流体歧管及用于其的方法

专利名称：流体歧管及用于其的方法
技术领域：
本文件涉及流体管理技术。更具体而言，本文件涉及流体歧管。
背景技术：
对于各种应用中的系统，技术上的趋势正朝更小规模不断发展。
射流(fluidic)系统可在系统所施加的限制性形状因素的范围内集成， 以控制流体的输送。例如，流量调节部件(flow-modulating component)可被布置用于诸如反应物传送、热传递和流体定量给料之 类的功能。
诸如个人电子设备之类的电子部件趋向于尺寸变得更小。随着电 子部件被设计得尺寸更小并引入精密、复杂的技术，对电源的要求变 得更多。例如，电源可能需要占据较小的体积或较小的占地面积以为 将该技术添加到设备中提供空间。附加的技术可能还要求电源持续更 长的时间段。此外，便携式电子设备可能需要在电源减少(shrink) 时维持能量储存。
用于电子部件的电源的一个实例是电化学电池系统。为了制造较 小的电化学电池系统，系统的许多单独部件，诸如流体传送部件，可 被做得较小，但需要满足电化学电池系统的技术要求。例如，流体传 送部件可能需要维持一定的压力，而不占据电化学电池系统的一个总 体(overall )显著的体积，并且不妨碍电化学电池系统的组装。此外， 电化学电池系统的功能性必须不受损害。


图1A图解了根据至少一个实施方案构造的电化学电池系统的分 解图。
图1B图解了根据至少一个实施方案的电化学电池系统的框图。 图2图解了根据至少一个实施方案构造的流体歧管的分解立体图。
6图3A图解了根据至少一个实施方案构造的导管层的横截面图。 图3B图解了根据至少一个实施方案构造的导管层的横截面图。 图3C图解了根据至少一个实施方案构造的导管层的横截面图。 图4图解了根据至少一个实施方案构造的流体歧管的分解立体图。
图5图解了根据至少一个实施方案构造的流体歧管的分解立体图。
图6图解了根据至少一个实施方案构造的带界面的箱 (enclosure )的视图。
图7图解了根据至少一个实施方案构造的带界面的箱的侧视图。
具体实施例方式
以下详细描述参考附图，该附图构成该详细描述的一部分。附图 以例示方式示出了其中可实施流体歧管和燃料电池燃料系统及方法的 特定实施方案。这些实施方案在本文中也被称为"实施例"或"选择 (option)"，其被足够详细地描迷以使得本领域技术人员能够实施 本发明。所述实施方案可组合，可使用其它实施方案，或者可进行结 构或逻辑变化，而不偏离本发明的范围。因此，以下详细描述不应被 视为限制性的，本发明的范围由所附权利要求及其法定等同物限定。
在本文件中，术语"一 (a)"或"一个(an)"用来包括一个或 一个以上，术语"或(or)"用来表示非排他的"或"，除非另有说 明。另外，应理解，本文中所用的、未另作限定的措词或术语，仅出 于描述的目的，而非进行限制。
本文中提供流体歧管。在下面的实施例中，讨论用于电化学电池 系统的燃料歧管。然而，流体歧管未必被这样限制，而是可用于其它 类型的射流控制系统(fluidic control system)或其它类型的需要 进行流体管理的系统。例如，流体歧管可用来传送或移除其他类型的 流体，包括但不限于水、氧化剂或传热流体。例如，流体歧管包括 但不限于燃料歧管、传热歧管、氧化剂歧管或水移除歧管。
定义在用于本文中时，"流体"指这样的连续、无定形物该连续、 无定形物的分子自由移动相互越过，并且该连续、无定形物具有呈其 容器的形状的趋势。流体可以是气体、液化气体、液体或处于压力下 的液体。流体的实例可包括流体反应物、燃料、氧化剂和传热流体。 用于燃料电池的流体燃料可包括氢气或液体和任何合适的流体形式的 氢载体。流体的实例包括空气，氧，水，氢，酒精例如甲醇和乙醇， 氨和氨衍生物例如胺和肼，硅烷例如乙硅烷，丙硅烷，二硅代丁烷 (disilabutane)，复合金属氲化物例如硼氢化铝，硼烷例如乙硼烷， 碳氢化合物例如环己烷，^t唑例如十二氢-正乙基呼唑 (dodecahydro-n-ethyl carbazole)， 以及其他饱和环状、多环碳 氩化合物，饱和氨基硼烷例如饱和环硼氮六烷(cyclotriborazane )， 丁烷，硼氢化物例如硼氢化钠和硼氢化钾，以及甲酸。在用于本文中时，"流体箱"可指用于储存流体的装置。流体箱 可物理地或以化学方法储存流体。例如，流体箱可以化学方法以活性 材料颗粒储存流体。在用于本文中时，"活性材料颗粒"指能够储存氢或其它流体的 材料颗粒，或指可吸留氢或另外的流体并可解除对其的吸附的材料颗 粒。活性材料颗粒可包括通过化学吸附、物理吸附或其组合吸留流体 例如氢的流体储存材料。 一些氢储存材料响应激励(stimulus)—— 例如温度变化、热的变化或压力变化——而解除对氢的吸附。