CN105283989A - 用于燃料电池系统的流体接口模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开放气阀(109、109’、200)，其可手动地开启，但是当燃料电池(108)产生的电力达到预定水平，例如达到稳定状态或接近所述稳定状态时，便可自动地或电气地关闭。所述放气阀可在系统启动时打开或者可在系统停机时打开，从而使得所述放气阀做好准备并且在下次启动时将所述燃料电池系统放气。本发明也公开一种包含各种流体部件的整合流体接口模块(10)，所述流体部件包括这些放气阀中的一个。所述整合流体接口模块(10)可被动地操作或者在没有被处理器主动控制的情况下操作。本发明还公开操作燃料电池系统的方法，其中在系统启动时将所述燃料电池系统放气。当阳极充气室被完全放气并且以燃料替换时，所述放气自动地停止。

Description

用于燃料电池系统的流体接口模块

技术领域

本发明一般涉及一种用于燃料电池系统的流体接口模块，并且更具体地说，涉及一种处于移动燃料电池电源内并且适于连接到氢气源的整合流体接口模块。

背景技术

燃料电池是直接将反应物(也就是，燃料和氧化剂)的化学能转化成直流(DC)电的装置。对于越来越多的应用而言，燃料电池比常规发电(如化石燃料的燃烧)以及便携式电力存储(如锂离子蓄电池)更为有效。详细而言，燃料电池的一个用途是作为便携式或移动消费电子装置的移动电源，所述消费电子装置诸如手机、智能电话、个人数字助理、个人游戏装置、全球定位装置、充电式蓄电池等。

已知的燃料电池包括碱性燃料电池、聚合物电解质燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和酶燃料电池。燃料电池一般通过氢气(H₂)燃料运转，并且它们也可消耗非纯氢气燃料。非纯氢气燃料电池包括直接氧化燃料电池，如使用甲醇的直接甲醇燃料电池(DMFC)，或在高温下使用碳氢化合物的固体氧化物燃料电池(SOFC)。氢气燃料可以用压缩的形式存储或者存储在化合物(如酒精或碳氢化合物)内或其他含氢材料内，所述含氢材料可重新形成或转化成氢气燃料和副产物。氢气也可存储在化学氢化物中，如硼氢化钠(NaBH₄)，其与水或酒精反应而产生氢气和副产物。氢气也可在第一压力和温度下被吸附或吸收在金属氢化物(如五镍化镧(LaNi₅))中并且在第二压力和温度下被释放到燃料电池。氢气也可经由金属氢化物(如氢化镁(MgH₂))的热分解反应进行释放。

大多数低温氢气燃料电池具有质子交换膜或聚合物电解质膜(PEM)，所述质子交换膜或聚合物电解质膜允许所述氢原子的质子穿过但迫使电子穿过外部电路，所述外部电路可有利地为智能电话、个人数字助理(PDA)、计算机、电动工具或使用电子流或电流的任何装置。燃料电池反应可表示如下：

在燃料电池阳极处的半反应：

H₂→2H⁺+2e^-

在燃料电池阴极处的半反应：

2(2H⁺+2e^-)+O₂→2H₂O

一般来说，PEM由充当电解质的质子交换聚合物或其他合适的膜制成，其中所述质子交换聚合物诸如可从杜邦公司(DuPont)购得的其为全氟磺酸聚合物。所述阳极通常由特氟龙(Teflonized)碳纸支撑物制成，所述碳纸支撑物上沉积有催化剂(如铂钌)薄层。所述阴极通常为气体扩散电极，其中铂颗粒结合到所述膜的一侧。

专利和科学文献公开了很少量的包括氢气燃料产生、流体控制、设备平衡和电力产生的、完整且可商业化的燃料电池系统。所述文献没有论述用于燃料电池系统，特别是移动燃料电池系统的流体接口系统。因此，仍然存在对此类燃料电池系统的需求。

发明内容

本发明针对一种用于燃料电池系统的整合流体接口系统或模块，所述整合流体接口系统或模块与燃料源(如氢气)匹配、将引入的燃料压力调节成可供燃料电池使用的较低压力而且在用户开启或关闭所述燃料电池系统时将所述燃料电池中的燃料充气室放气。不需要用户做其他动作。在一个实施方案中，所述整合流体接口模块具有单个开关或开启/关闭按钮以便启用所述模块上的所有流体部件。

本发明还针对一种用于燃料电池系统的被动整合接口系统或模块，所述被动整合接口系统或模块无需由控制器或微处理器主动控制即可执行先前段落中所论述的功能，除了通过用户、引入燃料(如氢气)的压力以及燃料电池产生的电力进行开启/关闭启用之外无需由电源供电。此类电源包括但并不限于内部或外部蓄电池或来自所述燃料电池系统供电的设备的电力。

本发明也涉及操作燃料电池系统的方法，其中所述燃料电池系统在系统启动时放气或排气。当阳极充气室被完全放气并且其内含物由燃料替换时，放气便自动停止。本发明也涉及一种发明性放气阀，所述放气阀是手动开启但是在燃料电池产生的电力达到预定水平(例如，稳定状态或接近稳定状态)时便自动关闭。所述放气阀可在系统启动时打开，或者可在系统停机时打开，从而使得所述放气阀做好准备并且在下次启动时将燃料电池系统放气。在一个实施方案中，所述发明性放气阀被机械地致动或准备打开并且被电气地致动来关闭。

本发明涉及一种可充当放气阀的阀，所述阀包括具有耦接到形状记忆合金(SMA)致动器的主体部分的可移动梭，所述主体部分具有实质上恒定的直径。所述主体部分具有密封部分和开放部分，其中在关闭配置中所述密封部分邻近密封构件定位以便形成密封，而且在打开配置中所述开放部分邻近所述密封构件定位以便建立穿过所述阀的流动路径。当所述梭从所述关闭配置移动到所述打开配置时，所述SMA致动器便电气地接触燃料电池，而且来自所述燃料电池的电力使所述SMA致动器收缩，以便将所述梭移动到所述关闭配置并且使所述SMA致动器脱离所述燃料电池。所述主体部分界定位于所述开放部分中的切口，而且所述流动路径包括穿过所述切口的流。

本发明还涉及可充当放气阀的另一种阀，其包括入口、出口、隔膜、偏置构件和滑动件，所述偏置构件朝向所述入口或出口来将所述隔膜推动到密封位置以便关闭所述阀，所述滑动件将所述偏置构件移动到打开位置以便允许所述隔膜移离所述入口或出口从而打开所述阀。所述阀也具有连接到所述偏置构件的形状记忆合金(SMA)致动器并且由电流致动从而将所述偏置构件移动到所述打开位置。所述阀还包括锁闩机构以便将所述滑动件固持在将所述偏置构件保持在所述打开位置上的位置中。优选地，定位所述隔膜以便使所述SMA致动器与穿过所述阀的流体隔离，从而最小化所述SMA线和所述流体之间的热传递。

本发明还涉及一种燃料电池系统，其包括本文描述的放气阀中的一个以及用以开启或关闭所述燃料电池系统的开关，其中所述开关将所述阀推动到打开配置。开启/关闭按钮开关可推动一个阀中的滑动件，所述滑动件适于推动偏置构件离开关闭配置而到达打开配置。所述开关包括推动件，所述推动件适于将另一个阀上的梭上的肩部推动到所述打开配置。当所述燃料电池系统开启时或者当所述燃料电池系统关闭时，所述开关可将所述梭推动到所述打开配置。

本发明还涉及一种燃料电池系统，其包括本文描述的放气阀中的一个以及接口端口，所述接口端口伸出以便打开燃料盒上的截止阀并且缩回以便关闭所述截止阀，其中所述接口端口将所述梭推动到打开配置。当所述接口端口伸出时或者当所述接口端口缩回时，所述接口端口将一个放气阀的梭推动到打开配置。所述接口端口包括推动件，所述推动件适于将所述梭上的肩部推动到所述打开配置。所述接口端口也可推动另一个放气阀的滑动件以便将所述阀移动到所述打开配置。

本发明还涉及一种整合流体接口模块，其将燃料盒连接到包括至少一个燃料电池的燃料电池系统。所述模块包括可在伸出位置与缩回位置之间移动的可缩回式接口端口、用以将所述至少一个燃料电池的阳极隔室放气的放气阀以及开关，其中在所述伸出位置处所述接口端口打开所述燃料盒上的截止阀，并且在所述缩回位置处关闭所述截止阀。启用所述开关以便在所述伸出位置与所述缩回位置之间移动所述接口端口并且将所述放气阀移动到打开配置。所述放气阀可在所述燃料电池系统启动或者所述燃料电池系统停机时移动到所述打开配置。

