專利名稱：流體泵和連接器組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及一種用于將流體容器連接至另一設(shè)備并
泵送流體容器中的流體的流體泵和連接器組件。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代便攜式電子設(shè)備需要增加電力而化學(xué)電池組往往是這些 設(shè)備的性能薄弱環(huán)節(jié)。無線產(chǎn)品，例如個人的數(shù)字處理機(jī)，移動電話，娛 樂設(shè)備和下一代膝上計算機(jī)都特別需要持久的動力。對于長期便攜的操作， 燃料電池是誘人的解決方案。燃料電池，類似電池組，高效地將化學(xué)能轉(zhuǎn) 換成電能，而且還具有其它優(yōu)點(diǎn)，例如高能量密度和瞬間補(bǔ)給燃料的能力。 燃料電池通常用氫氣作為燃料，但在以有效成本和高效的方式保存和傳遞 氫氣至所述燃料電池方面存在技術(shù)挑戰(zhàn)。 一個具體的挑戰(zhàn)是，提供一種燃 料供應(yīng)源，其便宜，安全，輕型且十分緊湊足以容易攜帶，但存儲有足夠 氫氣以向所述燃料電池提供有用的燃料量。現(xiàn)有技術(shù)中存儲氫的裝置包括 金屬氫化物罐以在相對低壓下存儲氫氣，以及壓力箱以在升高的壓力下存 儲壓縮氫氣。上述兩種方案都有缺陷，例如，金屬氫化物存儲器相對安全 但是能量密度/重量比低，壓縮氫存儲器具有高能量密度/重量比但需要高 強(qiáng)度和昂貴的密封方式。已經(jīng)進(jìn)行研究使用液態(tài)甲醇作為燃料并設(shè)計"直接的甲醇"燃 料電池，其用電化學(xué)方法直接地從甲醇產(chǎn)生電力；然而，這存在很大的技 術(shù)挑戰(zhàn)，例如防止甲醇越過所述電解液薄膜，以及防止由甲醇燃料的催化 劑中毒。其它方面的努力是直接從含氫的燃料溶液例如硼氫化鈉產(chǎn)生 氫氣。
在這種解決方式中，燃料溶液暴露于催化劑中以便于制造氫氣。 雖然這種方法是有前途的，但在容納所述腐蝕性燃料溶液和預(yù)防泄漏方面 仍然存在技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)所述便攜的燃料電池系統(tǒng)與人體緊密接觸使用時。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于安全地和成本有效地在流體容 器內(nèi)部泵送液體而不從所述容器中移出所述液體的裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種包括兩個可互連的分組件的 流體泵。第一分組件，其包括流體入口，流體出口，以及與所述入口和出 口流體連通的柔性膜片。第二分組件，包括致動器和與所述致動器連接的 往復(fù)運(yùn)動元件。當(dāng)?shù)谝缓偷诙纸M件連接時，所述往復(fù)運(yùn)動元件接觸膜片。 所述致動器和元件的往復(fù)運(yùn)動引起所述膜片往復(fù)運(yùn)動并將流體從所述入口 泵送至所述出口而不使所述液體暴露于所述第二分組件。所述分組件可以設(shè)有磁性連接器，其使得所述分組件可拆卸 地互連。所述第一分組件可以安裝到燃料筒上以及所述液體可以是與固體 反應(yīng)物混合時能產(chǎn)生氫氣的液體反應(yīng)物。所述液體反應(yīng)物可以是檸檬酸溶 液以及所述固體反應(yīng)物可以是硼氫化鈉。所述第二分組件可以安裝在燃料電池系統(tǒng)上并具有用于接收 由所述燃料筒產(chǎn)生的氫氣并將所述氫氣傳送至燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池 的進(jìn)氣口。所述致動器可以是形狀記憶合金，其被電連接至能將所述形狀 記憶合金加熱至超過收縮溫度的電源。特別是，所述致動器可以是連接至 所述往復(fù)運(yùn)動元件且在兩端處附著于壓接連接器以形成弓形結(jié)構(gòu)的鎳鈦諾 金屬絲。所述金屬絲可以被這樣安裝，即當(dāng)在松馳相時，所述往復(fù)運(yùn)動元 件處于縮回位置，以及當(dāng)在收縮相時，所述往復(fù)運(yùn)動元件處于伸出位置。 加于所述金屬絲的脈沖電流將引起所述金屬絲在所述松弛相和收縮相之間 循環(huán)，從而引起往復(fù)運(yùn)動元件和膜片往復(fù)運(yùn)動。由于致動器和往復(fù)運(yùn)動部件位于第二分組件內(nèi)，所以第一分組 件的制造成本可以減少，使得所述燃料筒能以足夠低的成本制造而成為一 次使用的可處理的產(chǎn)品。此外，第一分組件使得所述反應(yīng)物完全地保持在 所述燃料筒內(nèi)，這就減少了泄漏和隨后對周圍用戶或設(shè)備損害的機(jī)會。


