用于燃料电池的阀的制作方法

本发明涉及用于燃料电池的阀，更具体地，涉及用来将燃料电池系统中的流体排出至外部或燃料电池系统的其他位置的用于燃料电池的阀。

背景技术：

通常，燃料电池系统是在通过提供有来自空气的氧气以及用作燃料的氢气来生产水的同时生成电能的系统。

设置有燃料电池系统的燃料电池车辆通过使用如下方法获得驱动电力：该方法通过使用由燃料电池堆中的氢气与氧气之间的反应生成的电流来操作电动机，并且将生成电流时产生的水排出至外部。

为此，有必要维持燃料电池堆中的适当压力和浓度的氢气和氧气，并且排出所产生的水以便水不会阻挡燃料电池堆中的流动路径。

通常，为了维持燃料电池堆中的适当浓度的氢气和氧气，已采用了将在燃料电池堆中循环的气体排出至外部并且引入新的氢气和空气的方法，并且用于排出气体的排出阀用作该功能。此外，排水阀用来将从燃料电池堆的内部排出的水排出至外部或燃料电池系统的其他位置。

因为燃料电池系统的工作压力相对高于大气压力，所以排出阀和排水阀必须设计为能够经受施加至燃料电池堆的压力。由于这个原因，随着燃料电池系统的工作压力增加，排出阀的操作压力必须增加，并且必须将较强弹簧和较强螺线管线圈应用至排出阀以便满足操作压力条件。因此，存在排出阀的体积和重量增加以及电流消耗增加的问题。

在本背景技术部分中所公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景技术的理解，并且因此背景技术部分可包含并不形成在此国家中为本领域的普通技术人员所已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本发明提供用于燃料电池的阀，该阀安装有压力传递单元，该压力传递单元连接在具有用于移动流体的内部流动路径的阀流动路径单元与用于生成用于打开和关闭阀流动路径单元的内部流动路径的动力的螺线管单元之间，并且该压力传递单元在阀流动路径单元与螺线管单元之间传递压力，由此不论燃料电池系统中的诸如工作压力和温度的因素如何，都通过最小化阀流动路径单元与螺线管单元之间的压力差来最小化螺线管单元的操作负载。

在一个方面中，本发明提供用于燃料电池的阀，该阀包括：阀流动路径单元，其具有用于流体的流入的进入端口(inlet port)以及用于排出流体的排出端口；螺线管单元(solenoid unit)，其安装在阀流动路径单元的上部上并且生成用于打开和关闭排出端口的动力；阀打开和关闭单元，其安装为以气密性(airtight，不透空气)方式隔离螺线管单元与阀流动路径单元之间的部分，并且通过使用来自螺线管单元的动力来打开和关闭排出端口；以及压力传递单元，其布置在阀流动路径单元和螺线管单元的外部(outside，外侧)，并且在阀流动路径单元与螺线管单元之间传递压力。

在优选实施方式中，压力传递单元可包括：第一室单元，其连接为与阀流动路径单元流体连通；第二室单元，其连接为与螺线管单元流体连通；以及室隔板(chamber diaphragm)，其安装为以气密性方式隔离第一室单元与第二室单元之间的部分，并且室隔板可通过由于第一室单元与第二室单元之间的压力差而弹性变形来传递压力。

在另一优选实施方式中，在第一室单元中可形成有第一密闭压力传递室(first hermetic pressure transmission chamber)，其连接为与从阀流动路径单元的排出端口分支的分支流动路径流体连通，在第一密闭压力传递室的下端可布置与分支流动路径连通的第一室开口；在第二室单元中可形成有第二密闭压力传递室，其连接为与用于排出螺线管单元中的空气的流体入口流体连通，并且在第二密闭压力传递室的上端可布置与流体入口连通的第二室开口。

