Топливный баллончик с гибкой внутренней камерой - RU2316079C2

Чертежи

Показать все 20 чертежа(ей)

Описание

Область изобретения

Это изобретение относится, в целом, к топливным баллончикам для топливных элементов и, в частности, это изобретение относится к расходным и перезаправляемым топливным баллончикам. Кроме того, это изобретение относится к топливному баллончику с несколькими стенками и топливному баллончику с гибкими камерами.

Предпосылки изобретения

Топливные элементы - это устройства, непосредственно преобразующие химическую энергию реагентов, т.е. топлива и окислителя, в электрическую энергию постоянного тока. Для растущего числа применений топливные элементы являются более эффективными, чем обычное генерирование энергии, например при сгорании ископаемого топлива, и более эффективными, чем портативное аккумулирование энергии, например ионно-литиевые батареи.

Обычно технологии топливных элементов включают самые разные топливные элементы, например щелочные топливные элементы, топливные элементы с полимерным электролитом, фосфорнокислые топливные элементы, топливные элементы с плавленым карбонатом, топливные элементы на твердом оксиде и ферментные топливные элементы. Сегодняшние представляющие большую важность топливные элементы можно разбить на три общие категории, а именно: топливные элементы, в которых в качестве топлива используется сжатый водород (H₂), топливные элементы с протонообменной мембраной (ПОМ), в которых в качестве топлива используется метанол (СН₃ОН), борогидрид натрия (NaBH₄), углеводороды (например, бутан) или другие топлива, риформированные в водород, и топливные элементы с ПОМ, в которых в качестве топлива используется непосредственно метанол (СН₃ОН) ("топливные элементы непосредственно на метаноле" или ТЭНМ). Сжатый водород обычно поддерживается под высоким давлением, и поэтому с ним трудно обращаться. Кроме того, обычно требуются большие баки для хранения, которые невозможно сделать достаточно малогабаритными для использования в потребительских электронных устройствах. Обычные топливные элементы на продуктах риформинга требуют риформинг-установок и иных испарительных и вспомогательных систем для преобразования топлив в водород для реакции с окислителем в топливном элементе. Последние достижения делают топливные элементы на продуктах риформинга перспективными для потребительских электронных устройств. ТЭНМ, в котором метанол реагирует с окислителем непосредственно в топливном элементе, представляет собой простейший и потенциально наименьший топливный элемент и является наиболее перспективным в энергетическом отношении для использования в потребительских электронных устройствах.

ТЭНМ для относительно более крупногабаритных случаев применения обычно имеет вентилятор или компрессор для подачи окислителя, обычно воздуха или кислорода, на электрод-катод, насос для подачи смеси воды и метанола на электрод-анод и мембранно-электродное устройство (МЭУ). МЭУ обычно состоит из катода, НОМ и анода. При работе жидкая топливная смесь воды и метанола подается непосредственно на анод, а окислитель - на катод. Электрохимическая реакция на каждом электроде и общая реакция для топливного элемента описываются следующим образом.

Реакция на аноде:

СН₃ОН+Н₂O→CO₂+6H⁺+6е^-

Реакция на катоде:

O₂+4H⁺+4е^-→2Н₂O

Общая реакция топливного элемента:

СН₃ОН+1.5 O₂→CO₂+2Н₂O

Из-за миграции ионов водорода (Н⁺) через ПОМ из анода через катод и из-за неспособности свободных электронов (е^-) проходить через ПОМ эти электроны должны проходить по внешней цепи, что создает во внешней цепи электрический ток. Внешней цепью могут быть любые полезные потребительские электронные устройства, например мобильные или сотовые телефоны, калькуляторы, персональные цифровые ассистенты и дорожные компьютеры и др. ТЭНМ описан в патентах США №№5992008 и 5945231, которые полностью включаются данной ссылкой в эту заявку. Обычно ПОМ изготовлена из полимера, например из нафиона (Nafion®), выпускаемого корпорацией DuPont, который представляет собой перфторированный материал толщиной примерно от 0,05 мм примерно до 0,50 мм, или других приемлемых материалов. Анод обычно выполнен в виде опоры из пропитанной тефлоном (политетрафторэтиленом) копировальной бумаги с осажденным на ней тонким слоем катализатора, например платины-рутения. Катодом обычно служит газодиффузионный электрод, в котором с одной стороны мембраны связаны частицы платины.

Реакция в элементе для топливного элемента на продукте риформинга борогидрида натрия:

NaBH₄ (водный)+H₂O→(тепло или катализатор)→(Н₂)+(NaBO₂)

(водный)

Н₂→2Н⁺+2е^- (на аноде)

2(2H⁺+2е^-)+O₂→2Н₂О (на катоде).

К числу приемлемых катализаторов относятся среди других металлов платина и рутений. Водородное топливо, полученное риформингом борогидрида натрия, реагирует в топливном элементе с окислителем, например О₂, с получением электрической энергии (или потока электронов) и побочного продукта - воды. В процессе риформинга получается еще один побочный продукт - борат натрия (NaBO₂). Топливный элемент на борогидриде натрия рассмотрен в опубликованной патентной заявке США №2003/0082427, которая данной ссылкой включается в настоящую заявку.

В патентной литературе описан ряд портативных топливных резервуаров или резервуаров для хранения топлива под давлением и не под давлением для топливных элементов. В публикации заявки США на патент №2002/0018925 А1 раскрыто электронное устройство с полостью, в которой хранится заправляемый баллончик, содержащий топливо. Этот баллончик изготовлен из эластичного материала. В публикации заявки США на патент №2003/0008193 А1 раскрыт топливный резервуар с гибкими стенками, который содержит топливо и впитывающий материал.