圖1是具有燃料電池連接器分組件的氫產(chǎn)生燃料筒的側(cè)視圖。圖2是燃料電池系統(tǒng)的局部分解視圖，該燃料電池系統(tǒng)具有平 燃料電池組，控制模塊，以及用于連接于燃料筒分組件并且在所述燃料筒 內(nèi)部泵送流體的連接器和泵分組件。圖3是燃料筒內(nèi)部液體流動的示意圖。圖4是所述燃料筒的局部透視側(cè)視圖。圖5是所述連接器和泵分組件以及燃料筒連接器分組件的示 意性局部透視圖。圖6是所述燃料筒連接器分組件的示意性分解透視圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例并參見圖1 ，便攜的燃料筒10產(chǎn)生 氫氣以作為燃料電池的燃料之用。參見圖2，便攜的燃料電池系統(tǒng)12包 括燃料電池14，其通過用電化學(xué)方法使氫氣和環(huán)境空氣中的氧反應(yīng)產(chǎn)生電 能。電化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)品還包括水和熱量。產(chǎn)生的電能可用于驅(qū)動便攜 的電氣設(shè)備，并提供熱量。便攜的燃料筒10具有連接器分組件15，連接 器分組件15用于物理地和流體地將燃料電池筒10連接至燃料電池系統(tǒng)12。 一旦被連接，通過燃料筒10產(chǎn)生的氫氣可以被送到燃料電池系統(tǒng)12以供 燃料電池14使用。設(shè)想用于燃料筒10和燃料電池系統(tǒng)12的一個具體的應(yīng)用是提 供熱量和電力至個人的衣服，例如上衣。圖2所示的燃料電池系統(tǒng)12特 別適合于這樣的應(yīng)用。每個燃料電池14以平面矩陣布置并串聯(lián)從而形成 組。燃料電池14以隔開的方式嵌入柔性泡沫和布基層壓板隔框16內(nèi)。柔 性燃料管路18和導(dǎo)電體20互連每個燃料電池14。每個燃料電池14的燃 料出口通過燃料管路18流體地連接至鄰近的下游的燃料電池14的燃料進(jìn) 口。所述燃料電池組具有端部封閉的燃料流量設(shè)計，其中最后的燃料電池 14與放泄閥連接，所述放泄閥可以周期地打開以排放燃料電池組中的污染 物和水。第一燃料電池14流體地連接至泵和連接器分組件22，泵和連接 器分組件22具有流體地和物理地連接至燃料筒10的連接器分組件15的裝置。用于控制燃料電池系統(tǒng)的操作的控制系統(tǒng)23與所述泵和連接器分組 件22電連接從而控制所述泵，放泄閥，電壓傳感器和壓力傳感器(未顯示)， 以及用戶界面控制和顯示器(未顯示)的操作，壓力傳感器連接至導(dǎo)電體 20。燃料電池14是平的，被動空氣自然對流式(passive air breathing)質(zhì)子交換膜(PEM)型燃料電池。每個燃料電池包括傳統(tǒng)的鉑催 化劑敷料電極和NafionTM膜電極組件(MEA)，通過陰極和陽極組件(未顯示) 夾住。所述陰極組件包括與MEA的陰極側(cè)面相鄰接觸的導(dǎo)電的網(wǎng)孔，和具 有多個開口的導(dǎo)電板，通過那里與相鄰的導(dǎo)電網(wǎng)孔接觸；所述多個開口暴 露于空氣中并提供用于所述電化學(xué)反應(yīng)的氧氣的通道。所述陽極組件包括 具有彎曲的流體通道的導(dǎo)電陽極板，其與相鄰的所述MEA的陽極側(cè)面接觸， 和氫氣支管板并具有氫入口和出口和支管，其與陽極板燃料流量通道的入 口和出口端流體連接。所述入口和出口支管與各自的入口和出口燃料管路 18流體地連接。所述MEA還以在它的周圍有粘合劑為特征，并且粘合劑層 將燃料電池部件粘結(jié)在一起。該實(shí)施例中的燃料電池組12被構(gòu)造成提供大約10瓦的電力， 然而在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以通過改變?nèi)剂想姵氐臄?shù)目或不同性能等級的代 用燃料單元以將所述功率輸出按比例地升高或降低。