流体控制系统及制造方法

专利名称：流体控制系统及制造方法
技术领域：
本发明涉及控制系统。更具体而言，本发明涉及流体控制系统。
背景技术：
对于各种应用中的系统而言，其技术是朝着系统尺寸的更小化发 展。流体系统可以在系统所要求的限制性结构比内被集成，以控制流体 的传输。例如，流量调节部件可被布置用于诸如反应物输送、热传递以 及分配流体等功能。
电子元件一一诸如个人电子设备_一尺寸正变得越来越小。随着电 子元件的尺寸被设计得越来越小并且加入尖端且复杂的技术，对于电源 供给的要求变得越来越大。例如，要求电源供给占据较少体积或者较小 站位以便能接受其他技术加入该设备。所述加入的技术可能也要求电源 供给能持续更长的时间段。另外，便携式电子设备可能要求电源供给减 少时维持能量的存储。
用于电子元件的能量供给的一个实施例是燃料电池系统。为了制造 更小的燃料电池系统，该系统的许多单个元件，诸如液体输送部件可净皮 制造得越来越小，但需要满足燃料电池系统的技术要求。例如，流体输 送部件可能需要保持特定压力，同时又不占据燃料电池系统总体积的一 大部分，并且不干扰燃料电池系统的装配。而且，必须不能牺牲燃料电 池系统的功能性。


图1A示出根据至少一个实施方案所构造的电化学电池系统的分解图。
图1B示出才艮据至少一个实施方案的电化学电池系统的方块图。 图2示出根据至少一个实施方案所构造的流体歧管的分解立体图。 图3A示出根据至少一个实施方案所构造的管道层的横截面图。 图3B示出根据至少一个实施方案所构造的管道层的横截面图。图3C示出根据至少一个实施方案所构造的管道层的横截面图。 图4示出根据至少一个实施方案所构造的压力调节器的横截面图。 图5示出根据至少一个实施方案所构造的止回阀部件的横截面图。 图6示出根据至少一个实施方案所构造的流量阀部件的横截面图。 图7A示出根据至少一个实施方案所构造的流体控制系统的立体图。
图7B示出根据至少一个实施方案所构造的流体控制系统的截面立 体图。
图7C示出根据至少一个实施方案所构造的流体控制系统的分解立 体图8A示出根据至少一个实施方案所构造的流体控制系统的立体图。
图8B示出根据至少一个实施方案所构造的流体控制系统的分解立 体图。
图9示出根据至少一个实施方案所构造的流体控制系统的系统配置。
图10示出一个具有根据至少一个实施方案所构造的界面的封装体 的视图。
图11示出一个具有根据至少一个实施方案所构造的界面的封装体 的侧^见图。
图12示出根据至少一个实施方案的电化学电池系统的横截面图。 图13示出图12的电化学电池系统中的燃料流速，所述电化学电池
系统根据至少一个实施方案而构造，包括流体压力调节器设备阵列和阳
极腔入口阵列。
具体实施例方式
下面的详细说明包括对附图的参照，所述附图构成详细说明的一部 分。所述附图通过图解方式示出了可于其中实施流体歧管和流体控制系 统及方法的具体实施方案。这些实施方案被足够详细地描述，以使本领 域技术人员能够实施本发明，在本说明书中这些实施方案也被称为"实 施例"或者"选择方案"。在不偏离本发明的范围的情况下，可以将所述实施方案结合，可以使用其他的实施方案或者可以进行结构或逻辑上 的变化。因此，下面的详细说明不应被理解为具有限制的含义，并且本 发明的范围由所附的权利要求及其法律等同物限定。
在此文本中，除非另有说明，术语"一"或"一个"被用于包括一 个或者不止一个，术语"或"被用于表示非排他性的"或"。另外，应 理解的是此处所使用的措辞或者术语，如果没有其他定义，都仅意在说i 明而不是限制。
定义
如本文所使用的，"流体，，指的是其分子自由移动越过彼此并趋于呈 现其容器的形状的连续的无定形物质。流体可以是气体、液化气体、液
体或者在压力下的液体。流体的卖施例可包括流体反应物、燃料、氧化 剂以及传递热的流体。在燃料电池中使用的流体燃料可包括氢气或者氢 液体，以及处于任意合适流体形式的氳载体。流体的实施例包括空气、 氧气、水、氢、诸如甲醇和乙醇等的醇类、诸如胺类和肼等的氨以及氨
衍生物、诸如乙硅烷和丙硅烷以及二硅代丁烷(disilabutane)等的珪 烷、诸如硼氢化铝等的复合金属氬化合物、诸如乙硼烷等的硼烷、诸如 环己烷等的碳氢化合物、诸如十二水-n-乙基^唑等的呼唑，以及其他 的饱和环状、多环烃，诸如饱和环硼氮六烷等的饱和氨基硼烷、丁烷、 诸如硼氢化钠钾等的氢硼化合物，以及蚁酸。
如本文所使用的，"流体封装体(liquid enclosure)"可以指用于 储存流体的装置。所述流体封装体可物理地或化学地存储流体。例如， 所述流体封装体能以活性材料颗粒化学地存储流体。
如本文所使用的，"活性材料颗粒"指的是能够吸留氢或者其他流 体的材料颗粒，或者是指可吸留并脱附氢或者另一流体的材料颗粒。活 性材料颗粒可包括通过化学吸附、物理吸附或者其结合吸留诸如氢等流 体的流体储存材料。 一些储氢材料响应于诸如温度变化、热量变化或者 压力变化等刺激脱附氢。响应于刺激释放氢的储氢材料的实施例包括， 金属氢化物、化学氢化物、合适的微陶瓷、纳米陶瓷、氮化硼纳米管、 金属有机架构、包含钯的材料、沸石、硅石、矾土、石墨，以及诸如合 适的碳纳米管、碳纤维、碳气凝胶、活性碳、纳米结构碳或其任意结合
10等的碳基可逆流体储存材料。所述颗粒也可包括当与氢、氢合物或者其 组合相接触时，能够形成金属氢化物的金属、金属合金、金属化合物。 所述活性材料颗粒可包括镁、锂、铝、钓、硼、碳、硅、过渡金属、镧 系元素、金属间化合物，其固溶体，或者其组合。如本文所使用的，"吸 留"、"吸留着"或者"吸留了 "指的是吸收或者吸收并保流诸如流体等 的物质。例如，氢可以是所吸留的流体。例如，流体可4皮化学或者物理 地吸留，例如通过化学吸附或者物理吸附等。
如本文所使用的，"脱附"或者"脱附着"或者"脱附了"指的是 去除所吸收或者所吸附的物质。例如，可从活性材料颗粒中去除氢。例 如，所述氢或者其他流体可被物理或者化学地回弹复原。
如本文所使用的，"接触"指的是物理地、化学地、电学地触及或 者在充分靠近的距离内。例如，流体可接触封装体，在所述封装体中流 体可被物理地推入到封装体内部。
本文中提供了 一种流体控制系统。该流体控制系统提供了 一种控制 流体分布——例如控制 一 小体积空间中的流体分布——的有效的结构 以及方法。所述流体控制系统由薄材料层制成，所述薄材料层例如具有
大约10~ 500微米厚度的层。
所述流体控制系统由一个或多个结构层形成，其中这些层中的一 个或多个层具有结构。在一选择方案中，结构层的结构形成系统的功能 部件。在一选择方案中，系统包括至少两个功能部件，其中该两个或更 多个结构层中的任一个层的结构共同形成所述功能部件。在另一选择方 案中，功能部件通过两个或更多个层中所形成的结构的相互作用而形 成，其中所述部件功能是通过将至少一个结构移出其平面并且移入另一 结构层的平面而实现的。例如，所述结构可垂直于该结构的平面机械地 移位。
在又一选择方案中，功能部件是彼此相互共面的。在又一选择方案 中，所述两个或更多个结构包括在一公共平面内相互流体连通的结构阵 列。用于流体控制系统的功能部件的实施例包括但不限于，压力调节器 部件、止回阀部件、流量阀部件、进料阀部件、减压部件、管道、开-关岡、手动开-关阀或者散热部件中的至少一个。
在一示例性实施方案中，包括上文和下文讨论的功能部件的流体控制系统，可以与该流体控制系统连通地连接的至少 一个流体封装体一起 使用。
在一示例性实施方案中，流体控制系统可被用在诸如燃料电池系统
等的电化学电池系统中，例如在图1A中所示。尽管本文使用了术语燃 料电池系统，应注意的是，也可将系统用于任意的电化学电池系统。燃 料电池系统IOO包括但不限于，燃料电池102、流体控制系统104、进 料口 106、诸如燃料贮存器108的流体封装体，以及流体歧管120中的 一个或多个。
燃料贮存器108为燃料电池102提供燃料，所述燃料电池可经由进 料口 106进料或者补给燃料。流体控制系统104提供对燃料的分布和调 节，正如将在下面进一步描述的。流体歧管120为流体控制系统104、 燃料电池102和燃料贮存器108之间的燃料提供管道。所述流体歧管也 可被用于分布其他流体，包括但不限于，传递热的流体。
诸如燃料贮存器的流体封装体可具有各种形式。在一选择方案中，
