电化学电源的粒子供给装置及其制造方法

专利名称：电化学电源的粒子供给装置及其制造方法
背景技术：
1.发明领域本发明一般地涉及电化学电源。更具体地说，本发明涉及一种燃料粒子供给装置，它将锌燃料粒子提供给一个可补充燃料的锌/空(zinc/air)电源。
2.相关技术的说明由于高能量密度和低硬件成本的独特组合，在电动车辆推进装置用的锌/空电池方面已经重新成为关注点。假如锌/空电池能用一种简单和快速技术作成可机械地充电，那么该电池就能永远给电动车辆提供动力，而不用漫漫地充电、换电池、更换元件、或燃烧发动机的双动力。选择机械充电或加油对于车队电动车辆，比如公共汽车和运输车，以及其它工业或密闭工作车辆，都是重要的，这些车辆经常是每天必须工作八小时以上，以有效地收回车辆的高成本。交换使用电池方法实质上使电池投资翻番，而用燃烧式发动机则破坏了减少动力源排放的初衷。
机械式充电电池可以分成两种(1)可重构的电池，和(2)可加燃料的电池。可重构的电池的特征在于物理去除和重新装备电池元件，比如阳极板或盒，或甚至单个电池单元。可重构的电池已经由以色列的电动燃料公司开发，用于德国和意大利的运输车中，使运输车超过260英里的范围。阳极盒由机器人(与未消耗的锌和锌—氧化物副产品一道)被移动，并在一个工业装置中重新构造。简单化的优点必须与工业基础设施的成本相平衡。此外，阳极消耗是不完全的，并且电池不能部分充电。
可加燃料的电池采用一种电化学燃料，该燃料以一种类似于给汽车加油的方式被泵入电池。为此，它们经常被称为燃料电池或再生燃料电池。在加燃料时，所有的电池硬件保持在该车辆上，并且不会被扰动。寻找一种加燃料技术的目的是消除笨重的电池更换操作和集中的工业基础设施的要求，以支持车辆操作。不像电池重构那样，从电池反应产物回收锌作为燃料能采用小型电解设备来完成，该设备由该车队拥有和操作，通常在车队自己的站内。可加燃料的电池的例子是CGE锌/空淤浆(slurry)电池和由Evans或Alcazar或Cooper提出的概念。
现有技术企图开发一种快速加燃料的锌/空电源已经取得了有限进展。限制锌/空燃料电池的开发的最重要因素之一是需要一种方便快速的方法为燃料电池充分地加燃料。
大多数现有技术涉及给单个电池加燃料的方法，因而并不涉及给成堆大量的电池快速和充分地加燃料。相关现有技术的一部分包括下列美国专利Cooper的专利US 5,434,020；Nunnally的专利US5,869,200；Siu等人的专利US 5,849,427；Siu等人的专利US5,441,820；Evans等人的专利US 5,006,424；和Leparulo等人的专利US 3,847,671，它们都可在此结合起来作为参考。
Cooper公开了一种带锥型电池腔以便利用重力来供给燃料粒子的电化学电池。他所公开的内容包括充填装置，用于通过液流装置向储存漏斗中充填燃料粒子。但是，Cooper没有描述一种实用的实现液流加燃料操作的方法或装置。此外，在专利US 5,434,020以及出版物——汽车工程师学会出版物第951948号和LawrenceLivermore National Laboratory出版的《科学与技术(Science &Technology Review)》1995年10月，第8页)中所展示的典型的现有漏斗和供给通道的几何形状，使快速电解质流过供给管，并且与具有一个返回通路的燃料电池漏斗的平面垂直，没有装置用于高速电解质流动进入，并与燃料储存漏斗的平面平行。这种方法的一个缺点是它不会完全地填满储存漏斗，因为当粒子从以上快速流动的供给管中流出并“筑堤(mound)”在该漏斗中时，它们仅仅流入漏斗的一端。Cooper的燃料电池腔之间的分离器的易脆性(fragility)也教导人们，电解质流进和平行于燃料电池漏斗的平面。参见美国专利US 5,434,020，第2栏，II.61-65。
Nunnally的专利US 5,869,200公开了一种磁性淤浆燃料电池系统，其磁场用于将微粒球保持到电池电极板上。一个缺点是所公开的系统的复杂性。与其它现有技术或本发明相比，该复杂性导致系统的成本更高，并且在这样一个复杂系统中存在更高的故障潜在性。另一个缺点是需要用含铁磁或永磁铁心的燃料粒子。这大大地增加了燃料的成本。总之，Nunnally没有公开一种保证快速和完全给电池或燃料储存漏斗加燃料的方法。
Siu等人的专利US 5,849,427公开了一种用液流方法加燃料的电池。一个主要的缺点是每个电池上需要一个关闭阀，用来停止每个电池加燃料。对于一个电动车辆，这将需要几百个小阀门。因为结构的复杂性，所以，需要更高的成本，装配需要很大的存放面积，并且存在系统产生故障的可能性。
Siu等人的专利US 5,441,820公开了一种采用喷射粒子床的充电电池。一种在本发明中定义的喷射床就是从一个泵的再循环引起在一个“吸管”中的电解质向上流动。向上流动的目的是输送粒子并将它们带到粒子床的顶部，并保持该床处于稳定运动中。因此，在充电过程中，金属粒子被抑制凝聚。该专利没有描述用液流方法给电池加燃料的装置。
Evans等人的专利US 5,006,424公开了一种采用重力供给电解质和粒子的电池，其关键特征是产生对流力，以基于密度使电解质循环。该专利没有描述给该电池加燃料的方法或装置。
Leparulo等人的专利US 3,847,671公开了一种可用液流方法加燃料的电池系统。该装置这样构成，以致于固体和液体在放电后，加燃料之前，必须从每一电池按常规排掉。这种结构的缺点包括采用单独的液压硬件(阀等)，为每一电池提供一个复杂和庞大的系统。因此，除了比一些现有技术系统高得多的成本外，需要一个大的储存面积。
