CN102840345A

CN102840345A - 能够发生冻结且带封装的滑动板孔口的阳极阀

Info

Publication number: CN102840345A
Application number: CN2012102044081A
Authority: CN
Inventors: S.E.莱尔纳; A.罗加恩
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: US8308133B1; CN102840345B; DE102012210022A1

Abstract

本发明涉及能够发生冻结且带封装的滑动板孔口的阳极阀，具体提供了一种燃料电池系统的阀，该阀包括具有允许流体流过的通路的主体。滑动构件设置在主体内并且被构造成在打开位置和关闭位置之间移动。滑动构件具有形成于其中的孔口。至少一个偏置塞被设置在主体内且相邻于滑动构件。当滑动构件处在打开位置时，偏置塞邻接滑动构件的外表面并且允许流体流经滑动构件的孔口。当滑动构件处在关闭位置时，偏置塞将滑动构件的孔口密封并且抑制孔口内的冰形成。

Description

能够发生冻结且带封装的滑动板孔口的阳极阀

技术领域

本公开涉及一种阳极阀，更具体地涉及一种燃料电池系统的阳极阀。

背景技术

燃料电池系统是一种电化学装置，其包括阳极和阴极并且在阳极与阴极之间有电解质。阳极接收燃料(例如氢气)，阴极接收氧化剂(例如氧气或空气)。当把燃料经由阳极回路提供至阳极的反应平面时，燃料被离子化且燃料离子经由固体聚合物电解质膜被转移到阴极。在此过程中产生电子并且电子流向外部电路，从而提供直流电能。当把氧化剂经由阴极回路提供至阴极时，燃料离子、电子和氧化剂在阴极处发生反应并且生成水。利用阴极排放通道将水从燃料电池系统中排出。通常并不是所有的水都被从燃料电池系统中排出。在受让人的共同未决美国专利申请公开第2009/0208795号（Skala等人）中展示并描述了一种示例性燃料电池系统，该专利申请的全部公开内容在此以参考的方式并入本文中。

通常在阳极回路中设置阀来控制燃料的参数和各种流量，例如燃料电池系统内的燃料压力和温度。一个这种阳极阀对流向阴极的用于在低温环境中使燃料电池系统升温的燃料的流量加以控制。如果在关闭燃料电池系统后有水滞留在阳极回路中且燃料电池系统维持在低温环境中，那么滞留在阳极阀中的水会发生冻结而形成冰。冰会在阳极阀中形成阻塞而妨碍阳极阀的正常运行。如果阳极阀不能正常运行则有可能难以再启动燃料电池系统，这种情况是不期望发生的。

对于抑制冰形成和阻塞的燃料电池系统的阳极阀存在着持续的需求。理想地，在燃料电池系统关闭期间将阳极阀密封而抑制冰蓄积。

发明内容

根据本公开，出人意料地发现了一种燃料电池系统的阀，该阀抑制冰形成和阻塞，并且在燃料电池系统关闭期间被密封而抑制冰蓄积。

本发明包括一种带电磁线圈致动器的阀体。所述致动器连接到带孔口洞的薄板。顺应性密封件粘接到所述薄板和阀体，而使阀体入口通道与阀体出口通道隔开。所述密封件能够伸缩（flex）以适应所述薄板的直线运动。当薄板处在关闭位置时，一对弹簧加载的塞从薄板的上面和下面配合入该薄板中的孔口。这样就形成了用以关闭阀的密封，并且防止孔口中的冰形成。所述孔口在两侧还具有斜面，使得当薄板处在打开位置时在弹簧加载的塞密封件上所产生的推力将压缩弹簧并允许薄板滑出，并且暴露孔口以允许流动。当薄板处在关闭位置时，孔口的高压侧将会起作用形成可靠的密封（positive seal）。

在一个实施例中，燃料电池系统的阀包括主体，该主体具有允许流体流过的通路。滑动构件被设置在阀主体中，且被构造成在打开位置和关闭位置之间移动。该滑动构件具有形成于其中的孔口。至少一个偏置塞被设置在阀主体内且相邻于滑动构件。当滑动构件处在打开位置时，偏置塞邻接滑动构件的外表面并且允许流体流过滑动构件的孔口。当滑动构件处在关闭位置时，偏置塞将滑动构件的孔口密封并且抑制孔口内的冰形成。

