CN216666576U - 用于燃料电池系统的阀和具有阀的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用于燃料电池系统的阀，其包括：具有堆进气口通道的进气通道，在其上形成有新鲜空气入口通道；具有堆排气口通道的排气通道，在其上形成有废气排气口通道；将进气通道与排气通道相连接的旁通通道；能在进气通道中移动的第一阀片；以及能在排气通道中移动的第二阀片，在第二阀片上连接有第二挺杆，在第二挺杆与排气通道之间设有第一弹性部件，在第一阀片上连接有第一挺杆，在第一挺杆与进气通道之间设有第二弹性部件。阀被设计成，通过进气通道中的第一阀片、第一挺杆、第二弹性部件以及排气通道中的第二阀片、第二挺杆、第一弹性部件的配合移动，控制进气通道、旁通通道和排气通道的导通或封闭，以将阀置于至少四个不同的切换状态。

Description

用于燃料电池系统的阀和具有阀的燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于燃料电池系统的阀和具有所述阀的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是众所周知的，其通过作为燃料气体的氢气与空气中的氧气的化学反应而生成电和水。当前的燃料电池大多使用四个空气阀：一个堆前空气截止阀、一个堆后空气截止阀、一个旁通阀和一个背压阀。当燃料电池工作终止时，必须阻断空气进入燃料电池堆内，以确保燃料电池堆的耐久性。目前多是将两个空气截止阀分别布置在燃料电池堆的阴极的空气输入口和空气输出口。当燃料电池起动时，氢气注入到阳极进行氢气吹扫，并通过阴极的空气输出口排出，造成排气中的氢气浓度超标。因此目前还在阴极的空气输入口设置一个旁通阀，将空气输入口处的空气部分地引入空气输出口，以降低排气中的氢气浓度。此外，为控制燃料电池堆内的气体压力，还在排气侧另外布置一个背压阀来调节压力。

由于需要四个空气阀，当前的用于燃料电池系统的阀的成本较高，并且由于两个空气截止阀和一个旁通阀的位置比较接近，造成布置空间紧张。

实用新型内容

本实用新型的目的是，提供一种用于燃料电池系统的阀，该阀能以单独一个阀实现上述四个空气阀(即两个空气截止阀、一个旁通阀和一个背压阀)的功能，还利用阀与喇叭形通道间的有效流通面积的改变来调整背压。由此降低了成本，解决了空气截止阀和旁通阀的布置空间紧张的问题，减少了对安装空间的要求，降低了安装难度，同时降低了系统控制的难度。

根据本实用新型，所述目的通过具有下述特征的用于燃料电池系统的阀来实现。

根据本实用新型的用于燃料电池系统的阀包括：进气通道，该进气通道具有用于连接至燃料电池堆的阴极的空气输入口的堆进气口通道，在该进气通道上形成有供新鲜空气进入的新鲜空气入口通道；排气通道，该排气通道具有用于连接至燃料电池堆的阴极的空气输出口的堆排气口通道，在该堆排气口通道上形成有供排气排出的废气排气口通道；将进气通道与排气通道相连接的旁通通道；能在进气通道中移动的第一阀片；以及能在排气通道中移动的第二阀片，在第二阀片上连接有第二挺杆，在第二挺杆与排气通道之间设有第一弹性部件，在第一阀片上连接有第一挺杆，在第一挺杆与进气通道之间设有第二弹性部件，所述阀被设计成，通过进气通道中的第一阀片、第一挺杆、第二弹性部件以及排气通道中的第二阀片、第二挺杆、第一弹性部件的配合移动，控制进气通道、旁通通道和排气通道的导通或封闭，以将所述阀置于至少四个不同的切换状态。

因此，通过第一阀片和第二阀片在相应通道中的移动，可导通或封闭各个通道，从而使所述阀可被切换成不同的切换状态，实现燃料电池堆的不同运行状态或运行模式。也就是说，本实用新型用单独一个阀代替了由多个空气阀组成的阀组件的工作，因此节约了成本，并且安装简便，操作简单。在此，第一阀片和第二阀片可例如设计成板状或盘状，加工更简单，气密性也更容易满足。

在根据本实用新型的一实施方式中，在第一切换状态中，第一阀片在进气通道中的位置和第二阀片在排气通道中的位置被调整成，使得所述进气通道中的通向堆进气口通道的路径被封闭，并且所述排气通道中的通向堆排气口通道的路径被封闭。这对应于燃料电池堆的关机状态。在该关机状态中，空气不能进入燃料电池堆内。

