专利名称：电化学致动阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及微致动器和阀，特别是包括此类致动器的电化学致动器和阀。
背景技术：
在许多技术应用中，对用于气体和/或液体的非常小的阀有需求。机械和/或机电阀往往难以小型化，并且制造成本高昂。作为机械和/或机电阀的一种替代方法，现有技术中已知有使用电化学装置来致动的致动器和阀。美国专利US-5，671，905中公开了电化学致动器的一个示例。它包括密封在一个基本恒定的容积室内的一种电解质溶液，在其中设置了多个电触头以使得该电解质与这些电触头电连接。通过该电解质在这些触头之间的电流通路将该电解质和/或电极材料分离成它的一种或多种组成气体，导致该隔室内的压力增加。此压力可以直接作用于或者通过气动或液压管路被路由以致动隔膜、移动活塞、膨胀气囊，或任何其他合适的将压力转换为运动或位移的方式。美国专利US-5，038，821公开了另一个示例。电化学致动的控制阀是由电化学原动机致动的，该原动机将直流电能转换成压缩气能，然后将其用于产生机械功。该电化学致动器的机械运动通常是线性运动。上述设备以单独的单元制造，需要单独安装或集成到它们将用于其中的系统中。它们还包括多个需要组装的部件，使得制造相当复杂并且因而昂贵。已公布的专利申请WO 2007/117212、WO 2009/025613 及 WO 2009/025614 描述了根据目前最先进水平的燃料电池技术。发明概述令人希望的是能够在一条连续的生产线上制造上面讨论的类型的致动器和/或全部的阀，即不需要组装分立组件。对于许多应用，将令人希望的是在制造过程中能够将致动器和/或阀集成到设备或系统中，即这些阀应在与它们集成进的整个设备或系统同样的制造过程中优选在连续的生产线中生产。因此，本发明的主要目的是为了简化致动器和/或阀的生产，并使生产更具成本效益。可以仅使用箔部件及粘合剂来生产致动器。这使得能够通过使用如圆压圆模切技术实现符合成本效益的大规模生产。为了这个目的，发明人已设计出了一种新型的致动器以及采用此类致动器的一种阀。权利要求1中定义了根据本发明的致动器。本发明的第二方面提供了一种包括根据本发明的致动器的阀。在权利要求22对该阀进行了定义。还提供了 一种燃料电池组件，其中该燃料电池是面内聚合物电解质燃料电池，并且其中该阀机构嵌入在组成该组件的层中的至少一层。权利要求30对此组件进行了定义。
从下文中给出的详细描述和仅通过插图的方式给出的附图，本发明的适用性的进一步范围将变得明显，因此不应被认为是对本发明的限制，并且其中
图1a示意性地示出了根据本发明的一个处于非致动状态的致动器；图1b示意性地示出了根据本发明的一个处于致动状态的致动器；图2更详细地示出了一个致动器的横截面的实施例；图3a示意性地展示了打开状态下的一个另一个实施例；图3b示意性地展示了关闭状态下的图3a的实施例；图4a示出了一个实施例，其在关闭状态以与图3相比相反的方式配置；图4b示意性地展示了打开状态下的图4a的实施例；图5a是一个测试装置的分解视图；图5b是一个测试装置的概览；以及图6是一个测试过程的压力vs时间曲线。图7示意性地展示了一个可在致动器中使用的氢泵；图8a示意性地展示了一个纳入了致动器的阀机构，该致动器包括一个根据图7所述的氢泵并且具有用于夹紧的螺钉孔；图8b示出了阀机构的组件的分解视图；图9示出了该阀机构的一个另一个实施例；图10示出了集成在燃料电池组件中的阀机构；以及图11是一个曲线图，示出了使用寿命测试之后的行为。