專利名稱：用于電能轉(zhuǎn)換裝置的燃料容器與回收系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的燃料及排出物的收集，更特別涉及金屬—空氣燃料電池的燃料容器與回收系統(tǒng)。
現(xiàn)有技術(shù)的金屬—空氣系統(tǒng)已被證實(shí)具有足夠的電容量以供給電力交通工具的電力。此種具有循環(huán)金屬淤漿的陽(yáng)極的金屬—空氣電池由Sony、Sanyo、the Bu l garian Academy of Science、及CompagnieGeneral d’Electricitie于1970年代建造以作為示范用途。這些系統(tǒng)并未達(dá)成任何商業(yè)成功，因?yàn)樗鼈兊碾娏敵龆枷喈?dāng)?shù)?可接受的排放速率及總?cè)萘?。直到現(xiàn)在，這仍是提供商業(yè)可實(shí)施系統(tǒng)的主要障礙，例如Sony僅能提供24瓦/千克，Compagnie General d’Electricitie則限制為82瓦/千克或84瓦時(shí)/千克。然而，依所使用燃料的類型而定，理論容量仍超過(guò)這些值的5倍。近期的金屬—空氣電池的一種型式已實(shí)現(xiàn)在容量上的改進(jìn)，其使用固定陽(yáng)極粒子的填充床，且電解質(zhì)不需使用外部電解質(zhì)泵就可通過(guò)床。雖然，此系統(tǒng)已增加電池容量至約200瓦/千克且能量密度約150瓦小時(shí)/千克，但在商業(yè)化成功可實(shí)現(xiàn)前仍需要進(jìn)一步的改進(jìn)。
金屬—空氣可補(bǔ)給燃料電池組可在短時(shí)間(即數(shù)分鐘)內(nèi)補(bǔ)給燃料，與典型上需要數(shù)小時(shí)以充電的常規(guī)電池相比較，此特性使金屬—空氣可補(bǔ)給燃料電池組非常適合移動(dòng)性應(yīng)用，如電子交通工具、攜帶式電源等。在補(bǔ)給燃料操作期間，將新的陽(yáng)極金屬及電解質(zhì)加入電池內(nèi)并除去反應(yīng)產(chǎn)物和廢電解質(zhì)。反應(yīng)產(chǎn)物需被送至工業(yè)設(shè)施以回收或用作其他目的。已提出多種方法以補(bǔ)給燃料至金屬—空氣電池。一種已知系統(tǒng)使用二個(gè)儲(chǔ)藏室，一個(gè)用于儲(chǔ)藏新的陽(yáng)極燃料，一個(gè)用于容納來(lái)自電池的反應(yīng)材料。
美國(guó)專利第4,172,924號(hào)公開了一種金屬—空氣電池，其使用糊狀的金屬粒子及液體電解質(zhì)的混合物所形成的流體金屬燃料。此糊自第一儲(chǔ)存室經(jīng)電化學(xué)電池組中移動(dòng)，在電化學(xué)電池組中，該糊在相應(yīng)金屬氧化物糊陰極處氧化，反應(yīng)產(chǎn)物(主要為金屬氧化物)送至第二儲(chǔ)存室。盡管此裝置通過(guò)除去反應(yīng)材料而增加了排液速率，但該多個(gè)儲(chǔ)藏室的設(shè)計(jì)浪費(fèi)空間，增加了復(fù)雜性，且增加了成本。
最近出版的美國(guó)專利第5,952,117號(hào)公開了一種設(shè)計(jì)用來(lái)克服隨上述的雙重儲(chǔ)存室構(gòu)型產(chǎn)生的缺點(diǎn)的燃料電池組，該’117專利公開了一種可運(yùn)輸?shù)娜萜饕怨?yīng)陽(yáng)極材料及電解質(zhì)至該燃料電池、在密閉系統(tǒng)循環(huán)電解質(zhì)、并收集廢陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物。根據(jù)此專利，該容器首先以鋅燃料粒子及新的電解質(zhì)填充。接著，該容器被送至燃料電池組并與該電池組連接，以使其成為電解質(zhì)流動(dòng)路徑的一部份。在電池放電期間，在鋅燃料及電解質(zhì)使用一段時(shí)間后，此時(shí)含至少部份廢電解質(zhì)及反應(yīng)產(chǎn)物的容器自電池除去并送回再填充裝置。隨后將容器的內(nèi)容物排空至再填充裝置并重復(fù)此方法，消耗的電解質(zhì)及反應(yīng)產(chǎn)物在鋅再生裝置再生并再回到再填充裝置。雖然此裝置避免了兩個(gè)單個(gè)容器的需求，但反應(yīng)產(chǎn)物的收集只能在燃料供應(yīng)被耗盡且容器被排空至再填充裝置后才能有效地進(jìn)行。
此系統(tǒng)的另一缺點(diǎn)涉及用于預(yù)防在并聯(lián)注入燃料的多個(gè)電池間的雜散電路電流的結(jié)構(gòu)。在此構(gòu)造中，電池并未經(jīng)由導(dǎo)電燃料進(jìn)料彼此電絕緣。為避免短路，該’117專利公開了一種過(guò)濾器，以使較大的陽(yáng)極材料粒子不會(huì)通過(guò)燃料小室間的導(dǎo)管。雖然這對(duì)在該專利公開的顆粒狀燃料粒子有效，但此方法無(wú)法阻擋在糊狀燃料材料中存在的微小陽(yáng)極粒子的通過(guò)。
本發(fā)明另一目的為提供一種單一儲(chǔ)存容器以同時(shí)供應(yīng)燃料至能量轉(zhuǎn)換裝置并收集來(lái)自能量轉(zhuǎn)換裝置的排出物。
本發(fā)明的另一目的為提供一種單一儲(chǔ)存容器以分別供應(yīng)燃料至燃料電池及自燃料電池收集反應(yīng)產(chǎn)物，且特別是使用鋅、鋁、鋰、鎂、銀、鐵等的金屬—空氣燃料電池。