在另一个实施例中，燃料电池系统的阀包括主体，该主体具有允许流体流过的通路。滑动构件被设置在阀主体内且被构造成在打开位置和关闭位置之间移动，该滑动构件具有形成于其中的孔口。第一偏置塞设置在阀主体内且相邻于滑动构件。当滑动构件处在打开位置时，偏置塞邻接滑动构件的第一外表面并且允许流体流过滑动构件的孔口。当滑动构件处在关闭位置时，第一偏置塞将滑动构件的孔口密封并且抑制孔口内的冰形成。第二偏置塞被设置在主体内且相邻于滑动构件。第二偏置塞被设置在与第一偏置塞相对的位置。当滑动构件处在打开位置时，第二偏置塞邻接滑动构件的第二外表面并且允许流体流过滑动构件的孔口。当滑动构件处在关闭位置时，第二偏置塞将滑动构件的孔口密封并且抑制孔口内的冰形成。

本发明还涉及以下技术方案。

方案1. 一种用于燃料电池系统的阀，包括：

主体，所述主体具有允许流体流过的通路；

滑动构件，所述滑动构件设置在所述主体内并且被构造成在打开位置和关闭位置之间移动，所述滑动构件具有形成于其中的孔口；以及

至少一个偏置塞，所述偏置塞设置在所述主体内且相邻于所述滑动构件，其中，当所述滑动构件处在打开位置时所述偏置塞邻接所述滑动构件的外表面并且允许流体流过所述滑动构件的所述孔口，并且其中，当所述滑动构件处在关闭位置时所述偏置塞将所述滑动构件的所述孔口密封并且抑制所述孔口中的冰形成。

方案2. 如方案1所述的阀，其中，所述滑动构件是设置在所述主体的通道内的板。

方案3. 如方案2所述的阀，还包括顺应性密封件，所述顺应性密封件设置在所述板的周缘上并且密封地联接到所述板的周缘。

方案4. 如方案3所述的阀，其中，所述顺应性密封件具有联接到所述主体的端部。

方案5. 如方案4所述的阀，其中，所述顺应性密封件的端部粘接到所述主体。

方案6. 如方案4所述的阀，其中，所述顺应性密封件的端部的截面基本上呈T形状。

方案7. 如方案4所述的阀，其中，当所述滑动构件处在打开位置时所述顺应性密封件的端部被拉紧，当所述滑动构件处在关闭位置时所述顺应性密封件的端部基本上不被拉紧。

方案8. 如方案1所述的阀，其中，所述孔口周围的壁具有斜面。

方案9. 如方案1所述的阀，其中，所述孔口偏移至所述滑动构件的一端。

方案10. 如方案1所述的阀，其中，所述至少一个偏置塞包括塞体和弹簧。

方案11. 如方案10所述的阀，其中，所述偏置塞的所述弹簧设置在形成于所述主体内的孔洞中。

方案12. 如方案10所述的阀，其中，所述偏置塞的所述塞体的形状与所述孔口周围的壁的形状相吻合。

方案13. 如方案12所述的阀，其中，所述偏置塞的所述塞体具有大致球形、大致圆锥形和大致截头圆锥形中的一种形状。

方案14. 如方案10所述的阀，其中，所述偏置塞的所述塞体是金属材料和聚合材料中的一种材料。

方案15. 如方案10所述的阀，其中，所述弹簧是线圈弹簧。

方案16. 如方案1所述的阀，其中，所述通路具有形成于其中且相邻于所述至少一个偏置塞的开口，当所述滑动构件处在打开位置时所述开口便于流体流过所述孔口。

方案17. 如方案1所述的阀，还包括可操作地联接到所述滑动构件的致动器，所述致动器用于使所述滑动构件在打开位置和关闭位置之间移动。

方案18. 如方案17所述的阀，其中，所述致动器是电磁线圈。

方案19. 一种用于燃料电池系统的阀，包括：

主体，所述主体具有允许流体流过的通路；

第一偏置塞，所述第一偏置塞设置在所述主体内且相邻于所述滑动构件，其中，当所述滑动构件处在打开位置时所述第一偏置塞邻接所述滑动构件的第一外表面并且允许流体流过所述滑动构件的所述孔口，并且其中，当所述滑动构件处在关闭位置时所述第一偏置塞将所述滑动构件的所述孔口密封并且抑制所述孔口内的冰形成；以及

