CN106169593B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括用于向燃料电池堆供应包含氧的空气的空气供应单元。加湿器加湿所供应的空气。空气供应管线连接在燃料电池堆的阴极进口和加湿器之间以将加湿后的空气供应至燃料电池堆。阴极侧排气管线连接在燃料电池堆的阴极出口和加湿器之间以将从燃料电池堆的阴极排放的阴极废气供应至加湿器，以在加湿器中用于加湿。统一阀模块包括连接在空气供应管线和阴极侧排气管线之间的旁路管线以及排放阴极废气至外部的对外排放口，并且控制加湿器和燃料电池堆之间与旁路管线和对外排放口之间的气流。

Description

燃料电池系统
技术领域
本公开内容涉及燃料电池系统。具体而言，本公开内容涉及在其没有火灾危险的运行范围方面满足全球技术法规(GTR)的安全燃料电池系统。
背景技术
用于环境友好型氢燃料电池车辆的燃料电池系统包括通过反应气体的电化学反应生成电能的燃料电池堆。氢供应器供应燃料气体，即氢，至燃料电池堆。空气供应器供应包括氧化气体(即氧)的空气。热和水管理系统控制燃料电池堆的运行温度，并且执行水管理功能。燃料电池系统控制器控制燃料电池系统的整体运行。
图1是示出一般燃料电池系统的配置的示意图。在燃料电池系统中，其氢供应器包括氢储存器(储氢罐)21、氢供应管线22、调节器(未示出)、氢压力控制阀23和氢再循环器。燃料电池系统的空气供应器包括鼓风机33和加湿器34。燃料电池系统的热和水管理系统(未示出)包括脱水器、电机驱动水泵(冷却水泵)、水箱、散热器等。
从氢供应器的储氢罐21供应的高压氢，在调节器(未示出)中由氢压力控制阀23减压至预定压力之后，在阴极的进口侧被供应至燃料电池堆10。在该情况下，根据燃料电池堆10的运行条件，减压的氢在通过压力控制来控制其量的同时被供应至燃料电池堆。
即，从储氢罐21供应后穿过调节器的氢，在受到氢压力控制阀23的压力控制后，在阴极的进口侧被供应至燃料电池堆10。氢压力控制阀23将由调节器减压的氢调整至适合堆运行条件的压力。
在氢再循环器中，喷射器或再循环鼓风机25连接至燃料电池堆10的阳极处的再循环管线24，以再循环没有被燃料电池堆10的阳极使用的未反应的氢并且以再使用氢。
空气供应器通过加湿器34来加湿由鼓风机33供应的空气，并且随后经由空气供应管线35供应加湿后的空气至燃料电池堆10。
根据燃料电池堆10的运行而在供应至燃料电池堆10的阴极的空气中包含的氮以及在燃料电池堆10的阴极产生的水(水和水蒸气)穿过被布置在燃料电池堆10中的电解质膜，并且随后移动至燃料电池堆10的阳极。
氮减小氧的局部压力，从而降低燃料电池堆10的性能。所产生的水会将隔板通道的流道阻塞，从而限制氢的运动。由于在燃料电池堆10内穿过电解质膜而馈送至阳极的诸如氮、水和水蒸气的杂质的量增多，阳极处的氢的量减少，因此，反应效率降低。
因此，为了确保燃料电池堆10的稳定性能，有必要通过阳极的定期吹扫(periodicpurging)来从通道中的交换的空气和液滴移除氮。
即，吹扫阀门40连接至燃料电池堆10的阳极的出口管线，用于氢的吹扫。为了增加燃料电池堆10中的氢的纯度，氢吹扫通过在车辆行驶期间以预定周期的间隔周期性地打开吹扫阀门40来执行。也打开吹扫阀门40，以在燃料电池系统的关闭(停止)或燃料电池系统的启动时吹扫燃料电池堆10中的氢。在该情况下，所吹扫的氢通过燃料电池堆10的阳极出口侧的排气管线41、在阴极侧的排气管线36以及加湿器34侧的排气管线37向外排出。
由于来自阳极的氢被定期排出，诸如氮气或水分的杂质通过氢的排出从燃料电池堆10内的隔板通道中移除。藉此，实现氢浓度和氢使用率的提高，以及气体扩散和反应作用的增强成为可能。
吹扫阀门40是电磁控制阀，根据来自用于氢浓度管理的燃料电池系统控制器(未示出)的命令，该电磁控制阀周期性地打开或关闭。当吹扫阀门40被打开时，存在于燃料电池堆10中的诸如水分或氮气的杂质，通过连接至排气管线37的车辆排气口排放至大气中。
