CN115552156A - 燃料电池车辆***用的带有次级安全设备的阀 - Google Patents
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Abstract
一种用于燃料电池车辆***的减压阀(6),该减压阀包括入口(24)、出口(28)、第一级单元(40)、第二级单元(60)以及作用在该入口(24)与该第一级单元(40)之间的次级安全设备(200)。该次级安全设备(200)适于当该入口(24)与该第一级单元(40)之间的气体流量超过预设阈值流量时降低或停止该气体流量。
Description
本发明属于燃料电池车辆***的部件的领域,这些燃料电池车辆***的部件被设计用于安装在车辆上,这些车辆诸如是机动车辆、商用车辆、用于运输货物和人员的车辆。特别地,用于管理罐与燃料电池组之间的气体、特别是氢气的流动的阀是本发明的主题。
众所周知,燃料电池车辆***包括用于储存高压氢气(高达350巴或700巴)的罐、应用于该罐的多功能阀(通常被称为OTV阀)、在该OTV阀的下游的减压阀(被称为HPR阀)、在该HPR阀的下游的另外的次级阀、以及最后的用于产生电流的燃料电池组。
由于罐中的储存氢的压力升高,HPR阀的作用至关重要;事实上,如果在升高的压力下将氢气供应到燃料电池组,则燃料电池组会有破裂的风险。因此,还必须包括安全***以防止高压氢气到达燃料电池组。
为此,目前已知的HPR阀包括安全设备(被称为PRV阀),该安全设备在检测到HPR阀出口处的压力大于阈值时,允许氢气的突然释放。
本发明的目的是获得一种减压阀,该减压阀进一步提高了安全水平。
根据权利要求1的减压阀实现了这种目的。从属权利要求表明了本发明的其他有利实施方案。
根据附图中的图、从下面以非限制性示例的方式给出的描述,根据本发明的减压阀的特征和优点将变得显而易见,在附图中:
-图1示出了燃料电池车辆***的示意图,该燃料电池车辆***包括根据本发明实施方案的HPR阀;
-图2展示了减压阀处于正常操作配置的剖视图;
-图3表示了减压阀处于次级安全设备的激活配置的剖视图;
-图4示出了减压阀的一部分的放大图,其中,次级安全设备处于非激活配置;以及
-图5示出了减压阀的一部分的放大图,其中,次级安全设备处于激活配置。
参照附图的图,燃料电池车辆***的一个示例整体用1表示,该燃料电池车辆***包括:
-罐2,该罐用于储存高压氢气(例如,高达350巴或700巴);
-多功能阀或OTV 4阀,该多功能阀或OTV阀应用于罐2,并且除了具有进一步的安全功能外,该多功能阀或OTV阀优选地适于在加燃料时调节罐的气体入口以及在使用该***时调节气体出口;
-减压阀或HPR 6阀,该减压阀或HPR阀布置在OTV 4阀的下游,适于将压力从上游值p1(气体以该上游值离开OTV 4阀)降低到下游值p2;
-优选地,另外的次级阀8,该另外的次级阀布置在HPR 6阀的下游;以及
-燃料电池组10,该燃料电池组适于通过转化氢气来产生电流。
为了清楚起见,下面将描述根据实施方案的减压阀;然而,本发明也可适用于具有不同配置的减阀。
HPR 6阀包括:阀本体20,该阀本体例如由单件金属材料(典型地,铝)制成;布置在阀本体20中的第一级单元或高压级单元40;以及布置在阀本体20中在第一级单元40下游的第二级单元或低压级单元60。
HPR 6阀还包括入口本体22和出口本体26,该入口本体具有应用于阀本体20在第一级单元40上游的入口24,该出口本体具有应用于阀本体20在第二级单元60下游的出口28。
阀本体20具有经校准的入口通道30、第一级活塞腔室32、中间通道34、第二级活塞腔室36和出口通道38。
第一级单元40包括第一级活塞42、弹性推力装置44、前垫圈46和后垫圈48。与垫圈46、48配合的第一级活塞42可滑动地密封容纳在第一级活塞腔室32中。
第一级活塞42被配置成用作入口通道30与中间通道34之间的分流器。
