ES2299324B1 - Sistema de celda de combustible y procedimiento para la produccion de energia electrica. - Google Patents
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Abstract
Sistema de celda de combustible y procedimiento
para la producción de energía eléctrica.
Un sistema de celda de combustible presenta una
celda de combustible dispuesta sin un compartimiento de la celda de
combustible para la combinación eletroquímicamente de oxígeno
suministrado externamente con hidrógeno para producir energía
eléctrica de corriente continua y agua como un producto de reacción.
Un combustible que contiene hidrógeno, tal como un hidruro químico
contenido dentro de un depósito de combustible, recibe el
sub-producto agua y reacciona con el mismo para
producir hidrógeno, que es suministrado a la celda de combustible
para mantener la operación de la misma sin necesidad de añadir
externamente hidrógeno suministrado. La integración del suministro
de hidrógeno con la celda de combustible da lugar a una reducción de
peso y volumen así como también a control químico interno de la
producción de hidrógeno para mantener la generación de energía
eléctrica y la gestión del agua interna con lo que la emisión de
agua líquida se reduce sustancialmente.
Description
Sistema de celda de combustible y procedimiento
para la producción de energía eléctrica.
La presente invención se refiere en general a
celdas de combustible, y de forma más particular, a celdas de
combustible que consumen combustibles que contienen hidrógeno
gaseoso y producen energía eléctrica y agua.
Típicamente, una celda de combustible genera
agua en el curso normal de la generación de energía, usando oxígeno
del aire para combinarse electroquímicamente con gas hidrógeno para
producir energía eléctrica mediante principios electroquímicos bien
conocidos. Se describen celdas de combustible ventajosas para la
conversión de energía en las patentes de Estados Unidos números
4.863.813; Re 34.248; 4.988.582 y 5.094.928. En una celda de
combustible del tipo descrito en estas patentes, se transforma
directamente un material que contiene hidrógeno a temperatura
ambiente, tal como una mezcla gaseosa de hidrógeno y oxígeno, en
energía eléctrica de corriente continua y el único producto de
reacción es agua.
En una celda de combustible de este tipo
específicamente ilustrativa, una membrana electrolítica iónicamente
conductora permeable a gas de espesor
sub-micrométrico, hecha de pseudoboehmita, se
deposita sobre un electrodo que comprende un sustrato impermeable
platinado. Se deposita, por ejemplo, una capa de platino sobre la
superficie superior de la membrana para formar el otro electrodo de
la celda de combustible, tal electrodo es suficientemente poroso
para permitir que la mezcla de gas entre en la membrana. En una
mezcla de hidrógeno/aire, tal celda de combustible proporciona
corriente útil a un voltaje de salida tan alto como aproximadamente
un voltio. Aunque el voltaje y la corriente proporcionados por la
celda de combustible básica sean adecuados para muchas aplicaciones
de interés práctico, se reconoce que sería deseable idear una fuente
compacta de hidrógeno para esta y otras celdas de combustible,
especialmente para aplicaciones de dispositivos electrónicos
portátiles, tal como ordenadores portátiles y teléfonos móviles.
Una combinación adecuada de una celda de combustible con un peso
ligero, fuente de hidrógeno de pequeño volumen, podría proporcionar
una fuente mejorada de energía para aplicaciones electrónicas
portátiles en comparación con las baterías.
Varios materiales de hidruro químico, con un
alto contenido en hidrógeno, reaccionan con agua para dar hidrógeno.
El peso y volumen combinados de un hidruro químico y del agua
necesaria para reaccionar con él para producir el hidrógeno de
utilidad en una celda de combustible, se denomina el contenido de
"energía específica" del combustible, que se mide normalmente
en términos de watios-hora (contenido de energía)
dividido por el peso o volumen del hidruro químico más su agua
reactante necesaria. De ahí que los watios-hora por
kilogramo o watios-hora por litro sean ejemplos de
la energía específica de un combustible para una celda de
combustible. En una aplicación portátil, una celda de combustible
con su combustible, denominado un sistema de celda de combustible,
se beneficiaría del uso de un combustible de energía específica
alta, con el que reduciría el peso y volumen de porte del sistema
de celda de combustible.
Se reconoce que debido a que una celda de
combustible produce agua como un sub-producto
durante el curso normal de su operación de generación de energía,
una celda de combustible que pueda usar esta agua
sub-producto como el reactante con un combustible
de hidruro químico, sería ventajoso para aumentar la energía
específica de un sistema de celda de combustible mediante la
eliminación de la necesidad de aportar agua adicional. Sólo un
reactante, el hidruro químico, sería entonces necesario aportar al
sistema de celda de combustible. Se reconoce que las celdas de
combustible que podría tolerar aire mezclado con su suministro de
combustible se beneficiarían en particular de un procedimiento de
generación de hidrógeno de este tipo. También se reconoce que sería
ventajoso un medio químico de control de la velocidad de generación
de hidrógeno en un sistema de celda de combustible de este tipo. Se
reconoce además que un sistema de celda de combustible portátil se
beneficiaría de un medio para recoger el agua producida durante la
producción normal de energía eléctrica, para evitar la humedad e
inundación en la proximidad de la celda de combustible en
operación.