当吹扫阀门40在车辆的驾驶期间被打开时，通过燃料电池堆10内的阳极(相对高压)和阴极之间的压力差，氢经由排气管线36和37可被排放至大气中。在该情况下，杂质与氢被一同排出，因而可维持燃料电池堆10的期望输出。
图2是燃料电池系统中的空气流动的示意图。参考图2，空气截断阀32和38分别安装在鼓风机33的进口侧的空气供应管线31以及加湿器34的出口侧的排气管线37。
在图2的配置中，通过燃料电池堆10的阴极侧出口和排气管线36排放的湿空气与通过吹扫阀门40排放的、穿过加湿器34后的氢，一起通过排气管线37向外排出。
此外，在接受从燃料电池堆10的阴极通过排气管线36排放的湿空气中的水分后，加湿鼓风机33供应的干空气，并且随后经由空气供应管线35被供应至燃料电池堆10的阴极。
由于空气截断阀32和38分别安装于鼓风机33的进口侧和加湿器34的出口侧，所以，空气沿着包括空气截断阀32、鼓风机33、加湿器34、堆(阴极)10、加湿器34和空气截断阀38的路径流动。
空气截断阀32和38控制为处于打开状态，以允许空气沿着上文所提路径流动。
在下文中，将会描述在常规燃料电池系统中遇到的问题。
首先，在燃料电池系统关闭之后，空气截断阀32和38都被关闭。在该状态下，根据吹扫阀门40的开度而吹扫的氢，在穿过阳极侧排气管线(图1中为“41”)和阴极侧排气管线36之后，不仅剩余在加湿器34中，而且剩余在空气截断阀32和38、鼓风机33、加湿器34与燃料电池堆10的阴极之间的管线31、35、36和37中。
当这些空气残留在系统内时，燃料电池堆10的性能劣化和耐久性劣化就会发生。
在燃料电池车辆中，当向外排放的氢浓度不超过预定水平时，可确保安全，而无火灾危险。一般来说，从燃料电池车辆中排放的氢浓度被调节为8％或更低的峰值并且3秒的具有4％或更低的平均值。
为了通过所排出的氢浓度的降低来满足这样的全球技术法规(GTR)，汽车公司使用将氢积聚于稀释设备中，并且然后在被稀释之后通过喷射排出的方法，以及燃烧氢的方法。
但是，当从燃料电池系统的关闭到下一次启动的时间变长时(当燃料电池堆的关闭时间变长)时，会出现燃料电池堆10内的氢穿过电解质膜跨越至阴极的现象。随着燃料电池堆10的性能劣化变得严重，跨越至阴极的氢量增加。
在启动期间被吹扫的氢、在燃料电池堆10中穿过电解质膜跨越到阴极的氢和在关机期间积聚于加湿器中的氢，通过由鼓风机33供应的空气被喷射，并因此，通过排气管线37被排出。在该情况下，氢未与空气混合的情况下被推入排气管线37，因此，增加了氢的浓度和火灾风险。并且，可能无法满足全球技术法规(GTR)。
在常规情况下，氢浓度的降低通过控制器中软件的改变来实现。但是，这样的氢浓度降低是有限度的。当堆的劣化变得严重时，燃料电池堆10内的氢渗入阴极的现象增多，因而向外排放的氢浓度增加。并且，不可能满足期望法规。
当关机(停止)发生在5℃或更低的环境温度下时，为了防止燃料电池堆10内的水结冰，鼓风机33被驱动以排放燃料电池堆10内的水至排气管线36和37。因此，在冬季以低于水的冰点的温度冷起动得到实现。
在该情况下，部分从燃料电池堆10排放的水被馈送回燃料电池堆10，并且因而，可能无法实现有效除水。当燃料电池堆10内残留水在冬季结冰时，冷起动所需的启动时间会增加或者会发生启动故障。
发明内容
致力于完成本公开内容以解决与现有技术相关联的上述问题。
本发明构思的一方面是提供一种安全燃料电池系统，不考虑燃料电池堆的劣化状态，在其没有火灾风险的情况下在运行范围方面满足全球技术法规(GTR)。
本发明构思的另一方面是提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统防止燃料电池系统关机后残留的空气造成燃料电池堆的性能劣化和耐久性劣化。
本发明构思的又一方面是提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统能解决与冷起动、冷启动时间的延迟和由冬季水结冰造成的空气截断阀结冰相关联的问题。
