Баллончики топливных элементов, находящиеся под давлением

Баллончики топливных элементов, находящиеся под давлением

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

[0001] Данное изобретение, в общем, относится к топливным баллончикам для топливных элементов, и, в частности, к баллончикам для топливных элементов, находящимся под давлением.

ПРЕДПОСЫЛКИ

[0002] Топливные элементы представляют собой устройства, непосредственно преобразующие химическую энергию взаимодействующих веществ, т.е. топлива и окислителя, в электрическую энергию постоянного тока. Для возрастающего количества практических применений топливные элементы более эффективны, чем традиционные способы выработки электроэнергии, например, такие как сжигание ископаемого топлива, а также переносные источники питания, такие как ионно-литиевые аккумуляторные батареи.

[0003] В общем, технология топливных элементов включает множество различных топливных элементов, таких как щелочные топливные элементы, топливные элементы с полимерным электролитом, фосфорнокислые топливные элементы, топливные элементы с расплавленным карбонатом, топливные элементы на твердом топливе и ферментные топливные элементы. Наиболее важные в настоящее время топливные элементы можно разделить на несколько общих классов: (i) топливные элементы, использующие в качестве топлива сжатый водород (H₂); (ii) топливные элементы с протонообменной мембраной (ПОМ) или полимерным электролитом, использующие в качестве топлива спирты, например метанол (СН₃ОН), гидриды металлов, например боргидрид натрия (NaBH₄), углеводороды и другое топливо, преобразуемое в водородное топливо; (iii) топливные элементы с протонообменной мембраной, которые непосредственно потребляют неводородное топливо, или топливные элементы прямого окисления; (iv) топливные элементы на твердом топливе (ТЭТО), которые непосредственно преобразуют углеводородное топливо в электроэнергию при высокой температуре.

[0004] Химические реакции, в результате которых вырабатывается электрическая энергия, для топливных элементов каждого типа отличаются. Электрохимические реакции на каждом электроде и общая реакция для метанолового топливного элемента с прямым окислением (МТЭПО) описываются следующим образом. Полуреакция на аноде:

полуреакция на катоде:

общая реакция в топливном элементе:

[0005] По причине переноса ионов водорода (Н⁺) через протонообменную мембрану от анода к катоду, а также благодаря неспособности свободных электронов (е^-) проникать через протонообменную мембрану, электроны текут через внешнюю цепь, генерируя, таким образом, электрический ток во внешней цепи. Внешнюю цепь можно использовать для питания бытовых электронных устройств, таких как, среди прочего, мобильные или сотовые телефоны, калькуляторы, персональные электронные секретари, переносные компьютеры и электрические инструменты.

[0006] Метаноловый топливный элемент с прямым окислением обсуждается в патентах США №4390603 и №4828941, описание из которых ссылкой полностью включается в настоящее описание. Как правило, протонообменная мембрана изготовлена из полимера, например, Nafion^® производства DuPont, представляющего собой полимер на основе перфторированных сульфокислот и имеет толщину в интервале 0,05-0,50 мм, или из других пригодных материалов. Анод, как правило, изготовлен из копировальной бумаги с тефлоновым покрытием в качестве подложки с нанесенным на нее тонким слоем катализатора, например, платино-рутениевого. Катод, как правило, представляет собой газодиффузионный электрод, в котором частицы платины привязаны к одной из сторон мембраны.

[0007] В химическом топливном элементе на основе гидрида металла преобразованию подвергается боргидрид натрия, который реагирует следующим образом:

,

полуреакция на аноде:

полуреакция на катоде:

[0008] Для этой реакции пригодны катализаторы, включающие платину и рутений, а также другие металлы. Водородное топливо, получаемое при преобразовании боргидрида натрия, реагирует в топливном элементе с окислителем, например, О₂, генерируя электричество (или поток электронов) и воду в качестве побочного продукта. Кроме того, в ходе процесса преобразования образуется и другой побочный продукт - борат натрия (NaBO₂). Топливный элемент на боргидриде натрия изложен в патенте США №4261956, описание из которого ссылкой полностью включается в настоящее описание.

