能夠發生凍結且帶封裝的滑動板孔口的陽極閥的製作方法

2023-05-29 14:52:36 3

專利名稱：能夠發生凍結且帶封裝的滑動板孔口的陽極閥的製作方法
技術領域：
本公開涉及一種陽極閥，更具體地涉及一種燃料電池系統的陽極閥。
背景技術：
燃料電池系統是一種電化學裝置，其包括陽極和陰極並且在陽極與陰極之間有電解質。陽極接收燃料(例如氫氣)，陰極接收氧化劑(例如氧氣或空氣)。當把燃料經由陽極迴路提供至陽極的反應平面時，燃料被離子化且燃料離子經由固體聚合物電解質膜被轉移到陰極。在此過程中產生電子並且電子流向外部電路，從而提供直流電能。當把氧化劑經由陰極迴路提供至陰極時，燃料離子、電子和氧化劑在陰極處發生反應並且生成水。利用陰極排放通道將水從燃料電池系統中排出。通常並不是所有的水都被從燃料電池系統中排出。在受讓人的共同未決美國專利申請公開第2009/0208795號(Skala等人)中展示並描述 了一種示例性燃料電池系統，該專利申請的全部公開內容在此以參考的方式併入本文中。通常在陽極迴路中設置閥來控制燃料的參數和各種流量，例如燃料電池系統內的燃料壓力和溫度。一個這種陽極閥對流向陰極的用於在低溫環境中使燃料電池系統升溫的燃料的流量加以控制。如果在關閉燃料電池系統後有水滯留在陽極迴路中且燃料電池系統維持在低溫環境中，那麼滯留在陽極閥中的水會發生凍結而形成冰。冰會在陽極閥中形成阻塞而妨礙陽極閥的正常運行。如果陽極閥不能正常運行則有可能難以再啟動燃料電池系統，這種情況是不期望發生的。對於抑制冰形成和阻塞的燃料電池系統的陽極閥存在著持續的需求。理想地，在燃料電池系統關閉期間將陽極閥密封而抑制冰蓄積。

發明內容
根據本公開，出人意料地發現了一種燃料電池系統的閥，該閥抑制冰形成和阻塞，並且在燃料電池系統關閉期間被密封而抑制冰蓄積。本發明包括一種帶電磁線圈致動器的閥體。所述致動器連接到帶孔口洞的薄板。順應性密封件粘接到所述薄板和閥體，而使閥體入口通道與閥體出口通道隔開。所述密封件能夠伸縮(flex)以適應所述薄板的直線運動。當薄板處在關閉位置時，一對彈簧加載的塞從薄板的上面和下面配合入該薄板中的孔口。這樣就形成了用以關閉閥的密封，並且防止孔口中的冰形成。所述孔口在兩側還具有斜面，使得當薄板處在打開位置時在彈簧加載的塞密封件上所產生的推力將壓縮彈簧並允許薄板滑出，並且暴露孔口以允許流動。當薄板處在關閉位置時，孔口的高壓側將會起作用形成可靠的密封(positive seal)。在一個實施例中，燃料電池系統的閥包括主體，該主體具有允許流體流過的通路。滑動構件被設置在閥主體中，且被構造成在打開位置和關閉位置之間移動。該滑動構件具有形成於其中的孔口。至少一個偏置塞被設置在閥主體內且相鄰於滑動構件。當滑動構件處在打開位置時，偏置塞鄰接滑動構件的外表面並且允許流體流過滑動構件的孔口。當滑動構件處在關閉位置時，偏置塞將滑動構件的孔口密封並且抑制孔口內的冰形成。
在另一個實施例中，燃料電池系統的閥包括主體，該主體具有允許流體流過的通路。滑動構件被設置在閥主體內且被構造成在打開位置和關閉位置之間移動，該滑動構件具有形成於其中的孔口。第一偏置塞設置在閥主體內且相鄰於滑動構件。當滑動構件處在打開位置時，偏置塞鄰接滑動構件的第一外表面並且允許流體流過滑動構件的孔口。當滑動構件處在關閉位置時，第一偏置塞將滑動構件的孔口密封並且抑制孔口內的冰形成。第二偏置塞被設置在主體內且相鄰於滑動構件。第二偏置塞被設置在與第一偏置塞相對的位置。當滑動構件處在打開位置時，第二偏置塞鄰接滑動構件的第二外表面並且允許流體流過滑動構件的孔口。當滑動構件處在關閉位置時，第二偏置塞將滑動構件的孔口密封並且抑制孔口內的冰形成。本發明還涉及以下技術方案。方案I. 一種用於燃料電池系統的閥，包括