总体来说，尽管经过许多努力，但已知的现有技术仍没有解决与输送金属粒子到金属阳极基的可加燃料的电池堆相关的问题。这些问题包括加燃料的循环时间慢，在电池漏斗中粒子的筑堤，在电池漏斗中粒子的分布不均匀，金属燃料粒子的阻塞，硬件过多的复杂性，不均匀的充填分布，燃料粒子的堆积，和总体低速或其它低效燃料粒子供给操作。因此，很明显，存在一个对改进的燃料粒子供给机构的需求。本发明的新颖的粒子供给机构以及制造和操作它的方法，切实提供了解决这些问题和消除这些缺点的众多的新颖特征。
发明概述希望有一种新的和改进的技术和设计方案，用于将锌燃料粒子快速和有效地供给可加燃料的电池堆。本发明解决现有技术中的上述问题，并对这些众多长期存在的问题提供新的解决方案。申请人相信本发明完美地克服了这些在现有技术中出现的许多长期存在甚至忽略的问题和缺点，它们或是单独存在或是组合存在。
因此，本发明的一个目的是提供一种燃料粒子供给机构，它将防止在加燃料过程中燃料粒子的阻塞。另一个目的是防止在电池腔中的粒子筑堤。还有一个目的是在电池腔内实质上实现粒子的均匀分布。本发明的另一个目的是在燃料电池放电过程中，通过将在一个燃料电池内的单独的电池腔绝缘，防止燃料电池短路。还有再一个目的是提供一种简单的加燃料机构，以实现低成本和操作容易。本发明的另有一个目的是提供一种高速、高效的供给机构。再一目的是在电池损坏之前，通过监测内部压力和停止加燃料，防止电极、电池腔和供给机构的恶化或解体。本发明的一个目的是提供一种简单和快速加燃料的系统，它批量制造的费用低，又通用。最后，本主题发明的一个目的是实现上述单个的或组合的目的。
现有技术的上述困难和问题通过本发明而克服。本发明是一种燃料粒子供给机构，它明显地改善可加燃料锌/空燃料电池的操作。本发明的一个关键方面是一种燃料粒子供给系统，在该系统中，粒子通过一种不管是流体、气体、还是液体进入并平行于电池腔的平面的流动，而分散到该腔中。其结果是防止了在电池腔中的粒子筑堤，并且产生一种电池腔更完全的充填的结果。在一个实施例中，该系统包括一个分散头，耦合到一个淤浆源，该淤浆源包含一种电解质与粒子的混合物。该系统构造成这样在第一操作方式中，淤浆通过分散头的横向流动提供在与电池腔的平面垂直的方向，而在第二操作方式中，淤浆的流动是在与电池腔的平面平行的方向从分散头进入电池腔，淤浆的横向流动不会多于非实质性的流动量，即不多于20％。在第二种操作方式中，与普通方法相比，该系统在电池腔内达到一种更完全和更均匀的粒子分布，并避免在电池腔内的粒子筑堤。
在一个实施例中，由于电解质流过电池腔而对电池腔的损害在一个夹层布置中通过采用放置在两个腔壁之间的金属泡沫(foam)支承件而防止。这些支承件加固了腔壁，使它们能够抵抗电解质通过和进入电池腔而产生的液压力。
本新发明的另一关键特征是它与现有技术相比提供了一种简单高效的系统。更具体地说，本发明的关键新特征是在数个实施例中提供一种供给管，以快速输送电解质和燃料粒子到一个燃料电池堆。
本发明的一个关键目的是防止通道阻塞和防止电极和电池由于过高电解质压力而损害。本发明通过新供给管和一个电解质旁通特征实现这一目的。
实质上，该机构提供一种通过一个供给管将电解质和燃料粒子进入一个燃料电池的输入。该供给管具有几个实施例，它们改善了电解质和燃料粒子进入单个燃料电池腔的流动。每一电池腔可以完全是活性的，或每一电池腔的上部可以是一个“储存漏斗”，而其下部是燃料粒子在其中消耗的活性部。当在活性部中的燃料被消耗时，燃料粒子靠重力从储存漏斗供给每一电池的活性部。每一电池腔内的空间完全被燃料粒子均匀地填充，而不会堆积燃料粒子。当该供给机构处于关闭位置时，每一电池腔与任何其它电池腔的流体连通完全隔离。设置装置来防止给电池腔加压，并防止燃料粒子流出电池腔。该操作方法也是新颖的和简单的。
综上所述，本燃料粒子供给机构的一个实施例的新特征和特点包括一个分散系统，其构成是，通过一种不管是流体、气体、还是液体进入并平行于电池腔的平面的流动，而将粒子分散到电池腔中；有多个实施方式的燃料粒子供给管；一个压力传感机构；一个供给管的驱动系统；一个供给管的绝缘特征；和允许电解质流入电池的装置，以改善燃料漏斗的燃料完全充填，一个电解质旁通特征，和一个具有多个定位和多个实施例的燃料粒子筛网。
因此，利用本发明的新特点，采用新燃料粒子供给机构，使锌/空电池所用的加燃料系统得到改善。从附图和下面的描述中可以更清楚的看出本发明的这些和其它特点和优点。
附图的简要描述将下面描述的本发明的实施例与附图结合起来作参考，本发明的上述和其它目的和特点以及实现它们的方式将变得明显，并且该发明本身将很好理解，其中，密切相关的元件用相同的数字表示，但其下标字母不同。附图中

图1是一个系统线路图，具体表示本发明的整个燃料粒子供给系统的流程；图2是本发明的一个部分的透视图，表示在一个燃料电池堆内流体和燃料粒子输入到单个电池的一个有代表性的供给管；图3是在该燃料电池堆内流体和燃料粒子输入到单个电池的供给管的一个部分平面示意图；图4是燃料电池、供给管和供给管驱动马达的示意侧断面图；图5是供给管驱动马达的齿轮机构的放大局部端截面图；图6是具体表示电解质旁通的燃料电池的局部示意侧截面图；图7是供给管挖去的第二实施例的局部示意侧截面图；图8是除了在供给管壳体内的密封外，表示供给管轴向运动的带槽供给管的局部示意侧截面图；图9是表示带涂层的供给管的供给管的局部示意侧截面图；图10是表示带涂层的供给管的供给管的局部截面端视图；图11是表示供给管打开位置的轴向供给管操作的另一种结构的放大局部示意侧视图；图12是表示供给管关闭位置的轴向供给管操作的另一种结构的放大局部示意侧视图；图13是旋转供给管操作在打开位置的一个有代表性的加燃料操作的放大端视图，并表示最佳燃料粒子流动的第二实施例；图14是表示旋转供给管在关闭位置操作的完全加燃料操作的示意端视图；图15是表示采用多个供给管的另一个实施例的示意端视图；图16是表示另一个供给管中心定位实施例的示意端视图，表示多个电解质出口；