在又一优选实施方式中，室隔板可由阻挡流体穿过第一室单元而传递至第二室单元的材料制成。

依据根据本发明的用于燃料电池的阀，由于将在螺线管单元与阀流动路径单元之间传递压力的压力传递单元应用于螺线管单元与阀流动路径单元之间，所以不论燃料电池系统中的诸如工作压力和温度的因素如何，都能够最小化阀流动路径单元与螺线管单元之间的压力差，并且因此，能够最小化嵌入式弹簧的负载以便维持阀流动路径单元的排出端口的关闭状态(在常闭阀的情况下)或者阀流动路径单元的排出端口的打开状态(在常开阀的情况下)。因此，能够降低螺线管单元的用于操作阀的操作负载，并且因此，能够通过降低螺线管单元的体积来改进封装性能并且最小化电力消耗。

以下讨论本发明的其他方面和优选实施方式。

附图说明

现在将参考附图中示出的本发明的特定示例性实施方式详细描述本发明的上述及其他特征，下文中仅通过例证的方式给出这些特定示例性实施方式，并且因此并非限制本发明，并且在附图中：

图1是示出根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池的阀的构造图；

图2和图3是用于说明根据本发明的示例性实施方式的压力传递单元的操作状态的视图；以及

图4和图5是示出根据本发明的另一示例性实施方式的用于燃料电池的阀的构造图。

应理解的是，附图无需按比例绘制，而是呈现说明本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上的简化表示。如本文所公开的本发明的特定设计特征，包括，例如，特定尺寸、定向、位置和形状，将部分由具体的预期应用和使用环境来确定。

在附图中，贯穿附图的几个图，参考标号指的是本发明的相同或等同部件。

具体实施方式

应理解的是，本文使用的术语“车辆(vehicle)”或“车辆的(vehicular)”或其他类似术语包括广义的机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆在内的载客车辆；包括各种船只、船舶在内的水运工具；航空器等；并且包括混合动力车辆、电动车辆、插入式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他可替代燃料车辆(例如，源自除了石油之外的资源的燃料)。如本文中提及，混合车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如，汽油动力和电动式车辆。

本文使用的术语仅是用于描述具体实施方式的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文另有明确指示，否则，如本文所用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”以及“该(the)”旨在也包括复数形式。应进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“含有(comprising)”规定了阐述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或附加有一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。如本文使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任何和所有组合。贯穿本说明书，除非明确描述为相反地，否则词语“包括(comprise)”以及诸如“包含(comprises)”或“含有(comprising)”的变形应被理解为暗示包括所述元件，但并不排除还包括任何其他元件。此外，在说明书中描述的术语“单元(unit)”、“…器(-er)”、“…装置(-or)”或者“模块(module)”意指用于处理至少一个功能和操作的单元，并且可通过硬件部件或软件部件及其组合来实现。

进一步地，本发明的控制逻辑可体现为计算机可读介质上的包括由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于：ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读介质还可分布在网络耦合的计算机系统中，使得例如，由远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)以分布方式存储并执行该计算机可读介质。

现在将在下文中详细参考本发明的各个实施方式，其实例在附图中示出并且描述如下。虽然本发明将结合示例性实施例描述，但是应理解的是，本说明书并非旨在将本发明限制于那些示例性实施方式。相反，本发明旨在不仅覆盖这些示例性实施方式，而且覆盖可包含在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替代、修改、等同物和其他实施方式。

以下，将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式。

参考图1，根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池的阀包括：阀流动路径单元10，该阀流动路径单元具有流体通过其流入和流出的内部流动路径；螺线管单元20，其生成用于打开和关闭流动路径的动力；以及阀打开和关闭单元30，其由上述动力操作以打开和关闭流动路径。用于传递压力的压力传递单元40连接地安装在阀流动路径单元10与螺线管单元20之间。

阀流动路径单元10设置有流体流入其中的进入端口12以及流体通过其排出的排出端口14。进入端口12和排出端口14彼此连接以便限定阀流动路径单元10的内部流动路径，并且从电池堆排出的诸如气体或冷凝水的流体可流入进入端口12。

