una cámara está situada encima de la otra
cámara. Preferentemente, una contiene metanol y la otra contiene
agua. En cada cámara se incluye un inserto de relleno. En la
realización ilustrada en la Fig. 9, la columna de conexión 50 de la
cámara 48 se dispone concéntricamente dentro de la columna de
conexión 52 de la cámara 46. Preferentemente, la columna 52 está
aislada de la columna 52 mediante una película impermeable. Como se
ilustra, cada columna está conectada a los discos para asegurar que
el líquido contenido en las mismas salga por absorción de las
cámaras. Alternativamente, las cámaras pueden colocarse adosadas,
como las cámaras 54 y 56 ilustradas en la Fig. 10. Cada cámara 54,
56 contiene un inserto de relleno que comprende una columna de
conexión 58, 60, respectivamente, y discos para absorber los
líquidos hacia el exterior de las cámaras. En las realizaciones
ilustradas en las Figs. 9 y 10, las corrientes de metanol y de agua
deben combinarse o mezclarse antes de llegar al MEA.
Preferentemente, los líquidos se mezclan en el difusor o en la zona
de mezclado 62. Preferentemente, la zona 62 se rellena con el mismo
material de relleno que el inserto 12 para distribuir la mezcla
combustible por acción capilar antes de llegar al MEA.
Adicionalmente, puede proporcionarse una cámara de premezclado aguas
arriba del difusor o zona de mezclado 62, de manea que los líquidos
puedan mezclarse perfectamente antes de llegar al difusor 62.
Diferentes células de combustible pueden
requerir diferentes concentraciones de metanol y agua en la mezcla
combustible para el funcionamiento. Esto puede obtenerse por la
bomba electro-osmótica que se ilustra
esquemáticamente en la Fig. 7(c). La misma potencia de CD
puede aplicarse a las cámaras 46, 48 o 54, 56. Debido a la
diferente viscosidad y tensiones de superficie de metanol y agua, la
proporción de flujo de metanol y agua puede ser diferente. El
controlador/inversor 42 puede tener múltiples salidas, y cada salida
puede tener un voltaje diferente para regular los flujos hacia el
exterior de las cámaras. Alternativamente, en una realización
preferida, cada salida puede tener un resistor variable 64 para
ajustar el voltaje de la salida tal como se ilustra en la Fig.
7(b). Alternativamente, el resistor variable puede estar
situado en serie con la cámara para ajustar el voltaje aplicado a
la cámara, como se ilustra en la Fig. 7(c).
Alternativamente, las cámaras 46, 48 o 54, 46
pueden contener mezclas de combustible de diferentes
concentraciones o composiciones, y la bomba
electro-osmótica puede bombear selectivamente la
mezcla combustible hacia el exterior de una u otra cámara
dependiendo de los requisitos de consumo de energía. Esto puede
realizarse mediante el aumento de la resistencia en el resistor 64
conectado a la cámara no necesaria, de manera que sea
significativamente superior que la impedancia o resistencia del
inserto de relleno en la cámara. Cuando la resistencia del resistor
64 es lo suficientemente elevada, la potencia de CD a través del
inserto de relleno es significativamente pequeña, deteniendo así
efectivamente el flujo de la cámara innecesaria y permitiendo que
el flujo sólo proceda de la cámara seleccionada. Las mezclas de
combustible en las dos o más cámaras pueden mezclarse entre sí
antes de llegar al MEA, como se explicó anteriormente.
Alternativamente, cada cámara puede tener su propia bomba para
regular o controlar el flujo de combustible en la misma.
De acuerdo con otras realizaciones de la
invención, pueden utilizarse otras bombas con los cartuchos de
combustible 10, 30, 32 u otros cartuchos de combustible. Como se
indicó anteriormente, otras bombas adecuadas incluyen, pero sin que
esto represente limitación alguna, bombas de campo magnético como
bombas electrohidrodinámicas y bombas magnetohidrodinámicas. Otras
bombas adecuadas incluyen bombas de desplazamiento de membrana, como
bombas electroestáticas y bombas
termo-neumáticas.