В описании изобретения к патенту США №6460733 В2 раскрыт топливный контейнер с несколькими стенками, имеющий внутренний топливный контейнер, находящийся внутри наружного контейнера. Внутренний контейнер может иметь жесткую, полужесткую или гибкую стенку. Пространство между двумя контейнерами содержит средства или добавки, которые нейтрализуют метанол-топливо в случае поломки или перед утилизацией. Топливо подается в топливный резервуар или непосредственно на анод самотеком или с помощью источника газа под давлением, находящегося в наружном контейнере. Кроме того, для подачи топлива в топливный элемент предусмотрен внешний насос.

В описании изобретения к патенту США №6506513 В1 раскрыт среди прочего топливный резервуар, имеющий регулирующий давление механизм, предназначенный для поддерживания в резервуаре постоянного давления, и внутренний сильфон, содержащий топливо. В публикациях заявок США на патент №№2002/0197522 и 2003/0082427 раскрыт топливный баллончик, содержащий топливную камеру и механизм под давлением, воздействующий на эту топливную камеру. Кроме того, в публикации №2003/0082427 описана камера, предназначенная для приема жидкого (-их) побочного (-ых) продукта (-ов) из топливного элемента.

В документе US 2002/0127451 А1 раскрыт компактный топливный элемент с ПОМ, который хранит метанол-топливо непосредственно в контакте с ПОМ и продувает побочный продукт СО₂ в корпус для создания в нем давления. Этот корпус имеет также предохранительный клапан, предназначенный для предотвращения чрезмерного давления в корпусе, и впускной топливный клапан, предназначенный для добавления топлива. В этом документ не раскрывается отдельный топливный резервуар или баллончик.

Недавно компания «Neah Power Systems», г.Ботхелл, штат Вашингтон, разработала герметичный топливный резервуар, в котором топливо, а также побочный продукт вода и СО₂ хранятся в отдельных камерах.

Однако не известен топливный баллончик с гибкой внутренней камерой, которая позволяет уменьшить количество остаточного топлива, захваченного во внутренней камере, когда стенки камеры сходятся, равно как не известны топливные баллончики, обладающие описанными ниже преимуществами и признаками.

Краткое описание изобретения

Таким образом, настоящее изобретение относится к топливному баллончику, предназначенному для использования с топливным элементом.

Кроме того, настоящее изобретение относится к топливному баллончику, предназначенному для использования с топливным элементом на продукте риформинга.

Кроме того, настоящее изобретение относится к топливному баллончику, приспособленному для использования с топливным элементом непосредственно на метаноле.

Кроме того, настоящее изобретение относится к топливному баллончику с несколькими стенками.

Кроме того, настоящее изобретение относится к топливному баллончику, имеющему гибкую внутреннюю камеру.

Кроме того, настоящее изобретение относится к топливному баллончику по меньшей мере с одним предохранительным клапаном.

Один аспект настоящего изобретения относится к топливному баллончику, соединяемому с топливным элементом или заправочным контейнером, имеющему наружный корпус и внутреннюю гибкую камеру, содержащую топливо для топливного элемента. Внутренняя гибкая камера имеет размещенную в ней вставку, предназначенную для способствования передачи топлива из баллончика в топливный элемент. Вставка может иметь гибкие и (или) практически жесткие ребра, и эти ребра могут быть выполнены как одно целое с камерой. Кроме того, вставка может быть вставкой из вспененного материала или сетчатой вставкой. Кроме того, вставка может состоять из частиц. Эти частицы могут быть соединенными или не соединенными. Внутренняя камера соединена с отсечным клапаном, и топливо в топливный элемент подается через этот отсечной клапан.

Наружный корпус баллончика может быть практически жестким или гибким. Кроме того, он может быть герметичным или сообщаться с окружающим воздухом по текучей среде. Наружный корпус может иметь открытое устройство, которое можно закрывать крышкой, газопроницаемой и не проницаемой для жидкости мембраной или впитывающим жидкость материалом наполнителя.

Кроме того, баллончик может иметь первый обратный предохранительный клапан, размещенный на наружном корпусе. Первый предохранительный клапан периодически позволяет воздуху поступать в баллончик, чтобы предотвратить образование в баллончике частичного вакуума. Первый предохранительный клапан может закрываться газопроницаемой и не проницаемой для жидкости мембраной или впитывающим жидкость материалом наполнителя. Предпочтительно, первый предохранительный клапан представляет собой трубчатый клапан.

Газообразные и (или) жидкие побочные продукты, полученные в топливном элементе, могут передаваться во внутреннее пространство между наружным корпусом и внутренней камерой в баллончике. Кроме того, баллончик может иметь второй обратный предохранительный клапан, размещенный на наружном корпусе и сообщающийся по текучей среде с внутренним пространством. Второй предохранительный клапан периодически позволяет газу внутри баллончика вытекать в окружающий воздух. Второй предохранительный клапан может закрываться газопроницаемой и не проницаемой для жидкости мембраной или впитывающим жидкость материалом наполнителя. Предпочтительно, второй предохранительный клапан представляет собой трубчатый клапан. Баллончик может иметь оба предохранительные клапана - первый и второй. Альтернативно, наружный корпус имеет открытое устройство, которое закрывается газопроницаемой и не проницаемой для жидкости мембраной или впитывающим жидкость материалом наполнителя. Через открытое устройство может непрерывно выходить газообразный побочный продукт.

