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電化學電源的粒子供給裝置及其製造方法

2023-04-23 00:24:16

專利名稱:電化學電源的粒子供給裝置及其製造方法
背景技術:
1.發明領域本發明一般地涉及電化學電源。更具體地說,本發明涉及一種燃料粒子供給裝置,它將鋅燃料粒子提供給一個可補充燃料的鋅/空(zinc/air)電源。
2.相關技術的說明由於高能量密度和低硬體成本的獨特組合,在電動車輛推進裝置用的鋅/空電池方面已經重新成為關注點。假如鋅/空電池能用一種簡單和快速技術作成可機械地充電,那麼該電池就能永遠給電動車輛提供動力,而不用漫漫地充電、換電池、更換元件、或燃燒發動機的雙動力。選擇機械充電或加油對於車隊電動車輛,比如公共汽車和運輸車,以及其它工業或密閉工作車輛,都是重要的,這些車輛經常是每天必須工作八小時以上,以有效地收回車輛的高成本。交換使用電池方法實質上使電池投資翻番,而用燃燒式發動機則破壞了減少動力源排放的初衷。
機械式充電電池可以分成兩種(1)可重構的電池,和(2)可加燃料的電池。可重構的電池的特徵在於物理去除和重新裝備電池元件,比如陽極板或盒,或甚至單個電池單元。可重構的電池已經由以色列的電動燃料公司開發,用於德國和義大利的運輸車中,使運輸車超過260英裡的範圍。陽極盒由機器人(與未消耗的鋅和鋅—氧化物副產品一道)被移動,並在一個工業裝置中重新構造。簡單化的優點必須與工業基礎設施的成本相平衡。此外,陽極消耗是不完全的,並且電池不能部分充電。
可加燃料的電池採用一種電化學燃料,該燃料以一種類似於給汽車加油的方式被泵入電池。為此,它們經常被稱為燃料電池或再生燃料電池。在加燃料時,所有的電池硬體保持在該車輛上,並且不會被擾動。尋找一種加燃料技術的目的是消除笨重的電池更換操作和集中的工業基礎設施的要求,以支持車輛操作。不像電池重構那樣,從電池反應產物回收鋅作為燃料能採用小型電解設備來完成,該設備由該車隊擁有和操作,通常在車隊自己的站內。可加燃料的電池的例子是CGE鋅/空淤漿(slurry)電池和由Evans或Alcazar或Cooper提出的概念。
現有技術企圖開發一種快速加燃料的鋅/空電源已經取得了有限進展。限制鋅/空燃料電池的開發的最重要因素之一是需要一種方便快速的方法為燃料電池充分地加燃料。
大多數現有技術涉及給單個電池加燃料的方法,因而並不涉及給成堆大量的電池快速和充分地加燃料。相關現有技術的一部分包括下列美國專利Cooper的專利US 5,434,020;Nunnally的專利US5,869,200;Siu等人的專利US 5,849,427;Siu等人的專利US5,441,820;Evans等人的專利US 5,006,424;和Leparulo等人的專利US 3,847,671,它們都可在此結合起來作為參考。
Cooper公開了一種帶錐型電池腔以便利用重力來供給燃料粒子的電化學電池。他所公開的內容包括充填裝置,用於通過液流裝置向儲存漏鬥中充填燃料粒子。但是,Cooper沒有描述一種實用的實現液流加燃料操作的方法或裝置。此外,在專利US 5,434,020以及出版物——汽車工程師學會出版物第951948號和LawrenceLivermore National Laboratory出版的《科學與技術(Science Technology Review)》1995年10月,第8頁)中所展示的典型的現有漏鬥和供給通道的幾何形狀,使快速電解質流過供給管,並且與具有一個返回通路的燃料電池漏鬥的平面垂直,沒有裝置用於高速電解質流動進入,並與燃料儲存漏鬥的平面平行。這種方法的一個缺點是它不會完全地填滿儲存漏鬥,因為當粒子從以上快速流動的供給管中流出並「築堤(mound)」在該漏鬥中時,它們僅僅流入漏鬥的一端。Cooper的燃料電池腔之間的分離器的易脆性(fragility)也教導人們,電解質流進和平行於燃料電池漏鬥的平面。參見美國專利US 5,434,020,第2欄,II.61-65。
Nunnally的專利US 5,869,200公開了一種磁性淤漿燃料電池系統,其磁場用於將微粒球保持到電池電極板上。一個缺點是所公開的系統的複雜性。與其它現有技術或本發明相比,該複雜性導致系統的成本更高,並且在這樣一個複雜系統中存在更高的故障潛在性。另一個缺點是需要用含鐵磁或永磁鐵心的燃料粒子。這大大地增加了燃料的成本。總之,Nunnally沒有公開一種保證快速和完全給電池或燃料儲存漏鬥加燃料的方法。
Siu等人的專利US 5,849,427公開了一種用液流方法加燃料的電池。一個主要的缺點是每個電池上需要一個關閉閥,用來停止每個電池加燃料。對於一個電動車輛,這將需要幾百個小閥門。因為結構的複雜性,所以,需要更高的成本,裝配需要很大的存放面積,並且存在系統產生故障的可能性。
Siu等人的專利US 5,441,820公開了一種採用噴射粒子床的充電電池。一種在本發明中定義的噴射床就是從一個泵的再循環引起在一個「吸管」中的電解質向上流動。向上流動的目的是輸送粒子並將它們帶到粒子床的頂部,並保持該床處於穩定運動中。因此,在充電過程中,金屬粒子被抑制凝聚。該專利沒有描述用液流方法給電池加燃料的裝置。
Evans等人的專利US 5,006,424公開了一種採用重力供給電解質和粒子的電池,其關鍵特徵是產生對流力,以基於密度使電解質循環。該專利沒有描述給該電池加燃料的方法或裝置。