响应激 励而释放氢的氲储存材料的实例包括金属氢化物、化学氢化物 (chemical hydride )、合适的微米陶资(micro-ceramics )、 纳米 陶瓷、氮化硼纳米管、有机金属骨架、含钯材料、沸石、二氧化硅、 氧化铝、石墨，以及碳基可逆流体储存材料例如合适的碳纳米管、碳 纤维、碳气溶胶以及活性碳、纳米结构碳或其任意组合。颗粒还可以 包括与氢接触时能形成金属氢化物的金属化合物、金属合金、金属， 其合金或其组合。活性材料颗粒可以包括镁、锂、铝、钓、硼、碳、 硅、过渡金属、镧系元素、金属间化合物、其固溶体或其组合。在用于本文中时，"吸留(occlude)"或"吸留(occluding)" 或"吸留(occlusion)"指吸收或吸附且留住物质例如流体。例如， 氢可以是被吸留的流体。例如，流体可被以化学方法或被物理地吸留，)"或"解吸(desorption)"指移除被吸收或被吸附的 物质。例如，氢可从活性材料颗粒移除。例如，氢或其它流体可被物 理地或以化学方法来束绰。在用于本文中时，"接触"指物理地、以 化学方法、电气地接触或在足够接近的范围内。流体可接触箱，例如， 其中物理地强使流体进入箱内。在用于本文中时，复合氢储存材料指混有粘合剂(binder)的活 性材料颗粒，其中该粘合剂使所述活性材料颗粒固定为足以维持其间 的相对空间关系。例如，活性材料颗粒是能够储存氢的材料颗粒或是 可吸留氢并可解除对其的吸附的材料颗粒，例如金属氢化物。活性材 料可以是与氢接触时能形成金属氢化物的金属化合物、金属合金、金 属。金属氢化物可以包括过渡金属、铝、镧系元素、钾、钒、钇、锰 和任何其它合适元素。例如，活性材料可以是LaNi5, FeTi，混合稀土金属(mischmetal),金属或矿石的混合物--例如MmNi5，其中Mm指镧系元素混合物。活性材料颗粒可以通过化学吸附、物理吸附 或其组合来吸留氢。活性材料颗粒也可以包括二氧化硅、氧化铝、沸 石、有机金属骨架、石墨、碳纤维、碳气溶胶、活性碳、纳米结构碳、 微米陶瓷、纳米陶瓷、氮化硼纳米管、含钯材料或其组合。复合氢储 存材料的实例可在2006年4月24日提交的共有美国专利申请系列号 No. 11/379， 970中找到。参照图1,示出了电化学电池系统例如电化学电池系统100的一 个实施例。尽管在本文中使用了术语电化学电池系统，但应注意，该 系统可用于任何电化学电池系统。电化学电池系统100包括燃料电池 102、燃料电池燃料系统104、进料口 106和燃料贮藏器108中的一个 或多个。该燃料电池燃料系统104包括一分层结构，该分层结构包括 但不限于至少一个压力调节器、至少一个止回阀、至少一个流量阀。 在一个选择中，该至少一个压力调节器、该至少一个止回阀、该至少 一个流量阀106包括堆叠在一起且可操作地一起相互作用的特征层 (featured layer)。该电化学电池系统100还包括一个歧管108, 例如与一流体箱114一一例如燃料贮藏器108__流体连接的燃料歧管120。该歧管118还与燃料电池102流体连接。用于燃料歧管和燃 料贮藏器的流体联接器(fluid coupling)可包括但不限于压缩密 封件、粘结结合物(adhesive bond)或焊料联接物(solder connection)。尽管燃料歧管被作为例子来讨论，但该歧管还可用来 分配、传送或移除其它类型的流体，例如，但不限于水、氧化剂或 冷却流体。
可使用用于可拆卸地连接流体联接器的装置，例如压力致动阀。 例如，压力致动的单向阀允许流体，例如流体燃料，流入燃料贮存系 统的流体箱。允许燃料在加燃料期间流入流体贮存器，但不允许燃料 从燃料贮存器回流出来。在一个选择中，如果流体贮存器被用燃料过 度加压，允许燃料从该流体贮存器回流出来。
一外部加燃料装置可用诸如0形环或垫圏之类的密封件相对于进 入口周围的密封面的一部分形成密封。燃料被引入流体控制系统，燃 料的射流压力压缩可压缩构件，打破该可压缩构件与外部盖件(cover ) 之间的密封。在另一选择中，围绕外部盖件的外部的环境可用燃料来 加压，以迫使燃料通过加燃料阀组件并进入燃料贮存器。
当加燃料过程完成时，从上述阀组件卸除加燃料装置器，并且阀 变为关闭的。例如，可压缩构件减压，通过燃料输出口来自燃料贮存 器的射流压力施加压力到该可压缩构件上，并使该可压缩构件紧压住 外部盖件。该可压缩构件的减压和/或来自贮存器的流体压力在该可压 缩构件和外部盖件之间建立密封，使得燃料不流过该可压缩构件进入 燃料进入口。在另一选择中，可压缩构件和/或流体扩散构件可被设计 为，如果燃料贮存器中的压力变得太大或大于一预定量，就有意失灵。
