抗凍閥的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及用于燃料電池系統(tǒng)的閥，并且更具體地涉及用于這類燃料電池系統(tǒng)中易受濕氣環(huán)境使得閥不會由于冰在凍結(jié)條件下的累積而被阻塞的閥，以及燃料電池系統(tǒng)在凍結(jié)條件下起動使得由于冰的形成而造成的阻塞得到抑制的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池比如能量產(chǎn)生器件的顯著益處是它是在不依賴于作為中間步驟的燃燒的情況下實現(xiàn)的。正因如此，它們相對于內(nèi)燃發(fā)動機(ICE)和相關(guān)的動力生成源具有數(shù)個環(huán)境優(yōu)點。在典型的燃料電池比如質(zhì)子交換膜或聚合物電解質(zhì)膜(任一情況下均為PEM)燃料電池中，一對催化電極被離子傳輸介質(zhì)(比如Naf1n)分隔。當(dāng)氣體還原劑(比如氫，H2)被引入陽極并在陽極電離然后穿過離子傳輸介質(zhì)時發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使得它與已經(jīng)通過另一電極(陰極)引入的氣體氧化劑(比如氧，O2)組合，反應(yīng)物的該組合形成作為良性副產(chǎn)物的水。在氫的電離中釋放出的電子以直流(DC)電的形式經(jīng)由外部電路前進至陰極，所述外部電路通常包括可以執(zhí)行有用功的電動機或相關(guān)負(fù)載?？赏ㄟ^組合多個這類電池以形成構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)的燃料電池堆或相關(guān)組件，能增加由該DC電流產(chǎn)生的動力生成。
[0003]各種燃料電池系統(tǒng)操作條件可在反應(yīng)物流中的一者或兩者中導(dǎo)致高水份含量。在一個形式中，這類條件可能發(fā)生于使用比如水蒸汽傳輸(WVT)單元等裝置，其幫助確保燃料電池堆的各個部分內(nèi)的足夠濕度水平。在某些操作條件(包括與WVT使用相關(guān)聯(lián)的那些)下，希望移除過多的濕氣以確保在這種濕氣可能暴露于凍結(jié)溫度的條件下避免關(guān)鍵流動路徑被冰阻塞。避免冰阻塞在交通工具起動期間尤其重要，這時利用電力來用于輔助交通工具系統(tǒng)(比如加熱、冷卻、照明和其它系統(tǒng))基本不可獲得，直到燃料電池堆運轉(zhuǎn)。
[0004]以它們在相鄰表面之間的相對移動來作為提供選擇性流動的方式的閥特別易于受到冰阻塞，尤其是在閥打開和關(guān)閉期間彼此間歇式接觸的那些表面之間。一個示例是止回閥，其常用于燃料電池系統(tǒng)來限制反應(yīng)物在電池堆非運轉(zhuǎn)的周期中回流到電池堆中，以便使電池堆內(nèi)的催化基材與含氧或含氫流體之間的非所需反應(yīng)最小化。常常難以實現(xiàn)避免前述反應(yīng)所需的完全封閉型閥，尤其是在冷浸于潮濕環(huán)境中之后在閥密封界面上形成冰碴的情形中。常規(guī)閥(其在一個形式中可以形成為膜片，其響應(yīng)于抵靠它的加壓反應(yīng)物)在電池堆操作期間的溫度下處于變形狀態(tài)中，這進而可能導(dǎo)致翹曲或相關(guān)的持續(xù)的永久變形，其加劇密封或泄漏問題。另外，從反應(yīng)物給予膜片的應(yīng)力圍繞膜片周緣幾乎是均勻的，這種相對較大的表面接觸需要非常高的反應(yīng)物作用力，其進而延遲冰破碎的開始以及閥的后續(xù)打開。在一些情形下，該作用力可能不足以克服積累的冰，從而導(dǎo)致前述失效的起動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明包括被動閥設(shè)計，其保持其打開和關(guān)閉的能力，甚至是在可能形成冰碴的誘發(fā)凍結(jié)的環(huán)境溫度下。