La presente invención implementa la operación de
una celda de combustible con combustible de hidrógeno derivado de
la reacción de un combustible químico, tal como un hidruro químico,
con el agua sub-producto de la celda de
combustible. La integración de este medio de provisión de
combustible con una celda de combustible adecuada constituye un
dispositivo, denominado un sistema de celda de combustible, que se
caracteriza porque sólo requiere un suministro externo de oxígeno o
aire y presenta una densidad de energía específica mayor que un
sistema de celda de combustible que requiera una fuente a parte o
adicional de agua. Mediante la utilización internamente de la
salida de agua propia de la celda de combustible, la presente
invención mejora el rendimiento, control y seguridad de un sistema
de celda de combustible en el que una celda de combustible está
acoplada con el suministro de combustible en consistencia con los
principios de la invención. El rendimiento mejorado del dispositivo
se caracteriza por un mayor contenido en energía específica, medida
por peso y el volumen. Esta mejora se consigue mediante la
eliminación de la necesidad de incluir agua adicional para la
reacción con un hidruro químico para producir hidrógeno.
Una ventaja adicional de la presente invención
es que controla la velocidad de generación de hidrógeno mediante el
control del suministro de agua al hidruro químico. El suministro de
agua disponible para la reacción con el combustible químico que
contiene hidrógeno se controla mediante la energía eléctrica
demandada. En la presente invención se acopla una celda de
combustible que produce vapor de agua durante el curso de su
operación con un hidruro químico adecuado, que se define como un
combustible que contiene hidrógeno que reacciona con vapor de agua
para producir gas hidrógeno bajo las mismas condiciones ambientales
que la celda de combustible y no necesita una fuente a parte de
agua distinta a la proporcionada por la celda de combustible. En la
presente invención el vapor de agua de la celda de combustible de
escape se dirige hacia un depósito que contiene el material hidruro
químico adecuado donde reacciona para formar hidrógeno, que se
suministra luego al ánodo de una celda de combustible para mantener
la producción de energía eléctrica.
Sin embargo, las celdas de combustible típicas
producen agua en el cátodo o electrodo positivo, que se mezcla con
aire y así el producto después de la reacción de esta celda de
combustible típica con un hidruro químico contendría hidrógeno y
aire. En este diseño típico de la celda de combustible, el
combustible se requiere que esté en su mayor parte descontaminado
de aire. Por tanto, si la celda de combustible requiere hidrógeno
en su mayor parte no mezclado con aire en su electrodo anódico o
negativo, sería ventajoso un medio adicional para separar el vapor
de agua del aire o del hidrógeno del aire, de modo que sólo se
suministra hidrógeno en su mayor parte no mezclado con aire al
ánodo de la celda de combustible.
De forma ventajosa, una celda de combustible que
no sólo produce vapor de agua sino que también requiere una mezcla
de aire e hidrógeno para generar energía eléctrica, se beneficiaría
especialmente de la presente invención debido a que no se
requeriría separación de agua del aire o hidrógeno del aire para
operar una celda de combustible de este tipo. Ejemplos de una celda
de combustible de este tipo se describen en las patentes de Estados
Unidos números 4.863.813; Re 34.248; 4.988.582 y 5.094.928. Esta
celda de combustible combinada con la presente invención
constituiría una realización preferida. Otra celda de combustible
que se beneficiaría ventajosamente de la presente invención sería
una celda de combustible que produzca agua no mezclada con aire, por
ejemplo, una celda de combustible que produzca agua en el ánodo, o
zona negativa del electrodo de la celda, donde está acompañada
mayormente de hidrógeno, un ejemplo es la celda de combustible de
óxido sólido.
Debido a que la celda de combustible produce
agua sub-producto de forma directamente proporcional
a la cantidad de energía eléctrica producida, el suministro de agua
en la presente invención se regula mediante la demanda de energía
eléctrica. En la presente invención el combustible químico, tal como
un hidruro químico, se selecciona preferiblemente para requerir la
misma cantidad de agua reactante que la celda de combustible
produzca para mantener la operación de la celda de combustible.
Esto evita entonces la producción excesiva e inútil de hidrógeno y
de esta forma actúa como un control, que es ventajoso tanto para la
conservación del material de hidruro químico que queda como para la
seguridad. El hidruro químico se selecciona también preferiblemente
en base a que el suministro de agua por parte de la celda de
combustible sea suficiente para reaccionar todo el hidruro químico.
Para una cantidad dada de energía eléctrica producida la velocidad
de producción de hidrógeno necesario para uso en una celda de
combustible está equilibrado exactamente con la cantidad de agua que
produce cuando se usa un hidruro químico preferido. Cuando la
demanda de energía eléctrica aumenta, se produce más corriente
acompañada de más producción de agua, que en reacción con el hidruro
químico lleva a más producción de hidrógeno para mantener la mayor
demanda de energía eléctrica. Cuando la demanda de energía eléctrica
se reduce hasta cero, la cantidad de agua producida se reduce
correspondientemente hasta cero y como consecuencia la cantidad de
hidrógeno se reduce también a cero, lo que proporciona un
procedimiento seguro de almacenamiento y transporte de hidrógeno.