流体封装体是挠性的。而且，流体封装体可以用一个或多个自毁式减压 部件来保护，所述自毁式减压部件如可熔化的触发器、防爆片和隔膜， 或者用可重新密封式减压部件来保护，所述可重新密封式减压部件如弹 性加栽的减压阀。减压部件可以是"压力激活的"，其被设置为在一特 定压力下激活。可替代性地，减压部件可以是"热激活的"，其被设置 为在一特定温度下激活。减压部件也可以既是"压力激活的"也是"热 激活的"。更进一步，所述流体封装体可用散热部件保护。
在另一选择方案中，流体封装体可包括燃料盒，诸如可更换的燃料 盒。所述盒例如可包括分配器盒、 一次性燃料安瓿、可再填充的燃料箱 或者燃料电池盒。所述燃料盒可包括一可连接至燃料电池或者燃料电池 层的挠性衬里。所述燃料盒也可包括一连接阀，所述连接阀用于将燃料 盒连接至燃料电池、燃料电池层或者再填充装置。
在又一选择方案中，流体封装体可被用在一具有界面的系统中。所 述系统可选地包括一用于接触流体封装体的应变吸收界面。例如，所述 界面被用于一刚性或者半刚性部件以及一挠性流体封装体。所述界面吸 收由流体封装体的尺寸变化而引起的任何应变，所述流体封装体的尺寸 随氢的装入而变化。刚性部件，诸如用于燃料电池连通的安装件或者流体装置，可通过挠性界面联接至流体封装体，并且不存在因机械应力而 引起的偏差。所述挠性界面允许有更多的部件配置以及应用可用于挠性 流体封装体。所述挠性界面吸收应变并且支撑部件和封装体之间的连接 件。
例如，参照图10,示出了根据一些实施方案的流体封装体界面系 统400的截面图。所述系统400包括与应变吸收界面404的第一侧面相 接触的挠性流体封装体406。在第二侧面上，界面404可与结构层402 相接触。所述结构层可包括多个结构层，或者共同形成一功能部件的一 个或多个结构层。可将一选择性的流体连接件408定位在界面404中， 以连接封装体406和结构层402。
所述流体封装体406例如可以通过将一外壁顺应性地联接至复合 储氢材料所形成的封装体。顺应性地联接指的是形成两个部件之间的基 本一致的结合，并且该结合以相应的形状或形式化学或者物理地结合。 结构填料或者复合储氢材料可以顺应性地结合至外部封装体壁，例如， 其中所述外部封装体壁化学地或者物理地结合至所述结构填料或者合 成的储氢材料，并且适应其形状。所述外部封装体壁是流体封装体中最 外面的壁，其用于至少部分地减慢流体从封装体扩散。所述外部封装体 壁可包括相同或者不同材料的多个层。例如，所述外部封装体壁可包括 聚合物或者金属。所迷流体例如可以是氢。
复合储氢材料指的是混合了结合剂的活性材料颗粒，其中所述结合 剂将所述活性材料颗粒固定为足以维持活性材料颗粒之间的相对空间 关系。活性材料颗粒是能够储存氢的材料颗粒，或者是可以吸留或脱附 氢的材料颗粒，例如诸如金属氢化物等。所述活性材料可以是当与氢接 触时能够形成金属氢化物的金属、金属合金或者金属化合物。例如，活 性材料可以是LaNi5、 FeTi、稀土金属混合物、金属混合物或者矿石， 诸如MmNis，其中Mm指的是镧系元素的混合物。所述活性材料颗粒可通 过化学吸收、物理吸收或者其结合吸留氲。活性材料颗粒也可包括硅石、 矾土、沸石、石墨、活性碳、纳米结构碳、微陶f:、纳米陶乾、氮化硼 纳米管、包含钯的材料或者其结合。复合储氢材料的实施例可见于2006 年4月24日提交的、序列号为No. 11/379， 970的共同所有的美国专利 申请，所述申请通过引用的方式被纳入。所述应变吸收界面404可由任何能够使其具备挠性、使其能吸收应 变并使其结合至封装体406和结构层402的合适材料制造。所选择的材 料应提供结构层402和封装体406之间物理或化学的合适结合，并且也 允许在封装体壁的应变和结构层402的刚性之间存在应变差，使得任意 结合的偏离应力不超过该种结合的强度。例如，界面404可由弹性体材 料或者硅材料制成。例如，弹性体材料可包括热塑性弹性体、聚氨酯热 塑性弹性体、聚酰胺、可熔化加工的橡胶、热塑性硫化胶、合成橡胶和 天然橡胶。合成橡胶材料的实施例可包括丁腈橡胶、诸如VUon⑧橡胶 (从特拉华州的一个公司E. I. DuPont de Nemours可获得)等的氟橡 胶、三元乙丙橡胶(EPDM橡胶)、丁苯橡胶(SBR),以及碳氟橡胶(FKM)。 随着流体封装体406被注满流体，或者被复合流体储存材料吸留， 封装体406的尺寸增加(参见图11)。应变吸收界面406会变形或者改 变尺寸，诸如改变厚度412。应变的界面414接下来保持在封装体406 与结构层402之间一致的、较少应变的接触。结构层402接下来将进行 很少应变甚至没有应变，因为界面414吸收由于封装体406移动所导致 的应变。界面414可吸收由于封装体406尺寸的变化所导致的全部应变 或者应变的至少一部分。
例如，结构层402可以是任意装配件、安装件、连接器、阀、调节 器、减压部件、平面微流装置、平板，可以控制氢流入或者流出封装体 的的任意设备或者其结合。可以结合一个或多个流体封装体406使用多 个界面404和多个结构层402，此处所述结构层形成诸如但不限于流体 控制系统、歧管、压力调节器、止回阀等的功能部件。在另一选择方案 中，界面404可与流体控制系统、燃料电池或者流体封装体的入口相联 接。
图1B示出了用于系统100和歧管118的另一实施例。燃料系统100 包括通过歧管118与一个或多个流体控制部件流体地联接的流体封装体 114。所述一个或多个流体控制部件可包括但不限于流体控制系统、在 压力调节器部件、止回阀部件、流量阀部件、进料岡部件、减压部件、 管道、开-关阀、手动开-关阀或者散热部件中的至少一个。
所述一个或多个流体控制部件，诸如压力调节器部件116,经由歧 管118与燃料电池102流体地连接。歧管118包括位于其中的一个或多
14个管道通路130。在又一选择方案中，歧管118与一个或多个流体控制 部件一一诸如压力调节器116——流体地连接，并且与燃料电池102流 体地连接，并且可进一步包括至少一个反馈通路129和输送通路133。 所述输送通路133将诸如燃料等的流体输送至燃料电池102。反馈通路 129使所述调节器能够基于到达调节器的反馈被控制，所述反馈来自燃 料稳流室(plenum)中的压力，并且该反馈通路流体联接到燃料电池系 统的流体稳流室。燃料电池系统100的每个部件可通过如上文和如下文 所讨论的挠性分层结构来制成。在又一选择方案中， 一个或多个管道通 路130包括气体管道通路，或者反馈通路。
系统100的其它选择方案如下。例如，用于流体控制系统的部件包 括具有结构的两个或更多个结构层。所述结构包括具有一位置的阀，并 且流过功能部件的流体可基于该阀的位置而受控。所述系统进一步包括 一响应于传感流体压力而可激活的挠性结构，此处所述挠性结构的位置 相应地地控制阀的位置。所述挠性结构可选地具有弹性性质。在一选择 方案中，所述挠性结构与第二压力稳流室一体化。在另一选择方案中， 挠性结构将穿过流体控制系统部件的流限制在传感流体压力的预限定 范围之间。在又一选择方案中，弹性构件与挠性结构相接触。
在一选择方案中，传感流体压力指的是控制阀的位置的任意压力。 所述传感流体压力可包括阀上游或下游压力、诸如燃料电池的燃料稳流 室等的流体稳流室压力、环境压力、系统内的任何其他压力、压力差， 以及其结合。在一选择方案中，传感流体压力包括阀的下游压力。在另 一选择方案中，传感流体压力包括低压稳流室中的压力，和/或传感流 体压力包括高压稳流室中的压力。在又一选择方案中，传感流体压力是 至少 一个燃料电池的流体稳流室的流体压力。
所述结构层的结构可选地包括至少两个流体稳流室，包括第一压力 稳流室和第二压力稳流室，其中可选地，第一压力稳流室是接收未调节 流体的高压稳流室，第二压力稳流室是接收已调节流体的低压稳流室。 在一选择方案中，挠性结构的位置相应地地控制阀的位置，并且控制第 一压力稳流室和第二压力稳流室之间的流体流动。用于多个稳流室的其 他选择方案如下。
如图12的实施例的截面中所示，燃料电池层602被布置到双系统稳流室504的一侧，该双系统稳流室包括被流体压力调节器装置604的 阵列502所分隔的较高压流体贮存器608和较低压阳极空腔609。在一 实施例中，双系统稳流室504具有与燃料电池层602大致相同的尺寸， 同时燃料电池层602与阳极空腔609直接流体连通。