Leparulo等人的專利US 3,847,671公開了一種可用液流方法加燃料的電池系統。該裝置這樣構成,以致於固體和液體在放電後,加燃料之前,必須從每一電池按常規排掉。這種結構的缺點包括採用單獨的液壓硬體(閥等),為每一電池提供一個複雜和龐大的系統。因此,除了比一些現有技術系統高得多的成本外,需要一個大的儲存面積。
總體來說,儘管經過許多努力,但已知的現有技術仍沒有解決與輸送金屬粒子到金屬陽極基的可加燃料的電池堆相關的問題。這些問題包括加燃料的循環時間慢,在電池漏鬥中粒子的築堤,在電池漏鬥中粒子的分布不均勻,金屬燃料粒子的阻塞,硬體過多的複雜性,不均勻的充填分布,燃料粒子的堆積,和總體低速或其它低效燃料粒子供給操作。因此,很明顯,存在一個對改進的燃料粒子供給機構的需求。本發明的新穎的粒子供給機構以及製造和操作它的方法,切實提供了解決這些問題和消除這些缺點的眾多的新穎特徵。
發明概述希望有一種新的和改進的技術和設計方案,用於將鋅燃料粒子快速和有效地供給可加燃料的電池堆。本發明解決現有技術中的上述問題,並對這些眾多長期存在的問題提供新的解決方案。申請人相信本發明完美地克服了這些在現有技術中出現的許多長期存在甚至忽略的問題和缺點,它們或是單獨存在或是組合存在。
因此,本發明的一個目的是提供一種燃料粒子供給機構,它將防止在加燃料過程中燃料粒子的阻塞。另一個目的是防止在電池腔中的粒子築堤。還有一個目的是在電池腔內實質上實現粒子的均勻分布。本發明的另一個目的是在燃料電池放電過程中,通過將在一個燃料電池內的單獨的電池腔絕緣,防止燃料電池短路。還有再一個目的是提供一種簡單的加燃料機構,以實現低成本和操作容易。本發明的另有一個目的是提供一種高速、高效的供給機構。再一目的是在電池損壞之前,通過監測內部壓力和停止加燃料,防止電極、電池腔和供給機構的惡化或解體。本發明的一個目的是提供一種簡單和快速加燃料的系統,它批量製造的費用低,又通用。最後,本主題發明的一個目的是實現上述單個的或組合的目的。
現有技術的上述困難和問題通過本發明而克服。本發明是一種燃料粒子供給機構,它明顯地改善可加燃料鋅/空燃料電池的操作。本發明的一個關鍵方面是一種燃料粒子供給系統,在該系統中,粒子通過一種不管是流體、氣體、還是液體進入並平行於電池腔的平面的流動,而分散到該腔中。其結果是防止了在電池腔中的粒子築堤,並且產生一種電池腔更完全的充填的結果。在一個實施例中,該系統包括一個分散頭,耦合到一個淤漿源,該淤漿源包含一種電解質與粒子的混合物。該系統構造成這樣在第一操作方式中,淤漿通過分散頭的橫向流動提供在與電池腔的平面垂直的方向,而在第二操作方式中,淤漿的流動是在與電池腔的平面平行的方向從分散頭進入電池腔,淤漿的橫向流動不會多於非實質性的流動量,即不多於20%。在第二種操作方式中,與普通方法相比,該系統在電池腔內達到一種更完全和更均勻的粒子分布,並避免在電池腔內的粒子築堤。
在一個實施例中,由於電解質流過電池腔而對電池腔的損害在一個夾層布置中通過採用放置在兩個腔壁之間的金屬泡沫(foam)支承件而防止。這些支承件加固了腔壁,使它們能夠抵抗電解質通過和進入電池腔而產生的液壓力。
本新發明的另一關鍵特徵是它與現有技術相比提供了一種簡單高效的系統。更具體地說,本發明的關鍵新特徵是在數個實施例中提供一種供給管,以快速輸送電解質和燃料粒子到一個燃料電池堆。
本發明的一個關鍵目的是防止通道阻塞和防止電極和電池由於過高電解質壓力而損害。本發明通過新供給管和一個電解質旁通特徵實現這一目的。
實質上,該機構提供一種通過一個供給管將電解質和燃料粒子進入一個燃料電池的輸入。該供給管具有幾個實施例,它們改善了電解質和燃料粒子進入單個燃料電池腔的流動。每一電池腔可以完全是活性的,或每一電池腔的上部可以是一個「儲存漏鬥」,而其下部是燃料粒子在其中消耗的活性部。當在活性部中的燃料被消耗時,燃料粒子靠重力從儲存漏鬥供給每一電池的活性部。每一電池腔內的空間完全被燃料粒子均勻地填充,而不會堆積燃料粒子。當該供給機構處於關閉位置時,每一電池腔與任何其它電池腔的流體連通完全隔離。設置裝置來防止給電池腔加壓,並防止燃料粒子流出電池腔。該操作方法也是新穎的和簡單的。
綜上所述,本燃料粒子供給機構的一個實施例的新特徵和特點包括一個分散系統,其構成是,通過一種不管是流體、氣體、還是液體進入並平行於電池腔的平面的流動,而將粒子分散到電池腔中;有多個實施方式的燃料粒子供給管;一個壓力傳感機構;一個供給管的驅動系統;一個供給管的絕緣特徵;和允許電解質流入電池的裝置,以改善燃料漏鬥的燃料完全充填,一個電解質旁通特徵,和一個具有多個定位和多個實施例的燃料粒子篩網。
因此,利用本發明的新特點,採用新燃料粒子供給機構,使鋅/空電池所用的加燃料系統得到改善。從附圖和下面的描述中可以更清楚的看出本發明的這些和其它特點和優點。
附圖的簡要描述將下面描述的本發明的實施例與附圖結合起來作參考,本發明的上述和其它目的和特點以及實現它們的方式將變得明顯,並且該發明本身將很好理解,其中,密切相關的元件用相同的數字表示,但其下標字母不同。附圖中

圖1是一個系統線路圖,具體表示本發明的整個燃料粒子供給系統的流程;圖2是本發明的一個部分的透視圖,表示在一個燃料電池堆內流體和燃料粒子輸入到單個電池的一個有代表性的供給管;圖3是在該燃料電池堆內流體和燃料粒子輸入到單個電池的供給管的一個部分平面示意圖;圖4是燃料電池、供給管和供給管驅動馬達的示意側斷面圖;圖5是供給管驅動馬達的齒輪機構的放大局部端截面圖;圖6是具體表示電解質旁通的燃料電池的局部示意側截面圖;圖7是供給管挖去的第二實施例的局部示意側截面圖;圖8是除了在供給管殼體內的密封外,表示供給管軸向運動的帶槽供給管的局部示意側截面圖;圖9是表示帶塗層的供給管的供給管的局部示意側截面圖;圖10是表示帶塗層的供給管的供給管的局部截面端視圖;圖11是表示供給管打開位置的軸向供給管操作的另一種結構的放大局部示意側視圖;圖12是表示供給管關閉位置的軸向供給管操作的另一種結構的放大局部示意側視圖;圖13是旋轉供給管操作在打開位置的一個有代表性的加燃料操作的放大端視圖,並表示最佳燃料粒子流動的第二實施例;圖14是表示旋轉供給管在關閉位置操作的完全加燃料操作的示意端視圖;圖15是表示採用多個供給管的另一個實施例的示意端視圖;圖16是表示另一個供給管中心定位實施例的示意端視圖,表示多個電解質出口;