第二级单元60包括第二级活塞62、弹性推力装置64、前垫圈66和后垫圈68。内部通道70在第二级活塞62的端部之间制成。与垫圈66、68配合的第二级活塞62可滑动地密封容纳在第二级活塞腔室36中。
第二级活塞62被配置成用作中间通道34与内部通道70或出口通道38之间的分流器。
在HPR阀的正常操作配置中,通过存在于入口通道30中的气体的压力和推力装置44对第一级活塞42产生的开启作用由通过存在于底部隔室54中的气体的压力对第一级活塞42产生的关闭作用平衡;在这种配置中,第一级活塞42将入口通道30与中间通道34之间的通道分开,从而导致压力下降。
类似地,在这种配置中,通过存在于中间通道34中的气体的压力和推力装置64对第二级活塞62产生的开启作用由通过存在于出口通道38中的气体的压力对第二级活塞62产生的关闭作用平衡;在这种配置中,第二级活塞62将中间通道34与内部通道70或出口通道38之间的通道分开,从而导致压力进一步下降。
HPR 6阀还包括主安全设备80,该主安全设备适于当所述出口通道38中的气体压力超过预定阈值时使气体突然从出口通道38离开。
例如,出口本体26设置有与出口通道38连通的安全通道82,该安全通道由主安全设备80的挡板84闭合。所述主安全设备80还包括推力装置86,该推力装置适于永久地作用,以便在闭合安全通道82时保持挡板84。
当出口通道38中的气体压力超过预定阈值时,挡板84开启安全通道82,并且气体突然通过所述安全通道82离开到外部,例如,通过主安全设备80的挡板门88的内部、推力装置86的弹簧90内部、并穿过在主安全设备80的闭合本体94中制成的通气孔92。
从正常操作配置来看,有可能是,例如由于第一级活塞或第二级活塞发生堵塞,出口通道38中的气体压力增加直到它超过预定阈值,从而导致主安全设备80的激活。
优选地,主安全设备80是可逆的,因为当出口通道38中的气体压力返回到阈值以下时,挡板84再次关闭安全通道82,并且如果条件合适,HPR阀6返回到正常操作。
此外,根据本发明,包括了次级安全设备200,该次级安全设备在机械上独立于第一级单元40,优选地作用在第一级单元40的上游,以在气体流量超过预定阈值时限制气体从入口24到入口通道30的通过。
根据实施方案,入口本体22具有:具有校准截面的上游管道100,该上游管道与入口24连通;主隔室102,在该主隔室的上游,上游管道100向外敞开;以及下游管道104,该下游管道在主隔室102的下游、与阀本体20的入口通道30连通。
次级安全设备200包括容置在主隔室102中的流动挡板202,该流动挡板被配置成受到从上游管道100朝向下游管道104流动的气体流量冲击,并且在所述气体流量的作用下可移动以限制气体从上游管道100朝向下游管道104的通过。
根据优选实施方案,流动挡板202包括沿挡板轴线X延伸的元件,该元件在面向上游管道100的上游端204与面向下游管道104的下游端206之间。流动挡板202具有内部挡板通道208,该内部挡板通道在至少一个入口开口204a开启的上游端204与至少一个出口开口206a开启的下游端206之间。
例如,入口开口204a布置在与挡板轴线X正交的平面上,例如与上游管道100的截面同轴,并且优选地具有比上游管道100的截面的直径更大的直径。
例如,此外,设置了多个出口开口206a,这些出口开口布置成环,在挡板通道208与下游管道104之间形成径向通道。
优选地,此外,辅助开口206b存在于下游端206处,例如与入口开口204a同轴。
次级安全设备200还包括推力装置210,该推力装置包括例如弹簧212,该弹簧永久地作用在流动挡板202上以保持气体从上游管道100流动到下游管道104。
例如,推力装置210用于保持流动挡板202的上游端204紧靠在上游管道100敞开的壁上。
根据优选实施方案,主隔室102与下游管道104之间的连接由主孔口214产生,为了限制气体朝向下游管道104的通过,该主孔口由流动挡板202的下游端206封闭。
例如,主孔口214由邻接壁216界定,该邻接壁具有朝向主孔口214会聚的截头圆锥形邻接表面218。相应地,流动挡板202的下游端206包括环形封闭壁220,该环形封闭壁具有在封闭方向上会聚的截头圆锥形封闭表面222。
