TWI635234B - 閥總成與燃料電池組 - Google Patents

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TWI635234B TW102144520A TW102144520A TWI635234B TW I635234 B TWI635234 B TW I635234B TW 102144520 A TW102144520 A TW 102144520A TW 102144520 A TW102144520 A TW 102144520A TW I635234 B TWI635234 B TW I635234B
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胡賽 歐斯塔迪
保羅 李奧納多 阿德考克
克里斯多夫 詹姆士 可爾克
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智慧能源有限公司
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Abstract

一種微型閥總成，其整合至一印刷電路板(PCB)基板中。該PCB基板中之一孔隙包括一延伸至該孔隙中之閉合構件。一撓性流體管安置於該閉合構件與該孔隙之一閉合邊緣之間。一位移構件耦接至該PCB且經組態用於熱致動以使該閉合構件位移，以便改變該撓性流體管之橫截面輪廓。該閉合構件可為該PCB基板之一懸臂區段。用以改變該撓性流體管之該橫截面輪廓的該閉合構件之位移可完全在該PCB基板之平面內發生，且用以使該閉合構件位移的該位移構件之移動亦可完全在該PCB基板之平面內發生，從而提供一特別適於整合至一燃料電池組中的非常薄的微型閥。

Description

閥總成與燃料電池組
本發明係關於用於控制導管中之流體之流量的閥，且詳言之，係關於可按很小規格在基板上製造的微型閥。
存在其中小型流量控制閥可用於控制至器件、來自器件或在器件內的流體之流量的許多器件。此器件之實例為電化學燃料電池組，其中(詳言之)進入堆疊中及進入堆疊內之個別電池中的氣體燃料流可能需要控制。如本文中使用之表達「流量控制」意欲涵蓋對流率之可變控制及通-斷流量控制兩者。燃料電池組中之需要此控制的典型氣體燃料流可包括至燃料電池組中之電池的氫氣流。
此項技術中已描述各種微型閥配置。舉例而言，感測器及致動器A 168(2011)，第155頁至第161頁，L Gui等人之「Exploration and evaluation of embedded shape memory alloy(SMA)microvalves for high aspect ratio microchannels」描述使用嵌入含有微通道之聚二甲基矽氧烷基板中的形狀記憶合金線的晶片上微型閥之發展。形狀記憶合金線經熱致動以擠壓微通道以關閉流量。微型閥形成於矽晶圓上。在另一實例中，感測器及致動器77(1999)，第145頁至第148頁，C M Pemble等人之「A miniature shape memory alloy pinch valve」描述一夾擠閥結構，其安裝於平坦表面上並使用 鎳鈦合金收縮線之電阻加熱來引起超彈性懸臂之向上偏轉以減輕矽管道上之夾擠壓力。
本發明之目標係提供一形式上可非常緊湊之簡單低成本微型閥。另一目標係提供一可經製造以具有非常薄形式之微型閥，使得其尤其適於整合至燃料電池組中。
根據一態樣，本發明提供一閥總成，該閥總成包含：一基板；一在該基板中之孔隙，該孔隙包括一延伸至該孔隙中之閉合構件；一撓性流體管，其安置於該閉合構件與該孔隙之一閉合邊緣之間；一位移構件，其耦接至該基板並經組態用於熱致動以使該閉合構件位移，以便改變撓性流體管之橫截面輪廓。
該基板可為一印刷電路板基板或一非印刷電路板基板。該閉合構件可為一延伸至孔隙中之懸臂。該閉合構件可為一延伸至孔隙中之軸向可壓縮構件。該位移構件可經組態用於熱致動以使該閉合構件位移，以便打開及關閉撓性流體管之內腔。該位移構件可包含一連接至閉合構件及基板之主體並在閉合構件與基板之主體之間延伸的張力線，該張力線經組態以根據溫度改變其長度。閥總成可包括沿基板延伸至張力線以形成一與其之電連接的導電軌。該張力線可包含一形狀記憶合金。該位移構件可經組態以在由通過其之電流加熱時縮短長度。該閥總成可包括一在閉合構件與孔隙之閉合邊緣之間橫向突出之結塊，該結塊在閉合構件在未偏置組態中時將撓性流體管壓縮至一關閉或部分關閉組態中。該閥總成可經組態， 使得該位移構件之熱啟動將閉合構件偏置遠離孔隙之閉合邊緣，使得撓性流體管上之壓力減輕且該管採用一打開組態。該閥總成可經組態，使得用以改變撓性流體管之橫截面輪廓的閉合構件之位移完全在基板之平面內發生。該閥總成可經組態，使得用以使閉合構件位移的位移構件之移動完全在基板之平面內發生。閉合構件及/或位移構件可凹入到基板之主表面下方。