圖17是燃料電池的示意端視圖,表示最佳燃料粒子流的實施例;圖18是一個供給管腔結構的實施例的放大的示意端視圖,其中切掉了一部分;圖19是第二個供給管腔結構的實施例的放大的示意端視圖,其中切掉了一部分;圖20和21是兩種視圖,表示根據本主題發明的分散系統的一個實施例;圖22和25表示根據本主題發明的一個實施例的電解質流;圖23表示根據本主題發明的第二個實施例的電解質流;圖24表示根據本主題發明的腔壁支承的一個實施例;圖26是一個流程圖,表示根據本主題發明的操作方法的一個實施例。
優選實施例的描述為了給電池堆加燃料的目的,已經開發了一種燃料粒子供給機構。下面的描述將解釋該機構的原理和方法。本發明的目的是提供一種改進的和新穎的裝置,以解決在用粒子燃料給電池堆加燃料領域長期存在的問題。在一個鋅/空電池中,典型的電池堆由單個電池組成。每個電池具有一個間隔或腔,它採用在此描述的裝置或任何其它可行的裝置填充燃料(通常是鋅)粒子。在工作幾小時後,該燃料電池粒子水平下降,並且必須加燃料。
直徑大約為0.020-0.040英寸的鋅燃料粒子儲存在一個容器中,與燃料電池堆分開。無論使用速度是低或高,都希望該機構將電池充到最大燃料粒子水平。每一電池腔中的燃料水平能在完全空到完全滿的任何位置。每一電池在加燃料後必須與其它電池完全密封。否則,在電池放電過程中,該系統發生短路,引起該電池關閉。此外,希望在加燃料過程中將供給電池的空氣關掉,因為電池由於電解質和燃料通過供給管,在加燃料過程中,一起被短路。
本主題發明的粒子分配系統412的第一實施例表示在圖20中。提供一個容器204,該容器204包含一個電池堆416。該電池堆416包括數個由腔壁202a,202b,202c隔開的電池腔444。在該堆中的每一電池被定位在一個平面200內。一個粒子分配器418提供在該容器端部205,206的中部。在一個實施例中,該分配器具有一個輸入端414,一個橫向流動輸出端450,和一個平行流動輸出端454。在本實施例中,分配器定位在一個平面201內,它實質上與電池堆的平面200垂直。在本實施例中,該系統能用兩種方式操作。在第一操作方式中,粒子的橫向流動在一個實質上與該分配器的橫向平面201平行的方向通過該分配器。在第二操作方式中,該粒子在一個實質上與電池腔的平面200平行的方向從平行輸出端454發出,不會多於非實質量(insubstantial amount),即不多於從橫向流動輸出端450發出的粒子的20%。
圖21是圖20的系統412的頂視圖,其中,與圖20相比,相同的元件用相同的數字標號表示。如圖21所示,一個出口434被提供,以允許一個流動介質,不管是流體、氣體、還是液體,從該容器204。在一個實施例中,該分配器418放置在包含電池堆的容器204的一端205排出,並且出口434位於該容器204的另一端206。
在一個實施例中,流動介質是一種電解質。在本實施例中,管系422和閥門442設置在分配器輸出端450。該閥門如此構,以致於在啟動後實質上阻止電解質和粒子從輸入端414通過該分配器418流到輸出端450的橫向流動,因此,不多於流進分配器的粒子的20%通過橫向輸出端450被發出。
在一個實施例中,如圖22所示,該分配器418位於一個腔內,並在與數個接觸點506接觸配合時是可旋轉的。在本實施例中,該分配器能處在打開和關閉位置。在打開位置,如圖22所示,分配器被旋轉,這樣,粒子從分配器418的平行流動輸出端454發出,並通過一個在電池的平面200上的流路494進入電池腔444,而不會多於非實質量,即,不多於20%的粒子通過該分配器的橫向輸出端450發出。
在關閉位置,如圖25所示,分配器418被旋轉,這樣,粒子被阻止通過平行流動開口454。在該操作方式中,粒子的橫向流動可以繼續通過該分配器。
在一個實施例中,如圖22和25所示,出口434是一種電解質出口,它由一個導入容器204的內部通道498形成,並且一個篩網496放置在容器204的頂部,以防止粒子從電解質出口434排出。在本實施例中,在容器204內部從分配器418的平行流動輸出端454到電解質出口434通過一個電解質流動,粒子被分配到電池腔內。圖22表示一個例子,其中,通過電解質流動的作用,在一個腔內的粒子水平從水平502a增加到水平502b。
圖23表示第二實施例,它除了一個擋板516被提供替代篩網496以阻止粒子經電解質出口434通過之外,與上述實施例是一樣的。
除了電解質外,還可以是流動介質。在一個實施例中,流動介質是一種液體,這樣,粒子通過一種液體的流動而沉積。在第二實施例中,流動介質是一種氣體,這樣,粒子通過一種氣體流動被沉積到該電池腔內。在第三實施例中,流動介質是一種流體,它包含或是一種氣體或是一種液體。無論流動介質是什麼,粒子都通過一個在實質上與電池腔的平面平行的方向延伸到電池腔內的流路,被沉積到電池腔中。粒子被沉積的流動可以是液流或是氣流。