优选实施例的详细描述为本申请的目的，术语“阀机构”应被理解为意指密封一个阀并且可被致动器的运动打开或关闭的机械/电化学设计。在其最普遍的方面，本发明包括一个可电化学操作的致动器。该致动器包括一个支撑结构、一个抵靠所述支撑结构密封以形成一个隔室的挠形膜、被适配成产生氢气或氧气并将该气体输送到所述隔室内部的电化学装置。该电化学装置包括在其相对侧上具有多个电极的一个离子传导膜、以及用于连接一个电压源以使在这些电极之间能够施加一个电势的终端装置。该挠形膜优选为一个单独的实体。该电化学装置优选集成到该挠形膜中。在一个优选实施例中该电化学装置是一个氢泵，但它也可以是一个电解器。该电化学装置还可以既作为一个氢泵又作为一个电解器操作。该膜适宜由硅橡胶或其他非电化学但惰性箔制成，但在一些实施例中它是形成膜电极组件的一部分的一个导电膜。该电化学装置优选至少部分嵌入到该膜中。图1a及Ib中示意性地示出了致动器的一个实施例以及其工作原理。图1a因此是致动器一个实施例的示意性展示并且示出了该创造性的概念。该致动器优选包括一个刚性支撑物10。在该支撑物10上有提供了一种电触头，适宜以涂锡的铜箔11的形式。一个离子导电聚合物膜12适宜通过一种粘合剂13 (适宜双面)与该箔11接触附着在该支撑物10上，该粘合剂13可以用作一个框架沿该支撑的外周伸展，将该膜12放置从而附着在该支撑物上。以这种方式，用其箔涂层11在该膜12与该支撑物10之间形成一个密封室14。在该膜12的至少一部分上在该膜的相对侧上设置有电极15、16。该图中，在该膜12的面朝该支撑物10的一侧上有一个阴极15，并在该膜的相对侧上有一个阳极16。这些电极15及16分别通过一些适当的接触装置(未示出)连接到供给适当的电压及电流(由带圆圈的“ + ”和表示)的一个电源上。该支撑物10应该基本上比该膜12刚性，因为该膜的挠曲不可以对该支撑的平面性产生任何显著程度的影响。图1a示出了非通电状态下的该致动器。图1b示出了一个情况，其中电压分别经由这些电极15及16应用于该膜12之上。该膜12优选具备吸湿性，以使得它将会从周围大气中吸收水分。膜材料的示例为磺化的多芳基、全氟化碳磺酸离聚物、磺化聚烯烃、磺化聚砜。因此，施加一个合适的通常为1.5至4V的电压将启动对该膜内的水的电解。由此氢将在该阴极放出并且氧将在该阳极放出。由于该阴极被限制在该膜12与该支撑物10之间形成的密封室内，氢气不能逃逸到周围环境但将在所述隔室14内开始积聚一个压力。图2中详细地示出了该致动器的一个实施例。通常用参考标号20指示的此致动器的最基本和最重要的组件是离子传导聚合物膜21，例如质子传导离聚物，像涂有薄电极、阳极22a及阴极22b的并且(如果需要的话)在两侧都部分覆盖有气体扩散层材料24a、24b (GDL)的全氟磺酸。该膜还可以是阴离子传导的，例如氢氧离子传导的。这些电极/催化剂涂覆的隔膜被称为3层膜电极组件(MEA，也称为催化剂涂覆隔膜(CCM)) 23。用于氧电极的催化剂可以例如是在碳载体上的钼/钌。它应该优选由一个鲁棒的催化剂及碳载体组成，如那些聚合物电解质膜电解器中使用的催化器及碳载体。对于氢电极，催化剂可以是以碳为载体的钼，其装填(例如0.05-0.5毫克钼/平方厘米)与以氧为载体的(将有0.5-1毫克钼/平方厘米)相比较低。这些电极22a、22b不可以在整个膜面积上延伸。该膜也可以是夹在催化剂涂覆的GDL之间的(即GDL24与有源电极层22的组合)一个全氟磺酸膜。该膜21的一侧抵靠机械刚性表面25密封，优选通过将一个双面粘合剂26的框架附着在该膜与该刚性表面之间的方式来获得。这些电极与提供电流及电压的外电路电接触。