BRPI0714382A2

BRPI0714382A2 - conjunto de cÉlula de combustÍvel, màdulo de energia e mÉtodo de fornecimento de eletricidade a um dispositivo eletrânico

Info

Publication number: BRPI0714382A2
Application number: BRPI0714382-6A
Authority: BR
Inventors: Alain Rosenzweig; Kurt Rath; Jean-Yves Laurent; Bruno Vallon; Andrew J Curello
Original assignee: Bic Soc
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2013-03-05
Also published as: CN102723508B; WO2008008228A2; JP5368983B2; KR20090026797A; US20090311561A1; CN102723508A; CN101490885A; WO2008008228A3; CA2657102C; EP2041822B1; CA2657102A1; KR101502356B1; MX2009000085A; EP2041822A4; CN101490885B; EP2041822A2; US8481228B2; JP2010504604A

Abstract

CONJUNTO DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL, MàDULO DE ENERGIA E MÉTODO DE FORNECIMENTO DE ELETRICIDADE A UM DISPOSITIVO ELETRâNICO. É descrito neste um conjunto de célula de combustível que arranja uma pluralidade de células de combustível individuais em uma disposição. As células de combustível são ajustadas nas aberturas formadas em uma armação. As aberturas são arranjadas na disposição, como em colunas e fileiras. Uma tampa traseira é unida de forma selante à armação, definindo desse modo uma câmara entre a armação e uma base da tampa traseira, onde a câmara serve como um distribuidor. Suportes opcionais estendem-se da base às células de combustível. O vácuo forma um distribuidor fluido para a dispersão do combustível para as células de combustível de um reservatório do combustível ás células de combustível. Alternativamente, a tampa traseira separa o espaço intersticial entre a tampa traseira e a armação nos compartimentos, que são interconectados fluidamente por canais. A disposição também pode incluir um elemento funcional conectado eletricamente às células de combustível configuradas para transferir energia para um dispositivo eletrônico.

Description

CONJUNTO DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL, MÓDULO DE ENERGIA E MÉTODO DE FORNECIMENTO DE ELETRICIDADE A UM DISPOSITIVO ELETRÔNICO

A presente invenção relaciona-se geralmente aos sistemas melhorados de célula de combustível, e mais particularmente aos conjuntos de célula de combustível que contêm disposições substancialmente planares das células de combustível ou dos conjuntos de elétrodos das membranas (MEAs) com um abastecimento de gás hidrogênio relativamente uniforme do lado do ânodo.

As células de combustível são dispositivos que convertem diretamente a energia química dos reagentes, isto é, combustível e oxidante, para a eletricidade de corrente contínua (DC) . Para um número crescente de aplicações, as células de combustível são mais eficientes do que a produção de eletricidade convencional, tal como a combustão do combustível fóssil, assim como o armazenamento portátil de energia, tal como baterias de íons de lítio.

Geralmente, a tecnologia da célula de combustível inclui uma variedade de células de combustível diferentes, tais como células de combustível alcalinas, células de combustível de eletrólito do polímero, células de combustível de ácido fosfórico, células de combustível de carbonato derretido, células de combustível de óxido sólido e células de combustível de enzima. As células de combustível mais importantes de hoje podem ser divididas em diversas categorias gerais, a saber (i) células de combustível que utilizam o hidrogênio comprimido (H2) como combustível; (ii) células de combustível de membrana de troca de próton (PEM) que usam alcoóis, por exemplo, o metanol (CH3OH), hidretos de metal, por exemplo, borohidreto de sódio (NaBH4), hidrocarbonetos ou outros combustíveis reformados no combustível de hidrogênio; (iii) células de combustível de PEM que podem consumir o combustível sem ser de hidrogênio diretamente ou dirigir células de combustível da oxidação; e (iv) células de combustível de óxido sólido (SOFC) que convertem diretamente combustíveis de hidrocarboneto à eletricidade em altas temperaturas.

0 hidrogênio comprimido geralmente é mantido sob a alta pressão e é conseqüentemente difícil de manejar. Além disso, grandes tanques de armazenamento tipicamente são exigidos e podem não ser feitos suficientemente pequenos para dispositivos eletrônicos do consumidor. Células de combustível convencionais reformatadas exigem reformadores e outros sistemas de vaporização e auxiliares para converter combustíveis em hidrogênio para reagir com o oxidante na célula de combustível. Avanços recentes fazem as células de combustível reformadoras ou reformatadoras que prometem dispositivos eletrônicos do consumidor. As células de combustível de oxidação diretas mais comuns são células de combustível de metanol diretas, ou DMFC. Outras células de combustível de oxidação direta incluem células de combustível de ortocarbonato tetrametil diretas. DMFC, onde o metanol é reagido diretamente com o oxidante na célula de combustível, é a célula de combustível mais simples e com menor potencial, e também tem a promessa de aplicação de energia para dispositivos eletrônicos do consumidor. SOFC converte combustíveis de hidrocarboneto, tais como o butano, no calor elevado para produzir eletricidade. SOFC exige relativamente altas temperaturas na escala de IOOO0C para que a reação da célula de combustível ocorra.