Кроме того, баллончик может иметь устройство хранения энергии, предназначенное для сжатия внутренней камеры. Устройством хранения энергии могут быть сжатая пружина, сжатый вспененный материал, сжатый газ, например бутан, n-бутан или пропан или жидкий пропан. Внутренняя камера может сжиматься и внешним устройством хранения энергии, например сжатой пружиной, сжатым вспененным материалом, сжатым газом, например бутаном, n-бутаном или пропаном или жидким пропаном, размещенным внутри электронного устройства, в который баллончик можно вставить. Внешнее пружинное устройство сжимается при вставке баллончика в электронное устройство.

Кроме того, баллончик может иметь подвижную стенку, размещенную с возможностью скольжения в наружном корпусе баллончика. Подвижная стенка может иметь выступ, который прижимается к наружному корпусу для образования вместе с наружным корпусом уплотнения. Подвижная стенка находится в контакте с топливом внутри баллончика. Наружный корпус может покрываться уменьшающей трение пленкой, например из политетрафторэтилена (тефлона Teflon®), предназначенной для облегчения перемещения выступа по наружному корпусу. Устройство хранения энергии может прикладывать давление на подвижную стенку, чтобы помочь подаче топлива из баллончика.

Внутренняя камера может еще быть цветной, чтобы пользователь мог визуально определять количество топлива, оставшегося в баллончике.

Краткое описание графического материала

На прилагаемых чертежах, которые являются неотъемлемой частью настоящего описания и должны рассматриваться вместе с ним, для обозначения одинаковых деталей на разных видах используются одинаковые позиции:

фиг.1 представляет собой частичный разрез полного топливного баллончика с несколькими стенками, на котором показаны наружный корпус, внутренняя камера и предохранительный клапан;

фиг.2 представляет собой частичный разрез частично опорожненного топливного баллончика с несколькими стенками, показанного на фиг.1;

фиг.3А и 3В представляют собой частичные разрезы двух вариантов осуществления обратного предохранительного клапана, показанного на фиг.1 и 2, которые могут использоваться с любым из показанных в настоящей заявке баллончиков с несколькими стенками;

фиг.4 представляет собой частичный разрез еще одного топливного баллончика с несколькими стенками, на котором показана внутренняя камера с внутренними устройствами;

фиг.5 представляет собой частичный разрез частично опорожненного топливного баллончика с несколькими стенками, показанного на фиг.4;

фиг.6А-6С представляют собой увеличенные разрезы приемлемых вставок, предназначенных для использования во внутренней камере;

фиг.7 представляет собой частичный разрез еще одного топливного баллончика с несколькими стенками, на котором показано еще одно внутреннее устройство;

фиг.8 представляет собой частичный разрез еще одного топливного баллончика с несколькими стенками, на котором показано еще одно внутреннее устройство;

фиг.9 представляет собой вид в перспективе еще одного топливного баллончика с несколькими стенками с открытым наружным корпусом и внутренней камерой;

фиг.10 представляет собой вид в перспективе еще одного топливного баллончика с несколькими стенками с открытым наружным корпусом и внутренней камерой;

фиг.11А и 11В представляют собой увеличенные виды части топливного баллончика с несколькими стенками, показанного на фиг.10;

фиг.12А и 12В представляют виды в перспективе наружного корпуса и внутренней камеры еще одного топливного баллончика с несколькими стенками;

фиг.13 представляет собой схематическое представление еще одного топливного баллончика с несколькими стенками и топливного элемента;

фиг.14 представляет собой разрез еще одного обратного предохранительного клапана;

фиг.15 представляет собой частичный разрез еще одного аспекта настоящего изобретения;

фиг.16 представляет собой частичный разрез еще одного аспекта настоящего изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Как показано на прилагаемых чертежах и подробно описывается ниже, настоящее изобретение относится к топливному баллончику, предназначенному для хранения разных видов топлива для топливных элементов, например, метанол и вода, смесь метанола и воды, смеси метанола и воды разных концентраций или чистый метанол. Метанол используется во многих видах топливных элементов, например, ТЭНМ, ферментный топливный элемент, топливный элемент на продуктах риформинга и др. Топливный баллончик может содержать другие виды топлива для топливных элементов, например, этанол или спирты, химические вещества, которые можно риформингом преобразовать в водород, или другие химические вещества, которые могут улучшить характеристики или эффективность (кпд) топливных элементов. Кроме того, топлива включают электролит гидроксида калия (КОН), который используется с металлическими или щелочными топливными элементами и может храниться в топливных баллончиках. В случае металлических топливных элементов топливо находится в виде частиц цинка, переносящих текучую среду, погруженных в электролитический реакционный раствор КОН, а аноды в полостях элемента представляют собой аноды, образованные из частиц цинка. Топливо КОН описано в опубликованной патентной заявке США №2003/0077493, озаглавленной «Способ использования системы топливного элемента, выполненной для запитывания одной или нескольких нагрузок», опубликованной 24 апреля 2003 г., которая данной ссылкой полностью включается в настоящее описание. Кроме того, топлива включают смесь метанола, пероксида водорода и серной кислоты, протекающую по катализатору, образованному на силиконовой крошке, для вызывания реакции в топливном элементе. Кроме того, топлива включают водный борогидрид натрия (NaBH₄) и воду, описанные выше. Кроме того, топлива включают углеводородные топлива, в том числе среди прочих бутан, керосин, спирт и природный газ, описанные в опубликованной патентной заявке США №2003/0096150, озаглавленной "Устройство топливного элемента с жидким гетероинтерфейсом" «Liquid Hereto-Interface Fuel Cell Device», опубликованной 22 мая 2003 г., которая данной ссылкой полностью включается в настоящее описание. Кроме того, топлива включают жидкие окислители, которые реагируют с топливами. Настоящее изобретение, таким образом, не ограничивается каким-либо видом топлив, электролитических растворов, растворов окислителей или жидкостей, содержащихся в баллончике. Термин «топливо», используемый в тексте настоящего описания, охватывает все виды топлива, которые могут реагировать в любых топливных элементах, и охватывает все указанные выше приемлемые топлива, электролитические растворы, растворы окислителей, жидкости и (или) химические вещества и их смеси.

