CN107002892B - 控制阀、燃料电池排气组件和燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制从燃料电池组件排放吹扫气体的控制阀包括阀体，该阀体中具有能够在第一位置和第二位置之间移动的阀构件、用于从燃料电池组件接收吹扫气体的入口端口和用于为吹扫气体提供出口的出口端口，该阀构件被构造成在第一位置处防止吹扫气体在入口端口和出口端口之间流动并且在第二位置处允许吹扫气体在入口端口和出口端口之间流动，该阀体包括排水端口，该排水端口适于并且布置于阀体中，以允许将液体排出阀体之外，该排水端口被构造成在阀构件处于第二位置时关闭。

Description

控制阀、燃料电池排气组件和燃料电池
技术领域
本发明涉及控制阀。具体而言，其涉及吹扫控制阀，该吹扫控制阀包括排水部以管理流体在阀的阀体中的积聚。本发明还涉及包括控制阀的燃料电池排气组件。
背景技术
传统的电化燃料电池将燃料和氧化剂转化成电能和反应产物。常见的电化燃料电池的类型包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括位于阳极和阴极流动路径或气体扩散结构之间的聚合离子(质子)转移膜。诸如氢之类的燃料和诸如来自空气的氧之类的氧化剂通过MEA的相应侧面，以产生电能和作为反应产物的水。可以形成堆叠，该堆叠包括布置有独立的阳极和阴极流体流动路径的多个这样的燃料电池。这样的堆叠通常呈块的形式，该块包括通过位于堆叠的任一端处的端板保持在一起的多个单独燃料电池板。重要的是，聚合离子转移膜为了高效操作保持水合。同样重要的是，堆叠的温度得以控制。因此，可以向堆叠供给冷却剂以用于冷却和/或水合。可能需要在特定时间或者定期使用吹扫气体为燃料电池的流动路径或气体扩散结构吹扫冷却剂、污染物、或反应副产物。可能包括燃料(例如氢)的吹扫气体可以流过阳极流动路径以吹扫燃料电池。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于控制从燃料电池组件排放吹扫气体的控制阀，该控制阀包括阀体，该阀体中具有能够在第一位置和第二位置之间移动的阀构件、用于从燃料电池组件接收吹扫气体的入口端口和用于为吹扫气体提供出口的出口端口，该阀构件被构造成在第一位置处防止吹扫气体在入口端口和出口端口之间流动并且在第二位置处允许吹扫气体在入口端口和出口端口之间流动，该阀体包括排水端口，该排水端口适于并且布置于阀体中，以允许将液体排出阀体之外，该排水端口被构造成在阀构件处于第二位置时关闭。
这是有利的，原因在于排水端口提供从阀体去除液体，从而可以有助于阀的可靠操作。在控制阀的入口端口处接收到的吹扫气体可能含有来自燃料电池组件的水分并且因此排水端口提供将水分排出阀体之外的便利装置。
可选地，阀构件被构造成在第二位置处关闭排水端口。因此，与通过单独外罩不同，阀构件可以起到在其相应的位置处关闭入口端口和排水端口的作用。
可选地，排水端口和出口端口被构造成在阀构件处于第一位置时流体连通。这是有利的，原因在于这可以提供通过阀体的基本大气压流动路径，从而可以有助于排水。
可选地，阀构件偏置到第一位置，使得吹扫气体入口端口由阀构件正常关闭。该偏置可以由诸如弹簧或弹性构件之类的偏置装置来提供。
可选地，控制阀包括螺线管阀(solenoid valve)并且阀构件能够在致动螺线管(solenoid)时移动到第二位置。因此，螺线管可以与偏置装置的力相反地起作用。
可选地，排水端口向大气开口。因此，排水端口提供至大气的低压开口。
可选地，排水端口和出口端口被布置在阀体的相对侧上。
可选地，入口端口和出口端口被布置成延伸穿过阀体的共同侧。
可选地，阀体和阀构件被布置成限定旁路通道，该旁路通道在出口端口和排水端口之间并且在阀构件的旁边延伸。
