專利名稱：電化學(xué)致動閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微致動器和閥，特別是包括此類致動器的電化學(xué)致動器和閥。
背景技術(shù)：
在許多技術(shù)應(yīng)用中，對用于氣體和/或液體的非常小的閥有需求。機(jī)械和/或機(jī)電閥往往難以小型化，并且制造成本高昂。作為機(jī)械和/或機(jī)電閥的一種替代方法，現(xiàn)有技術(shù)中已知有使用電化學(xué)裝置來致動的致動器和閥。美國專利US-5，671，905中公開了電化學(xué)致動器的一個示例。它包括密封在一個基本恒定的容積室內(nèi)的一種電解質(zhì)溶液，在其中設(shè)置了多個電觸頭以使得該電解質(zhì)與這些電觸頭電連接。通過該電解質(zhì)在這些觸頭之間的電流通路將該電解質(zhì)和/或電極材料分離成它的一種或多種組成氣體，導(dǎo)致該隔室內(nèi)的壓力增加。此壓力可以直接作用于或者通過氣動或液壓管路被路由以致動隔膜、移動活塞、膨脹氣囊，或任何其他合適的將壓力轉(zhuǎn)換為運動或位移的方式。美國專利US-5，038，821公開了另一個示例。電化學(xué)致動的控制閥是由電化學(xué)原動機(jī)致動的，該原動機(jī)將直流電能轉(zhuǎn)換成壓縮氣能，然后將其用于產(chǎn)生機(jī)械功。該電化學(xué)致動器的機(jī)械運動通常是線性運動。上述設(shè)備以單獨的單元制造，需要單獨安裝或集成到它們將用于其中的系統(tǒng)中。它們還包括多個需要組裝的部件，使得制造相當(dāng)復(fù)雜并且因而昂貴。已公布的專利申請WO 2007/117212、WO 2009/025613 及 WO 2009/025614 描述了根據(jù)目前最先進(jìn)水平的燃料電池技術(shù)。發(fā)明概述令人希望的是能夠在一條連續(xù)的生產(chǎn)線上制造上面討論的類型的致動器和/或全部的閥，即不需要組裝分立組件。對于許多應(yīng)用，將令人希望的是在制造過程中能夠?qū)⒅聞悠骱?或閥集成到設(shè)備或系統(tǒng)中，即這些閥應(yīng)在與它們集成進(jìn)的整個設(shè)備或系統(tǒng)同樣的制造過程中優(yōu)選在連續(xù)的生產(chǎn)線中生產(chǎn)。因此，本發(fā)明的主要目的是為了簡化致動器和/或閥的生產(chǎn)，并使生產(chǎn)更具成本效益?？梢詢H使用箔部件及粘合劑來生產(chǎn)致動器。這使得能夠通過使用如圓壓圓模切技術(shù)實現(xiàn)符合成本效益的大規(guī)模生產(chǎn)。為了這個目的，發(fā)明人已設(shè)計出了一種新型的致動器以及采用此類致動器的一種閥。權(quán)利要求1中定義了根據(jù)本發(fā)明的致動器。本發(fā)明的第二方面提供了一種包括根據(jù)本發(fā)明的致動器的閥。在權(quán)利要求22對該閥進(jìn)行了定義。還提供了 一種燃料電池組件，其中該燃料電池是面內(nèi)聚合物電解質(zhì)燃料電池，并且其中該閥機(jī)構(gòu)嵌入在組成該組件的層中的至少一層。權(quán)利要求30對此組件進(jìn)行了定義。
從下文中給出的詳細(xì)描述和僅通過插圖的方式給出的附圖，本發(fā)明的適用性的進(jìn)一步范圍將變得明顯，因此不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制，并且其中

圖1a示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個處于非致動狀態(tài)的致動器；圖1b示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個處于致動狀態(tài)的致動器；圖2更詳細(xì)地示出了一個致動器的橫截面的實施例；圖3a示意性地展示了打開狀態(tài)下的一個另一個實施例；圖3b示意性地展示了關(guān)閉狀態(tài)下的圖3a的實施例；圖4a示出了一個實施例，其在關(guān)閉狀態(tài)以與圖3相比相反的方式配置；圖4b示意性地展示了打開狀態(tài)下的圖4a的實施例；圖5a是一個測試裝置的分解視圖；圖5b是一個測試裝置的概覽；以及圖6是一個測試過程的壓力vs時間曲線。