Термин «баллончик», используемый в тексте настоящего описания, охватывает среди прочего расходные баллончики, перезаправляемые/повторно используемые баллончики, баллончики, которые вставляются в электронное устройство, баллончики, которые находятся снаружи электронного устройства, топливные резервуары, резервуары для заправки топлива и иные контейнеры, хранящие топливо.

Как показано на фиг.1, баллончик имеет наружный резервуар, наружную оболочку или наружный корпус 12 и внутреннюю камеру или внутренний пузырь 14, содержащий топливо и размещенный внутри наружного корпуса 12. Между наружным корпусом 12 и внутренней камерой 14 образовано пространство. Внутренняя камера 14 предпочтительно является гибкой и может быть эластичной так, чтобы при подаче топлива из камеры внутренний объем камеры 14 уменьшался. Кроме того, баллончик 10 имеет наконечник 16, в котором находится отсечной клапан 18, сообщающийся по текучей среде с камерой 14. Наконечник 16 предназначен для подсоединения к топливному элементу (не показан) или заправочному топливному контейнеру/баллончику. Одно из преимуществ наличия сминающейся камеры заключается в том, что при подаче остающегося топливе к наконечнику 16 камера сминается, благодаря чему топливо легко доступно для подачи в топливный элемент. Следовательно, баллончик 10 может использоваться с любой ориентацией. Баллончик 10 может быть герметичным за исключением отсечного клапана 18, который по текучей среде сообщается топливным элементом. Поскольку в герметичном баллончике может образоваться частичный вакуум, топливо из баллончика может подаваться насосом, показанным на фиг.1 и 2. Кроме того, отсечный клапан 18 можно заменить пористым материалом, способным передавать топливо капиллярным действием. Отсечные клапаны полностью рассмотрены в совместные владения, совместно рассматриваемой заявке на патент, озаглавленной «Топливный баллончик с соединительным клапаном», поданной в один день с настоящей заявкой. Эта совместного владения заявка на патент ссылкой включается в настоящее описание.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения баллончик 10 имеет обратный предохранительный клапан 20, обычно известный как трубчатый (сквозной) клапан. Клапан 20 позволяет воздуху периодически поступать в баллончик 10, чтобы не допустить образования в баллончике частичного вакуума при вытягивании топлива из баллончика. Как показано на фиг.3А, клапан 20 имеет гнездо 22, предназначенное для обеспечения уплотнения, когда грибок 24 клапана полностью входит в него или находится в закрытом положении. Грибок 24 клапана соединен с факультативным штоком 26 клапана, размещенным с возможностью скольжения в теле 28 клапана. Грибок 24 и шток 26 клапана смещаются в закрытое или уплотнительное положение пружиной 30. Пружина 30 может быть сжатой или растянутой. Жесткость k пружины 30 выбирается такой, что при снижении давления в корпусе 12 или пространстве 15 ниже заданного уровня клапан 20 открывается, т.е. грибок 24 клапана перемещается в тело баллончика, как показано на фиг.3А, чтобы позволить окружающему воздуху поступать вовнутрь баллончика через пространство между грибком 24 и гнездом 22 и между штоком 26 и корпусом 28 клапана и нарушать вакуум. Клапан 20 не поддерживает внутреннее давление баллончика 10 постоянным, а позволяет ему колебаться или снижаться до достижения заданного уровня. На фиг.3В показан другой вариант осуществления трубчатого клапана 20; на этой фигуре элементы клапана, подобные элементам варианта осуществления на фиг.3А, обозначены теми же позициями.

Факультативно, клапан 20 может иметь мембрану 32, закрывающую его отверстие во избежание попадания в баллончик грязи. Предпочтительно, мембрана 32 позволяет поступать в баллончик или выходить из него только воздуху или другим газам и не позволяет поступать в баллончик или выходить из него жидкостям. Такая газопроницаемая, не проницаемая для жидкости мембрана раскрыта для совместного владения, совместно рассматриваемой заявке на патент №10/235793, озаглавленной «Топливный контейнер для топливных элементов», поданной 31 января 2003 г., в патенте США №3508708, озаглавленной «Электрический элемент с газопроницаемой вентиляционной пробкой», выданном 21 апреля 1970 г., и патенте США №4562123, озаглавленном «Жидкий топливный элемент», выданном 31 декабря 1985 г. Описания в этих документах ссылкой полностью включаются в настоящее описание. Альтернативно, мембрана 32 может использоваться без клапана 20. Такие мембраны могут изготавливаться из политетрафторэтилена (ПТФЭ), нейлона, полиамидов, поливинилидена, полипропилена, полиэтилена или другого полимера. Промышленно выпускаемые гидрофобные микропористые мембраны из ПТФЭ поставляются компанией «W.L Gore Associates, Inc.». Приемлемой является мембрана Goretex®. Goretex® - это микропористая мембрана с порами, слишком малыми, чтобы через них могла проходить жидкость, но достаточно крупными, чтобы позволить проходить газу.