這樣平坦的PEM燃料電池14在本領(lǐng)域?yàn)榇蠹宜熘?，在此?再進(jìn)一步詳述。而燃料電池系統(tǒng)12特別適合于PEM燃料電池，其它的通 過氫氣提供燃料的燃料電池類型也可以作為替換，例如固體氧化物燃料電 池，磷酸燃料電池以及堿性的燃料電池。此外，其它公知的PEM燃料電池 設(shè)計也可以容易地作為替換。因?yàn)槿剂想姵?4嵌入柔性隔框16內(nèi)并通過柔性管路18以及 電連接器20互連，所以燃料電池系統(tǒng)12的形狀可以被改變；這個特征特 別有利于在衣服中使用，因?yàn)樗鋈剂想姵叵到y(tǒng)IO可以與穿衣者的形狀相 一致。優(yōu)選地，燃料系統(tǒng)12沿上衣的上脊柱區(qū)域安裝以便所述燃料電池組 中的燃料電池14可以符合所述穿衣者的背部的形狀。然而，在本發(fā)明范 圍內(nèi)燃料電池系統(tǒng)12可以采用不同的結(jié)構(gòu)，例如傳統(tǒng)的垂直地布置的組。 在這樣可選的結(jié)構(gòu)中，在所述組內(nèi)的燃料電池并不必需柔性互連，且衣服中這種燃料電池組的安裝會被更改以防止對用戶造成的不適。此外，盡管
在該實(shí)施例中顯示了五個燃料電池14，然而在本發(fā)明范圍內(nèi)可以根據(jù)具體
的應(yīng)用和電力需求按比例增加或減少燃料電池的數(shù)目以及相應(yīng)的功率輸 出。在燃料電池系統(tǒng)中，兩層柔軟的泡沫被用來夾住所述氣體，電 流以及電壓檢測間的相互連接。這些部件將系統(tǒng)的相互連接保持在適當(dāng)?shù)?位置并且提供了抵抗施加在所述系統(tǒng)上的機(jī)械力(彎曲，拉伸等)的張緊 力緩沖。另外，他們提供輕型的用于互連元件(金屬絲，管，電壓檢測金屬 絲)的蓋，其對用戶遮住這些元件并成為軟的，對身體友好的包裝件。在目前實(shí)施例中，燈芯型織物在覆蓋包括燃料電池14的陰極 的平面的系統(tǒng)的外面被分層。這些材料被設(shè)計來快速蒸發(fā)任何與其接觸的 濕氣。將這些材料與陰極接觸使得任何在燃料電池14的陰極上收集的濕氣 可以迅速蒸發(fā)，從而減少所述電池14中溢流的風(fēng)險。用該織物覆蓋整個系 統(tǒng)12使得用于蒸發(fā)的表面積最大化。另外，該織物起到所述系統(tǒng)12內(nèi)多 個燃料電池14之間柔性的解除張緊力互連的作用。最后，該織物成為用于 燃料電池系統(tǒng)12的表面結(jié)構(gòu)，當(dāng)其與皮膚接近使用時，所述表面結(jié)構(gòu)具有 柔軟舒適的感覺，從而使得所述產(chǎn)品更適合于接近身體的應(yīng)用。優(yōu)選地，燃料筒10由輕型的而且便宜的材料構(gòu)造以使得所述 燃料筒10容易地攜帶并在使用一次后處理掉。在該實(shí)施例中并如圖3所 示，燃料筒10在外面的袋25中存儲液體反應(yīng)物，即28 wt. %的檸檬酸溶液， 且在管狀的反應(yīng)室26中存儲固體反應(yīng)物，即緊湊且熔化的硼氫化鈉(NaBH4) 粉末。反應(yīng)室26 (聚四氟乙烯管，0.60英寸內(nèi)徑，0.030英寸壁，McMaster) 被存儲在內(nèi)袋27內(nèi)，內(nèi)袋27與所述溶液袋25流體地密封隔開。NaBH4粉 末壓縮為圓柱形丸28，所述反應(yīng)室26內(nèi)部的彈簧29相對于出口偏壓丸28， 所述出口在所述反應(yīng)室26的一端具有分隔器簾30。在當(dāng)前實(shí)施例中，0.5 英寸直徑的丸由在7噸的壓力下按壓大約12克硼氫化鈉粉末形成3. 2英寸 長的丸。反應(yīng)室26應(yīng)當(dāng)由這樣的材料構(gòu)造，即既可以經(jīng)得起反應(yīng)產(chǎn)生 的熱量，且允許所述丸28在彈簧沒有壓縮時的壓力下可以滑動，所述反應(yīng) 的熱量可以導(dǎo)致超過170°F的溫度。