本发明也涉及一种被动整合流体接口模块，其将燃料盒连接到包括至少一个燃料电池的燃料电池系统。所述模块包括可在伸出位置与缩回位置之间移动的可缩回式接口端口、用以将所述至少一个燃料电池阳极隔室放气的放气阀和开关，其中在所述伸出位置处所述接口端口打开所述燃料盒上的截止阀，并且在所述缩回位置处关闭所述截止阀。所述放气阀通过启用所述开关而手动打开，并且所述燃料电池通过来自所述至少一个燃料电池的电力来关闭所述放气阀，而无需由处理器主动控制或由另一个电源来供电。

附图说明

在形成说明书的一部分并且结合说明书阅览的附图中，相同的参考数字符号用来指示各种视图和各种实施方案中的相同部分，其中：

图1A是本发明的整合流体接口模块10的参考表面22的透视图，而且图1B是发明性整合流体接口模块中与参考表面22相反的参考表面24的透视图；图1C是图1B的横截面图；

图2A是示例性燃料盒的顶部透视图；图2B至图2C是示例性盒体截止阀的横截面图；图2D是示例性燃料电池系统的底部透视图；

图3A是图1B的局部分解图；图3B至图3C是图1B的横截面图，其展示模块接口端口18的致动；

图4A至图4D是发明性整合流体接口模块10从参考表面24角度的透视图，其展示通过开关12来致动模块接口端口18的顺序；

图5是图1B的局部分解图，其展示压力调节器60的单独部分；

图6A是本发明的整合流体接口模块从参考表面22角度的透视图，其展示燃料歧管，而且图6B是本发明的整合流体接口模块从参考表面24角度的透视图，其展示压力反馈流动路径；

图7是示例性燃料电池的横截面图；

图8A是本发明的整合流体接口模块从参考表面22角度的局部分解图，其展示发明性放气阀；图8B是图8A的另外局部分解图；图8C与图1C相同但是从参考表面22的角度观察的，而且图8D是图8C的放气梭的放大图；图8E是本发明的整合流体接口模块从参考表面24角度的透视图，其展示放气流动歧管；

图9A至图9C是本发明放气梭的三个透视图；

图10A至图10B类似于图8C，它们分别展示本发明放气阀的打开和关闭配置；图10C是展示具有印刷电路(PC)板的本发明整合流体接口模块的分解图；图10D是具有反置放气阀的本发明整合流体接口模块的横截面图。

图11是替代放气梭的透视图；

图12是替代模块接口端口的透视图；

图13是另一个替代放气梭的透视图；

图14和图15是示出本发明的操作燃料电池系统的方法的流程图；

图16是另一个整合流体接口模块的横截面图；

图17A和图17B是整合流体接口模块的透视图，其展示所述整合流体接口模块的致动；

图18A至图18C是处于关闭、开启和释放配置中的另一个放气阀的透视图，而且相应地，图18D至图18F是分别沿着图18A至图18C中所示的放气阀的纵向轴线的横截面图

图19A至图19B是处于关闭和开启配置中的又一个放气阀的透视图，而且图19C至图19D是分别沿着图19A至图19B中所示的放气阀的纵向轴线的横截面图。

在本说明书的结尾处提供零件清单，其使附图中使用的参照数字与本说明书中使用的零件名称相互关联。

具体实施方式

本发明的整合流体接口模块是流体模块，其将燃料盒(如甲醇或丁烷燃料盒)、氢气存储装置或氢气发生器连接到燃料电池，如PEM燃料电池、DMFC、SOFC或其他燃料电池。本发明的整合流体接口模块向所述燃料盒提供对接端口或连接，以便允许燃料从所述盒体流动到所述整合流体接口模块。所述整合流体接口模块也将引入燃料的压力调节到燃料电池偏好的更低压力。本发明的整合流体接口模块也将所述燃料电池放气以便半自动地或手动地去除所述燃料电池的阳极中不需要的气体。

参照图1A至图1C，整合流体接口模块10(以下简称模块10)分别从顶侧和底侧加以展示。模块10具有开关12，所述开关12带有“开启(ON)”段14和“关闭(OFF)”段16。模块10也具有模块接口端口18，所述模块接口端口18具有合适大小和尺寸以便连接到图2A中所示的燃料盒20。模块10的顶侧22和底侧24包括下文详细描述的多个微流体通道。应注意，术语“顶部”和“底部”为相对术语并且是为了易于描述本发明而使用。表面22和24为旨在帮助描述本发明的参考表面。在实际操作期间，这些术语不必整体上指示模块10或燃料电池系统的方位。燃料盒20、模块10和并入有模块10的燃料电池系统可在任何方位上操作。

图2A至图2C展示可与模块10一起使用的示例性燃料盒20和示例性盒体截止阀26。燃料盒20在已公布的专利申请US2011/0212374、US2011/0099904和US2011/0104021以及USD673,497中进行了描述，而且阀26在已公布的专利申请US2011/0121220、US2011/0189574、US2011/0212374和US2011/0099904中进行了描述。这些参考文献以全文引用的方式并入本文。模块接口端口18包括外防护件28和内管30。如图2B至图2C中所示，管30具有合适大小和尺寸以便打开盒体截止阀26。截止阀26可具有中心立柱32，所述中心立柱32与阀主体36和/或密封扣持件38形成间隙34。模块接口端口18的管30进入间隙34以便打开一个或多个密封件40。当管30从盒体阀26退回时，密封件40重新关闭燃料盒20。可与模块10一起使用的其他合适截止阀26包括但并不限于美国专利第7,537,024号、第7,762,278号、第7,059,582号和第6,924,054号以及已公布的专利申请US2008/0145739。

模块接口端口18的外防护件28具有合适大小和尺寸以便匹配盒20上的对应通道42。具有防护件28和匹配通道42的一个优势在于，确保适当的燃料盒与模块10或燃料电池系统21一起使用。防护件28和通道42可具有其他形状，如椭圆形、星形、多边形或者任何规则或不规则形状。

图2D示出可并入有本发明模块10的示例性燃料电池系统21。在图2D中还示出开关12。燃料盒20可插入到燃料电池系统21中的开口中。燃料电池系统21可为表面上具有USB充电端口或DC端口(下文在图10C中展示)的燃料电池充电器。燃料电池系统21也可为消费电子装置、手电筒、收音机、音乐播放器(如MP3播放器)、平板计算机或膝上型计算机。燃料电池系统可具有夹持件23以便在插入之后将盒20牢固地保持在其内。也可致动或推动夹持件23以便释放盒20。在其他实施方案中，燃料电池系统可具有将盒20耦接到所述燃料电池系统的其他方式；例如，夹子、如凹座或凸台的几何特征、摩擦配合或其他耦接机构。本发明不限于所述燃料电池系统的任何特定应用或用途。

参照图3A至图3C，开关12与模块接口端口18交互以便打开燃料盒20上的阀26。模块接口端口18优选地具有彼此相反地安置在其侧面上的两个旋钮44。开关12具有两个对应的托架46，所述托架46形成适于围绕旋钮44而安装的U形末端48，正如图3A中最佳展示的。U形末端48界定大于旋钮44的空间，从而当推动开关12的开启段14时，U形末端48的下面部分在箭头50的方向上提升旋钮44和模块接口端口18，以便使模块接口端口18和管40朝向盒体阀26移动从而将其打开。随着开关12由于弹簧臂52抵靠所述燃料电池系统上的硬性表面(未图示)的动作而返回到其静止位置，U形末端48中的臂之间的额外空间便允许开关12返回到其中间或静止位置，而无需缩回模块接口端口18。这允许模块接口端口18保持啮合以便使盒体阀26处于打开状态。

在一些实施方案中，模块接口端口18不包括截止阀，并且盒体截止阀26用作燃料电池系统21的流体截止阀。在模块10上省去截止阀的优势包括避免被重复使用的此类阀的耗损，并且将此类阀故障的机率最小化。依靠盒体截止阀26的优势包括，每个全新的阀都设有每个新的盒体。在其他实施方案中，模块接口端口18可包括截止阀。此类截止阀可用于在不插入盒体时阻止空气或其他材料进入所述系统，或者可用于实现系统控制的切断顺序。

从图3B中所示的中间或静止位置，托架46实质上平行于模块10。在一个实施方案中，开关12具有允许开关12枢转或旋转的枢转凸台54。当在方向56上推动开启段14时，托架46在方向58上旋转。这个运动使模块接口端口18在方向50上移动到图3C中所示的啮合位置，正如上文所论述的。

模块接口端口18还包括机械止动件45，其与模块10中的另一个机械特征合作，以便在开关12返回到其中间位置之后将模块接口端口18保持在图3C中所示的啮合位置中。模块接口端口18还包括支腿47，每当模块接口端口18处于图3C所示的啮合位置中时，所述支腿47便突出穿过模块10以便致动包括燃料电池电路的印刷电路板(PCB)上的电气开关。