根据本发明构思的实施方式，一种燃料电池系统，包括空气供应单元，用于将包括氧的空气作为氧化气体供应至燃料电池堆。加湿器加湿由空气供应单元供应的空气。空气供应管线连接于燃料电池堆的阴极的进口和加湿器之间，并且供应加湿后的空气至燃料电池堆。阴极侧排气管线连接于燃料电池堆的阴极出口和加湿器之间，并且供应从燃料电池堆的阴极排放的阴极废气至加湿器，以在加湿器中用于加湿。统一阀模块连接至空气供应管线和阴极侧排气管线，并且包括连接于空气供应管线和阴极侧排气管线之间的旁路管线和排放阴极废气至外部的对外排放口，以控制加湿器和燃料电池堆之间以及旁路管线和对外排放口之间的气流。
统一阀模块可包括安装于空气供应管线处的第一阀门和安装于阴极侧排气管线处的第二阀门。旁路管线将第一阀门和第二阀门连接，并且对外排放口设置在第二阀门处。第一阀门选择性地打开和关闭空气供应管线的连接至加湿器出口的第一供应管线、空气供应管线的连接至燃料电池堆的阴极进口的第二供应管线以及旁路管线。第二阀门选择性地打开和关闭阴极侧排气管线的连接至燃料电池堆的阴极出口的第一排气管线、阴极侧排气管线的连接至加湿器进口的第二排气管线、旁路管线和对外排放口。
第一和第二阀门中的每个可为电磁阀门，根据来自控制器的控制信号独立控制电磁阀门的打开或闭合操作。
第一和第二阀门中的每个可包括阀壳，第一和第二供应管线以及第一和第二排气管线连接至该阀壳。阀体被安装于阀壳以根据阀体的旋转操作选择性地打开和关闭连接至阀壳的第一和第二供应管线以及第一和第二排气管线。阀门致动器根据来自控制器的控制信号使阀体旋转，以选择性地打开和关闭第一和第二供应管线及第一和第二排气管线。
第一和第二阀门具有一体阀门结构，其中第一和第二阀门的阀壳被一体连接。
燃料电池堆的安装吹扫阀门的阳极侧排气管线可连接至第一排气管线，以在吹扫阀门打开期间引导吹扫氢(purged hydrogen)流动至第一排气管线。
在由空气供应单元供应的空气在加湿器内被阴极废气加湿后，被供应至燃料电池堆的燃料电池系统的正常运行模式下，第一阀门在打开第一和第二供应管线的同时关闭旁路管线。在空气供应单元被驱动的条件下，第二阀门在打开第一和第二排气管线的同时关闭旁路管线和对外排放口。
在执行燃料电池系统的启动的启动模式下，第一阀门可打开第一供应管线、第二供应管线以及旁路管线。在空气供应单元被驱动的条件下，第二阀门在打开第一排气管线、第二排气管线和旁路管线的同时关闭对外排放口，以将存在于燃料电池堆的阴极和阴极侧排气管线的氢在与由空气供应单元供应的空气稀释后，经由加湿器和连接至加湿器出口的排气管线排放到外部。
启动模式可包括第一控制运行模式和在第一控制运行模式执行之后将被执行的第二控制运行模式。在第一控制运行模式中，在空气供应单元被驱动的条件下，第一阀门可在打开第一供应管线和旁路管线的同时关闭第二供应管线，并且第二阀门在打开第二排气管线和旁路管线的同时关闭第一排气管线和对外排放口。在第二控制运行模式中，在空气供应单元被驱动的条件下，第一阀门可打开第一供应管线、第二供应管线和旁路管线，并且第二阀门在打开第一排气管线、第二排气管线和旁路管线的同时关闭对外排放口。
在燃料电池系统的关机状态下，第一阀门可关闭第二供应管线，并且第二阀门可关闭第一排气管线。
在车辆中的温度传感器在燃料电池系统关机期间，检测的环境温度等于或低于基准温度的低温条件下，执行加湿器旁路模式，其中第一阀门在打开第一供应管线和第二供应管线的同时关闭旁路管线。在空气供应单元驱动的条件下，第二阀门在打开第一排气管线和对外排放口的同时关闭第二排气管线和旁路管线，以将空气供应单元供应的空气在经过燃料电池堆的阴极后绕开加湿器，通过对外排放口排出至外部。
执行加湿器旁路模式达预定时间段。在加湿器旁路模式执行之后，在空气供应单元的运行停止的状态下，可执行关机模式，其中第一阀门关闭第二供应管线，并且第二阀门关闭第一排气管线。