在运行中，允许燃料或其他流体经由进料口或者入口 606进入较高 压流体贮存器608。可选地，在该入口处可存在流体压力调节器装置或 者其他的流体控制元件。这允许流体贮存器608因流体压力调节器装置 604阵列而存在高的燃料或其他流体压力，诸如超过30psi的压力，因 为不允许这些高压向燃料电池层602的阳极施加大的压力。这意谓着可 以使用整体高压的批量燃料分布系统，使燃料或者其他流体能够在流体 贮存器608内很容易地循环，并且避免存在燃料或者其他发电流体的局 部缺乏的可能性。可选地，多个高压流体贮存器可连接至一公共入口， 使得多个燃料电池层可运行为单个系统。这允许对每个燃料电池层单独 地调节压力，消除了对于压力分布管理的需要，并且允许一种构造多个 燃料电池层组件的替代性方法。
当使用从流体压力调节器装置604的阵列502的低压出口 500进入 到阳极空腔609的多个入口时，诸如以平行配置来使用时，有利的是， 流体(即，燃料)流速沿着燃料电池层602的长度和宽度方向是均匀的 或者几乎均匀的，如图13中所示。
再次参照图1A，流体歧管120与流体控制系统104和燃料贮存器 108,和/或燃料电池102流体地连接，例如在2007年3月21日所提交、 具有序列号No. 60/919, 472和代理人案巻号2269. 060PV1、题为"FUEL MANIFOLD AND METHODS THEREFOR"的共同未决的临时申请中，以及在 与其同日提交、具有代理人案巻号2269. 060US1、题为"FLUIDMANIFOLD AND METHODS THEREFOR"的共同未决的申请中所讨论的，所述每个申请 都通过引用的方式以其整体纳入本说明书。
在一实施例中，流体歧管120包括一分层结构，所述分层结构使歧 管具有一个不会占据不必要的体积、也不会占据不必要的站位的尺+， 但是使其能够满足燃料供给系统的压力、体积和温度要求。流体歧管120 可由相对薄的材料层制成，以允许流体歧管120是挠性的。挠性歧管可 被围绕部件弯曲，或者围绕部件包裹，以为燃料电池系统提供更多的装
16配选择。在又一选择方案中，流体歧管120可被制成流体控制系统104 的一部分。
图2示出了流体歧管，诸如流体歧管120，的一部分的实施例。这 部分流体歧管120包括由第一侧面124和第二侧面126部分限定的至少 一个管道层122。在一选择方案中，例如，相对于长度和宽度，所述至 少一个管道层122相对较薄。在一实施例中，所述至少一个管道层122 的厚度通常大约小于lmm。在另一实施例中，所述至少一个管道层122 的厚度是大约50nm-lmm。在一实施例中，层122的宽度和长度分别是 大约lmm和100mm。在另一实施例中，所述至少一个管道层122的厚度 是大约100pm，层122的宽度和长度分别是大约lmm和1.5咖。可改变 所述宽度和/或长度，以适合其中安装有歧管的系统的几何形状。
在又一选择方案中，层的厚度是大约10~ 500微米，管道通路的尺 寸，诸如高度或者宽度或者通路深度，是大约50nm~lmm。所述层是高 度平坦的，使得歧管的宽度大于管道通路尺寸的30倍。在另一选择方 案中，歧管的宽度大于管道通路尺寸的3倍。应指出的是，其他范围也 是可以的。
所述至少一个管道层122进一步包括在其中的至少一个凹槽130。 所述至少一个凹槽130是一种材料引导凹槽，因为它引导流过其中的材 料。在一选择方案中，所述至少一个凹槽130延伸穿过管道层122，从 第一侧面124到达第二侧面126,正如在图2和图3A中所示。在另一选 择方案中，如图3B中所示，所述至少一个凹槽130仅部分延伸在管道 层122的一个侧面内。在再另一选择方案中，管道层122包括两个或更 多个凹槽130。例如，在管道层122中可布置从第一侧面124延伸至第 二侧面126的两个或更多个凹槽130。两个或更多个凹槽130可包括在 管道层122的一侧内部分延伸的凹槽(图3B)，和/或凹槽130可延伸穿 过层122 (即从第一侧面124延伸出来并穿过第二侧面126)。
可在管道层122内形成两个或更多个凹槽130,使得它们在管道层 122中互不相交。替代地，所述两个或更多个凹槽130可被形成在管道 层122内，使得它们在管道层122中互相相交。凹槽130沿着管道层122 延伸，并且允许诸如燃料的材料流过其中。
在另一选择方案中，第一凹槽132可形成在管道层122的第一侧面124上，第二凹槽134可形成在管道层122的第二侧面126上，此处第 一凹槽132和第二凹槽134不必从第一侧面124延伸直到第二侧面126。 在图3C所示的实施例中5局部凹槽136 ;陂布置在管道层122的相对的 两侧面上，以允许材料经由第一侧面124和第二侧面126上的凹槽行进 穿过。
在另一选择方案中，管道层122由金属、塑料、聚合物或者化合物 中的一种或多种单独地或者结合地制成。在一选择方案中，所述至少一 个凹槽130形成在层122中和/或穿过层122。例如，所述至少一个凹槽 130可^:蚀刻或者压印在层122中和/或穿过层122。在另一选择方案中， 所述至少一个凹槽130可被钻在层中和/或穿过层、使用激光器形成、 模制在层122中、沖切所述层122，或者机械加工在层122中和/或穿过 层122。在一选择方案中，所述至少一个凹槽130具有的宽度大约为凹 槽的深度的20倍。在另一选择方案中，所述至少一个凹槽130具有大 约lmm 2mm的宽度。在再另一选择方案中，所述至少一个凹槽具有大 约50~ 100jum的宽度。
所述流体歧管120进一步可选地包括至少一个阻隔层，和/或一个 密封层140,如图2中所示。在又一选择方案中，流体歧管120包括布 置在管道层122的相对两侧面上的第一密封层142和第二密封层144。 例如，第一密封层142紧靠并且密封住管道层122的第一侧面124，第 二密封层144紧靠并且密封住管道层122的第二侧面126。这允许凹槽 130被密封并且形成材料穿行其中的管道。所述密封层142、 144可与管 道层122相联接，例如，但不限于，使用粘合剂、结合技术或者激光焊 接。在又一选择方案中，将密封层142、 144和管道层122密封到一起。 例如，通过热结合、粘结、胶粘(gluing )、钎焊、焊接、超声焊接、 扩散焊接、热封等将层122、 142和144结合到一起。在又一选择方案 中，通过使用氰基丙烯酸盐粘合剂进行胶粘将层122、 142和144结合 到一起。在另一选择方案中，层122、 142和144可类似于对MEMs和集 成电路所进行的那样4皮构造以及可选地蚀刻。
在一选择方案中，所述层122、 142和144包括一个或多个结合区 域369以允许流动粘合剂或者其他结合剂，使得所述层在没有功能部件 下被结合，管道通路或者端口也被结合。在又一选择方案中，所述一个或多个结构层包括阻隔结构，这些阻隔诸如但不限于，将结合区域与功 能区相分隔和/或防止结合材料进入功能区域的诸如隆起或者凹槽等的 物理阻隔和/或化学阻隔。
在又一选择方案中，密封层142、 144中的一个或多个包括位于其 中的一个或多个端口 150。例如，所述一个或多个端口 150可包括入口 152和出口 154。所述入口和出口 152, 154被定位在密封层144内，使 得它们与凹槽130流体地联接。诸如流体燃料的材料可穿行通过入口 152、通过凹槽130，并且流出出口 154。所述一个或多个端口 150提供 歧管120和歧管120被联接于其上的部件之间的流体连通，所述部件诸 如，但不限于，燃料Ji&存器108 (图1A)或者燃料电池102 (图1A)。 应指出的是，可将歧管120用作流体分布系统，在该流体分布系统处存 在单个入口和多个出口，使得歧管120对多个位置进行供给。例如，歧 管120可被用作具有一个入口和多个出口的氢分布件，使得歧管120对 燃料电池层上的多个位置进行供给。
