CN101533918A - 用于液态氢贮箱的多相转换阀 - Google Patents

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Abstract

用于液态氢贮箱的多相转换阀，包括：具有壳体内部的致动阀壳体；设置在所述阀壳体中的液态氢入口、气态氢入口和氢出口；可滑动地安装在所述壳体内部中的致动阀；其中所述致动阀可在将所述气态氢入口密封隔离于所述氢出口的第一位置和将所述液态氢入口密封隔离于所述氢出口的第二位置之间运动。

Description

用于液态氢贮箱的多相转换阀
技术领域
【0001】本发明大体上涉及用于从氢储存箱分配液态氢或气态氢的系统。
背景技术
【0002】氢普遍用于各种工业应用中。例如，在燃料电池中，氢气被用作燃料以产生操作车辆或其他机械的电力。氢通常在氢贮箱中呈液态形式存储，并从该箱中以液相或气相分配到燃料电池以使用。
【0003】目前用于燃料电池系统的液态氢存储系统必须符合下列要求：(1)从氢贮箱中分配液态和/或气态氢的排出管道或管线；(2)安装在氢贮箱中的加热器的两条供给管线；以及(3)填充管道或管线。这些要求导致五根管道或管线从氢贮箱引出并且基本上破坏了该箱热绝缘的完整性。目前，据估计侵入氢贮箱内部的大约1/3的热是经所需的排出管线和供给管线传导的。
【0004】图1示出了适于在燃料电池系统中使用的典型的传统氢贮箱系统10。系统10包括具有多层绝缘层的氢贮箱12，多层绝缘层限定了包含一定量的液态氢16的箱内部14。在氢贮箱12外面的真空室18包含：气态氢排出阀20，其便于从箱内部14分配气态氢；以及液态氢排出阀22，其便于从箱内部14分配液态氢16。
发明内容
【0005】本发明的一个实施例包括包含相转换阀(phase transfervalve)的产品。相转换阀包括：具有壳体内部的致动阀壳体；设置在所述阀壳体中的液态氢入口、气态氢入口和氢出口；以及可滑动地安装在壳体内部的致动阀。致动阀可在将所述气态氢入口密封隔离于氢出口的第一位置和将所述液态氢入口密封隔离于氢出口的第二位置之间运动。
附图说明
【0006】现在参考附图以示例的方式描述本发明。
【0007】图1为适于在燃料电池系统中使用的传统氢贮箱系统的示意图；
【0008】图2为根据本发明的一个实施例的相转换阀的横截面剖视图，示出了气态氢入口的密封和通过该阀并进入氢出口的液态氢的流动；以及
【0009】图3为根据本发明的一个实施例的相转换阀的横截面剖视图，示出了液态氢入口的密封和通过该阀并进入氢出口的气态氢的流动。
具体实施方式
【0010】参看图2和3，多相转换阀的说明性实施例整体上由标记号26来表示。相转换阀26被设计为安装在氢贮箱(未示出)内部，例如此前关于图1描述的氢贮箱12。如将在下文中描述的，相转换阀26便于从氢贮箱向燃料电池系统(未示出)或其他目的地自动分配或者液态氢60(图2)或者气态氢61(图3)以便使用，这取决于氢贮箱中的氢压力的大小。当氢贮箱中的氢压力的大小超出预定的基准压力(referencepressure)时，相转换阀26允许气态氢61的流动并阻止来自氢贮箱的液态氢60的流动。当氢贮箱中的氢压力的大小达到预定的基准压力或降到其以下时，相转换阀26阻止气态氢61的流动并便于来自氢贮箱的液态氢60的流动。
【0011】如图2和3所示，相转换阀26可包括具有壳壁29、壳底31和壳顶33的阀壳体28。应该理解，当在本文使用时，相关术语如“底部”和“顶部”仅用于描述目的，不应被解释为限制相转换阀26在使用中的可能位置。阀壳体28优选为低温耐受聚合物材料例如(四氢氟乙烯(tetrahydrofluoroethylene)。壳壁29、壳底31和壳顶33围绕着壳体内部30和基准压力室32。膜片槽37，其目的将在下文中描述，设置在壳壁29中，在壳体内部30和基准压力室32之间。