本發(fā)明另一目的為提供一種金屬—空氣燃料電池系統(tǒng)，以電力需求(亦即在瓦至兆瓦的范圍間)方面，此系統(tǒng)可用于各種應(yīng)用。此種應(yīng)用包括但不限于為機(jī)動(dòng)車輛、攜帶式及消費(fèi)性電子用品、家庭及工業(yè)提供的能量。
本發(fā)明的另一目的為消除具有單一燃料進(jìn)料的多個(gè)電化學(xué)電池間的短路。
基于上述目的及在下文中更明顯的額外目的，本發(fā)明一般提供一種方法及系統(tǒng)，以自單一儲(chǔ)存容器供應(yīng)燃料至能量轉(zhuǎn)換裝置并同時(shí)自能量轉(zhuǎn)換裝置收集排出物至容器。
特別地是，本發(fā)明提供一種包括一個(gè)儲(chǔ)存容器的燃料電池系統(tǒng)，其可接至電池以提供燃料并同時(shí)收集廢棄物及產(chǎn)生作為電池排出物的反應(yīng)材料。本發(fā)明適合用于混合可再充電燃料電池及特別是具有流體形式的金屬陽(yáng)極材料的金屬?？諝馊剂想姵?。名詞“流體”在此被定義為糊狀材料如在流體電解質(zhì)如KOH溶液中懸浮的小金屬粒子及各種添加劑。金屬—空氣燃料電池用氧或空氣(燃料)氧化金屬陽(yáng)極作為電化學(xué)電池反應(yīng)的一部份操作。在本發(fā)明中，流體陽(yáng)極，特別是鋅—金屬燃料，自單一儲(chǔ)存室供應(yīng)至電池系統(tǒng)的多個(gè)電池組，在操作期間，作為電池排出物的所得反應(yīng)產(chǎn)物被持續(xù)地自電池移出至儲(chǔ)存容器，且電池用來(lái)自容器的新的陽(yáng)極燃料再重新補(bǔ)充。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方向，在具有至少一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中提供儲(chǔ)存容器以儲(chǔ)存一定量燃料及一定量排出物。該儲(chǔ)存容器包括可連接至該至少一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置的容器本體，及包括位于容器內(nèi)的至少兩個(gè)可相反變化體積的室以分別儲(chǔ)存一定量燃料及接收一定量排出物。提供一種結(jié)構(gòu)以減少第一室的體積，并同時(shí)增加第二室的體積。在操作能量轉(zhuǎn)換裝置期間，燃料自第一室供應(yīng)且同時(shí)在第二室接收排出物。當(dāng)燃料供應(yīng)耗盡時(shí)，該儲(chǔ)存容器可被除去并送至其他位置以再生廢燃料成為新燃料，接著將該儲(chǔ)存容器與能量轉(zhuǎn)換裝置再次連接，且新的燃料自先前為“排出物”室注入，且排出物在原先的燃料供應(yīng)室被接收。
根據(jù)本發(fā)明對(duì)燃料電池組系統(tǒng)的特定實(shí)施，提供單一儲(chǔ)存容器以儲(chǔ)存一定量的電化學(xué)陽(yáng)極材料及一定量的反應(yīng)產(chǎn)物。該儲(chǔ)存容器包括至少兩個(gè)可相反變化體積的隔離室及至少一個(gè)具有陰極的電池元件并限定體積以容納該陽(yáng)極材料(金屬及電解質(zhì))以形成一個(gè)具有陰極的電化學(xué)電池。流體傳送電路在該至少一個(gè)電池元件與在儲(chǔ)存容器的第一室間與陽(yáng)極材料接觸。相同的或獨(dú)立的流體傳送電路與在電池及在儲(chǔ)存容器的第二室間與反應(yīng)產(chǎn)物接觸。在優(yōu)選實(shí)施方案中，傳送電路分別包括位于該電池及該儲(chǔ)存容器間的分支導(dǎo)管或?qū)Ь€管。每一個(gè)導(dǎo)線管包括電絕緣閥以選擇性地向/從彼此電連接的一組電池的一個(gè)電池傳送新的陽(yáng)極材料及反應(yīng)產(chǎn)物。
根據(jù)本發(fā)明的另一方向，該燃料電池電力系統(tǒng)還包括用于反應(yīng)產(chǎn)物從電池移至儲(chǔ)存容器后再生反應(yīng)產(chǎn)物成為新的電化學(xué)陽(yáng)極材料的子系統(tǒng)；以及用于當(dāng)新的陽(yáng)極材料傳送至電池及反應(yīng)產(chǎn)物傳送至儲(chǔ)存室時(shí)可改變第一及第二室的各自體積的結(jié)構(gòu)體。再生反應(yīng)產(chǎn)物的子系統(tǒng)可位于電池附近，或是可位于較遠(yuǎn)的位置，且在所有燃料被分配后將儲(chǔ)存容器傳送至此。
在另一實(shí)施方案中，儲(chǔ)存容器的第一室包括容納新的陽(yáng)極材料的第一子室及容納電解質(zhì)的第二子室。在送至電池前，這些成分先自相應(yīng)的第一子室及第二子室送至混合器。同樣地，儲(chǔ)存室亦可被構(gòu)造為容納陽(yáng)極反應(yīng)材料的第一子室及容納廢電解質(zhì)的第二子室，自電池送至儲(chǔ)存室前這些成分先彼此分開。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種供應(yīng)燃料至能量轉(zhuǎn)換裝置及收集來(lái)自能量轉(zhuǎn)換裝置的排出物的方法，該方法包括以下步驟將具有至少兩個(gè)室的儲(chǔ)存容器連接至能量轉(zhuǎn)換裝置，此至少兩個(gè)室分別將一定量的燃料送至能量轉(zhuǎn)換裝置及自能量轉(zhuǎn)換裝置接收排出物；相反地改變儲(chǔ)存室中第一室及第二室的體積以供應(yīng)燃料至能量轉(zhuǎn)換裝置及收集來(lái)自能量轉(zhuǎn)換裝置的排出物；將該容器自該能量轉(zhuǎn)換裝置分離；在容器內(nèi)將排出物轉(zhuǎn)化為燃料；以及重新連接該容器至該能量轉(zhuǎn)換裝置，以自第二室供應(yīng)新的燃料至能量轉(zhuǎn)換裝置及在第一室接收排出物。
