CN101994833A - 叠片组件密封方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及叠片组件密封方法及装置，具体公开了一种密封叠片组件的示例方法，包括对具有多个叠片的叠片组件预加负载，对所述叠片组件施压，以及对与所述叠片组件的端部相邻的封闭空间施压以将所述叠片保持在密封位置。

Description

叠片组件密封方法及装置

联邦政府赞助研发的声明

本发明是在由高级防御研究计划局给予的第N00173-01-D-2007号合同下由政府支持而做出的，高级防御研究计划局是美国国防部的机构。因此美国政府可享有本发明中的一定权利。

背景技术

具有叠片堆的叠片组件被应用于各种领域，例如燃料电池和电解装置领域。对叠片组件的叠片之间的界面进行密封期望地防止工作流体从叠片组件的板上泄漏(overboard leakage)以及工作流体从叠片组件内部形成的内部空腔的腔间泄漏(cross-cavity leakage)。叠片组件采用各种密封件以限制板上及腔间泄漏。示例性的密封件包括弹性体涂层密封件、垫圈密封件，或依赖于隔膜叠片的弹性本质。值得注意的是，这些密封件依赖于对密封件施压的负载以防止泄漏。

许多具有叠片组件的系统采用系杆(tie rod)对所述叠片组件施加预负载。紧固这些系杆迫使叠片组件的叠片与相关的密封件形成相对于彼此的密封关系。最大预负载量受到叠片压缩能力的限制。在施加预负载以后，叠片组件内的内部空腔受到压力。如所知的，因为内部压力逆着预负载的方向对叠片施力，所以这种加压可使密封关系松缓或者破坏密封关系。密封关系的破坏会不期望地导致泄漏。

发明内容

一种示例的密封叠片组件的方法包括：对具有多个叠片的叠片组件预加负载；对所述叠片组件施压；以及对与所述叠片组件的端部相邻的封闭空间施压以将所述叠片保持在密封位置。

一种示例的叠片组件施压装置包括布置成叠片堆的多个叠片。所述多个叠片可相对彼此在密封位置与非密封位置之间运动。端板与所述叠片堆相邻。壳体构造成与所述端板一起形成第一空间。第一组系杆直接固定于所述端板并构造成使所述端板运动到将所述多个叠片保持在密封位置的第一位置。第二组系杆直接固定于所述壳体。对所述第一空间施压限制所述端板从所述第一位置离开的运动。

另一种示例的叠片组件施压装置包括形成了第一封闭空间的叠片组件。所述叠片组件具有多个叠片。端板相邻于所述叠片。所述端板形成第二空间的一部分。所述端板构造成当所述第二封闭空间被施压时将所述叠片相对于彼此朝密封位置推挤。

示例性公开的这些和其它特征可从以下说明和附图中得到最佳理解，以下是简要说明。

附图说明

图1示出穿过具有叠片组件的示例电解装置的纵向剖视图。

图2示出图1电解装置的底视图。

图3示出图1电解装置的示例端板的透视图。

图4示出具有叠片组件的另一示例电解装置的透视图。

具体实施方式

参照图1和2，示例的电解装置10包括保持在第一端板18与第二端板22之间的叠片组件14。在另一例中，燃料电池包括叠片组件14。第一端板18的一面接触叠片组件14。第一端板18的相对面与第一壳体26一起建立第一封闭空间30。第一封闭空间30邻近叠片组件14的第一端部32。第二端板22的一面接触叠片组件14。第二端板22的相对面与第二壳体34一起建立第二封闭空间38。第二封闭空间38邻近叠片组件14的第二端部40。

叠片组件14包括多个叠片42。如已知的，叠片42在叠片组件14内建立内部空腔。叠片42可相对于彼此在密封位置与非密封位置之间运动。在本例中，密封位置比非密封位置使流体从叠片组件14泄漏得更少。密封位置比非密封位置还使流体在叠片组件14的内部空腔之间泄漏得更少。叠片组件14的内部空腔内的压力在本例中由附图标记Pi表示。

