CN104577162A - 抗冻阀 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及抗冻阀。公开了用于降低燃料电池中与冰相关的阻塞的可能性的阀以及用于起动燃料电池系统的方法。阀包括阀板和联接板，其在阀体内彼此协作，使得从加压流体给予阀板的挠曲作用力被传递至阀板与联接板之间的局部接触表面。通过将这些作用力集中于这种局部区域，改善了流体围绕阀的座置区域在积累的冰中引起和传播裂纹的能力。这样，也改善了在冷状况比如与处于或低于水的冰点的那些状况下的燃料电池起动。

Description

抗冻阀
技术领域
本发明总体上涉及用于燃料电池系统的阀，并且更具体地涉及用于这类燃料电池系统中易受湿气环境使得阀不会由于冰在冻结条件下的累积而被阻塞的阀，以及燃料电池系统在冻结条件下起动使得由于冰的形成而造成的阻塞得到抑制的方法。 
背景技术
燃料电池比如能量产生器件的显著益处是它是在不依赖于作为中间步骤的燃烧的情况下实现的。正因如此，它们相对于内燃发动机(ICE)和相关的动力生成源具有数个环境优点。在典型的燃料电池比如质子交换膜或聚合物电解质膜(任一情况下均为PEM)燃料电池中，一对催化电极被离子传输介质(比如Nafion)分隔。当气体还原剂(比如氢，H2)被引入阳极并在阳极电离然后穿过离子传输介质时发生电化学反应，使得它与已经通过另一电极(阴极)引入的气体氧化剂(比如氧，O2)组合，反应物的该组合形成作为良性副产物的水。在氢的电离中释放出的电子以直流(DC)电的形式经由外部电路前进至阴极，所述外部电路通常包括可以执行有用功的电动机或相关负载。可通过组合多个这类电池以形成构成燃料电池系统的燃料电池堆或相关组件，能增加由该DC电流产生的动力生成。 
各种燃料电池系统操作条件可在反应物流中的一者或两者中导致高水份含量。在一个形式中，这类条件可能发生于使用比如水蒸汽传输(WVT)单元等装置，其帮助确保燃料电池堆的各个部分内的足够湿度水平。在某些操作条件(包括与WVT使用相关联的那些)下，希望移除过多的湿气以确保在这种湿气可能暴露于冻结温度的条件下避免关键流动路径被冰阻塞。避免冰阻塞在交通工具起动期间尤其重要，这时利用电力来用于辅助交通工具系统(比如加热、冷却、照明和其它系统)基本不可获得，直到燃料电池堆运转。 
以它们在相邻表面之间的相对移动来作为提供选择性流动的方式的阀特别易于受到冰阻塞，尤其是在阀打开和关闭期间彼此间歇式接触的那些表面之间。一个示例是止回阀，其常用于燃料电池系统来限制反应物在电池堆非运转的周期中回流到电池堆中，以便使电池堆内的催化基材与含氧或含氢流体之间的非所需反应最小化。常常难以实现避免前述反应所需的完全封闭型阀，尤其是在冷浸于潮湿环境中之后在阀密封界面上形成冰碴的情形中。常规阀(其在一个形式中可以形成为膜片，其响应于抵靠它的加压反应物)在电池堆操作期间的温度下处于变形状态中，这进而可能导致翘曲或相关的持续的永久变形，其加剧密封或泄漏问题。另外，从反应物给予膜片的应力围绕膜片周缘几乎是均匀的，这种相对较大的表面接触需要非常高的反应物作用力，其进而延迟冰破碎的开始以及阀的后续打开。在一些情形下，该作用力可能不足以克服积累的冰，从而导致前述失效的起动。 
发明内容
本发明包括被动阀设计，其保持其打开和关闭的能力，甚至是在可能形成冰碴的诱发冻结的环境温度下。这种阀可以设置在阴极反应物流动路径或阳极反应物流动路径中的任一者或两者中。在采用了WVT的燃料电池系统构造中，一个这种阀(或多个阀)可以流体地设置在WVT与燃料电池堆之间，以提供电池堆的必需隔离，以帮助防止电池堆的阴极侧在电池堆停工时间被空气侵入。替代地，阀的入口形式可以设置在WVT的干侧的上游，而阀的出口形式设置在WVT的湿侧的下游。因为WVT能够在阴极流动路径内产生显著水平的湿气或相关湿度，所以这种阀尤其有用。同样地，这类阀可以用于没有反压阀的系统，以及这种反压阀易于密封不足的系统。 