主體，所述主體具有允許流體流過的通路；
滑動構件，所述滑動構件設置在所述主體內並且被構造成在打開位置和關閉位置之間移動，所述滑動構件具有形成於其中的孔口 ；以及
至少一個偏置塞，所述偏置塞設置在所述主體內且相鄰於所述滑動構件，其中，當所述滑動構件處在打開位置時所述偏置塞鄰接所述滑動構件的外表面並且允許流體流過所述滑動構件的所述孔口，並且其中，當所述滑動構件處在關閉位置時所述偏置塞將所述滑動構件的所述孔口密封並且抑制所述孔口中的冰形成。方案2.如方案I所述的閥，其中，所述滑動構件是設置在所述主體的通道內的板。方案3.如方案2所述的閥，還包括順應性密封件，所述順應性密封件設置在所述板的周緣上並且密封地聯接到所述板的周緣。方案4.如方案3所述的閥，其中，所述順應性密封件具有聯接到所述主體的端部。方案5.如方案4所述的閥，其中，所述順應性密封件的端部粘接到所述主體。方案6.如方案4所述的閥，其中，所述順應性密封件的端部的截面基本上呈T形狀。方案7.如方案4所述的閥，其中，當所述滑動構件處在打開位置時所述順應性密封件的端部被拉緊，當所述滑動構件處在關閉位置時所述順應性密封件的端部基本上不被拉緊。方案8.如方案I所述的閥，其中，所述孔口周圍的壁具有斜面。方案9.如方案I所述的閥，其中，所述孔口偏移至所述滑動構件的一端。方案10.如方案I所述的閥，其中，所述至少一個偏置塞包括塞體和彈簧。方案11.如方案10所述的閥，其中，所述偏置塞的所述彈簧設置在形成於所述主體內的孔洞中。方案12.如方案10所述的閥，其中，所述偏置塞的所述塞體的形狀與所述孔口周圍的壁的形狀相吻合。方案13.如方案12所述的閥，其中，所述偏置塞的所述塞體具有大致球形、大致圓錐形和大致截頭圓錐形中的一種形狀。
方案14.如方案10所述的閥,其中,所述偏置塞的所述塞體是金屬材料和聚合材料中的一種材料。方案15.如方案10所述的閥，其中，所述彈簧是線圈彈簧。方案16.如方案I所述的閥，其中，所述通路具有形成於其中且相鄰於所述至少一個偏置塞的開口，當所述滑動構件處在打開位置時所述開口便於流體流過所述孔口。方案17.如方案I所述的閥，還包括可操作地聯接到所述滑動構件的致動器，所述致動器用於使所述滑動構件在打開位置和關閉位置之間移動。方案18.如方案17所述的閥，其中，所述致動器是電磁線圈。方案19. 一種用於燃料電池系統的閥,包括
主體，所述主體具有允許流體流過的通路； 滑動構件，所述滑動構件設置在所述主體內並且被構造成在打開位置和關閉位置之間移動，所述滑動構件具有形成於其中的孔口 ；以及
第一偏置塞，所述第一偏置塞設置在所述主體內且相鄰於所述滑動構件，其中，當所述滑動構件處在打開位置時所述第一偏置塞鄰接所述滑動構件的第一外表面並且允許流體流過所述滑動構件的所述孔口，並且其中，當所述滑動構件處在關閉位置時所述第一偏置塞將所述滑動構件的所述孔口密封並且抑制所述孔口內的冰形成；以及