根據另一態樣，本發明提供一包含用於遞送燃料或氧化劑至堆疊中之電池的陽極或陰極饋送導管之燃料電池組，該饋送導管通過一安置於堆疊中之用以控制燃料或氧化劑至堆疊中之電池的流量的閥總成(如上文所描述)。
閥總成可整合至一形成燃料電池組之集電器板的印刷電路板中。
1‧‧‧燃料電池組
2‧‧‧電池
3‧‧‧薄膜電極總成(MEA)
4‧‧‧陽極流動板
5‧‧‧陰極流動板
6‧‧‧波紋板
7‧‧‧前面
8‧‧‧末端開口流動通道
9‧‧‧陽極集電器板
10‧‧‧陽極集電器突片
11‧‧‧陰極集電器板
12‧‧‧陰極集電器突片
13‧‧‧頂部端板
14‧‧‧底部端板
15‧‧‧端夾片
16‧‧‧端夾片
17‧‧‧電壓監視突片
18‧‧‧密封墊配置
19‧‧‧出入口
20‧‧‧出入口
23‧‧‧末端區段
24‧‧‧末端區段
25‧‧‧印刷電路板(PCB)基板
30‧‧‧微型閥總成
31‧‧‧印刷電路板(PCB)基板
32‧‧‧孔隙
33‧‧‧懸臂構件
34‧‧‧形狀記憶合金(SMA)線
35‧‧‧連接點
35a‧‧‧連接點
35b‧‧‧連接點
36‧‧‧連接點
37‧‧‧閉合邊緣
38‧‧‧流體導管
39‧‧‧結塊
40‧‧‧導電軌
41‧‧‧主表面
50‧‧‧微型閥
51‧‧‧閂鎖構件
52‧‧‧齒
53‧‧‧孔隙之邊緣
54‧‧‧形狀記憶合金線
60‧‧‧懸臂
61‧‧‧邊緣
62‧‧‧金屬
63‧‧‧金屬帶或線
70‧‧‧微型閥
71‧‧‧加熱器元件
72‧‧‧低熔融溫度金屬
73‧‧‧撓性囊
74‧‧‧支承邊緣
80‧‧‧覆蓋或封蓋層
81‧‧‧覆蓋或封蓋層
90‧‧‧微型閥總成
91‧‧‧軸向可壓縮閉合構件
92‧‧‧近端
93‧‧‧遠端
現將藉由實例並參看隨附圖式來描述本發明之具體實例，其中：圖1為一其中可方便地併入有本發明之微型閥的緊湊燃料電池組之透視圖；圖2展示微型閥之示意圖，其中圖2a為在一非致動組態中之微型閥的平面圖，圖2b為在一致動組態中之微型閥的平面圖，圖2c為穿過在一非致動組態中之微型閥的橫截面圖，且圖2d為穿過在一致動組態中之微型閥的橫截面圖；圖3為類似於圖2之微型閥但經修改用於較小孔隙大小之微型閥的示意平面圖； 圖4為閂鎖微型閥之示意平面圖；圖5展示使用一替代位移致動器的圖2之微型閥之修改的示意圖，其中圖5a為平面圖且圖5b為穿過微型閥之橫截面圖；圖6為閂鎖微型閥的替代設計之示意平面圖，其中圖6a展示在非致動組態中之閥且圖6b展示在致動組態中之閥；且圖7展示微型閥之示意平面圖，其中圖7a為在非致動組態中之微型閥的平面圖且圖7b為在致動組態中之微型閥的平面圖。
參看圖1，燃料電池組1具有複數個並列電池2，每一電池2包括一安置於陽極流動板4與陰極流動板5之間的薄膜電極總成(MEA)3。在圖1中所示之燃料電池組中，陽極流動板4水平地位於每一各別MEA 3之上且陰極流動板5水平地位於每一各別MEA 3之下。
所示之燃料電池組為空氣冷卻開放式陰極類的堆疊，其中陽極流動板4為薄金屬層，每一層具有經蝕刻或以另外方式形成於陽極流動板之面對MEA之表面(圖1中不可見)中以遞送陽極燃料氣體(諸如，氫氣)至MEA3之陽極側的流動通道之集合。多孔氣體擴散材料之層(圖1中不可見)可位於MEA與陽極流動板之間以輔助將燃料分散至MEA表面。密封墊在MEA及陽極流動板之周邊延伸以提供一密封以防止陽極燃料漏出。
在所示之實例中，陰極流動板5為開放式陰極類型之流動板且被形成為一波紋板6。波紋為通過MEA或安置於其上之氣體擴散層之表面的空氣提供末端開口的流動通道8。如圖1中所觀看到的，燃料電池組1 之前面7提供一空氣入口面，空氣可藉由該空氣入口面在堆疊體積中傳遞至MEA之陰極表面。堆疊之相反面(亦即，如圖1中所觀看到堆疊之背面)可提供一另外空氣入口面。或者，若堆疊被強制通風，則相反面可為供強制送入前面7中的空氣流出的空氣入口面。
在燃料電池組1之頂部，一陽極集電器板9包括一自堆疊橫向向外延伸以提供一電端子的陽極集電器突片10，一電連接器可附接至該電端子。在燃料電池組1之底部，陰極集電器板11包括一自堆疊橫向向外延伸以提供一電端子的陰極集電器突片12，一電連接器可(例如)藉由焊接附接至該電端子。
藉由一對端板(特定言之，頂部端板13及底部端板14)來壓縮燃料電池組1，頂部端板13及底部端板14由左端夾片15及右端夾片16固持在一起。端夾片15、16經施加張力，使得堆疊之層被緊緊壓縮在一起，以便所有密封墊恰當地密封堆疊中之電池之各個層。