【0012】液态氢入口臂54从阀壳体28伸出。液态氢入口管道55延伸穿过液态氢入口臂54和壳壁29，并设置成与壳体内部30流体连通。液态氢入口臂54通常设置成离开壳底31一定距离。氢出口臂56从阀壳体28伸出。氢出口管道57延伸穿过氢出口臂56，并设置成与壳体内部30流体连通。氢出口臂56通常设置成和壳底31直接相邻。
【0013】锥形阀座48设置在壳底31中，在液态氢入口臂54和氢出口臂56之间。气态氢室50设置在壳底31中并与阀座48连通。气态氢入口臂52从壳底31伸出。气态氢入口管道53延伸穿过气态氢入口臂52，并设置成与气态氢室50流体连通。
【0014】致动阀35可滑动地安装在壳体内部30中。在本发明的一个实施例中，致动阀35包括柔性膜片36，可根据本领域技术人员公知的技术将它的边缘插入并保持在膜片槽37中。膜片36在壳体内部30和基准压力室32之间形成流体不可渗漏的密封。优选地，膜片36为优质钢、薄波膜(thin-wave membrane)或其他合适的低温稳定的不锈材料。空气或其他气体被封闭在基准压力室32中并向膜片36施加预定基准压力64，预定基准压力64对应于从氢贮箱分配气态氢61和分配液态氢60之间的转换力，如将在下文中进一步描述的。基准室32中的气体应具有与存储设备的充填气体相比更低的沸点。例如，如果贮箱中存储的是氢，基准室32中的应该是氦。如果使用载荷簧来偏置该膜片，那么基准室32应该处于真空状态。
【0015】致动阀35还包括长形阀杆38，长形阀杆38接合膜片36并穿过壳体内部30的近似中心。在构造上与锥形阀座48互补的锥形阀头40，被设置在阀杆38的一端上。阀头40与阀座48对齐。举例来说，阀杆38和阀头40为如优质钢的低温稳定材料。活塞42安装在阀杆38上，在膜片36和阀头40之间，并在壳体内部30中密封接合壳壁29的内表面。在本发明的一个实施例中，至少一个，并且优选地多个液态氢流通口44延伸穿过活塞42。
【0016】如图2和3所示，取决于氢贮箱中的氢压力的大小，当活塞42在壳体内部30中滑动时，致动阀35能够在较低位置(图2)和较高位置(图3)之间运动。当致动阀35在图2中的较低位置时，阀头40稳固地装在阀座48中，活塞42疏通(去阻塞)液态氢入口管道55。因此，氢出口管道57被设置成通过壳体内部30和活塞42的液态氢流通口或复数个液态氢流通口44与液态氢入口管道55流体连通，而氢出口管道57由阀头40封闭隔离于气态氢入口管道53。相反地，当致动阀35在图3的较高位置时，活塞42将氢出口管道57密封隔离于液态氢入口管道55，而阀头40脱离阀座48且在氢出口管道57和气态氢入口管道53之间建立了流体连通。即，气态氢入口53不再被阀头40阻塞。
【0017】在相转换阀26的工作过程中，基准压力室32中的基准压力气体对膜片36施加大小恒定的预定基准压力64。基准压力64的大小在氢贮箱的工作压力水平范围以内。在氢贮箱中的氢压力的大小基本上等于基准压力64的大小的情况下，致动阀35在图2中所示的较高位置。因此，液态氢60从氢贮箱中流出，分别通过入口管道55、壳体内部30和活塞42中的液态氢流通口或复数个液态氢流通口44，进入氢出口管道57。氢出口管道57将液态氢60分配到燃料电池(未示出)或其他目的地以便使用。同时，装在阀座48中的阀头40，阻止气态氢61(图3)从气态氢入口管道53流进氢出口管道57。
【0018】在氢贮箱中的氢压力的大小增加(例如，由于温度的增加)超过了施加在膜片36上的基准压力64的大小的情况下，液态氢60对膜片36施加向上的力，使得膜片36变形进入基准压力室32，如图3所示。这使膜片36提升阀杆38，或允许阀杆38向上运动，这在壳体内部30中向上提升了活塞42使得活塞42阻塞液态氢入口管道55的出口并因此阻止液态氢60从入口管道55进一步流进壳体内部30中。同时，阀头40从阀座48抬离使得在气态氢入口管道53和氢出口管道57之间建立了流体连通。因此，气态氢61从气态氢入口管道53流入并分别通过气态氢室50、未密封的阀座48和壳体内部30，并进入氢出口管道57。氢出口管道57将液态氢60分配到燃料电池(未示出)或其他目的地以便使用。