Una bomba electrohidrodinámica aplica un campo
de voltaje de CA a un fluido que debe bombearse. Un ejemplo de una
bomba electrohidrodinámica se describe en la patente de los Estados
Unidos número 4.316.233, titulada "Bomba electrohidrodinámica de
Una Fase", concedida el 16 de febrero de 1982. La patente
4.316.233 se incorpora a la presente mediante referencia en su
totalidad. Una bomba electrohidrodinámica funciona generalmente
mediante las fuerzas de atracción repulsión ejercidas sobre el
fluido por un campo eléctrico a través de la reacción de Coulomb.
Dado que el campo eléctrico actúa sobre el fluido y no a través de
presión mecánica, la presión interna dentro del fluido no aumenta
significativamente debido al bombeo. Una bomba electrohidrodinámica
es particularmente adecuada para líquidos con una conductividad
eléctrica baja. Como se describe y se ilustra en las figuras de la
patente 4.316.233, se aplica una carga de CA a un conducto de flujo,
caracterizado porque el conducto de flujo comprende una serie de
proyecciones internas de material semi-aislado que
cuelga de la pared del conducto. Este conducto de flujo puede ser
ventajosamente el orificio de salida 24 del inserto de relleno 12.
Las proyecciones están realizadas de diferentes materiales que
poseen diferentes tiempos de relajación, de manera que la carga
eléctrica para cada proyección alcanza su pico en momentos
diferentes. Esto crea un campo eléctrico de CA en el fluido. Por
ejemplo, si la carga de CA es un voltaje sinusodial, los voltajes
en las puntas de las proyecciones provocan un campo eléctrico
sinusoidal para bombear el fluido en una dirección deseada.
Alternativamente, las proyecciones pueden estar realizadas de los
mismos materiales pero tener diferentes dimensiones para poseer
diferentes tiempos de relajación. Las proyecciones pueden estar
separadas o colocadas unas juntas a las otras. Las proyecciones
pueden tener también cualesquiera formas geométricas.
Se sabe que el flujo electrohidrodinámico puede
utilizarse en combinación con el flujo
electro-osmótico para bombear fluido, y se ha
informado también que las bombas electrohidrodinámicas y
electro-osmóticas pueden utilizarse conjuntamente
para bombear metanol y etanol a través de tubos capilares.
Una bomba magnetohidrodinámica, por otro lado,
aplica un campo magnético a un fluido de servicio para mover el
fluido de servicio en cualquier dirección deseada. El flujo del
fluido de servicio puede invertirse mediante la inversión del campo
magnético. Un ejemplo de una bomba magnetohidrodinámica se describe
en la patente de los Estados Unidos número 6.241.480 titulada
"Bomba micro-magnetohidrodinámica y Procedimiento
para el uso de la misma", concedida el 5 de junio de 2001. La
patente 6.241.480 se incorpora a la presente en su totalidad
mediante referencia. Cualquier líquido conductivo puede ser el
fluido de servicio. Preferentemente, el fluido de servicio es un
metal líquido de elevada viscosidad, como aleaciones de mercurio o
galio. En una realización preferida, la bomba magnetohidrodinámica
comprende una cámara que posee una entrada y una salida con una
masa del metal líquido que actúa como pistón. Un campo magnético
generado por imán permanente, electroimán o una serie de inductores
magnéticos en espiral se aplica al fluido de servicio para alejar el
fluido de servicio de la entrada a fin de introducir el líquido que
debe bombearse dentro de la cámara. Al campo magnético entonces se
invierte para bombear el fluido fuera de la cámara a través de la
salida. La bomba electrohidrodinámica puede tener una bomba
adicional para retener el líquido que debe bombearse. Cada una de
las entradas y salidas tiene una válvula de verificación para
controlar el flujo del fluido que debe bombearse. La entrada está
preferentemente en comunicación fluida con el orificio de salida 24
y la salida está preferentemente en comunicación fluida con el MEA
para transportar el fluido al MEA.