在另一选择中，流体联接器组件可用来将系统与另一部件连接。 该联接器组件包括一第一联接构件、 一第二联接构件和一位于它们之 间的密封构件。该第一联接构件和该第二联接构件是可磁接合的，例 如可通过具有相吸的极性的第一磁性构件和第二磁性构件磁接合。该 第一联接构件和该第二联接构件的接合在它们之间开通一流体流动路 径。当上述联接构件分离时，该流体流动路径被封住。
在另一选择中，系统包括一用于接触流体箱的应变吸收界面404。 例如，该界面被用于刚性或半刚性部件和柔性流体箱。该界面吸收由于流体箱在充以氢时的尺寸变化而引起的任何应变。刚性部件，例如
支架(mount)或用于燃料电池连通的射流装置，可通过该柔性界面连 接到流体箱，不冒由于机械应力而切变(sheer)的风险。该柔性界面 使得可以有更多供用于柔性流体箱的部件配置和应用。该柔性界面吸 收应变并支撑部件和箱之间的联接物。
参照图6，示出了根据一些实施方案的柔性流体箱界面系统400 的横截面图。系统400包括在第一侧与应变吸收界面404接触的柔性 流体箱406。在第二侧，界面404可与一特征层402接触。该特征层 可包括多个特征层或一个或多个特征层_一其共同形成一功能控制系 统部件。 一可选的射流联接物408可位于界面404中，将箱406和特 征层402连接。
上述流体箱可以是柔性的。例如， 一柔性流体箱可包括用于储存 流体的柔性衬里。例如，该流体箱可包括燃料盒(cartridge)，例如 可换式燃料盒、分配器盒(dispenser cartridge)、 一次性燃料安瓿 瓶(ampoule)、可再填充的燃料罐或燃料电池盒。该燃料盒可包括可 连接到燃料电池或燃料电池层的柔性衬里。该燃料盒还可包括用于将 该盒连接到燃料电池、燃料电池层或再填充装置的连接阀。例如，流 体箱406可以是通过将一外壁顺应地(conformably )连接到一复合氢 储存材料而形成的箱。
顺应地连接指在两个部件之间形成基本一致的结合，被连接为使 得以相应的形状或形式用化学方法或物理地结合。例如，结构装填物 或复合氢储存材料可顺应地连接到外层箱壁(outer enclosure wal 1 )， 其中外层箱壁用化学方法或物理地结合到该结构填充物或复合氢储存 材料并呈现其形状。该外层箱壁是流体箱内的最外层，其用来至少部 分地减緩流体从箱的扩散。该外层箱壁可包括多个由相同材料或不同 材料构成的层。例如，该外层箱壁可包括聚合物或金属。例如，流体 可以是氢。上述箱的例子可以在2006年6月23日提交的共有美国专 利申请系列号No. 11/473， 591中找到。
应变吸收界面404可由允许其为柔性的任何合适材料制成，吸收 应变并结合到箱406和特征层402。所选的材料应该在特征层402和 箱406之间提供合适的结合一一物理或化学结合，并且还允许箱壁的应变和特征层402的刚性之间有应变差，使得任何结合上的切应力 (sheer stress)不超过该结合的强度。例如，界面404可由弹性体 材料或硅材料制成。弹性体材料可以包括例如热塑性弹性体、聚氨酯 热塑性弹性体、聚酰胺、可熔体加工橡胶(melt processable rubber )、 热塑性硫化橡胶、合成橡胶和天然橡胶。合成橡胶材料的实例可以包 括丁腈橡胶、含氟弹性体例如Viton⑧橡胶(可从特拉华州的 E. I.DuPont de Nemours公司得到)、三元乙丙橡胶(EPDM橡胶)、 丁苯橡胶(SBR)以及氟碳橡胶(FKM)。
随着流体箱406被填充以流体或被装料，箱406的尺寸增加(见 图7)。应变吸收界面406可变形或改变尺寸，例如改变厚度412。于 是，已应变的界面414维持箱406和特征层402之间一致的、不大产 生压力的接触。于是，特征层402将经受很小的应变或不经受应变， 因为界面414吸收由箱406的活动导致的应变。界面414可吸收由箱 406的尺寸变化引起的所有应变或其至少一部分。
例如，特征层402可以是任何配件(fitting)、支架、连接器、 阀、调节器、减压装置、平面微射流装置、板或任何可控制流体从流 体箱流入或流出该箱的装置或其组合。流体的实例包括但不限于气 体、液化气体、液体或处于压力下的液体。流体的实例可包括流体反 应物、燃料、氧化剂和传热流体。用于燃料电池的流体燃料可包括氢 气或液体和任何合适的流体形式的氲载体。多个界面404和多个特征 层402可结合一个或多个流体箱406来使用，其中所述特征层形成功 能部件，例如，但不限于射流控制系统、歧管、压力调节器、止回 阀。在另一选择中，界面404可与射流控制系统的入口、燃料电池或 射流箱连接。