圖7示意性地展示了一個可在致動器中使用的氫泵；圖8a示意性地展示了一個納入了致動器的閥機(jī)構(gòu)，該致動器包括一個根據(jù)圖7所述的氫泵并且具有用于夾緊的螺釘孔；圖8b示出了閥機(jī)構(gòu)的組件的分解視圖；圖9示出了該閥機(jī)構(gòu)的一個另一個實施例；圖10示出了集成在燃料電池組件中的閥機(jī)構(gòu)；以及圖11是一個曲線圖，示出了使用壽命測試之后的行為。優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述為本申請的目的，術(shù)語“閥機(jī)構(gòu)”應(yīng)被理解為意指密封一個閥并且可被致動器的運動打開或關(guān)閉的機(jī)械/電化學(xué)設(shè)計。在其最普遍的方面，本發(fā)明包括一個可電化學(xué)操作的致動器。該致動器包括一個支撐結(jié)構(gòu)、一個抵靠所述支撐結(jié)構(gòu)密封以形成一個隔室的撓形膜、被適配成產(chǎn)生氫氣或氧氣并將該氣體輸送到所述隔室內(nèi)部的電化學(xué)裝置。該電化學(xué)裝置包括在其相對側(cè)上具有多個電極的一個離子傳導(dǎo)膜、以及用于連接一個電壓源以使在這些電極之間能夠施加一個電勢的終端裝置。該撓形膜優(yōu)選為一個單獨的實體。該電化學(xué)裝置優(yōu)選集成到該撓形膜中。在一個優(yōu)選實施例中該電化學(xué)裝置是一個氫泵，但它也可以是一個電解器。該電化學(xué)裝置還可以既作為一個氫泵又作為一個電解器操作。該膜適宜由硅橡膠或其他非電化學(xué)但惰性箔制成，但在一些實施例中它是形成膜電極組件的一部分的一個導(dǎo)電膜。該電化學(xué)裝置優(yōu)選至少部分嵌入到該膜中。圖1a及Ib中示意性地示出了致動器的一個實施例以及其工作原理。圖1a因此是致動器一個實施例的示意性展示并且示出了該創(chuàng)造性的概念。該致動器優(yōu)選包括一個剛性支撐物10。在該支撐物10上有提供了一種電觸頭，適宜以涂錫的銅箔11的形式。一個離子導(dǎo)電聚合物膜12適宜通過一種粘合劑13 (適宜雙面)與該箔11接觸附著在該支撐物10上，該粘合劑13可以用作一個框架沿該支撐的外周伸展，將該膜12放置從而附著在該支撐物上。以這種方式，用其箔涂層11在該膜12與該支撐物10之間形成一個密封室14。在該膜12的至少一部分上在該膜的相對側(cè)上設(shè)置有電極15、16。該圖中，在該膜12的面朝該支撐物10的一側(cè)上有一個陰極15，并在該膜的相對側(cè)上有一個陽極16。這些電極15及16分別通過一些適當(dāng)?shù)慕佑|裝置(未示出)連接到供給適當(dāng)?shù)碾妷杭半娏?由帶圓圈的“ + ”和表示)的一個電源上。該支撐物10應(yīng)該基本上比該膜12剛性，因為該膜的撓曲不可以對該支撐的平面性產(chǎn)生任何顯著程度的影響。圖1a示出了非通電狀態(tài)下的該致動器。圖1b示出了一個情況，其中電壓分別經(jīng)由這些電極15及16應(yīng)用于該膜12之上。該膜12優(yōu)選具備吸濕性，以使得它將會從周圍大氣中吸收水分。膜材料的示例為磺化的多芳基、全氟化碳磺酸離聚物、磺化聚烯烴、磺化聚砜。因此，施加一個合適的通常為1.5至4V的電壓將啟動對該膜內(nèi)的水的電解。由此氫將在該陰極放出并且氧將在該陽極放出。由于該陰極被限制在該膜12與該支撐物10之間形成的密封室內(nèi)，氫氣不能逃逸到周圍環(huán)境但將在所述隔室14內(nèi)開始積聚一個壓力。圖2中詳細(xì)地示出了該致動器的一個實施例。通常用參考標(biāo)號20指示的此致動器的最基本和最重要的組件是離子傳導(dǎo)聚合物膜21，例如質(zhì)子傳導(dǎo)離聚物，像涂有薄電極、陽極22a及陰極22b的并且(如果需要的話)在兩側(cè)都部分覆蓋有氣體擴(kuò)散層材料24a、24b (GDL)的全氟磺酸。該膜還可以是陰離子傳導(dǎo)的，例如氫氧離子傳導(dǎo)的。這些電極/催化劑涂覆的隔膜被稱為3層膜電極組件(MEA，也稱為催化劑涂覆隔膜(CCM)) 23。用于氧電極的催化劑可以例如是在碳載體上的鉬/釕。它應(yīng)該優(yōu)選由一個魯棒的催化劑及碳載體組成，如那些聚合物電解質(zhì)膜電解器中使用的催化器及碳載體。對于氫電極，催化劑可以是以碳為載體的鉬，其裝填(例如0.05-0.5毫克鉬/平方厘米)與以氧為載體的(將有0.5-1毫克鉬/平方厘米)相比較低。這些電極22a、22b不可以在整個膜面積上延伸。該膜也可以是夾在催化劑涂覆的GDL之間的(即GDL24與有源電極層22的組合)一個全氟磺酸膜。該膜21的一側(cè)抵靠機(jī)械剛性表面25密封，優(yōu)選通過將一個雙面粘合劑26的框架附著在該膜與該剛性表面之間的方式來獲得。