這種閥可以設(shè)置在陰極反應(yīng)物流動路徑或陽極反應(yīng)物流動路徑中的任一者或兩者中。在采用了 WVT的燃料電池系統(tǒng)構(gòu)造中，一個這種閥(或多個閥)可以流體地設(shè)置在WVT與燃料電池堆之間，以提供電池堆的必需隔離，以幫助防止電池堆的陰極側(cè)在電池堆停工時間被空氣侵入。替代地，閥的入口形式可以設(shè)置在WVT的干側(cè)的上游，而閥的出口形式設(shè)置在WVT的濕側(cè)的下游。因為WVT能夠在陰極流動路徑內(nèi)產(chǎn)生顯著水平的濕氣或相關(guān)濕度，所以這種閥尤其有用。同樣地，這類閥可以用于沒有反壓閥的系統(tǒng)，以及這種反壓閥易于密封不足的系統(tǒng)。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，公開了一種用于燃料電池系統(tǒng)的抗冰閥。閥包括流體入口、流體出口、限定出從其中穿過的與流體入口和流體出口協(xié)作的流體反應(yīng)物通路的閥體、和設(shè)置在閥體內(nèi)的致動構(gòu)件。致動構(gòu)件包括柔性膜片、聯(lián)接板和閥板，其中閥板限定出與閥體協(xié)作的座置區(qū)域，使得在閥的關(guān)閉狀態(tài)期間，閥板大致防止燃料電池反應(yīng)物在流體入口與流體出口之間穿過流體反應(yīng)物通路流動。同樣地，膜片操作成使得在閥的打開狀態(tài)期間，閥板變成解除座置，以容許燃料電池反應(yīng)物流動。閥板定位成相鄰于聯(lián)接板，并且包括一個或多個凸舌區(qū)域，其限定出局部連接表面，其小于由座置區(qū)域限定出的表面。這樣，較小的接觸表面意味著比起以傳統(tǒng)方式座置的閥將更容易實現(xiàn)引起閥板的破碎冰的移動，在所述以傳統(tǒng)方式座置的閥中大致整個相鄰連接表面都可能在其上形成有冰。具體地，比起以傳統(tǒng)方式座置的閥，在本發(fā)明下，從反應(yīng)物流體向閥板給予的相同量的移動作用力被集中在小得多的界面區(qū)域中。更具體地，本發(fā)明的增加的切口敏感性使得響應(yīng)于移動(其進而響應(yīng)于流體作用力)在閥板中誘發(fā)的撓曲作用力能被更有效地使用在本發(fā)明的局部連接表面處，作為一種方法來引起形成在座置區(qū)域中的任何冰的破碎。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種燃料電池系統(tǒng)包括一個或多個燃料電池，其中的每個包括用以接受含氫反應(yīng)物的陽極、用以接受含氧反應(yīng)物的陰極和與所述陽極和所述陰極協(xié)作的介質(zhì)，使得在所述反應(yīng)物中的至少一種的催化轉(zhuǎn)變時，所述催化轉(zhuǎn)變的反應(yīng)物從所述陽極和所述陰極中的一個通過所述介質(zhì)行進至所述陰極和所述陽極中的另一個。所述系統(tǒng)還包括:與所述陽極處于流體連通的陽極流動路徑和與所述陰極處于流體連通的陰極流動路徑，所述陽極流動路徑和所述陰極流動路徑中的每個與被構(gòu)造成接收燃料電池反應(yīng)物的流體入口和設(shè)置在所述流體入口的流體下游的流體出口協(xié)作；和至少一個閥，其設(shè)置在所述陽極流動路徑和所述陰極流動路徑中的至少一個中，并限定出從其中穿過的流體反應(yīng)物通路，所述至少一個閥包括流體入口、流體出口、限定出從其中穿過的與所述流體入口和所述流體出口協(xié)作的流體反應(yīng)物通路的閥體、和致動構(gòu)件，所述致動構(gòu)件包括:與閥體選擇性地協(xié)作并在其間限定出座置區(qū)域的柔性膜片；和定位成相鄰于聯(lián)接板并限定出至少一個凸舌區(qū)域的閥板，所述至少一個凸舌區(qū)域在閥板與閥體和膜片中的至少一個之間限定出局部連接表面，其小于由座置區(qū)域限定出的表面，使得在膜片響應(yīng)于由燃料電池反應(yīng)物給予的載荷在關(guān)閉閥狀態(tài)與打開閥狀態(tài)之間移動的同時或之前，由該載荷在閥板中誘發(fā)的撓曲作用力在局部連接表面處引起形成于座置區(qū)域中的任何冰的破碎。