微阀的制作方法
【专利说明】微阀
[0001]本发明涉及一种用于控制导管中流体流动的阀，并且具体地说是可以在衬底上以非常小的形式制造的微阀。
[0002]在许多设备中，小型化的流量控制阀可以有效地控制流至、流出或在设备内的流体的流动。这种设备的一个实例是电化学燃料电池堆，其中具体地说，气体燃料到电池堆中以及到堆中的个别电池中的流动可能需要控制。此处所用的表述“流量控制”意在包括流率的可变控制以及通断流量控制。需要这种控制的燃料电池堆中的典型的气体燃料流可以包括流入燃料电池堆中的电池的氢气流。
[0003]本领域已经描述了各种微阀的布置。举例来说，L Gui等人的:“用于高纵横比微通道的嵌入式形状记忆合金(SMA)微阀的探索与评价(Explorat1n and evaluat1nof embedded shape memory alloy (SMA)microvalves for high aspect rat1microchannels)，，，Sensors and Actuators A 168 (2011)，第 155 到 161 页描述了使用形状记忆合金导线的芯片上微阀的发展，所述导线嵌入在包含微通道的聚二甲基硅氧烷衬底中。形状记忆合金导线被热致动来挤压微通道以关闭气流。微阀形成在硅片上。在另一实例中，C M Pemble等人的:“微型形状记忆合金夹管阀(A miniature shape memory alloypinch valve)”，Sensor and actuator 77 (1999)，第 145 到 148 页描述了安装在平坦表面上的夹管阀结构，所述夹管阀利用镍钛合金收缩导线的电阻发热来引起超弹性悬臂向上偏转以解除硅管的夹压。
[0004]本发明的一个目标是提供简单、低成本的微阀，所述微阀在形状上非常紧凑。本发明还有一个目标是提供一种微阀，所述微阀可以制造为具有很低剖面的形状，以便特别适合用于集成到燃料电池堆中。
[0005]根据一个方面，本发明提供一种阀组件，其包括:
[0006]衬底；
[0007]所述衬底中的缝隙，其包括延伸到所述缝隙中的闭合构件；
[0008]柔性流体管，其设置在闭合构件和缝隙的闭合边缘之间；
[0009]移位构件，其耦合到所述衬底，并被配置来用于热致动以移位闭合构件，以便改变柔性流体管的横截面剖面。
[0010]衬底可以是印刷电路板衬底或者非印刷电路板衬底。闭合构件可以是延伸到缝隙中的悬臂。闭合构件可以是延伸到缝隙中的轴向可压缩构件。移位构件可以被配置来用于热致动以移位闭合构件，以便打开和关闭柔性流体管的内腔。移位构件可以包括连接到闭合构件和衬底的主体并且在闭合构件与衬底的主体之间延伸的张力线，所述张力线被配置成随温度变化以改变其长度。阀组件可以包括沿衬底延伸到张力线以便与之形成电气连接的导电迹线。张力线可以包括形状记忆合金。移位构件可以被配置成在被从中穿过的电流加热后长度缩短。阀组件可以包括在闭合构件与缝隙的闭合边缘之间横向突出的小块，当闭合构件处于不偏置构型时，所述小块将柔性流体管压缩成闭合或部分闭合构型。阀组件可以被配置成使得移位构件的热激活使闭合构件偏置远离缝隙的闭合边缘，使得柔性流体管上的压力被解除，并且管采用打开构型。阀组件可以被配置成使得使闭合构件移位来改变柔性流体管的横截面剖面完全在衬底的平面内发生。阀组件可以被配置成使得使移位构件移动来移位闭合构件完全在衬底的平面内发生。闭合构件和/或移位构件可以凹入在衬底的主表面之下。
[0011]根据另一个方面，本发明提供一种燃料电池堆，其包括用于在堆中传送燃料或氧化剂的阳极或阴极进料导管，所述进料导管穿过如上所述的阀组件设置在堆中，以控制燃料或者氧化剂到堆中的电池的流动。
[0012]阀组件可以集成到印刷电路板，从而形成燃料电池堆的集电板。
[0013]现将借助实例并且参照附图来描述本发明的实施方案，在附图中:
[0014]图1是紧凑型燃料电池堆的透视图，本发明的微阀可以方便地并入所述堆中；
[0015]图2示出微阀的示意图，其中图2a是微阀处于未致动构型的平面图，图2b是微阀处于致动构型的平面图，图2c是穿过处于未致动构型的微阀的横截面图，并且图2d是穿过处于致动构型的微阀的横截面图；
