[发明专利]抗冻阀

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于燃料电池系统的阀，并且更具体地涉及用于这类燃料电池系统中易受湿气环境使得阀不会由于冰在冻结条件下的累积而被阻塞的阀，以及燃料电池系统在冻结条件下起动使得由于冰的形成而造成的阻塞得到抑制的方法。 

背景技术

燃料电池比如能量产生器件的显著益处是它是在不依赖于作为中间步骤的燃烧的情况下实现的。正因如此，它们相对于内燃发动机(ICE)和相关的动力生成源具有数个环境优点。在典型的燃料电池比如质子交换膜或聚合物电解质膜(任一情况下均为PEM)燃料电池中，一对催化电极被离子传输介质(比如Nafion)分隔。当气体还原剂(比如氢，H₂)被引入阳极并在阳极电离然后穿过离子传输介质时发生电化学反应，使得它与已经通过另一电极(阴极)引入的气体氧化剂(比如氧，O₂)组合，反应物的该组合形成作为良性副产物的水。在氢的电离中释放出的电子以直流(DC)电的形式经由外部电路前进至阴极，所述外部电路通常包括可以执行有用功的电动机或相关负载。可通过组合多个这类电池以形成构成燃料电池系统的燃料电池堆或相关组件，能增加由该DC电流产生的动力生成。 

各种燃料电池系统操作条件可在反应物流中的一者或两者中导致高水份含量。在一个形式中，这类条件可能发生于使用比如水蒸汽传输(WVT)单元等装置，其帮助确保燃料电池堆的各个部分内的足够湿度水平。在某些操作条件(包括与WVT使用相关联的那些)下，希望移除过多的湿气以确保在这种湿气可能暴露于冻结温度的条件下避免关键流动路径被冰阻塞。避免冰阻塞在交通工具起动期间尤其重要，这时利用电力来用于辅助交通工具系统(比如加热、冷却、照明和其它系统)基本不可获得，直到燃料电池堆运转。 

以它们在相邻表面之间的相对移动来作为提供选择性流动的方式的阀特别易于受到冰阻塞，尤其是在阀打开和关闭期间彼此间歇式接触的那些表面之间。一个示例是止回阀，其常用于燃料电池系统来限制反应物在电池堆非运转的周期中回流到电池堆中，以便使电池堆内的催化基材与含氧或含氢流体之间的非所需反应最小化。常常难以实现避免前述反应所需的完全封闭型阀，尤其是在冷浸于潮湿环境中之后在阀密封界面上形成冰碴的情形中。常规阀(其在一个形式中可以形成为膜片，其响应于抵靠它的加压反应物)在电池堆操作期间的温度下处于变形状态中，这进而可能导致翘曲或相关的持续的永久变形，其加剧密封或泄漏问题。另外，从反应物给予膜片的应力围绕膜片周缘几乎是均匀的，这种相对较大的表面接触需要非常高的反应物作用力，其进而延迟冰破碎的开始以及阀的后续打开。在一些情形下，该作用力可能不足以克服积累的冰，从而导致前述失效的起动。 

发明内容

本发明包括被动阀设计，其保持其打开和关闭的能力，甚至是在可能形成冰碴的诱发冻结的环境温度下。这种阀可以设置在阴极反应物流动路径或阳极反应物流动路径中的任一者或两者中。在采用了WVT的燃料电池系统构造中，一个这种阀(或多个阀)可以流体地设置在WVT与燃料电池堆之间，以提供电池堆的必需隔离，以帮助防止电池堆的阴极侧在电池堆停工时间被空气侵入。替代地，阀的入口形式可以设置在WVT的干侧的上游，而阀的出口形式设置在WVT的湿侧的下游。因为WVT能够在阴极流动路径内产生显著水平的湿气或相关湿度，所以这种阀尤其有用。同样地，这类阀可以用于没有反压阀的系统，以及这种反压阀易于密封不足的系统。 

根据本发明的第一方面，公开了一种用于燃料电池系统的抗冰阀。阀包括流体入口、流体出口、限定出从其中穿过的与流体入口和流体出口协作的流体反应物通路的阀体、和设置在阀体内的致动构件。致动构件包括柔性膜片、联接板和阀板，其中阀板限定出与阀体协作的座置区域，使得在阀的关闭状态期间，阀板大致防止燃料电池反应物在流体入口与流体出口之间穿过流体反应物通路流动。同样地，膜片操作成使得在阀的打开状态期间，阀板变成解除座置，以容许燃料电池反应物流动。阀板定位成相邻于联接板，并且包括一个或多个凸舌区域，其限定出局部连接表面，其小于由座置区域限定出的表面。这样，较小的接触表面意味着比起以传统方式座置的阀将更容易实现引起阀板的破碎冰的移动，在所述以传统方式座置的阀中大致整个相邻连接表面都可能在其上形成有冰。具体地，比起以传统方式座置的阀，在本发明下，从反应物流体向阀板给予的相同量的移动作用力被集中在小得多的界面区域中。更具体地，本发明的增加的切口敏感性使得响应于移动(其进而响应于流体作用力)在阀板中诱发的挠曲作用力能被更有效地使用在本发明的局部连接表面处，作为一种方法来引起形成在座置区域中的任何冰的破碎。