CN117267442A - 燃料电池用电磁阀及供氢装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种燃料电池用电磁阀和供氢装置，电磁阀包括壳体、线圈单元和阀体单元，壳体包括互相连通的气体入口、气体出口和容纳腔，容纳腔至少部分设置于气体入口和气体出口之间；线圈单元设置于容纳腔内；阀体单元包括沿第一方向依次设置于容纳腔内的活塞和阀体，阀体包括与气体出口连通的出气通道，阀体朝向活塞的端部为弹性材质，活塞在线圈单元的驱动下能够沿第一方向朝靠近或远离阀体的方向移动。通过活塞压合在阀体靠近活塞的端面上，实现出气通道的密封，其中，活塞为刚性结构，阀体端面为弹性材质，带有弹性材质的阀体能够缓冲活塞的压合力，这样可以有效地避免阀体与活塞长时间碰撞后易出现的封堵失效现象，提升了电磁阀的密封性能。

Description

燃料电池用电磁阀及供氢装置

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，特别是涉及燃料电池用电磁阀及供氢装置。

背景技术

随着世界经济的发展，能源与环境问题正成为各国关注的焦点，也逐渐成为动力系统领域技术研究的热点。燃料电池作为一种新型的动力装置，是通过氢气与氧气的化学反应产生电能，其副产物只有水，是一种较为清洁高效的技术，具有广阔的应用前景。

电磁阀作为一种控制设备被广泛用于工业控制系统中，是一种控制流体的自动化基础元件，用来调整介质的方向、流量、流速等一系列参数，相关技术中，利用电磁阀对燃料电池中管路的通断及流量大小进行控制。燃料电池系统中的气体环境为氢气，氢气对电磁阀的密封性能要求极高。

传统技术中，电磁阀主要是通过控制阀座与流道阀体硬碰硬地接触来对流道进行密封，以阻止氢气流动。然而，阀座和流道阀体一般为刚性，阀座与流道阀体经过多次碰撞后会产生间隙、松动而出现封堵失效的行为，导致电磁阀泄露，这会对燃料电池造成安全隐患。因此，如何提高电磁阀的密封性能对整个燃料电池系统至关重要。

发明内容

基于此，有必要针对阀座与流道阀体经过多次碰撞后会出现封堵失效，导致电磁阀泄露，对燃料电池造成安全隐患的问题，提供一种燃料电池用电磁阀及供氢装置。

本申请第一方向提供一种燃料电池用电磁阀，电磁阀设置于燃料电池的氢供应路径上，电磁阀包括：壳体、线圈单元和阀体单元，壳体包括互相连通的气体入口、气体出口和容纳腔，容纳腔至少部分设置于气体入口和气体出口之间，容纳腔沿第一方向延伸设置，第一方向为气体从气体出口流出的方向；线圈单元设置于容纳腔内；阀体单元包括沿第一方向依次设置于容纳腔内的活塞和阀体，阀体包括与气体出口连通的出气通道，阀体朝向活塞的端部为弹性材质，活塞在线圈单元的驱动下能够沿第一方向朝靠近或远离阀体的方向移动，以使出气通道选择性地与气体入口连通。

在其中一个实施例中，进气入口设置于容纳腔靠近气体出口的外围，并位于阀体靠近阀芯的端部。

在其中一个实施例中，阀体朝向活塞的端部设置有弹性凸台，弹性凸台设置于出气通道的外围。通过活塞压合在弹性凸台上实现气体出口的密封，其中，活塞为刚性结构，弹性凸台为弹性结构，假设活塞设置为弹性结构，那么活塞与弹性凸台在撞击时易出现摩擦、打滑、不平整等问题，通过刚性结构的活塞能够保证其与弹性凸台间的接触精度，从而避免上述问题发生。弹性结构的弹性凸台能够缓冲活塞的压合力，进而减轻活塞对其余部件的撞击力，这样可以有效地避免其与活塞长时间碰撞后易出现的封堵失效现象，提升了电磁阀的密封性能。