分隔器簾30具有小于粉末粒度的網(wǎng)孔，從而防止所述丸28從 所述出口流出，但允許液體，氣體和小于所述網(wǎng)孔的顆粒從其中流過。具 有0. 080英寸的簾節(jié)距且具有0. 005英寸的單股尺寸的塑造的網(wǎng)孔被用在 當(dāng)前的實(shí)施例中。當(dāng)燃料筒10與燃料電池系統(tǒng)12的泵和連接器分組件22連接 時，酸性溶液經(jīng)過連接器分組件15內(nèi)部的增壓室52從所述外面的袋25中 泵送出并且進(jìn)入分隔器簾30附近的反應(yīng)室26之內(nèi)。當(dāng)所述酸性溶液和 NaBH4混合時，形成氫氣和廢漿液；彈簧29的壓力促使所述氣體和漿液經(jīng) 過分隔器簾30并進(jìn)入內(nèi)袋27的生成物收集部分("生成物收集器"31)。 所述漿液包括懸浮在液體中的固體物，特別是偏硼酸鈉，水，和酸鹽的混 合物，并具有PH值大約為7的溫和的酸性。漿液固體物的具體尺寸應(yīng)當(dāng) 小于分隔器簾30的網(wǎng)孔以便所述漿液固體物可以從其中穿過。在生成物 收集器31的下游端是氫氣分隔膜32，其可以透過氫氣但不能透過液體和固 體物。氫氣從所述漿液中分開并經(jīng)過連接器分組件15中的出口 40傳遞至 燃料電池系統(tǒng)10。圖4更詳細(xì)地圖示了燃料筒10的結(jié)構(gòu)。內(nèi)袋27位于外溶液 袋25內(nèi)部，這樣酸性溶液位于溶液袋25和內(nèi)袋27之間的空間內(nèi)。 在 目前實(shí)施例中，6千分之一英寸氨基甲酸乙酯(Stevens Urethane， East Hampton, Massachusetts,美國)被加熱焊接從而形成所述內(nèi)和外袋25， 27。溶液供給管路33流體地將該體積連接至所述增壓室52，并從增壓室 52經(jīng)過所述內(nèi)袋在開口 34處伸出，且到達(dá)分隔器簾30附近的反應(yīng)室26內(nèi) 的噴嘴35。噴嘴35是細(xì)長的管(不銹鋼組織的管，具有巻曲和密封的遠(yuǎn)端 和垂直于所述管的中心軸線且面對所述丸28的中心軸線的開口， McMaster)，其跨過反應(yīng)室26的直徑。溶液經(jīng)過所述孔排放并與丸28接 觸。噴嘴和分隔器簾30之間的距離允許反應(yīng)物在離開反應(yīng)室26之前混合。 在本領(lǐng)域存在多個公知的替代方案以確保所述反應(yīng)物和生成物的適當(dāng)混 合，從而使反應(yīng)的產(chǎn)量和所述筒10的能量密度最大化。例如，所述筒IO
可以使用單個噴嘴或多個噴嘴(未顯示)以確保反應(yīng)物更均勻的混合。這些 噴嘴可以是環(huán)形的或線性的排列，具有設(shè)計成霧化，噴涂，或向所述丸28 提供液滴。噴嘴和分隔器簾30之間的距離和優(yōu)選曲徑允許反應(yīng)物在離開反應(yīng)室26之前充分混合。在目前實(shí)施例中，噴嘴35距分隔器網(wǎng)孔0.4英 寸，盡管所述最佳距離將隨著噴嘴設(shè)計，流速等等而改變。在反應(yīng)面積設(shè) 計中已經(jīng)被認(rèn)為是有利的附加特征被用來構(gòu)造噴嘴35以便隨著與來自噴嘴 35的溶液反應(yīng)所述反應(yīng)丸可以在噴嘴35周圍形成。這確保了噴嘴35和丸 28之間密切接觸以及在它們離開反應(yīng)室26之前流體的適當(dāng)?shù)那鷱?。目?實(shí)施例另外的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)的熱量可以限制在相對小的空間，從而使反應(yīng)面 積的溫度最大化，在所述實(shí)施例中所述反應(yīng)面積限制在丸的端部。此高溫 對所述反應(yīng)效率，動力學(xué)，和能力來說具有良好的影響，所述能力重新起 動具有在所述分隔器簾30周圍被收集且變硬的反應(yīng)產(chǎn)物的系統(tǒng)12。隨著彈簧29相對于分隔器簾30在丸28上施加連續(xù)的壓力， 生成物氫氣和廢漿液經(jīng)過分隔器簾30排放并進(jìn)入生成物收集器31之內(nèi)， 生成物收集器31具有由兩個通常直的焊縫36形成的彎曲的流動通道，焊 縫36將內(nèi)袋表面連接在一起。所述焊縫形成中心性口袋，圓柱形反應(yīng)室26 位于其內(nèi)。生成物收集器31部分地填充有液體吸收材料37以用于吸收所 述漿液中的水及其它液體。該材料使所述漿液與所述氣體收集薄膜的接觸 最小化，因?yàn)樗鰸{液在長時間暴露后容易在所述薄膜上形成不滲透的覆 蓋層。盡管存在高性能材料，但具有高吸收性材料的填充物被證明是適合 應(yīng)用在本申請中。