图1B图解了歧管118另外的实施例。燃料电池组件100包括流体 箱114，该流体箱通过歧管118与诸如压力调节器部件116之类的射 流控制器连接。上述一个或多个流体控制部件可包括但不限于射流 控制系统、入口、出口、止回阀部件、流量阀部件、进料阀部件、减 压部件、导管、开/关阀、手动开/关阀或释热部件(thermal relief component)。
压力调节器116经由歧管118与燃料电池102流体连接。歧管118在其中包括一个或多个导管通道130。在另一选择中，与压力调节器 部件116和燃料电池102流体连接的歧管118还可包括至少一个反馈 通道129和一传送通道133。传送通道133传送诸如燃料之类的流体 至燃料电池102。反馈通道129使得可基于源于燃料增压室(plenum) 中的压力的、给压力调节器部件116的反馈控制(pilot)该调节器， 并且反馈通道129流体连接到电化学电池系统的流体增压室。电化学 电池系统100的每个部件都可由如上文和下文所述构造的柔性层形 成。在另一选择中，所述一个或多个导管通道130包括一气体导管通 道。多个端口 (port)、通道一一包括导管通道或传送通道，是可能 的，例如图5和6所示。
参照图2，歧管118，例如燃料歧管120，包括由多个薄的柔性特 征层形成的分层结构。该分层结构被制得小，纳米加工技术和/或微米 加工(micro fabrication)技术可用来生产和组装这些层。例如，生 产和/或组装所述层的工艺包括但不限于微射流技术应用 (microf luics application)工艺或用于形成掩模的化学气相沉积以 及接下来的诸如蚀刻之类的工艺。此外，用于制造薄分层结构的材料 包括但不限于硅、聚二曱基硅氧烷、聚对二曱苯或其组合。
特征层包括一个或多个功能部件(feature)。在一个选择中，分 层结构的特征层提供气密密封使得特征层是气密的。例如，对于所述 层，不可渗透流体的结合物被设置。在另一实施例中，结合物可以是 基本不可渗透处于350psi或2. 5MPa的压力或4氐于350psi或2. 5MPa 的压力下的氢或者任何其它流体的。流体的实例包括但不限于氢、 曱醇、曱酸、丁烷、硼氢化物、水、空气或其组合。在另一选择中， 结合物是基本不可渗透处于150psi或1. 03MPa的压力下或低于 150psi或1. 03MPa的压力下的流体的。在又一选择中，结合物是基本 不可渗透处于15-30psi或0.10-0. 21MPa的压力下或低于15-30psi或0.10-0. 21MPa的压力下的流体的。分层结构使得歧管可具 有不占据不必要的体积也不占据不必要地大的占地面积的尺寸，但是 使得可以满足燃料电池燃料供应系统的压力、体积和温度要求。多个 层可通过热接合(bonding )、粘合剂、钎焊、超声焊接等结合在一起。
歧管118可由相对薄的材料层组成，从而使歧管118可以是柔性的。在一个选择中，歧管118和/或构成该歧管118的特征层——例如 但不限于导管层122和/或阻挡层，足够柔性而具有大约l-5mm的弯 曲半径。在另一选择中，歧管180和/或特征层和/或导管层122和/ 或阻挡层，具有不小于单个特征层的厚度的大约两倍的弯曲半径，其 中所述厚度可选地小于lmm- 200微米。柔性歧管可绕部件弯曲或裹住 部件，从而为电化学电池系统提供更大数量的组装选择。
流体歧管118包括至少一个特征层，例如部分地由第一面124和 第二面126限定的导管层122。在一个选择中，所述至少一个导管层 122例如与长度和宽度相比相对较薄。在一个实施例中，所述至少一 个导管层122的厚度大致小于约l咖。在另一实施例中，所述至少一 个导管层122的厚度是大约5jim-lmm。在一个实施例中，层122的 宽度和长度分别是大约lmm和100mm。在另一实施例中，所述至少一 个导管层122的厚度是大约100 nm，层122的宽度和长度分别是大约 lmm和1. 5mm。所述宽度和/或长度可以针对其中安装歧管118的系统 的几何结构改变。
在另一选择中，上述层的厚度是大约10 - 500微米，并且导管通 道的尺寸，例如高度或宽度或通道深度，是大约50微米-lmm。该层 非常平坦使得歧管的宽度是导管通道尺寸的大约30倍。在另一选择 中，歧管的平坦部分的宽度是导管通道尺寸的3倍。
上述至少一个导管层122在其中包括至少一个导管通道130。在 一个选择中，导管层122在其中包括多个导管通道130，并且在另一 选择中，多个导管层122在其中每个导管层122中包括多个导管通道 130。所述多个导管通道130在单个层中被相互相邻地布置。所述至少 一个导管通道130还可以是凹槽(recess)或部分凹槽或通道，并且 是允许诸如流体之类的材料流过的导管通道。在一个选择中，所述至 少一个导管通道130从笫一面124到第二面126延伸贯穿导管层122， 如图2和3A所示。在另一选择中，所述至少一个导管通道130仅在导 管层122的一面内部分地延伸，如图3B所示。在又一个选择中，导管 层122在单个导管层内包括两个或更多个导管通道130。例如，两个 或更多个从第一面124延伸到第二面126的导管通道130可被布置在 导管层122内，如图4所示。所述两个或更多个导管通道130可包括