[0016]图3是与图2相似但缝隙的尺寸修改得较小的微阀的示意性平面图；
[0017]图4是闩锁微阀的示意性平面图；
[0018]图5示出对图2的微阀进行修改以使用替代的移位致动器示意图，其中图5a是平面图，并且图5b是穿过微阀的横截面图；
[0019]图6是闩锁微阀的替代设计的示意性平面图，其中图6a示出处于未致动构型的阀，并且图6b示出处于致动构型的阀；以及
[0020]图7示出微阀的示意性平面图，其中图7a是处于未致动构型的微阀的平面图，并且图7b是处于致动构型的微阀的平面图。
[0021]参考图1，燃料电池堆组件I具有多个并行电池2，这些电池各自包括设置在阳极流板4和阴极流板5之间的膜电极组件(MEA)3。在图1所示的堆组件中，阳极流板4水平地位于每个相应MEA 3上方，并且阴极流板5水平地位于每个相应MEA 3下方。
[0022]所示出的燃料电池堆属于空气冷却式开放阴极种类，其中阳极流板4为薄金属层，其各自具有在阳极流板面向MEA的表面(图1中不可见)中蚀刻出的或以其它方式形成的一组流动通道，以便将阳极燃料气体(如氢气)传送到MEA 3的阳极侧。多孔气体扩散材料层(图1中不可见)可以定位在MEA和阳极流板之间，以便帮助将燃料分配到MEA表面。垫片围绕MEA和阳极流板的外围延伸，以便提供密封来防止阳极燃料的泄漏。
[0023]在所示出的实施例中，阴极流板5属于开放阴极类型，并且形成为波纹板6。波纹提供了开端流动通道8，以便传递空气经过设置在其上的MEA或气体扩散层的表面。如图1中所看到的堆I的正面7提供空气入口面，通过所述空气入口面，可以在堆体积中将空气传递到MEA的阴极表面。堆的相反面(也就是，如图1中所看到的堆的背面)可以提供另外的空气入口面。或者，如果堆被迫通风，那么所述相反面可以是空气出口面，以便排出被迫进入到正面7中的空气。
[0024]在堆组件I的顸部上，阳极集电板9包括从堆横向向外延伸的阳极集电凸耳10，以便提供可以供电气连接器附接的电气端子。在堆组件I的底部，阴极集电板11包括从堆横向向外延伸的阴极集电器凸耳12，以便提供可以供电气连接器附接(例如，通过焊接)的电气端子。
[0025]借助于一对端板(具体来说，顶部端板13和底部端板14)，将堆组件I放置在压缩状态下，这对端板是由左端夹15和右端夹16保持在一起。端夹15、16是在张力下应用，以使得堆的各层保持在紧密压缩状态下，以便所有垫片正确地密封对抗堆中电池的各个层。
[0026]堆组件I也可以包括一系列电压监视凸耳17，这些电压监视凸耳各自从阳极流板或阴极流板中的相应流板横向向外延伸。在所示出的实施例中，电压监视凸耳17为阳极流板的横向延伸部。电压监视凸耳可以针对堆中的每个电池提供，或者可以针对堆中的每几个电池提供，并且可用于在操作期间监视整个堆上的电池电压。
[0027]垫片布置18可以提供对堆中电池的末端的密封，并且也可以提供穿过堆的垂直延伸廊道，以便将燃料传送和分配到堆中的每个电池。阀口 19、20可以提供在顶部端板13的每端，以提供到下方电池的流体入口。这些阀口可以为氢动力燃料电池堆的氢气燃料提供入口。
[0028]阳极集电板9可以由合适的电绝缘电介质材料(如环氧树脂)的印刷电路板(PCB)衬底25制造而成，所述印刷电路板衬底25具有处于层压结构中的编织或非编织支撑件。设置在PCB衬底25下侧的可以是高导电性材料(如铜)，所述材料经图案化以提供用于燃料电池堆的集电电极，并且也可提供导电轨道用于电连接到集电板9上的电气元件。
[0029]阳极集电板9可以包括延伸超过燃料电池堆的电活性区域的端部23和24，缝隙穿过所述端部而形成以提供流体流动路径，该路径从顸部端板13中的阀口 19、20延伸到向下延伸穿过电池2各层的廊道，以向每个板提供氢气燃料。
[0030]在燃料电池堆I的主体内提供流量控制阀(如上文所定义还包括一个截止阀)以使得流入电池的氢气能够受控制将是非常理想的。
[0031]如现在将详细讨论的，集成到印刷电路板25中，并且具体地说集成在其端部23、24中的微阀将使氢气流在堆I内能够受控制。
[0032]图2示出制造在印刷