未被吸收的漿液和氫氣繼續(xù)沿生成物收集器31至氣體分 離膜32。氫氣流過分隔膜32 ( Versapore 3000 ( Pall， Ann Arbor, MI) 并進(jìn)入氫氣輸送管38內(nèi)，氫氣輸送管38與所述分隔膜32連接并在開口 39 處延伸穿過所述內(nèi)袋，并與連接器分組件15中的排放口 40連接。所述溶 液，廢漿液和氫氣的流動通道在該圖中用箭頭示出。雖然水只和NaBH4的混合足夠來以化學(xué)方法產(chǎn)生氫氣，但反應(yīng) 速率較低。優(yōu)選地，提供酸來加速所述反應(yīng)速率。在這種意義上，所述酸 類似于催化劑作用，盡管所述酸在反應(yīng)中也被消耗。盡管在該實(shí)施例中， 28 wt. %的檸檬酸溶液與NaBH4粉末反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，但任何具有合適pH值 的酸性溶液都可以作為代用品。優(yōu)選地，所述酸性溶液的pH值為6或更小； 更優(yōu)選地，所述酸性溶液具有2或更少的pH值。28 wt. %的檸檬酸溶液具 有大約2的pH值。這種濃度被證明能提供理想的低pH值，快的反應(yīng)速度， 和酸的最小浪費(fèi)的平衡。也就是說，所述溶液中基本上所有的酸都在反應(yīng)中消耗掉。當(dāng)選擇替換的酸的時候，這樣的平衡也是理想的。替換的混合時可以產(chǎn)生氫氣的液體和固體反應(yīng)物可以作為代 用品。例如，試驗(yàn)已經(jīng)證明燃料筒14可以混合鋁和氫氧化鈉溶液在下列 反應(yīng)中以產(chǎn)生氫氣- 2Al+2NaOH+6H20 ---— 2NaAl (OH)4+3H2 (1)假如反應(yīng)物中的一個可以以緊湊的固態(tài)形式保存，而反應(yīng)物中 的另一個可以分開地以液態(tài)形式保存，在產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)物之間可能發(fā)生 的其它公知的反應(yīng)可以應(yīng)用在燃料筒10中。燃料筒14設(shè)計對方便這樣的 反應(yīng)特別有效，因?yàn)橥ㄟ^彈簧29提供的偏壓力促使所述反應(yīng)的氣態(tài)的，液 態(tài)的和小顆粒生成物經(jīng)過所述分隔器簾30，固體物的部分連續(xù)地暴露于所 述液體反應(yīng)物中。這防止反應(yīng)的生成物覆蓋所述固體反應(yīng)物，并防止所述 生成物與液態(tài)的反應(yīng)物混合。在選擇固體的粉末粒度和分隔器簾尺寸方面 應(yīng)當(dāng)注意，以便所述固體反應(yīng)物不能被推動穿過分隔器簾30。雖然彈簧29被用來提供相對于所述固體反應(yīng)物的偏壓力，但 也可以提供其它的偏壓裝置。例如，反應(yīng)室26可以是單端型的柔性套， 其在裝滿固體反應(yīng)物時展開，并在所述固體反應(yīng)物上朝向所述套的開口施 加壓力。其它等效的偏壓裝置可以容易地作為代用品。在這些圖所示的 實(shí)施例中，特別是參考附圖l，偏壓彈簧29相對于丸28施加壓力，這樣丸 28的一部分總是被壓靠著分隔器簾30。由于丸28被消耗，彈簧29會伸長; 在燃料筒10的表面中提供透明的窗口 41 ，這樣丸材料的數(shù)量是可以看到的。 此窗口 41充當(dāng)燃料計以顯示燃料筒10內(nèi)剩下的反應(yīng)物的量。現(xiàn)在參見圖5和6，筒連接器分組件15從燃料筒外殼突出并可 以連接至燃料電池系統(tǒng)14的泵和連接器分組件22。泵和連接器分組件22 具有凹口43，凹口43適合于接收突出的連接器分組件15。在連接器分組 件15的基板上提供一對磁鐵44，磁鐵被吸引至凹口 43中的金屬板。磁鐵 44提供用于將燃料筒10固定至燃料電池系統(tǒng)12的裝置；然而在本發(fā)明范 圍內(nèi)本領(lǐng)域中公知的其它的固定裝置可以作為代用品。泵和連接器分組件22具有氫氣進(jìn)氣口 46，當(dāng)燃料筒10連接至 燃料電池系統(tǒng)12時氫氣進(jìn)氣口 46與氫氣排放口 40配合。泵柱塞48從所 述泵和連接器分組件22的所述凹口 43伸出；凸臺49從圍繞泵柱塞48的分組件22凸出，當(dāng)連接器分組件15沒有處在合適位置時保護(hù)所述柱塞48 不受損害。