具有隔膜泵的氫發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種包含泵的氫發(fā)生器，所述泵用于將液體從貯存器泵送至反應(yīng)區(qū)，液體在此進(jìn)行反應(yīng)以產(chǎn)生氫氣；以及包含氫發(fā)生器和燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)。所述泵是具有機(jī)械操作的液體進(jìn)入閥和排出閥的隔膜泵，所述進(jìn)入閥和排出閥通過凸輪操作的推桿打開，并且推桿通過隔膜與經(jīng)過泵的液體流動(dòng)路徑隔開。液體貯存器和反應(yīng)區(qū)之間的液體流動(dòng)路徑中的所有閥都是機(jī)械操作的閥。
【專利說明】具有隔膜泵的氫發(fā)生器
[0001]發(fā)明背景
[0002]本發(fā)明涉及具有用于泵送液體反應(yīng)物的泵的氫發(fā)生器，以及包括所述氫發(fā)生器的燃料電池系統(tǒng)。
[0003]對作為便攜式電子器件的電源的燃料電池電池組的興趣已經(jīng)增長了。燃料電池是將來自電池外的材料用作正極和負(fù)極的活性材料的電化學(xué)電池。因?yàn)槿剂想姵夭槐仨毎杏糜谏呻姷幕钚圆牧希韵鄬τ谂c其他類型的電池組相比產(chǎn)生的電能的量，可以以小體積制造燃料電池。
[0004]存在多種類型的燃料電池，其可以各種方式進(jìn)行分類。例如，可根據(jù)使用的電解質(zhì)類型將燃料電池分類，通常是以下五類中的一種:質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)。這些類型的燃料電池中的每一種都使用氫和氧。氫在負(fù)極被氧化，并且氧在正極被還原。離子通過不導(dǎo)電的、離子可透過的隔板并且電子通過外部電路以提供電流。
[0005]在一些類型的氫燃料電池中，氫由供應(yīng)到燃料電池負(fù)極側(cè)的含氫燃料形成。在其他類型的氫燃料電池中，將氫氣從燃料電池外部的來源供應(yīng)到燃料電池。
[0006]燃料電池系統(tǒng)可包括燃料電池電池組，其包括一個(gè)或多個(gè)燃料電池(燃料電池堆)和氣源，諸如貯氣罐或氣體發(fā)生器。向燃料電池供應(yīng)氣體的氣體發(fā)生器可以是燃料電池系統(tǒng)的主要部分，或者它們可以可拆卸地連接到燃料電池系統(tǒng)。當(dāng)產(chǎn)氣反應(yīng)物已經(jīng)被消耗時(shí)，可拆卸氣體發(fā)生器可被另一個(gè)替換?？刹鹦稓怏w發(fā)生器可以是一次性的(旨在僅一次使用)或可再裝的(旨在多次使用)以替代消耗的反應(yīng)物材料。
[0007]期望可拆卸氣體發(fā)生器易于連接到燃料電池系統(tǒng)，以產(chǎn)生從氣體發(fā)生器到燃料電池系統(tǒng)的剩余部分的氣體流動(dòng)路徑，而不在連接處漏氣，并且還期望氣體發(fā)生器當(dāng)未連接到燃料電池系統(tǒng)的剩余部分時(shí)免于漏氣。氣體發(fā)生器和燃料電池系統(tǒng)的其余部分之間的連接可包括一個(gè)或多個(gè)閥。閥(一個(gè)或多個(gè))可被手動(dòng)打開和關(guān)閉，閥操作可由控制系統(tǒng)控制，或閥(一個(gè)或多個(gè))可通過致動(dòng)器打開和關(guān)閉，該致動(dòng)器通過造成或分離連接的組件進(jìn)行操作。后者方法可用于快速斷開連接，例如，當(dāng)氣體發(fā)生器連接到系統(tǒng)的其余部分時(shí)閥打開并且當(dāng)氣體發(fā)生器未連接時(shí)關(guān)閉。
[0008]氣體發(fā)生器可使用各種類型的反應(yīng)物以產(chǎn)生氣體。在一類氫發(fā)生器中，至少一種反應(yīng)物作為液體儲存在貯存器中，并且液體從貯存器轉(zhuǎn)移到反應(yīng)室，其在此進(jìn)行反應(yīng)以產(chǎn)生期望的氣體。各種手段已用于轉(zhuǎn)移液體，包括重力流動(dòng)、對液體施加壓力、通過毛細(xì)管作用虹吸液體以及用機(jī)械泵進(jìn)行泵送。每種方法具有優(yōu)勢和劣勢。