燃料電池組1亦可包括一系列電壓監視突片17，每一電壓監視突片17自陽極流動板或陰極流動板中之各別者橫向向外延伸。在所示之實例中，電壓監視突片17為陽極流動板之橫向延伸。可為堆疊中之每一電池提供電壓監視突片或可為堆疊中之每幾個電池提供電壓監視突片，且電壓監視突片可用於在操作期間監視整個堆疊中之電池電壓。
密封墊配置18可提供對堆疊中之電池之末端的密封且亦可提供穿過堆疊之垂直延伸孔道以用於遞送並分散燃料至堆疊中之每一電池。可在頂板13之每一末端中提供出入口19、20以提供至下方電池之流體入口。此等出入口可為以氫為動力的燃料電池組之氫燃料提供入口。
陽極集電器板9可由具有呈層壓結構之編織物或非編織物支撐件的合適電絕緣介電材料(諸如環氧樹脂)之印刷電路板(PCB)基板25製造。安置於PCB基板25下側的可為高導電材料(諸如銅)，其經圖案化以為燃料電池組提供一集電電極且亦可提供導電軌以用於電連接至收集板9上之電組件。
陽極集電器板9可包括延伸超出燃料電池組之電有效區域的末端區段23、24，穿過末端區段23、24形成孔隙以提供自頂部端板13中之出入口19、20延伸至向下延伸穿過電池2之層的孔道的流體流動路徑以提供氫燃料至每一板。
非常需要在燃料電池組1之本體內提供一流量控制閥(如上文界定，亦涵蓋一截止閥)以使至電池之氫流量能夠被控制。
如現在將詳細地論述，整合至印刷電路板25中(且特定言之在其末端區段23、24中)之微型閥將使得能夠在燃料電池組1內控制氫流量。
圖2展示一製造於印刷電路板(PCB)基板31上的微型閥總成30。圖2a展示閥處在非致動組態中之基板31的平面圖。圖2b展示閥處在致動組態中之基板31的平面圖。圖2c及圖2d各自展示穿過PCB基板31之橫截面，其亦分別展示在非致動組態及致動組態中之閥。
閥總成30包含一在PCB基板中之孔隙32。一較佳為PCB基板31之在孔隙32之形成期間建立的整合部分之懸臂構件33延伸至孔隙32中。然而，懸臂構件33可獨立地製造並貼附至PCB基板31，以便延伸至孔隙中。
形狀記憶合金(SMA)線34延伸越過孔隙32，並在連接點35、36處緊固至PCB基板31。連接點可為用於(諸如)藉由焊接接觸或藉由使線34環繞一嵌入於基板中或附接至基板之結構而將線34緊固至基板31的任一合適類型機構。線環可由夾鉗或其他機構閉合。導電軌40延伸越過PCB基板31至形狀記憶合金線34之末端，從而形成至形狀記憶合金線34之電連接。
一流體導管38安置於懸臂33與孔隙32之閉合邊緣37之間。流體導管38較佳為一撓性管且可經壓縮以限制經過管之流體之流量。懸臂構件33包括橫向向外朝孔隙32之閉合邊緣37延伸的結塊39(例如，隆起或突起)。結塊39提供一局部地壓縮管38以切斷通過其之流體流動的夾擠點。雖然結塊39經展示於懸臂構件33上，但其可替代地位於需要夾擠點的基板之閉合邊緣37上，或結塊39可形成於懸臂構件33及孔隙之閉合邊緣37上以彼此相對地起作用。
形狀記憶合金線34具有一負熱膨脹係數，原因在於在其溫度升至特定臨限之上時其顯著地收縮。當SMA線34收縮時，懸臂構件33撓曲遠離孔隙閉合邊緣37，藉此減輕管38上之壓力並開放管壁中之內腔。可藉由接通及斷開經過線之電流(電流經由導電軌40而遞送)而實現形狀記憶合金線34之熱啟動(亦即，線之加熱及冷卻)。當電流斷開且線34冷卻時，懸臂構件返回至其未偏置組態，藉此關閉管壁內之內腔。
流體導管38可由任一合適的撓性可壓縮管(諸如Tygon或聚矽氧管)製造。在所示實例中，撓性管具有2mm之外徑且夾擠於懸臂33與厚度在1mm與2mm之間的印刷電路板閉合邊緣37之間。SMA線34 以在15mm與30mm之間的長度延伸。其他尺寸係可能的。
可對圖2中所示之微型閥進行各種修改。
懸臂33可由一正好延伸跨越孔隙之橋式構件替代。然而，接著可需要形成橋之材料(例如，PCB材料)之增加的撓性，以便確保橋式構件之充分橫向位移以壓縮或解壓縮相鄰管38。懸臂33及替代橋式構件大體上為經組態以能夠在受到由一位移構件(諸如SMA線34)施加之力時撓曲的閉合構件之實例。在一般態樣中，形狀記憶合金線34例示了一連接至閉合構件(諸如懸臂33)及PCB基板31之主體(亦即，基板之位於孔隙外的與延伸至孔隙32中之任一懸臂或橋式構件分開的部分)並在該閉合構件與該PCB基板31之主體之間延伸的張力線。
流體管38可經組態以在由結塊39界定之夾擠點處位於PCB基板31之平面中，或可在由結塊39界定之夾擠點處在相對於PCB基板之平面垂直或傾斜的方向上穿過PCB基板31之平面。
圖2之微型閥無需為常閉組態。懸臂33或其他閉合構件及線34或其他位移構件可經配置以提供一常開組態，並操作以在位移構件經熱致動時關閉或限制該管。在此配置中，線34可延伸越過懸臂33與孔隙之閉合邊緣37之間的間隙以壓縮管38。