Una bomba electrostática es una bomba de
desplazamiento de membrana, que es diferente que las bombas de
campo magnético que se discuten anteriormente. En lugar de aplicar
un campo eléctrico o magnético (o ambos) a un fluido y bombear el
mismo, una bomba de desplazamiento de membrana incluye normalmente
una membrana o diafragma y una fuerza aplicada a la membrana o
diafragma para bombear el fluido. En una bomba electrostática, se
aplica una potencia eléctrica a una membrana o diafragma provocando
que la membrana o diafragma se mueva o vibre para bombear el
líquido. Una bomba electrostática se describe en la patente de los
Estados Unidos número 6.485.273 titulada "Dispositivos de Bombeo
Electrostático MEMS Distribuido", concedida el 26 de noviembre
de 2002. La patente 6.485.273 describe, entre otras cosas, una bomba
de MEMS, que tiene una membrana móvil acoplada de forma saliente a
un substrato. La membrana está inclinada en el extremo libe alejado
del substrato. Cuando se aplica un voltaje electrostático a través
de un primer electrodo en la membrana móvil y un segundo electrodo
en el substrato, la membrana móvil se mueve hacia el substrato.
Dicho movimiento bombea cualquier fluido que debe bombearse situado
entre el extremo libre de la membrana móvil y el substrato. Cuando
se retira la fuerza electrostática, la membrana móvil es empujada
de vuelta a su posición original. Este ciclo puede repetirse para
bombear continuamente el fluido. En la patente de los Estados Unidos
número 5.336.062, titulada "Bomba
Micro-miniaturizada", emitida el 9 de agosto de
1994, se describe otra bomba electrostática. La patente 5.336.062
describe, entre otras cosas, una bomba electrostática que posee al
menos una membrana. Cuando se aplica a la membrana un voltaje de CA
a través de su contacto "óhmico", la membrana vibra para
bombear fluido. La patente 5.336.062 describe también una
realización de dos membranas, donde se aplican a las membranas dos
voltajes de CA, que tiene diferentes fases y voltajes, de manera que
las membranas puedan vibrar en fases opuestas entre sí para bombear
líquido. La descripción de la patente 6.485.273 se incorpora a la
presente en su totalidad mediante referencia.
Otra bomba de desplazamiento de membrana es la
bomba termo-neumática. En esta bomba se dispone en
una cámara de presión un elemento de calentamiento, por ejemplo un
elemento de calentamiento por resistencia, y la cámara de presión
se conecta operativamente a la membrana. Dentro de la cámara se
encuentra una cantidad de bien gas de trabajo o bien líquido de
trabajo que se expande cuando se calienta. Los líquidos adecuados
de trabajo incluyen líquidos de hidrocarburos fluorados disponibles
en 3M. El movimiento de la membrana bombea el líquido que debe
bombearse. Una reducción en la temperatura del gas o líquido de
servicio encerrados contrae la membrana. La bomba
termo-neumática y otras micro-bombas
de desplazamiento de membrana se describen en la patente de los
Estados Unidos número 6.060.392, titulada "Accionador de
Micro-fuelles", concedida el 30 de mayo de 2000
y la patente de los Estados Unidos número 6.326.211 titulada
"Procedimiento de Manipulación de una Burbuja de Gas en un
Dispositivo Micro-fluídico", concedida el 4 de
diciembre de 2001. Estas referencias se incorporan en su totalidad
mediante referencia.
Los cartuchos de combustible 10. 30. 32
descritos anteriormente pueden utilizarse con DMFC, o pueden
incorporarse con un reformato para convertir el metanol en hidrógeno
que debe utilizarse con células de combustible de reformato de
metanol.
Aunque es evidente que las realizaciones
ilustrativas de la invención descrita en la presente cumplen los
objetivos de la presente invención, los entendidos en la técnica
apreciarán que pueden desarrollarse numerosas modificaciones y
otras realizaciones.