图17是燃料电池的示意端视图，表示最佳燃料粒子流的实施例；图18是一个供给管腔结构的实施例的放大的示意端视图，其中切掉了一部分；图19是第二个供给管腔结构的实施例的放大的示意端视图，其中切掉了一部分；图20和21是两种视图，表示根据本主题发明的分散系统的一个实施例；图22和25表示根据本主题发明的一个实施例的电解质流；图23表示根据本主题发明的第二个实施例的电解质流；图24表示根据本主题发明的腔壁支承的一个实施例；图26是一个流程图，表示根据本主题发明的操作方法的一个实施例。
优选实施例的描述为了给电池堆加燃料的目的，已经开发了一种燃料粒子供给机构。下面的描述将解释该机构的原理和方法。本发明的目的是提供一种改进的和新颖的装置，以解决在用粒子燃料给电池堆加燃料领域长期存在的问题。在一个锌/空电池中，典型的电池堆由单个电池组成。每个电池具有一个间隔或腔，它采用在此描述的装置或任何其它可行的装置填充燃料(通常是锌)粒子。在工作几小时后，该燃料电池粒子水平下降，并且必须加燃料。
直径大约为0.020-0.040英寸的锌燃料粒子储存在一个容器中，与燃料电池堆分开。无论使用速度是低或高，都希望该机构将电池充到最大燃料粒子水平。每一电池腔中的燃料水平能在完全空到完全满的任何位置。每一电池在加燃料后必须与其它电池完全密封。否则，在电池放电过程中，该系统发生短路，引起该电池关闭。此外，希望在加燃料过程中将供给电池的空气关掉，因为电池由于电解质和燃料通过供给管，在加燃料过程中，一起被短路。
本主题发明的粒子分配系统412的第一实施例表示在图20中。提供一个容器204，该容器204包含一个电池堆416。该电池堆416包括数个由腔壁202a，202b，202c隔开的电池腔444。在该堆中的每一电池被定位在一个平面200内。一个粒子分配器418提供在该容器端部205，206的中部。在一个实施例中，该分配器具有一个输入端414，一个横向流动输出端450，和一个平行流动输出端454。在本实施例中，分配器定位在一个平面201内，它实质上与电池堆的平面200垂直。在本实施例中，该系统能用两种方式操作。在第一操作方式中，粒子的横向流动在一个实质上与该分配器的横向平面201平行的方向通过该分配器。在第二操作方式中，该粒子在一个实质上与电池腔的平面200平行的方向从平行输出端454发出，不会多于非实质量(insubstantial amount)，即不多于从横向流动输出端450发出的粒子的20％。
图21是图20的系统412的顶视图，其中，与图20相比，相同的元件用相同的数字标号表示。如图21所示，一个出口434被提供，以允许一个流动介质，不管是流体、气体、还是液体，从该容器204。在一个实施例中，该分配器418放置在包含电池堆的容器204的一端205排出，并且出口434位于该容器204的另一端206。
在一个实施例中，流动介质是一种电解质。在本实施例中，管系422和阀门442设置在分配器输出端450。该阀门如此构，以致于在启动后实质上阻止电解质和粒子从输入端414通过该分配器418流到输出端450的横向流动，因此，不多于流进分配器的粒子的20％通过横向输出端450被发出。
在一个实施例中，如图22所示，该分配器418位于一个腔内，并在与数个接触点506接触配合时是可旋转的。在本实施例中，该分配器能处在打开和关闭位置。在打开位置，如图22所示，分配器被旋转，这样，粒子从分配器418的平行流动输出端454发出，并通过一个在电池的平面200上的流路494进入电池腔444，而不会多于非实质量，即，不多于20％的粒子通过该分配器的横向输出端450发出。
在关闭位置，如图25所示，分配器418被旋转，这样，粒子被阻止通过平行流动开口454。在该操作方式中，粒子的横向流动可以继续通过该分配器。
在一个实施例中，如图22和25所示，出口434是一种电解质出口，它由一个导入容器204的内部通道498形成，并且一个筛网496放置在容器204的顶部，以防止粒子从电解质出口434排出。在本实施例中，在容器204内部从分配器418的平行流动输出端454到电解质出口434通过一个电解质流动，粒子被分配到电池腔内。图22表示一个例子，其中，通过电解质流动的作用，在一个腔内的粒子水平从水平502a增加到水平502b。
图23表示第二实施例，它除了一个挡板516被提供替代筛网496以阻止粒子经电解质出口434通过之外，与上述实施例是一样的。
除了电解质外，还可以是流动介质。在一个实施例中，流动介质是一种液体，这样，粒子通过一种液体的流动而沉积。在第二实施例中，流动介质是一种气体，这样，粒子通过一种气体流动被沉积到该电池腔内。在第三实施例中，流动介质是一种流体，它包含或是一种气体或是一种液体。无论流动介质是什么，粒子都通过一个在实质上与电池腔的平面平行的方向延伸到电池腔内的流路，被沉积到电池腔中。粒子被沉积的流动可以是液流或是气流。
腔壁202a，202b，202c通常包括灵敏的阴极膜片，最好被支承，这样它们能阻挡从分配器的平行输出端454到出口434的流动介质流494的压力。在一个实施例中，如图24所示，在一种夹层布置中，腔壁通过在一个金属泡沫(foam)的一侧放置一个阴极膜片和在其另一侧放置一个薄导电电池分隔板而形成。该金属泡沫提供对腔壁的支承。这样，在图24中，阴极膜片207和导电分隔板208放置在一侧，并由金属泡沫204支承，阴极膜片205和导电分隔板206放置在一侧，并由金属泡沫203支承。该腔壁相互隔开，以形成一个包含燃料粒子的电池腔209。在一个实施例中，该金属泡沫是镍泡沫。参看图22，通过一个进入电池腔和实质上与电池腔的平面平行的流动，将燃料粒子分配到电池腔内，在电池腔内，一个燃料粒子更均匀的分布和完全的填充用现有技术来实现。这样避免了表示普通系统特征的筑堤和阻塞。