根据本发明的第一方面，公开了一种用于燃料电池系统的抗冰阀。阀包括流体入口、流体出口、限定出从其中穿过的与流体入口和流体出口协作的流体反应物通路的阀体、和设置在阀体内的致动构件。致动构件包括柔性膜片、联接板和阀板，其中阀板限定出与阀体协作的座置区域，使得在阀的关闭状态期间，阀板大致防止燃料电池反应物在流体入口与流体出口之间穿过流体反应物通路流动。同样地，膜片操作成使得在阀的打开状态期间，阀板变成解除座置，以容许燃料电池反应物流动。阀板定位成相邻于联接板，并且包括一个或多个凸舌区域，其限定出局部连接表面，其小于由座置区域限定出的表面。这样，较小的接触表面意味着比起以传统方式座置的阀将更容易实现引起阀板的破碎冰的移动，在所述以传统方式座置的阀中大致整个相邻连接表面都可能在其上形成有冰。具体地，比起以传统方式座置的阀，在本发明下，从反应物流体向阀板给予的相同量的移动作用力被集中在小得多的界面区域中。更具体地，本发明的增加的切口敏感性使得响应于移动(其进而响应于流体作用力)在阀板中诱发的挠曲作用力能被更有效地使用在本发明的局部连接表面处，作为一种方法来引起形成在座置区域中的任何冰的破碎。 
根据本发明的另一方面，一种燃料电池系统包括一个或多个燃料电池，其中的每个包括用以接受含氢反应物的阳极、用以接受含氧反应物的阴极和与所述阳极和所述阴极协作的介质，使得在所述反应物中的至少一种的催化转变时，所述催化转变的反应物从所述阳极和所述阴极中的一个通过所述介质行进至所述阴极和所述阳极中的另一个。所述系统还包括：与所述阳极处于流体连通的阳极流动路径和与所述阴极处于流体连通的阴极流动路径，所述阳极流动路径和所述阴极流动路径中的每个与被构造成接收燃料电池反应物的流体入口和设置在所述流体入口的流体下游的流体出口协作；和至少一个阀，其设置在所述阳极流动路径和所述阴极流动路径中的至少一个中，并限定出从其中穿过的流体反应物通路，所述至少一个阀包括流体入口、流体出口、限定出从其中穿过的与所述流体入口和所述流体出口协作的流体反应物通路的阀体、和致动构件，所述致动构件包括：与阀体选择性地协作并在其间限定出座置区域的柔性膜片；和定位成相邻于联接板并限定出至少一个凸舌区域的阀板，所述至少一个凸舌区域在阀板与阀体和膜片中的至少一个之间限定出局部连接表面，其小于由座置区域限定出的表面，使得在膜片响应于由燃料电池反应物给予的载荷在关闭阀状态与打开阀状态之间移动的同时或之前，由该载荷在阀板中诱发的挠曲作用力在局部连接表面处引起形成于座置区域中的任何冰的破碎。 
根据本发明的另一方面，一种抑制汽车燃料电池系统中的反应物流动路径的与冻结相关的阻塞的方法，所述方法包括：配置与所述反应物流动路径流体地协作的阀，所述阀限定出在其中设置有致动构件的阀体，所述致动构件包括：与阀体选择性地协作的柔性膜片；和定位成相邻于联接板并限定出至少一个凸舌区域的阀板，所述至少一个凸舌区域在阀板与联接板之间限定出局部连接表面，其小于由座置区域限定出的表面；以及向所述阀板引入含氢反应物和含氧反应物中的至少一个，使得在所述阀板中诱发的挠曲作用力优选在所述局部连接表面处引起形成于所述座置区域中的任何冰的破碎。在一个特定形式中，所述方法用于在以下这样的温度中起动燃料电池系统：存在于系统中的残留水可能易于冻结，尤其是在对移动关键的部件比如止回阀处。通过在止回阀中提供畅通的路径，可以在冻结条件下输送潮湿气体，而不需要补充装置(比如反压阀)。 
本公开还提供以下技术方案： 
1. 一种用于燃料电池系统的抗冰阀，所述阀包括：
流体入口，其被构造成接收燃料电池反应物；
流体出口，其设置在所述流体入口的流体下游；
阀体，其限定出从其中穿过的流体反应物通路，所述流体反应物通路与所述流体入口和所述流体出口协作；和
大体刚性的联接板；
阀板，其定位成相邻于所述联接板，并在其间限定出座置区域，所述阀板和所述联接板彼此协作，以限定出局部连接表面，其小于由所述座置区域限定出的表面，使得由给予所述阀板的载荷在所述阀板中诱发的挠曲作用力在所述局部连接表面处引起形成于所述座置区域中的任何冰的破碎。
2. 如技术方案1所述的阀，进一步包括：致动膜片，其与所述阀协作，以向其提供选择性的致动。 
3. 如技术方案2所述的阀，其中，所述阀板和所述膜片中至少一个的与所述座置区域相对应的部分围绕其周缘限定出大致曲线形状。 
4. 如技术方案3所述的阀，其中，所述曲线形状是大致圆柱形的。 