在又一选择方案中，过滤器元件131可被纳入到流动通路的一部分 中。例如，过滤器元件131可被布置在凹槽130中，正如图3A中所示。 在另一选择方案中，过滤器元件131可被布置在端口 150——诸如入口 152中。所述过滤器元件131可包括多孔衬底或者流压缩元件。在另一 选择方案中，过滤器元件131可限定凹槽130。所述布置在凹槽130和/ 或端口 150中的过滤器元件131帮助防止所述凹槽130和/或端口 150 被压扁一 一例如当流体歧管120围绕其自身或者燃料电池系统中的其他 部件被弯曲时。例如，从第一侧面124延伸到第二侧面126的两个或更 多个凹槽130可^:布置在管道层122中。所述两个或更多个凹槽130可 形成在管道层122中，使得它们在管道层122中互不相交。替代地，所 述两个或更多个凹槽130可形成在管道层122中，使得它们在管道层122 中互相相交。所述凹槽130沿着管道层122延伸，并且允许诸如流体的 材料流过其中。
再次参照图1A，流体控制系统104包括具有一个或多个结构层的分 层结构。所述结构层300各自包括位于其上和/或其中的结构。在一选 择方案中，将结构层300相互密封一一例如使用气密密封件。术语"气 密"可被理解为指的是不透流体的结合。例如，所述结合可以在350psi或者2. 5MPa处或者以下时基本不透氲。
所述结构提供流体控制系统104的功能部件的一个或多个部分。当 结构层300被布置为彼此相邻时， 一个层上的结构与另一层的结构被物 理地、功能性地集合到一起，或者既物理地又功能性地集合到一起，以 及功能部件的多个部分被集合到一起以形成用于流体控制系统104的一 个或多个功能部件。例如，第一部件的第一部分形成在第一结构层上， 第一部件的第二部分形成在第二结构层上。第一结构层和第二结构层净皮 集合到一起，例如，但不限于，通过堆叠第一和第二结构层，并且第一 和第二部分被集合到 一起形成第 一功能部件。
流体控制系统104可包括一个或多个不同的功能部件，诸如，但不 限于，至少一个压力调节器部件200、止回阀部件230，或者由一个或 多个结构层300的结构所形成的流量阀部件。所述结构可以在一个单独 的结构层上，以共同形成一功能部件。在另一选择方案中，所述结构可 以在多个结构层上，以共同形成一功能部件。当使用多个结构层300形 成功能部件时，可将多个功能部件构造为多个结构层的单个组件。例如， 如果第一部件形成在三个结构层上，需要三个或更少结构层的第二或第 三部件可被形成在相同的结构层上，虽然远离第一功能部件的结构。
功能部件的一个实施例是压力调节器部件200，例如在图4中更加 详细示出的。在一选择方案中，压力调节器部件200形成在多个结构层 300上，此处每个层300上的结构提供压力调节器部件200的一部分。 在一实施例中，结构层300包括但不限于，第一层204、第二层206、 第三层208，或者第四层209中的一个或多个。第二层206被布置在第 一层204和第三层208之间，并且第三层被布置在第二层206和第四层 209之间。应注意的是，对于压力调节器部件200，可使用少于四层或者 多于四层。所述层可由相对薄的材料板制成。合适的材料包括但不限于， 金属、弹性体材料、塑胶、铜、铜铍合金、铝、不锈钢、丙烯酸类、硅、
石蜡、环氧树脂类、聚酯、黄铜、聚偏氟乙稀(PVDF)、六氟丙烯偏氟 乙烯共聚物或者其结合。
所述压力调节器部件200部分由第一侧面210和第二侧面212限定。 在一选择方案中，第一层204形成第一側面210，第四层209形成第二 侧面212。在一选择方案中，第一侧面210和/或第二側面212可被配置为与燃料电池系统的相邻部件协同相互作用。例如，所迷面可被用于平
面流体分布歧管的界面，或者面密封件可被布置在出口 221的周围等。 第一、第二、第三和第四层204、 206、 208和209相应于流体控 制系统104的结构层。应注意到，尽管图4示出了由结构层的结构所形 成的单个压力调节器部件200，设想的是，可将多个调节器形成在相同 层上，形成共面的调节器。例如，可在相同的层上形成至少一个主压力 调节器部件以及一个或多个副调节器。所述压力调节器部件200可进一 步包括一开关，诸如图9的阀208，允许流体控制系统104的运行能够 在使用主压力调节器部件与使用 一个或多个副调节器之间切换。使用薄 板或者层来制造主压力调节器部件和副压力调节器部件，使得可以同时 制造多个调节器，并且进一步使得可以和能够至少部分基于第一层204 的相对大小、所述层的厚度、所述层的弹性、所述层的挠性或者其结合， 设置调节器的输出压力。
压力调节器部件200具有高压入口 221和低压出口 223。所述压力 调节器部件200的分层结构允许调节出口压力，同时可改变入口压力。 再次参照第一层204 ,其可具有许多功能，并且包括其上的许多结构。 例如，它为压力调节器部件200提供了低压稳流室214的隔膜220和盖， 此处低压稳流室214被形成在第一层204和第二层206之间。在一选择 方案中，第一层204由弹性可变形材料制成，并且进一步可选地经由弹 性可变形材料通过促动构件228促动调节器阀216。合适的材料包括但 不限于，弹性体材料、塑胶、铜、铜铍合金、铝、不锈钢、黄铜或者其 结合。在另一选择方案中，可经由层204的厚度改变调节器阀216的促 动，例如，此处层204是弹性部件。第一层204进一步提供一弹性弹簧 力，以抵消来自低压稳流室214中压力的力。在一选择方案中，第一层 204的弹性刚度决定了调节器的输出压力。压力调节器部件200进一步 包括促动构件228，此处促动构件228被布置穿过第二层206的开口 201。 促动构件228提供阀216和第一层204的弹性可变形材料之间的接 触。在一实施例中，促动构件228包括一构件，所述构件被布置在阀216 和第一层204之间，或者所述构件可与第一层204 —体化，或者形成在 第一层204上或者作为第一层204的一部分。在另一选择方案中，促动 构件228可与层208 —体形成，或者作为层208的一部分。在一选择方案中，促动构件228包括布置在第一层204和阀216之间的球体或者球 (图7C)。在另一选择方案中，促动构件228包括布置在第一层204和 阀216之间的突出物。当低压稳流室214中的压力下降到调节器的预期 输出压力之下时，第一层204的隔膜220压在促动构件228——诸如球 体(图7C)上，然后促动构件打开阀216。
对于促动构件228可以有多种选择方案。例如，在一选择方案中， 促动器可与隔膜220中的一个一体制成。在另一选择方案中，促动器可 由弹性构件制成，诸如，但不限于板簧。所述板簧可选地成悬臂状，并 且形成促动器。在另一选择方案中，弹性构件相邻于密封阀布置。在另 一选择方案中，促动器可包括形状记忆合金材料，允许对于促动器的促 动有更多选择方案。在再一选择方案中，促动器是具有箍缩(pinch) 形状的层，从中提供一突起物。所述形状也可以是球形构件，或者其他 形状。在另一选择方案中，可压缩材料包括但不限于弹簧，所述可压缩 材料被布置在诸如第四层209的底层上，并且可选地，其在松弛位置中 时使阀处于密封位置。
参照第二层206，第二层206包括诸如低压稳流室214的一部分等 的多个结构，并且将低压稳流室214与高压稳流室215分隔。在再一选 择方案中，第二层206进一步为调节器阀216提供一密封座218。与第 二层206和第四层209进一步合作，第三层208限定高压稳流室215的 一部分。所述第三层208进一步包括调节器阀216。
调节器阀216密封调节器200内的开口 201。在一选择方案中，阀 216被形成在层208内，使得阀216与层208 —体形成，而不需要附加 的、分立的部件。在另一选择方案中，与层208形成的阀216也可用作 促动构件228。在又一选择方案中，阀216包括主体222、密封件224, 以及弹性构件226。主体222中具有一密封件224，例如，所述密封件 被模制于其中。主体222与弹性构件226—一例如悬臂弹簧一一相联接， 这允许将阀216从闭合位置移动到打开位置，以及从打开位置移动到闭 合位置。弹性构件226可例如通过如下方式制成，通过蚀刻、冲压、激 光切割、冲切、沉积、印刷、机械加工、模制，和/或电铸等将所述构 件形成在层中，允许在层208中形成一弹簧状附件。用于弹性构件226 的其他选择方案包括但不限于，诸如球体之类的可变形构件、层209上的弹性的或可挠曲的区域、诸如阀216下方的可变形构件的构件，或者 层作为209的一部分。