As reações químicas que produzem a eletricidade são diferentes para cada tipo de célula de combustível. Para DMFC, a reação química-elétrica em cada elétrodo e a reação total para uma célula de combustível de metanol direta são descritas como segue:

Meia-reação no ânodo: CH3OH + H2O - CO2 + 6H+ + 6e~ Meia-reação no cátodo: 1. 502 + 6H+ + 6e~ - 3H20 A reação total da célula de combustível:

CH3OH + 1.502 - CO2 + 2H20 A reação total da célula de combustível: CH3OH + 1.502 - CO2 + 2H20

Devido à migração dos ions de hidrogênio (H+) através do PEM do ânodo ao cátodo, e devido à inabilidade dos elétrons livres (e-) de passarem através do PEM, os elétrons fluem através de um circuito externo, produzindo desse modo uma corrente elétrica através do circuito externo. 0 circuito externo pode ser usado para carregar muitos dispositivos eletrônicos úteis do consumidor, tais como telefones celulares ou de pilha, os reprodutores de música portáteis, calculadoras, assistentes digitais pessoais, computadores portáteis, e ferramentas de energia, entre outros.

DMFC é discutido na patente U.S. n° 4.390.603 e 4.828.941, que são incorporados por referência neste em suas totalidades. Geralmente, o PEM é feito de um polímero, tal como Nafion® disponível pela Du Pont, que é um polímero de ácido sulfônico perfluorinado que tem uma espessura na escala de 0.0 5mm a aproximadamente 0.50mm, ou outras membranas apropriadas. 0 ânodo é feito tipicamente de um suporte de papel carbono Teflonizado com uma camada fina de catalisador, tal como o platina-rutênio, depositado depois disso. 0 cátodo é tipicamente um eletrodo de difusão do gás em que as partículas da platina são ligadas a um lado da membrana.

Em uma célula de combustível química de hidreto dc metal, o borohidreto de sódio é reformado e reagido como segue:

NaBH4 + 2H20 - (calor ou catalisador) - 4 (H2) + (NaBO2) Meia-reação no ânodo: H2 -» 2H+ + 2e~ Meia-reação no cátodo:

2 (2H+ + 2e~) + O2 - 2H20

Catalisadores apropriados para esta reação incluem a platina e o rutênio, entre outros metais. 0 combustível de hidrogênio produzido a partir da reforma do borohidreto de sódio é reagido na célula de combustível com um oxidante, tal como o O2, para criar eletricidade (ou um fluxo de elétrons) e o subproduto da água. 0 subproduto do borato de sódio (NaBO2) é produzido igualmente pelo processo de reforma. Uma célula de combustível de borohidreto de sódio é discutida na· patente U.S. n°. 4.261.956, que é incorporada por referência neste em sua totalidade.

Os sistemas de célula de combustível têm tradicionalmente várias células de combustível múltiplas dispostas em pilhas. Estas pilhas tendem a ser relativamente ineficientes, porque é difícil para o combustível fluir uniformemente para os lados do ânodo das células de combustível.

A literatura de patente descreve tentativas de melhorar o fluxo de combustível na pilha. Em um exemplo, a patente U.S. n° 6.887.611 B2 descreve um distribuidor externo flexível de gás da célula de combustível projetado para acomodar a curvatura e o encolhimento da pilha ao manter um selo de gás, e ao reduzir a ruptura dielétrica do isolador.

A publicação de Pedido de Patente U.S. n° 2005/0196666 Al descreve as células de combustível que são montadas em arranjos substancialmente planares. Estas disposições substancialmente planares da célula de combustível podem ser moldadas no contorno para uma forma desejada ou podem ser construídas como uma célula de combustível elástica ou como uma disposição de células de combustível individuais flexíveis conectadas que tenham globalmente uma forma curvilínea. Entretanto, esta publicação não descreve uma maneira de distribuir o combustível às células de combustível, mas discute um gel combustível que se vaporiza através de uma camada permeável de combustível. A publicação de patente U.S. n° 2005/0255349 Al

igualmente descreve uma disposição substancialmente planar da célula de combustível. Esta referência descreve um distribuidor de hidrogênio que tem dois canais estreitos de hidrogênio e duas portas de hidrogênio. Daqui, permanece uma necessidade para que os distribuidores de gás melhorados entreguem o combustível à célula de combustível.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção é dirigida geralmente para sistemas

melhorados da célula de combustível, e mais particularmente aos conjuntos da célula de combustível que contêm disposições substancialmente planares de células de combustível ou de conjuntos de eletrodo de membrana com um abastecimento de gás hidrogênio relativamente uniforme do lado do ânodo.

Em uma modalidade, a presente invenção é dirigida para um conjunto de célula de combustível que inclui uma armação com várias aberturas, as células de combustível dispostas nas várias aberturas, e uma tampa traseira com pelo menos uma entrada de combustível que se une a armação para dar forma a uma câmara de combustível entre a armação e a tampa traseira. A câmara formada pode ser aberta para permitir que o combustível venha em contato com todas as células de combustível livremente, ou pode ter canais dispostos nesta para regular o fluxo do combustível. Uma saída também pode ser fornecida na tampa traseira para permitir que o combustível ou o resíduo não reagido escape. As células de combustível são conectadas preferivelmente eletricamente em série ou paralelas. A armação e a tampa podem ser feitos de materiais flexíveis ou utilizar um anexo para permitir que as células de combustível sejam configuradas em planos múltiplos.

Em outra modalidade, a presente invenção é dirigida para um módulo de energia que inclui pelo menos uma célula de combustível conectada eletricamente a um elemento funcional, onde o elemento funcional é capaz de transferir a eletricidade das células de combustível a um dispositivo eletrônico. O elemento funcional é preferivelmente um chip de Circuito Integrado para Aplicações Específicas (ASIC). O módulo de energia pode utilizar o conjunto de célula de combustível descrito neste ou todos os outros conjuntos de célula de combustível conhecidos.