Con lo cual, la presente invención proporciona de forma ventajosa un
medio de control eficiente y seguro de la cantidad de hidrógeno
producido.
Otra ventaja de la presente invención sería el
uso de un combustible que contiene hidrógeno sólido que absorbe de
forma efectiva el agua producto de la celda de combustible, con lo
que se evita la humedad e inundación en las proximidades de la
salida de una celda de combustible en operación. Distintos hidruros
químicos inorgánicos reaccionan con vapor de agua para dar
hidrógeno y producir también un producto sólido, lo cual es un
procedimiento beneficioso de "gestión del agua" en la presente
invención. La presente invención se caracteriza por otros
beneficios concurrentes ya que proporciona un medio de medida del
contenido de energía que queda en la celda. Para celdas de
combustible que usan la presente invención, la producción de
hidrógeno puede ir acompañada de una ganancia de peso y volumen
dentro del depósito de hidruro químico. Tales cambios físicos se
podrían registrar mediante medios gravimétricos o volumétricos
sencillos para proporcionar una medida de la extensión de reacción
sufrida por el hidruro químico y por tanto el contenido de energía
que le queda al sistema.
Lo anterior así como también otros objetos,
características y ventajas de la presente invención se harán
fácilmente aparentes para los especialistas en la técnica con la
lectura de la siguiente descripción detallada de la invención
cuando se lea junto con los dibujos acompañantes.
La figura 1 es una representación en diagrama
simplificada de un sistema de celda de combustible de acuerdo con
los principios de la presente invención; y
La figura 2 es un diagrama explicatorio que
muestra las reacciones que tienen lugar usando aire como la fuente
de oxígeno durante la operación del sistema de celda de combustible
mostrado en la figura 1; y
La figura 3 es una representación en diagrama
simplificada de otra realización de un sistema de celda de
combustible de acuerdo con los principios de la presente
invención.
En la figura 1 se muestra un ejemplo ilustrativo
de un sistema de celda de combustible de acuerdo con la presente
invención. El sistema de celda de combustible comprende un
combustible que contiene hidrógeno 1 tal como, por ejemplo, un
combustible de hidruro químico NaBH_{4}, alojado dentro de un
depósito de combustible 2. El depósito de combustible 2 presenta
una entrada 3 para la admisión de agua principalmente en forma de
vapor de agua dentro del depósito 2 para reacción con el
combustible que contiene hidrógeno 1 para producir gas hidrógeno
que sale del depósito 1 a través de la salida 4.
Se ha dispuesto en el interior de un
compartimiento 5 de celda de combustible una celda de combustible 6
que puede ser, por ejemplo, del tipo descrito en las patentes de
Estados Unidos números 4.863.813; Re 34.248; 4.988.582 y 5.094.928,
las descripciones completas de las mismas constituyen parte de la
descripción de la presente solicitud y se incorporan a esta
invención como referencia. Un ejemplo de una celda de combustible 6
de este tipo se muestra en diagrama en la figura 1 y comprende una
celda de combustible de gas mixto que presenta un sustrato
impermeable 18, un electrodo catalítico impermeable o permeable 17,
una membrana electrolítica de aislamiento de electrones que conduce
iones permeable 16 (denominada como un cuerpo electrolítico sólido
en patentes previas) y un electrodo catalítico permeable 15. Los
electrodos catalíticos 15 y 17 y la membrana 16 son típicamente
delgadas de acuerdo con las descripciones previamente mencionadas,
de las cuales deriva el término celda de combustible de película
delgada usado en relación a estas descripciones. Por contra, de
forma típica el sustrato 18 es relativamente grueso en comparación
con la celda de combustible de película delgada ya que actúa como
un soporte mecánico para la celda de combustible de película
delgada. El sustrato 18 puede ser normalmente también
electrónicamente conductor. La celda de combustible 6 está provista
con un par de alambres de plomo 6a, 6b para extraer la energía
eléctrica producida por la celda de combustible, y los alambres de
plomo 6a, 6b están conectados a los electrodos de la celda de
combustible de forma conocida en la técnica. El compartimiento 5 de
la celda de combustible está provisto con una entrada de oxígeno 7
para la introducción de oxígeno en el compartimiento, una entrada 8
de hidrógeno para la introducción de gas hidrógeno en el
compartimiento, y una salida de agua 9 para la evacuación de agua
del compartimiento. Se provee una válvula de entrada 10
preferiblemente en la entrada de oxígeno 7 para controlar el flujo
de entrada de gas oxígeno.