根据优选实施方案,次级安全设备200包括罗盘224,该罗盘容置在主隔室102中,例如被旋入主隔室中,该罗盘包括具有轴向延伸部的环形引导壁226和具有径向延伸部的底壁228,主孔口214在该径向延伸部中敞开。
优选地,流动挡板202的外部尺寸被限定为使得所述挡板由引导壁226平移地引导。
在次级安全设备的静止配置(其中,从上游管道100朝向下游管道104的气体流量小于预定阈值)中,主孔口214未被阻塞并且气体从上游管道100朝向下游管道104流动。在这种配置中,流动挡板202处于限制开启位置,这使得主孔口214保持自由;例如,在极限开启位置中,流动挡板202紧靠在上游管道100敞开的壁上,并且通过推力装置210的作用保持在该位置中。
在次级安全设备200的激活配置(其中,从上游管道100朝向下游管道104的气体流量大于预定阈值)中,主孔口214被流动挡板202阻挡并且气体从上游管道100朝向下游管道104的通过被降低或停止。在这种配置中,气体流量对挡板的作用已经克服了推力装置210的作用,并且流动挡板202处于极限关闭位置,这使得主孔口214分开或闭合;例如,在极限关闭位置中,流动挡板202紧靠在主孔口214敞开的邻接壁216上。
然而,次级安全设备200被配置成以机械上独立于第一级单元40的方式起作用,在这种意义上,次级安全设备不受第一级单元的配置的影响,例如,不受第一级单元的部件所采取的位置的影响。有利地,这确保了当第一级单元以及第二级单元发生堵塞时所述次级安全设备200也能介入。
总体而言,配备有次级安全设备200的HPR阀包括三种操作配置:
-正常操作配置,其中,第二级单元60(即出口通道38中)的气体压力小于阈值,并且第一级单元40的上游(即从上游管道100流动到下游管道104)的气体流量小于阈值;在这种配置中,主安全设备80被停用并且次级安全设备被停用;
-第一异常配置,其中,第二级单元60下游的气体压力大于阈值,并且第一级单元40上游的气体流量小于阈值;在这种配置中,主安全设备80被激活(气体离开到外部)并且次级安全设备被停用;
-第二异常配置,其中,第二级单元60下游的气体压力大于阈值,并且第一级单元40上游的气体流量大于阈值;在这种配置中,主安全设备80被激活并且次级安全设备被激活(到第一级单元的气体流量被降低或停止)。
创新地,根据本发明的配备有次级安全设备的阀允许可靠性水平的提高,因为在尽管气体由于过压而离开到外部,朝向减压器的气体流量继续增加的情况下,次级安全设备阻止了减压器上游的气体流动。
如预期的那样,上述的减压阀是本发明的应用的一个示例。
根据一种变体,减压阀仅设置有一个减压级,并且次级安全设备布置在所述单个减压级的上游。
根据另一变体,减压阀没有在第二减压级下游或单个减压级下游布置的主安全设备,并且仅设置有布置在第一减压级上游或单个减压级上游的次级安全设备。
根据另一变体,次级安全设备作用在第一级单元的下游,但是在第二级单元的上游。
根据上述变体,减压级是机械的。
根据另一变体,减压级中的至少一个减压级是电子的。换言之,在这种实施方案变体中,产生了导致压力降低的限制的活塞由比例螺线管激活,代表活塞上游的气体压力的信号被发送到该比例螺线管并且平移地控制所述活塞以便增加或减少限制,从而分别降低或增加活塞下游的气体压力。
显然,为了满足偶然的需要,本领域技术人员可以对上述减阀进行改变,所有这些改变都包含在由所附权利要求以及前述变体限定的保护范围内。
Claims (16)
1.一种用于燃料电池车辆***的减压阀(6),所述减压阀包括入口(24)、出口(28)、第一级单元(40)、第二级单元(60)以及次级安全设备(200),气体以上游压力(p1)存在于所述入口中,所述气体以下游压力(p2)存在于所述出口中,所述第一级单元适于将压力从所述上游压力(p1)降低到中间压力,所述第二级单元布置在所述第一级单元(40)的下游、适于将压力从所述中间压力降低到所述下游压力(p2),所述次级安全设备作用在所述入口(24)与所述第一级单元(40)之间、在机械上独立于所述第一级单元(40),所述次级安全设备(200)适于在封闭配置中在所述入口(24)与所述第一级单元(40)之间的气体流量超过预设阈值流量时降低或停止所述气体流量。