Ainda em outra modalidade, a presente invenção relaciona-se a um método de fornecer a eletricidade a um dispositivo eletrônico. Este método inclui a transferência de combustível de um suprimento de combustível à célula de combustível que é conectada eletricamente a um elemento funcional, transformando a corrente elétrica usando o elemento funcional na corrente útil, e transferindo a corrente útil a um dispositivo eletrônico.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Estas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção serão mais bem compreendidas quando a seguinte descrição detalhada for lida em referência aos desenhos de acompanhamento nos quais caracteres representam partes durante todos os desenhos, onde:

FIG. 1 é uma vista parcial em perspectiva de um conjunto de célula de combustível de acordo com a presente invenção com diversas das células de combustível omitidas para maior clareza;

FIG. 2 é uma vista explodida do conjunto de célula de combustível da FIG. 1;

FIG. 3 é uma vista plana elevada superior do conjunto completo da célula de combustível da FTG. 1 que mostra as conexões elétricas;

FIG. 4 é uma vista de seção transversal ampliada do conjunto de célula de combustível da FIG. 3 visto ao longo da linha 4-4 deste;

FIG. 5 é uma vista em perspectiva de um conjunto alternado da célula de combustível de acordo com a presente invenção que mostra uma configuração diferente para o reservatório do hidrogênio;

FIG. 5a é uma vista em perspectiva de um conjunto alternado da célula de combustível de acordo com a presente invenção onde as células de combustível são móveis em uma pluralidade de planos; FIG. 5b é uma vista de seção transversal ampliada do conjunto de célula de combustível da FIG. 5a tomado ao longo da linha 5b-5b deste;

FIG. 6 é uma vista plana elevada superior de uma tampa traseira alternada para o conjunto de célula de combustível da FIG. 1;

FIG. 7 é uma vista em perspectiva de um conjunto alternado da célula de combustível de acordo com a presente invenção que caracteriza um chip de circuito integrado;

FIG. 8 é uma vista explodida do conjunto de célula de combustível da FIG. 7;

FIG. 9 é uma vista plana elevada superior do conjunto de célula de combustível da FIG. 7 que mostra as conexões elétricas; e

FIG. IOa é uma vista plana elevada superior de uma seção do conjunto de célula de combustível da FIG. 1 mostrando conexões elétricas alternadas; FIG. IOb é uma vista de seção transversal ampliada do conjunto de célula de combustível da FIG. 10 tomado ao longo da linha IOa-IOa deste; FIG. IOc é uma vista superior de uma única célula de combustível que está sendo conectada à armação através do adesivo ou da solda de condução; e FIG. IOd é uma vista de seção transversal que mostra as células de combustível que estão sendo conectadas eletricamente juntas sem fios.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

Como ilustrado nos desenhos de acompanhamento e discutido em detalhe abaixo, a presente invenção é dirigida a um conjunto 10 para uma variedade de células de combustível 12, como mostrado na FIG. 1. A célula de combustível 12 pode ser qualquer tipo de célula de combustível conhecida na técnica que inclui um cátodo, um ânodo, e uma membrana de troca de próton (PEM) . 0 conjunto 10 fornece uma armação 14 na qual as células de combustível individuais 12 são arranjadas em uma disposição planar. O conjunto 10 pode conter qualquer número de células de combustível individuais 12 desejadas por selamento introduzindo as células de combustível 12 nas aberturas 15 formadas na armação 14 mostrada na FIG. 2. As células de combustível 12 são arranjadas dentro do conjunto 10 de modo que cada célula de combustível 12 tenha acesso a uma fonte de combustível, preferivelmente hidrogênio, e igualmente de modo que alguns subprodutos da reação, por exemplo, vapor de água, são contidos ou transportados para a eliminação. A armação 14 pode compreender um agente antibacteriano ou antimicrobiana para combater qualquer crescimento bacteriano que possa de outra maneira ocorrer em um ambiente fechado tal como o conjunto 10 da célula de combustível. Como mostrado na FIG. 3, o conjunto 10 também pode incluir os dissipadores de calor 23 para ajudar na condutibilidade térmica e a dissipação do calor por todo o conjunto 10. Dissipadores de calor 23 podem ser feitos de qualquer material apropriado conhecido na técnica, e pode igualmente ser de qualquer forma conhecida na técnica, incluindo, mas não limitada a uma aleta. Adicionalmente, o conjunto 10 fornece conexões elétricas em série para conectar as células de combustível 12 não obstante o arranjo das células de combustível 12 dentro do conjunto 10.