在其中一个实施例中，阀体还包括阀盘，出气通道包括设置于阀盘的第一通道，第一通道设置有多个，多个第一通道绕阀盘的中心轴线周向间隔设置。

在其中一个实施例中，弹性凸台的形状与第一通道的形状相匹配。

在其中一个实施例中，阀体还包括底座，底座设置于阀盘远离活塞的一侧，出气通道还包括设置于底座的第二通道，第二通道连通第一通道和气体出口，第二通道的横截面积大于第一通道的横截面积。

在其中一个实施例中，底座设置有限位件，阀盘设置有限位槽，限位件容纳于限位槽内，并凸伸至限位槽的外部，弹性凸台的上表面相对于限位件的上表面更靠近活塞。活塞与限位件接触时，代表弹性凸台已经发生形变，弹性凸台的上表面与限位件的上表面之间的距离为弹性凸台在第一方向上的形变量，该形变量能够保证活塞与阀盘之间的密封性，进而封堵气体出口。在上述过程中，限位件起到支撑活塞的作用，限位件的支撑力能够防止弹性凸台形变过大，导致弹性凸台被破坏，有利于延长阀体的使用寿命。

在其中一个实施例中，电磁阀还包括连接单元，连接单元设置于阀盘和底座之间，连接单元用于将阀盘和底座可拆卸的连接。

在其中一个实施例中，线圈单元包括线圈、动铁芯和弹性件，线圈设置于动铁芯的外围，动铁芯与活塞连接，壳体设置有台阶面，弹性件套设于动铁芯，并抵接于台阶面与活塞之间，动铁芯配置为在线圈通电时，能够使活塞沿第一方向朝远离阀体的方向移动，弹性件配置为在线圈断电时，能够驱动活塞沿第一方向朝靠近阀体的方向移动。

本申请第二方面提供一种供氢装置，其包括：储气罐、如上述任一实施例的燃料电池用电磁阀和引射器，储气罐用于供应气体，电磁阀连接于储气罐和引射器之间，用于连通或关断储气罐和引射器之间的管路，引射器与燃料电池电堆连接，用于向燃料电池电堆输送混合气体。

上述燃料电池用电磁阀中，通过活塞压合在阀体靠近活塞的端面上，实现出气通道的密封，其中，活塞为刚性结构，阀体端面为弹性材质，刚性结构的活塞能够保证其与弹性材质间的接触精度，同时带有弹性材质的阀体能够缓冲活塞的压合力，进而减轻活塞对其余部件的撞击力，这样可以有效地避免阀体与活塞长时间碰撞后易出现的封堵失效现象，提升了电磁阀的密封性能。

附图说明

图1为本申请一实施例中电磁阀的剖面图。

图2为本申请一实施例中活塞和动铁芯的示意图。

图3为本申请一实施例中阀体的示意图。

图4为本申请一实施例中阀体的爆炸图。

图5为本申请一实施例中第二通道的示意图。

附图标号为：电磁阀1、壳体10、气体入口11、气体出口12、容纳腔13、阀体单元20、活塞21、阀体22、弹性凸台221、阀盘222、第一通道2221、限位槽2222、第一连接孔2223、底座223、第二通道2231、限位件2232、第二连接孔2233、线圈单元30、动铁芯31、弹性件32。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

本申请一实施例中提供一种供氢装置，其包括储气罐、燃料电池用电磁阀1和引射器，储气罐用于供应气体，该气体为氢气；电磁阀1连接于储气罐和引射器之间，电磁阀1用于连通或关断储气罐和引射器之间的管路；引射器与点燃电池电堆连接，用于向燃料电池电堆输送混合气体。上述储气罐和引射器即组合为氢供应路径，通过储气罐、电磁阀1和引射器能够将氢的压力调节至预定压力输送至燃料电池电堆。燃料电池电堆通过空气与氢气之间的电化学反应产生电能，用以向外部设备供电。