若需要較大長度之SMA線34以提供充分熱收縮，則線34之末端在固定至基板31之前可充分延伸經過閉合邊緣37。
圖3說明一用於確保SMA線34之充分長度以提供足夠熱收縮來實現懸臂33之完全位移的一般方法。若孔隙32太小以致不能提供SMA線34(或其他位移構件)之充分長度，則線34可不僅在孔隙32上而且在 一段基板31上延伸至稍微遠離孔隙之一邊緣的連接點35。在圖3中所示之實例中，懸臂33之1mm位移可由在可能70℃至90℃之典型致動溫度下致動的長度為25mm之形狀記憶線34實現。
圖3亦大體上說明流體管38延伸穿過基板31之平面(如較早所論述)的實例。
圖4說明對圖3之配置的修改，其展示如何將微型閥形成為閂鎖閥50的實例。在圖4之實例中，微型閥50包括一懸臂33，懸臂33包括一形成為橫向懸臂之閂鎖構件51。閂鎖構件51經組態以與一自孔隙32之邊緣53向外延伸的齒52嚙合。以與結合形狀記憶合金線34所描述大體上相同之方式，閂鎖構件51可藉由一第二形狀記憶合金線54偏轉。更特定言之，可藉由使一電流通過線54而熱致動線54，因此縮短線並使閂鎖構件51位移以與齒52脫離。以此方式，圖4之實例展示一常閉閥50，亦即當懸臂33未偏置時，可使用線34之熱致動打開該閥，且將藉由將閂鎖構件51嚙合抵在齒52上而開鎖(latch open)。接著可中斷線34之熱致動。當微型閥50待關閉時，第二SMA線54經熱致動，從而使閂鎖構件51偏轉遠離孔隙邊緣53並脫離齒52，使得懸臂33返回至其未偏置組態。
懸臂構件33(或其他閉合構件)之熱致動的其他形式係可能的。參看圖5，懸臂60可包括一以具有一不同於懸臂材料(例如，PCB基板材料)之熱膨脹係數的熱膨脹係數之合適金屬62電鍍的邊緣61，而非使用形狀記憶合金線34。安置於懸臂上之金屬帶或線63可作為一加熱元件操作以加熱懸臂，且藉此引起材料之不同膨脹並因此引起懸臂偏轉。以此方式，懸臂可根據已知原理以類似於雙金屬帶致動器的方式操作。舉例而 言，邊緣61可以金、銅或鎳來電鍍。
可設想其他形式之閂鎖機構。舉例而言，如圖6中所示，微型閥70包含在一位於懸臂33與孔隙32之支承邊緣74之間的撓性囊73中的由低熔融溫度金屬72(諸如費氏金屬(Field's metal)或伍氏金屬(Wood’s metal))環繞之囊封加熱器元件71。囊可由合適彈性聚合物(諸如，PDMS(聚二甲基矽氧烷))形成。加熱器元件71可為一銅線圈。加熱器元件71可藉由由導電軌40遞送之電流來致動。加熱器元件71可替代地在囊73外部。若加熱器元件71在囊內，則其可經絕緣以防止經由低熔融溫度金屬而短路。
圖6a展示在一未偏置未閂鎖組態中之閂鎖微型閥70。圖6b展示在閂鎖條件下之微型閥70。使用中，可在加熱SMA線34之前(及/或與加熱SMA線34同時)使用加熱器元件71來加熱低熔融溫度金屬72。低熔融溫度金屬72(在分別對應費氏金屬及伍氏金屬之大約62℃或70℃下)變得熔融且因此撓性囊73能夠在由線34施加至懸臂33之張力下再成形。加熱器元件71接著被停用，從而使低熔融溫度金屬72再次固化成伸長形狀(圖6b)。因此，甚至當形狀記憶合金線34被停用時，懸臂33仍維持偏置遠離流體管38。在一較佳啟動序列中，低熔融溫度金屬被用加熱器元件71加熱；SMA線經加熱；在SMA線維持被加熱的同時加熱器元件71被停用；金屬72固化；且SMA線加熱接著被停用。
上文描述之閂鎖構件51及齒52以及撓性囊73大體上例示了一閂鎖機構，其可經組態以無關於位移構件(例如，SMA線34)之熱致動狀態而將閉合構件(例如，懸臂33)保持在其位移條件中。即使當位移 構件之熱致動中止或切斷時，閂鎖機構仍將使懸臂33保持於其位移或偏轉位置中。
可設想不需要使用可橫向偏離其軸之懸臂構件33的其他配置，如前述圖中所述。
在圖7中所示之實例中，微型閥總成90包含一在基板31中之孔隙32。一自孔隙32之邊緣處的近端92延伸至遠離該邊緣之遠端93的軸向可壓縮閉合構件91延伸至孔隙32中。閉合構件91可為基板31之在形成於孔隙32上期間建立的整合部分或可在製造期間附接至基板。軸向可壓縮閉合構件91可由任一合適可壓縮材料(諸如彈性材料)形成。軸向可壓縮閉合構件91可包含一螺旋彈簧。
形狀記憶合金(SMA)線34在閉合構件91之遠端處或接近閉合構件91之遠端的連接點36周圍的連接點35a、35b處自基板31延伸。連接點可為用於(諸如)藉由焊接接觸或藉由使線環繞一嵌入於基板31中或附接至基板31的結構而將線34緊固至基板31的任一合適類型機構。線環可藉由一夾鉗或其他機構閉合。導電軌40越過基板31而延伸至SMA線34之末端，從而形成至SMA線34之電連接。