在该CCM密封侧的电触头可以优选是在密封侧与该GDL24b接触的锡涂覆铜箔27。在外部可对金属夹紧装置28执行电流收集，该装置被放置来夹紧该GDL。所述加紧也可穿孔，以提高这些电极的气体输送。或者也可用集电器箔执行外部电流收集，例如放置在该夹紧装置28与该外部GDL24a之间的挠性箔PCB (印刷电路板)。所述挠性箔PCB实质上是薄挠性PCB，也可用于该阀组件中的其他触头及传感器。要支持该膜21，可选择通过粘接装置附着一个支持性薄塑料薄膜29并覆盖该膜的一部分。为了增加该致动膜的力度和寿命,可向它附着一个刚性垫圈29’。也可以将该垫圈/刚性平面表面放置为与致动的对象(如阀杆)接触。该垫圈与该膜接触的面积越大，致动力就越大，并且同时致动冲程的幅度也减小。现在将详细描述致动过程。在一个实施例中致动是由电解过程实现的。因此，通过在这些电极之间施加一个通常为1.5-4V的电压，氧气和氢气将放出。所述气体是从该吸湿性离聚物膜及这些电极中的水分子的电解中产生的。这些电极可以被极化以使氢气在该膜的密封侧放出，或者交替极化以使氧气在密封侧放出。该隔室14内放出的气体会导致该膜12向上“隆起”(见图1a及lb)，并且在此冲程过程中提供的力度足以机械地推压某一个可动元件如阀杆。然后在密封侧放出氧气并且外部存在氢气的情况下，可以通过将这些电极之间的电压降低到0-0.9V获得再致动(即该膜在高度上减少)。因此，在这种模式下该氧气及氢气以与在燃料电池中相同的方式被消耗。或者可以通过从密封侧具有小型泄露的方式获得再致动。由于泄露，当关掉密封侧当前产生的氧气时该膜被降低。该致动也可以通过氢气泵送实现。在这种情况下，如果氢气出现在该膜的外部，可以通过将该MEA/CCM极化为0-1.2V优选0.05-0.3V之间(这比电解所需的小)来获得致动。该MEA/CCM的密封侧应与该电源的负极侧连接。在氢气“泵送”期间正极侧上的电极反应是H2向H+的电化学氧化，然后质子迁移并扩散到该膜的负极侧，在那里它们被再次电化学还原为H2气。该MEA/CCM被电化学“泵送”的氢气从该密封表面抬起进入到该MEA/CCM的密封侧。再致动(该膜高度从密封表面减少)是通过扭转极化获得的，这导致氢气从该密封侧抽出。或者可以通过从密封侧具有小型泄露获得再致动。由于泄露，当关掉密封侧当前产生的氢气时该膜被降低。现在将参照连同阀特别是清洗阀的实施来将本发明示例化，尽管本发明当然适用于所有种类的阀。此外，本发明可以通过其他许多种需要致动的设备实现。清洗阀通常需要在以所谓的闲端模式工作的燃料电池中操作。操作过程中，在出口附近存在惰性气体(如N2、H20(g))的积聚，必须不定期地将其清除。图3a_b和4a_b示出了两个不同的清洗阀。同样与该致动器有关的细节被赋予了与图1中相同的参考标号。此类型的阀(一般用30指示)可放置在例如两块钢板31、32之间，它们与一个塑料框33 —起形成一个密封的腔体34。在所示组件的底部将有用于将氢气传递到该腔体34中的气体通道35。通过从该气体通道35的开口 36将氢气馈送至该腔体。应当理解为，下面描述的致动器以及阀的设计也可以用于其他类型的阀，例如入口阀。下面描述的示例可以应用在例如发明背景中提到的专利出版物中描述的无源型燃料电池组件中，但该致动器也可以应用在常规的堆叠燃料电池中。图3示出了非致动状态下的一个打开的清洗阀。该阀机构30安装到上部的(如在图中看到的)钢板31上的穿过该板延伸的孔31’中。该阀包括一端连接于阀头37’而另一端连接于止动部件37’’的一个阀杆37。该止动部件将限制该阀的冲程。