图26表示根据本主题发明的操作方法的一个实施例。在步骤301中，一种流动的方向实质上与电池的平面平行，它被提供到电池腔内。在一种实施例中，该流动如图22和23所示，即，从分配器的平行输出端454到出口434。在另一个实施例中，该流动是一种粒子和一种流动介质的混合物的流动，该介质是气体、液体、或是流体。在又一个实施例中，该流动是液流。在再一个实施例中，该流动是气流。在步骤302中，粒子通过流动的作用被分配到电池腔内。如步骤303所指示的那样，继续步骤302直到许多工作电池基本上填充粒子为止。
参看图1，图1表示一个系统线路图，具体表示本发明的一个优选实施例的整个燃料粒子供给系统10的流路。供给系统10包括一个锌/空燃料电池用的燃料粒子供给机构12。该燃料粒子供给机构12进一步包括一个通过新的供给管18将电解质和燃料粒子供给燃料电池16的输入端14。为电解质和燃料粒子的输入端14而设置装置。还为位于燃料粒子供给机构12下面的燃料电池堆16加燃料而设置装置。整个系统10可以与电池堆16和供给机构12放在同一壳体内，电池堆16和供给机构12可以分开，以使该系统平衡。
此外，更具体地说，该供给系统10包括一个电解质和燃料粒子的流化床20，或燃料粒子储存的其它装置，一个连接支管系22，数个阀门36，37，38，40和42，一个泵26，和一个电解槽28。该流化床20通过数个阀门36，37，38，40和42连接到该连接支管系22。该泵26在开始加燃料时，提供驱动力，以流化该流化床20，并将来自流化床20的电解质和燃料粒子30移动到燃料粒子供给机构12，并通过一个电解质出口34将电解质32返回到电解槽28，以便在需要时，开始另一次加燃料。数个阀门36，37，38，40和42在必要时，打开或关闭该供给系统10，同时电解质槽28提供电解质32到供给系统10，流化床20提供具有电解质和燃料粒子30的燃料，以给燃料粒子供给机构12加燃料。
数个阀门包括第一阀门36，第二阀门38，第三阀门37，第四阀门40，和第五阀门42。第一阀门36位于流化床20和泵26之间。第二阀门38位于泵26和供给管18之间。第三阀门37位于流化床20和供给管14之间，而第四阀门40位于燃料电池之后和电解槽之前。第五阀门42位于燃料电池之后和流化床20之前。加燃料的操作将在下面描述。
现在参看图2，图2表示本发明的一个实施例的局部透视图，示出了在燃料电池16内电解质和燃料粒子的输入端14到单独电池腔44的有代表性的供给管18。给燃料电池16加燃料的装置是供给管18，在一个实施例中，供给管18可移动地定位在一个燃料电池16的燃料电池顶部46，也可在燃料电池侧部48。图2还表示一个供给管输出端50，未用的或多余的电解质和燃料粒子30可以在加燃料操作之后，从输出端50排出。供给管18最好是一个圆筒，但是它应该理解为它能用许多其它形状和形式构造。锌/空电池的典型电池腔44是与供给管18接触以及与在每一燃料电池堆16中的一个燃料电池底部52接触。
更具体地说，如图2所示，电池腔44与在供给管18中的一个供给管切口54物理接触，并大致垂直对准。该切口54的特性与已知的现有技术相比是新的。切口54的目的，在下面将详细叙述，是保证每一电池腔44马上连通，以保证更快的加燃料，并且与每一个电池腔44绝缘，以防止当电池堆没加燃料时，电池腔44之间的短路。在燃料电池16中，当在关闭位置时，切口54的长度和弧度应准确地覆盖所述数目的各个燃料电池腔44，因而与每一个燃料电池腔44都绝缘，以防止在燃料电池放电过程中各个电池44之间短路，而且可以马上和快速给单个电池腔44加燃料。
接着参看图3，图3是优选实施例的局部平面示意图，表示在燃料电池16内，从电解质和燃料粒子输入端14到单个电池腔44的供给管18的一个实施例。从不同的角度表示供给管的切口54，示出了切口54怎样越过所有电池腔44的顶部。
现在参看图4，图4是一个示意侧截面图，表示燃料电池16、供给管18和供给管驱动马达56的一个实施例。在本实施例中，操作供给管18的装置是马达56，但是，可以采用任何其它装置，比如一个杠杆或螺旋推动机构。电源和与马达56的适当连接在现有技术中是已知的，因此，没有表示或描述。马达56安装在供给机构12的输入端的一个马达支承器和配件58上。该马达也能定位在输出端或其它地方。该马达支承器和配件58进一步整体固定到燃料电池16上。该马达56最好也定位在供给管18的下面。
马达56的成本低，因为旋转供给管18到打开或关闭位置，以使电解质和燃料粒子30能够流进电池腔44，只需要旋转一段短距离的弧线，动力需求最小。该供给管18能围绕其中心旋转，以使切口54(未示出)位于每一电池腔44的前面。每一电池44具有一个燃料粒子和电解质的入口以及电解质的出口(在此未示出，但表示在下面的图中)。所述入口和出口产生一个液体流动，它在每一电池腔44内移动燃料粒子，以填充到必需水平的方式，将它们布置成均匀的形式，而不会堆积燃料粒子，并且不会阻塞燃料粒子。
现在参看图5，图5是一个放大的局部端截面图，表示供给管驱动马达56的齿轮机构的一个实施例。位于马达支承器和配件58内，马达齿轮62包括两个马达齿轮定位器70和72，它们限制马达齿轮62和供给管齿轮64的运动，以致于供给管外壁68的转动可以充分地打开和关闭每一燃料电池腔44上的供给管18，从而可以马上和快速地加燃料。