En la realización mostrada en la figura 1, la
salida 4 del depósito de combustible 2 está conectada directamente
con la entrada de hidrógeno 8 del compartimiento 5 mediante un
conducto 11. De esta forma, el interior del depósito de combustible
2 comunica con el interior del compartimiento 5 de la celda de
combustible de modo que el gas hidrógeno producido por el
combustible 1 se evacua a través de la salida 4 y se dirige a través
del conducto 11 y la entrada de hidrógeno 8 dentro del
compartimiento 5 de la celda de combustible. En esta realización,
otro conducto 12 comunica la salida de agua 9 del compartimiento 5
de la celda de combustible con la entrada 3 del depósito de
combustible 2. Esto permite que el agua producida durante la
operación de la celda de combustible 6 sea admitida dentro del
depósito de combustible 2 para la reacción con el combustible que
contiene hidrógeno 1. En caso de necesidad se puede proveer una
válvula de venteo 14 a lo largo del conducto 12.
En operación, se admite oxígeno o aire a través
de la válvula de entrada 10 (que está en la posición abierta) y de
la entrada de oxígeno 7 dentro del compartimiento 5 de la celda de
combustible y se mezcla con hidrógeno admitido a través de la
entrada de hidrógeno 8 para formar la mezcla de gas necesaria por la
celda de combustible 6 para generar energía eléctrica que pasa por
los alambres de plomo 6a, 6b unidos a los electrodos de la celda de
combustible. Se genera una cantidad de vapor de agua correspondiente
por parte de la celda de combustible 6 y se evacua del
compartimiento 5 de la celda de combustible a través de la salida de
agua 9 y pasa a través del conducto 12 hasta el combustible que
contiene hidrógeno 1 mediante la entrada 3. El vapor de agua
reacciona con el combustible que contiene hidrógeno 1 en el
depósito de combustible 2, y da lugar a más hidrógeno que pasa a
través de la celda de combustible 6 para mantener la generación de
energía eléctrica.
Aunque las finalidades primarias de las entradas
7 y 8 y salida 9 son permitir el paso de los reactantes de la celda
de combustible primarios oxígeno e hidrógeno y el agua producto,
respectivamente, en la práctica pueden acompañar otros gases a los
reactantes primarios y producto agua. Por ejemplo, además de agua,
pueden pasar gases no reaccionados en la celda de combustible 6,
incluyendo oxígeno e hidrógeno no reaccionados, a través de la
entrada 9 y luego pasar no reaccionados al compartimiento 5 a través
del combustible 1, depósito 2, salida 4, conducto 11 y entrada 8.
Si se usa aire como la fuente de oxígeno, también pasará nitrógeno
no reaccionado a través de los elementos del sistema de la celda de
combustible mostrados en la figura 1 e ilustrados adicionalmente en
la figura 2. Dicho aire se irá subsiguientemente agotando en oxígeno
como resultado de la operación normal de la celda de
combustible.
Para mantener un esquema de flujo dirigido, el
oxígeno o aire se pueden forzar dentro del compartimiento de la
celda de combustible 5 a través de la entrada de oxígeno 7 con la
válvula de entrada 10 abierta. Esto se puede conseguir mediante uso
de algo de energía eléctrica producida por la celda de combustible
6. La válvula de venteo 14 puede requerirse para dejar que aire
agotado en oxígeno sea eliminado del depósito 2 de la celda de
combustible y reemplazarlo por aire rico en oxígeno a través de la
entrada de oxígeno 7.
En la realización mostrada en la figura 3, las
válvulas 10 y 14, junto con la salida 4, la entrada 8 y los
conductos 11 y 12 se eliminan, y el compartimiento 5 de la celda de
combustible se une directamente con el depósito de combustible 2.
Se alinean una o más aberturas (tales como la salida 9) provistas en
el compartimiento 5 de la celda de combustible con una o más
aberturas similares (tales como la entrada 3) provistas en el
depósito de combustible 2, de modo que el aire que difunde a través
de la entrada de oxígeno 7 se mezcla con el hidrógeno que difunde
desde el depósito de combustible 2 para proporcionar el ambiente de
gas mixto requerido para la generación de energía por parte de la
celda de combustible 6, y el vapor de agua que difunde del
compartimiento 5 de la celda de combustible entra en el depósito de
combustible 2 para la reacción con el combustible que contiene
hidrógeno 1. Esta realización permitiría un diseño más simple y
generaría menores niveles de energía y sería adecuado para equipos
portátiles de baja energía tales como un teléfono celular. Mayores
niveles de energía requeridos durante la transmisión por telefonía
móvil serían proporcionados por una pequeña batería, que se
mantiene constantemente cargada por el sistema de celda de
combustible de baja energía.
De acuerdo con otro aspecto de la presente
invención, el depósito de combustible 2 está conectado, de forma
retirable con el sistema de celda de combustible de modo que se
puede retirar y reemplazar por un nuevo depósito de combustible.