还提供了布置在该阀杆37周围并且倚靠在该阀头37’上的一种O型环38，所述O型环在该阀头37’与该钢板31的下侧之间提供密封功能。在该阀杆37周围还提供了一个弹簧39，该弹簧将迫使该阀进入打开位置(即图中向下)。在本设计中该阀通常是打开的，并且它仅在该阀30被致动时关闭，即当该膜12从该密封侧14的表面上抬升并且从而将该弹簧承载的阀头37’向上推压时(如在图中看到的)。在该燃料电池操作的过程中，该阀被一个小的支撑电流保持在其关闭状态下(该电流也可以是间歇性的)。为了监测该阀的位置以及在该密封侧的压力(例如，以避免太高的压力)，在该CCM/膜12与该阀机构的平坦表面之间有可能有一个压力敏感的触头(未示出)。如果施加的电流足够小将会有一个由以下原因导致的平衡压力:1)通过该密封件的氢气泄漏，2)通过该膜的氢气反向扩散，及3)由该膜/CCM上的电压差确定的热力学平衡压力。该阀将通过扭转电势及电流的方式偶尔打开，从而通过该膜将氢气“泵送”回去。
图4示出了非致动状态下的一个关闭的清洗阀。此阀机构包括本质上与图3中的该阀相同的组件。然而，在此配置中该O型环38设置在该钢板的上侧(如图中看到的)，在该板31的表面与该止动部件37’’之间。因此，有一个阀杆37及一个O形环38及一个弹簧39将迫使该阀进入关闭位置(即在图中下部)，如图4a所示。因此该阀是常闭的，并且因此应提供一个替代开口机构(例如手动机构)以在启动过程中(即在氢气到达该出口处的清洗阀之前)启用该燃料电池组件的清洗。或者在氢气到达该出口处的清洗阀之前可以通过增加电压的方式打开该阀，以使氢气和氧气放出(优选在密封侧上的氢气)。在运行此闲端燃料电池组件的同时，通过极化这些电极并由此打开该阀的方式优选通过将氢气泵送进入该密封侧的方式获得清洗。以与之前类似的方式通过反转该电压及电流获得该阀的关闭。本发明现在将进一步通过非限制性示例的方式示出。示例 I从伞状阀卸压的下降为了检查根据本发明所述的致动器的概念，建立了一个测试装置。用于该测试装置的致动器不包含任何⑶L。图5a示出了测试装置50的分解示意图，并且图5b中示出了一个整体的实验装置。51是连接塑料气嘴(约25 X 25 X I毫米)的出口端板，52及53是硅橡胶密封件(总厚度约4毫米)，其中心孔允许该伞状阀头移动，54是该伞状阀(阀耐，VA3497，硅酮)，55是约2毫米厚的板，有一个用于安装该伞状阀的3.6毫米的孔，56是硅胶密封件，有一个大开口(约7米)和一个狭缝以提供气体引导，57是刚性垫圈(未按比例)，具有比该硅胶密封件56的大开口更小的直径(约6毫米)。该硅胶密封件56的厚度约为2毫米而该垫圈57约为I毫米厚。58是涂锡的铜箔，用于约8毫米的电流收集内直径，59是直径为12的MEA，60是绝缘胶带，具有一个11毫米的中心孔及一个2毫米以下的气体引导孔，61是第二集电器胶带，62是塑料制成的背垫板，有一个用于气体引导的孔，63是硅橡胶密封件，具有一个中心孔及一个狭缝以提供气体引导，64是与塑料气嘴连接的入口端板。该组件用M3螺丝和螺母夹在一起。如图5b示意性地示出的装置通过一个约1.8PSI的压力与氢气源65连接并通过一个针形阀66 (设置为最大约45毫升/分钟的限流器(针阀))与转子流量计连接。该系统的压力通过电子压力表67配准。当该致动器推压该伞状阀时它的卸压减少，从而通过该装置给出了 一个较高的流量并配准了 一个较低的压力。测试步骤:图6示出了一个测试过程的压力vs时间曲线。设置该供电单元PSU (TTI CPX200)为最大电流50毫安及最大电压约4V。该PSU在10秒后开启。当压力减少到OPSI时(大概70秒后)，该PSU关闭。