应当理解，术语“车辆”或“车辆的”或本文使用的其他类似术语囊括广义的机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客车辆；包括各种小船和海船的船只；飞行器等；并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力车辆、氢动力车辆和其他替代燃料汽车(例如，来源于除石油外的其他资源的燃料)。作为本文所称的混合动力车辆是具有两个或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电动力的车辆。
本发明的上述和其他特征在下文中进行讨论。
附图说明
现在参考有附图的某些示例性实施方式来详细描述本公开内容的上述和其他特征，且因此，并不限制本公开内容，附图在下文中仅以图示方式给出。
图1是示出现有技术的一般燃料电池系统的配置的示意图。
图2是现有技术的一般燃料电池系统内空气流动的示意图。
图3是示出根据本发明构思的实施方式的其中安装统一阀模块的燃料电池系统的视图。
图4至图7是示出根据本发明构思的实施方式的根据统一阀模块的控制模式的多个阀门状态的视图。
应理解的是，附图不一定按比例绘出，而是呈现说明本发明的基本原理的各种特征的略微简化的表示。本文所公开的包括诸如特定的尺寸、方向、位置以及形状的本公开内容的特定设计特征由具体的预期应用和使用环境来确定。
在图形中，参考编号在附图的全部几个图中，指代本发明的相同或等同部分。
具体实施方式
下文中，现将详细提及本发明构思的各种实施方式，在附图中示出且在下文中描述了各个实施方式的实例。虽然将结合示例性实施方式描述本发明，但将会理解，本描述并非旨在将发明限制于这些示例性实施方式中。相反，本发明旨在不仅涵盖示例性实施方式，而且涵盖包括于由所附权利要求限定的发明的精神和范围内的各种替代、更改、等同物和其他实施方式。
图3是示出根据本发明构思的实施方式的其中安装统一阀模块的燃料电池系统的视图。
如图3所示，统一阀模块50被安装于连接燃料电池堆10和加湿器34的空气供应管线35和堆阴极侧排气管线36之间。
空气供应管线35是一种管线，来自作为空气供应单元(ASU)的鼓风机的干空气，在自加湿器34接收水分后，沿着该管线被供应至燃料电池堆。阴极侧排气管线36是一种管线，阴极废气，即，通过燃料电池堆10的阴极出口排出的湿空气，沿着该管线被供应至加湿器34，用以与干空气交换水分。
燃料电池堆10的阳极侧排气管线41(如图1所示，吹扫阀门40被安装于该阳极侧排气管线)被连接至阴极侧排气管线36，因而当吹扫阀门40被打开时，被吹扫的氢流动至阴极侧排气管线36。
统一阀模块50具有统一模块构造，包括：将空气供应管线35和阴极侧排气管线36连接的旁路管线59a，以及由旁路管线59a连接的第一和第二阀门51和55。
此处，第一阀门51被布置在空气供应管线35的中部。第二阀门55布置在阴极侧排气管线36的中部。
参考图3，第一阀门51(是三通阀)安装于连接加湿器34的出口和燃料电池堆10的阴极进口的空气供应管线35上。第二阀门55(是四通阀)安装于连接燃料电池堆10的阴极出口和加湿器34的进口的阴极侧排气管线36上。
更详细地说，第一阀门51选择性地打开和关闭空气供应管线35的连接至加湿器34出口的第一供应管线35a、空气供应管线35的连接至燃料电池堆10的阴极进口的第二供应管线35b、和旁路管线59a。
第二阀门55另外包括排放阴极废气至外部的对外排放口59b。第二阀门55选择性打开和关闭阴极侧排气管线36的连接至燃料电池堆10的阴极出口的第一排气管线36a、阴极侧排气管线36的连接至加湿器34的进口的第二排气管线36b、旁路管线59a、和对外排放口59b。
第一和第二阀门51和55中的每个是电磁阀门，根据来自控制器(例如典型的电子控制单元(ECU，未示出))的控制信号独立控制阀门的打开或闭合操作。第一和第二阀门51和55中的每个包括阀壳50a，上文所述多个线路被连接至该阀壳50a。阀体54或58被安装于阀壳50a内，从而根据其旋转操作，选择性打开和关闭连接至阀壳50a的线路。阀门致动器(A1、A2)根据来自控制器的控制信号来驱动，以旋转阀体54或58，从而选择性打开和关闭多个线路。