螺线管单元20通过使用在从外部施加电力时生成的电磁力来生成用于打开和关闭阀流动路径单元10的流动路径或排出端口的动力，并且螺线管单元20被构造为：在螺线管单元20层叠在阀流动路径单元10的上部上的状态下，该螺线管单元连接至阀流动路径单元10。

螺线管单元20设置有：壳体26，该壳体容纳有线圈24，在套筒22布置在壳体26的中心处的状态下，该线圈布置在耦接至阀流动路径单元10的上部的套筒22的外直径侧处；以及芯部28，该芯部安装在套筒22内部，该芯部通过穿透壳体26的上部来固定，并且通过施加至线圈24的电力来生成电磁力。

具体地，芯部28包括：主体部分28a，其位于套筒中；以及主干部分28b，其形成为与主体部分28a可整体移动并且穿透壳体26的上部。

螺纹(未示出)优选地形成在主干部分28b的外圆周上，并且在主体部分28a位于套筒22中的状态下，螺母紧固至穿透壳体26的上部的主干部分28b的外圆周，并且因此，芯部28可固定地耦接至壳体26的上部。

流体入口28c形成在芯部28中并在芯部28的纵向方向上延伸，在空气由于螺线管单元20的温度的增加而膨胀时，该流体入口用来将内部空气排出至外部。

阀打开和关闭单元30安装为以气密性方式隔离螺线管单元20与阀流动路径单元10之间的部分，并且通过由来自螺线管单元20的动力操作来打开和关闭阀流动路径单元10的排出端口14。阀打开和关闭单元30包括柱塞32，该柱塞布置在芯部28的下侧并安装为在套筒22内部可竖直地移动(其中，一弹簧构件34插入其间)，并且阀杆36借助于O型环等耦接至柱塞32的下端部分。

隔板38安装在阀杆36的下端部分，并且隔板38被构造为以气密性方式隔离套筒22与阀流动路径单元10之间的部分，并且用来在与阀杆36一起移动的同时打开和关闭阀流动路径单元10的排出端口14。

通过使用诸如橡胶、塑料或金属板的材料以薄膜的形式制造隔板38，以便维持用于燃料电池的阀中的气密性并且传递压力。

压力传递单元40布置在阀流动路径单元10和螺线管单元20的外部，并且用来在阀流动路径单元10与螺线管单元20之间传递压力。压力传递单元40包括室隔板42以及第一室单元44和第二室单元46，该第一室单元和第二室单元以气密性方式由室隔板42隔离。

第一室单元44设置有与从阀流动路径单元10的排出端口14分支的分支流动路径16流体连通的第一密闭压力传递室45，并且第一室单元44与阀流动路径单元10连接以便传递压力。

第二室单元46设置有与螺线管单元20的流体入口28c流体连通的第二密闭压力传递室47，并且第二室单元46与螺线管单元20连接以便传递压力。

第一密闭压力传递室45提供流体压力可传递至阀流动路径单元10以及从阀流动路径单元传递出流体压力的空间，并且与分支流动路径16连通的第一室开口45a布置在第一密闭压力传递室45的下端。由于第一室开口45a布置在第一密闭压力传递室45的下端，所以能够防止水分聚集在第一密闭压力传递室45中，并且必然地聚集的水分可由于重力或气体压力而通过排出端口14排出。

第二密闭压力传递室47提供流体压力可传递至螺线管单元20并从螺线管单元传递流体压力的空间，并且与螺线管单元20的流体入口28c连通的第二室开口47a布置在第二密闭压力传递室47的上端。

室隔板42安装为以气密性方式隔离第一室单元44与第二室单元46之间的部分，并且通过第一室单元44与第二室单元46之间的压力差而弹性变形来传递压力。

具体地，如图2所示，当第一室单元44中的压力低于第二室单元46中的压力时，室隔板42通过被推向第一室单元44而变形，并且因此，第一密闭压力传递室45收缩，并且第二密闭压力传递室47相对膨胀。此外，如图3所示，当第一室单元44中的压力高于第二室单元46中的压力时，室隔板42通过被推向第二室单元46而变形，并且因此，第一密闭压力传递室45膨胀，并且第二密闭压力传递室47相对收缩。