在根据本实用新型的一实施方式中，在第二切换状态中，第一阀片在进气通道中的位置和第二阀片在排气通道中的位置被调整成，使得所述进气通道中的通向堆进气口通道的路径被导通，并且从所述新鲜空气入口通道经旁通通道至排气通道的路径被导通，而所述排气通道的整个路径被导通。这对应于燃料电池堆的旁通状态。在该旁通状态中，从新鲜空气入口通道进入的新鲜空气的一部分可经由旁通通道直接排放到排气通道中，从而稀释排气中氢气的浓度。旁通的气体量可以通过调节新鲜空气入口通道的被第一阀片分开的两部分的容积的大小来决定。

在根据本实用新型的一实施方式中，在第三切换状态中，第一阀片在进气通道中的位置和第二阀片在排气通道中的位置被调整成，使得所述进气通道中的通向堆进气口通道的路径被导通，并且从所述新鲜空气入口通道经旁通通道至排气通道的路径被封闭，而所述排气通道的整个路径被导通。这对应于燃料电池堆的工作状态，此时燃料电池堆正常工作。新鲜空气从新鲜空气入口通道经由堆进气口通道进入燃料电池堆内，且废气从堆排气口通道排放到排气通道中并通过废气排气口通道排出。

在根据本实用新型的一实施方式中，在第四切换状态中，第一阀片在进气通道中的位置和第二阀片在排气通道中的位置被调整成，使得所述进气通道中的通向堆进气口通道的路径被导通，并且从所述新鲜空气入口通道经旁通通道至排气通道的路径被封闭，而所述排气通道中的通向所述废气排气口通道的路径的横截面被改变。这对应于燃料电池堆的背压调节状态。在该背压调节状态中，由于排气通道的排气有效流通面积发生改变、尤其是减小，阻碍气体快速流出，因此使燃料电池堆内的气体压力升高。在进气压力和流量不变的情况下，堆内气体压力可通过改变第二阀片沿排气通道纵轴线方向的位置从而调节第二阀片与排气通道内壁之间的间隙的大小来调节。

在根据本实用新型的一实施方式中，排气通道在堆排气口通道与废气排气口通道之间具有第一中间部段，该第一中间部段的横截面与堆排气口通道的横截面和位于第一中间部段与废气排气口通道之间的排气通道部段的横截面不同。优选地，所述第一中间部段的横截面沿排气通道的纵轴线在从堆排气口通道向废气排气口通道的方向上递减。因此，可利用位于第二阀片与第一中间部段的喇叭形的内壁之间的有效流通面积的改变来调整背压。整个阀的通道设计巧妙，易于加工。

在根据本实用新型的一实施方式中，所述第一中间部段包括至少一个邻接所述堆排气口通道的柱形区段和邻接该柱形区段的至少一个喇叭形区段、例如锥区段。由此简单地实现了第一中间部段的递减的横截面。

有利地，第二阀片的横截面小于所述柱形区段的横截面且大于所述堆排气口通道的横截面。由此，在柱形区段与堆排气口通道之间形成台阶部，第二阀片能贴靠在该台阶部上，密封堆排气口通道。

有利地，所述喇叭形区段的大端横截面大于所述第二阀片的横截面，且所述喇叭形区段的小端横截面小于所述第二阀片的横截面。由此，第二阀片能顺利地从柱形区段移动到喇叭形区段中，并在沿排气通道纵轴线方向的某个位置上贴靠在该喇叭形区段的内壁上，从而密封废气排气口通道。

在根据本实用新型的一实施方式中，所述新鲜空气入口通道在横向于进气通道的纵轴线的方向上延伸，并在靠近所述堆进气口通道的侧上形成在进气通道上；所述旁通通道在比所述新鲜空气入口通道离所述堆进气口通道更远的位置处通入进气通道中。

在根据本实用新型的一实施方式中，所述进气通道在所述新鲜空气入口通道的沿进气通道纵轴线方向的尺寸范围上具有另一中间部段，该另一中间部段具有比堆进气口通道大的横截面，并具有比位于旁通通道与另一中间部段之间的进气通道部段大的横截面。由此，在该另一中间部段与堆进气口通道之间和在该另一中间部段与旁通通道之间分别形成有台阶部，第一阀片能贴靠在这些台阶部上，密封堆进气口通道或进气通道通向旁通通道的路径。

所述进气通道也可不使用横截面不同的另一中间部段，而是在堆进气口通道与旁通通道之间具有相同的横截面，第一阀片的尺寸略小于进气通道的横截面尺寸，从而第一阀片能在进气通道中自由移动，且同时还相对于进气通道密封。第一阀片当位于堆进气口通道中时封闭堆进气口通道，当位于新鲜空气入口通道的高度上、即位于新鲜空气入口通道的沿进气通道纵轴线方向的尺寸范围内时使进入的新鲜空气一部分流向堆进气口通道而另一部分流向旁通通道，当位于新鲜空气入口通道与旁通通道之间时封闭旁通通道。