[0009] Одной из важнейших особенностей применения топливных элементов является транспортировка жидкого топлива из топливного резервуара в топливный элемент, например подача метанола в метаноловый топливный элемент с прямым окислением, или подача жидкого топливного реагента в реакционную камеру, например, подача воды и добавок для реакции с гидридом металла. Известные методы транспортировки жидкого топлива/реагентов включают капиллярное распространение влаги или капиллярное воздействие, подачу под давлением жидкого топлива/реагентов. Одна из трудностей, связанных с этими методами, включает в себя обеспечение контроля над скоростью потока капиллярного распространения топлива и поддержание постоянного давления на топливо посредством источника давления.

[0010] Таким образом, в данной области техники остается актуальной потребность в улучшении способов транспортировки жидкого топлива/реагента.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] Настоящее изобретение подразумевает источник топлива с источником давления, который выталкивает жидкое топливо или жидкий топливный реагент (здесь и далее обозначаемые одинаково как «жидкое топливо») в топливный элемент или реакционную камеру, где при участии жидкого топливного реагента происходит гидролиз с образованием водорода. Изначально источник давления находится под высоким давлением, и давление может уменьшаться в течение предполагаемого срока службы. С другой стороны, давление, нагнетающее жидкое топливо, может, в значительной степени, поддерживаться на постоянном уровне.

[0012] В одном из вариантов осуществления изобретения источник топлива включает в себя камеру сжатого газа и камеру жидкого топлива. Камеры сжатого газа и жидкого топлива соединяет регулятор давления. Регулятор давления способен принимать высокое давление на входе из камеры сжатого газа и обеспечивать, в значительной степени, постоянное пониженное выходное давление в камере жидкого топлива. Давление в камере сжатого газа может уменьшаться с течением времени, однако давление, выталкивающее жидкое топливо из камеры жидкого топлива, остается, в значительной степени, постоянным. Таким образом, топливный элемент или реакционная камера получает жидкое топливо под предсказуемым или допустимым давлением.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0013] В сопроводительных графических материалах, которые являются частью описания изобретения и должны рассматриваться совместно с ним, для указания аналогичных деталей на различных видах используются аналогичные номера условных обозначений.

[0014] Фиг.1 - общий вид спереди источника топлива согласно настоящему изобретению, на котором показаны компоненты топливного элемента или устройства, питание которого осуществляется топливным элементом;

[0015] Фиг.2 - общий вид спереди источника топлива по фиг.1 без компонентов стороннего устройства, но с соединительными трубками, приспособленными для открытия клапанов источника топлива;

[0016] Фиг.3 - общий покомпонентный вид источника топлива, изображенного на фиг.2;

[0017] Фиг.4 - поперечное сечение и частичный покомпонентный вид источника топлива, изображенного на фиг.2;

[0018] Фиг.5 - увеличенный частичный вид источника топлива, изображенного на фиг.4, на котором показан клапан, соединяющий находящуюся под давлением камеру источника топлива с регулятором давления;

[0019] Фиг.6 - увеличенный частичный вид источника топлива, изображенного на фиг.4, на котором показан клапан, соединяющий источник топлива с топливным элементом или устройством, питание которого осуществляется топливным элементом;

[0020] Фиг.7, 8 - альтернативный вариант осуществления клапанов, изображенных на фиг.5, 6.

[0021] Фиг.9А - поперечное сечение подходящего регулятора давления; фиг.9В - покомпонентный вид подходящего регулятора давления;

[0022] Фиг.10А - поперечное сечение другого подходящего регулятора давления; фиг.10В - покомпонентный вид другого подходящего регулятора давления;

[0023] Фиг.11А - поперечное сечение другого подходящего регулятора давления; фиг.11В - покомпонентный вид другого подходящего регулятора давления;

[0024] Фиг.12А - поперечное сечение другого подходящего регулятора давления; фиг.12В - покомпонентный вид другого подходящего регулятора давления; фиг.12С - поперечное сечение другого варианта регулятора давления, изображенного на фиг.12А, 12В;

[0025] Фиг.13 - покомпонентный общий вид источника топлива под давлением в соответствии с настоящим изобретением;

[0026] Фиг.14 - поперечное сечение источника топлива, изображенного на фиг.4 с указателем уровня топлива; фиг.14А - вид спереди указателя уровня топлива;

[0027] Фиг.15А-15С - поперечные сечения другого примерного клапана в соответствии с настоящим изобретением, показывающие последовательность его открытия из закрытого положения (фиг.15А) к промежуточному закрытому и открытому (фиг.15В-15С) положениям; фиг.15D - покомпонентный общий вид клапана;