這些電極與提供電流及電壓的外電路電接觸。在該CCM密封側(cè)的電觸頭可以優(yōu)選是在密封側(cè)與該GDL24b接觸的錫涂覆銅箔27。在外部可對金屬夾緊裝置28執(zhí)行電流收集，該裝置被放置來夾緊該GDL。所述加緊也可穿孔，以提高這些電極的氣體輸送。或者也可用集電器箔執(zhí)行外部電流收集，例如放置在該夾緊裝置28與該外部GDL24a之間的撓性箔PCB (印刷電路板)。所述撓性箔PCB實質(zhì)上是薄撓性PCB，也可用于該閥組件中的其他觸頭及傳感器。要支持該膜21，可選擇通過粘接裝置附著一個支持性薄塑料薄膜29并覆蓋該膜的一部分。為了增加該致動膜的力度和壽命,可向它附著一個剛性墊圈29’。也可以將該墊圈/剛性平面表面放置為與致動的對象(如閥桿)接觸。該墊圈與該膜接觸的面積越大，致動力就越大，并且同時致動沖程的幅度也減小?，F(xiàn)在將詳細(xì)描述致動過程。在一個實施例中致動是由電解過程實現(xiàn)的。因此，通過在這些電極之間施加一個通常為1.5-4V的電壓，氧氣和氫氣將放出。所述氣體是從該吸濕性離聚物膜及這些電極中的水分子的電解中產(chǎn)生的。這些電極可以被極化以使氫氣在該膜的密封側(cè)放出，或者交替極化以使氧氣在密封側(cè)放出。該隔室14內(nèi)放出的氣體會導(dǎo)致該膜12向上“隆起”(見圖1a及l(fā)b)，并且在此沖程過程中提供的力度足以機(jī)械地推壓某一個可動元件如閥桿。然后在密封側(cè)放出氧氣并且外部存在氫氣的情況下，可以通過將這些電極之間的電壓降低到0-0.9V獲得再致動(即該膜在高度上減少)。因此，在這種模式下該氧氣及氫氣以與在燃料電池中相同的方式被消耗?；蛘呖梢酝ㄟ^從密封側(cè)具有小型泄露的方式獲得再致動。由于泄露，當(dāng)關(guān)掉密封側(cè)當(dāng)前產(chǎn)生的氧氣時該膜被降低。該致動也可以通過氫氣泵送實現(xiàn)。在這種情況下，如果氫氣出現(xiàn)在該膜的外部，可以通過將該MEA/CCM極化為0-1.2V優(yōu)選0.05-0.3V之間(這比電解所需的小)來獲得致動。該MEA/CCM的密封側(cè)應(yīng)與該電源的負(fù)極側(cè)連接。在氫氣“泵送”期間正極側(cè)上的電極反應(yīng)是H2向H+的電化學(xué)氧化，然后質(zhì)子遷移并擴(kuò)散到該膜的負(fù)極側(cè)，在那里它們被再次電化學(xué)還原為H2氣。該MEA/CCM被電化學(xué)“泵送”的氫氣從該密封表面抬起進(jìn)入到該MEA/CCM的密封側(cè)。再致動(該膜高度從密封表面減少)是通過扭轉(zhuǎn)極化獲得的，這導(dǎo)致氫氣從該密封側(cè)抽出?；蛘呖梢酝ㄟ^從密封側(cè)具有小型泄露獲得再致動。由于泄露，當(dāng)關(guān)掉密封側(cè)當(dāng)前產(chǎn)生的氫氣時該膜被降低?，F(xiàn)在將參照連同閥特別是清洗閥的實施來將本發(fā)明示例化，盡管本發(fā)明當(dāng)然適用于所有種類的閥。此外，本發(fā)明可以通過其他許多種需要致動的設(shè)備實現(xiàn)。清洗閥通常需要在以所謂的閑端模式工作的燃料電池中操作。操作過程中，在出口附近存在惰性氣體(如N2、H20(g))的積聚，必須不定期地將其清除。圖3a_b和4a_b示出了兩個不同的清洗閥。同樣與該致動器有關(guān)的細(xì)節(jié)被賦予了與圖1中相同的參考標(biāo)號。此類型的閥(一般用30指示)可放置在例如兩塊鋼板31、32之間，它們與一個塑料框33 —起形成一個密封的腔體34。在所示組件的底部將有用于將氫氣傳遞到該腔體34中的氣體通道35。通過從該氣體通道35的開口 36將氫氣饋送至該腔體。應(yīng)當(dāng)理解為，下面描述的致動器以及閥的設(shè)計也可以用于其他類型的閥，例如入口閥。下面描述的示例可以應(yīng)用在例如發(fā)明背景中提到的專利出版物中描述的無源型燃料電池組件中，但該致動器也可以應(yīng)用在常規(guī)的堆疊燃料電池中。圖3示出了非致動狀態(tài)下的一個打開的清洗閥。該閥機(jī)構(gòu)30安裝到上部的(如在圖中看到的)鋼板31上的穿過該板延伸的孔31’中。該閥包括一端連接于閥頭37’而另一端連接于止動部件37’’的一個閥桿37。該止動部件將限制該閥的沖程。還提供了布置在該閥桿37周圍并且倚靠在該閥頭37’上的一種O型環(huán)38，所述O型環(huán)在該閥頭37’與該鋼板31的下側(cè)之間提供密封功能。