模块接口端口18的这个操作顺序还展示在图4A至图4D中。图4A中所示的模块10处于关闭状态，其中模块接口端口18缩回，而弹簧臂52将开关12维持在其中间位置中。用户在方向56上移动开关12的开启段14，这会使托架46在方向58上围绕枢转凸台54旋转并且在方向50上使模块接口端口18伸出，从而将模块10转动到操作或或开启位置。如上文所论述的，使模块接口端口18伸出会打开盒体20的截止阀26，以便使来自所述盒体的燃料流穿过模块10而到达燃料电池系统21。当用户释放开关12时，弹簧臂52推压所述燃料电池系统上的硬性表面(未图示)，以便分别在相反的方向56’和方向58’上将开关12和托架46移回，正如图4C中展示的。模块接口端口18继续保持伸出，并且托架46的U形末端48的顶部停留在模块接口端口18的旋钮44上。当所述燃料电池系统操作时，模块10应当保持在图4C所示的配置中。为了关闭所述燃料电池系统，用户在方向56上移动开关12的关闭段16。这会使托架46在方向58’上旋转以便在方向50’上移动旋钮44和模块接口端口18，从而缩回模块接口端口18以便使盒体20中的截止阀26返回到关闭位置，正如图4D中展示的。当用户释放开关12时，模块10返回到图4A的配置。

应注意，在图4B或图4D的配置中，放气阀可在开关12的开启段14或关闭段16启用时的实质上同一时间上启用或做好准备，以便将燃料电池的阳极侧放气。下文将论述模块10的放气阀的操作和结构。另外，随着模块接口端口18如图4B中所示而伸出，燃料电池电路便会启用或开启，并且随着模块接口端口18如图4D中所示而缩回时，所述燃料电池电路便会停用或关闭。

在另一个实施方案中，模块接口端口18具有其自己的截止阀，所述截止阀使得不需要模块接口端口18朝向所述燃料盒推进或从燃料盒缩回。一旦插入盒体20，其自己的截止阀26便保持打开，并且通过模块接口端口的截止阀来控制燃料气体流。这个截止阀可为被动机械阀，或者其可以是可通过控制器来控制的机电气体截止阀。

在燃料(例如，氢气)借助模块接口端口18而进入模块10之后，燃料的压力通过压力调节器60进行调整。如图1C和图5中最佳展示的，燃料穿过内管30并且到达模块10的顶侧22，其中燃料流动到压力调节器60的入口侧或高压侧。合适的压力调节器包括入口隔膜或高压隔膜62、梭64、出口隔膜或低压隔膜66。梭64具有与出口隔膜66接触的较大末端68以及与入口隔膜62接触的较小末端70，并且被装纳在梭外壳72中。弹簧74位于压力调节器60的内部并且定位在梭64的较大末端68与入口隔膜62之间。弹簧74的弹簧弹力和隔膜62和66的弹性以及出口腔室76中的压力，决定压力调节器60的开启压力或破裂压力。入口腔室78位于入口隔膜62与模块10的顶侧22的一部分之间。优选地，梭外壳72与参考压力流体连通。在一个示例中，梭外壳72设有至少一个通气孔73以便利用大气压力。

具有可移动梭的合适压力调节器的操作在共有专利和专利申请中很好地加以了描述，所述专利和专利申请包括美国专利第8,002,853号和已公布的专利申请US2010/0104481、US2011/0189574和2011/0212374，以及标题为““适合用于包括压力调节器和阀的燃料电池系统的流体部件(FluidicComponentsSuitableforFuelCellSystemsIncludingPressureRegulatorsandValves)”的共有专利申请，其代理文件号为BIC-169并且与本申请在同一日提交。这些参考文献以全文引用的方式并入本文。其他类型的合适压力调节器包括但不限于在已公布的专利申请US2008/0233446和WO2011/127608中描述的那些压力调节器。在这些参考文献中描述的任何压力调节器都可与模块10一起使用。这些参考文献以全文引用的方式并入本文。

参照图1C，燃料穿过管30而到达模块10的顶侧22。如图6A中最佳展示的，在管30的终结末端30’处，燃料被引导到入口通道80并且在方向82上流动到压力调节器60的入口84。如果出口腔室76中的出口压力以及弹簧74和隔膜62和66所施加的压力低于调节器60的开启压力，那么入口隔膜62便朝向出口隔膜66弯曲并且引入的燃料进入入口84而到达入口腔室78中，其中所述燃料发生膨胀并且由于膨胀而经受压力下降。

如图6A中最佳展示的，在膨胀和降压之后，所述燃料在出口86处离开压力调节器60，在方向90上流过出口通道88并且在模块出口92处流出模块10而到达图7中示出的、下位将论述的燃料电池以及燃料电池系统21。尽管展示两个出口通道88，但可使用任意数量的出口。

也提供压力反馈结构以便将出口压力和/或燃料电池中的压力导回到出口隔膜66，从而使得压力调节器60可以关闭，也就是，梭64朝向入口80来推动入口隔膜62以便使穿过压力调节器的燃料流停止，直到出口压力或燃料电池压力下降为止。如图6A中展示的，出口通道88上提供反馈端口94。端口94在方向98上连接到第一反馈通道96并且沿着方向102、沿着第二反馈通道100连接到出口腔室端口104，其中燃料的出口压力可由出口隔膜66来感测，正如图6B中最佳展示的。应注意，所述压力反馈结构没有专用出口，也就是，其为盲孔，从而使得反馈流动方向98和102可取决于隔膜62和66的弯曲状态来预留。

此外，图6A和图6B中展示的流动路径可由薄层覆盖以便建立封闭式通道来阻止燃料离开所述通道。这些薄覆盖层可为由对燃料电池的燃料(如氢气、氧气或甲醇)而言是惰性的材料制成的薄粘附膜。此类薄粘附膜在图1C、图3A至图3C、图4A至图4D、图5A以及下述其他图示中展示为元件106，并且也可用于覆盖放气通道，正如下文所描述的。

在替代实施方案中，通常由金属或金属合金制成的圈状弹簧74由模制特征替换，所述模制特征如类似于开关12上的弹簧臂52的弹簧臂。这个模制特征可由金属或金属合金构建，或者可由塑料或具有合适机械特性的其他材料构建。此外，不是向压力调节器60提供由旁路通道连接的入口84和出口86，而是内部通道穿过隔膜62和66以及梭64来将出口腔室76连接到入口腔室78。这个旁路通道与梭64以及隔膜62和66隔开并且将出口腔室76连接到入口腔室78。具有穿过所述隔膜和所述梭的内部通道的压力调节器在共有PCT公布文件第WO2013/093646号中完全公开，更具体地说是在所述PCT公布文件的图8A至图8D中完全公开。WO2013/093646以全文引用的方式并入本文。

整合流体接口模块10也包括放气系统或放气阀(在下文中用参考数字109或109’标示)以便从所述燃料电池中的阳极充气室去除残留气体。在图7中示出示例性燃料电池108，此图展示共有的已公布国际申请WO2011/079377中所公开的并排平面式PEM燃料电池。下文将论述其他合适的燃料电池，包括平面式或堆叠式燃料电池。残留气体，包括副产物、惰性气体和水蒸气，可收集在燃料电池108的阳极侧107上。需要从阳极107定期将这些残留气体放出，或者使用燃料(如氢气)的情况下在系统启动或在系统停机时，从燃料盒20将这些残留气体放出。将所述燃料电池或所述燃料电池系统放气便是使阳极充气室排气。在一个实施方案中，当放气阀打开时，燃料进入模块10，其流过压力调节器60并且流出模块出口92而到达燃料电池108的阳极107。燃料气体推动残留或惰性气体从阳极回到模块10并且穿过所述放气阀而向外排出。

在下文描述且在图8A至图10B中示出的、放气阀系统的一个实施方案中，放气阀109优选地由用户手动启用来启动所述燃料电池系统，例如，通过推动开关12的开启段14。当所述开关返回到其中间或静止位置时，放气阀109仍然保持开启或打开。换句话说，所述放气阀的关闭不与开关12相连。相反，当燃料电池在用以产生电力的启动调节过程之后达到稳定水平时，放气阀109便关闭或移动到关闭位置。所述调节过程为启动过程，其中燃料电池将自身加热并且加湿。来自所述燃料电池的电力通过电阻负载来传导，所述电力使所述电阻负载加热。当被加热到预定水平时，所述电阻负载(如形状记忆合金)便改变其形状或收缩回到其记忆的形状并且关闭所述放气阀或将其移动到关闭位置。所述电阻负载可包括SMA或其他电阻元件，其可优先地进行定位以便加快升温过程。因此，本发明的放气阀系统是手动或机械致动，并且电气或热退动。换句话说，放气阀109为半自动放气阀。本发明依靠燃料电池的能力来产生足够的电力，以便致动所述电阻负载/形状记忆合金负载从而关闭所述放气阀。本发明并不依靠传感器或控制系统来检测阳极是否充满氢气。本发明使用燃料电池作为氢气传感器并作为用以关闭所述放气阀的电源。