接着参看图6，图6是一个局部示意侧截面图，表示燃料电池16的一个实施例，具体示出了一个燃料电池电解质旁通通道73。该旁通通道73位于供给机构12的输入端14附近，并通过一个内旁通网孔78与供给管18的下部74的狭缝76，和供给管18的一个切口段76流通地连通。以这种方式，旁通通道73在供给管18中，对电解质和燃料粒子的输入端14是打开的。旁通通道73通过一个这样网眼大小的旁通网78来过滤，以致于使多余的电解质(和未用的燃料粒子)(在此表示为电解质旁通输出箭头82)通过并离开燃料电池16，因而将电解质返回到电解质槽28中，以重新使用。
当最接近电解质输入端14的电池需要填充时，在粒子加料操作的端部附近的供给管18中过压和流速降低的情况下，需要该电解质旁通通道73。利用旁通通道73来释放过压，由此在该旁通通道的上游保持一个高电解质和粒子流速。换言之，旁通通道73保证了电池腔44在加燃料过程中被填充。保持低的内部压力，可防止电解质的流体流动免于停止，因而在电池腔44内留下未填充的面积。该新的旁通特性克服了最接近供给管入口的一个或两个电池腔未充满的问题，并使燃料粒子能够均匀充填，而没有燃料粒子堆积或燃料粒子阻塞。
现在参看图7，图7是局部示意侧视图，表示一个新的供给管切口54的第二实施例。该第二实施例包括数个凹槽切口84，在下面的图8，11和12中将更清楚地解释。
现在参看图8，图8是局部示意侧截面图，表示带凹槽的供给管，除了供给管18中的数个密封件88外，还示出了供给管18的轴向运动86。在供给管操作的另一个实施例中，该供给管18可以像在前一实施例中那样旋转，或轴向运动穿过燃料电池16的顶部，以给单个燃料电池腔44加燃料。该供给管18包括在供给管18的下部74中的数个带凹槽的切口84，其中，切口84被定位与所述单个燃料电池腔44之间的距离相匹配，因而也可防止在燃料电池放电过程中所述电池腔44之间短路。这一新特性的其它视图将表示在图11和12中。
数个密封件88，如图8所示，被定位在供给管18的远端，在供给管18和燃料电池本体的上部90之间，因而改善了供给机构12的密封能力，以防止电解质和燃料粒子30的泄漏。这些密封件88可以像其他流体密封场合所用的那样，由普通的O型环构成，或由其它普通密封元件构成。
接着参看图9，图9是一个局部示意侧截面图，表示供给管18的一个实施例，示出了一个带涂层的供给管。一个在供给管18的外层68上的新的和柔韧的涂层92保证供给管18和单个电池腔44之间的实质上完美的配合，因而保证电池腔44之间的绝缘，进而保证在单个电池腔44之间不会短路。该涂层92可以是几种类型的柔韧涂层之一，比如橡胶EPDM，Buna橡胶，Nytrile，或类似柔韧性的其它产品。
现在参看图10，图10是局部截面端视图，表示供给管的一个实施例，示出了在其外壁68上围绕供给管18的供给管涂层92。
现在参看图11，图11是轴向供给管操作的另一实施例的放大的局部示意侧视图，示出了供给管18的打开位置和数个带凹槽的切口84。在图11中，数个带凹槽切口84在单个电池腔44上排成一列，以便能够快速加燃料并且与毗邻的电池腔44局部绝缘。
接着参看图12，图12是轴向供给管操作的另一实施例的放大的局部示意侧视图，示出了供给管18的关闭位置和数个带凹槽的切口84。在图12中，数个带凹槽切口84阻塞单个电池腔44，以阻止继续加燃料，并保持与毗邻电池腔44的完全绝缘，因而防止在放电过程中电池短路。
现在参看图13，在一个单电池中有代表性的加燃料操作的示意端视图用旋转的供给管操作来表示，示出了最佳燃料粒子流动的一个实施例，就像燃料粒子流动线94所表示的那样。在最佳燃料粒子流动的这一实施例中，燃料电池16包括一个在燃料电池16的顶部46的筛网96。该筛网96由数个洞构成，洞的直径足够大，以便在完成加燃料时，允许电解质32通过；而且直径足够大，可防止进入单个电池腔44的燃料粒子流94通过筛网96。此外，电解质32返回到电解质槽28。该筛网96最好定位在电池腔的顶部附近。因此，电解质32将通过一个位于电池腔的顶部附近的窄通道98。在图13中，供给管18表示在打开位置100，具有电解质和燃料粒子14，用一个方向箭头表示。
此外，在图13中，可看到一个从底部52充填燃料电池16的燃料粒子水平102a到一个燃料粒子水平102b，直到供给管18的顶部的筛网96。当需要一个低液压阻抗出口面积来平衡燃料电池放电过程中通过锌粒子床的电解质流动时，穿过顶部的筛网96的定位是适当的。筛网96中的开口需要被平衡，以致于在电池加燃料的过程中，移动燃料粒子94的流动，到完全填充燃料电池16之前，不太多的电解质通过该筛网。
还有，如图13所示供给管18清楚地表示在一个供给管腔104内。供给管腔104作成这样的形状，在3个接触点106与供给管18直接接触(更清楚地表示在图18和19中)，不是围绕供给管18的周围连续接触。因此，供给管18可以旋转到打开位置100，而不要求高旋转力来填充在燃料电池16中的电池腔44。
现在参看图14，图14是一个实施例的示意端视图，表示一个具有旋转供给管操作的完全加燃料操作。鉴于前面的图13示出了供给管18的打开位置100，图14表示一个关闭位置，因为燃料电池16现在是一个完全填充的电池110，并用于放电。
接着参看图15，图15是一个示意端视图，表示另一个实施例，示出了多个供给管19和21。给燃料电池16加燃料的替换装置最好包括两个供给管19和21，定位在燃料电池16的一个中心顶部112的相对端。两个或两个以上的管19和21的用途是增加填充燃料电池16的速度。一个电解质输出端114定位在燃料电池16的顶部112的中心。
现在参看图16，图16是一个示意端视图，表示另一个中心定位实施例，示出了供给管18。给燃料电池16加燃料的替换装置包括一个在燃料电池16的中心顶部112的供给管18。由于供给管18的这一位置，两个电解质输出端114和115如图所示是可能的。