在根据本实用新型的一实施方式中，所述第一阀片的横截面小于进气通道的所述另一中间部段的横截面，且大于堆进气口通道的横截面以及位于旁通通道与所述另一中间部段之间的进气通道部段的横截面。因此，第一阀片能贴靠在形成在该另一中间部段与堆进气口通道之间和该另一中间部段与旁通通道之间的台阶部上，密封堆进气口通道或旁通通道。

在根据本实用新型的一实施方式中，进气通道的所述另一中间部段在进气通道纵轴线的方向上的长度与排气通道的第一中间部段的柱形区段在排气通道纵轴线的方向上的长度被适配成，使得在所述第一阀片在进气通道的所述另一中间部段内移动的过程中，所述第二阀片在排气通道的所述柱形区段内移动。在进气通道与排气通道平行延伸的情况下，柱形区段的长度等于或大于进气通道的另一中间部段的长度。由此，在例如工作状态和旁通状态等没有背压调节需求的状态下，确保排气有效流通面积不变。

在根据本实用新型的一实施方式中，第一阀片和第二阀片中的至少一个在驱动系统的驱动下移动。

在根据本实用新型的一有利的实施方式中，第二挺杆被设计成L形，该第二挺杆沿排气通道的纵轴线的方向从排气通道伸出并横向于排气通道的纵轴线延伸至第一阀片的下方，第二挺杆连接所述驱动系统。由此，第二阀片能通过驱动系统在排气通道中移动。

在根据本实用新型的一实施方式中，第一弹性部件对第二挺杆施加使第二阀片朝向堆排气口通道运动的力。由此，在燃料电池堆的关机状态，确保第二阀片紧贴密封堆排气口通道。

在根据本实用新型的一实施方式中，第一挺杆沿进气通道的纵轴线的方向从进气通道伸出，并直接或间接地止挡在所述第二挺杆上。因此，当第二挺杆通过驱动系统向下移动时，第一挺杆能跟随第二挺杆的移动。

在根据本实用新型的一实施方式中，第二弹性部件对第一挺杆施加使第一阀片朝远离堆进气口通道的方向运动的力。由此，在燃料电池堆的工作状态，确保第一阀片紧贴在另一中间部段与旁通通道之间的台阶部上，密封旁通通道。

在根据本实用新型的一实施方式中，进气通道与排气通道、更确切地说进气通道的纵轴线与排气通道的纵轴线彼此并行地、尤其是平行地延伸。由此，所述阀设计简单，便于制造。

在根据本实用新型的一实施方式中，驱动系统包括马达和传动机构。马达可构造成任何合适的动力机，包括但不限于电机、液压马达、气动马达。传动机构用于将马达的转动运动转换成第二挺杆的线性移动。传动机构可构造成减速机构。另选地，驱动系统也可构造成一体的减速电机或直线电机。

本实用新型还涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有燃料电池堆和如上所述的阀，所述阀的进气通道连接至燃料电池堆的空气输入口，所述阀的排气通道连接至燃料电池堆的空气输出口。

附图说明

下面结合附图详细阐释本实用新型。在附图中，

图1示意性地示出根据现有技术的燃料电池系统。

图2示出根据本实用新型的用于燃料电池系统的阀的一个示例性实施例的立体图。

图3示出图2的阀的示意性的剖视图。

图4a和4b分别示出进气通道和排气通道的一个示例性实施例的示意图，其中新鲜空气入口通道、旁通通道和废气排气口通道以虚线示出。

图5a-5d示意性地示出了图2的阀的四个切换状态。

图6示出进气通道的另一实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的燃料电池系统，其包括燃料电池和四个空气阀。燃料电池被构造成燃料电池堆1，该燃料电池堆包括阴极(也称为空气电极或氧气电极)、阳极(也称为燃料电极或氢气电极)以及阴极与阳极之间的电解质膜。在燃料电池堆1的阴极侧，经过加湿器3的空气经由空气输入口11被输入燃料电池堆1，而从燃料电池堆1排出的废气经由空气输出口12被排到排气管4。为了能够阻断空气进入燃料电池堆1内，在进气管2中在加湿器3与空气输入口11之间设有堆前空气截止阀5，并且在排气管4中设有堆后空气截止阀6。旁通阀7设置在连通进气管2与排气管4的旁通管道中，以用于将空气输入口11处的部分空气直接引导到排气管4。此外，为了控制调节燃料电池堆内的气体压力，在排气管4中还设有背压阀8。

图2至图5d示出了根据本实用新型的用于燃料电池系统的阀200的一个示例性实施例，其中，图2示出阀的立体图，图3示出阀的示意性剖视图，图5a-5d示出阀的四个切换状态。