模块10中的本发明放气系统109包括与密封构件112(如O形环或密封盘)合作的至少一个放气梭110，正如图1C、图8A至图8D和图10A至图10B中所展示的。如图9A至图9C中最佳展示的，梭110包括密封部分114、开放部分116、肩部118和可选延伸部120。开放部分116包含切口或开放槽口122，其是使残留气体穿过而离开的切口。在图10B展示的关闭配置中，放气梭110的密封部分114紧靠密封构件112来定位。在图10A展示的、用以排出气体的打开配置中，开放部分116和槽口122紧靠密封构件112来定位，从而建立穿过槽口122和放气梭的流动路径以便排出残留气体。

参照图10B，由被压缩的密封构件112在放气梭110的密封部分114上施加的压缩力是处于方向113上，并且将梭110从图10B的关闭配置移动到图10A的打开配置的致动力是处于方向115上。方向113和115实质上互相垂直。密封部分114和开放部分116的直径实质上相同，并且这些资金大于密封构件112的内径，从而使得密封构件112被压缩并且在方向113上施加力。当放气梭110移动时，除了摩擦力不存在其他轴向或纵向的力，也不存在来自弹簧的偏置力作用于放气梭110，从而一旦放气梭110如此移动，便能够使放气梭110仍然保持在关闭位置中以及保持在打开位置中。

参照图8A，放气梭110被支撑在悬挂于两个立柱126上的线124上，所述两个立柱126锚定在模块10的主体上。模块10具有通道127，其具有合适大小和尺寸来存放线124。线124插入在放气梭110的肩部118下面。如图9B中最佳展示的，放气梭110具有朝向通道130开放的狭缝128。狭缝128具有合适大小和尺寸以便允许线124滑动穿过并且被宽松地固持在通道130内。在一个实施方案中，线124由加热到预定温度便恢复原始形状的材料制成或包括所述材料。用于线124的合适材料为形状记忆合金(SMA)。SMA材料为导电性或电阻性的，从而使得当(例如)来自燃料电池108的电流流过它时，所述电流也加热SMA线。合适的SMA材料包括但并不限于镍钛合金或镍钛诺，其可为市场上购得的Flexinol^TM。其他合适的SMA材料包括Ag-Cd合金、Au-Cd合金、Cu-Al-Ni合金、Cu-Sn合金、Cu-Zn合金、Cu-Zn-X合金(X＝Si、Al、Sn)、Fe-Pt合金、Mn-Cu合金、Fe-Mn-Si合金、Pt合金、Co-Ni-Al合金、Co-Ni-Ga合金、Ni-Fe-Ga合金、各种浓度的Ti-Pd合金、Ni-Ti-Nb合金和Ni-Mn-Ga合金。线124形成放气阀109的一部分。

在这个实施方案中，当用户启用开关12的开启段14时，用户也打开了所述放气阀。如图8B中最佳展示的，除托架46之外，开关12还具有放气阀推动件132，所述推动件132终止在两个指状物134中。指状物134在方向58上向下推动放气阀110的肩部118，正如上文所论述的。这个动作将放气阀110移动到图10A的打开配置。放气阀110的延伸部120使外部负载(例如，电子装置)与燃料电池分离并且将线124连接到所述燃料电池。随着残留气体从阳极107放出并且被氢气燃料所替换，燃料电池108便产生更多电力，所述电力通过线124传导并且加热所述线。当燃料电池的电力产生达到指示放气过程完成的期望或稳态水平时，线124便被充分加热而返回到其记忆的形状，也就是，它收缩其长度以便将放气梭拉回到如图10B中所示的关闭配置。一旦放气梭回到关闭配置，线124便与燃料电池电路分离，并且外部负载重新连接到燃料电池。允许线124进行冷却并返回到其更长的长度。

如图10C中所示，包括电气电路的PC板135特别地邻近于接口模块10的侧面22来安置。PC板135优选地具有电气输出端口137(如USB端口)以便将燃料电池108产生的电力传导到外部负载或电子装置。外部负载包括但不限于DC-DC变换器、功率调节元件、电气调节器或将稳压电力提供到电子装置所必需的其他电气部件。

参照图8C至图8E，有待放出的残留气体在方向136上流动，并借助放气端口138进入模块10。在模块10的内部，所述残留气体沿方向142流过放气通道140，并且沿方向142经由放气梭110上的开放部分116的槽口122而离开模块10，正如图8D中所展示的。残留气体包括惰性气体、水蒸气和冷凝水，当燃料电池系统不活动时所述惰性气体、水蒸气和冷凝水便借助聚合物交换膜(PEM)，而当没有燃料盒连接到所述系统时便借助燃料导管迁移到阳极充气室中。

因此，本发明的放气阀系统109在燃料电池系统由用户通过推动开关12而开启时便手动启用，并且当燃料电池被充分放气时便自动地停用。燃料电池自行确定阳极隔室何时被充分放气，这与氢气替换残留气体时电流的产生同时发生。自动发生的停用过程自身在燃料电池被完全调节之后，优选地并不消耗电力。在这个瞬时调节期中由燃料电池产生的电力不用于向装置供电，其用于使线124加热。在所述调节期中产生的电力也可用于加热燃料电池系统21中的其他部件。不需要将有用的电力用于停用放气阀系统109。

线124的长度和宽度可通过以下方面轻易地加以确定：稳态输出和/或燃料电池调节期间的输出、SMA材料的热导率和热电容、SMA材料得以恢复为其记忆形状的温度、SMA材料的回缩量，以及将放气梭从关闭配置移动到打开配置所必需的力。这些因素可轻易地的查找或测量。

这种放气阀系统的一个优势在于，如果燃料电池未被充分放气，那么所述阀便仍然保持打开，直到放气过程完成并且燃料(如氢气)在燃料电池中发生化学反应从而产生电力。

半自动放气阀109相对于传统放气阀的优势是显而易见的。手动操作的放气阀可能放气时间太短而将残留气体遗留在燃料电池中，或者放气时间太长而浪费燃料气体。经时或定时放气阀与手动放气阀遭受相同的缺点，并且它们需要额外部件来用于计时机构。电子致动的放气阀需要来自稳定状态下操作的燃料电池的电力，以及额外零件，如电磁阀和传感器。电子致动阀在启动时由于缺少稳态电力也无法操作，或者没有独立电源(如蓄电池)便无法工作。电子致动阀也需要微处理器或控制器来发挥作用。传统放气阀的缺陷通过上文所述且在图8A至图10B中展示的放气阀109，以及下文所述的反置放气阀109’来进行改正。

在另一个实施方案中，这种具有SMA线124、放气梭110和密封构件112的放气阀进可针对大量应用而部署为安全截止阀，以便在触发所述SMA线的系统温度达到某个预定水平时切断所述系统。放气梭110可在所述SMA线缩回时充当打开电路的电气开关。通过手动推动放气梭的手动重置是关闭电路以便重启系统所必需的。

这个安全切断特征可在燃料电池系统闲置时用于将所述系统停机。当所述燃料电池上不存在负载时，例如当没有电子装置连接到燃料电池充电器时，电流便可转移到放气阀109来加热SMA线124以便缩回并且关闭燃料电池。在一个示例中，SMA线可连接到模块接口端口18。如果燃料电池系统过热，那么SMA线便在方向50’上缩回以便从截止阀26处收回管30从而关闭所述系统。这个动作相当于在不推动开关12的关闭段16的情况下来关闭所述系统。在另一个示例中，简单电路连接在放气阀109或109’的SMA线124与USB端口137之间。连接到闸极的温度传感器(如热敏电阻)定位在这个电路上。当达到阈值温度时，所述闸极会打开以便将所述USB端口与燃料电池电路隔离，并且将这个电路连接到SMA线124以便缩回所述线从而关闭系统。在另一个示例中，SMA线124的材料经过选择以便在系统切断温度下或接近系统切断温度时缩回，从而在系统温度达到所述切断温度时自动停机所述系统。在另一个示例中，优选地位于PCB板135上的处理器或微处理器在预定不活动期之后将电流引导到SMA线124。