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種抑制汽車燃料電池系統(tǒng)中的反應(yīng)物流動路徑的與凍結(jié)相關(guān)的阻塞的方法，所述方法包括:配置與所述反應(yīng)物流動路徑流體地協(xié)作的閥，所述閥限定出在其中設(shè)置有致動構(gòu)件的閥體，所述致動構(gòu)件包括:與閥體選擇性地協(xié)作的柔性膜片；和定位成相鄰于聯(lián)接板并限定出至少一個凸舌區(qū)域的閥板，所述至少一個凸舌區(qū)域在閥板與聯(lián)接板之間限定出局部連接表面，其小于由座置區(qū)域限定出的表面；以及向所述閥板引入含氫反應(yīng)物和含氧反應(yīng)物中的至少一個，使得在所述閥板中誘發(fā)的撓曲作用力優(yōu)選在所述局部連接表面處引起形成于所述座置區(qū)域中的任何冰的破碎。在一個特定形式中，所述方法用于在以下這樣的溫度中起動燃料電池系統(tǒng):存在于系統(tǒng)中的殘留水可能易于凍結(jié)，尤其是在對移動關(guān)鍵的部件比如止回閥處。通過在止回閥中提供暢通的路徑，可以在凍結(jié)條件下輸送潮濕氣體，而不需要補充裝置(比如反壓閥)。
[0009]本公開還提供以下技術(shù)方案:
1.一種用于燃料電池系統(tǒng)的抗冰閥，所述閥包括:
流體入口，其被構(gòu)造成接收燃料電池反應(yīng)物；
流體出口，其設(shè)置在所述流體入口的流體下游；
閥體，其限定出從其中穿過的流體反應(yīng)物通路，所述流體反應(yīng)物通路與所述流體入口和所述流體出口協(xié)作；和大體剛性的聯(lián)接板；
閥板，其定位成相鄰于所述聯(lián)接板，并在其間限定出座置區(qū)域，所述閥板和所述聯(lián)接板彼此協(xié)作，以限定出局部連接表面，其小于由所述座置區(qū)域限定出的表面，使得由給予所述閥板的載荷在所述閥板中誘發(fā)的撓曲作用力在所述局部連接表面處引起形成于所述座置區(qū)域中的任何冰的破碎。
[0010]2.如技術(shù)方案I所述的閥，進一步包括:致動膜片，其與所述閥協(xié)作，以向其提供選擇性的致動。
[0011]3.如技術(shù)方案2所述的閥，其中，所述閥板和所述膜片中至少一個的與所述座置區(qū)域相對應(yīng)的部分圍繞其周緣限定出大致曲線形狀。
[0012]4.如技術(shù)方案3所述的閥，其中，所述曲線形狀是大致圓柱形的。
[0013]5.如技術(shù)方案I所述的閥，其中，所述閥是止回閥，其包括被構(gòu)造成至少在所述關(guān)閉狀態(tài)期間將至少所述閥板保持在變形狀態(tài)的偏壓彈簧。
[0014]6.如技術(shù)方案I所述的閥，進一步包括:設(shè)置在所述閥體內(nèi)的致動構(gòu)件，所述致動構(gòu)件被構(gòu)造成通過給予所述閥板和所述聯(lián)接板中至少一個的偏壓作用力在所述閥內(nèi)提供壓力平衡。
[0015]7.如技術(shù)方案6所述的閥，其中，所述致動構(gòu)件包括柔性膜片，其與所述聯(lián)接板通過形成于其間的座置區(qū)域選擇性地協(xié)作，使得在關(guān)閉狀態(tài)期間，所述膜片大致防止所述燃料電池反應(yīng)物在所述流體入口與所述流體出口之間穿過所述流體反應(yīng)物通路流動，所述膜片進一步被構(gòu)造成使得在打開狀態(tài)期間，所述閥