在以上的特定應(yīng)用中，本發(fā)明提供一種供應(yīng)燃料至至少一個(gè)燃料電池元件，及自至少一個(gè)燃料電池元件收集反應(yīng)產(chǎn)物的方法，該方法包括以下步驟將具有至少兩個(gè)室的儲(chǔ)存容器連接至燃料電池，以分別供應(yīng)陽(yáng)極流體至該燃料電池元件及自該燃料電池元件接收反應(yīng)產(chǎn)物；相反地改變?cè)谠搩?chǔ)存室第一及第二室的體積，以供應(yīng)陽(yáng)極液體至該燃料電池及自該燃料電池元件接收反應(yīng)產(chǎn)物；將該容器自該燃料電池分離；將在第二室的反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為燃料；以及重新連接該容器至該燃料電池，以自第二室供應(yīng)新的陽(yáng)極流體至該燃料電池及在第一室接收反應(yīng)產(chǎn)物。
現(xiàn)在將特別參考相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明加以描述
具體實(shí)施例方式
典型金屬—空氣電池組的低能量密度限制它們?cè)诟咚俾蕬?yīng)用如供給機(jī)動(dòng)車輛動(dòng)力的實(shí)際用途。本發(fā)明以類似于二次電池系統(tǒng)的方式使用單一儲(chǔ)存容器以分配燃料及收集并再組成電化學(xué)反應(yīng)物(即大部份金屬氧化物)，來(lái)克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。該混合構(gòu)造(即可再補(bǔ)給燃料/可再充電)提供長(zhǎng)放電期(或高能量密度)、使在放電期間的性能增強(qiáng)的較快的再充電容量和較長(zhǎng)的循環(huán)生命。
本發(fā)明使“燃料分流”具體化，其中僅使用一個(gè)燃料源可得到多重金屬/空氣電池電壓，而不會(huì)使電池短路。結(jié)果，以本發(fā)明電池構(gòu)造制造的電池可提供至少約330瓦小時(shí)/千克或750瓦小時(shí)/升，使它們良好地適合用作純的或混合電動(dòng)車輛的動(dòng)力來(lái)源。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，去偏極陰極的空氣被設(shè)計(jì)為處理500至2000毫安培/平方厘米的放電電流密度及能提供5000安培小時(shí)/升的容量的電解質(zhì)。優(yōu)選使用包括抗腐蝕性添加劑及合金的金屬陽(yáng)極材料。該陽(yáng)極材料優(yōu)選為由小金屬粒子組成，粒子尺寸要能使在電化學(xué)反應(yīng)期間金屬粒子不會(huì)在陽(yáng)極表面完全被氧化。雖然較小的尺寸提供較大的容量、較佳的排液速率、及促進(jìn)流體經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的較易輸送，但所選擇顆粒范圍優(yōu)選在約10納米與1毫米間。
金屬燃料容器形狀要能使體積容量最大，且增加容量與放電量。關(guān)于個(gè)別電池元件的形狀，雖然在本發(fā)明范圍內(nèi)可使用其他形狀，但對(duì)較大的電力密度，圓筒形構(gòu)造較佳。
該儲(chǔ)存容器包括一種機(jī)械裝置以當(dāng)新的金屬糊由儲(chǔ)存容器流動(dòng)并進(jìn)入個(gè)別電池及廢金屬糊自電池回到儲(chǔ)存容器時(shí)，可相反地改變新的糊(燃料)儲(chǔ)存室及反應(yīng)產(chǎn)物(排出物)室的相應(yīng)體積。該機(jī)械裝置包括限定室間邊界的可移動(dòng)壁，例如活塞、螺旋機(jī)械等。以此方式，反應(yīng)產(chǎn)物占有先前放置新的金屬糊的空間。該機(jī)械系統(tǒng)可用來(lái)強(qiáng)制糊流出容器，或是其可與在流體路徑的外部泵合并操作。對(duì)具有相當(dāng)小的電力要求的應(yīng)用如消費(fèi)性電子用品，儲(chǔ)存容器可用撓性壁設(shè)計(jì)，其可通過(guò)外力(例如由手)壓縮以強(qiáng)制將燃料注入電池中并強(qiáng)制廢棄材料回到儲(chǔ)存室。
當(dāng)多個(gè)電池電連接在一起，可使用絕緣/分流系統(tǒng)(ISS)以預(yù)防短路。該ISS包括與分別連接至每一個(gè)電池的個(gè)別燃料進(jìn)料管線相通的一系列閥。此構(gòu)造使單一燃料儲(chǔ)存室可將新的金屬糊進(jìn)料至許多電絕緣的電池。該系統(tǒng)使用一個(gè)“開”和“關(guān)”的機(jī)械裝置，當(dāng)反應(yīng)材料在“開”狀態(tài)被排空時(shí)，該機(jī)械裝置選擇性地使新的金屬糊注入個(gè)別電池，在電池操作期間，ISS被關(guān)掉，且在每一個(gè)電池中的金屬糊與主要燃料管線電隔離。
在實(shí)施方案中，ISS包括位于每一電池及主要進(jìn)料管線間的Teflon(或一些其他絕緣材料)活栓或閥，該活栓/閥可以已知方式左右移動(dòng)以開或關(guān)糊路徑。在另一實(shí)施方案中，該Teflon活栓/閥可旋轉(zhuǎn)90度以開或關(guān)閉糊路徑，系統(tǒng)中所有的活栓/閥間斷地移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，結(jié)果，串聯(lián)的電池以相同速率填充新的金屬糊，但以交錯(cuò)方式進(jìn)行。以此方式，ISS可預(yù)防經(jīng)由金屬燃料進(jìn)料的電池間的電流泄漏或短路。