根据本发明进一步的方面，提供一种用于燃料电池系统的排气组件，该排气组件包括第一方面的控制阀，出口端口连接到混合室，该混合室适于使离开控制阀的吹扫气体与进一步的流体流相结合。
可选地，排气组件包括位于混合室下游的通向大气的出口，该出口适于在与进一步的流体混合时排出吹扫气体。
可选地，混合室被构造成从燃料电池组件的阴极组件接收排气流，该阴极排气流包括进一步的流体流。
可选地，排水端口被布置成低于入口端口和出口端口。
可选地，入口端口被构造成连接到燃料电池组件的阳极组件。
根据本发明的进一步的方面，提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池组件和根据上述进一步方面的排气组件。
附图说明
下文仅通过举例的方式参照附图提供对本发明实施例的详细描述，在附图中：
图1示出了燃料电池系统的示意图，该燃料电池系统包括燃料电池组件、排气组件和控制阀；
图2a和图2b示出了处于其两个操作位置的示例性控制阀；
图3a和图3b示出了处于其两个操作位置的另一个示例性控制阀；和
图4a和图4b示出了处于其两个操作位置的另一个示例性控制阀。
具体实施方式
图1示出了燃料电池系统1，该燃料电池系统包括燃料电池组件2和用于控制吹扫气体的排气流的控制阀3。因此，控制阀包括吹扫控制阀3，该吹扫控制阀形成排气组件4的一部分。排气组件4被构造成接收通过燃料电池组件2离开阳极流动路径并且通过燃料电池组件2离开阴极流动路径的流体。在吹扫操作期间，诸如燃料(例如，氢)之类的气体流过阳极流动路径，以吹扫阳极流动路径的冷却剂、水合流体、污染物和/或反应副产物。吹扫控制阀3被构造成控制从燃料电池组件2排出的吹扫气体排气流。
本例中的燃料电池组件2包括燃料电池堆叠，该燃料电池堆叠包括堆叠在一起的多个质子交换膜燃料电池。燃料电池组件2被构造成通过阳极入口5接收诸如氢之类的燃料流并且通过阴极入口6接收诸如空气之类的氧化剂流。阳极排气部7被设置成允许任何未使用燃料和任何吹扫气体的穿透流。阴极排气出口8被设置成允许氧化剂的穿透流。
吹扫控制阀3连接到阳极排气部7并且包括三个端口、两个位置阀。图1中示出了吹扫控制阀3的示意图并且图2a和图2b中示出了示例性阀。图3a、图3b、图4a和图4b示出了相对于图2a和图2b中以相应位置示出的控制阀3的进一步的实施例。吹扫控制阀3包括阀体10，该阀体容纳阀构件11。阀构件11可以可滑动地安装于阀体10中并且能够在第一位置(图2a)和第二位置(图2b)之间移动。阀体10包括用于接收从燃料电池组件2排出的吹扫气体的入口端口12和用于为吹扫气体提供出口的出口端口13。阀体10包括排水端口14，该排水端口适于并且布置于阀体10中，以允许将存在于阀体10中的任何液体排出。可以通过重力来排出液体。具体而言，阀体10和排水端口14被构造成使得可以将可能积聚在阀构件11上的液体从吹扫控制阀3排出。
在第一位置中(图2a)，阀构件11起到防止排出的吹扫气体在入口端口12和出口端口13之间流动的作用。此外，出口端口13和排水端口14流体连通。在第二位置中(图2b)，阀构件11允许吹扫气体在入口端口12和出口端口13之间流动。此外，排水端口14关闭。提供与入口端口和出口端口分离的可关闭排水端口可以使吹扫气体控制阀可靠。
因此，阀构件11被构造成在其第一位置处关闭入口端口12(并且打开排水端口14)并且在其第二位置处关闭排水端口14(并且打开入口端口12)。具体而言，入口端口12包括第一阀座15，阀构件11相对于该第一阀座密封于第一位置。排水端口14还包括第二阀座16，阀构件11相对于该第二阀座密封于第二位置。阀构件11包括位于相对端部处的第一密封表面18和第二密封表面19，第一密封表面被构造成相对于第一阀座15密封并且第二表面被构造成相对于第二阀座16密封。在本例中，阀构件基本成圆柱形，其中密封表面18和19位于相对端部处。在其它实施例中，可以提供具有其它形状的阀构件。图4a和图4b示出例子，其中阀的形状使得阀构件11的第二密封表面19不与第一密封表面18平行。在其它实施例中，当处于合适的第一或第二位置时，相同的密封表面可以密封第一阀座15和第二阀座16二者。