5. 如技术方案1所述的阀，其中，所述阀是止回阀，其包括被构造成至少在所述关闭状态期间将至少所述阀板保持在变形状态的偏压弹簧。 
6. 如技术方案1所述的阀，进一步包括：设置在所述阀体内的致动构件，所述致动构件被构造成通过给予所述阀板和所述联接板中至少一个的偏压作用力在所述阀内提供压力平衡。 
7. 如技术方案6所述的阀，其中，所述致动构件包括柔性膜片，其与所述联接板通过形成于其间的座置区域选择性地协作，使得在关闭状态期间，所述膜片大致防止所述燃料电池反应物在所述流体入口与所述流体出口之间穿过所述流体反应物通路流动，所述膜片进一步被构造成使得在打开状态期间，所述阀板变成解除座置，以容许所述燃料电池反应物在所述流体入口与所述流体出口之间穿过所述流体反应物通路流动。 
8. 如技术方案6所述的阀，其中，所述致动构件包括电气装置，比如步进电动机、有刷电动机、无刷电动机或电磁阀，其与所述联接板选择性地协作，使得在关闭状态期间，所述步进电动机大致防止所述燃料电池反应物在所述流体入口与所述流体出口之间穿过所述流体反应物通路流动，所述步进电动机进一步被构造成使得在打开状态期间，所述步进电动机使所述阀板变成解除座置，以容许所述燃料电池反应物在所述流体入口与所述流体出口之间穿过所述流体反应物通路流动。 
9. 一种燃料电池系统，包括： 
至少一个燃料电池，其包括用以接受含氢反应物的阳极、用以接受含氧反应物的阴极和与所述阳极和所述阴极协作的介质，使得在所述反应物中的至少一种的催化转变时，所述催化转变的反应物从所述阳极和所述阴极中的一个通过所述介质行进至所述阴极和所述阳极中的另一个；
与所述阳极处于流体连通的阳极流动路径和与所述阴极处于流体连通的阴极流动路径，所述阳极流动路径和所述阴极流动路径中的每个与被构造成接收燃料电池反应物的流体入口和设置在所述流体入口的流体下游的流体出口协作；和
至少一个阀，其设置在所述阳极流动路径和所述阴极流动路径中的至少一个中，并限定出从其中穿过的流体反应物通路，所述至少一个阀包括流体入口、流体出口、限定出从其中穿过的与所述流体入口和所述流体出口协作的流体反应物通路的阀体、被构造成在优选位置偏压所述阀的致动构件、被构造成与所述阀板接合以限定出至少一个安装表面的大体刚性的联接板、和定位成相邻于所述联接板并在其间限定出座置区域的阀板，所述阀板和所述联接板彼此协作以限定出局部连接表面，其小于由所述座置区域限定出的表面，使得由给予所述阀板的载荷在所述阀板中诱发的挠曲作用力在所述局部连接表面处引起形成于所述座置区域中的任何冰的破碎。
10. 如技术方案9所述的系统，进一步包括：加湿装置，其设置成至少与所述阴极流动路径处于流体连通，使得在所述阴极流动路径的处于所述至少一个燃料电池上游的部分与所述阴极流动路径的处于所述至少一个燃料电池下游的部分之间的湿度差能够通过所述加湿装置的操作得到降低。 
11. 如技术方案10所述的系统，其中，所述至少一个阀设置成流体地处于所述加湿装置与所述阴极流动路径的入口之间。 
12. 如技术方案10所述的系统，其中，所述至少一个阀设置成流体地处于所述加湿装置与所述阴极流动路径的出口之间。 
13. 如技术方案10所述的系统，其中，所述至少一个阀包括多个阀，其中的第一个设置成流体地处于所述加湿装置与所述阴极流动路径的入口之间，并且其中的第二个设置成流体地处于所述加湿装置与所述阴极流动路径的出口之间。 
14. 如技术方案10所述的系统，其中，所述至少一个阀设置成流体地处于所述加湿装置与所述阴极流动路径的入口之间以及所述加湿装置与所述阴极流动路径的出口之间。 
15. 如技术方案14所述的系统，进一步包括：反压阀，其与所述至少一个燃料电池流体地协作，以容许也与所述至少一个燃料电池流体地协作的压力源在所述反应物中积累压力。 
16. 如技术方案10所述的系统，其中，所述至少一个阀包括多个阀，其包括： 
入口阀，其设置成流体地处于水蒸汽传输单元的干侧的上游；和
出口阀，其设置成流体地处于所述水蒸汽传输单元的湿侧的下游。
17. 如技术方案9所述的系统，其中，不使用单独的反压阀。 
18. 如技术方案9所述的系统，其中，所述局部连接表面包括多个凸舌区域，其中的每个包括处于所述阀板与所述联接板之间的连结位置，使得在所述局部连接表面内引起的所述冰破碎由于给予所述阀板的挠曲作用力而在所述连结位置附近发生。 