[0028] Фиг.16А-16С - поперечные сечения еще одного примерного клапана в соответствии с настоящим изобретением, показывающие последовательность его открытия из закрытого положения (фиг.16А) к промежуточному закрытому и открытому (фиг.16В-16С) положениям; фиг.16D - покомпонентный общий вид клапана;

[0029] Фиг.17А-17С - поперечные сечения еще одного примерного клапана в соответствии с настоящим изобретением, показывающие последовательность его открытия из закрытого положения (фиг.17А) к промежуточному закрытому и открытому (фиг.17В-17С) положениям; фиг.17D - покомпонентный общий вид клапана;

[0030] Фиг.18А - поперечное сечение компонента примерного клапана по данному изобретению; фиг.18В - покомпонентный общий вид компонента клапана;

[0031] Фиг.19А - поперечное сечение другого примерного компонента клапана согласно настоящему изобретению; фиг.19В - покомпонентный общий вид компонента клапана;

[0032] Фиг.20А-20С - поперечные сечения другого примерного клапана, показывающие последовательность его открытия; фиг.20D - покомпонентный общий вид клапана;

[0033] Фиг.21А - покомпонентный вид поперечного сечения другого иллюстративного клапана; фиг.21В - покомпонентный общий вид клапана.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0034] Как показано на сопроводительных графических материалах и подробно описано ниже, настоящее изобретение относится к источнику топлива, в котором хранится топливо для топливного элемента, например, метанол и вода, смесь вода/метанол, смесь вода/метанол с различной концентрацией, чистый метанол и/или клатраты мелита, описанные в патентах США №5364977 и №6512005 В2, описание из которых ссылкой полностью включается в настоящее описание. Метанол и другие спирты находят применение во многих топливных элементах, как, например, метаноловых элементах с прямым окислением, ферментных топливных элементах и основанных на преобразование топливных элементах. Источник топлива может содержать и топливо других типов: этанол или спирты, гидриды металлов (например, боргидрид натрия), другие химические вещества, которые могут быть преобразованы в водород, а также вещества, способные улучшать производительность или эффективность топливных элементов. К топливу также относится электролит на основе гидроксида калия (КОН), который находит применение в металлических или щелочных топливных элементах и также может храниться в источниках топлива.

В металлических топливных элементах топливо находится в форме взвешенных в жидкости частиц цинка, погруженных в реакционный раствор электролита КОН, аноды, находящиеся в полостях ячейки топливного элемента, представляют собой твердые аноды, образованные частицами цинка. Электролитический раствор КОМ раскрыт в опубликованной патентной заявке США №2003/0077493, озаглавленной "Способ применения системы топливных элементов, выполненной для обеспечения питания одной или нескольких нагрузок», опубликованной 24 апреля 2003 г., описание из которой ссылкой полностью включается в настоящее описание. Топливо также может представлять собой смесь метанола, пероксида водорода и серной кислоты, которая протекает через катализатор, сформированный на кремниевых пластинках, порождая реакцию в топливном элементе. Кроме того, топливо может представлять собой композицию или смесь метанола, боргидрида натрия, электролита и других соединений, например, которые описаны в патентах США №№6554877, 6562497 и 6758871, описания из которых ссылкой полностью включаются в настоящее описание. Более того, топливо может представлять собой составы, частично растворенные, частично взвешенные в растворителе, которые описаны в патенте США №6773470, а также составы, которые включают в себя как жидкое, так и твердое топливо, которые описаны в опубликованной патентной заявке США №2002/0076602. Подходящее для указанных целей топливо также раскрыто в совместно рассматриваемой заявке на патент США №60/689572 того же заявителя, озаглавленной "Топливо для баллончиков, генерирующих водород", поданной 13 июня 2005. Описания из этих документов данной ссылкой полностью включаются в настоящее описание.

[0035] Топливо также может представлять собой гидрид металла, например боргидрид натрия (NaBH₄), и активатор, описанный выше, например воду. В состав топлива может входить углеводородное топливо, которое включает в себя, кроме прочего, бутан, керосин, спирт и природный газ, как изложено в опубликованной патентной заявке США №2003/0096150, озаглавленной «Топливный элемент, содержащий границу раздела жидкостей», опубликованной 22 мая 2003 г., описание из которой ссылкой полностью включается в настоящее описание. Также топливные элементы могут содержать окислители, которые вступают в реакцию с топливом. Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается типами топлива, активаторов, электролитов, растворов окислителей, а также жидкостями или твердыми веществами, содержащимися в источнике топлива или какими-либо иными способами, используемыми в системе топливного элемента. Используемый здесь термин «топливо» включает в себя топливо любых разновидностей, способное реагировать в топливном элементе или источнике топлива и включающее в себя, кроме прочего, любое подходящее топливо из числа вышеописанных, растворы электролитов и окислителей, газы, жидкости, твердые вещества и/или химические вещества, содержащие добавки и катализаторы, а также их смеси.