[0009]泵送液體可以是有利的，因?yàn)楸盟涂砷_始和停止，由此根據(jù)需要生產(chǎn)氣體。泵也可以以受控的速率提供液體。在選擇與氣體發(fā)生器一起使用的泵時(shí)，可考慮許多因素，比如泵材料和組件與被泵送的液體的兼容性、泵對泵在其中進(jìn)行使用的環(huán)境(例如，溫度和壓力)的抵抗能力、泵的大小、泵送速率、速率控制(準(zhǔn)確性和精度)、操作泵所需動(dòng)力的量和類型、泵在氣體發(fā)生器或系統(tǒng)中的集成、泵與控制氣體生產(chǎn)的方法的兼容性、泵的可靠性以及在操作期間由泵產(chǎn)生的熱量和噪音。[0010]鑒于上述，本發(fā)明的目的是提供一種泵，其適合于在氣體發(fā)生器和包含泵的燃料電池系統(tǒng)中泵送液體反應(yīng)物，特別地，提供燃料電池系統(tǒng)，其可用于對便攜式消費(fèi)性電子裝置諸如通信設(shè)備、便攜式計(jì)算機(jī)和視頻游戲提供動(dòng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]通過如下所述的泵、包含所述泵的氫發(fā)生器和包含所述氫發(fā)生器的燃料電池系統(tǒng)滿足上述目的并且克服現(xiàn)有技術(shù)的上述劣勢。
[0012]因此，本發(fā)明的一個(gè)方面是氫發(fā)生器，其包含外殼；液體貯存器，其含有液體反應(yīng)物，并且布置在所述外殼內(nèi)；布置在所述外殼內(nèi)的反應(yīng)區(qū)；以及泵，其配置為將所述液體反應(yīng)物從所述液體貯存器經(jīng)液體流動(dòng)路徑泵送至所述反應(yīng)區(qū)，其中所述液體能夠在所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)以逐步產(chǎn)生氫氣。所述泵是隔膜泵并且包括:具有容積的泵室；限定一部分所述泵室的第一隔膜；至所述泵室的液體進(jìn)入路徑，進(jìn)入閥置于其中，所述進(jìn)入閥在關(guān)閉位置相對于第二隔膜偏置；從所述泵室的液體排出路徑，排出閥置于其中，所述排出閥在關(guān)閉位置相對于第三隔膜偏置；具有可旋轉(zhuǎn)軸的馬達(dá)；第一凸輪、第二凸輪和第三凸輪，其皆布置在所述可旋轉(zhuǎn)軸上；第一推桿，其與所述第一凸輪接觸并且配置為與所述第一凸輪配合以可逆地取代所述第一隔膜，從而減小所述泵室容積；第二推桿，其與所述第二凸輪接觸并且配置為與所述第二凸輪配合以可逆地取代所述第二隔膜，從而打開所述進(jìn)入閥；以及第三推桿，其與所述第三凸輪接觸并且配置為與所述第三凸輪配合以可逆地取代所述第三隔膜，從而打開所述排出閥。所述液體貯存器和所述反應(yīng)區(qū)之間的所述液體流動(dòng)路徑中的所有閥都是機(jī)械操作的閥。
[0013]實(shí)施方式可包括一個(gè)或多個(gè)下列特征:
[0014]?所述第一隔膜、所述第二隔膜和所述第三隔膜是單個(gè)隔膜片的不同的區(qū)域；所述隔膜片可包括交聯(lián)的含氟聚合物；
[0015].所述進(jìn)入閥和所述排出閥分別通過進(jìn)入閥彈簧和排出閥彈簧相對于所述第二隔膜和所述第三隔膜偏置；
[0016] .所述泵包括在其中放置了所述泵室、所述液體進(jìn)入路徑和所述液體排出路徑的泵體；
[0017].通過所述泵體中的腔和所述第一隔膜限定的最大泵室容積為0.01cm3至Icm3 ；
[0018].所述泵配置為以多至100循環(huán)/分鐘操作；
[0019].所述馬達(dá)是電動(dòng)馬達(dá)；
[0020].所述泵置于所述氫發(fā)生器外殼內(nèi)；
[0021].所述泵置于所述氫發(fā)生器外殼之外；
[0022].所述液體包括水；所述液體可以是酸；所述液體可以是堿；或者所述液體可含有化學(xué)氫化物；
[0023].所述氫發(fā)生器具有置于所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)的固體反應(yīng)物；