Referindo-se outra vez às FIGS. 1 e 2, a armação 14 fornece a estrutura de suporte para o conjunto 10, formando o esboço total do conjunto 10 e formando dentro do esboço diversas aberturas 15 configuradas para receber internamente as células de combustível 12. As aberturas 15 são arranjadas preferivelmente nas fileiras 30 e nas colunas 32. As aberturas 15 são feitas sob medida e dimensionadas para receber as células de combustível 12 de modo que as células de combustível 12 possam ser seladas dentro da abertura 15 em torno de uma periferia das células de combustível 12, que podem ser de qualquer forma conhecida na técnica. Como mostrado na FIG. 4, discutido em maior detalhe abaixo, as parede laterais 9 formadas pela abertura 15 dentro da armação 14 são preferivelmente pelo menos co-extensivas com a espessura da célula de combustível 12 e suportam a célula de combustível 12. A tampa traseira 16 tem uma pluralidade de suportes 18, eretamente daí. Cada suporte 18 suporta uma célula de combustível 12 próxima ao centro geométrico da célula de combustível 12. Como será reconhecido por aqueles versados na técnica, quando nove aberturas 15 são mostradas nos desenhos, qualquer número de aberturas 15 e/ou das células de combustível 12 pode ser incluído dentro da armação 14. A abertura 15 também pode igualmente incluir um ou vários mecanismos de retenção para prevenir que a célula de combustível 12 deslize fora da parte dianteira da armação 14. Preferivelmente, a cola epóxi ou outros adesivos são usados para fixar a célula de combustível 12 dentro da abertura 15. Mecanismos adicionais para reter a célula de combustível 12 dentro da abertura 15 também podem ser usados. Por exemplo, como mostrado na FIG. 1, a abertura 15 inclui as abas opcionais 17 para estender sobre a célula de combustível 12 para reter a célula de combustível 12 dentro da abertura 15.

A armação 14 pode ter saia ou parede lateral 21 dependente daí, e unido de maneira selante à armação 14 é uma tampa traseira 16, mostrada na FIG. 2. A tampa traseira 16 fornece um revestimento protetor para a armação 14, que serve tanto para o suporte das células de combustível 12 em posição dentro da armação 14 e quanto para fornecer um distribuidor para a entrega do combustível às células de combustível 12. Como mostrado na FIG. 4, a tampa traseira 16 é configurada tal que quando unida à armação 14, um espaço de distribuidor ou a câmara 20, mostrado na FIG. 4, é formado entre a tampa traseira 16 e as células de combustível 12. Ou seja, quando a tampa traseira 16 é unida à armação 14, uma estrutura tipo caixa é formada, com as células de combustível 12 situadas na tampa da caixa de modo que os lados do ânodo 11 das células de combustível 12 estejam "dentro" da caixa quando os lados do cátodo 13 das células de combustível 12 estiverem "em cima" da caixa. Como será reconhecido por aqueles versados na técnica, o conjunto 10 pode ser usado em qualquer orientação. Em outra modalidade, a armação 14 pode ser relativamente rasa e a tampa traseira 16 pode incluir as paredes laterais 21 relativamente elevadas para formar a caixa. Adicionalmente, os espaçadores, não mostrados, poderiam ser introduzidos de maneira selante entre a armação 14 e a tampa traseira 16 para fornecer a separação para formar a câmara 20.

A tampa traseira 16 inclui a base 19, pelo menos um suporte 18, e uma entrada de combustível 22. Como considerado melhor na FIG. 4, os lados da câmara 20 são definidos pela tampa traseira 16, pelas paredes laterais 21, pela armação 14, e pelo lado do ânodo 11 das células de combustível 12. A entrada de combustível 22 definida na tampa traseira 16 é conectada fluidamente à câmara 20, que na modalidade mostrada nas FIGS. 1 a 4 forma um caminho ou a um distribuidor fluido contínuo da distribuição atrás da armação 14. Nenhuma estrutura significativa com exceção dos suportes 18 impede a transferência de combustível da entrada de combustível 22 para a câmara 20 para entrar em contato com o lado do ânodo 11 em cada célula de combustível 12 no conjunto 10.

Na modalidade mostrada nas FIGS. 1 a 4, a separação entre a tampa traseira 16 e a célula de combustível 12 é mantida em parte pelos suportes 18 e pelas paredes laterais 21. A entrada de combustível 22 é uma cavidade formada de uma abertura na base 19 e estendendo-se para fora da base 19 longe da armação 14. A entrada de combustível 22 pode ser unitária co-formada com a base 19 ou formada separadamente daí e unida de modo selante a essa. Por exemplo, se tanto a base 19 e quanto a entrada de combustível 22 são feitos de materiais moldáveis, a base 19 e a entrada de combustível 22 poderiam ser formadas separadamente e de modo selante serem juntas com um adesivo. Alternativamente, a base 19 pode ser moldada com entrada de combustível 22 como uma parte base 19. A entrada de combustível 22 é configurada para ser unida a um cartucho de combustível ou a uma fonte de combustível para fornecer o combustível às células de combustível 12. Como mostrado nas FIGS. 1 e 2, a entrada de combustível 22 é um único recipiente formado em uma extremidade da tampa traseira 16. Entretanto, a presente invenção não é limitada a tal configuração. A entrada de combustível 22 pode ser uma série de cavidades posicionadas em torno da- tampa traseira 16 de modo que o combustível possa mais rapidamente ser dispersado para todas as células de combustível 12 dentro da câmara 20. Por exemplo, como mostrado na FIG. 5, a entrada de combustível 22 é dividida em duas cavidades, primeira porta 22a e segunda porta 22b, posicionadas em extremos opostos do conjunto 10. Em tal configuração, o combustível tenderá a fluir através da câmara 20 em um padrão de fluxo circular, que desanima a formação de zonas estagnadas dentro da câmara de modo que a distribuição do combustível através do distribuidor da câmara 20 seja melhorada. Como será reconhecido por aqueles versados na técnica, qualquer número de configurações é possível para a entrada de combustível 22.

Quando o combustível se submete a uma reação química dentro das células de combustível 12, é possível que algum combustível possa permanecer não reagido. Como tal, a modalidade mostrada na FIG. 5 pode ser construída tal que tanto a porta 22a ou a porta 22b são uma saída de combustível capaz de transportar o combustível não reagido longe da câmara 20, tanto para ser reciclado ou para sair completamente do conjunto 10.