[0036] Термин «источник топлива», используемый в тексте настоящего описания, охватывает среди прочих одноразовые баллончики, заправляемые/многоразовые баллончики, контейнеры, баллончики, вставляемые в электронные устройства, извлекаемые баллончики, баллончики, находящиеся снаружи электронных устройств, топливные емкости, заправочные топливные емкости, другие емкости, в которых хранится топливо, и трубки, подсоединенные к топливным емкостям и контейнерам. Хотя ниже применительно к примерным вариантам осуществления настоящего изобретения описывается баллончик, следует отметить, что эти варианты осуществления применимы и к другим источникам топлива и что настоящее изобретение не ограничивается каким-либо конкретным типом источников топлива.

[0037] Источник топлива, являющийся предметом настоящего изобретения, также может применяться для хранения топлива, не используемого в топливных элементах. Данные применения могут включать в себя, кроме прочего, хранение углеводродов и водородного топлива для газотурбинных микродвигателей на основе кремниевых пластинок, обсуждаемых в статье "Here Come the Microengines", опубликованной в журнале «The Industrial Physicist» (дек. 2001/янв. 2002) на стр.20-25. Применяемый в данной заявке термин «топливный элемент» также может включать в себя и микродвигатели. Другие применения могут заключаться в хранении традиционного топлива для двигателей внутреннего сгорания, углеводородов, например, бутана, для карманных зажигалок и бытовых осветителей, а также сжиженного пропана.

[0038] На фиг.1-4 показан источник топлива 10. Источник топлива 10 может иметь любую удобную форму, включающую в себя, кроме прочего, изображенную форму. Источник топлива 10 содержит внешний корпус 12, крышку 14, первый клапан 16 и второй клапан 18. Крышка 14 подогнана к внешнему корпусу и уплотнена уплотнительным кольцом 13. Уплотнение также может достигаться при помощи клеев или ультразвуковой сварки. Первый клапан 16 имеет размеры и откалиброван таким образом, чтобы он стыковался с регулятором давления 20. Второй клапана 18 имеет размеры и откалиброван таким образом, чтобы он стыковался с клапаном устройства 22. В одном из вариантов осуществления изобретения источник топлива 10 является одноразовым и, наиболее предпочтительно, пригодным для повторного использования. Точнее, регенерируемым и приспособленным к повторному использованию является внешний корпус 12, а внутренняя оболочка 28 и/или крышка 14 являются одноразовыми. Регулятор давления 20 и клапан устройства 22 предпочтительно пригодны для повторного использования и для снижения стоимости соединены с топливным элементом или устройством, питание которого осуществляется топливным элементом, или являются их составными частями.

[0039] На фиг.3-5 подробно показаны внутренние компоненты источника топлива 10, который содержит камеру сжатого газа 24 и камеру жидкого топлива 26, где внутри оболочки 28 содержится жидкое топливо. Как показано выше, жидкое топливо может являться топливом, непосредственно потребляемым топливным элементом, например, метанолом или этанолом. Жидкое топливо также может представлять собой жидкий реагент, который участвует в гидролизе в реакционной камере, образуя водород, питающий топливный элемент. Таким веществом может являться, например, вода или другие активаторы, реагирующие с гидридом металла с образованием водородного топлива.