[0024].所述氫發(fā)生器具有置于所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)的催化劑；并且
[0025].所述泵包括用于感測預(yù)定的泵位置的傳感器。
[0026]本發(fā)明的第二方面是燃料電池系統(tǒng)，其包括泵和燃料電池堆。在實(shí)施方式中，可基于燃料電池堆所需的氫逐步產(chǎn)生的速率控制所述泵的操作。[0027]本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過參考以下的說明書、權(quán)利要求和所附附圖，將進(jìn)一步理解和領(lǐng)會本發(fā)明的這些和其他特征、優(yōu)點(diǎn)和目的。
[0028]除非本文另有說明，否則所有公開的特征和范圍都如同在室溫(20_25°C )下確定的。
[0029]空間相對術(shù)語如“頂部”、“底部”、“之上”、“之下”、“上方”、“下方”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”及其變型的使用意欲便于描述如圖中所示的一個(gè)元件或特征相對于另一個(gè)元件或特征的關(guān)系，除非另有說明。
[0030]附圖簡述
[0031]在圖中:
[0032]圖1是具有關(guān)閉的進(jìn)入閥和排出閥的泵的正面截面圖；
[0033]圖2是圖1中泵的正面截面圖，其中排出閥打開；
[0034]圖3是圖1中泵的正面截面圖，其中進(jìn)入閥打開；
[0035]圖4是圖1中泵的分解透視圖；并且
[0036]圖5是包含泵的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]商業(yè)可得的泵被發(fā)現(xiàn)為缺少用于氣體發(fā)生器和燃料電池系統(tǒng)中的期望的特征。下述的泵與用于各類氣體發(fā)生器的各種液體反應(yīng)物兼容，所述液體反應(yīng)物包括水、酸性和堿性水溶液、含氫烴如醇、以及非水液體如肼，取決于選取的特定材料。泵可被設(shè)定尺寸為以寬范圍的速率泵送液體，可容易地啟動(dòng)和停止，并且可基于泵的馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向在任一方向上泵送液體。泵可抵抗溫度，取決于選取的特定材料。泵將安靜地操作，以便不打擾由燃料電池系統(tǒng)提供動(dòng)力的裝置的使用者。所述泵還具有簡單的設(shè)計(jì)和低成本。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的泵是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的隔膜泵，其具有機(jī)械操作的閥。該機(jī)械操作的閥(不響應(yīng)于壓力打開和/或關(guān)閉的閥)是有利的，因?yàn)槠涫侵鲃?dòng)關(guān)閉的(例如，通過彈簧)，由此當(dāng)閥關(guān)閉時(shí)，即使內(nèi)部或外部超壓也沒有液體在任一方向上自由流動(dòng)；實(shí)際上外部超壓(例如，來自氣體發(fā)生器)將趨于甚至更緊地關(guān)閉閥。因?yàn)闆]有使用壓力響應(yīng)的止回閥，泵在啟動(dòng)時(shí)更能夠自吸(self-priming)。由于所述泵是具有機(jī)械操作的閥的隔膜泵，所以不必夾緊(Pinch off)橡膠管道以防止液體的自由流動(dòng)，如在蠕動(dòng)泵中，其中管道可更快地劣化。具有機(jī)械操作的閥的隔膜泵也安靜地操作。
[0039]泵室被設(shè)定尺寸為允許泵以期望的最大速率提供液體。泵隔膜和閥通過凸輪驅(qū)動(dòng)的推桿移位。操作閥的推桿通過密封隔膜而與所述閥隔開，由此推桿不與被泵送的液體接觸，從而保護(hù)其不受液體的影響、延長泵的使用壽命并且切實(shí)可行地制作更具替換性的和/或比較便宜的材料。對于為便攜式消費(fèi)性電子設(shè)備提供動(dòng)力的燃料電池系統(tǒng)中所用的泵，可期望能夠每分鐘泵送I至5cm3的液體的泵。對于以60循環(huán)/分鐘操作的泵，這會需要容積為0.015至0.085cm3的泵室。具有較大泵的燃料電池系統(tǒng)對于意欲被使用者攜帶的設(shè)備而言可能過大。需要較小泵的燃料電池系統(tǒng)可能不具有能夠同時(shí)對電子裝置以及泵的馬達(dá)提供動(dòng)力的燃料電池堆。在一些實(shí)施方式中，泵可具有大約100循環(huán)/分鐘的最大操作速度。