一流體導管38安置於閉合構件91之遠端93與孔隙32之閉合邊緣37之間。流體導管38較佳為一撓性管且可經壓縮以限制流經管之流體。
如同先前描述之配置，SMA34可具有一負熱膨脹係數，原因在於在其溫度上升(例如，藉由電流加熱)時其顯著地收縮。因此，當SMA線34收縮時，閉合構件91經軸向壓縮，使得其自流體導管38經壓縮 及封閉的其非致動組態(圖7a)移動至流體導管38未經壓縮且因此未被封閉的其致動組態(圖7b)。
如同先前描述之具體實例一樣，流體管38可經組態以位於通過由孔隙之閉合邊緣37及閉合構件之遠端93界定的夾擠點的基板31之平面中。或者，流體導管38可經組態以在由孔隙之閉合邊緣37及閉合構件之遠端93界定的夾擠點處通過基板31之平面。先前描述之具體實例的其他特徵亦可應用於圖7之配置。
上文描述之所有微型閥可實質上實施於印刷電路板基板31之平面內，因此提供一適於夾入諸如圖1中所示之燃料電池組之經堆疊板中的很薄的微型閥。必要時，形狀記憶合金線34、54及/或其連接點35、36可略微地凹入到基板31之主或主要表面41(參見圖2c、圖2d)下方。懸臂構件33可經製造得比基板31略薄以確保不會結合到堆疊於印刷電路板上之層。如圖2c及圖2d及圖5中所示，印刷電路板基板31可被用覆蓋或封蓋層80、81上覆，或夾於覆蓋或封蓋層80、81之間。
微型閥可經組態，使得閉合構件(例如，懸臂構件33或橋式構件)之移動及位移構件(例如，形狀記憶合金線34、35)之移動完全在PCB基板31之平面內發生，藉此不需要移動部件延伸到基板31之平面外。此提供一理想地適於燃料電池組1之堆疊板的很薄的微型閥。
可使所描述之微型閥的位移構件之致動溫度與燃料電池組之正常操作溫度相容。在燃料電池組1之端板13、14附近的典型溫度可約為50℃且線致動溫度可在70℃至90℃範圍內。
各種安全切斷機構可與微型閥整合。舉例而言，為了在燃料 電池組過熱(其原本可能藉由線34之連續致動而將氫微型閥維持在不安全的打開條件中)的情況下提供故障保險(fail safe)，可將一或多個熱(熔融)熔絲併入可熔融之線34中，藉此破壞線中之張力且迫使閥閉合。
現在返回至圖1，可見上文描述之微型閥可整合至印刷電路板集電器板9及/或11中，藉此幾乎不需要燃料電池組之尺寸增加。微型閥孔隙32可位於與出入口19、20對準的集電器板末端區段23、24中，使得延伸穿過其的氫燃料管可經定位以通過微型閥總成。
使用一併入有如本文中描述之微型閥之印刷電路板的原理可應用於其他類型的燃料電池組，諸如一其中氧化劑管亦可受到流量控制的閉合陰極燃料電池組。微型閥亦可用以控制淨化管線，且詳言之陽極淨化管線。當燃料電池與燃料源斷開連接時，微型閥之常閉組態可尤其適用於自動地將燃料電池組之電池內的氫流動路徑與外部環境隔離。
使用組合集電器板9、11與閥之印刷電路板可在模組化及設計變化方面提供顯著益處。任一類型之燃料電池組的集電器板所需之導電圖案及閥佈局可易於使用高效且完善的PCB製造技術來更改，且可經調適用於陽極流動板4或陰極流動板5之不同組態及不同外部連接。其非常適於大量製造及裝配且係非常具有成本效益的。標準PCB連接器配置可用於電連接。
任一合適材料可用於製造用作基板31之印刷電路板，材料包括所有習知PCB材料(諸如，浸漬於樹脂或其他熱固性介電材料中的適於印刷或以另外方式塗佈導電材料的布、紡織物、纖維或紙層，或已塗佈有用於適當的蝕刻及(在不需要時)移除的銅或其他導電層的層壓材料)。 然而，可考慮用於支撐上文描述之閥總成之各種元件的其他基板材料(例如，非PCB材料)。此等材料可包括塑膠、介電材料，等等。
此處描述之微型閥總成尤其適於具有較少電池之小型燃料電池組，諸如可用於消費型電子器件中之燃料電池組。然而，原理可應用於較大燃料電池組。此外，此處描述之微型閥可大體上用於除燃料電池外的許多類型之器件中。
位移構件可包括多個張力線34以增加施加至閉合構件(例如，懸臂33)的可能張力。線可在PCB基板之主體與懸臂之間來回拉伸。
所描述之微型閥可經組態以不僅在完全打開流體管組態與完全關閉流體管組態之間操作，而且亦可在部分打開組態下操作。此可藉由允許實現對SMA線之減少之加熱以實現部分收縮而達成。以此方式，微型閥可經組態以作為一可變壓力調節器操作。此功能性不僅可用對位移構件之熱致動的類比控制來實施，而且可替代性地藉由對熱致動之數位控制來實施，以實施對開-關組態之脈寬調變。
其他具體實例意欲在隨附申請專利範圍之範疇內。

Claims (15)