14在导管层122的一面内部分地延伸的凹槽(图3B)，和/或所述导管 通道130可延伸贯穿所述层122 (即，从第一面124延伸并且穿过第 二面126)。在特征层内部分地延伸的导管通道130可选地可相互流 体连接。
上述两个或更多个导管通道130可在特征层例如导管层122内形 成，使得它们在导管层122中不相互相交。可替代地，所述两个或更 多个导管通道130可在特征层例如导管层122内形成，使得它们相互 相交或者在导管层122中流体连接。导管通道130沿导管层122延伸， 并允许诸如流体或燃料之类的材料流过它。在一个选择中，导管通道 130和/或端口被定尺寸和定位为使得通过其的流动是无限制的，这可 与上文或下文讨论的实施方案中的任一个结合。例如，导管通道130 和/或端口在整个歧管上被相似地定尺寸，使得不通过改变通道或端口 的横截面尺寸而限制通过其的流动。在另一选择中，所述导管通道是 传送通道，其中所述通道传送诸如燃料之类的流体。在另一选择中， 所述导管通道包括一反馈通道，例如，用于基于燃料电池燃料增压室 中的压力改变对调节器的激励。在又一选择中，导管通道是气体导管 通道。
在另一选择中，导管通道包括具有允许进行无限制的流动的表面 的通道。例如，导管通道具有为通道液力直径的1/50的表面粗糙度。 在另一选择中，用于导管通道的流体包括气体一一诸如降低通道的抑 制能力的低粘度流体，包括但不限于氢。
在另一选择中，诸如第一凹槽132之类的导管通道可在导管层122 的第一面124上形成，第二凹槽134可以在导管层122的第二面126 上形成，其中第一凹槽132和第二凹槽134不一定从第一面124 —直 延伸到第二面126。在图3C所示的实施例中，部分导管通道或凹槽136 被布置在导管层122的相对面上，从而允许材料经由第一面124和第 二面126上的凹槽行进通过它们。
在另一选择中，导管层122由金属、塑料、弹性体或复合材料或 其组合形成。在一个选择中，所述至少一个导管通道130在层112内 和/或穿过层122形成。例如，所述至少一个导管通道130可在层122 上、在层122内和/或穿过层122被蚀刻出或压印出。在另一选择中，所述至少一个导管通道130可在所述层内和/或穿过所述层被钻出，用 激光形成，在层122中模制出，在层122中冲切出，或在层122内和/ 或穿过层122加工出。在一个选择中，所述至少一个导管通道130具 有为凹槽深度的大约5-50倍的宽度。在另一选择中，所述至少一个 导管通道130具有大约lmm-2mm的宽度。在又一选择中，所述至少一 个凹槽具有大约50 - 100 nm的宽度。
歧管118的特征层之一还可选地包括至少一个阻挡层140,如图2 所示。该阻挡层限定导管通道130的一部分，例如限定导管通道130 的一个壁部分。在另一选择中，歧管118包括布置在导管层122的相 对侧的第一阻挡层142和第二阻挡层144。例如，第一阻挡层142靠 着导管层122的第一面124并相对其密封，第二阻挡层144靠着导管 层122的第二面126并相对其密封。这使得导管通道130可被封住并 形成材料所行进通过的导管。阻挡层142、 144可例如，但不限于，使 用粘合剂、接合技术或激光焊接与导管层122结合。在另一选择中， 阻挡层142、 144和一特征层例如导管层122堆叠在一起，并且还可选 地密封在一起。例如，层122、 142、 144堆叠在一起并可选地通过热 接合、粘结接合、胶合、钎焊、超声焊接、扩散结合、热密封等结合 在一起。在另一选择中，层122、 142、 144通过用氰基丙烯酸酯粘合 剂胶合而结合在一起。在又一选择中，层122、 142、 144可像MEMS 和/或集成电路一样被构建和选择性地蚀刻。
在一个选择中，层122、 142、 144包括一个或多个结合区域369， 使得可使粘合剂或其它粘结剂流动以便所述层被结合而无需功能部 件，同时导管通道或端口也被结合。在另一选择中，所述一个或多个 特征层包括阻挡功能部件，例如但不限于物理障碍物例如脊或凹槽， 和/或化学障碍物，其将结合区域与功能区域分开和/或防止结合材料 进入功能区域。