Мембрану 32 можно заменить материалами наполнителя, например, раскрытыми в заявке на патент №10/235793. В этом варианте осуществления материалы наполнителя включают вспененный материал. Материалы наполнителя удерживают жидкости и позволяют проходить через них газам. Приемлемым материалом наполнителя является впитывающий материал, используемый в памперсах. Предпочтительно, при впитывании жидкости эти материалы наполнителя еще и набухают и становятся менее проницаемыми для жидкости.

Клапан 20 может использоваться с баллончиками с несколькими стенками, раскрытыми в настоящей заявке, и с баллончиками с одной стенкой, например, баллончиками, раскрытыми для совместного владения, совместно рассматриваемой заявке на патент №10/235793. В заявке №10/235793 раскрыт и обратный предохранительный клапан.

Как показано на фиг.2, по мере того как топливо вытягивается из внутренней камеры 14, стенки камеры могут сминаться в сторону друг друга и образовывать зоны контакта 34. Зоны контакта 34 могут препятствовать захваченному топливу 36 достигать наконечника 16 с тем, чтобы далее подаваться в топливный элемент. Для того чтобы поддерживать внутреннюю камеру 14 относительно открытой при вытягивании остающегося топлива, в камеру 14 можно поместить вставку, как показано на фиг.4-8. Предпочтительно, вставка является еще и гибкой, что по-прежнему позволяет камере стягиваться и тем самым обеспечивать избирательное высвобождение топлива.

Вставкой может быть решетка 38 с ребрами 40, 42. Решетка 38 не позволяет стенкам камеры 14 сминаться, как показано на фиг.4, когда камера полная, и на фиг.5, когда камера по крайней мере частично опорожнена. Ребра 40, 42 могут быть толстыми или тонкими, как показано на фиг.6А и 6В, и сплошными или пустотелыми или изготовленными из вспененного материала с открытыми порами. Ребра 40 могут быть практически жесткими, а ребра 42 гибкими, чтобы облегчить усадку или смятие камеры 14 благодаря тому, что ребра 42 могут сминаться. Альтернативно, гибкими являются и ребра 40, и ребра 42, и при этом те и другие могут сминаться вместе с камерой 14. Пустотелые ребра или ребра из вспененного материала являются предпочтительными ввиду их минимального объема и легкого веса и по той причине, что топливо может протекать через них в наконечник 16. Альтернативно, ребра 40, 42 и (или) решетка 38 могут выполняться как одно целое с камерой 14 обычными технологическими процессами.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, вставкой может быть вставка 44 из вспененного материала, как показано на фиг.7, которая предпочтительно имеет форму, практически аналогичную форме внутренней камеры 14. Другими словами, форма вставки может зависеть от формы камеры. При использовании вспененного материала, вставка 44 из вспененного материала предпочтительно представляет собой тонкий лист вспененного материала с открытыми порами. Кроме того, вставкой 38 может быть сетчатая вставка 46, показанная на фиг.8, или же эта вставка может представлять собой несколько бечевок или нитей пряжи с продольным капиллярным распространением влаги, подобных фитилям свечей. Альтернативно, вставка может изготавливаться из материалов наполнителя, чтобы помочь подавать топливо к наконечнику 16 капиллярным действием. Кроме того, вставка может состоять из частиц, например сфер 45 или звездочек 43, как показано на фиг.6С. Эти частицы могут быть соединенными или не соединенными между собой. Выпадение несоединенных частиц может предотвращаться отсечным клапаном 18, фильтром, экраном и т.п. Кроме того, вставкой могут служить зацепленные между собой, практически жесткие стержни, например цепная загородка, которая при опорожнении камеры может сминаться.

Кроме того, наружный корпус может иметь открытое устройство, как показано на фиг.9 и 10. Топливный баллончик 50 имеет открытый наружный корпус 52 и внутреннюю камеру 14, описанные выше, и наконечник 16, в котором размещен отсечной клапан 18 (не показан). Открытый наружный корпус 52 может быть практически открытым, как, например, открытая сетка 54 или практически закрытым, как, например, контейнер 56. Воздух может свободно поступать в баллончик 50 для предотвращения образования частичного вакуума в баллончике через отверстия в сетке 54 или отверстия 58, выполненные в верхней части контейнера 56 или в любом ином месте на баллончике. Открытый наружный корпус 52 имеет меньший вес, одновременно поддерживая конструктивную целостность баллончика. Отверстия в сетке 54 и отверстия 58 могут выполняться относительно малыми, чтобы ограничить доступ к внутренней камере. Сетка 54 и отверстия 58 могут покрываться воздухопроницаемой и не проницаемой для жидкости мембраной 32, чтобы предотвратить утечку из баллончика в случае разрыва внутренней камеры. Если отверстия 58 достаточно малы, их можно покрыть материалами наполнителя, которые могли бы впитывать жидкость и уменьшать утечку. Предпочтительно, при впитывании жидкости эти материалы наполнителя еще и набухают и становятся менее проницаемыми для жидкости. Кроме того, как показано на фиг.11(А) и 11(В), отверстие 58 может иметь крышку 60, чтобы ограничить доступ к внутренней камере. Частью крышки 60 может быть мембрана 32.

