CN117337500A - 燃料电池系统、控制燃料电池系统的方法和包括燃料电池系统的车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于至少部分地由电动牵引马达推进的车辆的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：燃料电池，所述燃料电池包括阳极侧和阴极侧；膨胀机，所述膨胀机连接到燃料电池马达；入口管道，所述入口管道连接到阴极侧的入口端以将空气供应到阴极侧；出口管道，所述出口管道连接在阴极侧的出口端与膨胀机的入口侧之间以将排气流从阴极侧供应到膨胀机；以及排气管道，所述排气管道连接到膨胀机的排气侧；以及热交换器，所述热交换器连接在入口管道和排气管道处以在入口管道与排气管道之间传递热量。

Description

燃料电池系统、控制燃料电池系统的方法和包括燃料电池系 统的车辆

技术领域

本发明涉及一种用于至少部分地由电动牵引马达推进的车辆的燃料电池系统。本发明还涉及一种控制燃料电池系统的方法以及一种包括这样的燃料电池系统的车辆。尽管本发明将主要涉及一种使用燃料电池来给电动牵引马达产生电力的卡车形式的车辆，但是本发明也可适用于使用燃料电池系统来产生电力的其他类型的车辆，例如，诸如包括电机以及用于推进的内燃发动机的混合动力车辆。

背景技术

车辆的推进系统不断发展以满足市场需求。特定方面涉及环境有害的排气的排放。因此，与传统内燃发动机相比，其他更环保的替代方案在车辆中进行评估和实施。优选的替代方案是使用一个或多个电机来推进车辆。

为了产生用于操作电机的电力，燃料电池装置是优选的替代方案之一。根据示例，燃料电池装置可以包括燃料电池堆，在燃料电池堆中，氢和氧的电化学反应产生电力。燃料电池堆包括供应氢气的阳极侧和供应空气的阴极侧。

进入阴极侧的空气应优选地被控制为具有一定的温度，以使燃料电池能够按需发挥作用。然而，控制空气温度需要一个消耗能量的过程。因此，期望能够以消耗较少能量的方式将空气输送到阴极的进气侧，继而有利于车辆系统效率和车辆性能，以及增加燃料电池装置的功率密度。

发明内容

因此，本发明的目的是至少部分地克服上述缺陷。

根据第一方面，提供了一种用于至少部分地由电动牵引马达推进的车辆的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：燃料电池，所述燃料电池包括阳极侧和阴极侧；膨胀机，所述膨胀机连接到燃料电池马达；入口管道，所述入口管道连接到阴极侧的入口端以将空气供应到阴极侧；出口管道，所述出口管道连接在阴极侧的出口端与膨胀机的入口侧之间以将排气流从阴极侧供应到膨胀机；以及排气管道，所述排气管道连接到膨胀机的排气侧；以及热交换器，所述热交换器连接在入口管道和排气管道处以在入口管道与排气管道之间传递热量。

膨胀机应被理解为布置成使来自燃料电池的阴极侧的出口端的排气流膨胀的部件。根据示例性实施方案，膨胀机可以是涡轮机。作为替代方案，膨胀机可以是活塞膨胀机。其他另外的替代方案也是可设想的，例如，诸如罗茨式膨胀机或螺杆膨胀机。

燃料电池马达应被理解为连接到燃料电池的马达。因此，该用词不应被解释为马达是燃料电池。此外，来自阴极侧的排气流可以包含空气、水、氢气或其任何组合。

本发明是基于以下认识：与膨胀机上游的位置相比，膨胀机下游的温度水平较低。本发明人出乎意料地认识到，膨胀机下游的温度水平可以有利地热传递到燃料电池的阴极侧的入口端。优点在于，当热量从入口管道转移到排气管道时，提供了增加的热传递，由此需要较少的辅助冷却功率。

因此，燃料电池系统能够在阴极侧的入口端与阴极侧的出口端之间进行热传递，从而提高整体系统效率。来自阴极侧的出口端的排气流可以用于将阴极侧的入口流的温度朝向想要的温度值进行改变。因此，根据入口侧处的初始温度，燃料电池系统可以用于冷却和加热这两者。

根据示例性实施方案，热交换器可以是气体-气体热交换器。因此，气体-气体热交换器在入口管道与出口管道之间传输热量。由于系统中存在空气，因此使用其他介质来实现热传递将意味着需要附加部件。因此，气体-气体热交换器特别适合这种类型的系统。而且，与例如液体(该液体在高于其沸腾温度的温度下沸腾)相比，气体-气体热交换器可以在更高的温度下传递热量。更进一步地，气体-气体热交换器能够在单个部件中的管道之间交换热量。

根据示例性实施方案，出口管道可以包括第一出口管道部分和第二出口管道部分，第一出口管道部分将燃料电池的出口端连接到热交换器，并且第二出口管道绕过热交换器并将燃料电池的出口端连接到膨胀机的入口侧。优点是，来自燃料电池的排气流可以直接提供到热交换器中和/或绕过热交换器并且仅从排气管道提供到热交换器中。优选地，并且根据示例性实施方案，燃料电池系统还可以包括布置在出口管道中的第一阀装置，第一阀装置被配置为可控地将排气流从阴极侧引导到第一出口管道部分和/或第二出口管道部分。因此，阀优选地由如下所述的控制单元控制，以将排气流引导到第一出口管道和/或第二出口管道。