第二偏置塞，所述第二偏置塞设置在所述主体内且相邻于所述滑动构件，所述第二偏置塞设置在与所述第一偏置塞相对的位置，其中，当所述滑动构件处在打开位置时所述第二偏置塞邻接所述滑动构件的第二外表面并且允许流体流过所述滑动构件的所述孔口，并且其中，当所述滑动构件处在关闭位置时所述第二偏置塞将所述滑动构件的所述孔口密封并且抑制所述孔口中的冰形成。

方案20. 一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆，所述燃料电池堆具有用于燃料和氧化剂中的一种的入口；以及

阀，所述阀与所述燃料电池堆的所述入口流体连通；所述阀包括：具有允许流体流过的通路的主体；设置在所述主体内并且被构造成在打开位置和关闭位置之间移动的滑动构件，所述滑动构件具有形成于其中的孔口；以及至少一个设置在所述主体内且相邻于所述滑动构件的偏置塞；其中，当所述滑动构件处在打开位置时所述偏置塞邻接所述滑动构件的外表面并且允许流体流过所述滑动构件的所述孔口，并且其中，当所述滑动构件处在关闭位置时所述偏置塞将所述滑动构件的所述孔口密封并且抑制所述孔口内的冰形成。

附图说明

基于下面的详细说明特别是当参考下文中所描述的附图时，本领域技术人员将容易地理解本公开的上述优点及其它优点。

图1是根据本公开一个实施例的示例性阀的透视图。

图2是沿图1中截面线2,3-2,3截取的阀的侧视截面图，图中示出该阀处在关闭位置。

图3是沿图1中截面线2,3-2,3截取的阀的侧视截面图，图中示出该阀处在打开位置。

图4是沿图3中截面线4-4截取的阀的俯视截面平面图，图中示出了在阀内滑动构件周缘上的顺应性密封件（compliant seal）。

图5A～图5C是从图2中编号5处所取的阀的放大局部侧视图，图中示出了阀内的偏置塞的多种形状。

具体实施方式

下面的详细说明和附图描述并说明了本发明的各种实施例。这些描述和附图的目的是使本领域技术人员能够制作和利用本发明，并非意图以任何方式限制本发明的范围。

图1中图示说明了燃料电池系统(未图示)的阀2。作为一个非限制性实例，阀2可以是与燃料电池系统的阳极入口流体连通的阳极阀。在另一个实例中，阀2可以是与燃料电池系统的阴极入口流体连通的阴极阀。在燃料电池系统关闭期间，阀2可有利地抑制阀2内的冰形成和蓄积。在本公开的范围内，阀2也可用在燃料电池系统内的其它位置。

阀2具有带通路6的主体4，在阀2的运行期间允许流体(例如燃料或氧化剂)流过通路6。根据需要，主体4可形成为单个整体部件，或者由多于一个的部件构成主体4。例如，如图1中所示，主体4可由第一部分8和第二部分9构成。阀2还包括致动器10。致动器10可操作地联接到主体4，用以打开和关闭阀2。致动器10可以是例如线性致动器。在一个具体实施例中，致动器10是电磁线圈。根据需要，本领域技术人员可选择其它类型的使阀2运行的致动器10。

参照图2～图4，滑动构件12设置在主体4内。作为非限制性实例，滑动构件12可以是设置在通道14内的薄板，通道14横贯主体4的通路6。滑动构件12可通过沿通道14滑动而在关闭位置(示于图2)和打开位置(示于图3和图4)之间移动。滑动构件12是刚性的并且基本上不可渗透流体。根据需要，滑动构件12可以是例如金属材料、聚合材料或者复合材料。在一个实例中，形成滑动构件12的板是不锈钢。在具体实施例中，滑动构件12可具有在大约1毫米和大约10毫米之间、特别是在大约3毫米和大约5毫米之间的厚度。根据需要，本领域技术人员可选择滑动构件12的厚度和承受过量变形的能力，其适合于使对通道14的干扰最小化并且使可用于湿气和冰在空间16内蓄积的容积最小化。