在該閥桿37周圍還提供了一個彈簧39，該彈簧將迫使該閥進(jìn)入打開位置(即圖中向下)。在本設(shè)計中該閥通常是打開的，并且它僅在該閥30被致動時關(guān)閉，即當(dāng)該膜12從該密封側(cè)14的表面上抬升并且從而將該彈簧承載的閥頭37’向上推壓時(如在圖中看到的)。在該燃料電池操作的過程中，該閥被一個小的支撐電流保持在其關(guān)閉狀態(tài)下(該電流也可以是間歇性的)。為了監(jiān)測該閥的位置以及在該密封側(cè)的壓力(例如，以避免太高的壓力)，在該CCM/膜12與該閥機(jī)構(gòu)的平坦表面之間有可能有一個壓力敏感的觸頭(未示出)。如果施加的電流足夠小將會有一個由以下原因?qū)е碌钠胶鈮毫?1)通過該密封件的氫氣泄漏，2)通過該膜的氫氣反向擴(kuò)散，及3)由該膜/CCM上的電壓差確定的熱力學(xué)平衡壓力。該閥將通過扭轉(zhuǎn)電勢及電流的方式偶爾打開，從而通過該膜將氫氣“泵送”回去。
圖4示出了非致動狀態(tài)下的一個關(guān)閉的清洗閥。此閥機(jī)構(gòu)包括本質(zhì)上與圖3中的該閥相同的組件。然而，在此配置中該O型環(huán)38設(shè)置在該鋼板的上側(cè)(如圖中看到的)，在該板31的表面與該止動部件37’’之間。因此，有一個閥桿37及一個O形環(huán)38及一個彈簧39將迫使該閥進(jìn)入關(guān)閉位置(即在圖中下部)，如圖4a所示。因此該閥是常閉的，并且因此應(yīng)提供一個替代開口機(jī)構(gòu)(例如手動機(jī)構(gòu))以在啟動過程中(即在氫氣到達(dá)該出口處的清洗閥之前)啟用該燃料電池組件的清洗。或者在氫氣到達(dá)該出口處的清洗閥之前可以通過增加電壓的方式打開該閥，以使氫氣和氧氣放出(優(yōu)選在密封側(cè)上的氫氣)。在運行此閑端燃料電池組件的同時，通過極化這些電極并由此打開該閥的方式優(yōu)選通過將氫氣泵送進(jìn)入該密封側(cè)的方式獲得清洗。以與之前類似的方式通過反轉(zhuǎn)該電壓及電流獲得該閥的關(guān)閉。本發(fā)明現(xiàn)在將進(jìn)一步通過非限制性示例的方式示出。示例 I從傘狀閥卸壓的下降為了檢查根據(jù)本發(fā)明所述的致動器的概念，建立了一個測試裝置。用于該測試裝置的致動器不包含任何⑶L。圖5a示出了測試裝置50的分解示意圖，并且圖5b中示出了一個整體的實驗裝置。51是連接塑料氣嘴(約25 X 25 X I毫米)的出口端板，52及53是硅橡膠密封件(總厚度約4毫米)，其中心孔允許該傘狀閥頭移動，54是該傘狀閥(閥耐，VA3497，硅酮)，55是約2毫米厚的板，有一個用于安裝該傘狀閥的3.6毫米的孔，56是硅膠密封件，有一個大開口(約7米)和一個狹縫以提供氣體引導(dǎo)，57是剛性墊圈(未按比例)，具有比該硅膠密封件56的大開口更小的直徑(約6毫米)。該硅膠密封件56的厚度約為2毫米而該墊圈57約為I毫米厚。58是涂錫的銅箔，用于約8毫米的電流收集內(nèi)直徑，59是直徑為12的MEA，60是絕緣膠帶，具有一個11毫米的中心孔及一個2毫米以下的氣體引導(dǎo)孔，61是第二集電器膠帶，62是塑料制成的背墊板，有一個用于氣體引導(dǎo)的孔，63是硅橡膠密封件，具有一個中心孔及一個狹縫以提供氣體引導(dǎo)，64是與塑料氣嘴連接的入口端板。該組件用M3螺絲和螺母夾在一起。如圖5b示意性地示出的裝置通過一個約1.8PSI的壓力與氫氣源65連接并通過一個針形閥66 (設(shè)置為最大約45毫升/分鐘的限流器(針閥))與轉(zhuǎn)子流量計連接。該系統(tǒng)的壓力通過電子壓力表67配準(zhǔn)。當(dāng)該致動器推壓該傘狀閥時它的卸壓減少，從而通過該裝置給出了 一個較高的流量并配準(zhǔn)了 一個較低的壓力。測試步驟:圖6示出了一個測試過程的壓力vs時間曲線。設(shè)置該供電單元PSU (TTI CPX200)為最大電流50毫安及最大電壓約4V。該PSU在10秒后開啟。當(dāng)壓力減少到OPSI時(大概70秒后)，該PSU關(guān)閉。這導(dǎo)致在該傘狀閥的背側(cè)推壓的致動器力的下降，從而導(dǎo)致該系統(tǒng)的壓力增加。約150秒后，該PSU再次開啟并且壓力再次減小。該致動器中的膜材料在實驗前曾被稍微加濕。開啟PSU后沒有直接接收到壓力響應(yīng)的原因是，在密封腔內(nèi)的壓力需要在它會影響傘狀閥卸壓之前積聚。第二次獲得的最低壓力較高的原因可能是，該傘狀閥的放置方式有所改變因此它提供了更高的卸壓。在另一項實驗中，將該PSU的電壓扭轉(zhuǎn)并設(shè)置到0.7V。