当如上所述的在第一密闭压力传递室45与第二密闭压力传递室47之间出现压力差时，室隔板42通过弹性变形来传递压力，并且因此，第一密闭压力传递室45与第二密闭压力传递室47具有相同或相似压力。

在这种情况下，室隔板42可由这样的材料制成：该材料可阻挡第一密闭压力传递室45中的流体被传递而穿过第二密闭压力传递室47，由此阻挡阀流动路径单元10中的水分或气体传递至螺线管单元20。

例如，室隔板42可由薄膜形式的材料(诸如，橡胶、塑料或金属板)制成。

利用构造为如上所述的压力传递单元40，根据本发明的用于燃料电池的阀可最小化阀流动路径单元10与螺线管单元20之间的压力差，并且因此，阀流动路径单元10与螺线管单元20始终具有几乎相同的内部压力。

换言之，在根据本发明的用于燃料电池的阀的情况下，压力传递单元40的第一室单元44和第二室单元46处于压力平衡，使得不论燃料电池系统中的诸如工作压力和温度的因素如何，与第一室单元44连通的阀流动路径单元10以及与第二室单元46连通的螺线管单元20之间的压力差都最小化。

具体地，当燃料电池系统最初在加压条件下操作时，阀流动路径单元10的压力高于螺线管单元20中的压力，但是因为室隔板42由于被推向第二室单元46而变形，所以压力被传递，并且因此，阀流动路径单元10中的压力相对降低，并且螺线管单元20中的压力相对增加，使得压力差减小。

当螺线管单元20的温度增加时，空气由于温度改变而膨胀，使得螺线管单元20中的压力变得高于阀流动路径单元10中的压力。在这种情况下，因为室隔板42通过被推向第一室单元44而变形，所以压力被传递，并且因此，阀流动路径单元10中的压力相对增加，并且螺线管单元20中的压力相对降低，使得压力差减小。

由于如上所述，压力传递单元40被构造为在螺线管单元20与阀流动路径单元10之间，所以能够最小化由燃料电池系统中的诸如工作压力和温度的因素所造成的螺线管单元20与阀流动路径单元10之间的压力差，并且因此，能够最小化弹簧构件34的负载以便维持阀打开和关闭单元30的关闭状态(在常闭阀的情况下)或者阀打开和关闭单元30的打开状态(在常开阀的情况下)。因此，操作阀打开和关闭单元30所需的磁力最小化，使得能够最小化螺线管单元20的体积和电力消耗。此外，施加至阀打开和关闭单元30的负载相对降低，使得其使用寿命可增加，并且用于燃料电池的阀的工作压力的范围可增加。

用于燃料电池的阀可被采用作为用于排出在电池堆中循环的气体的排气阀，或者用于排出从电池堆排出至外部的水(冷凝水)或将水提供至燃料电池系统的其他位置的排水阀。

图4和图5是示出根据本发明的另一示例性实施方式的用于燃料电池的阀的视图。

除了省略了从排出端口14分支的分支流动路径16以外(并且替代地，第一室开口45a与燃料电池系统的空气流动通道连通)，图4和图5所示的用于燃料电池的阀与根据上述示例性实施方式的用于燃料电池的阀具有相同结构。

参考图4，从燃料电池堆50排出并提供至空气增湿器52的空气的压力(即，在空气从燃料电池堆50排出之后且在空气流入空气增湿器52之前的空气压力)可用作用于第一室单元44的基准压力，从空气增湿器52排出至外部的空气的压力(即，由空气压缩机54提供的并随后在穿过空气增湿器52的同时排出至外部的空气的压力)可用作用于第一室单元44的基准压力，或者从空气增湿器52提供至电池堆50的空气的压力(即，在空气由于穿过空气增湿器52而增湿之后且在空气流入电池堆50之前的空气压力)可用作用于第一室单元44的基准压力。