在另一选择中，所述特征层可形成其中包括一个或多个端口 150 的阻挡层142、 144中的一个或多个。例如，所述一个或多个端口 150 可包括入口 152和出口 154。该入口和出口 152、154被置于阻挡层144 内使得该入口和出口 152、 154与导管通道130流体连接。例如，该入 口和/或出口 152、 154相邻于另一特征层的至少一个导管通道放置，例如如图2和4所示。诸如流体燃料之类的材料可行进通过入口 152， 通过导管通道130，从出口 154出来。所述一个或多个端口 150在歧 管118和歧管120所连接的部件之间提供流体连通，所述部件例如但 不限于，流体箱例如燃料贮藏器108 (图1)或燃料电池102 (图1 )。 所述一个或多个端口 150还可在歧管118内，例如在各个特征层之间， 提供流体连通。应注意，可使用歧管118作为其中有单个入口和多个 出口的流体分配系统，使得歧管118给例如一个燃料电池层上的多个 位置供料。可用于歧管118的流体包括但不限于燃料、氢、水、冷却 剂或氧化剂。
在另一选择中， 一过滤器元件131可并入流动路径的一部分。例 如，该过滤器元件131可布置在导管通道130内，如图3A所示。在另 一选择中，该过滤器元件131可布置在端口 150例如入口 152内。该 过滤器元件131可包括多孔基底或流动抑制元件。在另一选择中，该 过滤器元件131可限定导管通道130。布置在导管通道130和/或端口 150内的过滤器元件131帮助防止例如在燃料歧管120绕其自身或燃 料电池组件内的其它部件弯曲时，导管通道130和/或端口 150损坏 (collapse)。在另一选择中，导管通道130沿导管层122延伸，并 且导管通道130由长度限定。在一个选择中，该过滤器元件131沿导 管通道130的一部分或整个长度延伸。在一个选择中，该过滤器元件 131是多孔基底。
图4和5图解了歧管118另外的选择，其中流体歧管包括多个特 征层。参照图4，燃料歧管120包括上述至少一个导管层122、 一第一 阻挡层142和一第二阻挡层144。第一阻挡层142和第二阻挡层144 在其中包括一个或多个端口 150。所述至少一个导管层122包括导管 通道，例如第一凹槽132、第二凹槽134和第三凹槽136。第一、第二 和第三凹槽132、 134、 136在导管层122内以一图形延伸，并在所述 层被堆叠在一起时与其各自的端口对齐，以便有流体连通。阻挡层142、 144可使用例如，但不限于，粘合剂、接合技术或激光焊接，与导管 层1"结合。在另一选择中，阻挡层142、 144和导管层122密封在一 起。
图5图解了也包括多个特征层的歧管118的另一实施例。例如，该歧管118包括多个特征层，所述多个特征层包括至少两个导管层 122、 一第一阻挡层142、 一第二阻挡层144和一第三阻挡层146。本 文中各实施方案的导管层122可用作阻挡层和导管层，并且各个功能 部件，例如端口或导管通道，或部分凹进的通道，可羊独或相结合地 在上述特征层中的一个或多个中形成。上述层包括至少一个导管通道。 该导管通道包括但不限于传送通道或反馈通道。
一第一导管层布置在第一阻挡层142和第二阻挡层之间， 一第二 导管层布置在第二阻挡层144和第三阻挡层146之间。应注意，另外 的层，包括导管层和阻挡层，可并入歧管118用于附加的材料流动选 择。
第一阻挡层142和/或第二阻挡层144在其中包括一个或多个端口 150。第三阻挡层146进一步在其中包括一个或多个端口 150是可能的。 端口 150使得材料可流进和流出歧管120，还使得材料可在多个导管 层122之间流动。上述至少一个导管层122在其中包括一个或多个凹 槽130。在例如通过将所述层堆叠在一起和可选地密封所述层而将所 述层弄到一起时，上述多个凹槽与其各自的端口对准。
阻挡层142、 144、 146可，例如但不限于，通过粘合剂、接合才支 术或激光焊接，与导管层122结合。在另一选择中，阻挡层142、 144、 146和导管层122密封在一起。各个层，包括特征层和/或阻挡层和/ 或导管层，使得可以有流动路径。在一个选择中， 一第一流动路径使 得可以在两个更多层上分配流体例如气体，其中该笫一流动路径从一 第一特征层延伸到一第二特征层。在又一选择中，所述流动路径从所 述第二特征层回返到所述第一特征层。在还一选择中，所述第一流动 路径绕过(circumnavigate) —第二流动路径。
流体歧管提供分层结构，使得可在相对少量的空间内进行燃料分 配。例如，燃料系统可被制成具有大约50 - 100jim的总厚度，或者在 另一实施例中，该总厚度为大约20 - 100 pm。燃料电池燃料歧管还使 得可进行燃料例如气体的传输，同时维持一定水平的压力。例如，氢 气可通过燃料歧管的分层结构来分配，同时压力在2- 10psig的范围 内。