接着参看图17，图17是表示燃料电池16的示意端视图，示出了最佳燃料粒子的另一个实施例，如燃料粒子流动线94所示的那样。具体地说，一个小的筛网116，定位在燃料电池16的远端部48，用来覆盖电解质输出端114。该小筛网116的目的是移动燃料粒子更快速朝向出口，这样电池的顶部更快速地被粒子填充。
现在参看图18，图18是一个放大的示意局部端视图，切掉了一部分，表示供给管腔104的第二实施例。本实施例的供给管18具有5个接触点107，而不是围绕所述供给管18的周围连续接触，因而保证该供给管18转动到打开100和关闭位置108，而不要求高旋转力。很明显，更多的接触点在此是可能的和期望的，但是，接触点越少，在旋转供给管上的摩擦越小，这样，在操作过程中，只要求较少的能量来转动所述供给管从打开位置到关闭位置，和从关闭位置到打开位置。该优选实施例包括3个接触点。
燃料电池加燃料的工作过程燃料电池加燃料操作的一个实施例能简明地概括成5个步骤。第一步靠流动电解质通过供给管18来清洁供给管18，第二步是旋转供给管18。第三步是将电解质32中的燃料粒子供给到燃料电池16中。第四步是靠流动电解质通过供给管来清洁供给管。第五步是转动供给管18到关闭位置108，将各个电池腔44相互绝缘，以防止短路。
下面是详细步骤的一览表，提供加燃料操作的一个实施例的放大信息1.供给管18的一端连接到带来燃料粒子的支管系22，和在供给管输出端50处，供给管18连接到将燃料粒子返回到其原始位置的支管系22。
2.阀门38打开，阀门36和37关闭，电解质32泵送到供给管18，以清理掉供给管18的旋转通道的任何粒子。
3.然后，出口阀门42关闭。
4.使供给管18旋转，将切口54定位在电池腔44的前面。
5.打开阀门36和37，阀门38就关闭，然后，燃料粒子被供给进入供给管18。由于供给管18的出口阀门42被关闭，所以燃料粒子与电解质32移动进入腔44。一般地，所填充的第一腔是离出口侧最近的一个。当腔44的第一个充满时，电解质流动明显地折回到从出口数起的第二腔，燃料粒子移动进入第二个腔44，这一过程一直重复到所有的腔44被填充。
燃料粒子随电解质流动而移动。假如一个电池腔44内只有一个电解质32的出口洞，那么该流动将朝那个方向。燃料粒子在那个方向被推动和携带，由于它们比电解质32更重，最终去了燃料电池16的底部52。电解质32继续其运动朝向电解质32输出端114，与它一起移动燃料粒子。假如在腔44内有多于一个电解质32的输出端114，那么燃料粒子将移动到不同的输出端114。每当一个腔44充满，燃料粒子就聚集在与该腔直接邻近的供给管18的部分。在所有的电池腔填充后，由于供给管18内有许多燃料粒子，因此输入压力明显地上升，给出一个指示切断燃料粒子流动。知道何时切断燃料粒子流动94的另一种方法是用光学或其它方式探测在供给管18内的金属量。
6.燃料粒子流动94切断之后，供给管18的输出端50(阀门42)被打开，没有燃料粒子的电解质32通过供给管18被泵送。该电解质32携带留在供给管18内的燃料粒子返回到它们的原始处。电解质32清洁供给管18，并移动燃料粒子让开，从而使管18能够旋转。
7.然后，管18旋转，从腔44输入和密封一个靠着另一个地移动切口54。管18能用许多在电池44之间提供良好密封的材料作出来。如有必要，它可以用一种柔韧材料涂敷。
8.然后，燃料电池16准备工作，支管系22可以断开。
从而，尽管前面根据专利法的规定已经描述了本发明的原理和操作，但是应该理解为在前面的描述中说明了本发明的许多特征和优点以及本发明的结构和功能，本说明书所公开的只是示例性的，在本发明的原理和下面的权利要求所确定的较宽的范围内，可以有各种细节上的变化，特别是有关形状、大小、零件的化学组成和布置的变化。
权利要求
1.一种用于可加燃料的电化学装置的燃料粒子供给机构，包括(a)一个流体和电化学活性粒子的混合物源；(b)一个或一个以上供给管，每个具有至少一个壁孔；(c)一个或一个以上电化学电池；(d)一个用于传送电化学活性粒子的系统，它将电化学活性粒子从所述一个或一个以上供给管的至少一个壁孔传送到所述的一个或一个以上电化学电池，或者传送到一个或一个以上的腔，所述粒子可以从所述的腔供给到所述的电化学电池中；其中，在加料过程中，不多于非实质量的电化学活性粒子不通过所述的系统从所述的供给管排出。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述流体和粒子的输入由一个粒子供给系统提供，所述粒子供给系统包括(a)一粒子储存系统，包括一个流化床或其它储存流体和电化学活性粒子的系统；(b)一连接支管系；(c)数个阀门；(d)一个或一个以上的泵；和(e)一个流体槽，其中，所述粒子储存系统通过数个阀门连接到所述的连接支管系；一个所述的泵在开始加燃料时，提供驱动力，以移动电解质和粒子从所述粒子储存装置到所述粒子供给机构，并将所述流体返回到所述的流体槽，必要时，开始另一次加燃料；当必要时，所述数个阀门使所述供给系统打开或关闭；所述流体槽提供所述的流体到所述供给系统；所述粒子储存装置提供所述的燃料，以给所述燃料粒子供给机构加燃料。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述数个阀门进一步包括(a)第一阀门；(b)第二阀门；(c)第三阀门；(d)第四阀门；和(e)第五阀门其中，所述第一阀门位于所述粒子储存装置和一个所述泵之间；所述第二阀门位于所述一个或一个以上供给管和所述泵之间；所述第三阀门位于所述粒子储存装置和所述一个或一个以上供给管之间；所述第四阀门位于所述电化学电池和所述流体槽之间；所述第五阀门位于所述电化学电池和所述粒子储存装置之间。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述粒子储存装置是一个喷射床。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述的用于传送所述粒子的系统包括一个或一个以上的供给管，所述的供给管与一个或一个以上的所述电化学电池或腔的一部分相邻或相交。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述供给管具有一个或一个以上这样尺寸的切口，以便当所述的供给管在打开位置时，能够加燃料，当通过所述的供给管的旋转或轴向运动移向关闭位置时，盖住从所述的供给管进入所述单个电池或腔的开口，因而提供了各个所述的电池或腔与所有其它部分的电绝缘。