Кроме того, как показано на фиг.12(А) и 12(В), топливный баллончик 10, 50 может иметь круглое или квадратное поперечное сечение или любую иную форму. Топливный баллончик 10, 50 может иметь также наружный корпус 62 с внутренней опорой 64 подобно топливной емкости карманной газовой (бутановой) зажигалке и внутреннюю камеру 66 со щелью 68. Форма и размеры внутренней камеры 66 выбраны такими, чтобы она входила в наружный корпус 62.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения топливный баллончик предназначен для приема жидких и (или) газообразных побочных продуктов с взвешенными твердыми частицами или без них, полученных в результате реакции в топливном элементе. В целях иллюстрации этот аспект настоящего изобретения описывается, в основном, на примере реакции в топливном элементе непосредственно на метаноле. Предлагаемый баллончик можно, однако, использовать для приема этих побочных продуктов из любых топливных элементов, включая среди прочих описанные в настоящей заявке, и настоящее изобретение не ограничивается любыми конкретными видами топлива или побочными продуктами.

Как показано на фиг.13, баллончик 70 имеет наружный корпус 12 и внутреннюю камеру 14, как описано выше. Кроме того, наружный корпус 12 имеет наконечник 16, в котором размещен отсечной клапан 18, сообщающийся по текучей среде с камерой 14, то же как описано выше. Топливо (СН₃ ОН+H₂O) перекачивается или вытекает под действием другого средства из наконечника 16, чтобы прореагировать в мембранно-электронном устройстве (МЭУ). В МЭУ получаются диоксид водорода и воду (СО₂+2Н₂О), которые перекачиваются обратно в баллончик 70 через впускной наконечник 72. Побочные продукты - CO₂ и излишек Н₂О - могут храниться по крайней мере вначале в пространстве 15 между наружным корпусом 12 и внутренней камерой 14. Поскольку наиболее вероятно, что объем СО₂ и Н₂О будет превышать объем, который может хранить баллончик разумных размеров, баллончик 70 имеет также по меньшей мере один выпускной предохранительный клапан 74. Побочные продукты СО₂ и H₂O могут из-за газа СО₂ протекать обратно в баллончик и без перекачивания. Наконечники 16 и 72 могут находиться в любом месте на баллончике и, кроме того, располагаться соосно.

Выпускной предохранительный клапан 74, показанный на фиг.14, практически идентичен предохранительному клапану 20, рассмотренному выше, за исключением того, что он ориентирован в противоположном направлении. Клапан 74 тоже имеет гнездо 22, предназначенное для обеспечения уплотнения, когда грибок 24 клапана полностью входит в него или находится в закрытом положении. Грибок 24 клапана соединен с факультативным штоком 26 клапана, размещенным с возможностью скольжения в теле 28 клапана. Грибок 24 и шток 26 клапана смещаются в закрытое или уплотнительное положение пружиной 30. Пружина 30 может быть сжатой или растянутой. Жесткость k пружины 30 выбирается такой, что при повышении давления в корпусе 12 или пространстве 15, вызванном побочными продуктами CO₂ и Н₂О, до заданного уровня клапан 74 открывается, т.е. грибок 24 клапана перемещается наружу из баллончика, как показано на фиг.14, чтобы позволить СО₂, находящемуся внутри баллончика, выйти через пространство между грибком 24 и гнездом 22 и между штоком 26 и корпусом 28 клапана, чтобы снизить внутреннее давление баллончика. Следовательно, клапан 74 не поддерживает внутреннее давление баллончика 70 постоянным, а позволяет ему колебаться или повышаться до заданного уровня, после чего выпускает СО₂, чтобы сбросить давление.

Клапан 74 предпочтительно имеет мембрану 32, укрывающую его выпускное и (или) впускное отверстие, чтобы предотвратить утечку воды из баллончика. Как описано выше, мембрана 32 позволяет поступать в баллончик или выходить из него только воздуху или другим газам и не позволяет поступать в баллончик или выходить из него жидкости. Альтернативно, клапан 74 может иметь материалы наполнителя, как описано выше, укрывающие его выпускное отверстие и предназначенные для того, чтобы впитывать воду и позволять газам выходить из баллончика. На наружном корпусе могут устанавливаться более чем один клапан 74.

Альтернативно, клапан 74 может упускаться, если для топливного баллончика используется наружный корпус 52 открытой конструкции с мембраной 32 или материалами наполнителя, укрывающими отверстия. Наружный корпус 52 и укрывающая мембрана или материалы наполнителя 32 непрерывно позволяют вытекать побочному продукту газу СО₂, удерживая побочный продукт воду внутри баллончика.

Кроме того, баллончик может иметь оба клапана 20 и 74, расположенные на наружной стенке баллончика и предназначенные для того, чтобы позволять поступать окружающему воздуху для предотвращения частичного вакуума и (или) выпускать СО₂ во избежание повышения давления. Альтернативно, функции клапанов 20 и 74 выполняются одним клапаном, например клапаном, позволяющим окружающему воздуху поступать в баллончик для нарушения вакуума, а газам выходить из баллончика для сброса давления.

