適合于包括壓力調(diào)節(jié)器和閥的燃料電池系統(tǒng)的流體部件的制作方法
【專利說(shuō)明】適合于包括壓力調(diào)節(jié)器和閥的燃料電池系統(tǒng)的流體部件 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明大體上涉及將燃料筒連接至各種燃料電池系統(tǒng)和燃料再充填裝置的流體 部件。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及壓力調(diào)節(jié)器，所述壓力調(diào)節(jié)器以相對(duì)高的壓力從燃料筒獲取燃 料并將輸出壓力調(diào)節(jié)至燃料電池和燃料再充填裝置可接受的水平。更具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉 及可調(diào)式壓力調(diào)節(jié)器和具有入口限制器或具有旁通和半自動(dòng)閥的壓力調(diào)節(jié)器，以及其他。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 燃料電池是直接將例如燃料和氧化物的反應(yīng)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為直流（DC)電的裝 置。一般來(lái)說(shuō)，燃料電池技術(shù)包括各種不同的燃料電池，如堿性燃料電池、聚合物電解質(zhì)燃 料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池和酶燃料電池。燃料電 池通常涉及氫（?)燃料，并且它們也可以消耗非純氫燃料。非純氫燃料電池包括直接氧化 燃料電池如使用甲醇的直接甲醇燃料電池（DMFC)，或在高溫下使用碳?xì)浠衔锏墓腆w氧化 物燃料電池（S0FC)。氫燃料可以壓縮形式存儲(chǔ)或存儲(chǔ)在如醇類或碳?xì)浠衔锏幕衔锘?其他含氫材料內(nèi)，所述其他含氫材料可被重整或轉(zhuǎn)換為氫燃料和副產(chǎn)物。氫也可以儲(chǔ)存在 如硼氫化鈉（NaBH4)的化學(xué)氫化物中，所述化學(xué)氫化物與水或酒精反應(yīng)以產(chǎn)生氫和副產(chǎn)物。 氫也可在第一壓力和溫度下被吸附或吸收在例如五鎳化鑭（LaNi5)的金屬氫化物中，并且 在第二壓力和溫度下被釋放以向燃料電池供給燃料。
[0004] 大多數(shù)燃料電池具有質(zhì)子交換膜或聚合物電解質(zhì)膜（PEM)，所述質(zhì)子交換膜或聚 合物電解質(zhì)膜允許氫質(zhì)子通過(guò)但迫使電子通過(guò)外部電路，所述外部電路有利地可為移動(dòng)電 話、個(gè)人數(shù)字助理（PDA)、計(jì)算機(jī)、電動(dòng)工具或使用電子流或電流的或任何裝置。燃料電池反 應(yīng)可以被表示如下：
[0005] 在燃料電池的陽(yáng)極處的半反應(yīng)：
[0006] H2- 2H +2e
[0007] 在燃料電池的陰極處的半反應(yīng)：
[0008] 2 (2H++2e ) +02- 2H 20
[0009] -般來(lái)說(shuō)，PEM由如可得自杜邦公司的Nationl勺聚合物或其他適合的膜制成，所 述Nationκ'為具有在約0· 05mm至約0· 50mm的范圍內(nèi)的厚度的全氟磺酸類聚合物。陽(yáng)極通 常是由具有催化劑薄層的特氟龍（Teflonized)碳紙支撐物制成，所述催化劑薄層如沉積 于所述特氟龍?zhí)技堉挝锷系你K-釕。陰極通常是氣體擴(kuò)散電極，其中鉑顆粒結(jié)合至所述 膜的一側(cè)。
[0010] 對(duì)于DMFC，在每個(gè)電極處的化學(xué)-電反應(yīng)和用于直接甲醇燃料電池的總反應(yīng)描述 如下：
[0011] 在陽(yáng)極處的半反應(yīng)：
[0012] CH30H+H20 - C02+6H++6e
[0013] 在陰極處的半反應(yīng)：
[0014] 1. 502+6H++6e - 3H20
[0015] 總?cè)剂想姵胤磻?yīng)：