[0040]馬達(dá)可以是以交流電或直流電操作的電動(dòng)馬達(dá)。馬達(dá)可通過燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池堆或通過燃料電池系統(tǒng)中的另一個(gè)電功率源提供動(dòng)力，所述電子裝置被燃料電池系統(tǒng)或所述燃料電池系統(tǒng)與所述電子裝置之外的電源提供動(dòng)力。若需要，則馬達(dá)和泵可以是雙向的。這對于例如更迅速停止液體的流動(dòng)以及所得的氣體生成可以是有利的。
[0041]泵可包含支撐馬達(dá)、凸輪軸和其它組件的框架。馬達(dá)旋轉(zhuǎn)凸輪軸，其包括三個(gè)凸輪，一個(gè)用于提升將泵隔膜移位到泵室中的推桿、一個(gè)用于提升將密封隔膜移位以打開進(jìn)入閥的推桿、而另一個(gè)用于提升將密封隔膜移位以打開排出閥的推桿。泵隔膜將推桿相對于相應(yīng)的凸輪偏置，并且其他推桿通過密封隔膜和閥相對于其相應(yīng)的凸輪偏置，每個(gè)閥隔膜通過例如閥彈簧相對于其各自的密封隔膜偏置。
[0042]泵包括液體進(jìn)入路徑，液體可經(jīng)其流到泵室；以及液體排出路徑，液體可經(jīng)其從泵室流出。布置進(jìn)入閥使得當(dāng)進(jìn)入閥處在關(guān)閉位置時(shí)液體進(jìn)入路徑關(guān)閉，并且布置排出閥使得當(dāng)排除閥處在關(guān)閉位置時(shí)液體排出路徑關(guān)閉。
[0043]在一個(gè)實(shí)施方式中，泵室可布置在安裝在泵框架上的泵體中。泵室可以是腔，其可當(dāng)泵處于循環(huán)的進(jìn)入部分時(shí)用液體填充，并且在循環(huán)的排放部分期間將泵隔膜推入其內(nèi)以迫使液體離開泵室。泵室容積通過腔壁和泵隔膜限定。泵體還可包含其中布置了進(jìn)入和排出閥的通孔，以及在通孔和泵室之間的開口，當(dāng)閥打開時(shí)，液體可流動(dòng)經(jīng)過所述開口。
[0044]當(dāng)泵處在停止或駐留位置(parked posit1n)時(shí),所有三個(gè)推桿都處在下位,泵隔膜縮回以基本最大化泵室的容積，并且進(jìn)入閥和排出閥關(guān)閉以防止液體流動(dòng)經(jīng)過液體進(jìn)入和排出路徑。泵從駐留位置進(jìn)入循環(huán)的排放部分，其中進(jìn)入閥關(guān)閉并且隨著排出閥打開泵隔膜被推進(jìn)泵室中，允許液體經(jīng)過液體排出路徑被從泵室壓出來。在液體被從泵室排放之后，泵進(jìn)入循環(huán)的進(jìn)入部分，其中排出閥關(guān)閉，泵隔膜移位到泵室中，進(jìn)入閥打開，并且隨后允許泵隔膜從泵室縮回，形成部分真空以利于液體流動(dòng)經(jīng)過液體進(jìn)入路徑并進(jìn)入泵室。在循環(huán)的進(jìn)入部分結(jié)束時(shí)，泵返回駐留位置，準(zhǔn)備開始下一次循環(huán)。
[0045]泵隔膜和密封隔膜的外周邊緣可擠壓在框架和泵體之間，以便保持它們在適當(dāng)位置并且提供液封。隔膜可以是獨(dú)立的組件，或者其可以是單個(gè)隔膜組件的不同分段。
[0046]泵可包括連接器，以便在液體貯存器和液體進(jìn)入路徑之間以及液體排出路徑和反應(yīng)室之間提供外部連接。泵可包括其它組件，比如一個(gè)或多個(gè)閥蓋、密封件、緊固件等。
[0047]可對泵添加額外的零件(feature)。例如,可添加傳感器，以便當(dāng)泵處于特定位置如下死點(diǎn)時(shí)進(jìn)行檢測，所述特定位置可以是駐留位置，如下所述。傳感器可在期望的位置感測各種泵零件的任意一種。例如，可對凸輪軸添加磁體，由此當(dāng)其處在期望位置時(shí)傳感器將檢測磁體。傳感器可用于許多目的。例如，傳感器可用于指示泵如預(yù)期的移動(dòng)，或者其可用作控制系統(tǒng)的部件以便將泵停在期望的位置(例如，駐留位置)。