【0019】当气态氢61继续从气态氢入口管道53，通过阀壳体28并流进氢出口管道57时，氢贮箱中的氢压力的大小平稳降低。因此，当氢贮箱中的氢压力的大小变得等于和超出施加在膜片36上的基准压力64时，基准压力64将膜片36向下推以将膜片36变形回示于图2中的原始位置。膜片36进而向下推动阀杆38，使得活塞42在壳体内部30向下滑动，并疏通液态氢入口管道55，如在图2所示。同时，阀头40装到阀座48中。因此，阀头40阻止气态氢61进一步从气态氢入口管道53通过阀壳体28并流入氢出口管道57，而液态氢60从液态氢入口管道55分别通过阀壳体28和活塞42的液态氢流通口或复数个液态氢流通口44并进入氢出口管道57的流动被恢复。
【0020】在本发明的一个实施例中，膜片36构成偏置装置，用于朝着第一位置偏置阀头40和活塞42。在偏置装置的其他实施例中，膜片36可由弹性材料(例如泡沫)螺旋弹簧或板簧来代替。
【0021】本发明的另一个实施例包括响应于贮箱内部压力而在从氢贮箱中分配液态氢和分配气态氢之间切换的方法。该方法包括：在氢贮箱中设置相转换阀；使相转换阀承受基准压力；当贮箱内部压力降到基准压力之下时，从氢贮箱并通过相转换阀分配液态氢；当贮箱内部压力超出基准压力时，从氢贮箱并通过相转换阀分配气态氢。
【0022】尽管上文描述了本发明的示例实施例，但应该认识到并理解，可对本发明进行各种修改，附加的权利要求旨在覆盖所有这些可能落入本发明的精神和范围内的修改。

Claims (25)

1.一种产品，包括：
阀壳体，具有壳体内部以及设置成与所述壳体内部流体连通的液态氢入口、气态氢入口和至少一个氢出口；
致动阀，可滑动地设置在所述壳体内部中将所述气态氢入口密封隔离于所述氢出口的第一位置和将所述液态氢入口密封隔离于所述氢出口的第二位置之间；以及
偏置装置，用于对所述致动阀施加基准力以将所述致动阀在常态下偏置在第一位置。
2.权利要求1的产品，还包括设置在所述壳体内部中的膜片以及构造和布置成当所述致动阀在第一位置时阻塞所述气态氢入口和所述氢出口之间连通的阀头，以及其中所述基准力由所述膜片施加。
3.权利要求2的产品，其中所述阀头具有大体上锥形的构造。
4.权利要求1的产品，其中所述偏置装置包括设置在所述壳体内部中的膜片，以及还包括构造和布置成当所述致动阀在第二位置时阻塞所述液态氢入口和所述氢出口之间连通的活塞，以及其中所述基准力由所述膜片施加。
5.权利要求4的产品，还包括至少一个延伸穿过所述活塞的液态氢流通口。
6.权利要求1的产品，其中所述偏置装置包括设置在所述壳体内部中的膜片，以及其中所述致动阀包括：构造和布置成当所述致动阀在第一位置时阻塞所述气态氢入口和所述氢出口之间连通的阀头；以及当所述致动阀在第二位置时，被所述膜片偏置以阻塞所述液态氢入口和所述氢出口之间连通的活塞。
7.权利要求6的产品，其中所述阀头具有大体上锥形的构造，并且还包括至少一个延伸穿过所述活塞的液态氢流通口。
8.权利要求6的产品，还包括被所述膜片接合的长形阀杆，以及其中所述活塞和所述阀头设置在所述阀杆上。
9.一种产品，包括：
阀壳体，具有壳体内部和液态氢入口、氢出口以及设置在所述液态氢入口和所述氢出口之间的气态氢入口；
致动阀，可滑动地设置在所述壳体内部中；
其中所述致动阀可在第一位置和第二位置之间运动，其中所述致动阀在第一位置阻塞所述气态氢入口和所述氢出口之间的连通并在所述液态氢入口和所述氢出口之间建立连通，所述致动阀在第二位置阻塞所述液态氢入口和所述氢出口之间的连通并在所述气态氢入口和所述氢出口之间建立连通；以及
基准压力施加在所述致动阀上以将所述致动阀在常态下偏置在第一位置。
10.权利要求9的产品，还包括设置在所述壳体内部的膜片以及被所述膜片偏置以当所述致动阀在第一位置时阻塞所述气态氢入口和所述氢出口之间连通的阀头，以及其中所述基准压力施加在所述膜片上。