19. 一种抑制汽车燃料电池系统中的反应物流动路径的与冻结相关的阻塞的方法，所述方法包括： 
配置与所述反应物流动路径流体地协作的阀，所述阀限定出在其中设置有致动构件的阀体，所述阀包括：
　　大体刚性的联接板，其被构造成与所述阀体的阀板部接合，以限定出至少一个安装表面；和
　　所述阀板，其定位成相邻于所述联接板，并在其间限定出座置区域，所述阀板和所述联接板彼此协作，以限定出局部连接表面，其小于由所述座置区域限定出的表面，使得由给予所述阀板的载荷在所述阀板中诱发的挠曲作用力在所述局部连接表面处引起形成于所述座置区域中的任何冰的破碎；以及
向所述阀板引入含氢反应物和含氧反应物中的至少一个，使得在所述阀板中诱发的挠曲作用力优选在所述局部连接表面处引起形成于所述座置区域中的任何冰的破碎。
20. 如技术方案19所述的方法，其中，在所述阀板中诱发的所述挠曲作用力发生于所述阀在关闭阀状态与打开阀状态之间移动的同时或之前。 
21. 如技术方案19所述的方法，其中，所述局部连接表面包括至少一个凸舌区域，其包括处于所述阀板与所述阀体之间的连结位置，使得在所述局部连接表面内引起的所述冰破碎由于给予所述阀板的挠曲作用力而在所述连结位置附近发生。 
22. 如技术方案19所述的方法，其中，所述抑制与冻结相关的阻塞是在存在于反应物流中的湿气可能易于冻结的环境条件下的燃料电池堆冷起动期间执行的。 
附图说明
当结合以下附图阅读时，能最佳地理解以下对本发明的详细描述，所述附图中相似结构由相似附图标记来指示，并且附图中： 
图1是采用了根据本发明一个方面的具有防冰阻塞特征的燃料电池系统的汽车的剖视图；
图2示出了依据本发明的一个实施例包括设置有止回阀的可使用在图1的汽车中的燃料电池系统的简化示意图；
图3A～3C示出了图2的止回阀处于各个阀操作阶段期间的剖切视图；
图4是图3A～3C的阀设置到壳体中其进而设置在反应物流动路径中的剖切视图；
图5是依据本发明一个实施例的具有凸舌连接器的止回阀的视图；并且
图6示出了具有步进电动机致动的阀的替代实施例。 
具体实施方式
首先参考图1，示出了交通工具10和燃料电池系统100的主要部件。交通工具10的其它特征可以包括能量转换装置20(例如，呈电动机形式，其用作由燃料电池系统100生成的电流的负载)，其联接至传动机构30(比如驱动轴或类似物)和一个或多个运动装置40，其被概念地示为轮子。其它辅助设备可以包括一个或多个电池50，以及电子装置60，其呈控制器或相关的系统管理硬件、软件或其组合的形式。虽然本系统100被示为用于移动(比如交通工具)应用，但是本领域技术人员将理解的是它同样适用于静止应用，比如独立的动力生成设备或类似物。 
系统100联接至燃料存储系统70(由一个或多个燃料箱构成)，其被构造成容纳含氢反应物。虽然未示出，但是也可以使用可选的燃料处理系统，这种系统可以包括转换系统(比如甲烷化反应器或本领域技术人员公知的其它这种设备)，以将含氢前体改变为适于以下论述的燃料电池堆中的催化反应的形式。本领域技术人员还将理解的是，其它燃料输送和燃料处理系统也是可获得的。同样地，用于含氧反应物的空气输送系统的特征可以设置在氧气源(比如环境大气)与燃料电池堆之间。这种系统可以包括流体输送设备，其呈以下形式：导管、阀、压缩器、控制器或类似物(它们都未示出)。如本领域的技术人员将理解的，电池堆是重复配置的众多个体燃料电池，使得电力输出足以通过能量转换装置20或其它负载操作传动机构30。 
下面参考图2，示意图示出了燃料电池系统100除了前述抗冰阀160之外还由共同形成电池堆120的一个或多个燃料电池110构成。每个单元110由接受含氢反应物的阳极、接受含氧反应物的阴极和形成PEM的介质(比如前述Nafion(或类似物))构成。这种构造促进将含氢反应物的至少催化电离部分从阳极输送至阴极。附加部件，比如阳极流动路径130和阴极流动路径140--各自具有相应的入口132、142和出口134、144--有助于将反应物输送至PEM的相应侧，而WVT 150可以用于提供电池堆120内的湿度控制。一个或多个泵或相关的压力提升装置145可以用于促进将含反应物的流体输送至相应的阳极和阴极流动路径130、140。