[0048]一般而言，可期望于使用便宜、輕質(zhì)并且在實(shí)用性上易于加工的材料。與被泵送的液體接觸的組件必須是與液體兼容的，特別是對于意欲使用許多次或者長時(shí)期使用的泵而言。雖然可使用金屬，但塑料和彈性體也可適用于許多泵組件，盡管對于需要相當(dāng)高強(qiáng)度的薄部件(例如，閥彈簧和閥蓋)而言可能需要金屬。例如，對于泵送水或水溶液而言，耐熱和耐溶劑的熱塑性塑料如聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酰亞胺(PEI)(例如，來自SABICAmericas, Inc.的ULTEM? PEI)可適用于泵體；耐熱和耐溶劑的彈性體(例如，包含交
聯(lián)的含氟聚合物的彈性體，如來自Shin-Etsu Chemical C0.的SIFEL?,其具有具備末端硅氧烷交聯(lián)基團(tuán)的全氟聚醚主鏈)可適用于隔膜和密封件；以及低摩擦、高強(qiáng)度、耐熱聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)和乙烯-三氟氯乙烯(ECTFE)型聚合物(例如，來自TrelleborgSealing Solut1ns的TURCITE?材料)以及軸承級塑料(例如，來自IGUS?的
IGLIDE? )可適用于起閥器、凸輪軸和套管。不銹鋼對于與液體接觸的金屬組件如閥彈
簧和閥蓋而言是優(yōu)選的材料。鋁對于不與液體接觸的部件(例如，框架和凸輪軸)而言是合適的金屬。
[0049]圖4是泵的實(shí)施方式的分解圖。它包括具有末端112的框架110，其可用螺絲116 (僅示出一個(gè)螺絲)安裝到框架110上。可用螺絲116 (僅示出一個(gè)螺絲)將馬達(dá)114安裝到框架110上?？捎幂S120和軸承122將凸輪軸118安裝至馬達(dá)114和框架末端112。凸輪軸118具有三個(gè)凸輪124A、124B和124C，當(dāng)凸輪軸118通過馬達(dá)114旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述三個(gè)凸輪抬升推桿126AU26B和126C。泵隔膜128A和兩個(gè)密封隔膜128B和128C布置在框架110的頂部和泵體130的底部之間。隔膜128AU28B和128C可以是獨(dú)立的組件或者可在單個(gè)隔膜片128中形成。隔膜128A、128B和128C將推桿126A、126B和126C與泵體130內(nèi)的液體隔開。泵體130在其底表面中具有中心凹槽(未示出)，其用作泵室132 (圖1、2和3)和通孔134，在所述通孔內(nèi)布置進(jìn)入閥136和排出閥138。每個(gè)通孔134具有作為閥座的下部環(huán)形鑄嘴(annular lip)，并且當(dāng)閥136和138關(guān)閉時(shí)，閥136和138上的密封件140相對于閥座密封。閥136和138通過彈簧142相對于密封隔膜128B和128C偏置，所述彈簧可布置在閥136和138的頂部與閥蓋144的內(nèi)表面之間。圍繞泵體130中的通孔134的O形環(huán)146在泵體130和閥蓋144之間提供密封。閥蓋144通過螺絲148 (僅示出一個(gè))固定至泵體130。連接器150在液體貯存器(未示出)和到泵室130的液體進(jìn)入路徑之間以及在來自泵室130的液體排出路徑和氣體發(fā)生器(未示出)之間提供密封連接。