腔壁202a,202b,202c通常包括靈敏的陰極膜片,最好被支承,這樣它們能阻擋從分配器的平行輸出端454到出口434的流動介質流494的壓力。在一個實施例中,如圖24所示,在一種夾層布置中,腔壁通過在一個金屬泡沫(foam)的一側放置一個陰極膜片和在其另一側放置一個薄導電電池分隔板而形成。該金屬泡沫提供對腔壁的支承。這樣,在圖24中,陰極膜片207和導電分隔板208放置在一側,並由金屬泡沫204支承,陰極膜片205和導電分隔板206放置在一側,並由金屬泡沫203支承。該腔壁相互隔開,以形成一個包含燃料粒子的電池腔209。在一個實施例中,該金屬泡沫是鎳泡沫。參看圖22,通過一個進入電池腔和實質上與電池腔的平面平行的流動,將燃料粒子分配到電池腔內,在電池腔內,一個燃料粒子更均勻的分布和完全的填充用現有技術來實現。這樣避免了表示普通系統特徵的築堤和阻塞。
圖26表示根據本主題發明的操作方法的一個實施例。在步驟301中,一種流動的方向實質上與電池的平面平行,它被提供到電池腔內。在一種實施例中,該流動如圖22和23所示,即,從分配器的平行輸出端454到出口434。在另一個實施例中,該流動是一種粒子和一種流動介質的混合物的流動,該介質是氣體、液體、或是流體。在又一個實施例中,該流動是液流。在再一個實施例中,該流動是氣流。在步驟302中,粒子通過流動的作用被分配到電池腔內。如步驟303所指示的那樣,繼續步驟302直到許多工作電池基本上填充粒子為止。
參看圖1,圖1表示一個系統線路圖,具體表示本發明的一個優選實施例的整個燃料粒子供給系統10的流路。供給系統10包括一個鋅/空燃料電池用的燃料粒子供給機構12。該燃料粒子供給機構12進一步包括一個通過新的供給管18將電解質和燃料粒子供給燃料電池16的輸入端14。為電解質和燃料粒子的輸入端14而設置裝置。還為位於燃料粒子供給機構12下面的燃料電池堆16加燃料而設置裝置。整個系統10可以與電池堆16和供給機構12放在同一殼體內,電池堆16和供給機構12可以分開,以使該系統平衡。
此外,更具體地說,該供給系統10包括一個電解質和燃料粒子的流化床20,或燃料粒子儲存的其它裝置,一個連接支管系22,數個閥門36,37,38,40和42,一個泵26,和一個電解槽28。該流化床20通過數個閥門36,37,38,40和42連接到該連接支管系22。該泵26在開始加燃料時,提供驅動力,以流化該流化床20,並將來自流化床20的電解質和燃料粒子30移動到燃料粒子供給機構12,並通過一個電解質出口34將電解質32返回到電解槽28,以便在需要時,開始另一次加燃料。數個閥門36,37,38,40和42在必要時,打開或關閉該供給系統10,同時電解質槽28提供電解質32到供給系統10,流化床20提供具有電解質和燃料粒子30的燃料,以給燃料粒子供給機構12加燃料。
數個閥門包括第一閥門36,第二閥門38,第三閥門37,第四閥門40,和第五閥門42。第一閥門36位於流化床20和泵26之間。第二閥門38位於泵26和供給管18之間。第三閥門37位於流化床20和供給管14之間,而第四閥門40位於燃料電池之後和電解槽之前。第五閥門42位於燃料電池之後和流化床20之前。加燃料的操作將在下面描述。
現在參看圖2,圖2表示本發明的一個實施例的局部透視圖,示出了在燃料電池16內電解質和燃料粒子的輸入端14到單獨電池腔44的有代表性的供給管18。給燃料電池16加燃料的裝置是供給管18,在一個實施例中,供給管18可移動地定位在一個燃料電池16的燃料電池頂部46,也可在燃料電池側部48。圖2還表示一個供給管輸出端50,未用的或多餘的電解質和燃料粒子30可以在加燃料操作之後,從輸出端50排出。供給管18最好是一個圓筒,但是它應該理解為它能用許多其它形狀和形式構造。鋅/空電池的典型電池腔44是與供給管18接觸以及與在每一燃料電池堆16中的一個燃料電池底部52接觸。
更具體地說,如圖2所示,電池腔44與在供給管18中的一個供給管切口54物理接觸,並大致垂直對準。該切口54的特性與已知的現有技術相比是新的。切口54的目的,在下面將詳細敘述,是保證每一電池腔44馬上連通,以保證更快的加燃料,並且與每一個電池腔44絕緣,以防止當電池堆沒加燃料時,電池腔44之間的短路。在燃料電池16中,當在關閉位置時,切口54的長度和弧度應準確地覆蓋所述數目的各個燃料電池腔44,因而與每一個燃料電池腔44都絕緣,以防止在燃料電池放電過程中各個電池44之間短路,而且可以馬上和快速給單個電池腔44加燃料。
接著參看圖3,圖3是優選實施例的局部平面示意圖,表示在燃料電池16內,從電解質和燃料粒子輸入端14到單個電池腔44的供給管18的一個實施例。從不同的角度表示供給管的切口54,示出了切口54怎樣越過所有電池腔44的頂部。
現在參看圖4,圖4是一個示意側截面圖,表示燃料電池16、供給管18和供給管驅動馬達56的一個實施例。在本實施例中,操作供給管18的裝置是馬達56,但是,可以採用任何其它裝置,比如一個槓桿或螺旋推動機構。電源和與馬達56的適當連接在現有技術中是已知的,因此,沒有表示或描述。馬達56安裝在供給機構12的輸入端的一個馬達支承器和配件58上。該馬達也能定位在輸出端或其它地方。該馬達支承器和配件58進一步整體固定到燃料電池16上。該馬達56最好也定位在供給管18的下面。
馬達56的成本低,因為旋轉供給管18到打開或關閉位置,以使電解質和燃料粒子30能夠流進電池腔44,只需要旋轉一段短距離的弧線,動力需求最小。該供給管18能圍繞其中心旋轉,以使切口54(未示出)位於每一電池腔44的前面。每一電池44具有一個燃料粒子和電解質的入口以及電解質的出口(在此未示出,但表示在下面的圖中)。所述入口和出口產生一個液體流動,它在每一電池腔44內移動燃料粒子,以填充到必需水平的方式,將它們布置成均勻的形式,而不會堆積燃料粒子,並且不會阻塞燃料粒子。