為使系統(tǒng)的體積效率最大化，每一個(gè)電池優(yōu)選為圓筒形狀且包括空氣擴(kuò)散陰極、分離室、及鎳基電流收集器。金屬糊持續(xù)注入分離室與陽(yáng)極電流收集室間的預(yù)先限定的空間。形成陰離子和陽(yáng)離子傳導(dǎo)膜的傳導(dǎo)聚合物凝膠膜分離器材料的實(shí)例公開于同在申請(qǐng)中的1999年2月26日申請(qǐng)的美國(guó)申請(qǐng)第09/259,068號(hào)，在此并入作為參考。膜的凝膠組成包括在其溶液相中的離子材料，以使該材料的行為類似液體電解質(zhì)，而同時(shí)固體凝膠組成物預(yù)防溶液相擴(kuò)散進(jìn)入裝置中，此種膜部份包括載體材料或基質(zhì)，其優(yōu)選織物或無(wú)紡布如聚烯烴、聚乙烯醇、纖維素、或聚酰胺如尼龍。更具體而言，膜的聚合物基凝膠或薄膜部分包括電解質(zhì)，其在含聚合反應(yīng)抑制劑及一種或多種水溶性乙烯不飽和酰胺或酸單體的聚合反應(yīng)產(chǎn)物的溶液中，單體優(yōu)選為亞甲基二丙烯酰、丙烯酸胺、甲基丙烯酸、丙烯酸、1-乙烯基-2-吡咯烷酮、或他們的混合物。具體而言，該分離器包含包括載體的離子—傳導(dǎo)聚合物基固體凝膠膜，在載體上的溶液相內(nèi)包含具有離子材料的聚合物基凝膠。該聚合物基凝膠包括一種或多種單體的聚合反應(yīng)產(chǎn)物和增強(qiáng)劑，所述單體選自水溶性乙烯不飽和酰胺或酸的組中，所述增強(qiáng)劑選自水溶性及水溶脹聚合物的組中，其中加入離子材料至一種或多種單體，且增強(qiáng)劑在聚合反應(yīng)前加入?？捎糜诒景l(fā)明的其他分離器材料公開于同在申請(qǐng)中的2000年1月11日申請(qǐng)的美國(guó)申請(qǐng)第09/482,126號(hào)，在此引入作為參考。該’126申請(qǐng)公開了包括載體或基質(zhì)及在溶液相中具有離子材料的聚合物凝膠組合物的分離器，在制備該分離器時(shí)，在聚合反應(yīng)前將離子材料加入單體溶液且在聚合反應(yīng)后離子材料仍嵌在所得聚合物凝膠內(nèi)。離子材料性質(zhì)類似液體電解質(zhì)，但在同時(shí)，聚合物基質(zhì)固體凝膠膜提供平滑的不能透過(guò)的表面，其允許離子交換以進(jìn)行電池放電及充電。有利地是，分離器減少樹枝狀晶體滲漏且預(yù)防反應(yīng)產(chǎn)物如金屬氧化物擴(kuò)散至電池的其他部份，而且，所測(cè)得的分離器離子電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)固體電解質(zhì)或電解質(zhì)—聚合物膜的該種性質(zhì)。
適合的陰極結(jié)構(gòu)敘述于同在申請(qǐng)中的1999年10月8日申請(qǐng)的美國(guó)申請(qǐng)第09/415,449號(hào)，在此引入作為參考。在該'449申請(qǐng)的陰極包括多孔金屬發(fā)泡基底，其以傳送的孔洞的網(wǎng)絡(luò)方式形成。活性層及疏水的微孔氣體擴(kuò)散層皆位于金屬發(fā)泡基底的一種或多種表面上。該金屬發(fā)泡基底用作陰極電流收集器。微孔層為塑膠材料如含氟聚合物(即PTFE)。陰極也可包括由相對(duì)強(qiáng)的鍵加強(qiáng)的特別微結(jié)構(gòu)，此鍵由在金屬發(fā)泡基底的三維空間傳送的孔隙內(nèi)燒結(jié)聚合物粘合劑而提供的。該反應(yīng)層優(yōu)選由與粘合劑相同的材料制造。此有利地使單一輥筒軋壓操作能同時(shí)注入粘合劑進(jìn)入基底且在其上形成反應(yīng)層。形成此種電極的方法可包括混合碳及聚合性粘合劑以形成碳/聚合物摻合物、制備該碳/聚合物摻合物作為液體分散液或漿液、在實(shí)質(zhì)上連續(xù)的方法中將該碳/聚合物摻合物置于基底孔洞內(nèi)；將活性層置于基底上，及原位燒結(jié)具有電流收集器孔洞的聚合物摻合物。
對(duì)陽(yáng)極電流收集器，一個(gè)集成靜力混合器及電流收集器被用來(lái)有效地混合金屬糊以當(dāng)燃料經(jīng)過(guò)電池或電源堆疊時(shí)可固定地暴露未反應(yīng)金屬于陰極表面。此靜力混合器確保陰極與金屬糊陽(yáng)極間良好的接觸，以最優(yōu)化放電容量。
一種優(yōu)選的金屬糊展現(xiàn)高的電化學(xué)活性、良好的流動(dòng)性、低的內(nèi)電阻、及抗腐蝕性質(zhì)。一種理想的糊組合物包括金屬粉末(或前述尺寸范圍的金屬粒子)、流體凝膠或糊形成的電解質(zhì)(如具有約30-35％的KOH溶液)、抗腐蝕試劑、潤(rùn)滑劑、及電傳導(dǎo)試劑及若需要或必須時(shí)可包括其他添加劑。
一種由金屬顆粒(此可由如Aldrich Chemical Co.Milwaukee，WI得到)、以及35％凝膠電解質(zhì)(5％聚丙烯酰胺、35％KOH、60％水)的流體糊展現(xiàn)了期望的特性，包括低的內(nèi)電阻及良好的流動(dòng)性。
現(xiàn)在參照附圖的