弹性构件226和阀216被布置在高压稳流室215内。调节器200的 第四层209相邻于第三层布置，并且罩住阀216的外部，例如，阀216 的底部，并且可选地为调节器200提供入口 221和出口 223。所述入口 221与高压稳流室215流体连接，并且所述出口例如通过布置在第二层 206和第三层208内的端口，与低压稳流室214流体连接。
在压力调节器部件200的示例性运行中，诸如燃料的流体进入入口 221,并且来自入口 221中的流体使高压稳流室215加压。流体进一步 穿过打开的调节器阀216进入低压稳流室214。阀216因低压稳流室中 压力低而打开。随着低压稳流室214的压力增加，第一层204朝向229 挠曲，直到促动构件228从调节器阀216中自由拉出，将阀216关闭在 座218，从而限制低压稳流室214中的压力。随着低压稳流室214中的 流体通过出口 223排出，低压稳流室214中的压力降低。这导致第一层 204挠曲远离229，导致促动构件再次打开调节器阀220，并再次开始循 环。
如上所述，燃料系统104包括一个或多个微平面流体部件，所述一 个或多个微平面流体部件包括但不限于，压力调节器部件200和止回阀 部件。所述止回岡部件可被用于填充燃料贮存器。图5示出具有一个或 多个结构层300的止回阀230的实施例的截面图。例如，止回阀部件230 的结构层包括三个层，诸如第一层232、第二层234和第三层236，此 处第二层234被布置在第一层232和第三层236之间。应注意的是，止 回阀部件230的结构层可被形成在其他流体控制部件的相同结构层上， 所述其他流体控制部件包括但不限于压力调节器部件、歧管等。
在一选择方案中，第一层232提供止回阀部件230的盖。第二层234 包括弹性体构件238,第三层236具有在其中的入口 240和出口 242。 应注意的是，入口 240和出口 242可形成在不同的结构层上。弹性体构 件238被压缩在入口 240,并将入口 240密封。在一选择方案中，弹性 体构件238被形成为层234中的一结构。在另一选择方案中，弹性体构 件238是一个被插入到形成在层234中的结构中的分立部件。在再一实 施方案中，弹性体构件238包括整个层。层232、 234和236由一种或多种材料制成，所述一种或多种材料 包括但不限于金属、弹性材料、塑胶、铜、铜铍合金、铝、硅、不锈钢、 丙烯酸类、石蜡、环氧树脂类、聚酯、黄铜、PVDF、六氟丙烯偏氟乙烯 共聚物或其结合，并且可选地通过蚀刻、冲压、激光切割、冲切、沉积、 印刷、机械加工、模制，或者电铸被制成。层234可通过例如对材料进 行模制或者蚀刻而由弹性体材料形成。层238的刚性低于层232和236， 使得加压的燃料可使层238变形远离入口 240。
在填充诸如燃料贮存器的贮存器的过程中，诸如燃料的加压流体被 施加至止回阀部件230的入口 240。例如，在注入贮存器的过程中，流 体歧管借助于粘合剂与燃料电池或者其他的系统部件相互作用，或者可 被联接至燃料电池或者其他的系统部件相互，所述粘合剂作用在相当大 的表面积上，使得要迫使部件分开的内部流体压力所产生的力被粘合结 合的力轻易克服。高的内部压力可被具有相对低的抗张强度的结合抵 消。
在填充贮存器的过程中，可使用用于可拆卸地连接的装置，诸如压 力启动阀。例如，压力促动的单向阀允许流体流——例如流体燃料等一 一进入用于燃料存储系统的流体封装体中。在加燃料的过程中允许燃料 流进入流体贮存器，但是不允许燃料从燃料贮存器中回流。在一选择方 案中，如果流体贮存器被燃料过度加压，则允许燃料流从流体贮存器中 回流。
外部加燃料装置可形成抵住密封表面一部分的密封件，例如，使用 诸如O型环或者衬垫的密封件围绕入口。将燃料引入流体控制系统，燃 料的流体压力将可压缩构件压缩，并破坏可压缩构件和外部罩之间的密 封。在另一选择方案中，围绕外侧軍的外部的环境可使用燃料被加压， 以将燃料推过加燃料阀组件并进入燃料贮存器。
当完成加燃料过程时，从阀組件中去除加燃料装置，并且阀变成关 闭的。例如，所述可压缩构件减压，并且来自燃料贮存器的流体压力通 过燃料出口向可压缩构件施加压力，并且将可压缩构件压到外部壳上。
可压缩构件的减压和/或来自贮存器的流体压力形成可压缩构件和外部 壳之间的密封，使得燃料不流经可压缩构件进入燃料入口。在另一选择 方案中，如果燃料贮存器中的压力变得太大，或者大于预定量时，可压缩构件和/或流体扩散构件可被设计为故意失效。
在另 一选择方案中，流体联接组件可被用于将系统与另 一部件相结 合。所述联接组件包括第一联接构件、第二联接构件，以及二者之间的 密封构件。所述第一联接构件和第二联接构件是可磁结合的，诸如通过 具有相吸的极性的第 一磁性构件和第二磁性构件。所述第 一联接构件和 第二联接构件的结合打开二者之间的流体流动通路。当所述联接构件分 离时，该流体流动通路被密封。
再次参照图5，流体中的压力使弹性体构件238挠曲，从而使流体 流经构件238并i^围绕构件238的至少一部分的阀稳流室282。流体 可选地从稳流室282开始行进穿过入口 242，并且例如通过歧管120(图 1A)，直接流向贮存器。当加压流体源从入口 240被去除时，弹性体构 件238再次坐落到入口 240上，防止燃料通过入口 240回流出来。在一 选捧方案中，止回阀部件230例如沿着第三层236与流体歧管相联接。
流体控制系统104 (图1A)进一步包括一个或多个流量阀部件，例 如用以切断燃料和/或引导燃料穿过该系统。所述流量阀部件被形成在 多个结构层上，此处所述结构层具有结构。类似于止回阀部件，流量阀 部件可被形成在压力调节器部件和/或止回阀部件的相同结构层上。可 使用机械促动，或者化学促动将流量阀部件促动。在另一选择方案中， 可使用电促动将流量阀部件促动。图6示出其中具有一个或多个层262 的电促动的流量阀部件260的一实施例。在一选择方案中，流量阀部件 260包括第一层264、第二层266、第三层268，以及第四层270。第一 层264为流量阀部件260提供一个盖。在一选择方案中，第二层266包 括促动相邻层上的结构的打开和闭合状态的多个结构。例如，第二层266 包括一印刷电阻电路层。第二层266可被用于控制流量阀部件260的打 开和闭合。第三层268提供打开和闭合状态的促动，并且例如由形状记 忆合金制成，并且例如可被第二层266触发。第四层270提供阀座272、 入口 274和出口 276,以及用于可选择地附接到流体歧管120 (图1A) 的基座278。在打开状态中，诸如热量的能量被施加至促动器279，并 将促动器279移动远离阀座272。例如，流过电阻层的电流可被用于加 热形状记忆合金，允许促动器279向上弯曲并远离阀座272。在闭合状 态中，促动器279压在阀座272上，并且密封阀座272。例如，形状记忆合金可以冷却，并返回到非变形状态以压在阀座272上。
流体控制系统104由彼此相互作用的结构层300形成，并且包括由 于所述层300相互作用而形成的多个部件。所述流体控制系统104的部 件包括但不限于，压力调节器部件、止回阀部件或者流量阀部件中的至 少一个或多个，所述这些部件各自形成在一个或多个结构层300上，并 且可共享结构层300。例如，压力调节器部件的结构可以位于与所述至 少一个止回阀部件和/或流量阀部件相同的结构层300上。
图7A、 7B和7C示出具有结构层300的流体控制系统104的一实施 例，所述结构层300例如为各自具有结构的结构层301、 302、 303、 304 和305。所述流体控制系统104包括如下部件中的至少一个压力调节 器部件200、流量阀部件260、进料阀部件340或者减压部件322。应注 意的是，可包括所述部件中的一个或多个，并且所述部件中的一个或多 个可选地相互共面。
所述结构层300形成复合结构，提供集成流体电路，所述集成流体 电路包括多个层，这些层的多个结构堆叠和结合在一起。所述结构层300 的结构共同形成功能部件。所述层可被安装在一外部歧管上，或者所述 歧管也可被一体化为分层结构的一部分。例如，所述分层结构的多个部 分可连续穿过多个层，形成穿过这些层的管道，并且可与诸如燃料贮存 器或燃料电池的部件连接。