現在參看圖5,圖5是一個放大的局部端截面圖,表示供給管驅動馬達56的齒輪機構的一個實施例。位於馬達支承器和配件58內,馬達齒輪62包括兩個馬達齒輪定位器70和72,它們限制馬達齒輪62和供給管齒輪64的運動,以致於供給管外壁68的轉動可以充分地打開和關閉每一燃料電池腔44上的供給管18,從而可以馬上和快速地加燃料。
接著參看圖6,圖6是一個局部示意側截面圖,表示燃料電池16的一個實施例,具體示出了一個燃料電池電解質旁通通道73。該旁通通道73位於供給機構12的輸入端14附近,並通過一個內旁通網孔78與供給管18的下部74的狹縫76,和供給管18的一個切口段76流通地連通。以這種方式,旁通通道73在供給管18中,對電解質和燃料粒子的輸入端14是打開的。旁通通道73通過一個這樣網眼大小的旁通網78來過濾,以致於使多餘的電解質(和未用的燃料粒子)(在此表示為電解質旁通輸出箭頭82)通過並離開燃料電池16,因而將電解質返回到電解質槽28中,以重新使用。
當最接近電解質輸入端14的電池需要填充時,在粒子加料操作的端部附近的供給管18中過壓和流速降低的情況下,需要該電解質旁通通道73。利用旁通通道73來釋放過壓,由此在該旁通通道的上遊保持一個高電解質和粒子流速。換言之,旁通通道73保證了電池腔44在加燃料過程中被填充。保持低的內部壓力,可防止電解質的流體流動免於停止,因而在電池腔44內留下未填充的面積。該新的旁通特性克服了最接近供給管入口的一個或兩個電池腔未充滿的問題,並使燃料粒子能夠均勻充填,而沒有燃料粒子堆積或燃料粒子阻塞。
現在參看圖7,圖7是局部示意側視圖,表示一個新的供給管切口54的第二實施例。該第二實施例包括數個凹槽切口84,在下面的圖8,11和12中將更清楚地解釋。
現在參看圖8,圖8是局部示意側截面圖,表示帶凹槽的供給管,除了供給管18中的數個密封件88外,還示出了供給管18的軸向運動86。在供給管操作的另一個實施例中,該供給管18可以像在前一實施例中那樣旋轉,或軸向運動穿過燃料電池16的頂部,以給單個燃料電池腔44加燃料。該供給管18包括在供給管18的下部74中的數個帶凹槽的切口84,其中,切口84被定位與所述單個燃料電池腔44之間的距離相匹配,因而也可防止在燃料電池放電過程中所述電池腔44之間短路。這一新特性的其它視圖將表示在圖11和12中。
數個密封件88,如圖8所示,被定位在供給管18的遠端,在供給管18和燃料電池本體的上部90之間,因而改善了供給機構12的密封能力,以防止電解質和燃料粒子30的洩漏。這些密封件88可以像其他流體密封場合所用的那樣,由普通的O型環構成,或由其它普通密封元件構成。
接著參看圖9,圖9是一個局部示意側截面圖,表示供給管18的一個實施例,示出了一個帶塗層的供給管。一個在供給管18的外層68上的新的和柔韌的塗層92保證供給管18和單個電池腔44之間的實質上完美的配合,因而保證電池腔44之間的絕緣,進而保證在單個電池腔44之間不會短路。該塗層92可以是幾種類型的柔韌塗層之一,比如橡膠EPDM,Buna橡膠,Nytrile,或類似柔韌性的其它產品。
現在參看圖10,圖10是局部截面端視圖,表示供給管的一個實施例,示出了在其外壁68上圍繞供給管18的供給管塗層92。
現在參看圖11,圖11是軸向供給管操作的另一實施例的放大的局部示意側視圖,示出了供給管18的打開位置和數個帶凹槽的切口84。在圖11中,數個帶凹槽切口84在單個電池腔44上排成一列,以便能夠快速加燃料並且與毗鄰的電池腔44局部絕緣。
接著參看圖12,圖12是軸向供給管操作的另一實施例的放大的局部示意側視圖,示出了供給管18的關閉位置和數個帶凹槽的切口84。在圖12中,數個帶凹槽切口84阻塞單個電池腔44,以阻止繼續加燃料,並保持與毗鄰電池腔44的完全絕緣,因而防止在放電過程中電池短路。
現在參看圖13,在一個單電池中有代表性的加燃料操作的示意端視圖用旋轉的供給管操作來表示,示出了最佳燃料粒子流動的一個實施例,就像燃料粒子流動線94所表示的那樣。在最佳燃料粒子流動的這一實施例中,燃料電池16包括一個在燃料電池16的頂部46的篩網96。該篩網96由數個洞構成,洞的直徑足夠大,以便在完成加燃料時,允許電解質32通過;而且直徑足夠大,可防止進入單個電池腔44的燃料粒子流94通過篩網96。此外,電解質32返回到電解質槽28。該篩網96最好定位在電池腔的頂部附近。因此,電解質32將通過一個位於電池腔的頂部附近的窄通道98。在圖13中,供給管18表示在打開位置100,具有電解質和燃料粒子14,用一個方向箭頭表示。
此外,在圖13中,可看到一個從底部52充填燃料電池16的燃料粒子水平102a到一個燃料粒子水平102b,直到供給管18的頂部的篩網96。當需要一個低液壓阻抗出口面積來平衡燃料電池放電過程中通過鋅粒子床的電解質流動時,穿過頂部的篩網96的定位是適當的。篩網96中的開口需要被平衡,以致於在電池加燃料的過程中,移動燃料粒子94的流動,到完全填充燃料電池16之前,不太多的電解質通過該篩網。
還有,如圖13所示供給管18清楚地表示在一個供給管腔104內。供給管腔104作成這樣的形狀,在3個接觸點106與供給管18直接接觸(更清楚地表示在圖18和19中),不是圍繞供給管18的周圍連續接觸。因此,供給管18可以旋轉到打開位置100,而不要求高旋轉力來填充在燃料電池16中的電池腔44。
現在參看圖14,圖14是一個實施例的示意端視圖,表示一個具有旋轉供給管操作的完全加燃料操作。鑑於前面的圖13示出了供給管18的打開位置100,圖14表示一個關閉位置,因為燃料電池16現在是一個完全填充的電池110,並用於放電。