  1. 一種閥總成(30、90)，其包含：一基板(31)，其具有一平面；一在該基板中之孔隙(32)，該孔隙包括一延伸至該孔隙中之閉合構件(33、91)；一撓性流體管(38)，其安置於該閉合構件與該孔隙(32)之一閉合邊緣(37)之間；一位移構件(34)，其耦接至該基板(31)並經組態用於熱致動以使該閉合構件在該基板之該平面中橫向位移，以便改變該撓性流體管(38)之橫截面輪廓。
  2. 如申請專利範圍第1項之閥總成(30、90)，其中該基板(31)為一印刷電路板基板。
  3. 如申請專利範圍第1項之閥總成(30、90)，其中該閉合構件(33、91)為一延伸至該孔隙(32)中之懸臂。
  4. 如申請專利範圍第1項之閥總成(30、90)，其中該閉合構件(91)為一延伸至該孔隙中之軸向可壓縮構件。
  5. 如申請專利範圍第1項之閥總成(30、90)，其中該位移構件(34)經組態用於熱致動以使該閉合構件(33、91)位移，以便打開及關閉該撓性流體管(38)之一內腔。
  6. 如申請專利範圍第1項之閥總成(30、90)，其中該位移構件(34)包含一連接至該閉合構件(33)及該基板(31)之一主體並在該閉合構件(33)與該基板(31)之該主體之間延伸的張力線，該張力線經組 態以根據溫度改變其長度。
  7. 如申請專利範圍第1項之閥總成(30、90)，其中該位移構件(34)經組態以在藉由通過其之電流加熱時縮短長度。
  8. 如申請專利範圍第1項之閥總成(30、90)，其進一步包括一在該閉合構件(33)與該孔隙(32)之該閉合邊緣(37)之間橫向突出的結塊(39)，當該閉合構件在一未偏置組態中時，該結塊將該撓性流體管(38)壓縮至一關閉或部分關閉組態中。
  9. 如申請專利範圍第1項之閥總成(30、90)，其經組態使得該位移構件(34)之熱啟動將該閉合構件(33、91)偏置遠離該孔隙(32)之該閉合邊緣(37)，使得該撓性流體管(38)上之壓力減輕且該管採用一打開組態。
  10. 如申請專利範圍第1項之閥總成(30、90)，其經組態使得用以改變該撓性流體管之該橫截面輪廓的該閉合構件(34)之該位移完全在該基板之該平面內發生。
  11. 如申請專利範圍第1項之閥總成(30、90)，其經組態使得用以使該閉合構件(33、91)位移之該位移構件(34)的移動完全在該基板之該平面內發生。
  12. 如申請專利範圍第1項之閥總成(30、90)，其中該閉合構件(33、91)及/或該位移構件(34)凹入到該基板(31)之一主要表面(41)下方。
  13. 如申請專利範圍第1項之閥總成(30、90)，其進一步包含一可經組態以無關於該位移構件(34)之熱致動狀態而將該閉合構件(33、91)保持於其位移條件中的閂鎖機構。
  14. 一種燃料電池組(1)，其包含一用於遞送燃料或氧化劑至該燃料電池組(1)中之電池的陽極或陰極饋送導管，該饋送導管通過一安置於該燃料電池組(1)中的根據申請專利範圍第1至13項中任一項之閥總成(30、90)，以控制燃料或氧化劑至該燃料電池組(1)中之該等電池的流量。
  15. 如申請專利範圍第14項之燃料電池組(1)，其中該閥總成(30、90)整合至一形成該燃料電池組(1)之一集電器板(9、11)的印刷電路板(25)中。
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9627722B1 (en) 2013-09-16 2017-04-18 American Lithium Energy Corporation Positive temperature coefficient film, positive temperature coefficient electrode, positive temperature coefficient separator, and battery comprising the same
US10020545B2 (en) 2014-11-25 2018-07-10 American Lithium Energy Corporation Rechargeable battery with resistive layer for enhanced safety
HUE049590T2 (hu) 2014-11-25 2020-09-28 American Lithium Energy Corp Újratölthetõ akkumulátor belsõ áramhatárolóval és árammegszakítóval
GB2552899A (en) * 2015-03-02 2018-02-14 Univ Texas Systems and methods for thermally actuated flow control