圖1，說(shuō)明能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)10的示意圖，其包括能量轉(zhuǎn)換裝置12、儲(chǔ)存容器14、及一般以標(biāo)記16表示的流體路徑。能量轉(zhuǎn)換裝置12將燃料轉(zhuǎn)換為能量及排出物，且可為各種裝置中的任何一個(gè)，且于下文中更詳細(xì)說(shuō)明燃料電池的說(shuō)明性應(yīng)用。儲(chǔ)存容器14分成至少二個(gè)室18a、18b以分別儲(chǔ)存改變量的燃料及排出物。在此方面，室18a、18b可相反地變化體積以便當(dāng)燃料自室18a首先分配時(shí)，一定量的排出物在室18b被收集。在全部量的來(lái)自室18a的燃料被供應(yīng)至能量轉(zhuǎn)換裝置12且室18b充滿排出物后，儲(chǔ)存容器由一般命名為20a、20b的合適裝置自流體路徑18分開。再將儲(chǔ)存容器送至一般以27表示的設(shè)施/裝置以使用已知的加工技術(shù)再使排出物成為新的燃料，或燃料電池直接由裝置原位再充電以用于較小規(guī)模應(yīng)用如下所述?，F(xiàn)在在室18b(且室18a為空的)中含有新的燃料供應(yīng)的儲(chǔ)存容器14再與流動(dòng)路徑16連接且供給燃料至能量轉(zhuǎn)換裝置的方法反過(guò)來(lái)。然后再將新的燃料自室18b分配且將排出物在室18a被收集，然后再重復(fù)整個(gè)方法。
圖1的儲(chǔ)存容器14以可移動(dòng)壁22示意地說(shuō)明，可移動(dòng)壁22限定個(gè)別室18a、18b間的邊界且其改變室的相應(yīng)體積。壁22可包括分開的密封裝置24(即-O-圈裝置)以防止室間的泄露。壁22可經(jīng)由機(jī)械裝置(未示出)雙方向驅(qū)動(dòng)，機(jī)械機(jī)構(gòu)可操作性地偶合至活塞、螺旋驅(qū)動(dòng)等?？深A(yù)期的是可使用許多方法，且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可了解此處所示的特定實(shí)施例并不用來(lái)作為限制。
流動(dòng)路徑16所示表示為包含一對(duì)泵26a、26b，其與以實(shí)線及虛線表示的分支輸送管、導(dǎo)管或管子相通。一對(duì)閥28a、28b可獨(dú)立地帶動(dòng)以選擇使路徑中的流體流至每一室或自每一室流出。當(dāng)燃料自室18a或室18b分配，以及排出物回至相對(duì)的室18b或室18a，點(diǎn)線表示視相應(yīng)泵26a、26b的操作的相反流動(dòng)路徑。流動(dòng)路徑16可進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)排氣口及在流體膨脹(fluid plumping)領(lǐng)域中已知類型的相關(guān)硬件，為了清晰，這些元件未示出且為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，所示為在第一實(shí)施方案中的典型燃料電池電力系統(tǒng)30的示意圖。電力系統(tǒng)30一般包括儲(chǔ)存容器32、電源堆疊34、流動(dòng)路徑36及閥/絕緣系統(tǒng)(ISS)38。該儲(chǔ)存容器包括一對(duì)可相反變化體積的室40a、40b，如前文相關(guān)于圖1說(shuō)明的一般具體實(shí)施例所示。如圖2所示，流體陽(yáng)極材料起初包含于室40a。流動(dòng)路徑36包括泵42(雖然表示單一泵，但可安裝超過(guò)一個(gè)，且額外的泵位于室40a附近)以驅(qū)動(dòng)流體流經(jīng)系統(tǒng)。燃料起初由室40a分配至ISS 38。該ISS 38包括具有個(gè)別支管46a-d的燃料進(jìn)料導(dǎo)管44以使陽(yáng)極糊(或循環(huán)反轉(zhuǎn)為反應(yīng)產(chǎn)物)自儲(chǔ)存容器32傳送至多個(gè)相應(yīng)電池元件48a-d。每一個(gè)電池包括上述實(shí)例形式的空氣一陰極裝置49。具有個(gè)別支管52a-d的類似導(dǎo)管50經(jīng)由泵42連接至儲(chǔ)存容器32。形成電源堆疊的電池元件以常規(guī)方式彼此電連接且經(jīng)由接頭53a、53b與外部應(yīng)用相通。在實(shí)例循環(huán)操作期間，燃料自室40a傳送且反應(yīng)產(chǎn)物自電池元件48a-d傳送至室40b。通過(guò)將儲(chǔ)存容器32內(nèi)的隔板54移動(dòng)特定距離，儲(chǔ)存室40b中的反應(yīng)產(chǎn)物的儲(chǔ)存體積增加，而室40a中的陽(yáng)極流體的儲(chǔ)存體積減少(具有20％的體積補(bǔ)償，是因?yàn)樾碌娜剂限D(zhuǎn)化為反應(yīng)產(chǎn)物時(shí)的體積變化)。在燃料耗盡后，該儲(chǔ)存容器32再送至充電站(如圖1所示)以再充電/再組成反應(yīng)產(chǎn)物成為新的陽(yáng)極材料?；蛘?，廢棄產(chǎn)物可原位以本領(lǐng)域已知的方式施加電壓于氧化材料來(lái)充電。充電后，儲(chǔ)存容器32再連接于系統(tǒng)且循環(huán)是反方向的，自室40b分配新的陽(yáng)極燃料且在室40a收集反應(yīng)產(chǎn)物。