在另一个实施方案中，如图11中最佳展示的，放气梭可具有两个开放部分116和116’，并且被命名为双端放气梭144。双端放气梭144可用作歧管中的流体控制件。例如，一个SMA线124可定位在肩部118下方的通道130中，并且第二SMA线124可定位在肩部118上方。燃料电池或另一个电气系统或控制器可选择性地启用一个特定线124以便将双端放气梭144移动到第一开放区部116，并且启用另一个线124以便将双端放气梭144移动到另一个开放区部116’。具有不同长度的第三SMA线124可定位在肩部118的上方或下方以便将双端放气梭144移动到密封部分114。通过改变双端放气阀144的位置，可选择歧管中的特定流动通道。

在另一个实施方案中，放气阀109’以反置方式操作。反置放气阀109’在燃料电池系统关闭时做好准备或打开。在这个配置中，当燃料电池系统关闭时，反置放气阀109’便打开，并且当燃料电池系统再次开启时，燃料电池系统便准备放气。与上文论述的实施方案类似，燃料电池利用其产生的电力来关闭反置放气阀109’。对开关12进行微调整以便完成这个顺序。参照图8B，展示为与开关12的开启段14关联的放气阀推动件132可重新定位并且附接到开关12的关闭段16，从而使得关闭段16的致动将会使反置放气阀移动到开启配置。或者，开关12和放气阀推动件132可实质上与图8B中展示的保持相同，并且放气梭110可改造成如图13中所示的、具有位于一个末端的开放部分116和远离所述末端的密封部分114的反置放气梭110’。另外，放气梭的肩部118重新定位在放气梭推动件132的相反侧上。如图10D中所示，当在方向56上推动关闭段16从而在方向58’上移动放气阀推动件132时，放气阀推动件132在方向50’上移动放气梭110’以便将开放部分116与密封构件112对齐，从而打开反置放气阀109’并且使其做好准备来在下次开启系统时排气。

反置放气阀109’的一个优势在于，即使用户在燃料电池系统操作时重复地按下开关12的开启段14，或长时间按压开启段14，所述阀也不会放气，因为反置放气阀109’与开启段14解耦。在燃料电池全速操作时使系统放气会浪费燃料、会中断燃料电池的操作、会损害SMA线12并且会导致其他不利影响。

反置放气阀109’的另一个优势在于，当所述燃料电池系统操作时，放气操作不会想到阻止过度放气。用户首先通过致动关闭段16而将系统关闭，这会关闭整个系统并且打开放气阀，随后用户将致动开启段14以重新将所述燃料电池系统开启并且使所述系统放气。

反置放气阀109’的另一个优势在于，当燃料电池系统停机并且反置放气阀109’处于打开配置中时，燃料电池系统的阳极和其余部分会减压并且与周围环境达到平衡。

这可以随着燃料电池冷却来减少燃料电池系统内的冷凝水的量，从而缩短下次启动时的放气持续时间。

在另一个实施方案中，如图12中所示，放气阀推动件132连接到模块接口端口146，所述推动件132通过开关12而在方向50上移动到伸出位置以便连接到盒体20，或者在方向50’上移动到缩回位置以便与盒体20断开，正如上文所论述的。随着模块接口端口146在方向50上移动(其与图3B至图3C中展示的模块接口端口18具有相同的动作)，放气阀推动件132便会在方向50上推动放气梭110。在这个实施方案中，推动件132将定位在肩部118的表面148上，正如图9B中所示出的。这会将槽口122和开放部分116定位在密封部件112的对面，从而使放气阀109转动到打开配置。

放气梭的改造允许前述段落中的放气系统以反置方式操作，也就是，将所述系统关闭会打开放气阀。如图13中所示，放气梭110’与放气梭110类似，除了梭的密封部分114和开放部分116的位置被互换。当模块接口端口146随着所述系统停机或关闭而缩回时，附接到模块接口端口146并且与肩部118的表面150接触的放气阀推动件132便在方式50’上移动以便将开放部分116和槽口122定位在密封构件112的对面，从而打开放气阀。

应注意，在放气阀推动件132附接到模块接口端口146的实施方案中，推动件132定位在肩部118的表面148或150处，从而使得模块接口端口146仅可手动地在一个方向50或50’上移动放气梭110、110’。SMA线124位于相反表面上以便自动地关闭放气阀。

以反置方式使用模块接口端口146和放气梭110’的放气系统展现许多优势，包括如下情况：每当新的盒体20插入到燃料电池系统中时，反置放气阀109’便移动到或保持在打开配置中，并且燃料电池系统准备放气。当旧的或空的盒体20被移除并且开关12关闭时，模块接口端口146便缩回，并且具有放气梭110’的放气阀109’处于打开配置中，而且当插入全新盒体且开关12开启时燃料电池系统便准备放气。

然而，当旧的或空的盒体20被移除并且开关12保持在开启位置中时，模块接口端口146仍然保持伸出并且放气阀109’保持在关闭配置中。有利地，当全新的盒体由于摩擦而插入并且与模块接口端口146接触时，插入动作便将模块接口端口146推到缩回位置，并且放气阀109’处于打开配置中且燃料电池系统准备在下一次启动时放气。

因此，使用以反置方式操作的模块接口端口146和放气梭110’的放气系统会确保，当第一次使用全新盒体时，燃料电池系统在下一次启动时以及在将所述燃料电池系统关闭且随后再次开启之后便准备放气。

在图18A至图18F中示出另一个放气阀200。类似于上文所述的放气阀109和109’，放气阀200也包括SMA线124。在这个实施方案中，SMA线124在关闭位置中和在开启位置中由预加应力的悬臂梁拉伸，并且在关闭和开启位置中都具有实质上相同的较长长度。放气阀200通过锁闩机构而保持在开启位置中，并且受载于弹簧而使得所述阀返回到关闭位置，除非其通过锁闩机构或SMA线的收缩而固持在开启位置中。为了将阀200从开启位置移动到关闭位置，SMA线124由燃料电池108临时加热，因为阳极107被放气并且氢气燃料气体充分填充所述阳极，从而允许燃料电池108产生足够的电流来加热SMA线124并使其收缩。随着SMA线124收缩，其拉紧悬臂梁并释放锁闩机构，而且预加应力的悬臂梁返回到关闭位置并在加热停止时拉伸SMA线124。因此，放气阀200为另一种半自动阀，优选地当用户推动开启按钮时，其可手动打开，且不同于阀109和109’，其可由受载于弹簧的锁闩机构固持在开启位置中并由预加应力的悬臂梁固持在关闭位置中，而且其通过燃料电池所产生的电流而自动关闭。有利地，在燃料电池系统操作期间用户推动开启按钮达到将临时电流施加到SMA线所需的时间之后，放气阀200也可根据需要间歇性地打开。放气阀109/109’与放气阀200之间的类似元件可共用相同的参考数字。

图18A至图18C分别展示放气阀200从关闭位置到开启位置和释放位置的顺序。图18D至图18F展示相同的顺序，但使用沿着阀200的纵向轴线的横截面图。

参照展示处于关闭或闭合位置中的放气阀200的图18A和图18D，放气阀200具有入口138，其中有待放出的气体在方向136上流进放气阀200并且在离开方向142上流出出口202。有待放出的气体的流动方向136和142以及放气入口138在图18D和图18E中展示。放气阀200也具有SMA线124，其被锚定至末端204处的阀主体。SMA线124缠绕悬臂梁208的自由末端206。自由末端206具有将SMA线124扣持在适当位置中的肩部210。悬臂梁被预加应力从而使得自由末端206向下偏置到入口138的凸起脊部或唇部上以便关闭所述阀。放气阀200也具有可移动的偏置滑动件212，所述偏置滑动件212具有主体214以及带有钩状末端218的叉形支腿216。叉形支腿216形成弹簧并且存储支腿216被朝向彼此挤压时的能量，正如下文所进一步论述的。

滑动件212通过一个或多个弹簧而偏向图18A和图18D中所示的关闭位置。螺旋弹簧220可定位在阀主体上的脊部222与滑动件212的主体214之间，以便将滑动件212推向打开位置。此外，如图所示，弹簧臂224也可定位在主体214上，所述弹簧臂224可在滑动件212移动到开启位置时弯曲以便存储势能，正如图18B和图18E中最佳展示的。此外，所述阀主体也可具有弹簧臂226，其可在滑动件212移动到开启位置时弯曲以便存储能量。

放气阀200还包括流动性地安置在入口138与出口202之间的挠性隔膜228。在关闭位置中，自由末端206的延伸部230将隔膜228推向入口138上的凸起脊部以便关闭入口138，从而防止有待放出的气体流过阀200。隔膜228优选地由可密封入口138的弹性材料制成，并且在其松弛或未拉伸状态中，所述隔膜228具有合适的大小和尺寸以便在入口138上的凸起脊部上方形成空间240或流动路径，从而连接入口138和出口202，正如图18D中最佳展示的。延伸部230优选地比入口138具有更大的直径，并且由于来自预加应力的悬臂梁208的向下延伸力，延伸部230将隔膜228压靠在入口138的凸起脊部上从而密封入口。