第二偏置塞，所述第二偏置塞設置在所述主體內且相鄰於所述滑動構件，所述第二偏置塞設置在與所述第一偏置塞相對的位置，其中，當所述滑動構件處在打開位置時所述第二偏置塞鄰接所述滑動構件的第二外表面並且允許流體流過所述滑動構件的所述孔口，並且其中，當所述滑動構件處在關閉位置時所述第二偏置塞將所述滑動構件的所述孔口密封並且抑制所述孔口中的冰形成。方案20. —種燃料電池系統,包括
燃料電池堆，所述燃料電池堆具有用於燃料和氧化劑中的一種的入口；以及閥，所述閥與所述燃料電池堆的所述入口流體連通；所述閥包括具有允許流體流過的通路的主體；設置在所述主體內並且被構造成在打開位置和關閉位置之間移動的滑動構件，所述滑動構件具有形成於其中的孔口 ；以及至少一個設置在所述主體內且相鄰於所述滑動構件的偏置塞；其中，當所述滑動構件處在打開位置時所述偏置塞鄰接所述滑動構件的外表面並且允許流體流過所述滑動構件的所述孔口，並且其中，當所述滑動構件處在關閉位置時所述偏置塞將所述滑動構件的所述孔口密封並且抑制所述孔口內的冰形成。


基於下面的詳細說明特別是當參考下文中所描述的附圖時，本領域技術人員將容易地理解本公開的上述優點及其它優點。圖I是根據本公開一個實施例的示例性閥的透視圖。圖2是沿圖I中截面線2，3-2，3截取的閥的側視截面圖，圖中示出該閥處在關閉位置。圖3是沿圖I中截面線2，3-2，3截取的閥的側視截面圖，圖中示出該閥處在打開位置。圖4是沿圖3中截面線4-4截取的閥的俯視截面平面圖，圖中示出了在閥內滑動構件周緣上的順應性密封件(compliant seal)。圖5A 圖5C是從圖2中編號5處所取的閥的放大局部側視圖，圖中示出了閥內的偏置塞的多種形狀。
具體實施例方式下面的詳細說明和附圖描述並說明了本發明的各種實施例。這些描述和附圖的目的是使本領域技術人員能夠製作和利用本發明，並非意圖以任何方式限制本發明的範圍。圖I中圖示說明了燃料電池系統(未圖示)的閥2。作為一個非限制性實例，閥2可以是與燃料電池系統的陽極入口流體連通的陽極閥。在另一個實例中，閥2可以是與燃料電池系統的陰極入口流體連通的陰極閥。在燃料電池系統關閉期間，閥2可有利地抑制閥2內的冰形成和蓄積。在本公開的範圍內，閥2也可用在燃料電池系統內的其它位置。閥2具有帶通路6的主體4，在閥2的運行期間允許流體(例如燃料或氧化劑)流 過通路6。根據需要，主體4可形成為單個整體部件，或者由多於一個的部件構成主體4。例如，如圖I中所示，主體4可由第一部分8和第二部分9構成。閥2還包括致動器10。致動器10可操作地聯接到主體4，用以打開和關閉閥2。致動器10可以是例如線性致動器。在一個具體實施例中，致動器10是電磁線圈。根據需要，本領域技術人員可選擇其它類型的使閥2運行的致動器10。參照圖2 圖4，滑動構件12設置在主體4內。作為非限制性實例，滑動構件12可以是設置在通道14內的薄板，通道14橫貫主體4的通路6。滑動構件12可通過沿通道14滑動而在關閉位置(示於圖2)和打開位置(示於圖3和圖4)之間移動。滑動構件12是剛性的並且基本上不可滲透流體。根據需要，滑動構件12可以是例如金屬材料、聚合材料或者複合材料。在一個實例中，形成滑動構件12的板是不鏽鋼。在具體實施例中，滑動構件12可具有在大約I毫米和大約10毫米之間、特別是在大約3毫米和大約5毫米之間的厚度。根據需要，本領域技術人員可選擇滑動構件12的厚度和承受過量變形的能力，其適合於使對通道14的幹擾最小化並且使可用於溼氣和冰在空間16內蓄積的容積最小化。滑動構件12具有形成於其中的孔口 16。可在滑動構件12中鑽出或以其它方式形成孔口 16。