在這種情況下所使用的致動器的原則是關(guān)于氫泵的。這原則上提供了與圖6所示的類似的曲線。現(xiàn)在來描述利用本發(fā)明的氫氣泵送方面的致動器/閥機(jī)構(gòu)的一個優(yōu)選實施例。該氫泵是根據(jù)本發(fā)明所述的閥系統(tǒng)這個方面的核心。一般情況下，致動器是將能量轉(zhuǎn)換成運動的某種裝置。它也可用于施加一個力。致動器通常是一種機(jī)械設(shè)備，它獲取能量(通常由空氣產(chǎn)生)、電力、或液體并將其轉(zhuǎn)換成某種形式的運動。此運動可以是從阻塞到夾緊到彈出的任何動作。致動器通常用在制造業(yè)或工業(yè)應(yīng)用中，并可以用在類似發(fā)動機(jī)、泵、開關(guān)、及閥的裝置中。為了本申請的目的，致動器被作為與氣室一起的電化學(xué)氫泵，該氣室中可以產(chǎn)生過壓。該隔室的一個壁是由撓性膜構(gòu)成的，并且該隔室內(nèi)部的壓力增加將導(dǎo)致該撓性膜移動(隆起)，并且要么影響一個閥構(gòu)件將其推入閥座中，要么該膜本身可以執(zhí)行密封行動。圖7是一個示意圖，基于氫氣泵送的原理示出了致動器的氫泵部件的主要組成部分。因此，該氫泵包括一個MEA70，該MEA70在每一側(cè)設(shè)置一個⑶L72。在一個示例性實施例中，該MEA包括由Gore PRMEA MEA cleo系列5710制成的厚度為18微米的膜。它在每個電極上有一個催化劑裝填為0.4毫克/平方厘米的鉬。該⑶L72適宜由多孔材料基于膨脹的天然石墨制成，例如但并不限于約200微米厚的碳纖維紙。此類材料可從西格里集團(tuán)的SIGRACET獲得。MEA/⑶L的組件由導(dǎo)電粘合劑76附著到一個(底部)集電器74上。該導(dǎo)電粘合劑的目的是密封并且避免該MEA與該底部集電器之間的任何氫氣泄漏。除該組件外還提供了一個集電器78，并通過夾緊整個組件將其保持在適當(dāng)位置。夾緊還降低了接觸電阻。該集電器通常由金屬箔(適宜銅箔)制成。在頂部的集電器中提供孔8)，用于使例如氫氣進(jìn)入該MEA。在底部的集電器及粘合劑中也有提供的孔，用于使釋放的氣體能夠離開及進(jìn)入氣室。兩個集電器中的一個或雙方都可由帶鍍金觸點的撓性箔制成，這將如在其他專利中所描述的一樣使其更容易地將該氫泵集成到燃料電池組件中。該氫泵將僅在以下的附圖中示意性地示出，并且將僅由輪廓形狀表示。在圖8a中示出了一個裝置，其中在致動器中為一個閥使用了上述氫泵。在本實施例中該閥在其“正常”狀態(tài)下是打開的，即該致動器僅用來關(guān)閉該閥。其他配置(其中該閥是常閉的且因此該致動器用于打開該閥)是可能的。因此，圖8a中示出了根據(jù)本發(fā)明的一個電化學(xué)閥機(jī)構(gòu)，該閥機(jī)構(gòu)包括一個基于氫泵的致動器，對該氫泵的實施例示于圖7中。將該致動器集成到該閥機(jī)構(gòu)中并形成了其不可分割的一部分。在圖8a中該氫泵83沒有顯示詳細(xì)信息而是作為一個單元顯示。整個機(jī)構(gòu)設(shè)置在適宜厚度約0.5毫米的兩塊鋼板81、811之間。該結(jié)構(gòu)由多層材料片層建成，并且從底部向上(如圖8a中看到，甚至在分解圖8b中更清楚地看到)提供有一個第一鋼板81，其上設(shè)置有一個非導(dǎo)電聚合物材料的薄片82，如聚乙烯或聚碳酸酯，約0.4毫米厚，并且其中布置有至少一個凹部86，該凹部在完整的結(jié)構(gòu)中形成了一個通道。該凹部約1.5毫米寬13毫米長。在該非導(dǎo)電層82上提供有一個另一種非導(dǎo)電聚合物材料制成的薄片84，約0.2毫米厚，如聚乙烯或聚碳酸酯。在此片材中分別提供有孔84’、84’’，將能夠使氣體引入到由凹部86形成的通道中，并能夠從該通道86中退出。該氫泵83與片材84接觸放置，使得該電池的陰極側(cè)位于該入口孔84’的上方。該氫泵83分別“嵌入”在層85 (粘合劑)及87 (硅橡膠膜)中。這是通過在各自的材料層中形成開口的方式實現(xiàn)的，以使得它們可以容納該致動器單元83。以這種方式，氫泵上表面將與該膜平齊，即它不會在該膜的表面之上延伸。該粘合劑85有一個開口 85’覆蓋從該通道/凹部86的出口 84’ ’，并有一個擴(kuò)展以形成一個隔室。通過該粘合劑85附著在該非導(dǎo)電層84的該硅橡膠層87將因此在該粘合劑中的開口所處的區(qū)域中可移動。在該硅橡膠層87上有一個另一個非導(dǎo)電聚合物材料的片材813，例如聚乙烯或聚碳酸酯，約0.2毫米厚。