CN105304409A (zh) * 2015-09-11 2016-02-03 中国科学院理化技术研究所 一种基于负热膨胀的热开关
FR3045012B1 (fr) * 2015-12-11 2017-12-08 Airbus Operations Sas Mat d'accrochage d'une turbomachine muni d'un element de protection thermique
DE102016219342A1 (de) 2016-10-06 2018-04-12 Conti Temic Microelectronic Gmbh Pneumatisches Ventil
CN106410239A (zh) * 2016-11-02 2017-02-15 上海钧希新能源科技有限公司 一种模块化甲醇水储液容器
WO2018204379A1 (en) 2017-05-01 2018-11-08 American Lithium Energy Corporation Negative thermal expansion current interrupter
CN108167469A (zh) * 2018-01-31 2018-06-15 兰州大学 一种钨酸锆负热膨胀材料智能阀门
JP7075780B2 (ja) * 2018-02-28 2022-05-26 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
DE102018216876B4 (de) 2018-10-01 2022-10-27 Conti Temic Microelectronic Gmbh Pneumatisches Ventil
US11015736B1 (en) * 2019-01-24 2021-05-25 Vector Ring LLC Clamp utilizing a shape memory alloy actuator to shutoff, squeeze off, plastic pipe and tubing used in the pressurized transmission of gas or fluid

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1248676A (zh) * 1999-08-04 2000-03-29 上海交通大学 采用形状记忆合金/硅双层驱动膜结构的微泵
EP1085219A2 (en) * 1999-09-13 2001-03-21 JDS Uniphase Inc. In-plane MEMS thermal actuator and associated fabrication methods
US20050284527A1 (en) * 2004-06-24 2005-12-29 The Aerospace Corporation Electro-hydraulic devices
WO2008113180A1 (en) * 2007-03-21 2008-09-25 Angstrom Power Incorporated Fluidic control system and method of manufacture
WO2008121691A1 (en) * 2007-03-28 2008-10-09 University Of Florida Research Foundation, Inc. Microfluidic array device and system for simultaneous detection of multiple analytes
WO2012117035A1 (en) * 2011-03-01 2012-09-07 Imperial Innovations Limited Fuel cell comprising at least two stacked printed circuit boards with a plurality of interconnected fuel cell units

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0211980A (ja) * 1988-06-28 1990-01-17 Matsushita Refrig Co Ltd ダンパー開閉装置
JPH04136571A (ja) * 1990-09-25 1992-05-11 Shibaura Eng Works Co Ltd チューブラバルブ