A armação 14 é feita preferivelmente de um material rígido capaz de fornecer suporte estrutural pára a célula de combustível 12, embora qualquer material conhecido na técnica seja apropriado para o uso como armação 14. Preferivelmente, a armação 14 é feita de um material não condutivo de modo que a corrente elétrica gerada pelas células de combustível 12 possa ser coletada e dirigida a um dispositivo. Por exemplo, a armação 14 pode ser feita de materiais moldáveis tais como resinas, plásticos e polímeros, cerâmica, materiais flexíveis tais como a borracha e silicone, e semelhantes. Como tal, as células de combustível 12 podem ser arranjadas em qualquer configuração, enquanto são eletricamente conectadas em série ou paralelamente. A tampa traseira 16 é feita preferivelmente de um material rígido para fornecer suporte estrutural para o conjunto 10. Entretanto, qualquer material conhecido nessa técnica que seja substancialmente inerte ao tipo de combustível usado com as células de combustível 12 seja apropriado para o uso como tampa traseira 16. Por exemplo, qualquer material listado acima como apropriado para o uso na armação 14 é apropriado para o uso como tampa traseira 16. Adicionalmente, se a tampa traseira 16 ou as partes desta são presas separadamente das células de combustível 12, a tampa traseira 16 também pode ser feita de materiais condutores tais como metais.

Como visto nas FIGS. 5a e 5b, a armação 14 e a tampa traseira 16 podem ser configuradas ou inclinadas entre as fileiras 30 e/ou as colunas 32 ao longo de um eixo ou eixos 50 para permitir que as fileiras 30 ou colunas 32 das células de combustível de contenção 12 a serem arranjadas em uma pluralidade de planos. As células de combustível 12 podem conseqüentemente ser arranjadas nos planos 1, 2, e 3 na FIG. 5a. O anexo entre os planos 1, 2, e 3 pode ser qualquer tipo de anexo flexível ou articulado conhecido na técnica, tal como uma dobradiça, uma dobradiça viva, uma parte diluída do material, ou semelhantes. Alternativamente, a armação 14 ou a tampa traseira 16, ou ambos, podem ser construídos de um material flexível tal como borracha, silicone, plástico fino ou metal, e semelhantes tal que o conjunto 10 possa ser arranjado em uma pluralidade de planos, como acima. Como será reconhecido por aqueles versados na técnica, os eixos 50 podem ser dispostos entre as fileiras 30, colunas 32, qualquer combinação destas. Adicionalmente, qualquer número de eixos 50 pode ser incluído, de nenhum a uma armação inteiramente flexível 14, isto é, uma armação capaz de ser rolada em uma configuração substancialmente cilíndrica. A habilidade de dobrar ou manipular as fileiras 30 e/ou as colunas 32 em uma pluralidade de planos 1, 2 e 3 seria útil em permitir que o conjunto caiba em artigos flexíveis tais como roupa ou artigos onde o espaço está em um prêmio e os projetistas querem opções no arranjo de componentes internos

As correntes elétricas geradas por células de combustível são coletadas por condutores e por conectores elétricos. Segundo as indicações da FIG. 3, os condutores elétricos 24 funcionam ao longo dos lados na armação 14 nas superfícies superiores disso. Os condutores 24 podem ser qualquer tipo de condutor elétrico conhecido na técnica, tal como metais que incluem cobre e ouro, e podem ter toda a configuração conhecida na técnica, tal como as tiras lisas ajustadas na superfície da armação 14, os fios ou os filamentos encaixados dentro da armação 14, ou semelhantes. Os condutores 24 são arranjados preferivelmente de modo que as células de combustível 12 em cada fileira da disposição das aberturas 15 possam ser ligadas em série um ao outro usando conectores elétricos 26. Os conectores elétricos 26 são preferivelmente fios de metal unidos eletricamente ao lado do cátodo 13 de uma célula de combustível 12 ao lado do ânodo 11 de uma célula de combustível adjacente 12, e podem ser feitos de materiais similares como condutores elétricos 24. Os conectores 26 podem igualmente ser encaixados dentro da armação 14, ligados por fio, pontos de colagem condutora, esferas de metais de baixa temperatura de fusão, ou tecnologias comparáveis de interconexão, a fim de minimizar e simplificar as conexões elétricas entre as células de combustível 12. Como mostrado nas FIGS. IOa a 10b, condutores 24 são empregados entre fileiras (ou colunas) das células de combustível 12 e podem ser encaixados na armação 14, e os conectores 26 são eletricamente pontos ou esferas condutoras que conectam os cátodos 13 e os ânodos 11 aos condutores 24.

Alternativamente, a célula de combustível 12 pode ser conectada à armação 14 através de adesivo ou de solda 102, como mostrado nas FIGS. IOc a IOd. 0 adesivo/solda 102 pode ser usado para assegurar que o gás de hidrogênio está selado dentro da câmara 20. 0 adesivo/solda 102 pode igualmente ser usado para conduzir a eletricidade gerada pela célula de combustível 12 pelos conectores 26 e pelo condutor 24. A FIG. IOd ilustra outro método de coletar a eletricidade. A célula de combustível 12 tem a placa coletora de corrente 104 conectada ao cátodo 13 e a placa coletora de corrente 106 conectada às placas 104 e 106 do ânodo 11. As placas 104 e 106 são usadas para melhorar a coleta de corrente no conjunto de célula de combustível. O adesivo/solda 102 conecta a placa 104 do conector e o cátodo 13 aos conectores 26, e os condutores 24 são usados para construir uma ponte sobre o lado do cátodo de uma célula de combustível ao lado do ânodo da célula de combustível adjacente, como mostrado. A modalidade mostrada nas FIGS. 10c a IOd não utiliza nenhum fio elétrico, e reduz as perdas ôhmicas associadas geralmente aos fios elétricos. Segundo as indicações da FIG. 3, cada célula de