在連接器分組件15中提供膜片端口 50，在燃料筒10和燃料電 池系統(tǒng)12被連接時膜片端口 50接收泵柱塞48。膜片端口 50延伸到增壓 室52的底端內(nèi)。增壓室52的頂端是酸性溶液入口 56和酸性溶液58。柔 性膜片54安裝在增壓室52內(nèi)部并將所述增壓室容積與膜片端口 50流體地 密封；這限制從入口 56進(jìn)入增壓室52內(nèi)并從出口 58流出的酸性溶液的流 量。偏壓彈簧60位于第二腔室部分內(nèi)并相對于所述膜片54施加偏壓力以 在不彎曲(unflexed)的位置偏壓所述膜片54。酸性溶液入口和出口 56， 58與所述溶液供給管路33流體地 連接。連接器組件22具有外殼，所述外殼包括兩個成型塑料部分:外 殼部分62容納增壓室52的一部分，膜片端口 50，氫氣排放口 40和磁體 44。內(nèi)殼部分66容納增壓室52的剩余部分，溶液入口 56和出口 58;所 述膜片54固定在所述外部分和中央部分62， 64之間。所述殼部分62， 66 由LokTite 3105輕固化粘合劑連接。雖然分組件22通過用粘合劑將這些 殼部分結(jié)合在一起形成，但應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域其它公知的方法也可以用來 制造該分組件22。當(dāng)燃料筒10和燃料電池系統(tǒng)12連接時，泵柱塞48的遠(yuǎn)端延 伸穿過膜片端口 50，進(jìn)入增壓室52內(nèi)并與膜片54接觸。泵柱塞48在所 述泵和連接器分組件22內(nèi)的軸向上以及完全伸出位置與完全縮回位置之間 被滑動地約束。當(dāng)所述泵柱塞48處于它的充分縮回位置時，其與膜片54 接觸但不使膜片54彎曲，即膜片54處于其不彎曲位置。當(dāng)泵柱塞48處 于其完全伸出位置時，膜片54被泵柱塞48移動進(jìn)入其彎曲位置。泵柱塞 48的往復(fù)運(yùn)動導(dǎo)致膜片54振動，從而產(chǎn)生增壓室52內(nèi)部的泵壓。該泵壓 有效地將所述檸檬酸溶液從所述溶液袋25泵送到反應(yīng)室26。泵柱塞48的往復(fù)運(yùn)動通過形狀記憶合金金屬絲70的收縮和伸 長獲得，形狀記憶合金金屬絲70連接到柱塞頭72，柱塞頭72位于泵柱塞 48的近端。形狀記憶合金金屬絲70由形狀記憶合金材料，例如俗稱"鎳 鈦諾"的鎳-鈦合金組成。所述形狀記憶合金對溫度或熱敏感。例如，鎳 鈦諾在由所述鎳鈦諾的成分決定的溫度范圍暫時縮短；在該實(shí)施例中，所述鎳鈦諾金屬絲70在大約100攝氏度時縮短。所述鎳鈦諾合金會在相對 低溫下膨脹并回到它的原始狀態(tài)。響應(yīng)于被加熱到超過該收縮溫度，所述 鎳鈦諾合金經(jīng)歷尺寸變化，例如在其長度方面的變化。這樣，鎳鈦諾金屬 絲70可以通過重復(fù)超過它的收縮溫度和冷卻至低于它的膨脹溫度的溫度循
環(huán)重復(fù)經(jīng)歷長度減少和回到它的原始長度。如上所述，在其經(jīng)歷尺寸變化的過程中，所述形狀合金材料根 據(jù)溫度的變化經(jīng)歷可逆的相變或變形，或可逆的結(jié)構(gòu)相變。通常，這樣的
過渡表示材料從所述材料的一個固相到另一個固相的變化，例如，通過所 述材料晶體結(jié)構(gòu)的改變或通過所述材料在分子水平的重排序。就鎳鈦諾
金屬絲70來說，所述超彈性合金具有低溫相，或馬氏體的相和高溫相，或
奧氏體的相。這些相還可以根據(jù)剛性的相和軟的且可鍛的相，或響應(yīng)的相
來提及。所述鎳鈦諾金屬絲70被穿過所述柱塞頭72并通過壓接連接 74在每一端處被附著在泵和連接器分組件22上。鎳鈦諾金屬絲70被這樣 定位，即在它的剛性相時柱塞頭48處于它的縮回位置；當(dāng)鎳鈦諾金屬絲70 處于它的響應(yīng)相時，柱塞頭48處于它的完全伸出位置。壓接連接74被連 接至電線(未顯示)，所述電線與位于控制單元23內(nèi)的可再充電的電池(未 顯示)電連接。所述電池依次電連接至電連接器20，這樣所述電池可以通 過由燃料電池14產(chǎn)生的電能再充電。來自所述電線的電流經(jīng)過所述鎳鈦 諾金屬絲70將導(dǎo)致所述鎳鈦諾金屬絲70變熱超過它的收縮溫度，從而引 起泵柱塞48從它的縮回位置移動到它的伸出位置，即執(zhí)行壓縮沖程。