相對(duì)應(yīng)的閥46a-d及52a-d分別配對(duì)操作以選擇性地注入燃料及排出反應(yīng)產(chǎn)物至電池。鄰近電池的入口及出口閥每一個(gè)皆獨(dú)立操作，以使一次僅單個(gè)電池被供以燃料及排出反應(yīng)產(chǎn)物。結(jié)果，在個(gè)別電池間沒(méi)有經(jīng)由在供應(yīng)/除去路徑上的傳導(dǎo)金屬陽(yáng)極材料的電連續(xù)。此種電池設(shè)計(jì)具有少量移動(dòng)零件及具有易得到材料的簡(jiǎn)單構(gòu)造。包括如上所述的金屬粒子及凝膠電解質(zhì)的糊式的燃料可在外部泵的壓力下經(jīng)由系統(tǒng)自由流動(dòng)，其流動(dòng)方式類似于O2-H2燃料電池的氫燃料。將燃料供應(yīng)及廢材料儲(chǔ)存集成于單一容器，該容器被分隔為可相反改變的個(gè)別組成的儲(chǔ)存體積，此種整合提供了較佳的空間利用，簡(jiǎn)化了燃料的儲(chǔ)存、供應(yīng)及輸送且最終提供給消費(fèi)者降低的能量成本。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，說(shuō)明金屬—空氣電池電力系統(tǒng)30’的另一實(shí)施方案，與上述實(shí)施方案相似的組件被類似地編號(hào)。燃料電池電力系統(tǒng)30’包括儲(chǔ)存容器32’、電源堆疊34、流動(dòng)路徑36’及閥/絕緣系統(tǒng)(ISS)38。該儲(chǔ)存容器已被改進(jìn)以包括多個(gè)室56a、56b及58。根據(jù)以上討論原則，室56a及56b被一起驅(qū)動(dòng)且體積變化與室58相反。此處流體陽(yáng)極金屬與電解質(zhì)分開，金屬起初包含于室56a，且電解質(zhì)包含于室56b。流動(dòng)路徑36包括泵42a以驅(qū)動(dòng)液體流經(jīng)系統(tǒng)，混合器58與個(gè)別室56a、56b相通以在經(jīng)由泵42b及燃料進(jìn)料導(dǎo)管44輸送至電池前先混合流體金屬及電解質(zhì)成為“陽(yáng)極糊”。多個(gè)個(gè)別支管46a-d從儲(chǔ)存容器32將陽(yáng)極糊送至多個(gè)相對(duì)應(yīng)的電池元件48a-d。具有個(gè)別支管52a-d的類似導(dǎo)管50經(jīng)由泵42a連接至儲(chǔ)存容器32’。形成電源堆疊的電池元件以已知方式彼此電連接且經(jīng)由接頭53a、53b與外部應(yīng)用相通。在操作期間。陽(yáng)極金屬與電解質(zhì)分別自室56a、56b送出，在混合器58合并，并送至電池48a-d。當(dāng)電池放電時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物送至室50。通過(guò)將儲(chǔ)存容器32’內(nèi)的隔板54移動(dòng)特定距離，在儲(chǔ)存室58的反應(yīng)產(chǎn)物的儲(chǔ)存體積增加，而在室56a、56b的燃料成分的儲(chǔ)存體積減少(具有20％的體積補(bǔ)償)。在燃料消耗后，反應(yīng)產(chǎn)物填滿該儲(chǔ)存容器32’的所有體積。如上所述再將該儲(chǔ)存容器32’送至充電站。此種構(gòu)造通過(guò)維持金屬與電解質(zhì)是分開的直到要在電池使用燃料來(lái)減少腐蝕的可能性。
圖3A所示為前述的改進(jìn)，儲(chǔ)存容器32’的室58可被分隔成為子室58a、58b，且可在儲(chǔ)存容器32’及導(dǎo)管50間提供分離器元件60。陽(yáng)極金屬及電解質(zhì)廢棄產(chǎn)物由分離器元件60分離成為個(gè)別的陽(yáng)極金屬及電解質(zhì)成分，并再分別儲(chǔ)存于子室58a、58b中。這些室類似于上述的金屬及電解質(zhì)供應(yīng)室56a、56b。以此方式，在室58a的金屬氧化物被還原成新的金屬且電解質(zhì)在室58b被再組成或置換。之后，操作循環(huán)如上所述反轉(zhuǎn)。
現(xiàn)在參考圖4，說(shuō)明用于消費(fèi)性電子用品如家用器具等的儲(chǔ)存容器62。該儲(chǔ)存容器62包括可撓曲槽(即塑膠)及固定隔板64，隔板64限定第一室66a及第二室66b以分別儲(chǔ)存陽(yáng)極材料及收集反應(yīng)產(chǎn)物。在此實(shí)施方案中，施于槽壁的壓力會(huì)強(qiáng)制使陽(yáng)極材料自儲(chǔ)存室66a經(jīng)導(dǎo)管68至電化學(xué)電池(未示出)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)由第二導(dǎo)管70回到室66b。此“可壓縮的”儲(chǔ)存容器設(shè)計(jì)為具有足夠厚度且具有足夠彈性的壁，以允許在儲(chǔ)存容器壁上的手的壓力自儲(chǔ)存容器“擠出”一定體積的燃料。雖然在附圖中一個(gè)人的手被示意地畫出，可預(yù)期的是可使用外界壓縮裝置。一個(gè)優(yōu)選方法可以向儲(chǔ)存室壁以“擠壓作用”施加徑向壓力以均勻分配燃料。
現(xiàn)在參考圖5，說(shuō)明儲(chǔ)存容器72的另一實(shí)施方案，其包括本體74、及柱塞76。該柱塞76包括具有密封組件79及限定相反可變化體積的室80a、80b的活塞78以提供上述詳細(xì)討論的功能。一對(duì)導(dǎo)管82、84分別與室80a、80b傳送。柱塞76包括延伸的中空本體86及把手部份88以促進(jìn)其握緊。導(dǎo)管84通過(guò)該中空本體86并與室80b如所示結(jié)合。如圖中所示，當(dāng)柱塞76前進(jìn)至左側(cè)，室80a的體積被減少，且室80b的體積同時(shí)增加，由此強(qiáng)制使新的燃料自室80a流出并允許反應(yīng)產(chǎn)物或廢棄物于室80b被收集。