参考图1、图2所示，电磁阀1包括壳体10、阀体单元20和线圈单元30。壳体10是限定电磁阀1外观的阀壳体10，壳体10用于为线圈单元30和阀体单元20提供支撑力和安装位置。壳体10包括互相连通的气体入口11、气体出口12和容纳腔13，气体入口11用于供氢气流入阀体单元20，气体出口12用于供氢气流出阀体单元20，容纳腔13至少部分设置于气体入口11和气体出口12之间，容纳腔13用于安装线圈单元30和阀体单元20，容纳腔13沿第一方向延伸设置，可以理解的是，线圈单元30和阀体单元20沿第一方向依次设置。阀体单元20包括活塞21和阀体22，活塞21和阀体22沿第一方向依次排布；活塞21传动连接于线圈单元30靠近阀体22的端部，线圈单元30用于驱动活塞21在容纳腔13内沿第一方向朝靠近或远离阀体22的方向移动；阀体22设置于容纳腔13靠近气体出口12的位置，活塞21配置为在线圈单元30作用下能够与阀体22贴合或分离，用于封堵或开启气体出口12，从而使得出气通道能够与气体入口11关断或连通。

气体入口11与储气罐连接，本申请的电磁阀1采用壳体10侧壁圆周式进气、壳体10底部出气的方式，具体为，气体入口11为环形，气体入口11设置于容纳腔13靠近气体出口12的外围，环形的入口可以增加氢气的输入量；气体出口12设置于壳体10的最底部，气体出口12沿第一方向延伸。线圈单元30位于气体入口11以上的容纳腔13内，阀体位于气体入口11以下的容纳腔13内，更进一步地，进气口的底端与阀体靠近活塞21的上端部在同一水平面上，这样可以节省电磁阀1在第一方向上的尺寸，能有效降低活塞21封堵或开启气体出口12的延时，进而能快速相应气体的输送或截断。

参考图3所示，阀体22包括出气通道，阀体22朝向活塞21的端部设置有弹性凸台221。出气通道沿第一方向延伸设置，出气通道与气体出口12连通；弹性凸台221为橡胶材质，线圈单元30用于驱动活塞21沿第一方向朝靠近或远离弹性凸台221的方向移动，以使出气通道选择性地与气体入口11连通。具体地，活塞21在线圈单元30的作用下能够移动至与弹性凸台221贴合，此时活塞21将出气通道封堵住，气体不能从气体出口12流出阀体单元20；或，活塞21在线圈单元30的作用下能够与弹性凸台221分离，此时活塞21将出气通道开启，气体能从气体出口12流出阀体单元20。

通过活塞21压合在弹性凸台221上实现气体出口12的密封，其中，活塞21为刚性结构，弹性凸台221为弹性结构，假设活塞21设置为弹性结构，那么活塞21与弹性凸台221在撞击时易出现摩擦、打滑、不平整等问题，通过刚性结构的活塞21能够保证其与弹性凸台221间的接触精度，从而避免上述问题发生。弹性结构的弹性凸台221能够缓冲活塞21的压合力，进而减轻活塞21对其余部件的撞击力，这样可以有效地避免其与活塞21长时间碰撞后易出现的封堵失效现象，提升了电磁阀1的密封性能。假设活塞21和阀体都设置为刚性结构，若要实现密封效果，活塞21和阀体接触面的精度要到达极高的要求，否则就会出现电磁阀1泄露，但往往零部件的加工误差无法避免，因此活塞21和阀体都设置为刚性结构同样具有安全隐患，本申请软硬相结合的设置能够极大地降低零件的加工精度，因为弹性凸台221的柔性形变能够很好的与活塞21贴合，该设置能够节省生产成本。