Para este fin se puede usar cualquier conexión retirable adecuada,
tal como conexiones roscadas o conexiones de bridas atornilladas,
para conectar de forma retirable la entrada 3 y la salida 4 del
depósito de combustible 2 de los conductos 11 y 12. En la
realización en la que se omiten la salida 4, la entrada 8 y los
conductos 11 y 12, el depósito de combustible 2 se conectaría de
forma retirable directamente con el compartimiento 5 de la celda de
combustible de modo que la salida 9 del compartimiento 5 de la celda
de combustible comunica directamente con la entrada 3 del depósito
de combustible 2. Si se desea, se podría proporcionar una
pluralidad de salidas alineadas 9 y entradas 3 en el compartimiento
5 y depósito 2, respectivamente. De forma alternativa, el conducto
12 se podría mantener, en cuyo caso sólo la entrada 3 del depósito
de combustible 2 necesita estar conectado de forma retirable con el
conducto 12. De esta forma se puede retirar un depósito de
combustible 2 agotado y reemplazarlo con un depósito de combustible
fresco.
La secuencia de reacciones involucradas en el
sistema de celda de combustible de la figura 1 se muestra como un
diagrama de flujo en la figura 2:
En la celda de combustible 6: 4H_{2} +
2O_{2} (aire) \rightarrow 4H_{2}O (+ energía eléctrica)
En el depósito de combustible 2: NaBH_{4} +
4H_{2}O \rightarrow NaOH\cdotB(OH)_{3}
Reacción global: NaBH_{4} + 2O_{2} (aire)
\rightarrow NaOH\cdotB(OH)_{3}
La reacción global muestra que el sistema de
celda de combustible mostrado en la figura 1 produce energía
eléctrica a partir sólo de un reactante externo (oxígeno), que está
disponible fácilmente en el aire, y que no se produce hidrógeno en
exceso distinto al que se necesita internamente para la producción
de energía eléctrica. La reacción también muestra que la cantidad
de agua producida por la celda de combustible es suficiente para
hacer reaccionar todo el material de hidruro químico. Se controla y
dirige directamente un ciclo interno de producción de agua e
hidrógeno mediante la demanda externa de energía eléctrica, que hace
el sistema inherentemente seguro. Este ciclo se puede caracterizar
como sigue: para una cantidad dada de energía eléctrica producida,
la velocidad de producción de hidrógeno necesario para uso en la
celda de combustible está equilibrada exactamente con la cantidad
de agua que produce cuando se usan los hidruros químicos adecuados.
Cuando la demanda de energía eléctrica aumenta, se produce más
corriente acompañada de más producción de agua, lo cual lleva a más
producción de hidrógeno para mantener la mayor demanda de energía
eléctrica. Cuando la demanda de energía eléctrica se reduce a cero,
la cantidad de agua producida se reduce correspondientemente a cero
y en consecuencia la cantidad de hidrógeno se reduce también a
cero, lo cual hace el sistema seguro para el almacenamiento y
transporte de hidrógeno con la válvula de entrada 10 cerrada.
Una celda de combustible capaz de producir
energía eléctrica con exposición a una mezcla de aire e hidrógeno
al 2 a 4%, tal como se describe en las patentes de Estados Unidos
números 4.863.813; Re 34.248; 4.988.582 y 5.094.928, se
beneficiaría particularmente de la presente invención ya que la
capacidad de aporte del aire en vapor de agua está en el mismo
intervalo, a saber, de 2 a 4% para el intervalo de temperatura de 20
a 30ºC. Este beneficio particular tiene lugar debido a que en las
reacciones ejemplos mostradas anteriormente, la reacción de un
número dado de moléculas de agua con el hidruro químico produce el
mismo número de moléculas de hidrógeno proporcionando así un
control natural de la cantidad de hidrógeno generada en el intervalo
de 2 a 4%, que se considera en general que es un nivel seguro de
hidrógeno en aire, que sería especialmente beneficioso para uso en
las aplicaciones de dispositivo electrónico portátil consideradas,
tal como teléfonos móviles y ordenadores portátiles. Además, el
suministro de agua como vapor es un medio ventajoso para utilizar
más eficientemente el combustible de hidruro químico.
La válvula de entrada 10 evita el acceso no
controlado de aire u oxígeno al sistema de celda de combustible
cuando no esté en use, como se muestra en la figura 1. La válvula de
entrada 10 comprendería típicamente una válvula de cierre activada
mecánica o eléctricamente cuando la celda de combustible 6 ya no
liberase energía. La válvula de venteo 14 también se cerraría
cuando la celda de combustible 6 ya no operase para producir energía
eléctrica.
La presente invención acopla la celda de
combustible con el combustible químico mediante un sistema de
entradas y salidas que omite la necesidad de suministro de agua
externo para reaccionar con el hidruro químico. En virtud de esto
el sistema de celda de combustible de la presente invención es más
ligero en peso y menor en volumen por la cantidad de agua que no es
necesaria, lo cual para el borhidruro de sodio, estas cantidades
relativas al ahorro de peso y volumen son de aproximadamente dos
tercios. Esto es claramente ventajoso para aplicaciones portátiles.