可替代地，孔口 16周圍的壁可由用不同於滑動構件12的材料的材料所製成的插入物而形成，從而優化孔口 16周圍的壁的磨損和摩擦特性。例如，孔口 16可由氟碳化合物構成，而滑動構件12可由不鏽鋼構成。根據需要，也可將其它材料用於孔口 16和滑動構件12。當滑動構件12處在打開位置時，孔口 16允許流體在其中流過。例如，孔口 16可偏移到滑動構件12的一側，使得孔口 16設置成相鄰於通路6的一側。應該認識到的是，在孔口 16發生偏移的情況下，可使滑動構件12在關閉位置和打開位置之間的滑動距離最小化。閥2還包括至少一個偏置塞18、20，偏置塞18、20被設置在主體4內且相鄰於滑動構件12。當滑動構件12處在關閉位置時，偏置塞18、20鄰接滑動構件12的外表面22、24且將滑動構件12的孔口 16密封並且抑制孔口 16內的冰形成。特別地，當滑動構件12處在關閉位置時，偏置塞18、20填補孔口 16的物理空間。根據需要，偏置塞18、20可填補孔口 16的全部物理空間或者孔口 16的一部分物理空間。孔口 16周圍的壁可具有斜面21，當滑動構件12移動到打開位置時斜面21便於偏置塞18、20從孔口 16中移動出，當滑動構件12移動到關閉位置時斜面21將偏置塞18、20引導入孔口 16中。應當理解的是，通路6可具有形成於其中且相鄰於所述至少一個偏置塞18、20的開口 23。當滑動構件12處在打開位置時，開口 23有利地允許流體流過孔口 16。與孔口 16的偏移相結合，可利用開口 23使滑動構件12在關閉位置和打開位置之間的滑動距離最小化。開口 23也可加寬通路6從而使表面張力最小化，並且避免在與通道14相鄰的通路6的表面上捕獲溼氣和冰。因此，開口 23也使將水限制在滑動構件12和主體4之間的機會最小化。在具體實施例中，所述至少一個偏置塞18、20包括第一偏置塞18和第二偏置塞20,外表面22、24包括第一外表面22和第二外表面24。例如，第一偏置塞18和第二偏置塞20可設置在滑動構件12的相對側。當滑動構件12處在打開位置時，第一偏置塞18可鄰接第一外表面22，並且第二偏置塞20可鄰接第二外表面24。當滑動構件12處在關閉位 置時，第一偏置塞18也將滑動構件12的孔口 16的一側密封，第二偏置塞20也將滑動構件12的孔口的另一側密封。儘管在圖2 圖5C中示出了一對偏置塞18、20，但應當理解的是在本公開的範圍內也可僅使用單個偏置塞18或20。如圖2 圖3中所示，所述至少一個偏置塞18、20包括塞體26和彈簧28。塞體26被構造成當滑動構件12處在關閉位置時密封地接合滑動構件12的孔口 16周圍的壁。利用彈簧28使塞體26向滑動構件12偏置。彈簧28維持使塞體26進入孔口 16的力，同時也允許當滑動構件12移動時塞體26從孔口 16中移出。在某些實施例中，彈簧28設置在孔洞30中，孔洞30形成於主體4內且相鄰於通道14和滑動構件12。在圖2 圖3中彈簧28圖示為線圈彈簧(coil spring)。然而，根據需要，本領域技術人員也可選擇其它類型的彈簧28，例如螺旋彈簧、板彈簧、懸臂彈簧、彈性體彈簧等。參照圖5A 圖5C，塞體26的形狀可與孔口 16的形狀基本上相吻合。例如，塞體26可由柔性聚合材料(例如橡膠等)構成。塞體26也可以是漸細的(tapered)。在某些實例中，塞體26可以是大致球形(圖5A)、大致截頭圓錐形(圖5B)、和大致圓錐形(圖5C)中的一種形狀。