接著參看圖15,圖15是一個示意端視圖,表示另一個實施例,示出了多個供給管19和21。給燃料電池16加燃料的替換裝置最好包括兩個供給管19和21,定位在燃料電池16的一個中心頂部112的相對端。兩個或兩個以上的管19和21的用途是增加填充燃料電池16的速度。一個電解質輸出端114定位在燃料電池16的頂部112的中心。
現在參看圖16,圖16是一個示意端視圖,表示另一個中心定位實施例,示出了供給管18。給燃料電池16加燃料的替換裝置包括一個在燃料電池16的中心頂部112的供給管18。由於供給管18的這一位置,兩個電解質輸出端114和115如圖所示是可能的。
接著參看圖17,圖17是表示燃料電池16的示意端視圖,示出了最佳燃料粒子的另一個實施例,如燃料粒子流動線94所示的那樣。具體地說,一個小的篩網116,定位在燃料電池16的遠端部48,用來覆蓋電解質輸出端114。該小篩網116的目的是移動燃料粒子更快速朝向出口,這樣電池的頂部更快速地被粒子填充。
現在參看圖18,圖18是一個放大的示意局部端視圖,切掉了一部分,表示供給管腔104的第二實施例。本實施例的供給管18具有5個接觸點107,而不是圍繞所述供給管18的周圍連續接觸,因而保證該供給管18轉動到打開100和關閉位置108,而不要求高旋轉力。很明顯,更多的接觸點在此是可能的和期望的,但是,接觸點越少,在旋轉供給管上的摩擦越小,這樣,在操作過程中,只要求較少的能量來轉動所述供給管從打開位置到關閉位置,和從關閉位置到打開位置。該優選實施例包括3個接觸點。
燃料電池加燃料的工作過程燃料電池加燃料操作的一個實施例能簡明地概括成5個步驟。第一步靠流動電解質通過供給管18來清潔供給管18,第二步是旋轉供給管18。第三步是將電解質32中的燃料粒子供給到燃料電池16中。第四步是靠流動電解質通過供給管來清潔供給管。第五步是轉動供給管18到關閉位置108,將各個電池腔44相互絕緣,以防止短路。
下面是詳細步驟的一覽表,提供加燃料操作的一個實施例的放大信息1.供給管18的一端連接到帶來燃料粒子的支管系22,和在供給管輸出端50處,供給管18連接到將燃料粒子返回到其原始位置的支管系22。
2.閥門38打開,閥門36和37關閉,電解質32泵送到供給管18,以清理掉供給管18的旋轉通道的任何粒子。
3.然後,出口閥門42關閉。
4.使供給管18旋轉,將切口54定位在電池腔44的前面。
5.打開閥門36和37,閥門38就關閉,然後,燃料粒子被供給進入供給管18。由於供給管18的出口閥門42被關閉,所以燃料粒子與電解質32移動進入腔44。一般地,所填充的第一腔是離出口側最近的一個。當腔44的第一個充滿時,電解質流動明顯地折回到從出口數起的第二腔,燃料粒子移動進入第二個腔44,這一過程一直重複到所有的腔44被填充。
燃料粒子隨電解質流動而移動。假如一個電池腔44內只有一個電解質32的出口洞,那麼該流動將朝那個方向。燃料粒子在那個方向被推動和攜帶,由於它們比電解質32更重,最終去了燃料電池16的底部52。電解質32繼續其運動朝向電解質32輸出端114,與它一起移動燃料粒子。假如在腔44內有多於一個電解質32的輸出端114,那麼燃料粒子將移動到不同的輸出端114。每當一個腔44充滿,燃料粒子就聚集在與該腔直接鄰近的供給管18的部分。在所有的電池腔填充後,由於供給管18內有許多燃料粒子,因此輸入壓力明顯地上升,給出一個指示切斷燃料粒子流動。知道何時切斷燃料粒子流動94的另一種方法是用光學或其它方式探測在供給管18內的金屬量。
6.燃料粒子流動94切斷之後,供給管18的輸出端50(閥門42)被打開,沒有燃料粒子的電解質32通過供給管18被泵送。該電解質32攜帶留在供給管18內的燃料粒子返回到它們的原始處。電解質32清潔供給管18,並移動燃料粒子讓開,從而使管18能夠旋轉。
7.然後,管18旋轉,從腔44輸入和密封一個靠著另一個地移動切口54。管18能用許多在電池44之間提供良好密封的材料作出來。如有必要,它可以用一種柔韌材料塗敷。
8.然後,燃料電池16準備工作,支管系22可以斷開。
從而,儘管前面根據專利法的規定已經描述了本發明的原理和操作,但是應該理解為在前面的描述中說明了本發明的許多特徵和優點以及本發明的結構和功能,本說明書所公開的只是示例性的,在本發明的原理和下面的權利要求所確定的較寬的範圍內,可以有各種細節上的變化,特別是有關形狀、大小、零件的化學組成和布置的變化。
權利要求
1.一種用於可加燃料的電化學裝置的燃料粒子供給機構,包括(a)一個流體和電化學活性粒子的混合物源;(b)一個或一個以上供給管,每個具有至少一個壁孔;(c)一個或一個以上電化學電池;(d)一個用於傳送電化學活性粒子的系統,它將電化學活性粒子從所述一個或一個以上供給管的至少一個壁孔傳送到所述的一個或一個以上電化學電池,或者傳送到一個或一個以上的腔,所述粒子可以從所述的腔供給到所述的電化學電池中;其中,在加料過程中,不多於非實質量的電化學活性粒子不通過所述的系統從所述的供給管排出。
2.根據權利要求1所述的裝置,其中,所述流體和粒子的輸入由一個粒子供給系統提供,所述粒子供給系統包括(a)一粒子儲存系統,包括一個流化床或其它儲存流體和電化學活性粒子的系統;(b)一連接支管系;(c)數個閥門;(d)一個或一個以上的泵;和(e)一個流體槽,其中,所述粒子儲存系統通過數個閥門連接到所述的連接支管系;一個所述的泵在開始加燃料時,提供驅動力,以移動電解質和粒子從所述粒子儲存裝置到所述粒子供給機構,並將所述流體返回到所述的流體槽,必要時,開始另一次加燃料;當必要時,所述數個閥門使所述供給系統打開或關閉;所述流體槽提供所述的流體到所述供給系統;所述粒子儲存裝置提供所述的燃料,以給所述燃料粒子供給機構加燃料。