应该指出的是：燃料电池系统100可以(a)构造有膨胀器，在该情况下不需要反压阀，或(b)未构造有膨胀器。在任一情况下，这种反压阀(未示出)可以用于调节电池堆内的压力。升高阴极压力会增加电池堆120的电力，但是消耗电力来更有力地驱动泵145。根据装置效率、操作温度和加湿需求，最佳压力可以足够高，使得反压阀(其以类似于节流阀的方式发挥功能)中散发的能量可以使以更昂贵的膨胀器(其以类似于涡轮增压器的排气侧的方式发挥功能)替换阀来回收能量的费用合理化。在一些情况下，可能需要两者来获得恰当的控制。如果范围和效率是最重要的，则具有膨胀器的高压力系统通常是优选的。另一方面，如果成本极为重要，则具有反压阀的较低压力系统是优选的。在极端情况(即，很少关注或不关注操作效率的非常廉价的系统)中，两者都不被使用，使得系统将仅在环境压力运行。 
高操作温度需要较高的压力来防止反应物中的水蒸汽变成显著的稀释剂。对于给定温度增加压力会减少加湿所需的水量，由此降低WVT 150的成本和尺寸。在一个形式中，膨胀器可以设置在WVT 150和隔离阀的下游。在这种情况下，反压阀(未示出)可以紧接在膨胀器之前或之后。也可使用可变喷嘴涡轮(VNT)膨胀器(未示出)在膨胀器内实现反压控制。虽然这种构造可以在压缩器与涡轮之间采用公用轴连接，但是根据成本、复杂性和效率问题，也可使用单独的轴构造，其中在膨胀器上的压缩器和发电机控制可能加剧这些问题，使得这种控制不可行。 
下面协同图2参考图4和5，阀160可以设置在阳极流动路径130和阴极流动路径140任一者或两者中，以与一者或两者流体地协作。当被构造为一般而言的出口阀以及特别而言的阴极电池堆出口阀时，阀160限定出阀体161，其具有由入口163和出口164构成的流体反应物通路162。致动构件(当前示出为呈膜片166的形式)用于容许将含反应物的流体选择性引入电池堆120以及从电池堆120选择性移除含反应物的流体。在本背景中，基于流体的通路、流、通道、导管、环路、流动路径和相关术语可以可互换地使用来描述含反应物的流体从一个位置向另一位置的输送，它们的意义从本背景应该是清楚的。在一个形式中，阀160的尺寸可以为50mm×36mm，且具有30mm横穿入口163的内径。 
在一个形式中，当与阴极电池堆出口协同使用时，阀160可以被构造为膜片致动电池堆隔离阀，其中顶部腔体180通风至大气，并且其中阀160在含反应物的流体供给压力通过入口163增加时打开。因为阀160优选在系统100中处于膨胀器的上游，压力下降只是由于由反应物通路限定出的弯折(以下更详细地论述)，这进而确保电池堆真空起作用以关闭阀160。所示电池堆出口构造能够避免膜片颠倒，其是膜片通过中心位置的翻转。通过设定流动方向F使得真空不会作用于膜片166的起伏部分(rolling part)，可以避免这种状况。如以上提及的，图4中示出的阀160也可用作入口隔离阀，其中流动方向仅仅与图中示出的方向相反。在另一实施例中(未示出)，阀160可以被用作具有反压控制功能的膜片致动电池堆隔离阀。在该情况下，顶部腔体180通风至大气或者连接至WVT供给压力，其具有电磁阀(比如3端口脉冲宽度调制(PWM)电磁阀，其中各个端口包括连接至室的端口、连接至通风口的端口和连接至WVT供给压力的端口)。这种电磁阀将施加可变量的压力，方法是交替地加压和排放所述室，快到足以产生平均压力。增加循环的加压部分的时间比例(占空比)会增加平均结果。比如顶部腔体180等孔口将确保总的流动损失不会过多。最小压力下降和失效模式压力均由弹簧作用力设定，而电池堆真空起作用以关闭阀160。膜片166(以下更详细地论述)将保持与所示形状颠倒。 
在一个优选(但不是必需)的实施例中，阀160被构造为止回阀，以在电池堆120不操作时的时间中防止电池堆120被反应物侵入。如以上提及的，柔性膜片166选择性地与阀体161协作，以用作致动构件。阀160进一步包括联接板167和阀板168，在它们之间，它们与阀体161和膜片166(或其它致动机构)协作，以容许选择性地破碎(breakup)在联接板167和阀板168的表面上的离散位置处积累的冰。这种途径--其促进裂纹或相关裂缝在积累的冰中更局部的发起--将允许更小的、构造更简单的阀160。 