第一组系杆46将第一端板18相对于第二端板22固定。示例的第一组系杆46固定到壳体34。在本例中，第一组系杆46内的系杆包括螺纹部分50，螺纹部分50构造成与螺母接合以相对第二端板22固定第一端板18。将螺母紧固到第一组系杆46的螺纹部分50上使得朝第二端板22推挤第一端板18，这压缩叠片组件14并使叠片42相对于彼此运动到密封位置。在紧固系杆46时，示例的第一端板18相对于第二端板22运动。在本例中，叠片组件14通过紧固第一组系杆46而被施加预负载。尽管在本例中第一组系杆46和第二组系杆54被表示为系杆，其它例子也可包括代替系杆或在系杆之外还采用螺栓、夹具等。

第二组系杆54接合第一壳体26和第二壳体34。值得注意的是，第一组系杆46与第二组系杆54分离。也就是说，与第二组系杆54相比，第一组系杆46包括不同的系杆并构造成连接到不同的部件。

在本例中，第二组系杆54内的系杆包括螺纹部分58，螺纹部分58构造成与螺母接合以将第一壳体26相对于第二壳体34固定。将螺母紧固到螺纹部分58上使得朝第二壳体34推挤第一壳体26。本例中，第二组系杆54被略微施加预负载以加载第二组系杆54内的所有系杆。

示例性叠片组件14具有大致圆形剖面，并形成径向位于叠片组件的外径向边缘附近的多个孔62。每个孔62构造成接收来自第一组系杆46或第二组系杆54的系杆之一。

第一端板18和第二端板22包括孔66，孔66构造成接收来自第二组系杆54的系杆。该孔66的尺寸设置成使得在第一组系杆46中的系杆紧固到第一端板18、第二端板22或这两者时，来自第二组系杆54的系杆可相对于端板18和22自由运动。

示例性第一壳体26包括通道70或孔，通道70或孔在第一组系杆46被紧固或相对于第一壳体26运动时允许第一组系杆46运动。

动态密封件74位于第一端板18与第一壳体26之间，以帮助保持第一封闭空间30内的流体。静态密封件78位于第二端板22与第二壳体34之间，以帮助保持第二封闭空间38内的流体。示出了弹簧供能的动态密封件74和静态密封件78。其它示例密封件包括波纹管(bellows)、隔板(diaphragm)或加强的O形环密封件。

如图中可理解，示例的第一壳体26和示例的第二壳体34是穹顶形。第一封闭空间30和第二封闭空间38具有大致半球的形状。值得注意的是，封闭空间30和38位于叠片组件14的端部，并且不环绕叠片组件14。在该公开的例子中，采用两个穹顶。在另一个例子中，只使用一个穹顶(或只使用第一壳体26)。

在本例中，第一封闭空间30和第二封闭空间38的压力由附图标记Pe表示。在叠片组件14通过紧固第一组系杆46而被预加负载后，压力Pe增大以对抗第一端板18从叠片组件14离开的运动。压力Pe有效地抵消压力Pi使得第一组系杆46不响应于压力Pi。第二组系杆54取而代之承担与对叠片组件14施压有关的压力负载。如此，使第一组系杆46的尺寸适应预负载，使第二组系杆54的尺寸适应压力Pi和Pe。

流体通过多个流体进给口82被导入叠片组件14。在本例中流体进给口82轴向延伸。在另一个例子中，流体进给口82径向延伸。

在一个例子中，该流体是水，电解装置10将其分解为氢和氧。示例的电解装置10包括控制器86，所述控制器86构造成控制从流体供给90到叠片组件14的流体流。控制器86通过控制流体供给90而控制压力Pi。将流体导入叠片组件14会对叠片组件14的内部空腔施压并增大压力Pi。在本例中，压力Pe限制叠片42朝未密封位置运动。限制该运动以保持叠片组件14内的叠片42的密封关系。在现有技术中，增大的压力Pi使得叠片42朝未密封位置运动。

控制器94构造成控制从流体供给98到第一封闭空间30和第二封闭空间38的流体流。示例的流体是氮气，控制器86通过控制流到第一封闭空间30的氮气流而控制压力Pe。从本公开受益的本领域技术人员会理解如何利用流体供给98和控制器94例如通过将合适的阀装置结合到电解装置10中而对第一封闭空间30和第二封闭空间38施加压力。

在一个例子中，第一封闭空间30、第二封闭空间38和叠片组件14内的内部空腔是流体耦合的。也就是说，增大的压力Pi直接增大了压力Pe。这种例子包括利用相同的流体对叠片组件14、第一封闭空间30和第二封闭空间38施压。这种例子可能不需要流体供应98。其它例子包括采用来自电解过程中的氢气来增大压力Pe。通常，叠片组件14中的流体之一用于对封闭空间30和封闭空间38施压。