當(dāng) 泵柱塞48達(dá)到它的完全伸出位置時，柱塞頭與檢測開關(guān)76接觸，檢測開 關(guān)76與控制單元23電連接并向控制單元23發(fā)送信號。一旦接收到該信號， 控制單元23停止來自所述電池或燃料電池系統(tǒng)的電流，于是所述金屬絲70 被允許冷卻并降到它的膨脹溫度以下。替換地或另外地，提供至金屬絲70 的所述電流的脈沖長度可以通過本領(lǐng)域公知的方法控制，這樣所述金屬絲 被充分加熱從而導(dǎo)致其縮短。所述金屬絲70膨脹到它的原始長度，所述 泵柱塞48移回到它完全縮回的位置，即執(zhí)行膨脹沖程。所述柱塞行程的 頻率由需要的氫氣量確定；當(dāng)需要更多的氣體時，更多的溶液需要被泵送 至所述反應(yīng)室26，所述柱塞行程的頻率被增加。
通過確定某些泵組件，即鎳鈦諾金屬絲70，柱塞頭72，燃料 筒10外的泵柱塞48，所述筒10的生產(chǎn)成本被降低。此外，通過用膜片 52密封所述增壓室52，不允許所述檸檬酸溶液離開燃料筒10;這種設(shè)計使 得由酸泄漏導(dǎo)致的損害或傷害的可能性最小化。惟一允許離開所述燃料筒 10的流體是經(jīng)過閥口 40流出的氫氣。這種設(shè)計提供的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是簡 化了氣體產(chǎn)生的控制。因?yàn)橹挥挟?dāng)所述檸檬酸溶液與固體的NaBH4混合時 才有氫氣產(chǎn)生，所述泵送速度完全地控制氫氣生產(chǎn)的速率。盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明和它的優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不 局限于這里顯示和討論的內(nèi)容或由這里顯示和討論的內(nèi)容限定。這里的附 圖，描述和論述顯示了本發(fā)明的例子并提供了使用本發(fā)明的例子。本領(lǐng)域 技術(shù)人員會認(rèn)識到，在不脫離本發(fā)明原則，精神或法定范圍的情況下，可 以實(shí)施本發(fā)明。相應(yīng)地，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)通過所附權(quán)利要求和它們的法 定等同物來確定。
權(quán)利要求
1、一種燃料電池設(shè)備，包括(a)燃料筒，其包括液體反應(yīng)物分配器，反應(yīng)室，和連接器分組件，連接器分組件包括流體連接于液體反應(yīng)物分配器的入口和流體連接于反應(yīng)室的出口，和與所述入口和出口流體連通的柔性膜片；和(b)燃料電池系統(tǒng)，其包括燃料電池和可連接于所述燃料筒連接器分組件的連接器分組件，并且包括致動器和連接于所述致動器的往復(fù)運(yùn)動元件，當(dāng)所述燃料筒和燃料電池系統(tǒng)連接時，所述往復(fù)運(yùn)動元件接觸所述膜片，其中所述致動器和元件的往復(fù)運(yùn)動引起所述膜片往復(fù)運(yùn)動并將液體反應(yīng)物從所述液體反應(yīng)物分配器泵送至所述反應(yīng)室而不使所述反應(yīng)物暴露于所述燃料電池系統(tǒng)。
2、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池設(shè)備，其中所述反應(yīng)物室容納固體反 應(yīng)物，當(dāng)與所述液體反應(yīng)物混合時，所述固體反應(yīng)物可以產(chǎn)生氫氣。
3、 如權(quán)利要求2所述的燃料電池設(shè)備，其中所述燃料筒收集器分組件 進(jìn)一步包括流體地連接于反應(yīng)室的氫氣排放口，并且所述燃料電池系統(tǒng)收 集器分組件進(jìn)一步包括流體地連接于所述燃料電池的進(jìn)入口，當(dāng)所述燃料 筒和燃料電池系統(tǒng)連接時，所述進(jìn)入口與所述排放口對齊。
4、 如權(quán)利要求3所述的燃料電池設(shè)備，其中所述液體反應(yīng)物是檸檬酸 溶液以及所述固體反應(yīng)物是硼氫化鈉。
5、 如權(quán)利要求4所述的燃料電池設(shè)備，其中所述致動器是形狀記憶合 金并且被電連接至能將所述形狀記憶合金加熱至超過收縮溫度的電源。