阀板168限定出座置区域168A，其相对于相对较刚性的联接板167相邻地设置，使得在阀160的关闭状态期间，阀板168大致防止含反应物的流体在入口163与出口164之间沿着流动方向F流动穿过反应物通路162。在一优选实施例中，膜片166由橡胶制成，其可响应于穿过其入口163和出口164的压力差而挠曲，同时阀板168也是可变形的，并且优选由一片塑料材料制成。同样地，膜片166为使得在阀160的打开状态期间，阀板168变成解除座置以容许反应物流动。联接板167定位成相邻于膜片166，并且包括一个或多个凸舌区域167A，其在它与形成于阀板168的一部分中的孔口168B之间限定出局部连接表面170。联接板167进一步限定出座置区域167B，其保形地成形为接受膜片166的互补下表面。值得注意的是，局部连接表面170的接触部的尺寸远小于由座置区域168A限定出的表面。这样，由反应物的引入给予的载荷L为使得在膜片166在关闭与打开状态之间移动之前或与之相应地，由载荷L在阀板168中诱发的挠曲作用力(由力矩M指示，特别见图3C)引起形成于座置区域中的任何冰在局部连接表面170处破碎，而不是必须沿着座置区域168A(其当前示出为阀板168的周缘表面)的大致整体破碎它。因为冰是切口敏感的，更大百分比的载荷L(以及伴随的力矩M)能集聚在较小位置上(特别是形成为相邻于凸舌区域167A和孔口168B的局部连接表面170)，以促进更容易地破碎任何冰形成。本设计解决系统100的显著失效模式需求，包括对于反压阀的“完全或部分关闭失效”情形。偏压机构169，其包括弹簧169A、弹簧座169B和保持器169C，可以用于在没有由流体流动F给予的载荷L的情况下，将阀160保持在预定状态。 
在理想操作中，在阀板168接触阀体161时，系统将密封，但是实际上，需要额外的作用力来使表面变形，以封闭由于表面光洁度或几何结构不规则造成的间隙。弹簧169提供这种额外的作用力，并从需要一定压力来打开它这个意义上来说引入偏压力。该压力在用于反压控制时限制调节的范围。 
下面参考图3A～3C，将特别在阀160置于图2的系统100的阴极流动路径140中的情况下论述阀160(但是应理解的是其加上必要的修改也同样适用于阳极流动路径130)。阀160在电池堆120不操作时的时间中防止空气侵入电池堆120的阴极侧。在没有反压阀或者其密封不好的情形中，阀160的正确操作是尤其重要的。因此，例如，在反压阀被设计为具有允许氧气扩散到电池堆120中的空隙或者使用膨胀器系统的那些电池堆的情形中，两者均趋于容许显著量的扩散，因此依赖隔离阀成为扩散屏障。值得注意的是，由阀板168的凸舌区域167A构成的局部连接表面170在施加载荷L时能克服作为设置在挠曲阀板168后的阀体161的一部分的刚性构件挠曲，使得在凸舌区域167A中诱发力矩M。这具有的效果是将由沿着流动方向F流动的含反应物的流体的打开压力生成的气动作用力集聚在凸舌区域167A和孔口168B上，而不是围绕作为整体的座置区域168A较大周缘尺寸。在一个形式中，比起常规座置配置，能向冰碴施加增加四倍的最大应力。如以上提及的，一旦在凸舌区域167A处局部地形成了裂纹后，冰的切口敏感性和脆性行为应该使沿着座置区域168A的结合平衡失效，并允许阀160根据需要打开。 
首先参考图3A，当阀160处于其关闭(休眠)状态时(即，在施加靠着其下表面分布的作用力之前)，阀板168处于如形成状态的挠曲状态。蠕变变形不是问题，因为在处于蠕变诱发温度的操作期间不存在该挠曲。径向对称性被选择以确保挠曲不产生间隙，这样，在一个优选形式中，至少阀板168对于沿着座置区域168A与阀体161接合的部分而言呈大体圆柱形形状。如上所述，在一个优选形式中，阀板168由基于塑料的材料制成，其包括PTFE(特氟隆)、PEI(Ultem)、涂有PTFE的PEI、或聚丙烯。也可以使用橡胶型式，前提是设计有修改，比如围绕用于与弹簧169A接合的膜片166的杆部采用了更宽的保持器169C(尤其是在其下接合部)。在使用了橡胶型式的情况下，将采用材料性能来管理在凸舌区域167A中具有所需拉伸刚度的绝大部分周缘中的所需拉伸应变。