在某个实施方式中，第一和第二阀门51和55可具有一体的阀门结构，其中第一和第二阀门51和55的阀壳50a被连接。
在另一个实施方式中，在阀门51和55每一个中的阀门致动器(A1、A2)包括电机(M1、M2)，该电机(M1、M2)的驱动根据从控制器输出的电信号来控制。阀门51或55每个中的阀体54或58被安装于相应的阀壳50a内，以在电机(M1、M2)的驱动期间通过从电机(M1、M2)接收的旋转力来旋转，并且因而选择性打开和关闭相应的多个线路。
用于传动旋转力的构成部件，即，用来减速电机(M1、M2)的旋转力的减速齿轮和用来传动由减速齿轮减速后的旋转力至每个阀体54或58的动力传动机构，可介于电机的驱动轴和阀体54或58的旋转中心轴之间。
更详细地说，驱动齿轮52或56被安置于电机(M1、M2)的驱动轴上，并且减速齿轮53或57与驱动齿轮52或56啮合。减速齿轮53或57比驱动齿轮52或56具有更多轮齿。动力传动机构以动力传动方式将减速齿轮53或57的旋转轴连接至阀体54或58的旋转轴。作为动力传动机构，可使用通过输送带连接两个旋转轴的滑轮的带式传动机构，或者通过输送链连接两个旋转轴的链齿轮的链式传动机构。
在其上安装吹扫阀门的燃料电池堆10的阳极侧排气管线(图1中为“41”)，(图1中为“40”)连接至第一排气管线36a，并且因而，当吹扫阀门40被打开时，吹扫的氢流动至第一排气管线36a。
统一阀模块50根据从控制器输出的控制信号进行控制，以按照选自于正常运行模式、启动模式、关机模式和加湿器旁路模式的控制模式运行。此处，每个阀门中的阀门致动器(A1、A2)的驱动根据来自控制器的控制信号进行控制，并且因此，当相应阀体旋转至预定位置时，执行所选出的控制模式。
图4至图7是示出了根据本公开内容中的统一阀模块的控制模式的多个阀门状态的视图。
首先，正常运行模式是在燃料电池系统正常运行的条件下选出的控制模式。如图4所示出的，在正常运行模式下，第一阀门51根据来自控制器的控制信号，在关闭旁路管线59a的同时打开第一和第二供应管线35a和35b。此外，根据来自控制器的控制信号，第二阀门55在关闭旁路管线59a和对外排放口59b的同时打开第一和第二排气管线36a和36b。
结果，通过在加湿器34的靠近鼓风机的进口侧的空气供应管线31供应的空气在加湿器34内被加湿，并且随后经由第一供应管线35a、第一阀门51和第二供应管线35b被供应至燃料电池堆10的阴极。从燃料电池堆10的阴极排放的空气，在穿过第一排气管线36a、第二阀门55、第二排气管线36b、加湿器34和位于加湿器34出口侧的排气管线37后，与经由吹扫阀门被排放至第一排气管线36a的吹扫的氢一同排放至外部。
接着，在燃料电池系统启动时，执行启动模式。在该模式下，在燃料电池系统正常运行前，存在于燃料电池堆10的阴极和排气管线36a中的氢，在使用由鼓风机33供应的新鲜空气稀释后，被排放至外部。
在启动模式中，统一阀模块50根据来自控制器的控制信号在两个步骤中进行控制。在启动模式的第一步骤中，在鼓风机33的驱动期间，从加湿器34的出口排放至燃料电池堆10的第一空气供应管线35a的空气，在经由第一阀门51、旁路管线59a和第二阀门55被导入加湿器34之后，被排放至排气管线37，而未被导入燃料电池堆10。
如图5A所示出的，第一阀门51被控制为在打开第一供应管线35a和旁路管线59a的同时关闭第二供应管线35b。
此外，在启动模式的第一步中，第二阀门55在打开第二排气管线36b和旁路管线59a的同时关闭第二排气管线36a和对外排放口59b。
因此，当鼓风机33在启动模式的第一步骤中被驱动时，由鼓风机33供应的空气被导入加湿器34，并且随后在穿过连接至加湿器34的出口的第一供应管线35a、第一阀门51、旁路管线59a、第二阀门55、第二排气管线36b和加湿器34之后，经由加湿器34的出口侧的排气管线37排放至外部。