[0040] Первый клапан 16 позволяет сжатому газу выходить из камеры 24 сжатого или находящегося под давлением газа источника топлива 10 и входить в регулятор давления 20, а затем передавать газ под пониженным давлением обратно в источник топлива 10 и в камеру жидкого топлива 26 для приложения давления к оболочке 28. Первый клапан 16 включает в себя корпус клапана 30, подогнанный к боковым стенкам камеры сжатого газа 24, и уплотнен уплотнительным кольцом 32. Внутренняя средняя стойка 34 зафиксирована на корпусе клапана 30, например, путем неподвижной посадки (т.е. между внутренней центральной стойкой 34 и корпусом клапана 30 практически отсутствуют относительные перемещения). Между стержнем внутренней центральной стойки 34 и корпусом клапана 30 задан проток 36. В одном из примеров стержень имеет цилиндрическую форму, и часть его спилена с образованием плоской поверхности. Внутренний проток 36 образован между плоской поверхностью и корпусом клапана 30, как лучше всего видно на фиг.3 и 5. Между головкой внутренней центральной стойки 34 и верхней частью корпуса клапана 30 расположен внутренний эластомерный уплотнитель 38, обеспечивающий уплотнение внутреннего протока 36. Кроме того, первый клапан 16 содержит внешнюю центральную стойку 40, которая кольцеобразно расположена вокруг внутренней центральной стойки 34, оставляя пространство между ними, как показано на фигурах. Внешняя средняя стойка 40 также прочно прикреплена к корпусу клапана 30, например, посредством неподвижной посадки. Таким образом, между внешней центральной стойкой 40 и корпусом клапана 30 практически отсутствуют относительные перемещения. Вокруг внешней стороны внешней центральной стойки 40 определен внешний проток 42, позволяющий газу под пониженным давлением возвращаться обратно в источник топлива 10 из регулятора давления 20. Внутри источника топлива 10 внешний проток 42, как лучше всего видно на фиг.5, перенаправлен к камере жидкого топлива 26. Внешний эластомерный уплотнитель 44, расположенный под головкой внешней центральной стойки 40 и колпачком 46, наличие которого необязательно, обеспечивает уплотнение внешнего протока 42. Колпачок 46 может быть не включен в состав, а корпус клапана 30 проходит вверх до упора во внешний эластомерный уплотнитель 44, или эластомерный уплотнитель 44 может быть проходит вниз до упора в корпус клапана 30.

[0041] Несмотря на то что внутренний проток 36, как показано на фигурах, находится внутри внешнего протока 42, оба эти канала могут быть расположены в обратном порядке или рядом друг с другом.

[0042] Первый клапан 16, показанный на фиг.3 и 5, закрыт или уплотнен. Для открытия первого клапана 16 трубка 48 проталкивается в первый клапан 16. Трубка 48 включает в себя внутреннюю трубку 50 и внешнюю трубку 52. Для сохранения постоянных относительных положений трубки могут быть соединены друг с другом, например, спицами или перемычками (не показаны). Внутренняя трубка 50 имеет размеры и откалибрована, чтобы соответствовать пространству 54 между внутренней центральной стойкой 34 и внешней центральной стойкой 40. Внутренней трубки 50 имеет размеры и откалибрована, чтобы соответствовать пространству 56 между внешней центральной стойкой 40 и крышкой 14. Внутренняя трубка 50 сжимает внутренний эластомерный уплотнитель 38, открывая проток 36. Внешняя трубка 52 сжимает внешний эластомерный уплотнитель 44, открывая проток 42. Для того чтобы приложить давление на жидкое топливо, сжатый газ выходит из источника топлива 10 по протоку 36, а газ под пониженным давлением возвращается в источник топлива 10 через проток 42.

[0043] В рационализаторском аспекте настоящего изобретения первый клапан 16 не является заменяемым, поскольку включает в себя центральные стойки 34, 40. В частности, клапан 16 открывается только после вставки трубки 48, имеющей соответствующий диаметр, в кольцевое пространство вокруг центральных стоек 34, 40 и сжатия эластомерных уплотнений 38, 44. Конструкция центральных стоек 34, 40 препятствует открытию клапана посторонними предметами большего или меньшего диаметра: авторучками, карандашами, скрепками, пальцами и т.п. Центральные стойки 34, 40 могут крепиться к корпусу клапана 30 различными способами: защелкивающимися фитингами, клеем, при помощи ультразвуковой сварки и т.д., так, чтобы относительные перемещения между стойками и корпусом клапана были ограничены. Преимущественно установка центральных стоек 34, 40 осуществляется перед операцией заполнения или во время нее. Поэтому поток топлива в баллончик будет происходить не только быстрее, но и в менее стесненных условиях, чем в других конструкциях.