3.根據權利要求2所述的裝置,其中,所述數個閥門進一步包括(a)第一閥門;(b)第二閥門;(c)第三閥門;(d)第四閥門;和(e)第五閥門其中,所述第一閥門位於所述粒子儲存裝置和一個所述泵之間;所述第二閥門位於所述一個或一個以上供給管和所述泵之間;所述第三閥門位於所述粒子儲存裝置和所述一個或一個以上供給管之間;所述第四閥門位於所述電化學電池和所述流體槽之間;所述第五閥門位於所述電化學電池和所述粒子儲存裝置之間。
4.根據權利要求2所述的裝置,其中,所述粒子儲存裝置是一個噴射床。
5.根據權利要求1所述的裝置,其中,所述的用於傳送所述粒子的系統包括一個或一個以上的供給管,所述的供給管與一個或一個以上的所述電化學電池或腔的一部分相鄰或相交。
6.根據權利要求5所述的裝置,其中,所述供給管具有一個或一個以上這樣尺寸的切口,以便當所述的供給管在打開位置時,能夠加燃料,當通過所述的供給管的旋轉或軸向運動移向關閉位置時,蓋住從所述的供給管進入所述單個電池或腔的開口,因而提供了各個所述的電池或腔與所有其它部分的電絕緣。
7.根據權利要求1所述的裝置,進一步包括一個用於操作所述供給管的系統包括一個馬達,用來驅動所述的供給管旋轉,使流體和粒子能夠流進所述的燃料電池。
8.根據權利要求1所述的裝置,進一步包括一個用於操作所述供給管的系統,它包括一個槓桿或推力機構。
9.根據權利要求7所述的裝置,其中,所述馬達進一步包括一個供給管齒輪和一個馬達齒輪,其中,所述馬達齒輪安裝在所述的馬達軸上,所述的供給管齒輪與所述的馬達齒輪嚙合,所述的供給管齒輪連接到所述的供給管,以驅動所述的供給管轉動,用流體和粒子給所述電化學電池或腔加燃料。
10.根據權利要求5所述的裝置,其中,所述的供給管具有兩個停止裝置,它們限制每一個所述供給管的運動,其中每一個所述供給管的轉動或軸向直線運動足以打開和關閉在所述電化學電池之上的每一個所述的供給管,從而可以馬上和快速把粒子從每一個供給管傳送到所述的電池或腔。
11.根據權利要求1所述的裝置,其中,所述的用於傳送粒子的系統進一步包括一個流體旁路;所述旁路位於所述供給機構的所述輸入端附近,還通過所述供給管的一個壁穿過所述供給管的一部分;所述旁路對所述供給管中的流體或流體和粒子的所述輸入端是打開的。
12.根據權利要求11所述的裝置,其中,所述旁路由一個旁路網來過濾,所述的網允許流體但不是粒子通過所述的旁路。
13.根據權利要求5所述的裝置,其中,所述供給管旋轉地或軸向地運動,以給所述的各個電池或腔加燃料。
14.根據權利要求6所述的裝置,其中,所述的供給管的一部分上具有數個切口;所述切口被定位,以便與所述各個電池或腔之間的距離相匹配,從而,當所述的供給管被定位,以致於所述的第一切口與第一所述電池或腔對準時,粒子和流體可以從所述的供給管進入所述電池或腔。
15.根據權利要求14所述的裝置,其中,當所述供給管軸向地或轉動地運動時,所述供給管切口打開或關閉所述各個電池或腔之間的流體連通,因而,當關閉時,使各個所述的電池或腔絕緣,進而防止當在關閉位置時所述電池之間短路。
16.根據權利要求5所述的裝置,其中,所述供給管包括數個在所述供給管的端部附近的密封件,因而改善了所述供給機構的密封能力,防止所述流體和粒子的洩漏。
17.根據權利要求16所述的裝置,其中,所述供給管用一個柔韌塗料塗敷在其外表面上,因而保證所述供給管和所述各個電池或腔的壁之間的密封改善,從而保證所述電池或腔之間絕緣,進而保證在放電過程中所述各個電池或腔之間不會短路。
18.根據權利要求1所述的裝置,其中,一個或一個以上所述的電池或腔包含一個在每一個所述電池或腔附近或頂部的篩網,所述篩網包括數個孔,其直徑足夠大,以便在加燃料過程中使流體能夠通過,並從所述的電池或腔排出,同時,所述的直徑足夠小,以防止粒子通過所述的篩網進入所述的電池或腔。
19.根據權利要求18所述的裝置,其中,在所述篩網的小孔直徑是在大約0.001英寸到大約0.080英寸之間。
20.根據權利要求18所述的裝置,其中,所述篩網將跨過每一電池或腔的頂部的一窄區與所述的電池或腔的其餘部分分開,這樣,所述的粒子被防止進入所述窄區,它連接到所述電池或腔的流體出口,所述窄區的橫截面面積足夠大,以便在電池放電過程中使通過所述的窄區的液壓阻力最小,同時,所述窄區的橫截面面積足夠小,以便在加燃料過程中提供足夠的液壓阻力,防止流體流動的實質性液壓短路,因而使每一個電池或腔的上端能夠快速填充粒子。
21.根據權利要求20所述的裝置,其中,所述橫截面面積是在大約0.006平方英寸到大約1.0平方英寸之間。
22.根據權利要求5所述的裝置,其中,所述電池或腔的壁是這樣的形狀每一個壁以3-10個接觸點與所述供給管直接接觸,而不是圍繞所述供給管的周圍連續接觸,因而保證所述供給管轉動到打開和關閉位置,而不要求大的轉動力。
23.根據權利要求5所述的裝置,其中,所述的用於傳送粒子的系統包括兩個供給管,在每一個所述電池或腔的頂部的相對端或角落附近,所述的供給管與一個或一個以上所述電池或腔鄰近或相交。
24.根據權利要求5所述的裝置,其中,所述的用於傳送粒子的系統包括供給管,在所述電池或腔的每一個頂部的中央或上角落的附近,所述的供給管與一個或一個以上所述電池或腔鄰近或相交。