阀体22还包括阀盘222。阀盘222的外周面与容纳腔13的内壁相匹配，阀盘222的厚度可根据线圈电磁力的大小和弹性力的大小进行设置。出气通道包括设置于阀盘222的第一通道2221，第一通道2221与气体出口12连通，第一通道2221设置有多个，多个第一通道2221绕阀盘222的中心轴线周向间隔设置，弹性凸台221设置于阀盘222靠近活塞21的端部，弹性凸台221设置于第一通道2221的外围。

在一些实施例中，阀盘222的材料可以为EPDM，该材料可以防氢脆。

第一通道2221可以为圆形通道、椭圆形通道等，优选地，第一通道2221为哑铃状的通道，哑铃状的第一通道2221相比于圆形通道或椭圆形通道的气体流通量和气体流动稳定性都更佳。

弹性凸台221的形状与第一通道2221的形状相匹配，即弹性凸台221也为哑铃状。

参考图4所示，阀体22还包括底座223。底座223设置于阀盘222远离活塞21的一侧，出气通道还包括设置于底座223的第二通道2231，第二通道2231连通第一通道2221和气体出口12，第二通道2231的横截面积大于第一通道2221的横截面积。具体地，氢气从气体入口11流经第一通道2221、第二通道2231至气体出口12，最终从气体出口12流出阀体单元20。第二通道2231的横截面积大于第一通道2221的横截面积，由此，流经第二通道2231的气体流速小于流经第一通道2221的气体流速，即氢气从气体入口11流至气体出口12的过程中，其流动速度是有所缓减的，能够使气体均匀稳定地被输送至引射器。

在一些实施例中，底座223可以由金属制成，保证阀盘222有足够的支撑力。

在其他实施例中，出气通道还包括设置于底座223的第三通道，第三通道用于连通第一通道2221和第二通道2231，第三通道的横截面积与第一通道2221的横截面积相同。具体地，氢气从气体入口11流经第一通道2221、第三通道、第二通道2231至气体出口12，最终从气体出口12流出阀体单元20。设置与第一通道2221横截面积相同的第三通道，便于对第一通道2221和第三通道对接的端部进行密封。

结合图3、图4所示，底座223设置有限位件2232，阀盘222设置有限位槽2222。限位件2232容纳于限位槽2222内，限位件2232设置有多个，多个限位件2232绕底座223的中心轴线周向间隔设置，限位槽2222的数量、位置、形状与限位件2232相匹配。限位件2232凸伸出限位槽2222的外部，弹性凸台221的上表面相对于限位件2232的上表面更靠近活塞21，即在活塞21向下移动的过程中，活塞21会先接触弹性凸台221后接触限位件2232。活塞21与限位件2232接触时，代表弹性凸台221已经发生形变，弹性凸台221的上表面与限位件2232的上表面之间的距离为弹性凸台221在第一方向上的形变量，该形变量能够保证活塞21与阀盘222之间的密封性，进而封堵气体出口12。在上述过程中，限位件2232起到支撑活塞21的作用，限位件2232的支撑力能够防止弹性凸台221形变过大，导致弹性凸台221被破坏，有利于延长阀体的使用寿命。

电磁阀1还包括连接单元。连接单元包括第一连接孔2223、第二连接孔2233和连接件(未图示)，第一连接孔2223设置于阀盘222，第二连接孔2233设置于底座223，并与第一连接孔2223相匹配，连接件设置于第一连接孔2223和第二连接孔2233之间，用于连接阀盘222和底座223。连接件可以为螺栓、销轴等。本申请揭示的实施例中，第一连接孔2223设置有多个，分别位于阀盘222的中心和外周。