combustível 12 na disposição planar das aberturas 15 é unida por um único conector elétrico 26 a seu vizinho horizontal dentro de uma fileira. Um único conector elétrico 26 conecta a célula de combustível 12a da extremidade da fileira 30a ao condutor 24. O condutor 24 conecta eletricamente a fileira 30a com a fileira 30b. Como tal, um único caminho elétrico serial é fornecido para o conjunto 10. Como será reconhecido por aqueles versados na técnica, qualquer caminho elétrico desejado pode ser fornecido para o conjunto 10, tais como um caminho paralelo ou uma combinação de caminhos em série e paralelos, simplesmente arranjando os condutores 24 e os conectores 26 para formar os caminhos elétricos desejados. Um condutor 24 é configurado pelo menos para ser conectado a um dispositivo (não mostrado) que use a corrente ou um dispositivo intermediário que colete e armazene ou adapte a corrente para o uso.

A FIG. 6 mostra uma tampa traseira alternada 56 para o uso com o conjunto 10 em vez de formar uma única câmara 20 quando unida à armação 14, como na modalidade mostrada e discutida acima, a tampa traseira 56 fornece um único compartimento dedicado 58 para corresponder a cada célula de combustível 12 na disposição planar definida pelas aberturas 15. Cada compartimento 58 inclui as paredes laterais 60 que se estendem de uma base 57 para a armação 14 (mostrada nas FIGS. 1 e 2), onde as parede laterais 60 formam uma forma similar àquela das aberturas 15 e das células de combustível 12 (mostradas nas FIGS. 1 e 2) . O selo das paredes laterais 60 de encontro à armação 14 de modo que um vácuo 62 é formado debaixo de cada célula de combustível 12, isto é, o vácuo 62 é definido pela base 57, paredes laterais 60 e pelo lado do ânodo 11 (mostrado na FIG. 4) da célula de combustível 12.

Os compartimentos 58 são interconectados preferivelmente fluidamente por uma série de canais 64 de modo que somente um suprimento de combustível, tal como um cartucho de combustível ou um reservatório externo, possa alimentar o conjunto 10. Os canais 64 podem ser os tubos que conectam os compartimentos 58 através das paredes laterais 60, canais formados na base 57, ou qualquer outro tipo de conector fluido conhecido nos canais 64 da técnica pode se estender através dos compartimentos múltiplos 58 ou se juntar a somente dois compartimentos. A ordem de interconexão dos canais 64 pode ser qualquer ordem desejada pelo projetista; por exemplo, cada compartimento 58 pode ser conectado a somente um ou dois compartimentos adjacentes 58, isto é, a conexão em série, ou cada compartimento 58 pode ser conectado a uma pluralidade de outros compartimentos 58, etc.

Pelo menos um canal 64 é configurado preferivelmente para ser conectado a uma entrada 66 para o combustível, e pelo menos um canal 64 é configurado preferivelmente para ser conectado a uma saída 68. Em outra modalidade, a saída 68 pode servir como uma entrada adicional. O suprimento de combustível pode ser conectado à entrada 66, por exemplo, com uma válvula de entrada 67, e á saída 68, por exemplo, com uma válvula de saída 69. A válvula de entrada 67 e a válvula de saída 69 são preferivelmente válvulas de retenção orientadas oposta uma a outra de modo que o combustível possa fluir do suprimento de combustível em somente um trajeto de fluxo, não obstante a configuração dos canais 64 dentro do conjunto 10. Como será reconhecido por aqueles versados na técnica, qualquer válvula conhecida na técnica é apropriada para o uso na presente invenção ou nenhuma válvula.

Nas FIGS. 7 a 9, uma modalidade alternativa do conjunto

da presente invenção é mostrada. Nesta modalidade, um elemento funcional 80 é unido ao conjunto 10 de modo que o conjunto 10 seja capaz de fornecer a eletricidade diretamente a um dispositivo eletrônico 90. Ou seja, o conjunto 10 e o elemento funcional 80 juntos atuam como um módulo de energia 100 para o dispositivo eletrônico 90, que pode ser um telefone celular, um MP3 player, um laptop, um dispositivo de GPS, etc.

Preferivelmente, o elemento funcional 80 compreende os circuitos configurados para regular a eletricidade produzida pelas células de combustível 12 no conjunto 10. Como é sabido na técnica, as células de combustível 12 produzem a corrente contínua, que é o mesmo tipo de corrente usado por muitos dispositivos eletrônicos, mas os níveis da corrente e de tensão produzidos podem variar extensamente sobre o tempo. Isto é, devido a muitos fatores incluindo a disponibilidade do combustível fornecido às células de combustível 12 e a eficiência das células de combustível 12. Além disso, como uma pluralidade de células de combustível 12 é fornecida, cada célula de combustível 12 pode produzir um nível diferente de corrente e/ou de tensão. Mesmo se as células de combustível 12 produzem uma corrente e/ou uma tensão constante, o dispositivo eletrônico pode exigir um nível ou uma corrente e/ou uma tensão diferente. Preferivelmente, o elemento funcional 80 inclui pelo menos um chip circuito integrado de aplicação específica (ASIC), que pode ser, por exemplo, um conversor de DC-DC, um regulador de tensão, amplificador operacional ou semelhantes. O elemento funcional 80 pode igualmente ser configurado para executar várias funções, incluindo, mas não se limitando a reação de controle da célula de combustível regulando a corrente a fim de ajustar a umidade do eletrólito da célula de combustível, controlando o rendimento do sistema da célula de combustível aumentando ou diminuindo a tensão da célula de combustível, ou controlar a eficiência da célula de combustível para evitar a inundação ou seca a medida que a reação prossegue.