[0044] Второй клапан 18 сходен с первым клапаном 16 за исключением того, что его конструкция позволяет жидкому топливу только выходить из источника топлива 10. Второй клапан 18 включает в себя корпус клапана 58 и центральную стойку 60, которая, в значительной степени, сходна с описанной выше внутренней центральной стойкой 34 первого клапана 18. Эластомерное уплотнение 62 уплотняет второй клапан 18 и проток 64, заданный между внутренней стойкой 60 и корпусом клапана 58. Оболочка 28 герметично соединена с корпусом клапана 58. Трубка 66 имеет размеры и откалибрована, чтобы входить в пространство 68 во втором клапане 18, сжимая эластомерное уплотнение 62, чтобы открыть клапан 18, позволяя жидкому топливу, нагнетаемому сжатым газом из протока 42, покидать источник топлива 10.

[0045] Трубки 48 или 66 могут по выбору иметь нестандартные размеры. Иными словами, их размеры могут отличаться от размеров изделий, обычно присутствующих в домах и офисах, что затрудняет непреднамеренное сжатие уплотняющих элементов 38, 44 или 62. В альтернативном варианте трубки 48 или 66 могут иметь отличное от круглого или многоугольное (регулярное или нерегулярное) поперечное сечение. Соответственно, центральные стойки 34, 40 или 60 для размещения в них трубок должны иметь форму, совпадающую с формой трубок.

[0046] В альтернативном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.7, 8, эластомерные уплотнения 38, 44 и 62 заменены уплотнительными кольцами 38', 44' и 62'. Центральные стойки 34' и 40' модифицированы для обеспечения угловых опорных поверхностей для уплотнения уплотнительными кольцами. Центральная стойка 60' в данном варианте осуществления изобретения содержит внешнее кольцо 61', обеспечивающее зазор 68' для вхождения трубки 66 и открытия второго клапана 18.

[0047] Как показано на фиг.5-8 и др., верхняя поверхность клапанов 16 и 18, направленная к трубкам 48 и 66, также может называться поверхностью сопряжения.

[0048] Высокое давление в камере сжатого газа 24, необходимое для выталкивания жидкого топлива в течение предполагаемого срока службы источника топлива 10, определяется по уравнению состояния идеального газа:

,

где для камеры жидкого топлива 26:

Р - давление, необходимое для нагнетания жидкого топлива наружу из оболочки 28/топливной камеры 26 через второй клапан 18, которое в одном примере имеет относительную величину «х» фунтов на квадратный дюйм (psi_g) или абсолютную величину (14,7+х) фунтов на квадратный дюйм (psi_a), где х - требуемое для выталкивания давление; начальное давление в топливной камере 26 должно составлять 14,7 psi_a или 0 psi_g, конечное давление должно составлять (14,7+x)psi_a или x psi_g;

V - объем камеры жидкого топлива 26;

Т - температура (абсолютная) камеры жидкого топлива 26, которая, как правило, равна температуре окружающего воздуха.

Для камеры сжатого газа 24:

Р - начальное давление, которое необходимо определить; конечное давление для камеры 24 должно составлять x psi_g или (14,7+х)psi_a;

V - объем камеры сжатого газа 24; и

Т - как правило, температура окружающего воздуха.

Поскольку обе температуры должны быть одинаковы, их можно исключить из уравнения:

Например, если камера жидкого топлива 26, имеющая объем 50 см³, требует для выталкивания топлива через второй клапан давления 2 psi_g или 16,7 psi_a, а объем камеры сжатого газа 24 составляет 5 см³, то начальное давление в камере сжатого газа 24 рассчитывается следующим образом:

Аналогично, если объем камеры сжатого газа 24 составляет 10 см³, тогда его начальное внутреннее давление должно составлять 26,7 psi_a или 12 psi_g.

[0049] При непосредственной подаче столь высокого внутреннего давления в камеру жидкого топлива 26, оболочка 28 будет испытывать резкий скачок давления, а жидкое топливо будет выходить из источника топлива 10 с относительно высокой скоростью, что может оказаться нежелательным. Кроме того, по мере транспортировки жидкого топлива из источника топлива 10 давление в камере жидкого топлива 26 будет непрерывно уменьшаться с течением времени, и жидкое топливо будет выходить из источника топлива 10 с постоянно уменьшающейся скоростью. Таким образом, топливный элемент или реакционная камера, получающая жидкое топливо, вынуждена приспосабливаться к изменению скорости подачи жидкого топлива.