Клапан 74 можно упустить, если побочные продукты содержат только жидкости. Например, топливные системы на борогидриде натрия вырабатывают в качестве побочных продуктов борат натрия и воду. Кроме того, пространство 15 можно использовать для хранения топлива, а внутреннюю камеру 14 для хранения жидких побочных продуктов.

Как показано на фиг.1, для подачи топлива из баллончика используется насос, внешний по отношению к баллончику. Альтернативно, для подачи топлива в топливный элемент баллончик 10 может иметь повышенное давление. Как показано на фиг.15, в пространстве 15 может находиться устройство хранения энергии, например, сжатая пружина или сжатый вспененный материал, обозначенная или обозначенный позицией 76, которая или который давит на внутреннюю камеру 14 или промежуточную подвижную стенку 78, находящуюся между сжатым вспененным материалом/сжатой пружиной и внутренней камерой 14. Для предотвращения образования в баллончике частичного вакуума может быть предусмотрен предохранительный клапан 20 и (или) мембрана 32. Кроме того, пространство 15 может быть заполненным сжатым газом, например, бутаном, n-бутаном или пропаном или жидким пропаном, предназначенным для сжатия внутренней камеры 14. Преимущество использования сжатого газа заключается в том, что при этом не требуется использование предохранительного клапана или газопроницаемой мембраны для предотвращения образования в баллончике частичного вакуума. Альтернативно, частичный вакуум, который может образовываться внутри герметичного баллончика при выкачивании топлива, может подтягивать промежуточную стенку в сторону наконечника 16.

Кроме того, как показано на фиг.16, пружина 76 может упираться в стенку 82 электронного устройства. В этом варианте осуществления пружина 76 находится в электронном устройстве или топливном элементе. При вставке в устройство нового топливного элемента, последний сжимает пружину 76, и пружина 76, в свою очередь, прикладывает усилие к баллончику, находящемуся в электронном устройстве. К числу предпочтительных материалов пружины, которые не находятся в контакте с топливом, относятся среди прочих хромоникелевожелезный сплав инконель (Inconel®), нержавеющая сталь или фторуглеродные эластомеры с высоким содержанием фтора.

Промежуточная подвижная стенка 78 предпочтительно имеет выступ 80, и ее форма и размеры подобраны такими, чтобы она могла скользить по внутренней поверхности наружного корпуса 12. Подвижная стенка 78 предпочтительно касается внутренней камеры 14 и толкает ее. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения подвижная стенка 78 образует также, вместе с внутренней поверхностью наружного корпуса 12, факультативное уплотнение, и при этом от внутренней камеры 14 можно отказаться, и топливо находится в непосредственном контакте с подвижной стенкой 78 и наружным корпусом 12. Выступ 80 предпочтительно изготовлен из эластичного полимера, например, из каучука на основе тройного сополимера этилена, пропилена и диенового метилена или фторэластомера Vitron®, и упирается в наружный корпус 12, образуя вместе с ним уплотнение. Кроме того, внутренняя поверхность наружного корпуса 12 корпус может покрываться уменьшающей трение пленкой, например, из политетрафторэтилена или тефлона Teflon®, или слоем смазочного материала для облегчения скольжения между подвижной стенкой 78 и наружным корпусом 12.

Насосами, используемыми с любым из рассмотренных вариантов осуществления, могут быть любые насосы, способные перекачивать текучую среду с требуемым расходом. К числу приемлемых насосов относятся насосы микроэлектромеханической системы (МЭМС), например, описанные и заявленные в заявке на патент №10/356793. Насосом МЭМС может быть насос с индуцированным полем потоком или объемный мембранный насос. Насос с индуцированным полем потоком имеет электрическое поле переменного или постоянного тока, прикладываемое к топливу/текучей среде для его/ее перекачивания. К числу приемлемых насосов с индуцированным полем потоком относятся среди прочих электрогидродинамический, магнитогидродинамический и электроосмотический насосы. Электрогидродинамический и электроосмотический насосы можно использовать вместе. Объемный мембранный насос имеет мембрану, к которой прикладывается сила, заставляющая ее перемещаться или колебаться и при этом перекачивать топливо. К числу приемлемых объемных мембранных насосов относятся среди прочих электростатический, пьезоэлектрический и термопневматический насосы. Насос МЭМС управляет скоростью потока топлива и изменяет его направление на обратное, а также останавливает поток.

Кроме того, внутренняя камера 14 может быть цветной, чтобы пользователь мог визуально определить уровень топлива в баллончике. Наиболее предпочтительно, внутренняя камера 14 является тонкой и изготовлена из прочного и гибкого материала, благодаря чему при вытягивании топлива она эффективно сминается или уменьшается в объеме. К предпочтительным материалам для камеры относятся среди прочих натуральный каучук, полиэтилен (в том числе полиэтилен с плотностью от низкой до высокой), этиленпропилен, каучук на основе тройного сополимера этилена, пропилена и диенового метилена и другие тонкие полимерные пленки. Предпочтительно, полиэтилен фторирован и практически не содержит ионов металла, чтобы обеспечивалось низкое проницание. Полиэтилен может быть ламинированным с паронепроницаемым слоем, например, из алюминиевой фольги или обработанных фтором пластиков для снижения проницания метанола.