因此，在启动模式的第一步骤中，由鼓风机33供应的空气穿过加湿器34，并且然后，经由第一阀门51和第二阀门55被引导再次流经加湿器34之后，通过排气管线37被排放至外部，而不被供应至燃料电池堆10。此处，没有氢通过排气管线37排放。
在预定时间过后，根据来自控制器的控制信号，执行用于控制统一阀模块50的启动模式的第二步骤。在启动模式的第二步骤中，在燃料电池系统的正常运行的执行之前，在统一阀模块50中，存在于燃料电池堆10的阴极和排气管线36a中的氢在使用由鼓风机33供应的新鲜空气稀释后，被排放至外部。
如图5B中所示，第一阀门51控制为打开第一供应管线35a、旁路管线59a和第二供应管线35b。第二阀门55控制为在关闭对外排放口59b的同时打开第一排气管线36a、第二排气管线36b和旁路管线59a。
相应地，当鼓风机33在启动模式的第二步骤中被驱动时，由鼓风机33供应的空气在穿过加湿器34之后，经由连接至加湿器出口的第一空气供应管线35a被导入第一阀门51。被导入第一阀门51的空气分流至第二空气供应管线35b和旁路管线59a。因此，部分空气被供应至燃料电池堆10的阴极，并且空气的剩余部分经由旁路管线59a被供应至第二阀门55。
此外，在启动模式的第二步骤中，存在于燃料电池堆10的阴极和第一排气管线36a中的氢(吹扫的氢、跨越至燃料电池堆10的阴极的氢等)，由被导入第一阀门51之后经由第二供应管线35b供应至燃料电池堆10的阴极的空气移动至第二阀门55。移动至第二阀门55的氢与经由第一供应管线35a、第一阀门51和旁路管线59a导入第二阀门55的新鲜空气混合，从而被稀释，并且随后经由第二排气管线36b、加湿器34和排气管线37被排放至外部。
根据以上描述的本公开内容，根据燃料电池启动和氢稀释，排放至外部的氢浓度降低，因而，在降低火灾风险的同时满足全球技术法规(GTR)。
在上文所述对启动模式的控制之后，执行对正常运行模式的控制，从而执行燃料电池系统的正常运行。
接着，当燃料电池系统关机时，执行作为对统一阀模块的一种控制模式的关机模式。在该模式下，统一阀模块50控制为闭合燃料电池堆10的阴极进口和出口。
正如图6中所示出的，在关机模式下，根据来自控制器的控制信号，以与启动模式的第一步骤相同的方式控制第一阀门51。
此外，在关机模式下，根据来自控制器的控制信号，控制第二阀门55，在关闭第一排气管线36a和对外排放口59b的同时打开旁路管线59a和第二排气管线36b。
在鼓风机33的关闭状态下，在吹扫阀门的吹扫操作之前，当燃料电池系统关机时，执行关机模式控制。相应地，当关闭时，由吹扫阀门吹扫的氢存在于第一排气管线36a中。
在该情况下，第一和第二阀门51和55关闭连接至燃料电池堆10的阴极进口的第二空气供应管线35b和连接至燃料电池堆10的阴极出口的第一排气管线36a，从而分别发挥常规空气截断阀的功能。
此外，在上文所描述的关机状态下，少量空气存在于燃料电池堆10和多个管线中，因而，使燃料电池堆10的性能劣化和耐久性劣化最小化。
最后，当燃料电池系统在其中安装在车辆内的温度传感器检测到的温度等于或低于基准值的低温条件下关闭时，执行加湿器旁路模式。换言之，加湿器旁路模式是用于排放存在于燃料电池堆10和排气管线36a中的水的一种控制模式。
在加湿器旁路模式中，统一阀模块50控制为经由加湿器34和统一阀模块50的第一阀门51，移动在鼓风机33的驱动期间由鼓风机33供应的空气至燃料电池堆10的阴极进口，并且与此同时，由供应至燃料电池堆10的阴极的空气穿过统一阀模块50的第二阀门55和对外排放口59b来排放存在于燃料电池堆10的阴极和第一排气管线36a中的水至外部，在此期间，在旁路管线59a关闭的条件下，防止水通过加湿器34。
参考图7，在加湿器旁路模式下，根据来自控制器的控制信号，在鼓风机33驱动期间，第一阀门51控制为在关闭旁路管线59a的同时，打开第一供应管线35a和第二供应管线35b。
根据来自控制器的控制信号，第二阀门55控制为在关闭第二排气管线36b和旁路管线59a的同时，打开第一排气管线36a和对外排放口59b。