La densidad de energía específica basada en el contenido en
hidrógeno del borhidruro de sodio sólo (sin incluir el volumen o
peso de agua reactante) es de aproximadamente 6300
watios-hora por litro y 5900
watios-hora por kilogramo. Otros hidruros químicos
proporcionarían incluso mayores densidades de energía si se usasen
de acuerdo con la presente invención.
Varios hidruros químicos inorgánicos adecuados
reaccionan con agua de forma equilibrada para provecho de esta
invención y dan hidrógeno, se dan ejemplos de tales reacciones a
continuación.
- \quad
- NaBH_{4} + 4H_{2}O \rightarrow 4H_{2} + NaOH\cdotB(OH)_{3}
- \quad
- NaBH_{4} + 4H_{2}O \rightarrow 4H_{2} + NaBO_{2}\cdot2(H_{2}O)
- \quad
- CaH_{2} + 2H_{2}O \rightarrow 2H_{2} + Ca(OH)_{2}
- \quad
- LiBH_{4} + 4H_{2}O \rightarrow 4H_{2} + LiOH\cdotB(OH)_{3}
- \quad
- LiAlBH_{4} + 4H_{2}O \rightarrow 4H_{2} + LiOH\cdotAl(OH)_{3}
Estos son ejemplos de combustibles adecuados
para el uso beneficioso en la presente invención. Su selección
dependerá también de factores que incluyen su densidad de energía
específica, velocidad de reacción con vapor de agua, que se
complete la reacción con vapor de agua, temperatura, etc. Densidades
de energía específica sustancialmente mayores se encuentran
disponibles usando un hidruro basado en Li tal como el LiBH_{4},
que presenta una densidad de energía de aproximadamente 10.000
watios-hora por litro y por kilogramo. Si se usa en
la presente invención, esta energía específica es mucho mayor que la
de combustibles tradicionales para celdas de combustible tales como
metanol e hidruros de metales relativamente pesados que adsorben y
desorben gas hidrógeno en oposición a los combustibles de hidruro
químico usados en la presente invención que reaccionan con agua
para producir gas hidrógeno.
Realizaciones ventajosas de la presente
invención incluirían medios para utilizar tanto combustible de
hidruro químico como sea posible por parte del vapor de agua
suministrado por la celda de combustible. El agua suministrada por
la celda de combustible al hidruro químico, si está en un estado
vaporizado, ayudaría a la penetración en una masa de hidruro
químico sólida para conseguir una extensión más uniforme de la
reacción del hidruro químico sólido disponible (alta utilización)
que si el agua estuviese en un estado líquido. En particular, el
agua como vapor, reduce el comienzo del bloqueo del trayecto del
vapor de la masa en partículas de hidruro químico sólido, lo que de
otro modo reduciría la densidad de energía del sistema impidiendo
que más agua acceda a las partículas interiores del hidruro
químico.
Puede ser ventajoso el mezclado de las
partículas de hidruro químico con material inerte que promueve el
ingreso y penetración por parte del vapor de agua. También puede
ser ventajosa para gran utilización la elección juiciosa del tamaño
de partícula de hidruro químico y de la distribución de tamaño de
partícula. Aumentando la porosidad del combustible de hidruro
químico respecto al vapor de agua se podría conseguir dando forma al
hidruro químico en forma de una lámina o disco con un espacio de
aire entre cada lámina o disco para permitir el fácil ingreso del
vapor de agua para facilitar un grado superior y uniformidad de
reacción del hidruro químico. La velocidad de reacción del
combustible de hidruro químico sólido se puede aumentar mediante la
inclusión de aditivos en el hidruro químico, tales como un
catalizador para la reacción incluyendo la adición de rutenio o
compuestos que contienen ácido.
La adición de un polímero fundible a las
partículas de hidruro químico puede ser beneficiosa para la
seguridad, seleccionando un polímero que fundiese y se extienda por
el combustible de hidruro químico que queda si la temperatura
subiese hasta un nivel inaceptable, que presentaría una barrera para
la reacción posterior con entrada de vapor de agua, con lo que se
reduce la velocidad de reacción de vapor de agua con el combustible
de hidruro químico.
Aunque se prevé que la principal fuente de
hidrógeno es mediante reacción del combustible que contiene
hidrógeno con agua, debido a que este combustible comienza a
reaccionar progresivamente, la velocidad de producción de hidrógeno
puede disminuir y la celda de combustible puede requerir un
suministro de hidrógeno complementario para mantener la salida de
energía invariable.
Todas las celdas de combustible que producen
energía eléctrica a partir de hidrógeno y oxígeno generan agua que
puede condensar a temperatura ambiente y acumularse en sus
electrodos, y reducir así el rendimiento del electrodo mediante la
obstrucción del flujo de gas reactante a las superficies catalíticas
del electrodo. Esto se evita habitualmente mediante el aumento del
flujo de aire para desplazar el agua. La presente invención elimina
el vapor de agua sin tener que aumentar el flujo de aire y reduce
internamente la formación de condensado de agua actuando como un
agente "de secado" en la proximidad de la celda de combustible.