[0016] CH30H+1. 502- CO 2+2H20
[0017] 美國(guó)專利號(hào)4, 390, 603和4, 828, 941中論述了 DMFC，所述美國(guó)專利以引用方式全 部并入本文。
[0018] 在化學(xué)金屬氫化物燃料電池中，硼氫化鉀或硼氫化鈉被重整并且反應(yīng)如下：
[0019] NaBH4+2H20 -(熱和 / 或催化劑）一4 (?) + (NaB02)
[0020] 用于這個(gè)反應(yīng)的適合的催化劑包括鉑和釕以及其他金屬。由重整硼氫化鈉產(chǎn)生的 氫燃料在燃料電池中與如〇2的氧化劑反應(yīng)，以生成電（或電子流）和水副產(chǎn)物，如以上所 說(shuō)明的。硼酸鈉（NaB02)副產(chǎn)物也由重整過(guò)程產(chǎn)生。美國(guó)專利號(hào)4, 261，956中論述了硼氫 化鈉燃料電池，所述美國(guó)專利以引用方式全部并入本文。
[0021] 需要壓力調(diào)節(jié)器和其他流體流動(dòng)控制裝置來(lái)控制或調(diào)節(jié)燃料從燃料筒或燃料貯 存器到燃料電池系統(tǒng)、燃料再充填裝置和燃料電池所供電的裝置的流動(dòng)。已知技術(shù)公開(kāi)各 種壓力調(diào)節(jié)器和流動(dòng)控制裝置。然而，需要改進(jìn)的壓力調(diào)節(jié)器和流動(dòng)控制裝置。在一定程 度上，這個(gè)需求已經(jīng)通過(guò)共同擁有的美國(guó)專利號(hào)8, 002, 853和所述美國(guó)專利的成果、美國(guó) 公開(kāi)專利申請(qǐng)?zhí)?010/010448U2011/0189574和2011/0212374解決。這些專利文獻(xiàn)以引 用方式全部并入本文。
[0022] 發(fā)明概述
[0023] 本發(fā)明針對(duì)可調(diào)式壓力調(diào)節(jié)器，所述可調(diào)式壓力調(diào)節(jié)器包括可移動(dòng)梭、梭殼體、高 壓膜片、低壓膜片和流體管道，所述流體管道將入口連接至出口。調(diào)節(jié)這些部件中的一個(gè)或 多個(gè)以調(diào)整調(diào)節(jié)器的出口壓力。
[0024] 本發(fā)明也針對(duì)具有入口限制器的壓力調(diào)節(jié)器，當(dāng)流入流體的壓力高于閾值水平 時(shí)，所述入口限制器允許流入流體進(jìn)入壓力調(diào)節(jié)器。本發(fā)明還針對(duì)將入口限制器定位在另 一個(gè)位置處以防止部分真空在壓力調(diào)節(jié)器內(nèi)部形成。
[0025] 本發(fā)明還針對(duì)半自動(dòng)閥，當(dāng)流過(guò)閥的流體不足以保持閥打開(kāi)時(shí)，所述半自動(dòng)閥被 手動(dòng)打開(kāi)但自動(dòng)關(guān)閉。發(fā)明性半自動(dòng)閥也可以是半自動(dòng)電氣開(kāi)關(guān)。
[0026] 本發(fā)明還針對(duì)具有旁通閥的壓力調(diào)節(jié)器，當(dāng)流動(dòng)緩慢或具有低壓時(shí)，所述旁通閥 可以引導(dǎo)流體繞過(guò)壓力調(diào)節(jié)器。
[0027] 附圖簡(jiǎn)述
[0028] 附圖形成說(shuō)明書(shū)的一部分并且將結(jié)合說(shuō)明書(shū)來(lái)閱讀，并且在附圖中相同參考數(shù)字 在不同視圖中用來(lái)指示相同部分，在附圖中：
[0029] 圖1A是出示US 2010/0104481中所示并描述的常規(guī)壓力調(diào)節(jié)器的操作原理的橫 截面圖，并且圖1B是例示所述操作原理的分解圖；
[0030] 圖2A是本發(fā)明的可調(diào)式壓力調(diào)節(jié)器的橫截面圖，并且圖2b至圖2C是所述可調(diào)式 壓力調(diào)節(jié)器的俯視圖；
[0031] 圖3A至圖3B是本發(fā)明的另一個(gè)可調(diào)式壓力調(diào)節(jié)器的橫截面圖；