[0050] Проблема изменения скорости подачи жидкого топлива решается путем вставки между камерой сжатого газа 24 и камерой жидкого топлива 26 регулятора давления, схематически показанного на фиг.1 под условным обозначением 20. Регулятор давления 20 принимает на входе давление в широком диапазоне, например, 2-200 psi_g, и поддерживает давление на выходе на постоянном уровне, например, 2 psi_g. На фиг.3, 4 камера сжатого газа 24 расположена внутри источника топлива 10, однако камера сжатого газа 24 может находиться также и в топливном элементе или устройстве, питание которого осуществляется топливным элементом, или в отдельном баллончике.

[0051] В таблице 1 приведены результаты экспериментального моделирования источника топлива 10, показанного на фиг.1-8, в котором регулятор давления 20 вставлен между камерой сжатого газа 24 и камерой жидкого топлива 26. Экспериментальное моделирование проводилось следующим образом. В камере сжатого газа 24, в виде модифицированного шприца объемом 3,2 см³, через трубку, где поток регулировался шаровым клапаном, было создано давление воздуха от внешнего источника, составляющее 80 фунтов на квадратный дюйм. Для направления потока газа из газовой камеры 24 к регулятору давления 20 также использовалась трубка. Для измерения давления на входе использовался датчик давления в диапазоне 0-100 фунтов на квадратный дюйм, расположенный между газовой камерой 24 и регулятором давления 20.

[0052] Регулятор давления 20 использовался для создания, в значительной степени, постоянного пониженного давления на выходе, которое выталкивает жидкое топливо, т.е. деионизованную воду, из камеры жидкого топлива 26, имеющей форму модифицированного шприца объемом 35 см³. Модифицированный Т-образный фитинг соединяет регулятор давления 20 и камеру жидкого топлива 26. После осуществления соединения по жидкости, регулятор давления 20 и камера жидкого топлива были помещены на аналитические весы Mettler Toledo XS204, при помощи которых осуществлялось взвешивание жидкого топлива, т.е. деионизованной воды. Жидкое топливо вышло из камеры жидкого топлива 26 по трубке, подающей жидкое топливо к стакану для сбора топлива, причем указанная трубка содержит на конце фильтр с диаметром пор 45 мкм (фильтр Millex-HPF HV, компонент № SLHVM25NS, серийно выпускаемый Millipore Corporation, Биллерика, Массачусетс, США) и сопло диаметром 0,0025 дюйма (компонент IBLP-2E-SS, серийно выпускаемый O'Keffe Controls Co., Трамбулл, Коннектикут, США). Датчик давления в диапазоне 0-30 футов на квадратный дюйм, расположенный между камерой жидкого топлива 26 и стаканом для сбора топлива, измеряет давление топлива, которое, как понятно любому специалисту в данной области техники, эквивалентно давлению на выходе.

[0053] В начале экспериментального моделирования регулируемое давление на выходе вытесняло воздух из трубопроводов и устанавливалось на уровне 1,6 фунта на квадратный дюйм. Затем шаровой клапан закрывали, прекращая подачу воздуха под давлением 80 фунтов на квадратный дюйм из камеры сжатого воздуха 24. В ходе экспериментального моделирования измерялось давление на входе, давление на выходе и вес топлива (т.е. вес воды в модифицированном шприце камеры жидкого топлива 26). Измерения проводились с интервалом 0,5 с в течение 215 мин (12902,5 с). Однако для большей ясности изложения в таблице 1 приведены результаты измерений только в отдельные промежутки времени: 0 с (камера жидкого топлива 26 не содержит топлива, а аналитические весы установлены на нуль), 0,5 с (камера жидкого топлива заполнена деионизованной водой), 55 с (давление в камере сжатого газа 24 составляет 80 фунтов на квадратный дюйм), каждые 300 с и 12902,5 с (в камере жидкого топлива 26 топлива больше нет). В периоде между установкой аналитических весов на нуль и началом моделирования, когда трубки находятся под нагрузкой, было установлено значение веса топлива +1,2256 г. Небольшие отрицательные значения весов в конце моделирования отражают методическую погрешность взвешивания, присущую аналитическим весам.