在將塞體26的形狀設計成密封地匹配孔口 16的壁的形狀的情況下，塞體26可由剛性材料(例如金屬)構成。在本公開的範圍內，塞體26可採用當滑動構件12處在關閉位置時適於密封孔口 16的其它形狀和材料。應該認識到的是，採用替代性構造的第一偏置塞18可包括塞體26和隔膜密封件(未圖示)，該隔膜密封件具有大於孔口 16的外徑並且利用陽極與陰極之間的壓力差而形成可靠的密封。該隔膜密封件可採用實現如下效果的構造如果第一偏置塞18是由聚合物模製而成，那麼大於孔口 16開口的環將會起到隔膜的作用從而形成密封。該隔膜密封件將會連接到第一偏置塞18並且針對滑動構件12的外表面22形成可靠的密封。本領域技術人員應當理解的是，該隔膜密封件僅用在高壓側，因此不用於第二偏置塞20。在替代性實施例中，塞體26的形狀可設計成在燃料電池系統關閉期間至少部分地穿過孔口 16並且終止可能已在孔口 16內發生的任何冰形成。再次參照圖2 圖4，如圖所示，閥2包括順應性密封件32。順應性密封件32可由彈性體構成，該彈性體在燃料電池車輛的低溫運行條件下(例如低至至少_30°C的溫度)是順應性的。也可採用其它合適的材料。
順應性密封件32設置在滑動構件12的周緣34上並且密封地聯接到滑動構件12的周緣34。順應性密封件32還具有端部38，端部38密封地鄰接並聯接到主體4，從而將主體4的通路6分成入口部40和出口部42。在帶閥2的燃料電池系統的運行期間，在通路6的入口部40處可存在高壓流。可利用例如膠粘劑、超聲波焊接等方法將順應性密封件32的端部38結合到主體4的通道14的表面。可替代地，可將端部38機械固定到主體4。在一個具體實施例中，順應性密封件32的端部38的截面大致呈T形狀。T形狀端部38的臂44可粘接到或者以其它方式機械附著到通道14的表面。在另一個實施例中,端部38可具有手風琴樣(accordion-like)結構(未圖示)，當密封構件12在關閉位置和打開位置之間移動時該手風琴樣結構允許順應性密封件32發生伸縮。根據需要，也可使用將端部38聯接到主體4的其它裝置。在某些實施例中，當滑動構件12處在打開位置時順應性密封件32的端部可被拉 緊，當滑動構件12處在關閉位置時順應性密封件32的端部基本上不被拉緊。在致動器10聯接到滑動構件12並且構造成當被啟動時使滑動構件12移動到打開位置的情況下，當致動器10已被停用時順應性密封件32可協助電磁線圈使滑動構件12移動到關閉位置。有利地，當閥2處在關閉位置時將孔口 16存在受保護的主體4內並且利用密封件體26堵塞孔口 16，由此本公開的閥2防止孔口 16中發生冰蓄積。穿過閥2的通路6還具有與孔口 16相比相對較大的表面積，因此由於表面張力而有利地阻止了水和冰的蓄積。雖然以說明本發明為目的揭示了某些代表性實施例和細節，但是對於本領域技術人員顯而易見的是在不背離本公開範圍的情況下可以進行各種變化，本公開的範圍在所附權利要求中作進一步的說明。
權利要求
1.一種用於燃料電池系統的閥，包括 主體，所述主體具有允許流體流過的通路； 滑動構件，所述滑動構件設置在所述主體內並且被構造成在打開位置和關閉位置之間移動，所述滑動構件具有形成於其中的孔口 ；以及 至少一個偏置塞，所述偏置塞設置在所述主體內且相鄰於所述滑動構件，其中，當所述滑動構件處在打開位置時所述偏置塞鄰接所述滑動構件的外表面並且允許流體流過所述滑動構件的所述孔口，並且其中，當所述滑動構件處在關閉位置時所述偏置塞將所述滑動構件的所述孔口密封並且抑制所述孔口中的冰形成。