这导致在该伞状阀的背侧推压的致动器力的下降，从而导致该系统的压力增加。约150秒后，该PSU再次开启并且压力再次减小。该致动器中的膜材料在实验前曾被稍微加湿。开启PSU后没有直接接收到压力响应的原因是，在密封腔内的压力需要在它会影响伞状阀卸压之前积聚。第二次获得的最低压力较高的原因可能是，该伞状阀的放置方式有所改变因此它提供了更高的卸压。在另一项实验中，将该PSU的电压扭转并设置到0.7V。在这种情况下所使用的致动器的原则是关于氢泵的。这原则上提供了与图6所示的类似的曲线。现在来描述利用本发明的氢气泵送方面的致动器/阀机构的一个优选实施例。该氢泵是根据本发明所述的阀系统这个方面的核心。一般情况下，致动器是将能量转换成运动的某种装置。它也可用于施加一个力。致动器通常是一种机械设备，它获取能量(通常由空气产生)、电力、或液体并将其转换成某种形式的运动。此运动可以是从阻塞到夹紧到弹出的任何动作。致动器通常用在制造业或工业应用中，并可以用在类似发动机、泵、开关、及阀的装置中。为了本申请的目的，致动器被作为与气室一起的电化学氢泵，该气室中可以产生过压。该隔室的一个壁是由挠性膜构成的，并且该隔室内部的压力增加将导致该挠性膜移动(隆起)，并且要么影响一个阀构件将其推入阀座中，要么该膜本身可以执行密封行动。图7是一个示意图，基于氢气泵送的原理示出了致动器的氢泵部件的主要组成部分。因此，该氢泵包括一个MEA70，该MEA70在每一侧设置一个⑶L72。在一个示例性实施例中，该MEA包括由Gore PRMEA MEA cleo系列5710制成的厚度为18微米的膜。它在每个电极上有一个催化剂装填为0.4毫克/平方厘米的钼。该⑶L72适宜由多孔材料基于膨胀的天然石墨制成，例如但并不限于约200微米厚的碳纤维纸。此类材料可从西格里集团的SIGRACET获得。MEA/⑶L的组件由导电粘合剂76附着到一个(底部)集电器74上。该导电粘合剂的目的是密封并且避免该MEA与该底部集电器之间的任何氢气泄漏。除该组件外还提供了一个集电器78，并通过夹紧整个组件将其保持在适当位置。夹紧还降低了接触电阻。该集电器通常由金属箔(适宜铜箔)制成。在顶部的集电器中提供孔8)，用于使例如氢气进入该MEA。在底部的集电器及粘合剂中也有提供的孔，用于使释放的气体能够离开及进入气室。两个集电器中的一个或双方都可由带镀金触点的挠性箔制成，这将如在其他专利中所描述的一样使其更容易地将该氢泵集成到燃料电池组件中。该氢泵将仅在以下的附图中示意性地示出，并且将仅由轮廓形状表示。在图8a中示出了一个装置，其中在致动器中为一个阀使用了上述氢泵。在本实施例中该阀在其“正常”状态下是打开的，即该致动器仅用来关闭该阀。其他配置(其中该阀是常闭的且因此该致动器用于打开该阀)是可能的。因此，图8a中示出了根据本发明的一个电化学阀机构，该阀机构包括一个基于氢泵的致动器，对该氢泵的实施例示于图7中。将该致动器集成到该阀机构中并形成了其不可分割的一部分。在图8a中该氢泵83没有显示详细信息而是作为一个单元显示。整个机构设置在适宜厚度约0.5毫米的两块钢板81、811之间。该结构由多层材料片层建成，并且从底部向上(如图8a中看到，甚至在分解图8b中更清楚地看到)提供有一个第一钢板81，其上设置有一个非导电聚合物材料的薄片82，如聚乙烯或聚碳酸酯，约0.4毫米厚，并且其中布置有至少一个凹部86，该凹部在完整的结构中形成了一个通道。该凹部约1.5毫米宽13毫米长。在该非导电层82上提供有一个另一种非导电聚合物材料制成的薄片84，约0.2毫米厚，如聚乙烯或聚碳酸酯。