阀200具有阀座210，在该阀座210中形成有彼此并行地、特别是彼此平行地延伸的进气通道260和排气通道270。进气通道260的一个与外界连通的端部部段被用作堆进气口通道211，以用于与燃料电池堆的阴极的空气输入口11相连接。与外界连通的新鲜空气入口通道213在进气通道260的靠近堆进气口通道211的一侧上以横向于、优选垂直于进气通道260的纵轴线的方式与进气通道260连通，经过加湿器3的空气可通过该新鲜空气入口通道213进入阀200中。进气通道260在其远离堆进气口通道211的位置处、例如在与堆进气口通道211相对的端部216处连接有旁通通道215，该旁通通道将进气通道260和排气通道270相连接。端部216是封闭的，或者可由旁通通道215的侧壁限定。

排气通道270的一个与外界连通的端部部段被用作堆排气口通道212，以用于与燃料电池堆的阴极的空气输出口12相连接。与外界连通的废气排气口通道214在排气通道270的靠近与堆排气口通道212相对的端部217的一侧上以横向于、优选垂直于排气通道270的纵轴线的方式与排气通道270连接，阀200中的气体可通过该废气排气口通道214排出。旁通通道215可在排气通道270的远离堆排气口通道212的位置处、例如在端部217处和/或在废气排气口通道214处与排气通道270相连接。端部217是封闭的，或者可由旁通通道215和/或废气排气口通道214的侧壁来限定。

在进气通道260中可运动地设置有进气阀组230。进气阀组230呈工字形，并且包括第一端板231、第二端板232和将第一端板231与第二端板232相连接的第一挺杆233。第一端板231、第二端板232和第一挺杆233被设计成一件式的。第一挺杆233在进气通道260的纵轴线的方向上延伸，并在端部216处从进气通道260穿过阀座210伸出。在第一挺杆233与阀座210之间还设有衬套(图中未示出)，该衬套对第一挺杆233起密封和导向作用。第一端板231可在堆进气口通道211与旁通通道215之间沿第一挺杆233的方向移动，从而可以封闭并密封堆进气口通道211或旁通通道215，或处在中间的任一位置。第二端板232位于阀座210外部。在第二端板232与阀座210之间设有弹性部件、例如弹簧235、尤其是压簧，该弹性部件对第二端板232施加使第一端板231远离堆进气口通道211的力。弹簧235的一端在第二端板232的朝向第一端板232的侧上支撑在该第二端板232上，弹簧235的另一端固定或支撑在阀座210上。例如，可在阀座210中形成有朝向第二端板232开口的凹槽，弹簧235至少部分地容纳在该凹槽中并支撑在该凹槽的底部上。在阀200的四个切换状态中，弹簧235始终处于压缩状态，以对第二端板232和进而第一挺杆233施加使第一端板231远离堆进气口通道211的力。

在排气通道270中可运动地布置有排气阀组240。排气阀组240包括阀板241、第二挺杆243和横挡件242。阀板241、第二挺杆243和横挡件242被设计成一件式的。第二挺杆243在排气通道270的纵轴线的方向上延伸，并在端部217处从排气通道270穿过阀座210伸出。在第二挺杆243与阀座210之间也设有衬套(图中未示出)，该衬套对第二挺杆243起密封和导向作用。阀板241可在堆排气口通道212与废气排气口通道214之间沿第二挺杆243的方向移动，从而可以封闭并密封堆排气口通道212或废气排气口通道214，或处在中间的任一位置。横挡件242可被构造成十字形。十字的第一端部与第二挺杆243一体连接，相对的第二端部延伸到进气阀组230的下方，从而进气阀组230能以其第二端板232抵靠在横挡件242上。十字的第三端部延伸到驱动系统280，该驱动系统用于使第二挺杆243沿排气通道270的纵轴线的方向移动。与第三端部相对的第四端部通过另一弹性部件、例如弹簧245、尤其是拉簧与阀座210连接，该另一弹性部件对横挡件242施加使阀板241朝向堆排气口通道212运动的力。在阀座210中形成有朝向该第四端部开口的另一凹槽，弹簧245至少部分地容纳在该另一凹槽中并支撑在该另一凹槽的底部上。在阀200的四个切换状态，弹簧245始终处于拉伸状态，以对横挡件242和进而第二挺杆243施加使阀板241朝向堆排气口通道212运动的力。

驱动系统280可由马达、例如电机和传动机构如减速机构组成，也可设计成一体的减速电机，以用于提供第二挺杆243的线性移动。

进气通道260的通道横截面的尺寸沿着进气通道260的纵轴线不是恒定不变的。例如，进气通道260可构造成分段圆柱形的通道。在图4a所示的实施例中，进气通道260在新鲜空气入口通道213的高度上、即在新鲜空气入口通道213通入进气通道260处的通入口的沿进气通道260纵轴线方向的尺寸范围上、在堆进气口通道211与旁通通道215之间具有中间部段261，该中间部段在进气通道260的纵轴线的方向上的长度尤其是等于或大于被新鲜空气入口通道213的通入口覆盖的沿进气通道纵轴线方向的距离。该中间部段261的直径d₃大于堆进气口通道211的直径d₁和大于进气通道260的位于该中间部段261与旁通通道215之间的下部部段262的直径d₂，从而在堆进气口通道211与中间部段261之间以及在中间部段261与该下部部段262之间分别形成有台阶部，在这两个台阶部处，堆进气口通道211与中间部段261之间的交汇口称为进气口，而下部部段262与中间部段261之间的交汇口称为旁通口。