Claims (15)
1. Cartucho de combustible que contiene
combustible líquido adecuado para su uso con una célula de
combustible, comprendiendo dicho cartucho de combustible un inserto
de relleno, caracterizado porque el inserto de relleno
comprende un material absorbente que tiene una capilaridad que
absorbe el combustible contenido dentro del cartucho, y
caracterizado porque el inserto de relleno está dispuesto en
el cartucho de manera que el inserto de relleno está en contacto
con el combustible en cualquier orientación del cartucho y en
cualquier nivel de combustible y caracterizado porque al
menos una parte del inserto de relleno está cubierto por una
película impermeable de fluido.
2. Cartucho de combustible de la reivindicación
1, comprendiendo dicho cartucho de combustible una serie de
cámaras, teniendo cada cámara tiene una concentración predeterminada
de combustible, e incluyendo cada cámara dicho inserto de relleno
realizado de un material absorbente que tiene una capilaridad que
absorbe el combustible que se contiene dentro de la cámara, estando
dispuesto el inserto de relleno en la cámara de manera que el
inserto de relleno esté prácticamente en contacto con el combustible
en cualquier orientación de la cámara y en cualquier nivel de
combustible.
3. Cartucho de combustible de la reivindicación
2, caracterizado porque el menos una parte de uno de los
insertos de relleno está cubierta por una película impermeable de
fluido.
4. Cartucho de combustible de la reivindicación
1 o 2, caracterizado porque el cartucho de combustible está
conectado a una bomba para controlar el flujo de combustible líquido
hacia fuera del cartucho.
5. Cartucho de combustible de la reivindicación
4, caracterizado porque la bomba es una bomba
micro-electromecánica.
6. Cartucho de combustible de la reivindicación
5, caracterizado porque la bomba
micro-electromecánica comprende al menos una de las
bombas siguientes:
i. una bomba de campo magnético,
ii. una bomba eléctrica de campo magnético,
iii. una bomba magnética de campo magnético,
iv. una bomba electrohidrodinámica,
v. una combinación de una bomba
electrohidrodinámica y una bomba electro- osmótica
vi. una bomba magnetohidrodinámica,
vii. una bomba
electro-osmótica,
viii. una bomba de desplazamiento de
membrana,
ix. una bomba microelectromecánica con una
membrana y una fuerza aplicada a la membrana que provoca que la
membrana se mueva para bombear el combustible,
x. una bomba electrostática, o
xi. una bomba
termo-neumática.
7. Cartucho de combustible de la reivindicación
1 o 2, caracterizado porque al menos un inserto de relleno
comprende al menos uno de los siguientes:
i. una columna de conexión y al menos dos
discos,
ii. una envoltura que cubre al menos una parte
de la superficie interior del cartucho,
iii. un orificio de salida,
iv. un orificio de salida que tiene al menos dos
materiales absorbentes,
v. una columna de conexión y una serie de radios
conectados a una columna, o
vi. una columna de conexión y una serie de
radios conectados a una columna, caracterizada por que el
menos un anillo está conectado a alguno de los radios.
8. Cartucho de combustible de la reivindicación
1 o 2, caracterizado porque el material absorbente está
realizado de fibras poliméricas o de fibras poliméricas o fibras
con base vegetal.
9. Cartucho de combustible de la reivindicación
1 o 2, caracterizado porque el cartucho comprende además un
ventilador.
10. Cartucho de combustible de la reivindicación
1 o 2, caracterizado porque el cartucho comprende también
una válvula rellenable.
11. Cartucho de combustible de la reivindicación
2, caracterizado porque la concentración de combustible varía
de aproximadamente 100% de combustible líquido y 0% de agua a
aproximadamente 0% de combustible y 100% de agua.
12. Cartucho de combustible de la reivindicación
2, caracterizado porque el combustible líquido comprende
metanol.
13. Cartucho de combustible de la reivindicación
2, caracterizado porque las cámaras están dispuestas adosadas
o unidas entre sí por los extremos.
14. Cartucho de combustible de la reivindicación
1 o 2, caracterizado porque comprende también una válvula de
cierre.
15. Cartucho de combustible de la reivindicación
4, caracterizado porque la bomba es una bomba reversible.
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