在此片材中分别提供有孔84’、84’’，将能够使气体引入到由凹部86形成的通道中，并能够从该通道86中退出。该氢泵83与片材84接触放置，使得该电池的阴极侧位于该入口孔84’的上方。该氢泵83分别“嵌入”在层85 (粘合剂)及87 (硅橡胶膜)中。这是通过在各自的材料层中形成开口的方式实现的，以使得它们可以容纳该致动器单元83。以这种方式，氢泵上表面将与该膜平齐，即它不会在该膜的表面之上延伸。该粘合剂85有一个开口 85’覆盖从该通道/凹部86的出口 84’ ’，并有一个扩展以形成一个隔室。通过该粘合剂85附着在该非导电层84的该硅橡胶层87将因此在该粘合剂中的开口所处的区域中可移动。在该硅橡胶层87上有一个另一个非导电聚合物材料的片材813，例如聚乙烯或聚碳酸酯，约0.2毫米厚。此片材具有一个开口 813’以露出该致动器单元83的阳极侧，以及一个位于该隔室上方的开口 813’’，该隔室由该硅胶层下方的该粘合剂85中的该开口 85’形成。因此，在各自层84及813中该开口的组合使该硅橡胶弯曲，以响应在任一侧上的该隔室中的压力。在该层813之上设置了另一个非导电层88。此层88具有的凹部88’，该凹部在层813中的开口之间延伸并且重叠，从而在其间形成一个连通通道810。在层88中还提供有多个孔，形成如图中看到(用于氢气进入)的至该氢泵83上侧的入口 812，以及自该隔室的一个出口 89，该隔室由层813中的开口 813’’形成。最后，在顶部有一个第二钢板811，具有与层88的孔相对应的孔分别用于入口 /出口 812/89。因此，从图中可以看出，在该入口 812与该出口 89之间有一个打开的连通通道穿过所示的组件。在燃料电池的操作中，此组件将该氢燃料箱与该燃料电池堆中的有源电池连接起来。然而，如果需要关闭到该燃料电池堆的燃料供给，那么操作该氢泵83，并且通过该氢泵泵送氢气，该硅橡胶膜下方的压力将开始积聚并导致该硅橡胶膜“向上”隆起(如在图中用虚线示意性地示出)并最终密封该出口 89。当需要再次打开该阀时，该致动器通过扭转极性“向后”运行，以使该通道86中存在的氢气将被消耗在这些电极上并在该致动器的另一侧重整。图9中示意性地示出了另一个实施例。与图8中相同或类似的功能的参考标号将是相同的，但以“9”打头。因此，当该硅橡胶膜97被向上推压时，改善该出口 99的密封以及该阀的关闭的一个方式可能是使用一个“帽”915。该帽可以由一小片915比较软的材料组成，例如硅橡胶，不要比该出口孔过大。这一个应粘在由硬质材料制成的较大片914上，该较大片粘在该硅橡胶膜97上。因此，当该氢泵93泵送时，该硅橡胶膜97所施加的压力将只集中在该出口孔周围的小块区域上，从而改善密封。帽的使用既可以节约能源又可以节约昂贵的材料，如钼。事实上，由于压力集中在小块区域上，该致动器侧不需要达到一个高的压力。例如，如果没有此帽的情况下需要约I巴的压力来密封该出口，理论上讲如果设置了一个帽的话需要的压力会少得多。事实上，如果将一个直径为3毫米的帽粘在一个直径为6毫米的刚性材料片上，0.25巴的压力对于密封已然足够。在一个使用帽的实施例中，可以降低用来关闭该阀的电流，从而允许使用一个较小的氢泵。图10示意性地示出了在燃料电池组件100中根据本发明的阀的实施。在本实施例中的燃料电池是面内聚合物电解质燃料电池，优选串联连接并布置在一个平面内。该组件从具有所需及必需功能的多个材料层建立。该阀机构嵌入在组成该组件的层的至少一个层中。用圆圈标出了该阀V，包括该氢泵101以及该硅胶膜102。在燃料电池组件的操作中，氢气被提供给箭头所指的组件，即在104处的入口及在106处的出口。