[0032] 圖4是本發(fā)明的另一個(gè)可調(diào)式壓力調(diào)節(jié)器中的可調(diào)式活塞或梭的橫截面圖；
[0033] 圖5A至圖5B是本發(fā)明的另一個(gè)可調(diào)式壓力調(diào)節(jié)器的橫截面圖；
[0034] 圖6A至圖6B是本發(fā)明的另一個(gè)可調(diào)式壓力調(diào)節(jié)器的橫截面圖；
[0035] 圖7A至圖7B是本發(fā)明的另一個(gè)可調(diào)式壓力調(diào)節(jié)器的橫截面圖；
[0036] 圖8A至圖8B是本發(fā)明的另一個(gè)可調(diào)式壓力調(diào)節(jié)器的橫截面圖；
[0037] 圖9A至圖9B是本發(fā)明的具有入口限制器的壓力調(diào)節(jié)器的橫截面圖；
[0038] 圖10A是本發(fā)明的具有入口限制器的壓力調(diào)節(jié)器的橫截面圖；圖10B是另一個(gè)入 口限制器的橫截面圖；
[0039] 圖11A是本發(fā)明的具有通風(fēng)口以防止部分真空的壓力調(diào)節(jié)器的橫截面圖；圖11B 是另一個(gè)通風(fēng)口的橫截面圖；
[0040] 圖12A至圖12B是本發(fā)明的半自動(dòng)閥的橫截面圖；
[0041] 圖13A至圖13B是本發(fā)明的另一個(gè)半自動(dòng)閥的橫截面圖；圖13C至圖13D是圖13A 和圖13B的操作性地連接至電氣開(kāi)關(guān)的半自動(dòng)閥的橫截面圖；
[0042] 圖14A至圖14B是本發(fā)明的具有旁通閥的壓力調(diào)節(jié)器的橫截面圖；以及
[0043] 圖15A至圖15C示出具有溫度切斷部件的壓力調(diào)節(jié)器。
[0044] 優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述
[0045] 如在附圖中所示和以下詳細(xì)論述的，本發(fā)明針對(duì)流體部件和流體流動(dòng)控制部件， 所述流體部件和流體流動(dòng)控制部件用于具有燃料電池、接口系統(tǒng)和燃料筒或燃料箱/貯存 器的燃料電池系統(tǒng)中。這些部件也可以用于其他技術(shù)和產(chǎn)業(yè)中或與其他技術(shù)和產(chǎn)業(yè)一起使 用并且不限于燃料電池系統(tǒng)。
[0046] 燃料電池燃料包括可與任何燃料電池一起使用的任何燃料，并且可以是固體燃 料、液體燃料和氣體燃料或它們的組合。液體燃料包括甲醇、水、甲醇/水混合物、不同濃度 的甲醇/水混合物、純甲醇，和/或甲基籠形物、乙醇或其他醇類。固體反應(yīng)燃料電池燃料 包括化學(xué)金屬氫化物，如硼氫化鈉、硼氫化鉀和與液體或凝膠反應(yīng)以產(chǎn)生氫的其他金屬氫 化物。固體燃料還可以包括金屬氫化物，所述金屬氫化物在一定溫度和壓力下吸收并吸附 氫化物基質(zhì)內(nèi)的氫并且在另一溫度和壓力下釋放氫以向燃料電池供給燃料。適合的金屬氫 化物包括但不限于五鎳化鑭（LaNi5)和在美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)US 2009/0060833中所公開(kāi) 的金屬氫化物，所述美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)以引用方式全部并入本文。
[0047] 燃料還可以包括碳?xì)浠衔锶剂?，所述碳?xì)浠衔锶剂习ǖ幌抻诙⊥?、煤油?酒精和天然氣，如在2003年5月22日公開(kāi)的標(biāo)題為"Liquid Hereto-Interface Fuel Cell Device"的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)US 2003/0096150中所閘述的，所述美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)以 引用方式全部并入本文。燃料還可以包括液體氧化劑，所述液體氧化劑與燃料和液體電解 質(zhì)反應(yīng)。因此，本發(fā)明不限于任何類型的燃料、活化劑、電解質(zhì)溶液、氧化劑溶液或含于供應(yīng) 中或另外由燃料電池