Esto es especialmente ventajoso en las aplicaciones de celda de
combustible cercanas a gente y equipos, que sean susceptibles de
generar humedad.
La presente invención prevé la retirada del
combustible de hidruro químico agotado (producto de reacción del
combustible) con agua reaccionada químicamente mediante medios
mecánicos. La retirada del depósito de combustible 2 en la figura 1
y el reemplazo por un depósito con hidruro químico no reaccionado se
puede diseñar para que sea simple y eficiente. La eliminación del
borhidruro de sodio gastado, que se trata de bórax sólido, no se
prevé que sea problemática para esta invención.
Aunque las realizaciones preferidas de la
presente invención se han descrito en referencia a celdas de
combustible de gas mixto, se ha de entender que la invención no
está limitada a esto y se puede llevar a cabo usando por lo general
cualquier tipo de celda de combustible que consuma hidrógeno y
produzca agua como un producto de reacción. Por ejemplo, la
presente invención se puede poner en práctica usando celdas de
combustible que requieran diferentes reactantes electroquímicos o
diferentes concentraciones de reactantes electroquímicos en los
electrodos catódicos y anódicos con la condición de que las celdas
de combustible consuman hidrógeno y producen agua como un producto
de reacción.
Aunque la presente invención se ha descrito con
referencia a realizaciones actualmente preferidas de la misma,
serán aparentes para los especialistas en la técnica otras
realizaciones así como también variaciones y modificaciones obvias
respecto a todas las realizaciones. Se pretende que la presente
invención cubra todas aquellas realizaciones, variaciones y
modificaciones que se encuentren dentro del espíritu y alcance de
las reivindicaciones adjuntas.
Claims (40)
1. Un procedimiento de producción de energía
eléctrica de corriente continua, que comprende las etapas de:
operar una celda de combustible para combinar
electroquímicamente gas oxígeno suministrado externamente mezclado
con gas hidrógeno para producir energía eléctrica de corriente
continua y agua como un producto de reacción; dirigir el agua a
través de un combustible que contiene hidrógeno que reacciona con el
agua para producir gas hidrógeno; y dirigir el gas hidrógeno a la
celda de combustible para mezclar con el gas oxígeno suministrado
externamente para producir un combustible de gas mixto pobre en
hidrógeno para mantener la operación de la celda de
combustible.
2. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que la celda de combustible es una celda de
combustible de película delgada.
3. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que el agua producida mediante la operación
de la celda de combustible está en primer lugar en forma de vapor de
agua; y el combustible que contiene hidrógeno reacciona con el
vapor de agua para producir gas hidrógeno.
4. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 3, en el que la celda de combustible es una celda de
combustible de película delgada.
5. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que el combustible que contiene hidrógeno es
un hidruro químico.
6. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 5, en el que el hidruro químico se selecciona del
grupo constituido por NaBH_{4}, CaH_{2}, LiBH_{4} y
LiAlH_{4}.
7. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que el combustible que contiene hidrógeno
incluye uno o varios más aditivos para aumentar y/o reducir la
velocidad de reacción del combustible que contiene hidrógeno con
agua.
8. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que el combustible que contiene hidrógeno es
un combustible que contiene hidrógeno sólido.
9. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que la etapa de dirigir el agua a través de
un combustible que contiene hidrógeno comprende dirigir el agua a
través de un combustible que contiene hidrógeno sólido que
reacciona con el agua para producir gas hidrógeno y un producto de
reacción del combustible agotado sólido.
10. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que el combustible que contiene hidrógeno
sólido se selecciona para producir un producto de reacción de
combustible agotado sólido que actúa como un agente de secado
efectivo para reducir la formación de condensado de agua.
11. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, que incluye además la etapa de usar la energía
eléctrica de corriente continua producida por la celda de
combustible para accionar un dispositivo electrónico.
12. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que la etapa de operación de una celda de
combustible para combinar electroquímicamente el gas oxígeno
suministrado externamente mezclado con gas hidrógeno usa
esencialmente sólo gas hidrógeno producido mediante reacción del
combustible que contiene hidrógeno con
agua.
agua.
13. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que la etapa de dirigir el agua a través de
un combustible que contiene hidrógeno comprende dirigir el agua que
sale de la celda de combustible directamente a través de un
combustible que contiene hidrógeno que reacciona con el agua para
producir gas hidrógeno.
14. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 13, en el que la etapa de dirigir el agua que sale de
la celda de combustible directamente a través de un combustible que
contiene hidrógeno se lleva a cabo sin separación del agua de
cualquier otro componente que sale de la celda de combustible.
15. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que la reacción del combustible que contiene
hidrógeno con agua para producir gas hidrógeno se
auto-regula pasivamente y no se controla
activamente.
16. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que la celda de combustible comprende una
celda de combustible de gas mixto.
17. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 8, en el que el combustible que contiene hidrógeno
sólido está constituido por partículas sólidas.