[0050]圖1、2和3是圖4中所示(如從按圖4中取向的背面所視的)的泵的截面圖，其中所述泵處在不同位置。在圖1中，泵處在駐留位置。在駐留位置處,推桿126A、126B和126C都在完全下向位置，使得進(jìn)入閥136和排出閥138都關(guān)閉，并且泵室132的容積處于其最大值。在此位置，隔膜128A、128B和128C處于或接近松弛狀態(tài)，以便將劣化最小化，并且液體不能流入或流出泵。泵從駐留位置移動(dòng)至循環(huán)的排放部分。在圖2中，泵處在循環(huán)的排放部分。在循環(huán)的排放部分期間，推桿126C和密封隔膜128C抬升，打開排出閥138，并且泵推桿126A和泵隔膜128A抬升，迫使液體從泵室138經(jīng)液體排出路徑離開。在圖2中，泵處在循環(huán)的排放部分，其中排出閥138打開并且泵隔膜128A上升。在循環(huán)的排放部分結(jié)束時(shí)，泵開始循環(huán)的進(jìn)入部分(圖3)。在循環(huán)的進(jìn)入部分期間，泵凸輪124B抬升推桿126B和密封隔膜128B以打開進(jìn)入閥136并且允許液體經(jīng)液體進(jìn)入路徑流入泵室132。泵凸輪124A和泵隔膜128A隨后降低，以便將液體抽入泵室132。如圖3中所示，進(jìn)入閥136完全打開并且泵隔膜128A下降。在循環(huán)的進(jìn)入部分結(jié)束時(shí)，泵再次處于駐留位置(圖1)。泵隔膜128A處于其最低位置，泵室132被液體填充，并且進(jìn)入閥136和排出閥138都關(guān)閉。
[0051]泵可用于將液體從貯存器泵送至氣體發(fā)生器如氫發(fā)生器中的反應(yīng)區(qū)，所述氫發(fā)生器提供氫氣至燃料電池堆。氫發(fā)生器和燃料電池堆是燃料電池系統(tǒng)的一部分，所述燃料電池系統(tǒng)可用于對電子器件提供電功率。
[0052]氫發(fā)生器可使用各種反應(yīng)物和各種類型的反應(yīng)。至少一種反應(yīng)物是含氫化合物。含氫化合物包括氫化物如金屬氫化物(例如,氫化鈉、氫化鋰、氫化鋁鋰)、過渡金屬氫化物(例如，氫化鋁)、有機(jī)(鹽的或離子的)氫化物(例如，C6H5C (O)CH3)、硼氫化物(例如，硼氫化鈉、氨硼烷)、硼酸鹽(例如，偏硼酸鈉)、醇(例如，甲醇、乙醇)、有機(jī)酸(例如，甲酸)和水。至少一種反應(yīng)物是液體或者包含在儲存在氫發(fā)生器內(nèi)的貯存器中的液體里。催化劑可用于催化反應(yīng)區(qū)內(nèi)的氫生成反應(yīng)。
[0053]泵可位于氫發(fā)生器外殼之內(nèi)或之外。如果其在外殼內(nèi)，貝1J夕卜殼和燃料電池系統(tǒng)的其余部分之間需要較少連接，而如果氫發(fā)生器不是可重復(fù)利用的(例如，通過用新鮮反應(yīng)物將其再充填)，氫生成的成本增加。對于一次性的氫發(fā)生器，一般可期望將泵定位在氫發(fā)生器之外，其在此可多次使用。
[0054]泵可用于控制液體對反應(yīng)區(qū)的供應(yīng)(以及氫發(fā)生的速率)。例如，泵可連續(xù)地或間歇地操作，由此僅根據(jù)需要生產(chǎn)氫。需要可基于一個(gè)或多個(gè)裝置特性(例如，打開/關(guān)閉、操作模式、能量消耗比率、內(nèi)部電池組條件)、燃料電池特性(例如，電壓、電流強(qiáng)度、功率輸出、氫氣壓力、溫度)、氫發(fā)生器特性(例如，氫氣壓力、溫度)或其組合決定?？刂葡到y(tǒng)可包括在裝置和/或燃料電池系統(tǒng)內(nèi)以便監(jiān)控這些特性和控制泵的操作(例如，通過將馬達(dá)打開和關(guān)閉或者通過調(diào)節(jié)馬達(dá)速度)。
[0055]圖5是燃料電池系統(tǒng)的實(shí)施方式的示意圖。不是所有組件都是必要的，并且，燃料電池系統(tǒng)的組件非必需地如圖1所示地設(shè)置(例如，一些組件可以位于由燃料電池系統(tǒng)提供動(dòng)力的設(shè)備內(nèi))。燃料電池系統(tǒng)10包括燃料電池堆12和用于向堆12提供氫燃料的可拆卸的氫發(fā)生器14。氫通過氫發(fā)生器14內(nèi)的排出閥16，并且穿過進(jìn)口 24到達(dá)堆12，在該處其經(jīng)由陽極被用作燃料。另一種氣體，比如氧，通過進(jìn)口 26進(jìn)入堆12，在該處其經(jīng)由陰極被用作氧化物。堆12產(chǎn)生通過功率輸出28提供到電子設(shè)備的電力。氫發(fā)生器14內(nèi)的反應(yīng)物反應(yīng)以產(chǎn)生氫。在氫發(fā)生器14內(nèi)的液體從貯存器轉(zhuǎn)移到生成氫的反應(yīng)物區(qū)域。