如果需要关闭该出口 106，向该氢泵101通电，它开始向该隔室108中泵送氢气，压力由此增加并且该膜102开始如虚线所表示的隆起，它由此将该出口 106关闭。为了测试该阀，进行了使用寿命实验，并在下面的实施例2中描述。示例2根据图8a设计了一个阀。顶部及底部的钢板均为0.5毫米厚。加紧是通过六个M2螺丝和螺母实现的。整个组件(未包括螺钉和螺母)的外部尺寸为25x15x4毫米。通过添加一点硅脂该硅橡胶膜与该出口孔之间的密封性能得到了改善。通过将该入口连接至I巴的氢气并将该出口连接至质量流控制器(设定为50毫升每分钟)，该阀的循环功能得以检查。通过电触点该阀暴露到以下的循环:+100毫安约2秒(关闭该阀)，开路约I秒，+10毫伏约3秒(保持该阀关闭)，开路约I秒，-100毫安约2秒(再次打开该阀)，开路3秒。此循环重复了 1500个循环并且通过该质量流调节器配准了流剖面图。在该1500个循环中该流剖面图都是类似的，并且图11中给出了 1400左右的循环。该阀很好地打开和关闭并且在该阀中的开口看到的流量的拐点是由于该质量流控制器内部的流量调节。一个循环的能量消耗约为70兆焦耳而所需的最大功率约为10毫瓦。把该阀放在货架上20天后再次实验1000个循环，气体流量结果本质上相同。
权利要求
1.一种可电化学操作的致动器(101)，包括 一个支撑结构； 一个挠性膜，该挠性膜抵靠所述支撑结构密封以形成一个隔室； 电化学装置，该电化学装置被适配成产生氢气或氧气并将该气体输送到所述隔室内部; 该电化学装置包括在其相对侧上具有一个电极的一个离子传导膜、以及用于连接一个电压源以使在这些电极之间能够施加一个电势的终端装置。
2.根据权利要求1中所述的致动器，其中该挠性膜是一个单独的实体。
3.根据权利要求1所述的致动器，其中电化学装置与该挠性膜集成在一起。
4.根据权利要求1或2或3所述的致动器，其中该电化学装置是一个氢泵。
5.根据权利要求1或2或3所述的致动器，其中该电化学装置是一个电解器。
6.根据权利要求1所述的致动器，其中该电化学装置既可作为一个氢泵也可作为一个电解器进行操作或可操作。
7.根据任一前述权利要求所述的致动器，其中该膜由硅橡胶或其他非电化学但惰性箔制成。
8.根据权利要求7所述的致动器，其中该电化学装置至少部分嵌入到该膜中。
9.根据权利要求4或权利要求4的从属权利要求7至8中任一项所述的致动器，其中该电化学装置包括一 个膜电极组件(MEA)、以及在该膜电极组件(MEA)的各侧上的一个气体扩散层(⑶L)、以及在其各侧上的一个集电器。
10.根据权利要求3所述的致动器，其中 该膜是一个离子导电聚合物膜(12)，有一个阳极(16)及一个阴极(15)电极配置在每一个所述膜(12)的一侧上，从而形成一个膜电极组件(MEA);并且进一步包括用于将所述电极(15，16 )连接至一个电压源的装置。
11.根据任一前述权利要求所述的致动器，其中该膜由从一个组中选择的一种材料制成，该组由磺化多芳基、全氟化碳磺酸离聚物、磺化聚烯烃、磺化聚砜组成。
12.根据权利要求10或11所述的致动器，其中该膜是吸湿阳离子传导例如质子传导离聚物。
13.根据权利要求10或11所述的致动器，其中该膜是吸湿阴离子传导例如氢氧离子传导膜。
14.根据任一前述权利要求所述的致动器，该致动器在这些电极上进一步包括多个气体扩散层(24a，24b)。
15.根据任一前述权利要求所述的致动器，其中这些电极(15，16;22a，22b)仅覆盖该膜面积的一小部分。
16.根据任一前述权利要求所述的致动器，其中该阴极设置在该膜(12)面朝该支撑物(10)的一侧上，并且该阳极设置在该膜的相对侧上。