在又一型式中，也可以使用基于复合材料的由织物增强的橡胶片，其纤维沿着凸舌区域167A取向。图3A中对阀板168示出的轻微变形用于处理联接板167的凸舌区域167A与孔口168B之间的高度公差，以及它们之间的平坦度公差。下面参考图3B，当阀160响应于由横穿膜片166和阀板168的载荷L给予的上升压力差而开始打开至激活状态时，至少阀板168挠曲超出中性至相对较平整的(即，平坦)形状。下面参考图3C，随着阀板168继续向上挠曲，由于阀板168的弯曲刚度和拉伸刚度，附加的气动作用力开始出现在凸舌区域167A处，以便产生力矩M。在一个形式中，在整个30mm直径阀板168内的100kPa的流体压力差生成16磅的总作用力。阀板168的挠曲关闭任何并开始在两凸舌区域167A处施加剥离作用力。这种剥离作用力的一个形式呈拉伸作用力T的形式，其沿着凸舌区域167A和相应局部连接表面170的外向边缘延伸，所述局部连接表面170围绕这些区域和孔口168B形成。 
在另一型式(未示出)中，可以使用双膜片阀构造。向阀添加另一与大气相关的膜片将使之在电池堆120内存在真空时更容易打开。这种构造将尤其有利于电池堆120的入口侧，其中这种包括的必要性取决于压缩器145的死区(dead head)承压能力或者压缩器再循环阀或电池堆旁路阀(都未示出)的存在，以允许压缩器145避免在阀关闭时出现死区运转情况。因此，如果死区运转下的供应压力不足以在处于部分真空时打开以上论述的单个膜片型式，则将使用双膜片阀。这也可以使用于电池堆120的阳极侧，尤其是用于破碎形成在阳极排放/净化阀上的冰。 
下面参考图6，公开了一个变型的阀260，其由步进电动机200致动。电动机200包括壳体202、轴承204、驱动键206、线圈208、转子210、轴212和螺纹214。连接器216将可旋转轴212固定至联接杆218和阀板220。在本图中，阀板220大体对应于阀板168，而阀座222对应于图3A～3C、4和5的阀体161的密封区域。不同于以上论述的阀160，简化的阀260不需要用作致动构件的图4的压力平衡膜片166，相反，电动机200可用作致动构件。这种构造可以特别有利于以下情形：电池堆冷却可能在电池堆120内产生显著的真空水平(例如，高达大约40kPa)。虽然这样的水平可能不会抑制传统的出口止回阀260操作(因为它在该方向上将是自激励的)，但是设置在入口侧的传统止回阀260将需要40kPa弹簧来防止它被拉开，这种弹簧于是将在电池堆操作期间引入40kPa的压力下降。阀260可以利用与大气相关的膜片协助作为一种改善该潜在问题的方法。 
应指出的是：本文将实施例的部件描述为被“构造”成特定方式或体现特定性能或以特定方式发挥功能，是结构性描述而不是描述预期用途。更具体地，本文对部件“构造”方式的提及是表示部件的现有物理状况，因此应理解为明确地描述部件的结构因素。同样地，应指出的是：如“大体”、“一般”和“通常”之类的术语在采用于本文中时不是被采用来限制所主张实施例的范围，或暗示某些特征对所主张实施例的结构或功能来说是关键的、必要的或者甚至是重要的。相反，这些术语仅仅旨在识别实施例的特定方面，或强调替代的或附加的特征，其可以也可以不被采用在特定实施例中。 
为了描述和限定本文的实施例的目的，应指出的是：术语“大致(基本上)”、“显著”、“大约”等在本文中被采用来表示固有程度的不确定性，其可以归因于任何定量比较、值、测量或其它表达。术语“大致”、“显著”和“大约”等在本文中还被采用来表示程度，其定量表示可以不同于所陈述的基准达该程度，而不会导致所涉及主题的基本功能的变化。 
虽然已通过参考本发明的具体实施例详细地描述了本发明的实施例，但是应该理解的是：在不背离在所附权利要求书中限定出的实施例的范围的情况下，修改和变型是可能的。更具体地，尽管本发明的实施例的一些方面在本文中被识别为优选的或特别有利的，但是可以想到的是本发明的实施例并不一定局限于这些优选方面。 

Claims (10)

1. 一种用于燃料电池系统的抗冰阀，所述阀包括：
流体入口，其被构造成接收燃料电池反应物；
流体出口，其设置在所述流体入口的流体下游；