可通過可以設(shè)置在氫發(fā)生器外殼之內(nèi)或之外的泵22轉(zhuǎn)移液體。如果泵22在外殼內(nèi)，則需要較少的外部連接，但如果泵22是外部泵，則其可在所用的氫發(fā)生器14被替換后繼續(xù)使用。在圖5中，示出泵22在氫發(fā)生器14外。液體可通過排出閥18被泵出氫發(fā)生器14外并且通過進(jìn)入閥20回到氫發(fā)生器14中。燃料電池系統(tǒng)10可包括任選的控制系統(tǒng)，用于控制氫發(fā)生器14和/或燃料電池堆12的運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)的組件可設(shè)置在氫發(fā)生器14、燃料電池堆12、由燃料電池系統(tǒng)提供動(dòng)力的設(shè)備或其組合內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)可包括控制器30。雖然控制器30可位于燃料電池系統(tǒng)10內(nèi)，如圖5所示，但是其可在例如燃料電池系統(tǒng)10內(nèi)的他處或在電子設(shè)備內(nèi)?？刂破?0可通過通信線路32與泵22通信，通過通信線路34與堆12通信，通過通信線路36與氫發(fā)生器14通信，和/或通過通信線路38與裝置通信。用于監(jiān)測電壓、電流、溫度、壓力和其他參數(shù)的傳感器可設(shè)置在那些組件內(nèi)或與其通信，因此可基于那些參數(shù)控制氣體生成。
[0056]實(shí)施例1
[0057]根據(jù)圖4中示出的實(shí)施方式制造泵，用于泵送水和酸性水溶液。將5伏特直流電馬達(dá)和機(jī)械加工的鋁凸輪軸安裝到機(jī)械加工的鋁框架上。使用機(jī)械加工的TURCITE?.推
桿和模塑的SIFEL?|隔膜片。泵體由ULTEM?塊機(jī)械加工。閥彈簧由316不銹鋼制成，并且閥蓋是304不銹鋼。[0058]泵體中泵室的最大容積是0.06cm3,其中泵處于駐留位置。泵能夠輸送0.04cm3/循環(huán)，其中泵以66循環(huán)/分鐘操作。泵還能夠生成3pSi(211g/cm2)的吸力，以便從貯存器抽取液體用于啟動(dòng)，以及8psi (562g/cm2)的排放壓力。
[0059]實(shí)施例2
[0060]來自實(shí)施例1的泵與氫發(fā)生器一起使用。氫發(fā)生器在外殼內(nèi)包括含有水的液體忙存器。泵位于氫發(fā)生器外部，液體進(jìn)給管線從貯存器延伸經(jīng)過外殼中的出口到所述泵，并且液體供應(yīng)管線從所述泵延伸經(jīng)過外殼中的進(jìn)口至反應(yīng)區(qū)，所述反應(yīng)區(qū)含有硼氫化鈉和酸的固體混合物。泵送到反應(yīng)區(qū)的水在酸的存在下與硼氫化鈉反應(yīng)以產(chǎn)生氫氣。氫氣作為燃料被供應(yīng)到氫-氧燃料電池堆。
[0061]雖然根據(jù)本發(fā)明的泵適合于泵送用于氫發(fā)生器的液體，但其也可適用于其它應(yīng)用。
[0062]本文引用的所有參考文獻(xiàn)通過引用以其整體明確地并入本文。就通過引用并入的出版物和專利或?qū)＠暾埮c本說明書中包含的公開內(nèi)容相矛盾方面來說，本說明書旨在取代和/或優(yōu)先于任何這樣的矛盾的材料。
[0063]實(shí)踐本發(fā)明的那些人和本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可對本發(fā)明進(jìn)行各種變型和改進(jìn)而不背離本公開的構(gòu)思的精神。提供的保護(hù)范圍將由權(quán)利要求和法律允許的理解廣度確定。
【權(quán)利要求】