相应地，通过在靠近鼓风机33的加湿器34的进口侧的空气供应管线31供应的空气，在通过加湿器34之后，经由第一供应管线35a、第一阀门51和第二空气供应管线35b被供应至燃料电池堆10的阴极。此处，所供应的空气与存在于燃料电池堆10的阴极和第一排气管线36a中的水，在经过第二阀门55之后，通过对外排放口59b，被一同排放至外部。
因此，存在于燃料电池堆10的阴极和第一排气管线36a中的水，与来自燃料电池堆10的阴极的空气一同被排放至外部，而不通过加湿器34。因此，在关机时，可以有效除去存在于燃料电池堆10中的水。由此，减少冷起动所需的启动时间。
在鼓风机33的开启状态下，上文所描述的加湿器旁路模式控制被执行达预定时间。在预定时间过后，统一阀模块50控制为在关机模式下运行，从而完成燃料电池系统的关机。
由上文描述明显知道，根据本公开内容的燃料电池系统在其全部运行范围内满足GTR，并且降低火灾风险，从而确保了安全。
此外，由于在系统关机(停止)后，最低量的空气存在于燃料电池堆，所以燃料电池堆的性能劣化和耐久性劣化被减少。
此外，由于置于燃料电池堆和加湿器之间的统一阀模块发挥空气截断阀(ACV)的功能以切断位于燃料电池堆的阴极的进口和出口侧的管线，因而去除常规ACV成为可能。具体而言，使用安置于排气管线(位于加湿器下游端)上的ACV来解决与冬季发生结冰相关的问题成为可能。
此外，在低温环境中关机时，来自燃料电池堆的空气和水，被排放至外部，而不经过加湿器。因此，实现有效除去来自燃料电池堆的水以及减少车辆的冷起动所需的启动时间成为可能。
已经参考其多个实施方式，对本发明进行了详细描述。但是，本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施方式做出更改，本发明的范围由所附权利要求及其等同物所限定。

Claims (11)

1.一种燃料电池系统，包括：
空气供应单元，用于将包含氧的空气作为氧化气体供应至燃料电池堆；
加湿器，用于加湿由所述空气供应单元供应的所述空气；
空气供应管线，连接在所述燃料电池堆的阴极进口和所述加湿器之间，并且供应加湿后的空气至所述燃料电池堆；
阴极侧排气管线，连接在所述燃料电池堆的阴极出口和所述加湿器之间，并且供应从所述燃料电池堆的阴极排放的阴极废气至所述加湿器，在所述加湿器中用于加湿；以及
统一阀模块，连接至所述空气供应管线和所述阴极侧排气管线，所述统一阀模块包括：旁路管线，连接在所述空气供应管线和所述阴极侧排气管线之间；以及对外排放口，排放所述阴极废气至外部，并且所述统一阀模块控制所述加湿器和所述燃料电池堆之间与所述旁路管线和所述对外排放口之间的气流，
其中，所述统一阀模块进一步包括：
第一阀门，安装在所述空气供应管线处；以及
第二阀门，安装在所述阴极侧排气管线处，
其中，所述旁路管线连接所述第一阀门和所述第二阀门，并且所述对外排放口连接至所述第二阀门，
其中，所述第一阀门选择性地打开和关闭所述空气供应管线的连接至所述加湿器的出口的第一供应管线、所述空气供应管线的连接至所述燃料电池堆的所述阴极进口的第二供应管线以及所述旁路管线，并且
其中，所述第二阀门选择性地打开和关闭所述阴极侧排气管线的连接至所述燃料电池堆的阴极出口的第一排气管线、和所述阴极侧排气管线的连接至所述加湿器的进口的第二排气管线、所述旁路管线和所述对外排放口。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一阀门和所述第二阀门中的每个阀门是电磁阀门，根据来自控制器的控制信号独立控制所述电磁阀门的打开或关闭操作。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一阀门和所述第二阀门中的每个阀门包括：
阀壳，所述第一供应管线和所述第二供应管线以及所述第一排气管线和所述第二排气管线连接至所述阀壳；