为了将阀200和滑动件212保持在关闭位置中，阀主体具有界定在其上的槽口232，并且所述槽口具有合适的大小和尺寸以便接纳滑动件212的叉形支腿216的钩状末端218，正如图8A和图8D中最佳展示的。由于叉形支腿216的类似弹簧的特性，钩状末端218被扣持在槽口232中，并且滑动件212和阀200被固持在关闭位置中。

为了打开阀200以便将燃料电池108的阳极侧放气，用户在方向234上推动机械附接到滑动件212的开启按钮(如图18B和图18E中所展示的)，从而压缩圈状弹簧220并且使弹簧臂224、226弯曲。尽管在图18B、图18C、图18D和图18F中展示为重叠的，但弹簧臂224和226并未互相重叠，而是弯曲或移位实质上等同于所示重叠量的组合量。应注意，只有一组弹簧臂224或226可以弯曲。启用开启按钮或在方向234上推动滑动件212也会推动钩状末端218离开槽口232，这归因于叉形支腿216的远侧末端上朝向末端204的第一斜坡236。这个移动也将滑动件212啮合到悬臂梁208。自由末端206及其肩部210越过第二斜坡238，直到肩部210钩住第二斜坡238，正如图18B和图18D中最佳展示的，并且滑动件212被扣持在开启位置中或锁闩到开启位置。因此，用于锁闩机构的肩部210和第二斜坡238将滑动件212或阀200扣持到开启位置。从关闭位置(图18A)到开启位置(图18B)的移动并未显著地改变SMA线124的长度。

另外，在开启位置中自由末端206被第二斜坡238向上升起并且使自由末端206的延伸部230移离入口138的凸起脊部。隔膜228的挠性或类似弹簧的特性经过设计从而使得当延伸部230移离入口138的凸起脊部时，有待放出的气体便进入位于隔膜228下方的空间240并且在方向142上通过出口202而离开阀200。应注意，如图18D至图18F中示出，隔膜228围绕其边缘242被密封，以便确保有待放出的气体在138处具有一个入口并且在142处具有一个出口。

如上文所论述的，在开启位置中线124连接到燃料电池并在氢气填满阳极侧而指示放气完成时由所述燃料电池加热，而且线124收缩到其记忆的较短长度。如图18C和图18F中最佳展示的，缩短的SMA线124向上拉动自由末端206而使肩部210脱离第二斜坡238，从而释放滑动件212。弹簧220和/或弹簧臂224和/或226推动滑动件212离开末端204以便返回到图18A和18D中所示的关闭位置。这个向上移动也使SMA线124脱离燃料电池，并且随着SMA线124冷却和/或松弛(如上文所述)，预加应力的悬臂梁208返回到其关闭位置并且拉伸SMA线124。悬臂梁208的延伸部230再次将隔膜228压向入口138上的凸起脊部以便关闭阀200。

阀200的一个优势在于，SMA线124通过隔膜228而与有待放出的气体流隔离。这个分隔会保护由上文所论述的金属合金制成的SMA线124避免接触有待放出的气体流。在放气阀109和109'中，有待放出的气体流过放气梭110的槽口122，并且SMA线124暴露于这个气体，而且热量可从线124传递到有待放出的气体。这个热量传递可取决于合金的大小和成分构成来影响SMA线124的变化速率。这会过早地冷却SMA线。在放气阀200中，SMA线124通过隔膜228来与有待放出的气体隔离，从而使最小化或避免这个问题。

放气阀200的另一个优势在于，其可间歇性地打开以便在操作期间将燃料电池放气。如上文所论述的，在关闭位置(图18A和图18D)中，SMA线由预加应力的悬臂梁208拉伸。如果燃料电池系统在SMA线124处于关闭位置中时向其传送电流，那么其会收缩并且类似于在图18C和图18F所示出的释放位置中的那样向上拉动悬臂梁208的自由末端206。这会从入口138上的凸起脊部处升起自由末端206的延伸部230和隔膜228以便打开放气阀。为了关闭放气阀，电流停止，而且SMA线124冷却并随着其返回到关闭位置而被预加应力的悬臂拉伸。

因此，在用户启用模式中，在系统启动时用于放气阀200的一个操作顺序如下：(i)由于用户按下启动按钮而致使从关闭位置转到开启位置，(ii)由于放气过程完成时来自燃料电池的电流加热SMA线并使其缩短，而致使从开启位置转到释放位置，(iii)由于在返回到其关闭位置的滑动件212和/或燃料电池系统中读取滑动件位置的控制系统的控制下穿过SMA线的电流中止，而致使从释放位置转到关闭位置。

在燃料电池系统的正常操作期间，间歇性放气具有下述顺序：(i)由于电流临时流过SMA线来进行放气，而致使从关闭位置(图18A)转到释放位置(图18C，除了不存在滑动件212引起的移动)，以及(ii)由于燃料电池系统中的控制系统中止了穿过SMA线的电流，而致使从所述释放位置转到关闭位置。

在图19A至图19D中示出另一个放气阀200’。阀200’类似于阀200，除了悬臂梁208被预加应力而向上偏置或者偏离入口138(或出口202)，并且滑动件212在一个方向上移动以便向下或朝向入口138来挤压自由末端206从而关闭阀200’。滑动件212在相反方向上移动以便允许悬臂梁208的自由末端206向上移动或移离入口138从而打开阀200’。滑动件212仍然由弹簧220弹性偏置到关闭或闭合位置，并且锁闩机构将滑动件212固持在开启或打开位置中，直到SMA线124被加热并收缩来释放所述锁闩机构。

参照图19A和图19C(其示出处于关闭位置中的放气阀200’)，滑动件212的末端213朝入口138而向下固持悬臂梁208的终结末端209来对抗悬臂梁208向上移动的偏置趋势。自由末端206的延伸部230挤压隔膜228以便密封入口138的凸起脊部从而关闭阀200’。图19B和图19D展示处于开启位置中的阀200’。滑动件212在展示的方向上移动，例如，在推动开启/关闭按钮时，并且，由于所述悬臂梁的偏置趋势，悬臂梁208的终结末端209向上移动直到终结末端209钩住滑动件212的末端213，正如图中所展示的。这会形成将滑动件212固持到悬臂梁208的锁闩机构。在这个配置中，延伸部230也向上移离入口138以便将阀200’打开到开启位置。SMA线124也被锚定到所述阀的外壳并且缠绕悬臂梁208的终结末端209。当通过燃料电池加热时，SMA线124收缩并且将终结末端209从滑动件212的末端213拉开以便释放闩锁。由弹簧220或弹簧臂224或226(在图19A至图19D中未展示)偏置的滑动件212移回到关闭位置。

还应注意，悬臂梁208及其延伸部230也可通过关闭出口202而非如上所述的关闭入口138来关闭阀200和200’。

应注意，放气阀200可以执行放气阀109和109’可执行的任何功能。例如，当燃料电池系统21开启或关闭时，阀200可处于开启位置中。第二阀200也可包括在整合流体接口模块中，从而如果不再从所述系统汲取电流，例如，当系统21闲置时，便自动地关闭燃料电池系统21。第二阀200将会与端口18的内管30的终结末端30’流体连接。第二阀200的入口将会连接到终结末端30’，而且第二阀200的出口将会是与压力调节器60流体连通的新终结末端30’，正如图1C最佳示出的。图18F也用终结末端30’进行标记。第二阀200也可位于流体回路中的其他地方。例如，所述入口可连接到压力调节器60的下游侧，而且所述出口可为连接到燃料电池的出口92。

第二阀200可通过相同的动作或使第一阀200转动到开启位置的相同按钮来转动到开启位置，从而使得用户只需要执行一种操作。在放气步骤之后，燃料电池加热第一放气阀200从而将其关闭，但是第二阀200仍然保持打开。板135上的电路或芯片被提供来确定燃料电池系统21是否闲置，或者如果没有装置从燃料电池系统21汲取或取出电流，那么这个电路便可将电流传送到第二阀的SMA线124，以便使其移动到关闭位置从而切断燃料并停机燃料电池系统21。这无需用户输入而自动完成。

因此，本发明的另一方面包括一种操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括至少一个燃料电池以及自动截止阀(200)。这种方法包括以下步骤