阀构件11通过偏置装置偏置到第一位置，该偏置装置可以包括弹簧。吹扫控制阀3可以包括螺线管阀并且因此阀构件能够通过致动螺线管(未示出)在其第一位置和第二位置之间移动，该螺线管被构造成使阀构件与偏置装置的力相反地使阀构件移动到第二位置。
在另一个实施例中(未图示)，阀构件11被构造成在其两个位置处打开和关闭入口端口12，但是排水端口14由不同的阀构件或阀体10中的压力变化打开和关闭。
出口端口13向位于阀体10内的旁路通道17开口，从而允许流体至少在阀构件11处于第一位置时在该阀构件的旁边在出口端口13和排水端口14之间流动。这是有利的，原因在于可能积聚在阀构件11上的流体可以排出到排水端口14之外。在本例中，阀构件11在其两个位置中都不相对于出口端口13关闭。提供阀，其中在第一位置处，流体能够在出口端口和排水端口之间和阀构件上方流动，从而形成排水良好的阀布置。
阀体10可以被构造成使得在使用中，排水端口14被布置成低于入口端口12和/或出口端口13。排水端口14还可以被布置成低于阀构件11。
参照图1，排气组件4从阳极流动路径和阴极流动路径接收气体并且通过混合室20将排气释放到大气。阀出口端口13连接到混合室20。来自燃料电池组件2的阴极排气出口8也连接到混合室20。排气组件4包括位于混合室20下游的通向大气的出口21。吹扫控制阀3因此控制从燃料电池组件2排出的吹扫气体流向混合室20。
在使用中，吹扫控制阀3可以偏置到其第一位置。因此，入口端口12由阀构件11关闭。阀体10中存在的任何液体都能够通过打开的排水端口14排出。在本例中，排水端口14连接到大气并且因此液体能够在重力(处于基本大气压下)的作用下自由地排出。来自燃料电池组件2的阴极排气流通过混合室并且在出口21处排出到大气。
在吹扫操作期间，燃料可以流过燃料电池组件2的阳极流动路径。吹扫控制阀3可以通过螺线管被致动以使阀构件11移动到第二位置，从而可以允许吹扫气体流过燃料电池组件2。在第二位置中，吹扫气体不能通过排水端口14直接流向大气。相反，吹扫气体被引导至出口端口13并且被引导至混合室20中，在混合室处，吹扫气体由阴极排气流稀释并且被排出到大气。
当吹扫操作完成时，阀构件11回到第一位置。混合室20因此可以通过其自身的出口21并且通过排水端口14向大气开口。该布置可以将在阀构件已回到第一位置之后吹扫控制阀3和出口21之间的管道中残留的任何吹扫气体排出。
应当领会，混合室20可以包括专用的体积或布置以接收吹扫气体和阴极排气流，以用于在释放到大气之前将其混合。备选地，吹扫气体可以被引入承载通向大气的阴极排气流的管道。在两个例子中，吹扫气体和阴极流的混合可以被有利地实现。总体而言，离开排气组件4的吹扫流体与另一个流体流(无论是阴极排气流还是诸如大气之类的其它流体流)的稀释可能是有益的。
图3a和图3b示出了处于第一位置和第二位置的控制阀3的另一个例子。图3a和图3b中所示的阀与上文所述的基本类似，并且使用相同的附图标记来表示等同的部件。在本例中，入口端口12由凸缘30限定，该凸缘延伸到阀体10的内部体积中。出口端口13同样由凸缘31限定，该凸缘延伸到阀体10的内部体积中。阀体10包括较宽部段32和较窄部段33，其中入口端口12和出口端口13向较宽部段开口。图3的例子中的入口端口12相比出口端口13更进一步地延伸到阀体10中。此外，出口端口13相对于阀构件11的轴线偏置。排水端口14位于阀体10的较窄部段33的终端处。构件11在较窄部段33和较宽部段32中起作用。旁路通道17在较窄部段33中在阀构件的旁边延伸。入口端口12和排水端口14基本沿阀构件11的轴线定位，使得在第一位置和第二位置(分别示于图3a和图3b中)处，阀构件能够分别相对于第一阀座15和第二阀座16密封。
