[发明专利]半被动背压控制阀

说明书

技术领域

本发明主要涉及背压控制阀，并且尤其涉及燃料电池系统中的背压控制阀、控制背压的方法以及燃料电池系统。

背景技术

固相聚合物电解质燃料电池的典型例子具有膜电极组件，其中，在固相聚合物电解质膜的相对侧上设置阳极和阴极。每个电极组件放置在一对隔板之间以便支撑该电极组件并且形成平板单元电池，并且通常堆叠特定数量的单元电池以获得燃料电池组。

在每个单元电池中，在阳极面对的隔板的表面上形成燃料气体流过的燃料气体通道；同样地，在阴极隔板的表面上形成氧化气体流过的氧化气体通道。另外，在一个单元电池的隔板与接近前一单元电池的另一单元电池的隔板之间形成冷却剂流过的冷却剂通道。

通过打开背压控制阀向氧化气体通道供应氧化气体，该背压控制阀连在氧化气体通道相对于燃料电池的下游端上。如果具有较小截面面积的氧化气体通道接收供应的大量氧化气体，就能够获得高流速，并且能够有效地排出燃料电池产生的水。然而，在背压控制阀附近，气体通道的截面面积较大。因此，通常不能获得足够的流速并且燃料电池释放的产出水的一部分可能留下。

一方面，通过背压控制阀的打开程度来控制供应给燃料电池的氧化气体的流速和压力。背压控制阀，例如蝶形阀，连在氧化气体通道上。通用蝶形阀基本上是对称的以便阀两侧的压差不会在枢轴附近形成显著的转矩。而且，当应用到背压控制时，传统的蝶形阀必须频繁地依靠致动器来控制阀片位置和引起的压差。万一致动器失效，用于电子节气门应用的大多数通用蝶形阀关闭在固定的稍开位置以实现最低发动机运转。在背压应用中，例如在燃料电池系统中，期望阀在停机时关闭，即使失效也部分打开以实现持续的最小流量。因此，期望用于背压控制阀的另外的实施例。

发明内容

在一个实施例中，公开了一种背压控制阀。该背压控制阀可安装在主体中，该主体在其中限定出非对称流体通道。该阀包括轴、非对称阀片和偏压装置。该轴与该主体协作以便该轴延伸穿过该非对称流体通道。该非对称阀片与该非对称流体通道内的该轴协作，并且，该非对称阀片包括被该轴划分的第一阀片节段和第二阀片节段。该第一阀片节段的表面面积基本上小于该第二阀片节段的表面面积，以便该非对称流体通道中的流体压力通过该非对称阀片向该轴施加转矩。该偏压装置操作性地连接到该非对称阀片，其中，该非对称阀片在关闭位置与打开位置之间可旋转。

当处于该关闭位置时，该偏压装置提供关闭转矩，该关闭转矩大于从非对称流体通道中的加压流体向该轴施加的转矩以把该非对称阀片推到该关闭位置上。当处于打开位置时，该加压流体提供打开转矩，该打开转矩基本上大于该关闭转矩以便把该非对称阀片推到该打开位置上。

选择性地，该阀的该非对称流体通道可以是车辆的燃料电池系统中的氧化剂通道。替代地，该阀的该非对称流体通道可以是车辆的燃料电池系统排气流中的排气通道。该非对称流体通道可以包括基本上卵形的形状，并且，该非对称阀片可以包括在大小和形状方面基本上类似于该非对称流体通道的基本上卵形的形状以在它们之间限定出基本上流体密封的连接。

在另一选择中，该非对称阀片可以在该非对称阀片的基本上最大宽度处与该轴协作。该第一阀片节段的表面面积可以比第二阀片节段的表面面积大了约60%至约110%。该非对称阀片可以设置在该非对称流体通道内以便该非对称阀片形成约0°至约60°的座角。该非对称阀片可以进一步地包括设置在该非对称阀片的外缘上的粘接弹力密封。在还有另一个选择中，该偏压装置可以包括弹簧。在仍然另一选择中，该阀可以进一步地包括操作性地连接到该轴的致动器。该阀可以包括被动和半被动中的至少一个。

在另一实施例中，公开了一种控制车辆燃料电池系统中的主体中的背压的方法，该主体限定出非对称氧化剂通道。该方法包括在该非对称氧化剂通道中设置背压控制阀并且使非对称阀片在关闭位置与打开位置之间旋转。

选择性地，该方法可以进一步地包括调整该非对称阀片在关闭位置与打开位置之间的旋转以最优化该非对称氧化剂通道中的流体的流动。调整该非对称阀片的旋转可以包括调整第一阀片节段的表面面积与第二阀片节段的表面面积的比值。替代地，调整该非对称阀片的旋转可以包括调整关闭转矩。

选择性地，该非对称阀片可以设置在该非对称氧化剂通道内以便该非对称阀片形成约0°至约60°的座角，从而，调整该非对称阀片的旋转包括调整该非对称阀片在该非对称氧化剂通道内的座角。在另一选择中，该背压控制阀可以进一步地包括操作性地连接到该轴的致动器，从而，调整该非对称阀片的旋转包括操作该致动器。在仍然另一选择中，对称阀片可以被动地或半被动地在关闭位置与打开位置之间旋转。