要了解的是本發(fā)明的前述附圖及敘述僅為了說(shuō)明，且可預(yù)期其可由本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)行明顯的修改，而不偏離如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍。雖然實(shí)例是以金屬空氣槽及電池示意及說(shuō)明，但本發(fā)明的單一儲(chǔ)存容器可良好地通用于需要收集或儲(chǔ)存廢棄物或反應(yīng)產(chǎn)物的任何能量轉(zhuǎn)換裝置。
權(quán)利要求
1.一種用于具有至少一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的、儲(chǔ)存一定量燃料及一定量排出物的儲(chǔ)存容器，該儲(chǔ)存容器包括容器本體，其可連接至該至少一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置且包括用于分別儲(chǔ)存一定量燃料及接收一定量排出物的位于該容器本體內(nèi)的至少兩個(gè)相反變化體積的室；以及減少所述第一室的體積而同時(shí)增加所述第二室的體積的裝置。
2.一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其包括儲(chǔ)存容器，其包括用于分別儲(chǔ)存一定量燃料及接收一定量排出物的位于該容器本體內(nèi)的至少兩個(gè)相反變化體積的室；用于減少所述第一室體積且同時(shí)增加所述第二室體積的裝置。至少一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置；用于傳送所述至少一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置與所述儲(chǔ)存容器內(nèi)所述第一室間的燃料的第一裝置；及用于傳送所述至少一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置與所述儲(chǔ)存容器內(nèi)所述第二室間的排出物的第二裝置。
3.如權(quán)利要求2的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置包括含陰極的燃料電池元件，及調(diào)整所述儲(chǔ)存容器用于儲(chǔ)存一定量的電化陽(yáng)極材料，以及一定量的反應(yīng)產(chǎn)物。
4.如權(quán)利要求3的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其還包括用于在該儲(chǔ)存容器內(nèi)再生反應(yīng)產(chǎn)物成為新的電化學(xué)陽(yáng)極材料的裝置；以及用于當(dāng)新的陽(yáng)極材料傳送至該燃料電池元件且反應(yīng)產(chǎn)物傳送至該儲(chǔ)存容器時(shí)改變所述第一及第二室的相應(yīng)體積的裝置。
5.如權(quán)利要求3的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中用于傳送的所述第一裝置及用于傳送的所述第二裝置分別包括至少一個(gè)導(dǎo)管，其偶合所述至少一個(gè)燃料電池元件至所述儲(chǔ)存室，每一個(gè)導(dǎo)管包括電絕緣閥以可選擇性地使新的陽(yáng)極材料及反應(yīng)產(chǎn)物傳送至/出彼此電連接的電池元件組中的單一燃料電池元件。
6.如權(quán)利要求3的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述第一室包括用于容納新的陽(yáng)極材料的第一子室及用于容納電解質(zhì)的第二子室以用于所述至少一個(gè)燃料電池元件，且所述系統(tǒng)還包括在傳送至所述至少一個(gè)燃料電池元件前，由相應(yīng)的第一子室和第二子室混合新的陽(yáng)極和電解質(zhì)材料的裝置。
7.如權(quán)利要求6的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述第二室包括容納陽(yáng)極反應(yīng)材料的第一子室及容納廢電解質(zhì)的第二子室，且所述系統(tǒng)還包括將陽(yáng)極反應(yīng)材料及廢電解質(zhì)分離的裝置。
8.如權(quán)利要求3的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述陽(yáng)極材料包括金屬，且所述陰極包括空氣去偏極元件。
9.如權(quán)利要求8的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述陽(yáng)極材料為由65重量％的金屬顆粒、以及35重量％的凝膠電解質(zhì)組成的流體糊。
10.如權(quán)利要求9的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述凝膠電解質(zhì)包括高達(dá)5％的聚丙烯酰胺、35％的KOH和水。
11.如權(quán)利要求3的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述陰極包含在凝膠分離器元件中。