所述层可被形成或装配为集中在一个较大板上的部件阵列。所述层 通过各种方法被制造，这些方法诸如但不限于蚀刻、冲压、激光切割、 沖切、沉积、印刷、机械加工、模制或者电铸，允许容易地制造大量部 件。例如，可同时装配子系统，然后将其从多个相同或相似子系统的阵 列中去除。多个部件可在相同的层上彼此相邻地构造。而且，部件的多 个组件可以由形成所述层的同 一材料板同时制成，然后通过切割以制造 单独的流体系统。可将所述层保持并密封到一起，例如但不限于使用下 列工艺中的一种或多种胶合、粘结、热结合、扩散结合、焊接或者钎 焊。在一选择方案中，所述层包括允许粘合剂或者其他结合剂流动的一 个或多个结合区域，使得所述层可在没有功能部件、管道通路或者端口 的情况下，也被结合。在又一选择方案中，所述一个或多个结构层包括 阻隔结构，这些阻隔诸如但不限于，将结合区域与功能区相分隔和/或防止结合材料进入功能区域的诸如隆起或者凹槽等的物理阻隔和/或化 学阻隔。
所述分层结构被制造得4艮小，可使用纳米制造技术和/或微制造技 术生产并装配所述层。例如，用于生产和/或装配所述层的工艺包括但 不限于，微流应用工艺，或者用于形成掩模的化学气相沉积，以及接下 来的诸如蚀刻的工艺。另外，用于制造薄的^^层结构的材料包括但不限
于，硅、聚二甲基硅碳酯(polydimethylsiloxiane )、聚对二甲苯 (parylene)或者其结合。
所述层小且平坦。例如，层的厚度是大约10~ 500微米。所述层高 度平坦，使得层的平坦部分的宽度大于层厚度的30倍。在另一选择方 案中，层的宽度大于层厚度的3倍。应注意的是，其他范围也是可以的。 当所述层被彼此相邻放置时，所述层可操作地共同共同作用。应注 意的是，可以使用更小部件的阵列代替所述部件中的一个或多个。例如， 单个调节器可被代替为调节器部件阵列。所述调节器阵列可提供故障容 忍系统，当阵列中的一些部件可能会发生功能故障时，整个系统仍可继 续运行。这进一步解决了以有效方式分布燃料的能力，例如调节器阵列 可被分布在燃料电池或者燃料贮存器中，以降低由不良的燃料分布所导 致的问题。
由结构层所形成的部件的一实施例包括压力调节器部件200。形成 压力调节器200的多个部分的结构被形成在层301、 302、 303和304上。 例如，高压稳流室的至少一部分形成在层301上，阀216的至少一部分 形成在层302上，低压稳流室214的至少一部分形成在层303上，隔膜 220形成在层304上。所述结构被形成在各种层301、 302、 303和304 上，并且将所述层集合，例如，所述层被彼此相邻地布置，并且可选地 被接合。所述结构与位于相同或者其他结构层上的结构相互作用并共同 形成一功能部件，诸如压力调节器部件200。其他的部件可被形成在各 种层上，这些层包括层301、 302、 303和304,使得一个部件的结构与 另一部件的结构共享同一个层，如下面进一步讨论的。例如，所述结构 和所形成的功能部件是共面的。
在流体控制系统104的运行过程中，诸如燃料的流体通过入口 221 进入调节器200，并进入高压稳流室215。所述高压稳流室215围绕调节器阀216，以及弹性构件226——诸如三个弹性构件一一保持阀216 闭合在阀座上，除非所述阀受促动构件228—一诸如促动球一一作用影 响。当低压稳流室214中的压力低于所设计的调节器输出压力时，隔膜 220压在促动构件228上，这进而打开了调节器阀216。当所述阀216 处于打开位置时，诸如燃料的流体可从高压稳流室215流入低压稳流室 214，直到达到预期压力并且隔膜220充分挠曲以允许关闭调节器阀 216。
流体通过开口 330离开调节器200,并且进入流量阀部件370的流 量阀稳流室332。所述流量阀部件具有在不同结构层上的结构，所述结 构共同形成一功能部件，诸如流量阀部件。在该实施例中，所述流量阀 部件类似于调节器阀216。然而，与在调节器阀216中通过促动构件228 被促动不同，流量阀部件被一穿过出口 334压在流量阀部件上的销打开。 出口 334例如经由一歧管120 (图1A)可连接至燃料电池102(图1A)。 进料岡部件340是具有形成在一个或多个结构层300上的结构的另 一部件，所述结构相互作用并且共同形成功能部件，诸如在图7C中所 示。所述进料阀部件340包括结构层302的弹性构件342——诸如橡胶 构件，所述弹性构件密封地压在结构层303的进料口 344上。当向进料 口 344施加进料压力时，进料压力使弹性构件342变形远离进料口 344， 以允许气体流经并进入结构层301的端口 346。该端口 346可选地流体 地连接至燃料贮存器108 (图1A)。
可使用多个不同的结构层300制成的另一部件包括减压部件350。 所述减压部件350包括结构层302的弹性构件352——诸如橡胶构件， 所述弹性构件密封在结构层301的端口 354上。该端口 354流体地连接 至燃料贮存器108 (图1A),并且当贮存器压力超过预定值时，弹性构 件352通过燃料贮存器108中的压力变形远离端口 354。这允许诸如燃 料的流体流经，穿过由结构层303、 304所形成的端口，并进入结构层 305的端口 360，该端口将流体排至大气。在一选择方案中，调节器200、 进料阀部件340和减压部件350分别通过端口 221、 346和354与燃料 ]^存器108连通。在另一选择方案中，可在层301的下方添加一附加歧 管层，并且所述端口可被结合成更少的端口，诸如一个端口。
图8A和8B示出了由包括结构的结构层300所形成的流体控制系统104的实施例。所述结构层300可由各种技术形成，诸如但不限于，蚀 刻、蚀刻、沖压、激光切割、沖切、沉积、印刷、机器加工、模制或者 电铸等。结构的阵列可被形成在每个结构层上，并且可通过将所述层集 中到一起形成所述功能部件的阵列。在一实施例中，第二结构层被堆叠 在第一结构层上，从而形成功能部件的阵列。可选地，可使用各种技术 将第二结构层与第一结构层结合，所述各种技术诸如但不限于，热结合、 粘结接合、钎焊、焊接、超声焊接、扩散结合、热密封等。
结构层300包括位于其中或其上的结构，所述结构形成流体控制系 统的部件的多个部分。流体控制系统104的部件的实施例包括止回阀部 件230、主调节器212和至少一个副调节器217。
在一选择方案中，所述主和副调节器212、 217具有相似的结构。 形成压力调节器部件212、 217的多个部分的结构被形成在层301、 302、 303和304上。例如，高压稳流室的至少一部分形成在层301上，阀216 和构件226的至少一部分形成在层302上，低压稳流室214的至少一部 分形成在层303上，并且隔膜220形成在层304上。所述结构被形成在 各种层301、 302、 303和304上，并且所述层被集中一起，例如，所述 层被彼此相邻地布置，并且可选地被接合。所述结构与其他结构层上的 结构相互作用，并且共同形成一功能部件一一诸如压力调节器部件212、 217。压力调节器部件212、 217可选地是共面的。
止回阀部件230由形成在多个结构层300之上、之中或者布置于其 上的结构形成。所述止回阀部件230可被用于为燃料电池的燃料5&存器 加燃料。在一选择方案中，结构层303为止回阀部件230提供一个盖391。 结构层302包括一弹性体构件，并且第三结构层301具有位于其中的入 口 240和出口 242。应注意的是，入口 240和出口 242可被形成在不同 结构层上。弹性体构件被压在入口 240上，并且将入口 240密封。
在注入流体的过程中，例如为燃料电池加燃料的过程中，诸如燃料 的加压流体被施加至止回阀部件230的入口 240。来自流体的压力4吏弹 性体构件挠曲，以允许流体流经所述构件，并且进入围绕所述构件的至 少一部分的阀稳流室。流体可选地通过出口 242从稳流室中流出，并且 例如通过歧管120 (图1A)被导向贮存器。当完成填充时，弹性构件坐 落到入口 240上，并且防止流体通过入口 240回流出来。在一选择方案
29中，止回阀部件230例如沿着结构层301与流体歧管接合。