在该实施例中，第一端板231的直径大于堆进气口通道211和下部部段262的直径d₁、d₂且小于中间部段261的直径d₃，从而第一端板231可沿第一挺杆233的方向在中间部段261中移动，并在上、下两个极限位置处分别贴靠在中间部段261与堆进气口通道211和下部部段262之间的台阶部上，封闭并密封进气口和旁通口。

排气通道270的通道横截面的尺寸沿着排气通道270的纵轴线不是恒定不变的。在图4b所示的实施例中，排气通道270的堆排气口通道212和靠近废气排气口通道214的下部部段272可构造成圆柱形通道。在堆排气口通道212与下部部段272之间设有中间部段271。中间部段271包括邻接堆排气口通道212的圆柱区段273，该圆柱区段具有比堆排气口通道212的直径d₄大的直径d₆，从而在堆排气口通道212与圆柱区段273之间形成有台阶部，在该台阶部处，堆排气口通道212与中间部段271或者说圆柱区段273之间的交汇口称为排气口。中间部段271在该圆柱区段273与下部部段272之间还具有喇叭形区段，该喇叭形区段的横截面尺寸沿排气通道270的纵轴线朝向废气排气口通道214的方向递减、特别是单调递减。在本实施例中，该喇叭形区段被设计成圆锥区段274，该圆锥区段的大端直径等于圆柱区段273的直径d₆，并且圆锥区段的小端直径等于下部部段272的直径d₅。中间部段271或者说喇叭形区段274与下部部段272之间的交汇口称为废气排出口。

在图中所示实施例中，阀板241的直径大于堆排气口通道212的直径d₄，并大于中间部段271的最小直径d₅且小于中间部段271的最大直径d₆，从而阀板241可沿第二挺杆243的方向在中间部段271中移动，并在上、下两个极限位置分别贴靠在中间部段271与堆排气口通道212之间的台阶部上或贴靠在中间部段271的圆锥区段274的侧壁上，封闭并密封排气口和废气排出口。

在另外的实施方式中，圆锥区段274的大端直径不必一定等于圆柱区段273的直径d₆，而是也可小于圆柱区段273的直径d₆，只要该大端直径大于阀板241的直径，不妨碍阀板241从圆柱区段273移入圆锥区段274即可。圆锥区段274的小端直径也不必一定等于排气通道的下部部段272的直径d₅，即小于阀板241的直径，而是可以大于阀板241的直径，这是因为，阀板241的直径大于下部部段274的直径d₅，已然能够止挡在圆锥区段274与下部部段272之间的台阶部上。

圆柱区段273在排气通道270的纵轴线的方向上的长度和进气通道的中间部段261在进气通道260的纵轴线的方向上的长度彼此适配，使得在进气阀组230的第一端板231在紧贴进气口的第一极限位置与紧贴旁通口的第二极限位置之间移动时，排气阀组240的阀板241在圆柱区段273内移动，也就是说，保证排气有效流通面积不变，从而堆内气体压力保持不变、即背压不变。因此，在进气通道260与排气通道270平行的情况下，圆柱区段273的长度等于或大于中间部段261的长度。

阀200还具有壳体220，该壳体在阀座210的背离堆进气口通道211和堆排气口通道212的侧上与阀座210连接，例如借助于螺纹件进行连接。壳体220可包围第一挺杆233和第二挺杆243的从阀座210伸出的部分，以防止污物由于第一、第二挺杆233、243的移动而进入阀座210的通道中。

通过进气阀组230的第一挺杆233和排气阀组240的第二挺杆243的移动，可将阀200切换成至少四个切换状态。在第一切换状态(见图5a)，电机断电，进气阀组230的第一端板231在进气通道260中紧贴进气口，排气阀组240的阀板241在排气通道270中紧贴排气口，从而封闭堆进气口通道211和堆排气口通道212，隔绝燃料电池堆内与外界的空气交换。这对应于燃料电池堆的关机状态。如上所述，在该第一切换状态中，弹簧235被压缩，对进气阀组230的第二端板232和进而排气阀组240的横挡件242施加在图中向下指向的推力，而弹簧245被拉伸，对横挡件242施加在图中向上指向的、与弹簧235的推力相平衡的拉力。