滑动构件12具有形成于其中的孔口16。可在滑动构件12中钻出或以其它方式形成孔口16。可替代地，孔口16周围的壁可由用不同于滑动构件12的材料的材料所制成的插入物而形成，从而优化孔口16周围的壁的磨损和摩擦特性。例如，孔口16可由氟碳化合物构成，而滑动构件12可由不锈钢构成。根据需要，也可将其它材料用于孔口16和滑动构件12。

当滑动构件12处在打开位置时，孔口16允许流体在其中流过。例如，孔口16可偏移到滑动构件12的一侧，使得孔口16设置成相邻于通路6的一侧。应该认识到的是，在孔口16发生偏移的情况下，可使滑动构件12在关闭位置和打开位置之间的滑动距离最小化。

阀2还包括至少一个偏置塞18、20，偏置塞18、20被设置在主体4内且相邻于滑动构件12。当滑动构件12处在关闭位置时，偏置塞18、20邻接滑动构件12的外表面22、24且将滑动构件12的孔口16密封并且抑制孔口16内的冰形成。特别地，当滑动构件12处在关闭位置时，偏置塞18、20填补孔口16的物理空间。根据需要，偏置塞18、20可填补孔口16的全部物理空间或者孔口16的一部分物理空间。孔口16周围的壁可具有斜面21，当滑动构件12移动到打开位置时斜面21便于偏置塞18、20从孔口16中移动出，当滑动构件12移动到关闭位置时斜面21将偏置塞18、20引导入孔口16中。

应当理解的是，通路6可具有形成于其中且相邻于所述至少一个偏置塞18、20的开口23。当滑动构件12处在打开位置时，开口23有利地允许流体流过孔口16。与孔口16的偏移相结合，可利用开口23使滑动构件12在关闭位置和打开位置之间的滑动距离最小化。开口23也可加宽通路6从而使表面张力最小化，并且避免在与通道14相邻的通路6的表面上捕获湿气和冰。因此，开口23也使将水限制在滑动构件12和主体4之间的机会最小化。

在具体实施例中，所述至少一个偏置塞18、20包括第一偏置塞18和第二偏置塞20，外表面22、24包括第一外表面22和第二外表面24。例如，第一偏置塞18和第二偏置塞20可设置在滑动构件12的相对侧。当滑动构件12处在打开位置时，第一偏置塞18可邻接第一外表面22，并且第二偏置塞20可邻接第二外表面24。当滑动构件12处在关闭位置时，第一偏置塞18也将滑动构件12的孔口16的一侧密封，第二偏置塞20也将滑动构件12的孔口的另一侧密封。尽管在图2～图5C中示出了一对偏置塞18、20，但应当理解的是在本公开的范围内也可仅使用单个偏置塞18或20。

如图2～图3中所示，所述至少一个偏置塞18、20包括塞体26和弹簧28。塞体26被构造成当滑动构件12处在关闭位置时密封地接合滑动构件12的孔口16周围的壁。利用弹簧28使塞体26向滑动构件12偏置。弹簧28维持使塞体26进入孔口16的力，同时也允许当滑动构件12移动时塞体26从孔口16中移出。在某些实施例中，弹簧28设置在孔洞30中，孔洞30形成于主体4内且相邻于通道14和滑动构件12。在图2～图3中弹簧28图示为线圈弹簧(coil spring)。然而，根据需要，本领域技术人员也可选择其它类型的弹簧28，例如螺旋弹簧、板弹簧、悬臂弹簧、弹性体弹簧等。

参照图5A～图5C，塞体26的形状可与孔口16的形状基本上相吻合。例如，塞体26可由柔性聚合材料(例如橡胶等)构成。塞体26也可以是渐细的（tapered）。在某些实例中，塞体26可以是大致球形(图5A)、大致截头圆锥形(图5B)、和大致圆锥形(图5C)中的一种形状。在将塞体26的形状设计成密封地匹配孔口16的壁的形状的情况下，塞体26可由刚性材料(例如金属)构成。在本公开的范围内，塞体26可采用当滑动构件12处在关闭位置时适于密封孔口16的其它形状和材料。