阀体，其限定出从其中穿过的流体反应物通路，所述流体反应物通路与所述流体入口和所述流体出口协作；和
大体刚性的联接板；
阀板，其定位成相邻于所述联接板，并在其间限定出座置区域，所述阀板和所述联接板彼此协作，以限定出局部连接表面，其小于由所述座置区域限定出的表面，使得由给予所述阀板的载荷在所述阀板中诱发的挠曲作用力在所述局部连接表面处引起形成于所述座置区域中的任何冰的破碎。
2. 如权利要求1所述的阀，进一步包括：致动膜片，其与所述阀协作，以向其提供选择性的致动。
3. 如权利要求2所述的阀，其中，所述阀板和所述膜片中至少一个的与所述座置区域相对应的部分围绕其周缘限定出大致曲线形状。
4. 如权利要求3所述的阀，其中，所述曲线形状是大致圆柱形的。
5. 如权利要求1所述的阀，其中，所述阀是止回阀，其包括被构造成至少在所述关闭状态期间将至少所述阀板保持在变形状态的偏压弹簧。
6. 如权利要求1所述的阀，进一步包括：设置在所述阀体内的致动构件，所述致动构件被构造成通过给予所述阀板和所述联接板中至少一个的偏压作用力在所述阀内提供压力平衡。
7. 如权利要求6所述的阀，其中，所述致动构件包括柔性膜片，其与所述联接板通过形成于其间的座置区域选择性地协作，使得在关闭状态期间，所述膜片大致防止所述燃料电池反应物在所述流体入口与所述流体出口之间穿过所述流体反应物通路流动，所述膜片进一步被构造成使得在打开状态期间，所述阀板变成解除座置，以容许所述燃料电池反应物在所述流体入口与所述流体出口之间穿过所述流体反应物通路流动。
8. 如权利要求6所述的阀，其中，所述致动构件包括电气装置，比如步进电动机、有刷电动机、无刷电动机或电磁阀，其与所述联接板选择性地协作，使得在关闭状态期间，所述步进电动机大致防止所述燃料电池反应物在所述流体入口与所述流体出口之间穿过所述流体反应物通路流动，所述步进电动机进一步被构造成使得在打开状态期间，所述步进电动机使所述阀板变成解除座置，以容许所述燃料电池反应物在所述流体入口与所述流体出口之间穿过所述流体反应物通路流动。
9. 一种燃料电池系统，包括：
至少一个燃料电池，其包括用以接受含氢反应物的阳极、用以接受含氧反应物的阴极和与所述阳极和所述阴极协作的介质，使得在所述反应物中的至少一种的催化转变时，所述催化转变的反应物从所述阳极和所述阴极中的一个通过所述介质行进至所述阴极和所述阳极中的另一个；
与所述阳极处于流体连通的阳极流动路径和与所述阴极处于流体连通的阴极流动路径，所述阳极流动路径和所述阴极流动路径中的每个与被构造成接收燃料电池反应物的流体入口和设置在所述流体入口的流体下游的流体出口协作；和
至少一个阀，其设置在所述阳极流动路径和所述阴极流动路径中的至少一个中，并限定出从其中穿过的流体反应物通路，所述至少一个阀包括流体入口、流体出口、限定出从其中穿过的与所述流体入口和所述流体出口协作的流体反应物通路的阀体、被构造成在优选位置偏压所述阀的致动构件、被构造成与所述阀板接合以限定出至少一个安装表面的大体刚性的联接板、和定位成相邻于所述联接板并在其间限定出座置区域的阀板，所述阀板和所述联接板彼此协作以限定出局部连接表面，其小于由所述座置区域限定出的表面，使得由给予所述阀板的载荷在所述阀板中诱发的挠曲作用力在所述局部连接表面处引起形成于所述座置区域中的任何冰的破碎。
10. 一种抑制汽车燃料电池系统中的反应物流动路径的与冻结相关的阻塞的方法，所述方法包括：
配置与所述反应物流动路径流体地协作的阀，所述阀限定出在其中设置有致动构件的阀体，所述阀包括：
　　大体刚性的联接板，其被构造成与所述阀体的阀板部接合，以限定出至少一个安装表面；和
　　所述阀板，其定位成相邻于所述联接板，并在其间限定出座置区域，所述阀板和所述联接板彼此协作，以限定出局部连接表面，其小于由所述座置区域限定出的表面，使得由给予所述阀板的载荷在所述阀板中诱发的挠曲作用力在所述局部连接表面处引起形成于所述座置区域中的任何冰的破碎；以及
向所述阀板引入含氢反应物和含氧反应物中的至少一个，使得在所述阀板中诱发的挠曲作用力优选在所述局部连接表面处引起形成于所述座置区域中的任何冰的破碎。
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