1.氫發(fā)生器，其包括 外殼; 液體貯存器，其含有液體反應(yīng)物，并且布置在所述外殼內(nèi)； 布置在所述外殼內(nèi)的反應(yīng)區(qū)；以及 泵，其被配置為將所述液體反應(yīng)物從所述液體貯存器經(jīng)液體流動(dòng)路徑泵送至所述反應(yīng)區(qū)； 其中所述液體能夠在所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)以逐步產(chǎn)生氫氣； 其中所述泵是隔膜泵并且包括: 具有容積的泵室； 限定一部分所述泵室的第一隔膜； 至所述泵室的液體進(jìn)入路徑，進(jìn)入閥置于其中，所述進(jìn)入閥在關(guān)閉位置相對于第二隔膜偏置； 從所述泵室的液體排出路徑，排出閥置于其中，所述排出閥在關(guān)閉位置相對于第三隔膜偏置； 具有可旋轉(zhuǎn)軸的馬 達(dá)； 第一凸輪、第二凸輪和第三凸輪，其皆布置在所述可旋轉(zhuǎn)軸上； 第一推桿，其與所述第一凸輪接觸并且配置為與所述第一凸輪配合以可逆地取代所述第一隔膜，從而減小所述泵室容積； 第二推桿，其與所述第二凸輪接觸并且配置為與所述第二凸輪配合以可逆地取代所述第二隔膜，從而打開所述進(jìn)入閥；以及 第三推桿，其與所述第三凸輪接觸并且配置為與所述第三凸輪配合以可逆地取代所述第三隔膜，從而打開所述排出閥；并且 其中所述液體貯存器和所述反應(yīng)區(qū)之間的所述液體流動(dòng)路徑中的所有閥都是機(jī)械操作的閥。
2.權(quán)利要求1所述的氫發(fā)生器，其中所述第一隔膜、所述第二隔膜和所述第三隔膜是單個(gè)隔膜片的不同的區(qū)域。
3.權(quán)利要求2所述的氫發(fā)生器，其中所述隔膜片包括交聯(lián)的含氟聚合物。
4.任意前述權(quán)利要求所述的氫發(fā)生器，其中所述進(jìn)入閥和所述排出閥分別通過進(jìn)入閥彈簧和排出閥彈簧相對于所述第二隔膜和所述第三隔膜偏置。
5.任意前述權(quán)利要求所述的氫發(fā)生器，其中所述泵包括在其中放置了所述泵室、所述液體進(jìn)入路徑和所述液體排出路徑的泵體。
6.任意前述權(quán)利要求所述的氫發(fā)生器，其中通過所述泵體中的腔和所述第一隔膜限定的最大泵室容積為0.01cm3至1cm3。
7.任意前述權(quán)利要求所述的氫發(fā)生器，其中所述泵配置為以多至100循環(huán)/分鐘操作。
8.任意前述權(quán)利要求所述的氫發(fā)生器，其中所述馬達(dá)是電動(dòng)馬達(dá)。
9.任意前述權(quán)利要求所述的氫發(fā)生器，其中所述泵置于所述氫發(fā)生器外殼內(nèi)。
10.權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的氫發(fā)生器，其中所述泵置于所述氫發(fā)生器外殼之外。
11.任意前述權(quán)利要求所述的氫發(fā)生器，其中所述液體包括水。
12.權(quán)利要求11所述的氫發(fā)生器，其中所述液體包括酸。
13.權(quán)利要求11所述的氫發(fā)生器，其中所述液體包括堿。
14.權(quán)利要求11至13任一項(xiàng)所述的氫發(fā)生器，其中所述液體包括化學(xué)氫化物。
15.任意前述權(quán)利要求所述的氫發(fā)生器，其中所述氫發(fā)生器包括置于所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)的固體反應(yīng)物。
16.任意前述權(quán)利要求所述的氫發(fā)生器，其中所述氫發(fā)生器包括置于所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)的催化劑。
17.任意前述權(quán)利要求所述的氫發(fā)生器，其中所述泵包括用于感測預(yù)定的泵位置的傳感器。
18.燃料電池系統(tǒng)，其包括燃料電池堆和根據(jù)權(quán)利要求1-17任一項(xiàng)所述的氫發(fā)生器。
19.權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述泵可通過所述燃料電池堆操作以便根據(jù)需要供應(yīng)氫。
【文檔編號】H01M8/04GK104040774SQ201280062888
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月21日
【發(fā)明者】R·H·巴頓 申請人:智能能源公司