11.权利要求10的产品，其中所述阀头具有大体上锥形的构造。
12.权利要求9的产品，还包括设置在所述壳体内部的膜片以及被所述膜片偏置以当所述致动阀在第二位置时阻塞所述液态氢入口和所述氢出口之间连通的活塞，以及其中所述基准压力施加在所述膜片上。
13.权利要求12的产品，还包括至少一个延伸穿过所述活塞的液态氢流通口。
14.权利要求9的产品，还包括设置在所述壳体内部的膜片、被所述膜片偏置以当所述致动阀在第一位置时阻塞所述气态氢入口和所述氢出口之间连通的阀头，以及被所述膜片偏置以当所述致动阀在第二位置时阻塞所述液态氢入口和所述氢出口之间连通的活塞，以及其中所述基准压力施加在所述膜片上。
15.权利要求14的产品，其中所述阀头具有大体上锥形的构造，并且还包括至少一个延伸穿过所述活塞的液态氢流通口。
16.权利要求14的产品，还包括被所述膜片接合的长形阀杆，以及其中所述活塞和所述阀头设置在所述阀杆上。
17.一种产品，包括：
阀壳体，具有壳体内部以及设置成与所述壳体内部流体连通的液态氢入口、气态氢入口和氢出口；
基准压力室，设置在所述阀壳体中，与所述壳体内部相邻；
致动阀，包括：设置在所述阀壳体中、在所述基准压力室和所述壳体内部之间的膜片；被所述膜片偏置并且可滑动地设置在所述壳体内部中的活塞；以及被所述膜片偏置的阀头；
其中所述致动阀可在第一位置和第二位置之间运动，其中在第一位置时所述阀头将所述气态氢入口密封隔离于所述氢出口，在第二位置时所述活塞将所述液态氢入口密封隔离于所述氢出口；以及
基准压力由所述基准压力室提供，并施加在所述膜片上以将所述致动阀在常态下偏置在第一位置。
18.权利要求17的产品，还包括设置在所述阀壳体上的壳底且其中所述气态氢入口设置在所述壳底中，并且还包括设置在所述壳底中、与所述气态氢入口流体连通的阀座，以及其中所述阀头安放在阀座上并且当所述致动阀在第一位置时密封所述气态氢入口。
19.权利要求18的产品，还包括设置在所述壳底中、在所述气态氢入口和所述阀座之间的气态氢室。
20.权利要求18的产品，还包括至少一个设置在所述活塞中的液态氢流通口以便于液态氢从所述液态氢入口流经所述壳体内部和所述活塞到达所述氢出口。
21.一种方法，包括：
在氢贮箱中设置相转换阀；
使所述相转换阀承受基准压力；
当所述贮箱内部压力降到所述基准压力之下时，从所述氢贮箱并通过所述相转换阀分配液态氢；以及
当所述贮箱内部压力超过所述基准压力时，从所述氢贮箱并通过所述相转换阀分配气态氢。
22.权利要求21的方法，其中所述相转换阀包括：具有壳体内部的致动阀壳体；设置在所述阀壳体中的液态氢入口、气态氢入口和氢出口；以及可滑动地安装在所述壳体内部中的致动阀，其中所述致动阀可在将所述气态氢入口密封隔离于所述氢出口的第一位置和将所述液态氢入口密封隔离于所述氢出口的第二位置之间运动。
23.权利要求22的方法，其中所述致动阀包括：设置在所述壳体内部中的膜片；被所述膜片偏置以当所述致动阀在第一位置时阻塞所述气态氢入口和所述氢出口之间连通的阀头；以及被所述膜片偏置以当所述致动阀在所述第二位置时阻塞所述液态氢入口和所述氢出口之间连通的活塞；其中所述基准压力施加在所述膜片上。
24.权利要求23的方法，还包括至少一个延伸穿过所述活塞的液态氢流通口，以及其中所述从所述氢贮箱并通过所述相转换阀分配液态氢包括从所述氢贮箱通过所述壳体内部和所述至少一个液态氢流通口并通过所述氢出口来分配液态氢。
25.一种产品，包括相转换阀，以及其中所述相转换阀包括：具有壳体内部的致动阀壳体；设置在所述阀壳体中的液态氢入口、气态氢入口和氢出口；可滑动地安装在所述壳体内部中的致动阀，其中所述致动阀可在将所述气态氢入口密封隔离于所述氢出口的第一位置和将所述液态氢入口密封隔离于所述氢出口的第二位置之间运动。
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