此片材具有一個開口 813’以露出該致動器單元83的陽極側(cè)，以及一個位于該隔室上方的開口 813’’，該隔室由該硅膠層下方的該粘合劑85中的該開口 85’形成。因此，在各自層84及813中該開口的組合使該硅橡膠彎曲，以響應(yīng)在任一側(cè)上的該隔室中的壓力。在該層813之上設(shè)置了另一個非導(dǎo)電層88。此層88具有的凹部88’，該凹部在層813中的開口之間延伸并且重疊，從而在其間形成一個連通通道810。在層88中還提供有多個孔，形成如圖中看到(用于氫氣進(jìn)入)的至該氫泵83上側(cè)的入口 812，以及自該隔室的一個出口 89，該隔室由層813中的開口 813’’形成。最后，在頂部有一個第二鋼板811，具有與層88的孔相對應(yīng)的孔分別用于入口 /出口 812/89。因此，從圖中可以看出，在該入口 812與該出口 89之間有一個打開的連通通道穿過所示的組件。在燃料電池的操作中，此組件將該氫燃料箱與該燃料電池堆中的有源電池連接起來。然而，如果需要關(guān)閉到該燃料電池堆的燃料供給，那么操作該氫泵83，并且通過該氫泵泵送氫氣，該硅橡膠膜下方的壓力將開始積聚并導(dǎo)致該硅橡膠膜“向上”隆起(如在圖中用虛線示意性地示出)并最終密封該出口 89。當(dāng)需要再次打開該閥時，該致動器通過扭轉(zhuǎn)極性“向后”運行，以使該通道86中存在的氫氣將被消耗在這些電極上并在該致動器的另一側(cè)重整。圖9中示意性地示出了另一個實施例。與圖8中相同或類似的功能的參考標(biāo)號將是相同的，但以“9”打頭。因此，當(dāng)該硅橡膠膜97被向上推壓時，改善該出口 99的密封以及該閥的關(guān)閉的一個方式可能是使用一個“帽”915。該帽可以由一小片915比較軟的材料組成，例如硅橡膠，不要比該出口孔過大。這一個應(yīng)粘在由硬質(zhì)材料制成的較大片914上，該較大片粘在該硅橡膠膜97上。因此，當(dāng)該氫泵93泵送時，該硅橡膠膜97所施加的壓力將只集中在該出口孔周圍的小塊區(qū)域上，從而改善密封。帽的使用既可以節(jié)約能源又可以節(jié)約昂貴的材料，如鉬。事實上，由于壓力集中在小塊區(qū)域上，該致動器側(cè)不需要達(dá)到一個高的壓力。例如，如果沒有此帽的情況下需要約I巴的壓力來密封該出口，理論上講如果設(shè)置了一個帽的話需要的壓力會少得多。事實上，如果將一個直徑為3毫米的帽粘在一個直徑為6毫米的剛性材料片上，0.25巴的壓力對于密封已然足夠。在一個使用帽的實施例中，可以降低用來關(guān)閉該閥的電流，從而允許使用一個較小的氫泵。圖10示意性地示出了在燃料電池組件100中根據(jù)本發(fā)明的閥的實施。在本實施例中的燃料電池是面內(nèi)聚合物電解質(zhì)燃料電池，優(yōu)選串聯(lián)連接并布置在一個平面內(nèi)。該組件從具有所需及必需功能的多個材料層建立。該閥機(jī)構(gòu)嵌入在組成該組件的層的至少一個層中。用圓圈標(biāo)出了該閥V，包括該氫泵101以及該硅膠膜102。在燃料電池組件的操作中，氫氣被提供給箭頭所指的組件，即在104處的入口及在106處的出口。如果需要關(guān)閉該出口 106，向該氫泵101通電，它開始向該隔室108中泵送氫氣，壓力由此增加并且該膜102開始如虛線所表示的隆起，它由此將該出口 106關(guān)閉。為了測試該閥，進(jìn)行了使用壽命實驗，并在下面的實施例2中描述。示例2根據(jù)圖8a設(shè)計了一個閥。頂部及底部的鋼板均為0.5毫米厚。加緊是通過六個M2螺絲和螺母實現(xiàn)的。整個組件(未包括螺釘和螺母)的外部尺寸為25x15x4毫米。通過添加一點硅脂該硅橡膠膜與該出口孔之間的密封性能得到了改善。通過將該入口連接至I巴的氫氣并將該出口連接至質(zhì)量流控制器(設(shè)定為50毫升每分鐘)，該閥的循環(huán)功能得以檢查。通過電觸點該閥暴露到以下的循環(huán):+100毫安約2秒(關(guān)閉該閥)，開路約I秒，+10毫伏約3秒(保持該閥關(guān)閉)，開路約I秒，-100毫安約2秒(再次打開該閥)，開路3秒。此循環(huán)重復(fù)了 1500個循環(huán)并且通過該質(zhì)量流調(diào)節(jié)器配準(zhǔn)了流剖面圖。在該1500個循環(huán)中該流剖面圖都是類似的，并且圖11中給出了 1400左右的循環(huán)。該閥很好地打開和關(guān)閉并且在該閥中的開口看到的流量的拐點是由于該質(zhì)量流控制器內(nèi)部的流量調(diào)節(jié)。一個循環(huán)的能量消耗約為70兆焦耳而所需的最大功率約為10毫瓦。把該閥放在貨架上20天后再次實驗1000個循環(huán)，氣體流量結(jié)果本質(zhì)上相同。