参照图9,其示出了流体控制系统104的系统布局。在一选择方案 中，流体控制系统104包括例如连接到燃料电池102 (图1A)的燃料进 料入口 202、止回阀部件204、压力选择阀206、开-关阀208，和/或出 口 210中的一个或多个。如果燃料电池系统被关闭，所述开-关阀208 就关闭燃料供给。所述电池系统104进一步可选地包括连接至燃料贮存 器108 (图U)的连接件211。
流体控制系统104可选地包括至少一个压力调节器部件200。在一实施 例中，所迷至少一个压力调节器部件200包括至少一个主压力调节器部 件212。在又一选择方案中，所述至少一个压力调节器部件200包括至 少一个主压力调节器部件212和/或至少一个副压力调节器部件217。在 一选择方案中，流体控制系统104包括多个压力调节器部件200—一诸 如多个副压力调节器部件217、或者单独的或者与主压力调节器部件组
合的副压力调节器部件217阵列。
当由所述系统来供给的燃料电池能够容忍入口压力的宽泛变化，或 者当诸如燃料储存压力等的流体储存压力与所要求的输送压力之间的 差异较低时，可使用一主压力调节器部件，诸如单个主压力调节器部件。 当由所迷系统供给的燃料电池不能容忍压力的宽泛变化时，系统104可 被配置为既具有主调节器，也具有副调节器。
所述主压力调节器部件212为副压力调节器部件217逐渐降>[氐压 力。而且，所述主压力调节器部件212降低波动的燃料贮存器压力对于 副压力调节器部件217的输出的影响。所述主压力调节器部件212和副 压力调节器部件217，和/或两个或更多个副压力调节器部件217可#_设 置为不同的输出压力。在这种配置中，当燃料电池处于待机运转时，所 述调节器中的一个可提供较低压力，而当燃料电池处于有效运转时，另 一个调节器提供较高压力。该选择方案可被扩展，以包括多个压力，所 述多个压力被调谐为支持燃料电池的宽范围运行模式，包括用于诸如气 体排放、水管理等的辅助燃料电池管理功能的压力调制。使用多个副压 力调节器部件允许数字化选捧运行压力，并且消除对于连续可变压力调
节系统的需要。
在一选择方案中，压力选择阀206控制到较高 力副调节器217的流动，并且控制多个副调节器217的联合输出的压力。如果关闭压力选 择阀206,副压力调节器部件217的输出将位于较低压力，但是如果打 开阀206，输出将位于较高压力。在一选择方案中，根据燃料电池102 (图1A)处的燃料压力，对所述副调节器217中的一个或两个进行先导 压力控制。这允许燃料电池的燃料压力保持不变，不受调节器200和燃 料电池102 (图1A)之间的燃料管道中的压力损耗的影响。
如上所述，可在流体控制系统104中包括两个或更多个副调节器 217。例如，每个都具有自身的压力选择阀的平行副调节器217的阵列， 将能够进行数字压力控制，在该数字压力控制中压力可以以递增或递 减。所述阵列中的调节器217每个都将具有不同的输出压力。
燃料电池压力易于通过返回至压力调节器部件的物理位置的管道 被反馈。另外，未调节的气体压力可被用于向系统提供机械动力以根据 多个阶段促动所述阀。这允许系统在最少的外部能量输入下运行。在又 一选择方案中，压力调节器部件可同时由一整块分层材料板制成，可以 具有一个入口，对具有多个出口的多个调节器部件进行供给。
用来或者用于制造上述装置的方法如下。例如，在一选择方案中， 所述方法包括一种用于形成流体控制系统的方法，包括在一个或多个结 构层上形成至少一个第一结构，在所述一个或多个结构层的任一个上形 成至少一个第二结构，以及将所述至少一个第一结构与所述至少一个第 二结构相互作用地关联以及形成至少一个功能部件。在一选择方案中， 所述将所述至少一个第一结构与所述至少一个第二结构相互作用地关 联的方法，包括堆叠所述一个或多个结构层，其中形成所述至少一个第 一结构或者所述至少一个第二结构包括，将一结构蚀刻、沖压、激光切 割、冲切、沉积、印刷、机械加工、模制，或者电铸在一个或多个结构 层上。
在又一选择方案中，形成至少一个功能部件包括形成至少一个压力 调节器部件、至少一个止回阀部件、至少一个流量阀部件、至少一个管 道部件、减压部件，或者散热部件中的一个或多个。在另一选择方案中， 形成所述至少一个结构层包括形成所述至少一个由金属、弹性体材料、 塑胶、铜、铜铍合金、铝、不锈钢、丙烯酸类、硅、石蜡、环氧树脂类、 聚酯、黄铜、PVDF、六氟丙烯偏氟乙烯共聚物或者其结合制成的结构层。所述结构层可被密封到一起，其中密封所述结构层包括将所述结构层胶 粘、粘结、热结合、扩散结合、焊接、钎焊到到一起中的一种或多种或 者其结合。
在另 一选择方案中，运行一 系统的方法包括使流体封装体与流体控 制系统流体地连接，所述流体控制系统包括至少一个功能部件、具有结 构的两个或更多个结构层，并且所述两个或更多个结构层中任一个的结 构相互作用地形成所迷至少一个功能部件，其中所述方法进一步包括将 流体从流体封装体传递至流体控制系统。所述方法可选地包括经由一应 变消除界面进行传递，和/或将流体从流体封装体传递至流体控制系统 包括将流体从燃料盒传递，和/或将流体传递至至少一个燃料电池。在 又一选择方案中，将流体从流体封装体传递包括经由流体歧管将流体传 递至至少一个燃料电池，和/或将流体从燃料电池的流体稳流室经由流 体歧管传递流体控制系统。在又一选择方案中，基于通过流体歧管的反 馈通路的流体流，传递所述流体。
所述方法进一步可选地包括使所述流体控制系统与进料口流体地 连接，其中可选地，使流体控制系统与进料口流体地连接包括使流体控 制系统经由流体歧管与进料口流体地连接。
所述流体控制系统是一个分层结构，其中各个层的结构相互作用以 实现流体控制系统的功能，诸如但不限于，压力调节器部件、止回阀部 件、流量阀部件以及流体管道的功能。所述流体控制系统提供流体的有 效分布，例如在微流应用中。小尺寸的层允许包括多个相同部件，提供 增加的可靠性和功能灵活性。
在本发明的一些实施方案的描述中，参照了构成本发明的一部分的 附图，在所述附图中通过示例的方式示出了可以实践的本发明的具体实 施方案。在附图中，相同的数字描述在多幅图中基本相似的部件。这些 实施方案被充分详细描述，以能够使本发明的技术人员实践本发明。可 使用其他的实施方案，并且可进行结构、逻辑和电学的变化，而不偏离 本发明的范围。下面的详细说明不应理解为限制含义，并且本发明的范 围仅由所附的权利要求，以及赋予这些权利要求权利的等同物的全部范 围所限定。
权利要求
1.一种流体控制系统，包括至少一个功能组件；两个或者更多个具有结构的结构层；以及所述两个或者更多个结构层中的任一个的结构相互作用以共同形成所述至少一个功能部件。
2. 根据权利要求1所述的流体控制系统，其中所述结构层中的一 个或多个包括入口和出口。
3. 根据权利要求1所述的流体控制系统，其中所述结构层相互流 体连通0
4. 根据权利要求1所述的流体控制系统，进一步包括至少两个功 能部件，所述两个或更多个结构层中的任一个的结构共同形成所述至少 两个功能部件。
5. 根据权利要求2所述的流体控制系统，其中所述功能部件是相 互共面的。
6. 根据权利要求3所述的流体控制系统，其中所述结构层中的至 少一个包括两个或更多个结构，并且所迷两个或更多个结构包括在一^> 共平面内相互流体连通的结构的阵列。
7. 根据权利要求1所迷的流体控制系统，所述至少一个功能部件 包括压力调节器部件、止回阀部件、流量阀部件、进料阀部件、减压部 件、管道或者散热部件中的至少一个。
8. 根据权利要求1所述的流体控制系统，其中所述结构层包括一 个或多个结合区域。
9. 根据权利要求1所述的流体控制系统，其中所述至少一个功能 部件包括至少一个主压力调节器和至少一个副压力调节器。
10. 根据权利要求l所述的流体控制系统，其中所述两个或更多个 结构层被堆叠和结合到一起。
11. 根据权利要求10所述的流体控制系统，其中所述结构层彼此 具有气密密封件。
12. 根据权利要求l所述的流体控制系统，进一步包括密封层。
13. 根据权利要求l所述的流体控制系统，其中4~10个结构层具有结构。
14. 根据权利要求l所述的流体控制系统，其中所述结构层中的一 个或多个包括管道通路，并且结构层宽度大于管道通路尺寸的大约30 倍。