(a)打开自动截止阀(200)；

(b)使燃料流动到燃料电池系统以便产生电流；

(c)监控由所述燃料电池产生并传输到消费装置的电流；以及

(d)当所述电流减小到预定阈值时，便将所述至少一个燃料电池连接到所述自动截止阀中的导电元件以便关闭所述截止阀。

所述导电元件可为形状记忆合金(SMA)，并且在步骤(d)中所述燃料电池加热所述导电元件，所述导电元件缩回并且将所述截止阀移动到关闭位置。

当使用放气阀(200)时，用户启用的开启按钮将更为简单，因为只有滑动件212需要在一个方向上移动。此外，如果将盒体20插入系统21的动作也将滑动件212移动到开启位置，那么便可省去开启按钮的初始启用。当使用第二阀200时，燃料电池系统21可由于不再使用而自动地自我关闭，用户只需为后续的使用来启用开启按钮。

本发明还包括操作使用上述放气阀109和109’或其他放气阀的燃料电池系统的方法。首先，方法152在图14中展示。在演示本发明的综合方面的情况下，在步骤154处用户启用系统一次，例如，启用开关12。作为这个启用的结果，所述系统执行至少四个功能或步骤，包括：(i)启用会打开燃料截止阀26的模块接口端口18，(ii)使用燃料调节器60来调节引入燃料的压力，(iii)启用放气阀系统109，并且将所述燃料电池电气连接到所述放气阀系统，以便使燃料电池的阳极充气室排气，以及(iv)在停用所述放气阀系统之后将燃料电池连接到外部负载。直到系统停止都不会对用户作任何要求。此后，所述系统使用其自己的来自燃料电池的电力并且在放气完成时自动地关闭放气阀，例如，使用SMA材料，而无需微处理器、传感器或用户进行主动控制。所述系统随后正常操作以便产生用以操作负载的电力。当用户想要停机系统时，其停用开关12，这将通过缩回模块接口端口18而关闭截止阀26并且停用燃料电池电路。

图15示出用于操作燃料电池的另一种方法。反置方法158类似于方法152，除了在启用步骤160中系统使燃料电池系统放气或者使燃料电池的阳极充气室排气而且在停用步骤162中放气系统做好准备，也就是，在系统停机时打开反置放气阀，正如上文所论述的。

在演示本发明被动方面的情况下，整合流体接口模块10、方法152和反置方法158不需要控制器或微处理器来操作，而且除了启用开启/关闭开关之外不需要用户交互。无需外部电源(如蓄电池)来启动系统。或者，方法152和158可利用由处理器控制电气阀(例如，电磁阀)的主动控制来操作。

上文也描述操作燃料电池系统的另一种方法，当燃料电池系统闲置时或者当不再从燃料电池汲取电流时，所述方法使用具有SMA线124的第二阀200来自动地关闭所述燃料电池系统。

在图16至图17B中示出另一种整合流体接口模块。类似于模块10，模块170具有可移动模块接口端口18和管30以便打开盒体20上的阀26。模块170也具有压力调节器60和流动歧管172，所述流动歧管172将管30流动性地连接到压力调节器60并且离开模块出口92而通向燃料电池108。

模块170具有手动放气阀174，其包括球阀和球体致动器176。所述球阀包括通过弹簧180而偏入到密封元件182的密封球178。致动器球体176位于紧邻密封球178的地方，并且致动器球体176被推向密封球178来对抗弹簧180打开放气阀174的力。来自燃料电池的残留气体在放气端口138处进入模块170并且在出口孔184处离开模块170而排出。

模块170上的开关186类似于开关12，而且也用于伸出和缩回模块接口端口18。开关186枢转地附接到模块170的主体。当用户推动开关186的开启段14时，这个动作便在方向190上移动致动器板188并且压缩弹簧臂52。这个移动迫使模块接口端口18上的侧旋钮44沿斜坡或凸轮表面192向上行进，从而在方向50上伸出或移动模块接口端口18，正如图17A中展示的。在这个配置中，模块接口端口18朝向盒体20前进以便打开截止阀26。当被释放时，由于弹簧臂52释放其存储的能量，开关186返回到其静止位置，致动器板188仍然保持在图17A所示的配置中以便保持模块接口端口18与盒体20的啮合。

当用户推动开关186的关闭段16时，这个动作便在方向190’上移动致动器板188。这个移动迫使模块接口端口18上的侧旋钮44沿斜坡或凸轮表面192向下行进，从而在方向50’上缩回或移动模块接口端口18，正如图17B中展示的。在这个配置中，模块接口端口18从盒体20处撤回从而允许盒体截止阀26关闭。

类似于模块10，模块170的开关186也致动手动放气阀174。参照图16，开关186被连接到放气致动器194。当用户推动开关186的开启段时，放气致动器194也在方向190上移动，从而使得放气致动器194的边缘196挪开致动器球体176以便打开放气阀174。由于边缘196与放气致动器194的其余部分之间的间隔，当开关186返回到静止位置时，边缘196移离致动器球体176并且放气阀174关闭。放气阀174打开的周期的持续时间取决于开关186被固持在开启位置中的持续时间。与致动器板188不同，放气致动器194固定地连接到开关186，从而使得这两个部件一起移动。

如上文所述，开关186致动模块接口端口18以便打开截止阀26和放气阀174，而且启用燃料电池电路。

在燃料电池系统10中可使用消耗氢气的任何已知燃料电池。优选地使用平面式或并排式燃料电池。合适的燃料电池在美国专利第5,989,741、6,127,058、7,632,587、7,378,176和7,474,075号中，在已公布的美国专利申请第2002/0182475、2004/0224190、2006/0127734、2007/0184330、2007/0196701、2008/0233454、2009/0081493、US2009123803、US2009169945、2009/0311561、2009/0162722、2009/0130527、2011/0003299、US2011/0165495和US2013059225号以及在已公布的国际专利申请第WO2007020242、WO2009/105896、WO2011/079378和WO2011/079377中特别地加以公开。这些参考文献以全文引用的方式并入本文。

可使用任何已知的氢气存储或产生盒体或系统。此类系统在美国专利第7,674,540、8,002,853、7,481,858、7,727,293和7,896,934号中以及在已公布的美国专利第2010/0104481、2011/0189574、2011/0243836和2009/0123342号中特别地加以公开。这些参考文献以全文引用的方式并入本文。在美国专利第7,172,825和7,059,582号中公开的、含有液体燃料电池燃料(如丁烷或甲醇)的燃料盒也可与本发明的各种实施方案一起使用。

合适的压力调节器在美国专利第8,002,853号、已公布的国际专利申请第WO2011/127608号以及已公布的美国专利申请第2008/0233446、2010/0104481和2011/0212374号中加以公开。这些参考文献以全文引用的方式并入本文。

燃料电池系统21也可具有泄压阀或排气阀以便在内部压力超过某个水平时释放氢气燃料或其他燃料。

前面的详细描述是参照描绘示例性实施方案的各种细节的附图。本文的论述至少部分地参考这些附图来提出本发明主题的各种示例，并且足够详细地描述所绘出的实施方案，以便使得本领域的技术人员能够实践所述实施方案。除了本文论述的说明性示例之外，也可利用许多其他实施方案，并且除了本文特别论述的替代方案之外，也可在不背离本发明主题范围的情况下做出许多结构和操作的改变。

在先前整个描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的透彻了解。然而，本发明可在没有这些细节的条件下加以实践。在其他情形中，没有展示或详细描述众所周知的元件，以免不必要地使本发明变得模糊。附图以图示的方式展示可实践本发明的具体实施方案。这些实施方案可加以组合，可使用其他元件，或者在不背离本发明范围的情况下做出结构或逻辑改变。因此，本说明书和附图应视为说明性的，而非限制性的。

本文件中引用的所有出版物、专利和专利文件均以全文引用的方式并入本文，恰如以引用的方式单独地并入一样。在本文件与以引用方式并入的那些文件之间出现不一致用法时，所并入的参考文献的用法应被认为是本文用法的补充；对于不可调和的不一致处，以本文件中的用法为准。