在第二切换状态(见图5b)，在启动或工作过程中有旁通需求时，电机会克服弹簧245的部分力，使排气阀组240的第二挺杆243远离堆排气口通道212，即横挡件242在图中向下移动，取消对进气阀组230的第二端板232的止挡，于是进气阀组230的第二端板232在被压缩的弹簧235的推力的作用下也向下移动，使第一挺杆233和第一端板231远离堆进气口通道211。当第一端板231停留在进气口与旁通口之间时，从新鲜空气入口通道213进入的新鲜空气的一部分直接经由堆进气口通道211进入燃料电池堆中，另一部分则通过旁通通道215进入废气排气口通道214，从而稀释排气中氢气的浓度。这对应于燃料电池堆的旁通状态。旁通的气体量可以通过调节第一端板231在进气通道260中的高度位置、即在进气通道纵轴线方向上的位置，由新鲜空气入口通道213的被第一端板231分隔开的两个部分的容积之比来决定。

在第三切换状态(见图5c)，在燃料电池堆没有旁通或背压调节的需求时，电机会克服弹簧245的部分力，使排气阀组240的第二挺杆243进一步远离堆排气口通道212，于是，进气阀组230的第一端板231在弹簧235的作用下也进一步远离堆进气口通道211。当第一端板231在弹簧235的作用下紧贴在旁通口上时，从新鲜空气入口通道213进入的新鲜空气全部经由堆进气口通道211进入燃料电池堆内，排气也无阻碍的经由堆排气口通道212从废气排气口通道214排出。这对应于燃料电池堆的工作状态。

在第四切换状态(见图5d)，当燃料电池堆在工作中有背压调节需求时，电机会克服弹簧245的部分力，使排气阀组240的第二挺杆243进一步远离堆排气口通道212。但此时，由于进气阀组230的第一端板231已经在第三切换状态中在弹簧235的作用下紧贴在旁通口上并且不再能继续向下移动，于是进气阀组230的第二端板232与排气阀组240的横挡件242分离，仅排气阀组240向下运动。此时，阀板241进入喇叭形通道274，并在电机和弹簧245的共同作用下向下移动。由于阀板241与喇叭形通道274的内壁之间的间隙变小，排气有效流通面积也随之变小，阻碍气体快速流出，因此使燃料电池堆内的气体压力升高，导致背压增大。这对应于燃料电池堆的背压调节状态。在进气压力和流量不变的情况下，背压的大小可以通过改变阀板241在喇叭形通道中的在排气通道纵轴线方向上的位置来改变。

由图5a-5d可看出，随着第一端板231和阀板241沿远离堆进气口通道211和堆排气口通道212的方向移动，从第一端板231封闭堆进气口通道211且阀板241封闭堆排气口通道212的第一切换状态开始，阀200依次经历第一端板231开放堆进气口通道211和通向旁通通道215的旁通口而阀板241开放堆排气口通道212和废气排出口的第二切换状态、第一端板231开放堆进气口通道211且封闭旁通口而阀板241仍开放堆排气口通道212和废气排出口的第三切换状态、以及第一端板231仍开放堆进气口通道211且封闭旁通口而阀板241开放堆排气口通道212且缩小排气有效流通面积的第四切换状态。燃料电池堆也相应地经历关机状态、旁通状态、工作状态和背压调节状态。因此，根据本实用新型的阀200可将现有技术的燃料电池系统的四个空气阀(即堆前和堆后空气截止阀、旁通阀以及背压阀)的功能集于一身。

在另外的实施例中，排气阀组240的中间部段271的喇叭形区段中，代替圆锥区段，也可使用阶梯孔。

在另外的实施例中，排气阀组240的中间部段271的喇叭形区段也可不是由仅一个大端直径大于阀板241的直径且小端直径小于阀板241的直径的圆锥区段构成，而是可包括圆锥区段和另一圆柱区段，该圆锥区段的大端直径和小端直径均大于阀板241的直径，而该另一圆柱区段的直径小于阀板241的直径，从而在该圆锥区段与该另一圆柱区段之间形成台阶部，阀板241能止挡在该台阶部上，封闭和密封该喇叭形区段与下部部段272之间的交汇口、即废气排出口。此时，排气通道的位于喇叭形区段与废气排气口通道之间的下部部段272的直径可任意选取，无论是大于、小于还是等于阀板241的直径均可。