2.如權利要求I所述的閥，其中，所述滑動構件是設置在所述主體的通道內的板。
3.如權利要求2所述的閥，還包括順應性密封件，所述順應性密封件設置在所述板的周緣上並且密封地聯接到所述板的周緣。
4.如權利要求3所述的閥，其中，所述順應性密封件具有聯接到所述主體的端部。
5.如權利要求4所述的閥，其中，所述順應性密封件的端部粘接到所述主體。
6.如權利要求4所述的閥，其中，所述順應性密封件的端部的截面基本上呈T形狀。
7.如權利要求4所述的閥，其中，當所述滑動構件處在打開位置時所述順應性密封件的端部被拉緊，當所述滑動構件處在關閉位置時所述順應性密封件的端部基本上不被拉緊。
8.如權利要求I所述的閥，其中，所述孔口周圍的壁具有斜面。
9.一種用於燃料電池系統的閥，包括 主體，所述主體具有允許流體流過的通路； 滑動構件，所述滑動構件設置在所述主體內並且被構造成在打開位置和關閉位置之間移動，所述滑動構件具有形成於其中的孔口 ；以及 第一偏置塞，所述第一偏置塞設置在所述主體內且相鄰於所述滑動構件，其中，當所述滑動構件處在打開位置時所述第一偏置塞鄰接所述滑動構件的第一外表面並且允許流體流過所述滑動構件的所述孔口，並且其中，當所述滑動構件處在關閉位置時所述第一偏置塞將所述滑動構件的所述孔口密封並且抑制所述孔口內的冰形成；以及 第二偏置塞，所述第二偏置塞設置在所述主體內且相鄰於所述滑動構件，所述第二偏置塞設置在與所述第一偏置塞相對的位置，其中，當所述滑動構件處在打開位置時所述第二偏置塞鄰接所述滑動構件的第二外表面並且允許流體流過所述滑動構件的所述孔口，並且其中，當所述滑動構件處在關閉位置時所述第二偏置塞將所述滑動構件的所述孔口密封並且抑制所述孔口中的冰形成。
10.一種燃料電池系統，包括 燃料電池堆，所述燃料電池堆具有用於燃料和氧化劑中的一種的入口；以及 閥，所述閥與所述燃料電池堆的所述入口流體連通；所述閥包括具有允許流體流過的通路的主體；設置在所述主體內並且被構造成在打開位置和關閉位置之間移動的滑動構件，所述滑動構件具有形成於其中的孔口 ；以及至少一個設置在所述主體內且相鄰於所述滑動構件的偏置塞；其中，當所述滑動構件處在打開位置時所述偏置塞鄰接所述滑動構件的外表面並且允許流體流過所述滑動構件的所述孔口，並且其中，當所述滑動構件處在關閉位置時所述偏置塞將所述滑動構件的所述孔口密封並且抑制所述孔口內的冰形成。
全文摘要
本發明涉及能夠發生凍結且帶封裝的滑動板孔口的陽極閥，具體提供了一種燃料電池系統的閥，該閥包括具有允許流體流過的通路的主體。滑動構件設置在主體內並且被構造成在打開位置和關閉位置之間移動。滑動構件具有形成於其中的孔口。至少一個偏置塞被設置在主體內且相鄰於滑動構件。當滑動構件處在打開位置時，偏置塞鄰接滑動構件的外表面並且允許流體流經滑動構件的孔口。當滑動構件處在關閉位置時，偏置塞將滑動構件的孔口密封並且抑制孔口內的冰形成。
文檔編號F16K3/00GK102840345SQ201210204408
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月20日 優先權日2011年6月20日
發明者S.E.萊爾納, A.羅加恩 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司