下述零件清单将附图中使用的参考数字与本说明书中使用的零件名称相互关联。

参考数字零件名称

10整合流体接口模块

12开关

14开启段

16关闭段

18模块接口端口

20燃料盒

21燃料电池系统

22顶侧

23燃料电池系统21上的夹持件

24底侧

26盒体截止阀

28盒体端口18的外防护件

30盒体端口18的内管

32阀26的中心立柱

34阀26上用以接纳管30的间隙

36阀26的阀主体

38阀26上的密封扣持件

40阀26中的密封件

42盒体20上与防护件28匹配的通道

44模块接口端口18上的旋钮

45端口18上的止动件

46开关12上的托架

47止动件45的支腿

48托架46的U形末端

50、50’端口18的移动方向

52开关12的弹簧臂

54开关12的枢转凸台

56、56’开关12的移动方向

58、58’托架12的移动方向

60压力调节器

62入口膈膜

64梭

66出口膈膜

68梭64的较大末端

70梭64的较小末端

72梭外壳

73梭外壳通气孔

74压力调节器60内部的弹簧

76出口腔室

78入口腔室

80入口通道

82入口燃料流的方向

84压力调节器60的入口

86压力调节器60的出口

88出口通道

90出口燃料流的方向

92模块出口

94反馈端口

96第一反馈通道

98反馈流的方向

100第二反馈通道

102反馈流的方向

104出口腔室端口

106薄覆盖膜

107阳极

108燃料电池

109半自动放气阀

109’半自动反置放气阀

110放气梭

110’反置放气梭

112用于放气阀的密封构件

113放气阀的密封方向

114放气梭110的密封部分

115放气梭的移动方向

116放气梭110的开放部分

118放气梭110的肩部

120放气梭110上的延伸部

122放气梭110上的槽口

124形状记忆合金(SMA)线

126支撑线124的立柱

127模块10上用以存放124的通道

128肩部118下面的狭缝

130放气梭110上用于线124的通道

132放气阀推动件

134推动件132上的指状物

135PC板

136放出气体的方向

137输出/USB端口

138模块10上的放气端口

140放气通道

142放出气体的方向

144双端放气梭

146具有推动件132的模块接口端口

148、150肩部118上的相反表面

152至156操作燃料电池系统的方法

170整合流体接口模块

172模块170中的歧管

174手动放气阀

176致动球

178密封球

180弹簧

182密封构件

184放气出口孔

186开关

188致动板

190、190’致动板188的移动方向

192斜坡或凸轮表面

194放气致动器

196放气致动器194的边缘

200放气阀和自动截止阀

200’放气阀

202出口

204末端

206自由末端

208悬臂梁

209终结末端

210肩部

212可移动偏置滑动件

213滑动件的末端

214主体

216叉形支腿

218钩状末端

220螺旋弹簧

222凸出部

224弹簧臂

226弹簧臂

228挠性膈膜

230延伸部

232槽口

234方向

236第一斜坡

238第二斜坡

240空间

242周边

根据本发明的又一个方面，限流器(如流动路径中的直径减小区部或流动路径中的弯曲部)可插入到流体回路中。在一个示例中，所述限流器可靠近放气端口138定位以便减小或控制有待放出的气体在其到达放气阀109、109’或200之前的流动速率。在另一个示例中，限流器可定位在燃料电池的上游或模块10的出口92的上游，并且限流器可处于压力调节器60的上游或下游。

此外，尽管展示两个通向燃料电池的出口92，但本发明不限于任何数量的燃料电池，其可为一个燃料电池或两个以上燃料电池。

预期本说明书和示例应仅视为示例性的，并且本发明的真实范围和精神由随附权利要求书和其等效物来指示。通过考虑本说明书和本文所公开的本发明实践，本发明的其他实施方案对于本领域技术人员而言将是显而易见的。此外，一个实施方案中的部件或特征可在其他实施方案中使用。

Claims (26)

1.一种阀，其包括

入口、出口、隔膜，

偏置构件，其朝向所述入口或出口来将所述隔膜推动到密封位置以便关闭所述阀，

滑动件，其将所述偏置构件移动到打开位置，以便允许所述隔膜移离所述入口或出口从而打开所述阀，以及

形状记忆合金(SMA)致动器，其连接到所述偏置构件并且由电流致动以便将所述偏置构件移动到所述打开位置。

2.一种阀，其包括

出口、入口、隔膜、偏离所述入口或出口的偏置构件

滑动件，其在一个方向上移动以便朝向所述入口或出口来将所述偏置构件和所述隔膜移动到密封位置，从而关闭所述阀，其中所述滑动件在另一个方向上移动以便将所述偏置构件移动到打开位置，从而允许所述隔膜移离所述入口或出口，进而打开所述阀，以及

形状记忆合金(SMA)致动器，其连接到所述偏置构件并且由电流致动以便将所述偏置构件移动到所述打开位置。

3.如权利要求1或2所述的阀，其中所述电流由燃料电池在启动或操作期间产生。

4.如权利要求3所述的阀，其中所述SMA致动器与所述燃料电池的电流隔离以便允许所述偏置构件返回到所述密封位置。

5.如权利要求1或2所述的阀，其还包括锁闩机构，以便将所述滑动件固持在将所述偏置构件保持在所述打开位置上的位置中。

6.如权利要求5所述的阀，其中当被致动时，所述SMA致动器移动所述偏置构件，以便释放所述锁闩机构并且释放所述滑动件。

7.如权利要求1或2所述的阀，其中所述滑动件由至少一个弹簧加以偏置。

8.如权利要求1或2所述的阀，其中所述偏置构件为悬臂梁。

9.如权利要求1或2所述的阀，其中定位所述隔膜以便将所述SMA致动器与穿过所述阀的流体隔离。

10.一种阀，其包括

可移动梭，其包括耦接到形状记忆合金(SMA)致动器的、具有实质上恒定直径的主体部分，其中所述主体部分包括密封部分和开放部分，其中在关闭配置中，所述密封部分邻近密封构件定位以便形成密封，而且在打开配置中，所述开放部分邻近所述密封构件定位以便建立穿过所述阀的流动路径，

其中当所述梭从所述关闭配置移动到所述打开配置时，所述SMA致动器便电气地接触燃料电池，并且来自所述燃料电池的电力便收缩所述SMA致动器以便将所述梭移动到所述关闭位置并且使所述SMA致动器脱离所述燃料电池。

11.如权利要求10所述的阀，其中所述主体部分还包括位于所述开放部分中的切口，而且所述流动路径包括通过所述切口的流。

12.如权利要求10所述的阀，其中所述SMA线被支撑在两个固定立柱之间。

13.如权利要求10所述的阀，其中所述SMA线被插入到所述梭的所述主体部分上的通道中。

14.一种燃料电池系统，其包括如权利要求1、2或10所述的阀以及用以开启所述燃料电池系统的开关，其中所述开关打开所述阀。

15.如权利要求14所述的燃料电池系统，其中在所述燃料电池系统开启时，所述开关打开所述阀。

16.如权利要求14所述的燃料电池系统，其中在所述燃料电池系统关闭时，所述开关打开所述阀。

17.一种燃料电池系统，其包括如权利要求1、2或10所述的阀以及接口端口，所述接口端口伸出以便打开在燃料盒上的截止阀，并且缩回以便关闭所述截止阀。

18.一种燃料电池系统，其包括如权利要求10所述的阀以及伸出以便打开燃料盒上的截止阀并且缩回以便关闭所述截止阀的接口端口，其中在所述接口端口伸出时，所述接口端口将所述梭推动到所述打开配置。

19.一种燃料电池系统，其包括如权利要求10所述的阀以及伸出以便打开燃料盒上的截止阀并且缩回以关闭所述截止阀的接口端口，其中在所述接口端口缩回时，所述接口端口将所述梭推动到所述打开配置。

20.如权利要求1、2或10所述的阀，其中来自所述燃料电池的所述电力在启动期间、在所述燃料电池的调节阶段中产生。

21.如权利要求20所述的阀，其中所述SMA致动器在接近所述调节阶段的结束时收缩。

22.如权利要求1、2或10所述的阀，其中用户将所述阀从所述关闭配置移动到所述打开配置。

23.一种整合流体接口模块，其将燃料盒连接到包括至少一个燃料电池的燃料电池系统，所述模块包括：

可在伸出位置与缩回位置之间移动的可缩回式接口端口，其中在所述伸出位置处，所述接口端口打开所述燃料盒上的截止阀，并且在所述缩回位置处，关闭所述截止阀，

放气阀，其用以将所述至少一个燃料电池的阳极隔室放气，以及

开关，

其中启用所述开关以便在所述伸出位置与所述缩回位置之间移动所述接口端口并且将所述放气阀移动到打开配置。

24.如权利要求23所述的整合流体接口模块，其中所述放气阀在所述燃料电池系统启动时移动到所述打开配置。

25.如权利要求23所述的整合流体接口模块，其中所述放气阀在所述燃料电池系统停机时移动到所述打开配置。

26.一种被动整合流体接口模块，其将燃料盒连接到包括至少一个燃料电池的燃料电池系统，所述模块包括：

可在伸出位置与缩回位置之间移动的可缩回式接口端口，其中在所述伸出位置处所述接口端口打开所述燃料盒上的截止阀，并且在所述缩回位置处关闭所述截止阀，

放气阀，其用以将所述至少一个燃料电池的阳极隔室放气，以及

开关，

其中所述放气阀通过启用所述开关而手动打开，并且

其中所述燃料电池通过来自所述至少一个燃料电池的电力来关闭所述放气阀，而无需由处理器主动控制或由另一个电源来供电。