再次参考图1，线圈单元30包括线圈(未图示)、动铁芯31和弹性件32。线圈设置于动铁芯31的外围，动铁芯31与活塞21连接，壳体10设置有台阶面，弹性件32套设于动铁芯31，并抵接于台阶面与活塞21之间。线圈通电时，动铁芯31能够带动活塞21挤压弹性件32并沿第一方向朝远离阀体的方向移动，此时活塞21使气体入口11和出气通道连通，气体能够从电磁阀1被传输至引射器；线圈断电时，弹性件32能够释放弹性以驱动活塞21朝靠近阀体的方向移动，使得活塞21与阀体相贴合，此时活塞21封堵气体出口12，气体被电磁阀1截断。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池用电磁阀，其特征在于，所述电磁阀设置于所述燃料电池的氢供应路径上，所述电磁阀包括：

壳体，包括互相连通的气体入口、气体出口和容纳腔，所述容纳腔至少部分设置于所述气体入口和所述气体出口之间，所述容纳腔沿第一方向延伸设置，所述第一方向为气体从所述气体出口流出的方向；

线圈单元，设置于所述容纳腔内；及

阀体单元，包括沿所述第一方向依次设置于所述容纳腔内的活塞和阀体，所述阀体包括与所述气体出口连通的出气通道，所述阀体朝向所述活塞的端部为弹性材质，所述活塞在所述线圈单元的驱动下能够沿所述第一方向朝靠近或远离所述阀体的方向移动，以使所述出气通道选择性地与所述气体入口连通。

2.根据权利要求1所述的燃料电池用电磁阀，其特征在于，所述进气入口设置于所述容纳腔靠近所述气体出口的外围，并位于所述阀体靠近所述活塞的端部。

3.根据权利要求1所述的燃料电池用电磁阀，其特征在于，所述阀体朝向所述活塞的端部设置有弹性凸台，所述弹性凸台设置于所述出气通道的外围。

4.根据权利要求3所述的燃料电池用电磁阀，其特征在于，所述阀体还包括阀盘，所述出气通道包括设置于所述阀盘的第一通道，所述第一通道设置有多个，多个所述第一通道绕所述阀盘的中心轴线周向间隔设置。

5.根据权利要求4所述的燃料电池用电磁阀，其特征在于，所述弹性凸台的形状与所述第一通道的形状相匹配。

6.根据权利要求4所述的燃料电池用电磁阀，其特征在于，所述阀体还包括底座，所述底座设置于所述阀盘远离所述活塞的一侧，所述出气通道还包括设置于所述底座的第二通道，所述第二通道连通所述第一通道和所述气体出口，所述第二通道的横截面积大于所述第一通道的横截面积。

7.根据权利要求6所述的燃料电池用电磁阀，其特征在于，所述底座设置有限位件，所述阀盘设置有限位槽，所述限位件容纳于所述限位槽内，并凸伸至所述限位槽的外部，所述弹性凸台的上表面相对于所述限位件的上表面更靠近所述活塞。

8.根据权利要求6所述的燃料电池用电磁阀，其特征在于，所述电磁阀还包括连接单元，所述连接单元设置于所述阀盘和所述底座之间，所述连接单元用于将所述阀盘和所述底座可拆卸的连接。

9.根据权利要求1-8任一所述的燃料电池用电磁阀，其特征在于，所述线圈单元包括线圈、动铁芯和弹性件，所述线圈设置于所述动铁芯的外围，所述动铁芯与所述活塞连接，所述壳体设置有台阶面，所述弹性件套设于所述动铁芯，并抵接于所述台阶面与所述活塞之间，所述动铁芯配置为在所述线圈通电时，能够使所述活塞沿所述第一方向朝远离所述阀体的方向移动，所述弹性件配置为在所述线圈断电时，能够驱动所述活塞沿所述第一方向朝靠近所述阀体的方向移动。

10.一种供氢装置，其特征在于，包括储气罐、如权利要求1-9任一所述的燃料电池用电磁阀和引射器，所述储气罐用于供应气体，所述电磁阀连接于所述储气罐和所述引射器之间，用于连通或关断所述储气罐和所述引射器之间的管路，所述引射器与燃料电池电堆连接，用于向所述燃料电池电堆输送混合气体。