12.如權(quán)利要求1的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述儲(chǔ)存容器具有至少一個(gè)撓性壁且該系統(tǒng)包括用于壓縮該撓性壁的裝置以強(qiáng)制陽(yáng)極材料自所述儲(chǔ)存室離開并進(jìn)入該至少一個(gè)燃料電池元件。
13.如權(quán)利要求3的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述陰極包括金屬發(fā)泡基底，其具有位于金屬發(fā)泡基底的至少一個(gè)表面上的活性層及疏水的微孔氣體擴(kuò)散層。
14.一種在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中用于供應(yīng)燃料至能量轉(zhuǎn)換裝置并收集來(lái)自能量轉(zhuǎn)換裝置的排出物的方法，其包括以下步驟將儲(chǔ)存容器連接至該能量轉(zhuǎn)換裝置，且儲(chǔ)存容器具有至少兩個(gè)室以分別供應(yīng)一定量的燃料至該能量轉(zhuǎn)換裝置及自該能量轉(zhuǎn)換裝置接收排出物；以及在所述儲(chǔ)存室中相反變化該第一及第二室的體積以供應(yīng)燃料至所述能量轉(zhuǎn)換裝置及自該能量轉(zhuǎn)換裝置接收排出物。
15.如權(quán)利要求14的方法，其還包括以下步驟將所述容器與所述能量轉(zhuǎn)換裝置分開；在所述容器內(nèi)將該排出物轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂?；以及再連接所述容器至所述能量轉(zhuǎn)換裝置以自所述第二室供應(yīng)新燃料且在所述第一室收集排出物。
16.一種在燃料電池電力系統(tǒng)中供應(yīng)燃料至至少一個(gè)燃料電池元件、以及自至少一個(gè)燃料電池元件收集反應(yīng)產(chǎn)物的方法，其包括以下步驟；將具有至少兩個(gè)室的儲(chǔ)存容器連接至燃料電池，以分別供應(yīng)陽(yáng)極流體至該燃料電池元件并從該燃料電池元件接收反應(yīng)產(chǎn)物；以及相反改變?cè)谠搩?chǔ)存室中的所述第一及第二室的體積，以供應(yīng)陽(yáng)極流體至所述燃料電池及自所述燃料電池元件接收反應(yīng)產(chǎn)物。
17.如權(quán)利要求16的方法，其還包括以下步驟將所述容器自所述燃料電池分離；將在所述第二室的反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為燃料；以及重新連接所述容器至所述燃料電池，以自所述第二室供應(yīng)新的陽(yáng)極流體至所述燃料電池及在所述第一室接收反應(yīng)產(chǎn)物。
18.一種用于至少一個(gè)燃料電池組的燃料供應(yīng)系統(tǒng)，其包括用于儲(chǔ)存一定量的電化學(xué)陽(yáng)極材料及一定量的反應(yīng)產(chǎn)物的儲(chǔ)存容器，該儲(chǔ)存容器包括至少兩個(gè)相反變化體積的隔離室；用于傳送連接至所述儲(chǔ)存容器中的至少一個(gè)電池與在所述儲(chǔ)存容器中的所述第一室間的陽(yáng)極材料的第一裝置；用于傳送該電池與所述儲(chǔ)存容器中的所述第二室間的反應(yīng)產(chǎn)物的第二裝置；當(dāng)新的陽(yáng)極材料傳送至所述電池及反應(yīng)產(chǎn)物傳送至所述儲(chǔ)存容器時(shí)可改變所述第一及第二室的相應(yīng)體積的裝置。
19.如權(quán)利要求18的燃料供應(yīng)系統(tǒng)，其還包括反應(yīng)產(chǎn)物自該電池移出后，再生儲(chǔ)存容器內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物成為新的電化陽(yáng)極材料的裝置；以及當(dāng)新的陽(yáng)極材料傳送至所述電池元件及反應(yīng)產(chǎn)物傳送至所述儲(chǔ)存容器時(shí)可改變所述第一及第二室的相應(yīng)體積的裝置。
全文摘要
一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其包括含至少二個(gè)相反變化體積的室(18a、18b)以分別儲(chǔ)存一定量的燃料及接收一定量的排出物的儲(chǔ)存容器(14)；一種用于減少第一室的體積，并同時(shí)增加第二室的體積的裝置(22)；至少一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置(12)；傳送該至少一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置與在該儲(chǔ)存容器內(nèi)該第一室間的燃料的第一裝置(16)；及傳送該至少一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置與在該儲(chǔ)存容器內(nèi)該第二室間的排出物的第二裝置。該儲(chǔ)存容器可被輸送至再充電/再填充位置或原位充電。金屬一空氣燃料電池電力系統(tǒng)的特定應(yīng)用被示出并說(shuō)明。
文檔編號(hào)H01M6/50GK1441975SQ01812639
公開日2003年9月10日 申請(qǐng)日期2001年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月12日
發(fā)明者薩迪格·M·法瑞斯, 蔡則彬, 姚文斌, 張?jiān)?申請(qǐng)人:瑞威歐公司