图6示出进气通道660的另选的实施方式。在该实施例中，进气通道660被构造成从堆进气口通道611至旁通通道615具有相同的直径d，进气阀组230的第一端板231的横截面直径略小于该直径d，从而能在进气通道660中自由移动，但同时还对堆进气口通道611和旁通通道615具有密封作用。当第一端板231在新鲜空气入口通道613上方位于堆进气口通道611中时，封闭和密封堆进气口通道，对应于燃料电池堆的关机状态。当第一端板231位于新鲜空气入口通道613的高度上时(见虚线所示)，一部分新鲜空气可经由堆进气口通道611进入燃料电池堆中，另一部分新鲜空气可经由旁通通道615进入排气通道中，这对应于燃料电池堆的旁通状态。当第一端板231位于新鲜空气入口通道613与旁通通道615之间的下部部段662中时(见点划线所示)，新鲜空气全部进入堆进气口通道611中，这对应于燃料电池堆的工作状态和背压调节状态。相应地，排气通道的中间部段的圆柱区段的长度应不小于新鲜空气入口通道613的直径。在此实施例中，在进气阀组的第二端板232与阀座之间可无需设置弹性部件、即弹簧235，而是第一挺杆233与横挡件242固定连接，由此和第二挺杆243一起通过驱动系统280的驱动而线性移动。

在上述实施例中，进气通道260和排气通道270的相应部段被构造成圆柱形或圆锥形，即具有圆形的横截面。但除了圆形横截面外，进气通道260和排气通道270也可设计成具有矩形、椭圆形、卵形或其它形状的横截面。

虽然在上述实施例中，堆进气口通道211、堆排气口通道212、新鲜空气入口通道213、废气排气口通道214和旁通通道215是一体地形成在阀座210中的通道，但在另外的实施例中，可使用彼此连接的管道来实现这五个通道。此时，可省去阀座。

在图中所示的实施例中，进气通道260、排气通道270和旁通通道215在同一个平面内延伸，但在另外的实施形式中，旁通通道也可位于由进气通道和排气通道限定的平面外，甚至进气通道和排气通道本身也可不位于同一平面中，而是具有大致相同的延伸走向。

此外，排气阀组也可设计得与进气阀组相同，即，第二挺杆与横挡件是分开的部件，在第二挺杆的与阀板相对的端部处设有端板或环绕的凸缘，该端板或凸缘止挡在横挡件上。在该端板或凸缘与阀座之间也设有弹性部件、尤其是压簧，用以向第二挺杆提供使阀板朝远离堆排气口通道的方向运动。横挡件与驱动系统连接，并可在驱动系统的驱动下沿进气通道和/或排气通道的纵轴线的方向移动。因此，通过横挡件在远离堆进气口通道和堆排气口通道的方向上移动，第一挺杆和第二挺杆均在各自的压簧的推力的作用下随着横挡件移动，从关机状态逐步转变成旁通状态、工作状态和背压调节状态。

另选地，代替唯一的驱动系统280，也可分别为进气阀组230和排气阀组240设置各自的驱动系统，以实现第一挺杆233和第二挺杆243的彼此独立的线性移动。此时，可取消排气阀组的延伸至进气阀组下方的横挡件，且为进气阀组的第一挺杆和排气阀组的第二挺杆均提供将其相应地拉向堆进气口通道和堆排气口通道的弹性部件。

Claims (22)

1.一种用于燃料电池系统的阀(200)，该阀包括：

进气通道(260)，该进气通道具有用于连接至燃料电池堆的阴极的空气输入口的堆进气口通道(211)，在该进气通道上形成有供新鲜空气进入的新鲜空气入口通道(213)；

排气通道(270)，该排气通道具有用于连接至燃料电池堆的阴极的空气输出口的堆排气口通道(212)，在该堆排气口通道上形成有供排气排出的废气排气口通道(214)；

将进气通道与排气通道相连接的旁通通道(215)，

其特征在于，

所述阀(200)还包括能在进气通道(260)中移动的第一阀片(231)，以及能在排气通道(270)中移动的第二阀片(241)，

在第二阀片(241)上连接有第二挺杆(243)，在第二挺杆(243)与排气通道之间设有第一弹性部件(245)，

在第一阀片(231)上连接有第一挺杆(233)，在第一挺杆(233)与进气通道之间设有第二弹性部件(235)，

所述阀(200)被设计成，通过进气通道中的第一阀片(231)、第一挺杆(233)、第二弹性部件(235)以及排气通道中的第二阀片(241)、第二挺杆(243)、第一弹性部件(245)的配合移动，控制进气通道、旁通通道和排气通道的导通或封闭，以将所述阀置于至少四个不同的切换状态。

2.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，在第一切换状态中，第一阀片(231)在进气通道中的位置和第二阀片(241)在排气通道中的位置被调整成，使得所述进气通道中的通向堆进气口通道(211)的路径被封闭，并且所述排气通道中的通向堆排气口通道(212)的路径被封闭。

3.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，在第二切换状态中，第一阀片(231)在进气通道中的位置和第二阀片(241)在排气通道中的位置被调整成，使得所述进气通道中的通向堆进气口通道(211)的路径被导通，并且从所述新鲜空气入口通道(213)经旁通通道(215)至排气通道(270)的路径被导通，而所述排气通道的整个路径被导通。