JPH06111838A (ja) * 1992-09-30 1994-04-22 Toshiba Corp 改質器、改質システム、及び燃料電池システム
JPH11324902A (ja) * 1998-05-06 1999-11-26 Kitz Corp 電熱式アクチュエータ、バルブ及びポンプ
US6494804B1 (en) * 2000-06-20 2002-12-17 Kelsey-Hayes Company Microvalve for electronically controlled transmission
EP1331997B1 (en) * 2000-11-06 2004-06-16 Nanostream, Inc. Microfluidic flow control devices
CN101002029A (zh) * 2004-07-23 2007-07-18 阿法控制装置有限责任公司 微阀组件及相关方法
US20060122565A1 (en) * 2004-11-23 2006-06-08 Kooi Chee C Switch structures or the like based on a thermoresponsive polymer
EP1909008A4 (en) * 2005-07-26 2011-01-26 Panasonic Elec Works Co Ltd COMPACT VALVE
CN102003560B (zh) * 2010-10-14 2012-02-08 清华大学 一种电驱动形状记忆合金丝的常闭型主动微阀

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1248676A (zh) * 1999-08-04 2000-03-29 上海交通大学 采用形状记忆合金/硅双层驱动膜结构的微泵
EP1085219A2 (en) * 1999-09-13 2001-03-21 JDS Uniphase Inc. In-plane MEMS thermal actuator and associated fabrication methods
US20050284527A1 (en) * 2004-06-24 2005-12-29 The Aerospace Corporation Electro-hydraulic devices
WO2008113180A1 (en) * 2007-03-21 2008-09-25 Angstrom Power Incorporated Fluidic control system and method of manufacture
WO2008121691A1 (en) * 2007-03-28 2008-10-09 University Of Florida Research Foundation, Inc. Microfluidic array device and system for simultaneous detection of multiple analytes
WO2012117035A1 (en) * 2011-03-01 2012-09-07 Imperial Innovations Limited Fuel cell comprising at least two stacked printed circuit boards with a plurality of interconnected fuel cell units

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Publication number Publication date
KR20150090255A (ko) 2015-08-05
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US10290879B2 (en) 2019-05-14
US20160064750A1 (en) 2016-03-03
EP2929223B1 (en) 2016-11-23
CN104937320B (zh) 2019-05-07
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TW201435234A (zh) 2014-09-16
SG11201504406RA (en) 2015-07-30
JP2016501348A (ja) 2016-01-18

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