權(quán)利要求
1.一種可電化學(xué)操作的致動器(101)，包括 一個支撐結(jié)構(gòu)； 一個撓性膜，該撓性膜抵靠所述支撐結(jié)構(gòu)密封以形成一個隔室； 電化學(xué)裝置，該電化學(xué)裝置被適配成產(chǎn)生氫氣或氧氣并將該氣體輸送到所述隔室內(nèi)部; 該電化學(xué)裝置包括在其相對側(cè)上具有一個電極的一個離子傳導(dǎo)膜、以及用于連接一個電壓源以使在這些電極之間能夠施加一個電勢的終端裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的致動器，其中該撓性膜是一個單獨的實體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器，其中電化學(xué)裝置與該撓性膜集成在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的致動器，其中該電化學(xué)裝置是一個氫泵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的致動器，其中該電化學(xué)裝置是一個電解器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器，其中該電化學(xué)裝置既可作為一個氫泵也可作為一個電解器進(jìn)行操作或可操作。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的致動器，其中該膜由硅橡膠或其他非電化學(xué)但惰性箔制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的致動器，其中該電化學(xué)裝置至少部分嵌入到該膜中。
9.根據(jù)權(quán)利要求4或權(quán)利要求4的從屬權(quán)利要求7至8中任一項所述的致動器，其中該電化學(xué)裝置包括一 個膜電極組件(MEA)、以及在該膜電極組件(MEA)的各側(cè)上的一個氣體擴(kuò)散層(⑶L)、以及在其各側(cè)上的一個集電器。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的致動器，其中 該膜是一個離子導(dǎo)電聚合物膜(12)，有一個陽極(16)及一個陰極(15)電極配置在每一個所述膜(12)的一側(cè)上，從而形成一個膜電極組件(MEA);并且進(jìn)一步包括用于將所述電極(15，16 )連接至一個電壓源的裝置。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的致動器，其中該膜由從一個組中選擇的一種材料制成，該組由磺化多芳基、全氟化碳磺酸離聚物、磺化聚烯烴、磺化聚砜組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的致動器，其中該膜是吸濕陽離子傳導(dǎo)例如質(zhì)子傳導(dǎo)離聚物。
13.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的致動器，其中該膜是吸濕陰離子傳導(dǎo)例如氫氧離子傳導(dǎo)膜。
14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的致動器，該致動器在這些電極上進(jìn)一步包括多個氣體擴(kuò)散層(24a，24b)。
15.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的致動器，其中這些電極(15，16;22a，22b)僅覆蓋該膜面積的一小部分。
16.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的致動器，其中該陰極設(shè)置在該膜(12)面朝該支撐物(10)的一側(cè)上，并且該陽極設(shè)置在該膜的相對側(cè)上。
17.根據(jù)權(quán)利要求10至15中的任一項所述的致動器，其中該陽極設(shè)置在該膜(12)面朝該支撐物(10)的一側(cè)上，并且該陰極設(shè)置在該膜的相對側(cè)上。
18.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的致動器，其中該支撐物(10)基本上比該膜(12)更剛性，以便該膜的撓曲不可以對該支撐物(10)的平面性產(chǎn)生任何顯著程度的影響。