25.一種可加燃料的電化學裝置的燃料粒子供給機構,包括(a)一個流體和電化學活性粒子的輸入端;(b)一個或一個以上供給管;(c)一個或一個以上電化學電池;(d)輸入裝置,用於輸入所述流體和粒子到所述供給管;(e)用於操作所述供給管的裝置;和(f)傳送裝置,將電化學活性粒子從所述的供給管傳送到一個或一個以上電化學電池內或一個或一個以上的腔內,所述的粒子可以從所述的腔供給到所述的電化學電池內;(g)保證裝置,用於保證在加燃料過程中進入一個或一個以上供給管的流體的至少20%進入所述電池或腔。
26.一種給可加燃料的電化學裝置加燃料的方法,至少包括下列步驟(a)提供一種流體和電化學活性粒子的輸入;(b)在所述裝置內操作一個供給管,以允許粒子從所述供給管傳送到所述裝置的其它部分;(c)通過所述的供給管將所述流體和粒子泵送到所述裝置中;(d)泵送所述流體流過所述供給管,以清潔其中的粒子;和(f)操作所述供給管,以將它與所述的裝置的其餘部分絕緣,並在所述的裝置中使每一電化學電池與所有其它的部分電絕緣。
27.根據權利要求26所述的給電化學電源加燃料的方法,其中,所述操作供給管的步驟包括將所述供給管轉動或軸向移動到打開位置,以便填充電解質和燃料粒子;以及將所述供給管轉動或軸向移動到關閉位置,以便在電源放電過程中提供電池之間的電絕緣,以致於所述的電源不會短路。
28.根據權利要求26所述的方法,其中,用一個設置在所述裝置上遊的壓力傳感器來確定何時進行步驟(c)-(d)。
29.根據權利要求26所述的方法,其中,通過探測所述供給管中的粒子,用光學的、電學的、或機械的裝置來確定何時進行步驟(c)-(d)。
30.根據權利要求26所述的方法,其中,利用通過如 11所述的流體旁通通道的流速或壓降來確定何時進行步驟(c)-(d)。
31.根據權利要求25所述的機構,其中,所述保證進入所述一個或一個以上供給管的流體的至少20%在加燃料過程中進入所述電池或腔的裝置,被增加到保證進入所述一個或一個以上供給管的流體的至少50%在加燃料過程中進入所述電池或腔的裝置。
32.一種用於一個或一個以上電化學電池的燃料粒子分配系統,每個電化學電池在一個容器中沿一個平面縱向布置並且實質上位於該平面內,每一個所述的電池具有一個電池腔,所述的系統包括一個燃料粒子源;和一個分配器,耦合到所述的源,用於沿一個流路分配所述粒子,所述的流路進入所述的電池腔並實質上與所述電池腔的平面平行。
33.根據權利要求32所述的系統,其中,所述的分配器分配粒子和流體的混合物。
34.根據權利要求33所述的系統,其中,所述的流體是一種氣體。
35.根據權利要求33所述的系統,其中,所述的流體是一種液體。
36.根據權利要求35所述的系統,其中,所述的液體是一種電解質。
37.根據權利要求32所述的系統,其中,所述的分配器通過氣流來分配所述的粒子。
38.根據權利要求32所述的系統,其中,所述的分配器通過液流來分配所述的粒子。
39.根據權利要求33所述的系統,進一步包括一個通過所述容器位於所述流路中的流體出口。
40.根據權利要求39所述的系統,進一步包括一個阻擋粒子經所述出口通過的擋板。
41.根據權利要求32所述的系統,其構造為,有選擇地使流動可以通過所述的分配器,所述流動的方向實質上與所述電池腔的平面垂直。
42.根據權利要求32所述的系統,其中,所述電池腔由數個相隔的電池壁所構成。
43.根據權利要求42所述的系統,其中,所述電池壁包括支承的陰極膜片。
44.根據權利要求43所述的系統,其中,所述電池膜片由金屬泡沫支承。
45.一種將燃料粒子分配到一個或一個以上電化學電池內的方法,每個電化學電池在一個容器中沿一個平面縱向布置並且實質上位於該平面內,所述的方法包括下列步驟在實質上與所述腔的平面平行的方向,提供一種進入所述電池腔的流動;利用所述的流動,將所述的粒子分配到所述的電池腔內;和繼續所述的粒子分配,直到所述的電池腔基本上被填充為止。
46.根據權利要求45所述的方法,進一步包括在一個實質上與所述電池腔的平面垂直的方向有選擇地提供一種流動。
47.根據權利要求45所述的方法,其中,所述的流動是氣流。
48.根據權利要求45所述的方法,其中,所述的流動是液流。
49.根據權利要求45所述的方法,其中,所述的流動通過流動介質而產生。
50.根據權利要求49所述的方法,其中,所述的流動介質是氣體。
51.根據權利要求49所述的方法,其中,所述的流動介質是液體。
52.根據權利要求49所述的方法,其中,所述的流動介質是流體。
53.根據權利要求1所述的機構,其中,所述的流體是一種電解質。
54.根據權利要求25所述的機構,其中,所述的流體是一種電解質。
55.根據權利要求26所述的機構,其中,所述的流體是一種電解質。
全文摘要
一種新的燃料粒子供給機構,它明顯地改善可加燃料的電化學電源的操作。該機構的一種實施方式是通過一個供給管將一種電解質和電化學活性粒子傳送給一個或一個以上電化學電池。該供給管具有幾種實施方式,它們改善電解質和粒子的流動,並且使進入各個電池腔的粒子均勻和完全沉降。當打開時,每一個電池腔被完全填充,均勻並且不阻塞,當關閉時,電池腔之間的流體連通完全切斷,以防止在放電或備用過程中該電源短路。設置裝置,用來防止供給管被燃料粒子阻塞,以促使電池腔完全填充燃料,並防止燃料粒子過早地從電池腔流出。還描述了一種操作方法。
文檔編號H01M2/36GK1361927SQ00810374
公開日2002年7月31日 申請日期2000年7月14日 優先權日1999年7月15日
發明者伯納多·A·古鐵雷斯, 傑弗裡·A·科爾伯恩, 斯圖爾特·I·斯梅德利, 肯特·I·斯梅德利 申請人:金屬能源公司

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