7.根据权利要求1所述的装置，进一步包括一个用于操作所述供给管的系统包括一个马达，用来驱动所述的供给管旋转，使流体和粒子能够流进所述的燃料电池。
8.根据权利要求1所述的装置，进一步包括一个用于操作所述供给管的系统，它包括一个杠杆或推力机构。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述马达进一步包括一个供给管齿轮和一个马达齿轮，其中，所述马达齿轮安装在所述的马达轴上，所述的供给管齿轮与所述的马达齿轮啮合，所述的供给管齿轮连接到所述的供给管，以驱动所述的供给管转动，用流体和粒子给所述电化学电池或腔加燃料。
10.根据权利要求5所述的装置，其中，所述的供给管具有两个停止装置，它们限制每一个所述供给管的运动，其中每一个所述供给管的转动或轴向直线运动足以打开和关闭在所述电化学电池之上的每一个所述的供给管，从而可以马上和快速把粒子从每一个供给管传送到所述的电池或腔。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述的用于传送粒子的系统进一步包括一个流体旁路；所述旁路位于所述供给机构的所述输入端附近，还通过所述供给管的一个壁穿过所述供给管的一部分；所述旁路对所述供给管中的流体或流体和粒子的所述输入端是打开的。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述旁路由一个旁路网来过滤，所述的网允许流体但不是粒子通过所述的旁路。
13.根据权利要求5所述的装置，其中，所述供给管旋转地或轴向地运动，以给所述的各个电池或腔加燃料。
14.根据权利要求6所述的装置，其中，所述的供给管的一部分上具有数个切口；所述切口被定位，以便与所述各个电池或腔之间的距离相匹配，从而，当所述的供给管被定位，以致于所述的第一切口与第一所述电池或腔对准时，粒子和流体可以从所述的供给管进入所述电池或腔。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，当所述供给管轴向地或转动地运动时，所述供给管切口打开或关闭所述各个电池或腔之间的流体连通，因而，当关闭时，使各个所述的电池或腔绝缘，进而防止当在关闭位置时所述电池之间短路。
16.根据权利要求5所述的装置，其中，所述供给管包括数个在所述供给管的端部附近的密封件，因而改善了所述供给机构的密封能力，防止所述流体和粒子的泄漏。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述供给管用一个柔韧涂料涂敷在其外表面上，因而保证所述供给管和所述各个电池或腔的壁之间的密封改善，从而保证所述电池或腔之间绝缘，进而保证在放电过程中所述各个电池或腔之间不会短路。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，一个或一个以上所述的电池或腔包含一个在每一个所述电池或腔附近或顶部的筛网，所述筛网包括数个孔，其直径足够大，以便在加燃料过程中使流体能够通过，并从所述的电池或腔排出，同时，所述的直径足够小，以防止粒子通过所述的筛网进入所述的电池或腔。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，在所述筛网的小孔直径是在大约0.001英寸到大约0.080英寸之间。
20.根据权利要求18所述的装置，其中，所述筛网将跨过每一电池或腔的顶部的一窄区与所述的电池或腔的其余部分分开，这样，所述的粒子被防止进入所述窄区，它连接到所述电池或腔的流体出口，所述窄区的横截面面积足够大，以便在电池放电过程中使通过所述的窄区的液压阻力最小，同时，所述窄区的横截面面积足够小，以便在加燃料过程中提供足够的液压阻力，防止流体流动的实质性液压短路，因而使每一个电池或腔的上端能够快速填充粒子。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述横截面面积是在大约0.006平方英寸到大约1.0平方英寸之间。
22.根据权利要求5所述的装置，其中，所述电池或腔的壁是这样的形状每一个壁以3-10个接触点与所述供给管直接接触，而不是围绕所述供给管的周围连续接触，因而保证所述供给管转动到打开和关闭位置，而不要求大的转动力。
23.根据权利要求5所述的装置，其中，所述的用于传送粒子的系统包括两个供给管，在每一个所述电池或腔的顶部的相对端或角落附近，所述的供给管与一个或一个以上所述电池或腔邻近或相交。
24.根据权利要求5所述的装置，其中，所述的用于传送粒子的系统包括供给管，在所述电池或腔的每一个顶部的中央或上角落的附近，所述的供给管与一个或一个以上所述电池或腔邻近或相交。