19.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的致動器，其中該致動器被適配成被1.5-4V的電壓通電。
20.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的致動器，其中該膜是由例如四氟乙烯、PTFE、該膜內(nèi)的多孔網(wǎng)絡(luò)機(jī)械支撐的。
21.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的致動器，其中有一個剛性部件(19)附著到該膜上，并將其放置以便與待致動的一個對象如閥桿接觸。
22.—種閥機(jī)構(gòu)(30),包括 一個閥桿(37)； 一個閥頭(37’)；以及 一個彈簧(38)，被布置為迫使該閥從一個第一位置進(jìn)入一個第二位置， 其特征在于 根據(jù)權(quán)利要求10至21中任一項所述的致動器，被布置為使得該膜(12)與該閥頭(37’ )相鄰，由此當(dāng)該致動器被致動時將迫使該閥從所述第一位置進(jìn)入所述第二位置。
23.—種閥機(jī)構(gòu),包括 一個支撐結(jié)構(gòu)，由多個材料層形成； 根據(jù)權(quán)利要求1至21中任一項所述的嵌入在該支撐結(jié)構(gòu)中的一個致動器； 一個通道，設(shè)置在與該致動器的一側(cè)處于流體連通的該支撐結(jié)構(gòu)的至少一層中，用于接收該致動器操作過程中釋放的氣體； 一個撓性膜，形成該支持結(jié)構(gòu)的一層的至少一部分并且由一種粘合劑附著在該支撐結(jié)構(gòu)的一層中，但留下該膜的一個區(qū)域不附著于該一層，以便在所述一層與該膜之間形成一個隔室，同時在所述一層中設(shè)置一個孔用于在該隔室與該通道之間提供流體連通。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的閥機(jī)構(gòu)，其中靠近一個氣體通道開口設(shè)置該膜，以便當(dāng)該致動器運行時該膜能夠關(guān)閉該開口。
25.一種使用根據(jù)權(quán)利要求1至21中任一項所述的致動器對閥進(jìn)行致動的方法，該方法包括運行該致動器以便將水電解，從而在該致動器的密封室內(nèi)提供氫氣或氧氣。
26.一種使用根據(jù)權(quán)利要求1至21中任一項所述的致動器對閥進(jìn)行致動的方法，該方法包括運行該致動器以便在整個該致動器膜引起氫氣泵送并泵送至該致動器的密封室。
27.一種使用根據(jù)權(quán)利要求1至21中任一項所述的致動器對閥進(jìn)行致動的方法，該方法包括運行該致動器以便既將水電解又引起氫氣泵送，從而在該致動器的密封室內(nèi)提供氫氣或氧氣及氫氣。
28.一種燃料電池組件，包括根據(jù)權(quán)利要求22所述的一個閥機(jī)構(gòu)。
29.一種燃料電池組件，包括根據(jù)權(quán)利要求23所述的一個閥機(jī)構(gòu)。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的燃料電池組件，其中該燃料電池是面內(nèi)聚合物電解質(zhì)燃料電池，并且其中該閥機(jī)構(gòu)嵌入在組成該組件的層中的至少一層中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可電化學(xué)操作的致動器(20)，該致動器包括一個支撐結(jié)構(gòu)、一個抵靠所述支撐結(jié)構(gòu)密封以形成一個隔室(108)的撓性膜、被適配成產(chǎn)生氫氣或氧氣并將該氣體輸送到所述隔室內(nèi)部的電化學(xué)裝置(101)，該電化學(xué)裝置包括在其相對側(cè)上具有一個電極的一個離子傳導(dǎo)膜，以及用于連接一個電壓源以使在這些電極之間能夠施加一個電勢的終端裝置。該電化學(xué)裝置可以是氫泵(110)或電解器或兩者都可。本發(fā)明還涉及一種將閥(V)納入到致動器的燃料電池組件(100)。
文檔編號H01M2/12GK103081195SQ201180037141
公開日2013年5月1日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者A·倫德布拉德, 瑪薩·瑪沙夫, D·卡爾森, 馬格納斯·林德布洛姆, 拉斐爾·普蘭 申請人:myFC股份公司