流体歧管与燃料电池或其它系统部件相互作用，或可使用粘合剂结合到燃料电池或其它系统部件，该粘合剂在比较大的表面区域上起 作用达到由迫使部件分开的内部射流压力引起的力被粘结结合的强度 容易地克服的程度。高的内压可以用具有相对低的抗张强度的结合来
抵制o
一种方法包括将流体例如燃料引入流体歧管，该歧管包括两个或 更多个特征层，每个特征层具有多个导管通道。在一实施例中，燃料 包括气体，例如但不限于氢、氢、甲醇、氨、硅烷、曱酸丁烷或硼氢 化物。该方法还包括使流体流过所述导管通道。所述导管通道包括但 不限于燃料通道、反馈通道或传送通道。
该方法的几种选择如下。例如，该方法可选地包括提供燃料到一 燃料电池组件，其中流体歧管与燃料电池流体连接。该方法可选地包 括使材料从一第一导管层的一第一层凹槽流到一第二导管层的一第二 层凹槽，和/或使材料流过上述一个或多个导管通道中的至少一个内的
多孔基底，和/或通过所述导管通道提供传热流体到一电化学电池系 统。该方法还可选地包括通过所述导管通道提供氧化剂到一电化学电 池系统，或通过所述导管通道从该电化学电池系统移除水。
该方法另外的选择如下。例如，使流体流过一个或多个导管通道 包括使流体沿导管层中的一个部分凹进的通道流动，和/或使流体流过
一个或多个导管通道包括沿第一面中的一第一部分通道并沿第二面中 的一第二部分通道导引材料。在另一选择中，该方法还包括与一进料
口连接，和/或与燃料贮藏器连接。在又一选择中，该方法还包括经由 至少一第一流动路径在两个或更多个层上分配流体，该第一流动路径 从一第一特征层延伸到一第二特征层并从该第二特征层回返到该第一 特征层。
在本发明一些实施方案的描述中，参照了构成本文一部分的附图， 在附图中以例示方式示出了可实施的本发明的特定实施方案。在附图 中，所有几幅图中相同的数字表示基本相似的部件。这些实施方案被 足够详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明。可使用其它 实施方案，并且可进行结构、逻辑和电气变化，而不偏离本发明的范 围。以下详细描述不应被视为限制性的，本发明的范围仅由所附权利 要求以及所述权利要求享有其权利的等同物的完整范围限定。
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权利要求
1.一种歧管，包括两个或更多个特征层，所述两个或更多个特征层包括一导管层；以及所述导管层，所述导管层在其中具有多个导管通道，所述多个导管通道在单个特征层内被相互相邻地布置。
2. 如权利要求l所述的歧管，其中所述特征层具有不小于单个特 征层厚度的大约两倍的弯曲半径。
3. 如权利要求2所述的歧管，其中所述厚度小于lmm- 200微米。
4. 如权利要求1-3中任一项所述的歧管，还包括至少一个阻挡 层，所述至少一个阻挡层限定所述导管通道的一部分。
5. 如权利要求1-4中任一项所述的歧管，其中所述特征层中的一个或多个限定与所述导管通道中的至少一个导管通道流体连接的端 cr 。
6. 如权利要求1-5中任一项所述的歧管，其中所述特征层形成 一薄的柔性层，并具有大约1-5mm的弯曲半径。
7. 如权利要求1-6中任一项所述的歧管，其中所述导管通道中 的至少一个在所述特征层中的一个内仅部分地延伸。
8. 如权利要求1-7中任一项所述的歧管，其中所述特征层中的 一个的第一面在其中具有至少一个第一部分凹槽，该特征层的相对的 第二面在其中具有至少一个第二部分凹槽。
9. 如权利要求8所述的歧管，其中所述至少一个第一部分凹槽与 所述至少一个第二部分凹槽流体连接。
10. 如权利要求1-9中任一项所述的歧管，其中所述特征层被堆 叠并结合在一起。
11. 如权利要求1-10中任一项所述的歧管，其中所述特征层相 互之间具有气密密封。
12. 如权利要求1-11中任一项所述的歧管，其中所述导管通道 中的一个或多个在其中包括多孔基底。
13. 如权利要求1-12中任一项所述的歧管，其中所述导管通道 具有通道尺寸，所述歧管具有歧管宽度，其中所述歧管宽度是所述通道尺寸的大约20 - 30倍。
14. 一种电化学电池系统，包括 至少一个燃料电池；与所述至少一个燃料电池流体连接的至少一个流体歧管；以及 所述至少一个流体歧管，所述至少一个流体歧管包括两个或更多个特征层，所述两个或更多个特征层包括至少一个导管层，每个导管层具有一个或多个导管通道。
15. 如权利要求14所述的电化学电池系统，还包括与所述至少一 个燃料电池可连通地(communicatively)连接的流体箱。
16. 如权利要求14-15中任一项所述的电化学电池系统，还包括 一个或多个应变吸收界面，所述一个或多个应变吸收界面位于至少一 个流体箱与所述特征层中的至少一个之间并与所述的至少一个流体箱和所述特征层中的至少一个接触。