25.一种可加燃料的电化学装置的燃料粒子供给机构，包括(a)一个流体和电化学活性粒子的输入端；(b)一个或一个以上供给管；(c)一个或一个以上电化学电池；(d)输入装置，用于输入所述流体和粒子到所述供给管；(e)用于操作所述供给管的装置；和(f)传送装置，将电化学活性粒子从所述的供给管传送到一个或一个以上电化学电池内或一个或一个以上的腔内，所述的粒子可以从所述的腔供给到所述的电化学电池内；(g)保证装置，用于保证在加燃料过程中进入一个或一个以上供给管的流体的至少20％进入所述电池或腔。
26.一种给可加燃料的电化学装置加燃料的方法，至少包括下列步骤(a)提供一种流体和电化学活性粒子的输入；(b)在所述装置内操作一个供给管，以允许粒子从所述供给管传送到所述装置的其它部分；(c)通过所述的供给管将所述流体和粒子泵送到所述装置中；(d)泵送所述流体流过所述供给管，以清洁其中的粒子；和(f)操作所述供给管，以将它与所述的装置的其余部分绝缘，并在所述的装置中使每一电化学电池与所有其它的部分电绝缘。
27.根据权利要求26所述的给电化学电源加燃料的方法，其中，所述操作供给管的步骤包括将所述供给管转动或轴向移动到打开位置，以便填充电解质和燃料粒子；以及将所述供给管转动或轴向移动到关闭位置，以便在电源放电过程中提供电池之间的电绝缘，以致于所述的电源不会短路。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，用一个设置在所述装置上游的压力传感器来确定何时进行步骤(c)-(d)。
29.根据权利要求26所述的方法，其中，通过探测所述供给管中的粒子，用光学的、电学的、或机械的装置来确定何时进行步骤(c)-(d)。
30.根据权利要求26所述的方法，其中，利用通过如 11所述的流体旁通通道的流速或压降来确定何时进行步骤(c)-(d)。
31.根据权利要求25所述的机构，其中，所述保证进入所述一个或一个以上供给管的流体的至少20％在加燃料过程中进入所述电池或腔的装置，被增加到保证进入所述一个或一个以上供给管的流体的至少50％在加燃料过程中进入所述电池或腔的装置。
32.一种用于一个或一个以上电化学电池的燃料粒子分配系统，每个电化学电池在一个容器中沿一个平面纵向布置并且实质上位于该平面内，每一个所述的电池具有一个电池腔，所述的系统包括一个燃料粒子源；和一个分配器，耦合到所述的源，用于沿一个流路分配所述粒子，所述的流路进入所述的电池腔并实质上与所述电池腔的平面平行。
33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述的分配器分配粒子和流体的混合物。
34.根据权利要求33所述的系统，其中，所述的流体是一种气体。
35.根据权利要求33所述的系统，其中，所述的流体是一种液体。
36.根据权利要求35所述的系统，其中，所述的液体是一种电解质。
37.根据权利要求32所述的系统，其中，所述的分配器通过气流来分配所述的粒子。
38.根据权利要求32所述的系统，其中，所述的分配器通过液流来分配所述的粒子。
39.根据权利要求33所述的系统，进一步包括一个通过所述容器位于所述流路中的流体出口。
40.根据权利要求39所述的系统，进一步包括一个阻挡粒子经所述出口通过的挡板。
41.根据权利要求32所述的系统，其构造为，有选择地使流动可以通过所述的分配器，所述流动的方向实质上与所述电池腔的平面垂直。
42.根据权利要求32所述的系统，其中，所述电池腔由数个相隔的电池壁所构成。
43.根据权利要求42所述的系统，其中，所述电池壁包括支承的阴极膜片。
44.根据权利要求43所述的系统，其中，所述电池膜片由金属泡沫支承。
45.一种将燃料粒子分配到一个或一个以上电化学电池内的方法，每个电化学电池在一个容器中沿一个平面纵向布置并且实质上位于该平面内，所述的方法包括下列步骤在实质上与所述腔的平面平行的方向，提供一种进入所述电池腔的流动；利用所述的流动，将所述的粒子分配到所述的电池腔内；和继续所述的粒子分配，直到所述的电池腔基本上被填充为止。
46.根据权利要求45所述的方法，进一步包括在一个实质上与所述电池腔的平面垂直的方向有选择地提供一种流动。
47.根据权利要求45所述的方法，其中，所述的流动是气流。
48.根据权利要求45所述的方法，其中，所述的流动是液流。
49.根据权利要求45所述的方法，其中，所述的流动通过流动介质而产生。
50.根据权利要求49所述的方法，其中，所述的流动介质是气体。
51.根据权利要求49所述的方法，其中，所述的流动介质是液体。
52.根据权利要求49所述的方法，其中，所述的流动介质是流体。
53.根据权利要求1所述的机构，其中，所述的流体是一种电解质。
54.根据权利要求25所述的机构，其中，所述的流体是一种电解质。
55.根据权利要求26所述的机构，其中，所述的流体是一种电解质。
全文摘要
一种新的燃料粒子供给机构,它明显地改善可加燃料的电化学电源的操作。该机构的一种实施方式是通过一个供给管将一种电解质和电化学活性粒子传送给一个或一个以上电化学电池。该供给管具有几种实施方式,它们改善电解质和粒子的流动,并且使进入各个电池腔的粒子均匀和完全沉降。当打开时,每一个电池腔被完全填充,均匀并且不阻塞,当关闭时,电池腔之间的流体连通完全切断,以防止在放电或备用过程中该电源短路。设置装置,用来防止供给管被燃料粒子阻塞,以促使电池腔完全填充燃料,并防止燃料粒子过早地从电池腔流出。还描述了一种操作方法。
文档编号H01M2/36GK1361927SQ00810374
公开日2002年7月31日 申请日期2000年7月14日 优先权日1999年7月15日
发明者伯纳多·A·古铁雷斯, 杰弗里·A·科尔伯恩, 斯图尔特·I·斯梅德利, 肯特·I·斯梅德利 申请人:金属能源公司