6、 如權(quán)利要求5所述的燃料泵，其中所述致動器是連接至所述往復(fù)運(yùn) 動元件且在兩端處附著于壓接連接器以形成弓形結(jié)構(gòu)的鎳鈦諾金屬絲。
7、 如權(quán)利要求6所述的燃料泵，其中所述金屬絲可以被這樣安裝，即 當(dāng)在剛性相時，所述往復(fù)運(yùn)動元件處于縮回位置，以及當(dāng)在響應(yīng)相時，所 述往復(fù)運(yùn)動元件處于伸出位置。
8、 一種流體泵，包括(a) 第一分組件，其包括流體入口，流體出口，以及與所述入口和 出口流體連通的柔性膜片；以及(b) 可與所述第一分組件連接的第二分組件，其包括致動器和連接 于所述致動器的往復(fù)運(yùn)動元件，當(dāng)所述第一和第二分組件連接時，所述往 復(fù)運(yùn)動元件接觸所述膜片，其中所述致動器和元件的往復(fù)運(yùn)動引起所述膜 片往復(fù)運(yùn)動并將流體從所述入口泵送至所述出口而不使所述流體暴露于所 述第二分組件。
9、 如權(quán)利要求8所述的燃料泵，其中所述第一和第二分組件進(jìn)一步包 括可移除地將所述第一和第二分組件連接在一起的連接器。
10、 如權(quán)利要求9所述的燃料泵，其中所述連接器是磁性的。
11、 如權(quán)利要求8所述的燃料泵，其中所述第一分組件被安裝到燃料 筒上并且所述流體是當(dāng)與固體反應(yīng)物混合時產(chǎn)生氫氣的液體反應(yīng)物。
12、 如權(quán)利要求ll所述的燃料泵，其中所述液體反應(yīng)物是檸檬酸溶液 以及所述固體反應(yīng)物是硼氫化鈉。
13、 如權(quán)利要求12所述的燃料泵，其中所述第二分組件被安裝到燃料 電池系統(tǒng)上并且具有用于接收由所述燃料筒產(chǎn)生的氫氣并將所述氫氣傳送 到所述燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池的進(jìn)入口。
14、 如權(quán)利要求8所述的燃料泵，其中所述致動器是形狀記憶合金并 且被電連接至能將所述形狀記憶合金加熱至超過收縮溫度的電源。
15、 如權(quán)利要求14所述的燃料泵，其中所述致動器是連接至所述往復(fù) 運(yùn)動元件且在兩端處附著于壓接連接器以形成弓形結(jié)構(gòu)的鎳鈦諾金屬絲。
16、 如權(quán)利要求15所述的燃料泵，其中所述金屬絲被這樣安裝，即當(dāng) 在松馳相時，所述往復(fù)運(yùn)動元件處于縮回位置，以及當(dāng)在收縮相時，所述 往復(fù)運(yùn)動元件處于伸出位置。
17、 一種流體泵和連接器組件，包括(a) 第一分組件，其包括流體入口，流體出口，以及與所述入口和 出口流體連通的柔性膜片，以及第一連接器；以及(b) 第二分組件，其包括適于連接于所述第一連接器的第二連接器， 致動器和連接于所述致動器的往復(fù)運(yùn)動元件，當(dāng)所述第一和第二分組件連 接時，所述往復(fù)運(yùn)動元件接觸所述膜片，其中所述致動器和元件的往復(fù)運(yùn) 動弓I起所述膜片往復(fù)運(yùn)動并將流體從所述入口泵送至所述出口而不使所述 流體暴露于所述第二分組件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種特別適合于將燃料筒連接至燃料電池系統(tǒng)的流體泵和連接器組件。所述組件具有第一分組件，其包括流體入口，流體出口，以及與所述入口和出口流體連通的柔性膜片，以及第一連接器。所述組件還具有第二分組件，其包括適合于連接至第一連接器的第二連接器，致動器和與所述致動器連接的往復(fù)運(yùn)動元件，當(dāng)所述第一和第二分組件連接時所述往復(fù)運(yùn)動元件接觸所述膜片，其中所述致動器和元件的往復(fù)運(yùn)動引起所述膜片往復(fù)運(yùn)動并將流體從所述入口泵送至所述出口而不使所述流體暴露于所述第二分組件。
文檔編號H01M8/12GK101443943SQ200680037868
公開日2009年5月27日 申請日期2006年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月11日
發(fā)明者J·L·格拉斯曼, T·J·菲舍爾 申請人:阿爾迪卡技術(shù)公司