图4a和图4b示出了基本如上文参照图2a和图2b所描述的控制阀的进一步的构造。在该构造中，入口端口12包括凸缘40，该凸缘延伸到阀体10中。出口端口13包括位于阀体中的开孔，当阀在使用中定向时，该开孔定位在最上部位置处。阀构件11的位置由阀杆41控制，该阀杆延伸穿过排水端口14并且延伸到阀体10之外。在该构造中，排水端口14被布置成与入口端口12进入阀体的方向基本正交地延伸到阀体10之外。当处于第一位置时，阀构件11相对于第一阀座15密封。当处于第二位置时，阀构件11相对于第二阀座16密封，该第二阀座相对于第一阀座15以一定角度倾斜。阀构件11具有倒角，以相对于阀座16密封。旁路通道17在阀构件11的旁边延伸并且通过第二密封表面19形成于其上的阀构件的面。因此，旁路通道在阀构件11的至少两个面的旁边延伸。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池组件，其包括阳极排气出口和阴极排气出口；以及
排气组件，其中所述排气组件包括：
用于控制从所述燃料电池组件的所述阳极排气出口排放吹扫气体的控制阀，其中所述控制阀包括阀体，所述阀体中具有出口端口、能够在第一位置和第二位置之间移动的阀构件和用于从所述燃料电池组件接收所述吹扫气体的入口端口，其中所述阀构件被构造成在所述第一位置处防止所述吹扫气体在所述入口端口和所述出口端口之间流动并且在所述第二位置处允许吹扫气体在所述入口端口和所述出口端口之间流动，其中所述阀体包括排水端口，所述排水端口适于并且布置于所述阀体中，以允许将液体排出所述阀体之外，所述排水端口被构造成在所述阀构件处于所述第二位置时关闭，其中所述排水端口通向大气，并且所述排气组件还包括与所述控制阀的所述出口端口和所述燃料电池组件的所述阴极排气出口流体连通的混合室，其中所述混合室被构造成从所述燃料电池组件接收所述吹扫气体的流和阴极排气的流并且将这些流混合在一起，然后经由混合室出口将经混合的流释放到大气；其中当所述阀构件处于所述第一位置时，所述混合室通过所述混合室出口和流体连通路径二者通向大气，所述流体连通路径通向并且通过所述控制阀排水端口。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述阀构件被构造成在所述第二位置处关闭所述排水端口。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述排水端口和所述出口端口被构造成在所述阀构件处于所述第一位置时流体连通。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述阀构件偏置到所述第一位置，使得吹扫气体入口端口由所述阀构件正常关闭。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述控制阀包括螺线管阀并且所述阀构件能够在致动螺线管时移动到所述第二位置。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述排水端口和所述出口端口被布置在所述阀体的相对侧上。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述入口端口和所述出口端口被布置成延伸穿过所述阀体的共同侧。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述阀体和所述阀构件被布置成限定旁路通道，所述旁路通道在所述出口端口和所述排水端口之间并且在所述阀构件的旁边延伸。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述排水端口被布置成低于所述入口端口和所述出口端口。
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