4.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，在第三切换状态中，第一阀片(231)在进气通道中的位置和第二阀片(241)在排气通道中的位置被调整成，使得所述进气通道中的通向堆进气口通道(211)的路径被导通，并且从所述新鲜空气入口通道(213)经旁通通道(215)至排气通道(270)的路径被封闭，而所述排气通道的整个路径被导通。

5.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，在第四切换状态中，第一阀片(231)在进气通道中的位置和第二阀片(241)在排气通道中的位置被调整成，使得所述进气通道中的通向堆进气口通道(211)的路径被导通，并且从所述新鲜空气入口通道(213)经旁通通道(215)至排气通道(270)的路径被封闭，而所述排气通道中的通向所述废气排气口通道(214)的路径的横截面被改变。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的阀，其特征在于，排气通道(270)具有设置在堆排气口通道(212)与废气排气口通道(214)之间的第一中间部段(271)，该第一中间部段具有与堆排气口通道(212)的横截面以及位于该第一中间部段(271)与废气排气口通道(214)之间的排气通道部段(272)的横截面不同的横截面。

7.根据权利要求6所述的阀，其特征在于，所述第一中间部段(271)的横截面沿排气通道的纵轴线从堆排气口通道(212)向废气排气口通道(214)的方向递减。

8.根据权利要求7所述的阀，其特征在于，所述第一中间部段(271)包括邻接所述堆排气口通道(212)的至少一个柱形区段(273)和邻接该柱形区段(273)的至少一个喇叭形区段。

9.根据权利要求8所述的阀，其特征在于，所述第二阀片(241)的横截面小于所述柱形区段的横截面且大于所述堆排气口通道(212)的横截面。

10.根据权利要求9所述的阀，其特征在于，所述喇叭形区段的大端横截面大于所述第二阀片(241)的横截面，且所述喇叭形区段的小端横截面小于所述第二阀片(241)的横截面。

11.根据权利要求8所述的阀，其特征在于，所述喇叭形区段被构造成锥区段(274)。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的阀，其特征在于，所述新鲜空气入口通道(213)在横向于进气通道的纵轴线的方向上延伸，并在靠近所述堆进气口通道(211)的侧上连接在进气通道上；所述旁通通道(215)在比所述新鲜空气入口通道(213)离所述堆进气口通道(211)更远的位置处通入进气通道中。

13.根据权利要求12所述的阀，其特征在于，所述进气通道在所述新鲜空气入口通道(213)的沿进气通道纵轴线方向的尺寸范围上具有另一中间部段(261)，该另一中间部段的横截面比堆进气口通道(211)的横截面大，并且比位于旁通通道(215)与所述另一中间部段(261)之间的进气通道部段(262)的横截面大。

14.根据权利要求13所述的阀，其特征在于，所述第一阀片(231)的横截面小于所述另一中间部段(261)的横截面，且大于堆进气口通道(211)的横截面和位于旁通通道(215)与所述另一中间部段(261)之间的进气通道部段(262)的横截面。

15.根据权利要求14所述的阀，其特征在于，进气通道的所述另一中间部段(261)在进气通道纵轴线的方向上的长度与排气通道的所述第一中间部段(271)的柱形区段(273)在排气通道纵轴线的方向上的长度被适配成，使得在所述第一阀片(231)在进气通道的所述另一中间部段(261)内移动的过程中，所述第二阀片(241)在排气通道的所述柱形区段(273)内移动。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的阀，其特征在于，第一阀片(231)和第二阀片(241)中的至少一个在驱动系统(280)的驱动下移动。

17.根据权利要求16所述的阀，其特征在于，第二挺杆(243)被设计成L形，该第二挺杆沿排气通道的纵轴线的方向从排气通道伸出并横向于排气通道的纵轴线延伸至第一阀片(231)的下方，第二挺杆(243)连接驱动系统(280)。

18.根据权利要求17所述的阀，其特征在于，第一弹性部件(245)对第二挺杆施加使第二阀片(241)朝向堆排气口通道(212)运动的力。

19.根据权利要求18所述的阀，其特征在于，第一挺杆(233)沿进气通道的纵轴线的方向从进气通道伸出，并直接或间接地止挡在所述第二挺杆(243)上。

20.根据权利要求19所述的阀，其特征在于，第二弹性部件(235)对第一挺杆施加使第一阀片(231)向远离堆进气口通道(211)的方向运动的力。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的阀，其特征在于，进气通道与排气通道彼此并行地延伸。

22.一种燃料电池系统，其具有燃料电池堆和根据权利要求1至21中任一项所述的阀，所述阀的进气通道连接至燃料电池堆的空气输入口，所述阀的排气通道连接至燃料电池堆的空气输出口。

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