[0054] Результаты показывают, что регулятор давления 20 способен принимать высокое (около 80 фунтов на квадратный дюйм) давление на входе от камеры сжатого газа 24 и обеспечивать, в значительной степени, постоянное пониженное (в интервале 1,6-0,3 фунта на квадратный дюйм) давление на выходе для выталкивания жидкости из камеры жидкого топлива 26, вначале заполненной приблизительно 30 г деионизованной воды. Давление в камере сжатого воздуха 24 с течением времени может уменьшаться в интервале 80-12 фунтов на квадратный дюйм, однако давление, выталкивающее жидкое топливо из камеры жидкого топлива 26, находится практически на постоянном уровне в интервале 1,6-0,3 фунта на квадратный дюйм. Специалисту в данной области техники вполне понятно, что относительно небольшие изменения давления на выходе находятся в допустимых пределах, что позволяет топливному элементу или реакционной камере получать жидкое топливо под предсказуемым давлением, допустимым для функционирования топливного элемента или реакционной камеры. Поскольку жидкое топливо покидает камеру жидкого топлива 26 с относительно постоянной скоростью потока, его вес уменьшается от, приблизительно, 30 г до, приблизительно, 0 г.

[0055] Используемый здесь термин «в значительной степени, постоянный» означает, что флуктуации давления, если они имеют место, не превышают ±2,0 фунта на квадратный дюйм, предпочтительно не превышают ±1,5 фунта на квадратный дюйм, наиболее предпочтительно не превышают ±1,0 фунта на квадратный дюйм. Используемые здесь термины «низкое давление» и «пониженное давление» означают давление, которое не превышает или равно 5,0 фунтам на квадратный дюйм, предпочтительно 3,0 фунтам на квадратный дюйм, наиболее предпочтительно 2,0 фунтам на квадратный дюйм.

Таблица 1
Затраченное время, с	Давление на входе, фунтов на квадратный дюйм	Давление на выходе, фунтов на квадратный дюйм	Вес топлива, г
0	0.324175	0	0
0.5	0.289389	0	33.6665
55	81.09705	0.70702	31.8907
300	78.52603	1.541651	30.0016
600	73.49667	1.435592	27.8025
900	68.84618	1.33488	25.7307
1200	64.65367	1.268036	23.7769
1500	60.56975	1.174454	21.8294
1800	56.79189	1.09335	19.969
2100	53.28629	1.038092	18.2135
2400	49.8493	0.977542	16.5611
2700	46.58507	0.902915	15.0114
3000	43.66301	0.837617	13.5383
3300	41.07182	0.769987	12.1614
3600	38.48951	0.717515	10.8839
3900	35.91159	0.709353	9.7736
4200	33.7916	0.630062	8.6903
4500	31.95622	0.659213	7.8636
4800	30.44131	0.570594	6.9695
5100	29.04059	0.606741	6.3769
5400	27.68515	0.599745	5.7748
5700	26.6008	0.603243	5.2231
6000	25.51645	0.596247	4.71
6300	24.51224	0.574092	4.2295
6600	23.49696	0.556601	3.7757
6900	22.69704	0.536778	3.3506
7200	21.86636	0.534446	2.9862
7500	21.06644	0.518122	2.6122
7800	20.35882	0.505295	2.2651
8100	19.65097	0.492469	1.9388
8400	18.97366	0.450491	1.5701
8700	18.35792	0.394521	1.1778
9000	17.64982	0.35954	0.8205
9300	17.06487	0.337385	0.4974
9600	16.38756	0.308234	0.235
9900	15.74104	0.296574	0.0919
10200	15.31002	0.318729	0.0525
10500	14.88671	0.35371	-0.0001
10800	14.54078	0.434167	-0.0128
11100	14.10837	0.441163	-0.0094
11400	13.76244	0.45399	-0.0062
11700	13.44534	0.502963	-0.0049
12000	13.18589	0.57176	-0.0032
12300	12.92644	0.600911	-0.0028
12600	12.69583	0.610239	-0.0011
12900	12.55169	0.635892	0.0003
12902.5	12.46521	0.632394	0

[0056] Ниже приведены графики давления на входе, давления на выходе и веса источника топлива в зависимости от прошедшего времени:

[0057] Было проведено еще одно моделирование источника топлива 10 без регулятора давления 20, где для выталкивания топлива из оболочки 28 через клапан 18 использовался известный внешний источник сжатого газа под давлением 2 psi_g. Моделирование производилось для того, чтобы выяснить, будет ли давление на выходе из источника топлива 10 практически постоянным, перепад давлений, необходимый для сжатия гильзы 28 и проталкивания топлива через клапан 18, - достижимым, а скорость потока - в значительной степени постоянной. Давление на выходе измерялось вниз по протоку от