Еще одним приемлемым материалом для камеры является сжатый расслоенный графит благодаря его стойкости к агрессивным топливам топливного элемента, например к метанолу, и газонепроницаемости сжатого расслоенного графита. Обычно графит в своей неизмененной форме интеркалируется с внедрением атомов или молекул в межплоскостные пространства между слоистыми плоскостями. Затем при резком воздействии высокой температуры для расширения межплоскостных пространств между слоистыми плоскостями интеркалированный графит расширяется или расслаивается. После чего расширенный или расслоенный графит сжимают в очень тонкую фольгу или листы. Эти фольги или листы из сжатого расслоенного графита гибки и обладают высоким временным сопротивлением разрыву. Сжатый расслоенный графит описан в патенте США №3404061, и описание в патенте №3404061 полностью включается ссылкой в настоящее описание. Фольга из сжатого графита толщиной 3-600 мил (0,075-15 мм) промышленно выпускается с товарным знаком GRAFOIL® компанией «Graftech, Inc», г.Лэйквуд, штат Огайо.

Внутренняя камера 14 может изготавливаться из многослойных материалов. Внутренний слой совместим с топливами топливного элемента, например, стойкий к топливу, и имеет низкую проницаемость. Средний слой служит барьером топливам топливного элемента или является непроницаемым. Наружный слой может служить еще одним барьерным слоем и быть стойким к топливу. В одном примере внутренним слоем может быть фторированный полиэтилен (низкой или высокой плотности), средним - нейлон или силан (кремнеуглеводород), и наружным - алюминиевая фольга.

Многослойный материал может совместно экструдироваться и гофрироваться для изготовления камеры. Края камеры могут уплотняться теплом, создаваемым радиочастотными, ультразвуковыми источниками или источниками тепла. Кроме того, камера может упаковываться при помощи термоусадки в алюминиевую фольгу. Это продлевает срок хранения баллончика, поскольку внутренний слой может выдерживать агрессивное воздействие топлива, а средний и наружный слои создают барьеры, чтобы удерживать топливо внутри камеры, а наружный слой не дает ультрафиолетовому свету ухудшать камеру.

Внутренняя камера 14 может использоваться и без наружного корпуса 12. В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения наружный корпус 12 тоже может быть гибким, чтобы при подаче топлива из баллончика сжиматься вместе с внутренней камерой 14. Прочный гибкий наружный корпус может обеспечить дополнительную конструктивную опору внутренней камере 14, одновременно устраняя необходимость в клапане 20 или мембране 32 для предотвращения образования частичного вакуума.

Наружный корпус предпочтительно изготавливается из полиацеталя, который может формоваться литьем или экструдироваться. Наружный корпус предпочтительно не содержит примесей, например, цинка, серы, талька и масел, и для уменьшения проницания должен фторироваться.

Кроме того, баллончик 10 может иметь несколько внутренних камер 14. Например, баллончик 10 может иметь первую внутреннюю камеру 14 для чистого метанола и вторую внутреннюю камеру 14 для воды, предназначенную для использования с топливным элементом непосредственно на метаноле или топливным элементом на метаноле - продукте риформинга. В другом примере баллончик 10 может иметь первую внутреннюю камеру 14 для метанола и вторую внутреннюю камеру для пероксида водорода и факультативную третью внутреннюю камеру 14 для серной кислоты. В еще одном примере, баллончик 10 может иметь первую внутреннюю камеру 14 для борогидрида натрия и вторую внутреннюю камеру для воды. Внутренняя камера может использоваться и для хранения жидких побочных продуктов, например воды или водного бората натрия.

Кроме того, внутренняя камера 14 является перезаправляемой и может перезаправляться через клапан 18. Альтернативно, камера 14 может иметь отдельный заправочный клапан, подобный отсечному клапану 18. Кроме того, камера может изготавливаться из растягиваемого или эластичного материала, и при этом камера может расширяться, когда внутреннее давление достигает заданного уровня. Кроме того, камера 14 может иметь размещенный на ней предохранительный клапан 20 или 74, предназначенный для сброса давления, когда внутреннее давление достигает заданного уровня.

Хотя и очевидно, что описанные выше иллюстративные варианты осуществления изобретения позволяют достичь целей настоящего изобретения, ясно и то, что специалисты могут изобрести многочисленные модификации и иные варианты осуществления. Кроме того, признак(-и) и (или) элемент(-ы) любого варианта осуществления может (могут) использоваться отдельно или в сочетании с другим(-и) вариантом(-ами) осуществления. Поэтому понятно, что прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций и вариантов осуществления в пределах сущности и объема настоящего изобретения.

Реферат

Изобретение относится к области электротехники, в частности к топливным баллончикам для топливных элементов. Техническим результатом изобретения является создание топливного баллончика, содержащего топливо, с гибкой внутренней камерой, которая позволяет уменьшить количество остаточного топлива. Топливный баллончик соединен с топливным элементом и имеет наружный корпус и гибкую внутреннюю камеру, содержащую топливо для топливного элемента. Гибкая внутренняя камера может иметь вставку, размещенную внутри внутренней камеры и предназначенную для облегчения передачи топлива из баллончика в топливный элемент. Вставка позволяет уменьшить количество топлива, захваченного в баллончике. Гибкая внутренняя камера может использоваться без наружного корпуса. Наружный корпус может быть практически жестким или гибким. Баллончик приспособлен для приема побочных продуктов из топливного элемента, также баллончик можно прижимать для выталкивания топлива в топливный элемент. Кроме того, описаны обратные предохранительные клапаны, предназначенные для предотвращения слишком высокого или слишком низкого давления в баллончике. 7 н. и 60 з.п. ф-лы, 21 ил.

Формула