应该认识到的是，采用替代性构造的第一偏置塞18可包括塞体26和隔膜密封件(未图示)，该隔膜密封件具有大于孔口16的外径并且利用阳极与阴极之间的压力差而形成可靠的密封。该隔膜密封件可采用实现如下效果的构造：如果第一偏置塞18是由聚合物模制而成，那么大于孔口16开口的环将会起到隔膜的作用从而形成密封。该隔膜密封件将会连接到第一偏置塞18并且针对滑动构件12的外表面22形成可靠的密封。本领域技术人员应当理解的是，该隔膜密封件仅用在高压侧，因此不用于第二偏置塞20。

在替代性实施例中，塞体26的形状可设计成在燃料电池系统关闭期间至少部分地穿过孔口16并且终止可能已在孔口16内发生的任何冰形成。

再次参照图2～图4，如图所示，阀2包括顺应性密封件32。顺应性密封件32可由弹性体构成，该弹性体在燃料电池车辆的低温运行条件下(例如低至至少-30℃的温度)是顺应性的。也可采用其它合适的材料。

顺应性密封件32设置在滑动构件12的周缘34上并且密封地联接到滑动构件12的周缘34。顺应性密封件32还具有端部38，端部38密封地邻接并联接到主体4，从而将主体4的通路6分成入口部40和出口部42。在带阀2的燃料电池系统的运行期间，在通路6的入口部40处可存在高压流。

可利用例如胶粘剂、超声波焊接等方法将顺应性密封件32的端部38结合到主体4的通道14的表面。可替代地，可将端部38机械固定到主体4。在一个具体实施例中，顺应性密封件32的端部38的截面大致呈T形状。T形状端部38的臂44可粘接到或者以其它方式机械附着到通道14的表面。在另一个实施例中，端部38可具有手风琴样（accordion-like）结构(未图示)，当密封构件12在关闭位置和打开位置之间移动时该手风琴样结构允许顺应性密封件32发生伸缩。根据需要，也可使用将端部38联接到主体4的其它装置。

在某些实施例中，当滑动构件12处在打开位置时顺应性密封件32的端部可被拉紧，当滑动构件12处在关闭位置时顺应性密封件32的端部基本上不被拉紧。在致动器10联接到滑动构件12并且构造成当被启动时使滑动构件12移动到打开位置的情况下，当致动器10已被停用时顺应性密封件32可协助电磁线圈使滑动构件12移动到关闭位置。

有利地，当阀2处在关闭位置时将孔口16存在受保护的主体4内并且利用密封件体26堵塞孔口16，由此本公开的阀2防止孔口16中发生冰蓄积。穿过阀2的通路6还具有与孔口16相比相对较大的表面积，因此由于表面张力而有利地阻止了水和冰的蓄积。

虽然以说明本发明为目的揭示了某些代表性实施例和细节，但是对于本领域技术人员显而易见的是在不背离本公开范围的情况下可以进行各种变化，本公开的范围在所附权利要求中作进一步的说明。

Claims

1.一种用于燃料电池系统的阀，包括：

主体，所述主体具有允许流体流过的通路；

2.如权利要求1所述的阀，其中，所述滑动构件是设置在所述主体的通道内的板。

3.如权利要求2所述的阀，还包括顺应性密封件，所述顺应性密封件设置在所述板的周缘上并且密封地联接到所述板的周缘。

4.如权利要求3所述的阀，其中，所述顺应性密封件具有联接到所述主体的端部。

5.如权利要求4所述的阀，其中，所述顺应性密封件的端部粘接到所述主体。

6.如权利要求4所述的阀，其中，所述顺应性密封件的端部的截面基本上呈T形状。

7.如权利要求4所述的阀，其中，当所述滑动构件处在打开位置时所述顺应性密封件的端部被拉紧，当所述滑动构件处在关闭位置时所述顺应性密封件的端部基本上不被拉紧。

8.如权利要求1所述的阀，其中，所述孔口周围的壁具有斜面。

9.一种用于燃料电池系统的阀，包括：

主体，所述主体具有允许流体流过的通路；

10.一种燃料电池系统，包括：