18. Un sistema de celda de combustible para la
producción de energía eléctrica de corriente continua, que
comprende: un compartimiento que presenta una entrada de oxígeno,
una entrada de hidrógeno y una salida de agua, una celda de
combustible dispuesta dentro del compartimiento para la combinación
electroquímica de gas oxígeno introducido a través de la entrada de
oxígeno con gas hidrógeno introducido a través de la entrada de
hidrógeno para producir energía eléctrica de corriente continua y
agua como un producto de reacción; un combustible que contiene
hidrógeno en comunicación con la salida de agua para reaccionar con
el agua que sale por la salida de agua para producir gas hidrógeno;
y un paso para dirigir el gas hidrógeno producido por el
combustible que contiene hidrógeno a través de la entrada de
hidrógeno dentro del compartimiento para mezclar con el gas oxígeno
para producir un combustible de gas mixto pobre en hidrógeno para
mantener la operación de la celda de
combustible.
combustible.
19. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 18, que incluye además un depósito de
combustible que contiene en su interior el combustible que contiene
hidrógeno, presentando el depósito de combustible una entrada en
comunicación con la salida de agua y una salida en comunicación con
el paso.
20. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 19, en el que el depósito de
combustible es retirable del sistema de celda de combustible y
reemplazable por otro depósito de combustible que contiene
combustible que contiene hidrógeno.
21. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 20, en el que el depósito de
combustible está conectado de forma retirable con el
compartimiento.
22. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 19, que incluye además otro paso de
interconexión de la salida de agua del compartimiento con la entrada
del depósito de combustible.
23. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 22, que incluye además una válvula de
venteo dispuesta a lo largo del otro paso.
24. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 23, que incluye además una válvula de
entrada para controlar la introducción de gas oxígeno a través de la
entrada de oxígeno.
25. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 18, que incluye además una válvula de
entrada para controlar la introducción de gas oxígeno a través de la
entrada de oxígeno.
26. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 18, en el que el combustible que
contiene hidrógeno es un hidruro químico.
27. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 26, en el que el hidruro químico se
selecciona del grupo constituido por NaBH_{4}, CaH_{2},
LiBH_{4} y LiAlH_{4}.
28. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 18, en el que la celda de combustible
comprende una celda de combustible de gas mixto.
29. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 18, en el que la celda de combustible
comprende una celda de combustible de película delgada.
30. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 18, en el que el combustible que
contiene hidrógeno incluye uno o más aditivos para aumentar o
disminuir la velocidad de reacción del combustible que contiene
hidrógeno con agua.
31. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 18, en el que el combustible que
contiene hidrógeno es un combustible que contiene hidrógeno
sólido.
32. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 18, en el que el combustible que
contiene hidrógeno es un combustible que contiene hidrógeno sólido
que reacciona con el agua para producir gas hidrógeno y un producto
de reacción de combustible agotado sólido.
33. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 32, en el que el combustible que
contiene hidrógeno sólido está compuesto por partículas
sólidas.
34. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 18, en el que el combustible que
contiene hidrógeno sólido se selecciona para producir un producto
de reacción de combustible agotado sólido que actúa como agente de
secado efectivo para reducir la formación de condensado de agua.
35. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 18, en el que la energía eléctrica de
corriente continua producida por la celda de combustible es
suficiente para accionar un dispositivo electrónico.
\newpage
36. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 18, en el que la salida de agua
comunica directamente con el combustible que contiene hidrógeno de
modo que el agua que sale del compartimiento de la celda de
combustible pasa directamente al combustible que contiene
hidrógeno.
37. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 18, en el que el agua que sale del
compartimiento de la celda de combustible pasa directamente al
combustible que contiene hidrógeno sin separación del agua de
cualquier componente que sale del compartimiento de la celda de
combustible.
38. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 18, en el que el agua producida
mediante la operación de la celda de combustible está en primer
lugar en forma de vapor de agua; y el combustible que contiene
hidrógeno reacciona con el vapor de agua para producir gas
hidrógeno.
39. Un sistema de celda de combustible para la
producción de energía eléctrica de corriente continua, que
comprende un compartimiento que presenta una entrada de oxígeno, una
celda de combustible dispuesta dentro del compartimiento para la
combinación electroquímica del gas oxígeno introducido a través de
la entrada de oxígeno mezclado con gas hidrógeno para producir
energía eléctrica de corriente continua y agua como un producto de
reacción; y un depósito de combustible que contiene un combustible
que contiene hidrógeno que reacciona con agua para producir gas
hidrógeno; en el que el compartimiento y el depósito de combustible
presentan cada uno una o más aberturas, comunicando una o más
aberturas del compartimiento con una o más aberturas del depósito
de combustible para pasar agua desde el compartimiento al depósito
de combustible y para pasar gas hidrógeno desde depósito de
combustible al compartimiento para mantener la operación de la celda
de combustible.
40. Un sistema de celda de combustible de
acuerdo con la reivindicación 39, en el que el depósito de
combustible está conectado de forma retirable con el compartimiento
para permitir la retirada de un depósito de combustible agotado y
reemplazar el mismo con un depósito de combustible fresco.
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