Segundo as indicações da FIG. 9, todas as células de combustível 12 são conectadas em série pelos conectores 26, similares à modalidade mostrada na FIG. 3, e o elemento funcional 80 é conectado eletronicamente às células de combustível para coletar e transformar a eletricidade produzida pelas células de combustível 12 em uma saída apropriada para o dispositivo eletrônico 90. Os conectores elétricos 26 podem ser formados pela ligação de fios, pontos de colagem condutora, esferas de metais de baixa temperatura de fusão, ou por qualquer tecnologia comparável da interconexão conhecida por aqueles versados na técnica. Elemento funcional 80 pode trabalhar como um regulador, entregando a quantidade correta de eletricidade ao dispositivo eletrônico 90 para a operação, carregamento de bateria, fornecendo a proteção contra sobrecarga, ou a qualquer outro uso conhecido na técnica. A eletricidade fornecida em uma modalidade é antecipada para ser aproximadamente 3-7 volts e aproximadamente 150-250 mA, mas pode variar com números diferentes de células de combustível 12 e tipos de elementos funcionais 80.

A armação 84 pode ser similar à armação 14, que é retratada nas FIGS. 1-5 e utilizado em outras modalidades do conjunto inventivo 10 da célula de combustível. Entretanto, o tamanho e a forma da abertura para o elemento funcional 80 são determinados pelo tamanho e pela forma do próprio elemento funcional 80, e podem ou não podem ser o mesmo tamanho e a forma das aberturas 15 para as células de combustível 12, assim a armação 84 pode fornecer uma abertura 85 feita sob medida diferente para o elemento funcional 80. Uma camada opcional de isolação 87 pode ser fornecida abaixo da abertura 85 para impedir que o elemento funcional 80 entre em contato com o combustível dentro do módulo de energia 100. Alternativamente, segundo as indicações da Fig. 8, a tampa •traseira 82 pode incluir uma parede· selante 86, similar à parede lateral 9 na Fig. 4, que isola a área abaixo do elemento funcional 80 do fluxo livre do combustível.

O módulo de energia 100 pode ser um anexo permanente ao dispositivo eletrônico 90, com fontes frescas de combustível que estão sendo fornecidas como necessário. Alternativamente, o módulo de energia 100 pode ser descartável, ou o módulo de energia 100 pode ser unido ao cartucho de combustível.

Enquanto for aparente que as modalidades ilustrativas da invenção descrita neste cumprem os objetivos da presente invenção, aprecia-se que as muitas modificações e outras modalidades possam ser planejadas por aqueles versados na técnica.

Adicionalmente, as características e/ou elementos de qualquer modalidade podem ser usados sozinhos ou em combinação com características e/ou elementos de outras modalidades. Conseqüentemente, compreender-se-á que as reivindicações adicionadas são destinadas a cobrir todas tais modificações e modalidades, que viriam dentro do espírito e do escopo da presente invenção. Todas as publicações discutidas neste, incluindo, mas não limitadas às patentes, pedidos de patente, artigos e livros, são incorporadas por referência em suas totalidades.

Claims

1. Conjunto de célula de combustível, caracterizado pelo fato de compreender: uma armação que tem uma pluralidade de aberturas formadas internamente para definir uma disposição; uma célula de combustível tendo um lado do ânodo disposto de maneira selante dentro de cada abertura; uma tampa traseira unida de maneira selante à armação no lado do ânodo da célula de combustível; uma entrada de combustível conectada à tampa traseira, capaz de conectar-se a um suprimento de combustível; e uma câmara formada entre a armação e a tampa traseira, onde a câmara é capaz de estar em conexão fluida com o suprimento de combustível, e onde cada célula de combustível está em contato fluido com a câmara, e onde o combustível se dispersa do suprimento de combustível através da câmara para alimentar o lado do ânodo das células de combustível.

2. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ainda compreender pelo menos um suporte que estende-se de uma base da tampa traseira a pelo menos uma célula de combustível.

3. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que pelo menos um suporte compreende um poste.

4. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que cada suporte compreende pelo menos uma parede lateral que se estende da base a ser selantemente conectada a armação, e onde a parede lateral cerca o lado do ânodo da célula de combustível que divide desse modo a câmara em uma pluralidade de compartimentos, e onde pelo menos um canal conecta fluidamente um compartimento a pelo menos um compartimento adj acente.

5. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que um canal é conectado à entrada de combustível.

6. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de ainda compreender uma válvula conectada à entrada de combustível e à pelo menos um canal.

7. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos uma porta adicional de combustível.

8. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porta de combustível é uma entrada e uma pluralidade de entradas de combustível são arranjadas dentro do conjunto para criar um padrão de fluxo circular quando o combustível é introduzido através de uma pluralidade de entradas de combustível.

9. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que uma primeira entrada de combustível é disposta em uma primeira extremidade do conjunto de célula de combustível, e onde uma segunda entrada de combustível é disposta em uma extremidade oposta do conjunto de célula de combustível.

10. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a armação e a tampa podem ser ajustadas ao longo de pelo menos de um eixo tal que pelo menos duas células de combustível possam ser situadas em pelo menos dois planos diferentes.

11. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porta de combustível adicional é uma saída.

12. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que pelo menos duas células de combustível são unidas articuladamente uma a outra.

13. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a armação e a tampa compreendem um material flexível.

14. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ainda compreender pelo menos um conector· elétrico, onde pelo menos um conector elétrico conecta uma primeira célula de combustível a pelo menos uma segunda célula de combustível.

15. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que um conector elétrico é disposto em uma superfície da armação.

16. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que pelo menos um conector elétrico é embutido na armação ou na tampa traseira.

17. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a primeira célula de combustível é conectada eletricamente em série à pelo menos uma segunda célula de combustível.

18. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a primeira célula de combustível é conectada eletricamente paralelamente à pelo menos uma segunda célula de combustível.

19. Conjunto de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que um conector elétrico é configurado para conectar pelo menos uma célula de combustível a um dispositivo.

20. Módulo de energia, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos uma célula de combustível conectada eletricamente a um elemento funcional, onde o elemento funcional é configurado para coletar a eletricidade gerada por pelo menos uma célula de combustível e para modular a eletricidade antes de fornecer a eletricidade modulada a um dispositivo eletrônico, onde pelo menos uma célula de combustível e o elemento funcional são suportados por uma única estrutura.

21. Módulo de energia, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de compreender: uma armação que tem uma pluralidade de aberturas formadas interiormente para definir uma disposição; uma tampa traseira unida de maneira selante à armação no lado do ânodo da célula de combustível; uma entrada de combustível conectada à tampa traseira capaz de se conectar a um suprimento de combustível que contém um combustível; e uma câmara formada entre a armação e a tampa traseira, onde a câmara é capaz de estar em conexão fluida com o suprimento de combustível, e onde cada célula de combustível está em contato fluido com a câmara, e onde o combustível se dispersa do suprimento de combustível através da câmara para alimentar o lado do ânodo das células de combustível, onde pelo menos uma célula de combustível é disposta de maneira selante dentro de pelo menos uma das várias aberturas.

22. Módulo de energia, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o suprimento de combustível compreende um cartucho de combustível.

23. Módulo de energia, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o elemento funcional é selecionado de um grupo que consiste em um conversor de DC- DC, um amplificador operacional, e um regulador de energia.

24. Módulo de energia, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o elemento funcional compreende um chip de Circuito Integrado para Aplicações Específicas (ASIC).

25. Módulo de energia, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o elemento funcional é situado dentro de uma das várias aberturas na armação.

26. Módulo de energia, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o elemento funcional é conectado eletricamente a pelo menos uma das células de combustível e a um dispositivo eletrônico.

27. Módulo de energia, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o dispositivo eletrônico é selecionado de um grupo que consiste em uma bateria, um telefone, um computador portátil, um MP3 player, um dispositivo de GPS e um PDA.

28. Módulo de energia, de acordo com a reivindicação 2 6, caracterizado pelo fato de que o módulo de energia emite uma corrente que tem uma tensão na escala de aproximadamente 3V a 7V e a uma amperagem que varia de aproximadamente 150mA a 250 mA.

29. Módulo de energia, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que a armação e a tampa podem ser ajustadas ao longo de pelo menos um eixo tal que pelo menos duas células de combustível possam ser situadas em pelo menos dois planos diferentes.

30. Método de fornecimento de eletricidade a um dispositivo eletrônico, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: (i) fornecimento de pelo menos uma célula de combustível e um elemento funcional disposto em uma única placa de circuito impresso (PCB); (ii) transferência de combustível de um suprimento de combustível a uma célula de combustível para começar uma reação da célula de combustível para produzir uma corrente elétrica inicial; (iii) transformação da corrente elétrica inicial em uma corrente elétrica útil usando o elemento funcional, onde o elemento funcional é disposto na armação e conectado eletricamente a pelo menos uma célula de combustível na disposição e a um dispositivo eletrônico; e (iv) transferência da corrente elétrica útil do elemento funcional ao dispositivo eletrônico.

31. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que a etapa (i) ainda compreende o fornecimento de uma disposição de pelo menos uma das células de combustível onde cada célula de combustível compreende um lado de ânodo e um lado de cátodo, onde a disposição é arranjada dentro de uma armação, e onde uma tampa traseira é unida de maneira selante à armação de modo que uma câmara seja formada entre os lados do ânodo das células de combustivel e a tampa traseira.

32. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que o elemento funcional compreende um chip de Circuito Integrado para Aplicações Especificas (ASIC).

33. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que o suprimento de combustivel compreende um cartucho de combustivel.

34. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que a etapa (iii) ainda compreende a energia que regula a corrente inicial.

35. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que a etapa (iii) ainda compreende o ajuste do nivel de corrente usando um conversor de DC-DC.

36. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que a etapa (iii) ainda compreende a amplificação da tensão usando um amplificador operacional.

37. Módulo de energia, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que a única estrutura é uma placa de circuito impresso.

38. Conjunto de célula de combustivel, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que pelo menos um conector elétrico é formado pela ligação de fios.

39. Conjunto de célula de combustivel, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que pelo menos um conector elétrico compreende uma quantidade de adesivo condutor.

40. Conjunto de célula de combustivel, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que pelo menos um conector elétrico compreende uma quantidade de metal de baixa temperatura de fusão.