2.根据权利要求1所述的减阀,其中,所述次级安全设备(200)包括流动挡板(202),所述流动挡板布置在上游管道(100)与下游管道(104)之间,所述上游管道与所述入口(24)连通,所述下游管道与所述出口(28)连通,所述挡板(202)受到从所述上游管道(100)朝向所述下游管道(104)流动的气体流量冲击。
3.根据权利要求2所述的减阀,其中,所述流动挡板(202)包括沿挡板轴线(X)延伸的元件,所述元件在面向所述上游管道(100)的上游端(204)与面向所述下游管道(104)的下游端(206)之间,并且所述元件在至少一个入口开口(204a)敞开的所述上游端(204)与至少一个出口开口(206a)敞开的所述下游端(206)之间具有内部挡板通道(208)。
4.根据权利要求3所述的减阀,其中,所述入口开口(204a)布置在与所述挡板轴线(X)正交的平面上,例如,与所述上游管道(100)的截面同轴。
5.根据权利要求4所述的减阀,其中,所述入口开口(204a)具有比所述上游管道(100)的通道截面的直径更大的直径。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的减阀,其中,设置多个出口开口(206a),所述多个出口开口布置成环,在所述挡板通道(208)与所述下游管道(104)之间形成径向通道。
7.根据前述权利要求中任一项所述的减阀,其中,所述次级安全设备(200)包括辅助开口(206b),所述辅助开口被配置成当所述次级安全设备(200)处于所述封闭配置时也连接所述挡板通道(208)和所述下游管道(104),从而限制在所述挡板通道(208)与所述下游管道(104)之间通过的所述气体流量。
8.根据前述权利要求中任一项所述的减阀,其中,所述次级安全设备(200)包括推力装置(210),所述推力装置在保持气体从所述上游管道(100)到所述下游管道(104)通过的意义上永久地作用在所述流动挡板(202)上。
9.根据前述权利要求中任一项所述的减阀,其中,所述流动挡板(202)在主隔室(102)中是可移动的,并且其中,所述主隔室(102)通过主孔口(214)与所述下游管道(104)连通,为了限制气体朝向所述下游管道(104)的通过,所述主孔口在所述封闭配置中由所述流动挡板(202)的所述下游端(206)封闭。
10.根据权利要求9所述的减阀,其中,所述主孔口(214)由邻接壁(216)界定,所述邻接壁具有朝向所述主孔口(214)会聚的截头圆锥形邻接表面(218),并且所述流动挡板(202)的下游端(206)包括环形封闭壁(220),所述环形封闭壁具有用于紧靠所述邻接表面(218)的截头圆锥形封闭表面(222)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的减阀,所述减阀包括主安全设备(80),所述主安全设备适于当参考压力超过预定阈值时使所述气体离开。
12.根据权利要求11所述的减阀,其中,所述主安全设备(80)作用在所述第一级单元(40)的下游和所述第二级单元(60)的上游。
13.根据权利要求11所述的减阀,其中,所述主安全设备(80)作用在所述第二级单元(60)的下游。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的减阀,其中,所述主安全设备(80)是可逆的。
15.根据前述权利要求中任一项所述的减阀,其中,所述第一级单元是机械的或电子的。
16.根据前述权利要求中任一项所述的减阀,其中,所述第二级单元是机械的或电子的。
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