阀体，安装在所述阀壳中并且根据所述阀体的旋转操作来选择性地打开和关闭与所述阀壳连接的所述第一供应管线和所述第二供应管线以及所述第一排气管线和所述第二排气管线；以及
阀门致动器，根据来自控制器的控制信号使所述阀体旋转，以选择性地打开和关闭所述第一供应管线和所述第二供应管线以及所述第一排气管线和所述第二排气管线。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述第一阀门和所述第二阀门具有一体阀门结构，在所述一体阀门结构中，所述第一阀门和所述第二阀门的所述阀壳一体连接。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一排气管线连接至所述燃料电池堆的安装吹扫阀门的阳极侧排气管线，以在所述吹扫阀门打开期间，引导吹扫氢流动至所述第一排气管线。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在由所述空气供应单元供应的所述空气在所述加湿器中被所述阴极废气加湿之后供应至所述燃料电池堆的所述燃料电池系统的正常运行模式中，在所述空气供应单元被驱动的条件下，所述第一阀门在打开所述第一供应管线和所述第二供应管线的同时关闭所述旁路管线，并且所述第二阀门关闭所述旁路管线和所述对外排放口。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在执行所述燃料电池系统的启动的启动模式中，在所述空气供应单元被驱动的条件下，所述第一阀门打开所述第一供应管线、所述第二供应管线和所述旁路管线，并且所述第二阀门在打开所述第一排气管线、所述第二排气管线和所述旁路管线的同时关闭所述对外排放口，以将存在于所述燃料电池堆的阴极和所述阴极侧排气管线中的氢在与由所述空气供应单元供应的所述空气进行稀释后，经由所述加湿器和连接至所述加湿器的出口的排气管线，排放至外部。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中，所述启动模式包括第一控制运行模式和在所述第一控制运行模式执行后将被执行的第二控制运行模式，
其中，在所述第一控制运行模式中，在所述空气供应单元被驱动的条件下，所述第一阀门在打开所述第一供应管线和所述旁路管线的同时关闭所述第二供应管线，并且所述第二阀门在打开所述第二排气管线和所述旁路管线的同时关闭所述第一排气管线和所述对外排放口，并且
其中，在所述第二控制运行模式中，在所述空气供应单元被驱动的条件下，所述第一阀门打开所述第一供应管线、所述第二供应管线和所述旁路管线，并且所述第二阀门在打开所述第一排气管线、所述第二排气管线和所述旁路管线的同时关闭所述对外排放口。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在所述燃料电池系统的关机状态中，所述第一阀门关闭所述第二供应管线，并且所述第二阀门关闭所述第一排气管线。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在由车辆中的温度传感器在所述燃料电池系统的关机期间测量的环境温度等于或小于基准温度的低温条件下，执行加湿器旁路模式，其中，在所述空气供应单元被驱动的条件下，所述第一阀门在打开所述第一供应管线和所述第二供应管线的同时关闭所述旁路管线，并且所述第二阀门在打开第一排气管线和所述对外排放口的同时关闭所述第二排气管线和所述旁路管线，以将由所述空气供应单元供应的所述空气在穿过所述燃料电池堆的阴极后绕开所述加湿器，通过所述对外排放口排出至外部。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中，执行所述加湿器旁路模式达预定时间段，并且然后执行关机模式，在所述关机模式中，所述第一阀门关闭所述第二供应管线，并且所述第二阀门关闭所述第一排气管线。
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