17.根据权利要求10至15中的任一项所述的致动器，其中该阳极设置在该膜(12)面朝该支撑物(10)的一侧上，并且该阴极设置在该膜的相对侧上。
18.根据任一前述权利要求所述的致动器，其中该支撑物(10)基本上比该膜(12)更刚性，以便该膜的挠曲不可以对该支撑物(10)的平面性产生任何显著程度的影响。
19.根据任一前述权利要求所述的致动器，其中该致动器被适配成被1.5-4V的电压通电。
20.根据任一前述权利要求所述的致动器，其中该膜是由例如四氟乙烯、PTFE、该膜内的多孔网络机械支撑的。
21.根据任一前述权利要求所述的致动器，其中有一个刚性部件(19)附着到该膜上，并将其放置以便与待致动的一个对象如阀杆接触。
22.—种阀机构(30),包括 一个阀杆(37)； 一个阀头(37’)；以及 一个弹簧(38)，被布置为迫使该阀从一个第一位置进入一个第二位置， 其特征在于 根据权利要求10至21中任一项所述的致动器，被布置为使得该膜(12)与该阀头(37’ )相邻，由此当该致动器被致动时将迫使该阀从所述第一位置进入所述第二位置。
23.—种阀机构,包括 一个支撑结构，由多个材料层形成； 根据权利要求1至21中任一项所述的嵌入在该支撑结构中的一个致动器； 一个通道，设置在与该致动器的一侧处于流体连通的该支撑结构的至少一层中，用于接收该致动器操作过程中释放的气体； 一个挠性膜，形成该支持结构的一层的至少一部分并且由一种粘合剂附着在该支撑结构的一层中，但留下该膜的一个区域不附着于该一层，以便在所述一层与该膜之间形成一个隔室，同时在所述一层中设置一个孔用于在该隔室与该通道之间提供流体连通。
24.根据权利要求23所述的阀机构，其中靠近一个气体通道开口设置该膜，以便当该致动器运行时该膜能够关闭该开口。
25.一种使用根据权利要求1至21中任一项所述的致动器对阀进行致动的方法，该方法包括运行该致动器以便将水电解，从而在该致动器的密封室内提供氢气或氧气。
26.一种使用根据权利要求1至21中任一项所述的致动器对阀进行致动的方法，该方法包括运行该致动器以便在整个该致动器膜引起氢气泵送并泵送至该致动器的密封室。
27.一种使用根据权利要求1至21中任一项所述的致动器对阀进行致动的方法，该方法包括运行该致动器以便既将水电解又引起氢气泵送，从而在该致动器的密封室内提供氢气或氧气及氢气。
28.一种燃料电池组件，包括根据权利要求22所述的一个阀机构。
29.一种燃料电池组件，包括根据权利要求23所述的一个阀机构。
30.根据权利要求29所述的燃料电池组件，其中该燃料电池是面内聚合物电解质燃料电池，并且其中该阀机构嵌入在组成该组件的层中的至少一层中。
全文摘要
本发明涉及一种可电化学操作的致动器(20)，该致动器包括一个支撑结构、一个抵靠所述支撑结构密封以形成一个隔室(108)的挠性膜、被适配成产生氢气或氧气并将该气体输送到所述隔室内部的电化学装置(101)，该电化学装置包括在其相对侧上具有一个电极的一个离子传导膜，以及用于连接一个电压源以使在这些电极之间能够施加一个电势的终端装置。该电化学装置可以是氢泵(110)或电解器或两者都可。本发明还涉及一种将阀(V)纳入到致动器的燃料电池组件(100)。
文档编号H01M2/12GK103081195SQ201180037141
公开日2013年5月1日 申请日期2011年6月17日 优先权日2010年6月18日
发明者A·伦德布拉德, 玛萨·玛沙夫, D·卡尔森, 马格纳斯·林德布洛姆, 拉斐尔·普兰 申请人:myFC股份公司