为此，第一室开口45a被连接为与以下的空气流动通道流体连通：电池堆50的后端(空气排出端口)50a和空气增湿器52的前端(进入侧)52a之间的空气流动通道、空气增湿器52的连接至外部的后端(用于向外部排出空气的出口侧)52b处的空气流动通道、或者空气增湿器52的后端(用于向电池堆排出空气的出口侧)52c和电池堆50的前端(气体进入端口)50b之间的空气流动通道。在这种情况下，阀流动路径单元10的进入端口12连接至向第一室开口45a提供基准压力的相同空气流动通道。

具体地，与用于第一室单元44的基准压力相同的压力被提供至阀流动路径单元10的进入端口12。即，在空气从燃料电池堆50排出之后且在空气流入空气增湿器52之前的空气压力、在穿过空气增湿器52的同时排出至外部的空气的压力、或者在空气穿过空气增湿器52之后且在空气流入电池堆50之前的空气压力可用作提供至进入端口12的压力。

从电池堆50排出且提供至空气增湿器52的空气以及在穿过空气增湿器52的同时排出至外部的空气是干的，而穿过空气增湿器52并提供至电池堆50的空气是湿空气。

参考图5，由空气压缩机54提供至空气增湿器52的空气的压力(即，在空气从空气压缩机54排出之后且在空气流入空气增湿器52之前的空气压力)可用作用于第一室单元44的基准压力。

为此，第一室开口45a被连接为与空气压缩机54的后端54a和空气增湿器52的前端52a之间的空气流动通道流体连通，并且在这种情况下，阀流动路径单元10的进入端口12与向第一室开口45a提供基准压力的相同空气流动通道连接。

换言之，与用于第一室单元44的基准压力相同的压力被提供至阀流动路径单元10的进入端口12，并且具体地，在空气由空气压缩机54提供之后且在空气流入空气增湿器52之前的空气压力可用作提供至进入端口12的压力。

如上所述，由于用于允许空气在燃料电池系统中流动的空气流动通道与第一室开口45a连通，并且通过空气流动通道提供的空气的压力用作用于第一室单元44的基准压力，可期望以下效果。

1.在如图4所示的第一室开口45a被连接为与电池堆的后端(空气排出端口)50a和空气增湿器的前端(入口侧)52a之间的空气流动通道、空气增湿器的连接至外部的后端(用于向外部排出空气的出口侧)52b处的空气流动通道、或者空气增湿器的后端(用于向电池堆排出空气的出口侧)52c和电池堆的前端(气体进入端口)50b之间的空气流动通道流体连通的情况下，当燃料电池系统在加压条件下操作时，室隔板42由于被与第一室单元44连通的基准压力推向第二室单元46而变形，使得螺线管单元20中的压力相对增加，并且与阀流动路径单元10中的初始压力的压力差可减小，并且当螺线管单元20中的压力变得高于阀流动路径单元10中的压力时，室隔板42由于被推向第一室单元44而变形，使得螺线管单元20中的压力相对降低，并且与阀流动路径单元10中的压力的差可减小。

2.在如图5所示的第一室开口45a被连接为与空气压缩机的后端(出口侧)54a和空气增湿器的前端(入口侧)52a之间的空气流动通道流体连通的情况下，第一室开口45a与燃料电池系统的在空气流动通道中具有最高空气压力的空气流动通道连通，并且因此，能够最小化由室隔板42传递的压力的量。

在第一室开口45a被连接为与氢气流动通道流体连通用于允许氢气在燃料电池系统中流动的情况下，压力传递单元40可被包括在燃料供应设备中，使得能够防止在增加压力传递单元40时可能造成的用于燃料电池的阀的体积的增加，并且因为当过度压力施加至氢气流动通道时，阀流动路径单元10的排出端口14更紧密封闭，所以最小化氢气向阀的外部的泄漏。

已参考本发明的优选实施方式详细描述了本发明。然而，本领域的技术人员应理解的是，在不背离本发明的原理和精神的情况下，可在这些实施方式中进行变化，在所附权利要求及其等同物中限定本发明的范围。