15. —种用于流体控制系统的部件，所述部件包括 两个或更多个具有结构的结构层，所述结构包括阀，其具有一位置，基于阀的位置可控制通过功能部件的流体流；以及挠性结构，其响应于传感流体压力可促动，其中所述挠性结构的 位置相应地地控制阀的位置。
16. 根据权利要求15所述的部件，其中所述传感流体压力包括阀 的下游压力。
17. 根据权利要求15所述的部件，其中所述结构包括至少两个流 体稳流室，所述两个流体稳流室包括第一压力稳流室和第二压力稳流 室。
18. 根据权利要求17所述的部件，其中所述第一压力稳流室是接 收未调节流体的高压稳流室，并且所述第二压力稳流室是接收已调节流 体的低压稳流室。
19. 根据权利要求18所述的部件，其中所述传感流体压力包括低 压稳流室中的压力。
20. 根据权利要求19所述的部件，其中所述传感流体压力包括高 压稳流室中的压力。
21. 根据权利要求17所述的部件，其中所述挠性结构与第二压力 稳流室一体化。
22. 根据权利要求15所述的部件，其中所述挠性结构的位置相应 地地控制阀的位置，并且控制在第一压力稳流室和第二压力稳流室之间 的流体的流动。
23. 根据权利要求15所述的部件，其中所述挠性结构将穿过所述 部件的流限制在传感流体压力的预限定范围之间。
24. 根据权利要求15所述的部件，其中所述挠性结构具有弹性性质。
25. 根据权利要求15所述的部件，进一步包括与所述挠性结构相 接触的弹性构件。
26. —种系统，包括 至少一个流体控制系统，其包含至少一个功能部件；以及 两个或更多个具有结构的结构层， 所述两个或更多个结构层中的任一个的结构共同形成所述至少一 个功能部件；以及至少 一个流体封装体，其与所述至少 一 个流体控制系统连通地连接。
27. 根据权利要求26所述的系统，其中所述结构层的平面部分的 宽度大于所述结构层厚度的大约30倍。
28. 根据权利要求26所述的系统，其中所述至少一个功能部件包 括压力调节器部件。
29. 根据权利要求28所述的系统，其中所述至少一个流体封装体 中的一个或多个是挠性的。
30. 根据权利要求26所述的系统，进一步包括一个或多个应变吸 收界面，所述一个或多个应变吸收界面位于所述至少一个流体控制系统 中的一个或多个与所述至少一个流体封装体之间。
31. 根据权利要求3Q所述的系统，其中所述一个或多个应变吸收 界面与所述至少一个流体封装体流体连通。
32. 根据权利要求26所述的系统，进一步包括与所述至少一个流 体控制系统连通地连接的至少 一个燃料电池。
33. 根据权利要求26所述的系统，其中所述至少一个功能部件是 压力调节器部件。
34. 根据权利要求33所述的系统，进一步包括响应于传感流体压 力可促动的挠性结构，其中所述传感流体压力是所述至少一个燃料电池 的流体稳流室的流体压力。
35. —种用于形成流体控制系统的方法，该方法包括 在一个或多个结构层上形成至少一个第一结构； 在所述一个或多个结构层的任一个上形成至少一个第二结构；使所述至少一个第一结构与所述至少一个第二结构相互作用地关 联，并形成至少一个功能部件。
36. 根据权利要求35所述的方法，其中使所述至少一个第一结构 与所述至少一个第二结构相互作用地关联包括，堆叠所述一个或多个结 构层。
37. 根据权利要求35所述的方法，其中形成所述至少一个第一结 构或至少一个第二结构包括将一结构蚀刻、冲压、激光切割、沖切、沉 积、印刷、机械加工、模制，或者电铸在所述一个或多个结构层上。
38. 根据权利要求35所述的方法，其中形成至少一个功能部件包 括形成至少一个压力调节器部件、至少一个止回岡部件、至少一个流量 阀部件、至少一个管道部件、减压部件，或者散热部件中的一个或多个。
39. 根据权利要求35所述的方法，其中形成所述至少一个结构层 包括形成至少一个由金属、弹性体材料、塑胶、铜、铜铍合金、铝、不 锈钢或其结合制成的结构层。
40. 根据权利要求35所述的方法，其中形成所述至少一个结构层 包括形成至少一个由丙烯酸类、石蜡、环氧树脂类、聚酯、黄铜、PVDF、 六氟丙烯偏氟乙烯共聚物或者其结合制成的结构层。
41. 根据权利要求35所述的方法，进一步包括将所述结构层密封 到一起。
42. 根据权利要求35所述的方法，其中密封所述结构层包括将所 述结构层胶粘、粘结、热结合、扩散结合、焊接、钎焊到一起中的一种 或多种或者其结合。
43. —种运4亍一系统的方法，该方法包括将流体封装体与流体控制系统流体地连接，所述流体控制系统包括 至少一个功能部件、两个或更多个具有结构的结构层，并且所述两个或 更多个结构层中的任一个的结构相互作用地形成所述至少一个功能部 件；以及传递流体，传递流体包括将流体从流体封装体传递至流体控制系统。
44. 根据权利要求43所述的方法，其中传递流体包括经由一应变 消除界面进行传递。
45. 根据权利要求43所述的方法，其中将流体从流体封装体传递 至流体控制系统包括，从燃料盒传递流体。
46. 根据权利要求43所述的方法，进一步包括将流体传递至至少 一个燃料电池。
47. 根据权利要求43所述的方法，其中从流体封装体传递流体包 括，经由一流体歧管将流体传递至至少一个燃料电池。
48. 根据权利要求36所述的方法，进一步包括将流体从燃料电池 的流体稳流室经由一流体歧管传递至流体控制系统。
49. 根据权利要求41所述的方法，其中基于通过流体歧管的反馈 通路的流体流，传递所述流体。
50. 根据权利要求43所述的方法，进一步包括使流体控制系统与 进料口流体地连接。
51. 根据权利要求43所述的方法，其中将流体控制系统与进料口 流体地连接包括，经由一流体歧管使流体控制系统与进料口流体地连 接。
52. 根据权利要求36所述的方法，其中从流体封装体传递流体包 括传递气体、液化气、在压力下的液体，或者其结合。
53. 根据权利要求36所述的方法，其中传递流体包括传递燃料、 氧化剂、传递热的流体、流体反应物燃料或者其结合。
54. 根据权利要求36所述的方法，其中从流体封装体传递流体包 括传递氢气、甲醇、氨、肼、硅烷或者其结合。
55. —种流体控制系统，包括至少一个功能部件，所述至少一个功 能部件是通过形成在两个或更多个层中的结构的相互作用而形成的，其 中所述部件功能是通过将至少一个结构移出其平面并且将其移入另一 结构层的平面而实现的。
56. 根据权利要求55所述的系统，其中所述层中任一个的可移动 结构被配置为从所述的所述层中任一个的平面中移出，使得所迷可移动 结构移位穿过相邻结构层的平面。
57. —种流体分布系统，包括 一个或多个电化学电池层； 具有入口的批量分布歧管；电池层供给歧管，其与所述电化学电池层直接流体接触；以及 分隔层，其将批量分布歧管与电池供给歧管相分隔，为流体提供从 批量分布歧管流至电池供给歧管的至少两个独立通路。
58. 根据权利要求58所述的流体分布系统，进一步包括与所述至 少两个独立通路相接触的一个或多个流体控制器。
59. 根据权利要求58所述的流体分布系统，其中每个流体控制器 相互独立作用。
60. 根据权利要求58所述的流体分布系统，进一步包括连接至批 量分布歧管的入口的主压力调节器，其中所述一个或多个流体控制器包 括副压力调节器部件，并且其中所述主压力调节器和所述副压力调节器 在不同压力下运行。
61. 根据权利要求58所述的流体分布系统，其中所述流体控制器 包括压力调节器部件、流量控制器、开-关阀、限流器、减压材料或其 结合。
62. 根据权利要求4所述的流体分布系统，其中每个流体控制器包括，两个或更多个结构层，每个层包括与之相关联的结构阵列； 其中第一结构层中的结构与第二结构层中的结构相互作用地关联。
63. 根据权利要求4所述的流体分布系统，其中所述一个或多个流 体控制器相互共面。
64. 根据权利要求1所述的流体分布系统，其中所述至少两个独立 通路在空间上分布在分隔层内。
全文摘要
一种包括多个结构层的流体控制系统。所述结构层包括共同形成所述至少一个功能部件的两个或更多个结构。
文档编号B21D53/00GK101680557SQ200880016165
公开日2010年3月24日 申请日期2008年3月25日 优先权日2007年3月21日
发明者D·拉姆, G·F·麦克莱恩, J·施鲁特恩, J·齐默曼, J-L·伊康艾斯, T·斯隆 申请人:昂斯特罗姆动力公司