17. 如权利要求14-16中任一项所述的电化学电池系统，其中所 述至少 一个流体歧管是燃料歧管。
18. 如权利要求14-17中任一项所述的电化学电池系统，其中所 述至少 一个流体歧管包括传热歧管、氧化剂歧管或水移除歧管中的一 个或多个。
19. 如权利要求14-18中任一项所述的电化学电池系统，还包括 至少一个阻挡层，所述至少一个阻挡层与所述导管层连接，所述至少 一个阻挡层限定所述导管的一部分。
20. 如权利要求14-19中任一项所述的电化学电池系统，其中所 述特征层中的任一个包括流体连接到所述燃料电池的流体增压室的反 馈通道。
21. 如权利要求14-20中任一项所述的电化学电池系统，其中所 述至少一个流体歧管与所述电化学电池系统的一个或多个部件面接并 与其具有粘结结合。
22. 如权利要求21所述的电化学电池系统，其中所述粘结结合的结合强度低于所述至少一个流体歧管的内压。
23. 如权利要求14-22中任一项所述的电化学电池系统，其中所 述至少一个流体歧管与进料口或射流控制系统中的一个或多个面接。
24. —种方法，包括将流体引入流体歧管，所述歧管包括两个或更多个特征层，每个 特征层具有多个导管通道；以及 使流体流过所述导管通道。
25. 如权利要求24所述的方法，还包括提供燃料到燃料电池，其 中所述流体歧管与所述燃料电池流体连接。
26. 如权利要求24 - 25中任一项所述的方法，其中使流体流动包 括使流体从第一导管层的第一层凹槽流到第二导管层的第二层凹槽。
27. 如权利要求24 - 26中任一项所述的方法，其中使流体流过所 述导管通道包括使流体流过所述一个或多个导管通道中的至少一个内 的多孔基底。
28. 如权利要求24 - 27中任一项所述的方法，其中使流体流过所 述导管通道包括通过所述导管通道提供传热流体到电化学电池系统。
29. 如权利要求24 - 28中任一项所述的方法，其中使流体流过所 述导管通道包括通过所迷导管通道提供氧化剂到电化学电池系统或通 过所述导管通道从所述电化学电池系统移除水。
30. 如权利要求24 - 29中任一项所述的方法，其中使流体流过一个或多个导管通道包括使流体沿所述导管层中的部分凹进的通道流 动。
31. 如权利要求24 - 30中任一项所述的方法，其中使流体流过一个或多个导管通道包括沿所迷第一面中的第一部分通道并沿所述第二 面中的第二部分通道导引流体。
32. 如权利要求24 — 31中任一项所述的方法，还包括将所述流体歧管与进料口流体连接。
33. 如权利要求24 - 32中任一项所述的方法，还包括将所述流体 歧管与流体箱流体连接。
34. 如权利要求24 - 33中任一项所述的方法，还包括经由至少第 一流动路径在两个或更多个层上分配流体，所述第一流动路径从第一 特征层延伸到第二特征层并从所述第二特征层回返到所述第 一特征 层。
35. 如权利要求24 - 34中任一项所述的方法，其中使流体流过包括使气体流过所述导管通道。
36. 如权利要求24 - 35中任一项所述的方法，还包括在部件之间 形成流体连接，所述方法包括对基本平坦的面使用粘结联接(adhesive coupl ing )。
37. —种歧管，包括两个或更多个特征层，所述两个或更多个特征层包括两个或更多 个非限制性导管层，所述两个或更多个非限制性导管层包括第一导管 层和第二导管层；所述第一和第二导管层，每个导管层具有至少一个导管通道；以及与所述第二导管层堆叠的所述第一导管层。
38. 如权利要求37所述的歧管，其中所述至少一个导管通道是气 体导管通道。
39. 如权利要求37 - 38中任一项所述的歧管，还包括在两个或更 多个层上分配流体的第 一流动路径，所述第 一流动路径从第 一特征层 延伸到第二特征层。
40. 如权利要求34所述的歧管，其中所述流动路径从所述第二特 征层回返到所述第一特征层。
41. 如权利要求37 - 40中任一项所述的歧管，其中所述第一流动 路径绕过第二流动路径。
42. 如权利要求37-41中任一项所述的歧管，其中所述至少一个导管通道是传送通道。
43. 如权利要求37 - 42中任一项所述的歧管，其中所述至少一个导管通道是反馈通道。
全文摘要
一种流体歧管具有分层结构。该流体歧管包括具有第一面和第二面的至少一个导管层。该至少一个导管层具有至少一个导管通道。
文档编号B32B33/00GK101680588SQ200880016919
公开日2010年3月24日 申请日期2008年3月20日 优先权日2007年3月21日
发明者J·施鲁特恩, J·齐默曼, P·索贝杰库 申请人:昂斯特罗姆动力公司