参照图3，第一端板18包括纵向延伸几乎穿过第一端板18的多个孔99。结合所述多个孔减少了第一端板18的整体重量同时保持第一端板18的强度。第一端板18包括刚性足够促使叠片组件14均匀压缩的材料。

参照图4，另一个示例电解装置100包括多个单元，每个均具有叠片组件14a。多个螺母102固定第二组系杆54的螺纹部分58。

所公开示例的特征包括在减少结构和复杂程度的情况下维持相邻叠片之间的密封关系。所公开例子的另一个特征是采用两组独立的系杆。一组用于对叠片组件预加负载，另一组用于响应于所述叠片组件的施压。另一个特征是在穹顶和第一端板之间采用动态密封件。动态密封件帮助压力负载通过第一端板传递到叠片组件。所公开例子的另一个特征是独立于预加负载系统的相对重量轻，体积小的主动压缩系统。例如，第一端板和第二端板的重量可很轻，因为作用在其上的唯一实质性的力是预加负载力。

尽管已公开了优选的实施例，本领域技术人员会认识到可在本发明范围内作一定的修改。为此，应研究所附权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (19)

1.一种密封叠片组件的方法，包括：

对具有多个叠片的叠片组件预加负载；

对所述叠片组件施压；以及

对与所述叠片组件的端部相邻的封闭空间施压，以将所述叠片保持在密封位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预加负载包括用系杆装置朝密封位置推挤所述叠片。

3.如权利要求1所述的方法，包括用不小于所述叠片组件内的压力的第一压力对所述封闭空间施压。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叠片组件位于相对端板之间，所述相对端板中的一个形成所述封闭空间的一部分。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述相对端板中的一个支撑所述叠片组件，所述相对端板中的另一个形成所述空间的该部分。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，采用固定到所述相对端板中的至少一个的第一系杆装置对所述叠片组件预加负载，并采用与所述第一系杆装置不同的第二系杆装置以相对于所述叠片组件保持壳体，所述壳体与所述相对端板中的一个形成所述封闭空间。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一系杆装置包括多于一个系杆，所述第二系杆装置包括多于一个系杆。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一系杆装置和所述第二系杆装置被收纳在所述叠片组件中形成的孔内。

9.如权利要求1所述的方法，包括使流体运动到所述封闭空间中以对所述封闭空间施压。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述封闭空间与所述叠片组件流体连通，使得所述封闭空间的压力与所述叠片组件内的压力相等。

11.一种叠片组件施压装置，包括：

布置成叠片堆的多个叠片，所述多个叠片相对于彼此在密封位置与非密封位置之间可运动；

与所述叠片堆相邻的端板；

构造成与所述端板一起形成第一空间的壳体；

第一组系杆，所述第一组系杆相对于所述端板固定并构造成使所述端板运动到将所述多个叠片保持在密封位置的第一位置；以及

第二组系杆，所述第二组系杆相对于所述壳体固定，其中，对所述第一空间施压限制所述端板从所述第一位置离开的运动。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述壳体包括穹顶。

13.如权利要求12所述的装置，包括位于所述穹顶与所述端板之间的动态密封件。

14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一组系杆延伸通过所述多个叠片中形成的第一组孔，所述第二组系杆延伸通过所述多个叠片中形成的第二组孔。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述叠片具有圆形剖面轮廓，所述第一组孔和所述第二组孔位于所述叠片的径向外边缘附近。

16.如权利要求11所述的装置，包括控制器，所述控制器构造为控制向所述第一空间的流体流动以控制所述第一空间内的压力。

17.一种叠片组件施压装置，包括：

形成了第一封闭空间的叠片组件，所述叠片组件具有多个叠片；以及

相邻于所述叠片的端板，所述端板形成第二封闭空间的一部分，其中，所述端板构造成当所述第二封闭空间被施压时将所述叠片相对于彼此朝密封位置推挤。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，包括构造成与所述端板一起形成所述第二封闭空间的壳体，其中，所述壳体从所述端板分离地相对于所述叠片组件固定。

19.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第一封闭空间与所述第二封闭空间流体连通，使得对所述第一封闭空间和所述第二封闭空间中的一个施压也对所述第一封闭空间和所述第二封闭空间中的另一个施压。

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