根据示例性实施方案，第一阀装置可以包括第一出口管道部分中的第一阀和布置在第二出口管道部分中的第二阀。作为替代方案，第一阀装置可以布置为三通阀。

根据示例性实施方案，排气管道可以包括将膨胀机的排气侧连接到热交换器的第一排气管道部分和将膨胀机的排气侧连接到周围环境的第二排气管道。优选地，并且根据示例性实施方案，燃料电池系统还可以包括布置在排气管道中的第二阀装置，第二阀装置被配置为可控地将排气流从膨胀机的排气侧引导到第一排气管道部分和/或第二排气管道部分。由此，从膨胀机排出的流可以被引向周围环境。当在入口管道与出口管道之间不需要热传递时，或者当在系统中的另一位置已经发生热传递并且需要避免压力下降时，可以有利地实施该替代方案。第二阀装置可以由两个单独控制的阀或由单个三通阀形成。阀装置可以被布置成可控地防止来自膨胀机的排气流到达周围环境。

根据示例性实施方案，燃料电池系统还可以包括连接到第一阀装置和第二阀装置的控制单元，所述控制单元包括控制电路，所述控制电路被配置为确定车辆的当前操作模式并基于当前操作模式来控制第一阀装置和第二阀装置。

控制单元可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一可编程装置。控制单元还可包括或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置或数字信号处理器。在控制单元包括可编程装置(诸如上文所提及的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器)的情况下，处理器还可以包括控制可编程装置的操作的计算机可执行代码。

当前操作模式可以例如涉及车辆的稳态操作、燃料电池的增加的功率需求、使用具有低于预定阈值极限的温度水平的燃料电池(即冷起动操作模式)的车辆起动。

根据示例性实施方案，燃料电池系统还可以包括布置在入口管道处的空气压缩机。空气压缩机有利地将进气的压力水平提高到适合燃料电池的水平。空气压缩机还提高了进气的温度水平。

根据示例性实施方案，入口管道可以包括第一入口管道部分和第二入口管道部分，第一入口管道部分将空气压缩机连接到热交换器，并且第二入口管道部分绕过热交换器并将空气压缩机连接到阴极侧的入口端。优选地并且根据示例性实施方案，燃料电池系统还可以包括布置在入口管道中的第三阀装置，第三阀装置被配置为可控地将压缩空气流从空气压缩机引导到第一入口管道部分和/或第二入口管道部分。当进气的温度水平不需要加热或冷却时，可以有利地绕过热交换器。类似地，当出口管道不需要提高/降低其温度水平时，即当不需要从入口管道到出口管道的热传递时，以及当热交换器中应避免压力下降时，可以绕过热交换器。

根据示例性实施方案，空气压缩机可以连接到膨胀机和燃料电池马达。优选地，空气压缩机通过压缩机轴机械连接到膨胀机和燃料电池马达。作为替代方案，燃料电池马达可以通过第一轴连接到压缩机，而燃料电池马达通过第二轴连接到膨胀机，其中第一轴和第二轴是不同的轴。

根据示例性实施方案，燃料电池系统还可以包括排气阀装置，所述排气阀装置连接到出口管道以用于可控地使排气流绕过而不到达膨胀机。

根据示例性实施方案，燃料电池系统还可以包括至少一个温度传感器，所述温度传感器布置在入口管道处。根据示例性实施方案，至少一个温度传感器可以布置在热交换器与阴极侧的入口端之间。

根据示例性实施方案，至少一个温度传感器可以布置在热交换器的上游之间。使用温度传感器是有利的，因为可以基于在燃料电池系统中的不同位置处测量的温度水平来控制入口管道与出口管道之间的热传递。

根据示例性实施方案，燃料电池系统还可以包括布置在入口管道中的增压空气冷却器。优选地，并且根据示例性实施方案，燃料电池系统还可以包括增压空气冷却器，所述增压空气冷却器布置在入口管道中，在热交换器与阴极侧的入口端之间流体连通。

根据第二方面，提供了一种控制车辆的燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括：燃料电池，所述燃料电池包括阳极侧和阴极侧；膨胀机，所述膨胀机连接到燃料电池马达；热交换器；入口管道，所述入口管道连接在阴极侧的入口端与热交换器之间；以及出口管道，所述出口管道被布置成从阴极侧的出口端供应排气流，出口管道包括第一出口管道部分和第二出口管道部分，其中第一出口管道部分将阴极侧的出口端连接到热交换器，并且第二出口管道绕过热交换器并将阴极侧的出口端连接到膨胀机的入口侧，其中所述方法包括：确定车辆的当前操作模式；基于当前操作模式来控制来自阴极侧的出口端的排气流以引导到第一出口管道部分或第二出口管道部分。

第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上面关于第一方面描述的那些效果和特征。

根据第三方面，提供了一种至少部分地由电动牵引马达推进的车辆，所述电动牵引马达电连接到根据上面关于第一方面描述的实施方案中的任一者的燃料电池系统。

第三方面的效果和特征在很大程度上类似于上面关于第一方面描述的那些效果和特征。

当研究所附权利要求和以下描述时，另外的特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合不同特征以创建不同于以下描述的实施方案的实施方案。

附图说明

通过以下示例性实施方案的说明性和非限制性详细描述，将更好地理解上述内容以及附加目的、特征和优点，其中：

图1是示出呈卡车形式的车辆的示例性实施方案的横向侧视图；

图2是根据示例性实施方案的燃料电池系统的示意图；

图3是根据另一示例性实施方案的燃料电池系统的示意图；以及

图4是根据示例性实施方案的控制燃料电池系统的方法的流程图。

具体实施方式

现在将在下文参考附图更完整描述本发明，在附图中示出了示例性实施方案。然而，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方案；而是，提供这些实施方案是为了彻底和完整起见。贯穿本描述，相似的参考符号指代相似的元件。

具体参考图1，描绘了呈卡车形式的车辆10。车辆包括用于推进车辆的车轮的牵引马达101。在示例性实施方案中，牵引马达101是布置成从电池或直接从燃料电池系统100接收电力的电机，这将在下面进一步详细描述。车辆10还包括用于控制各种操作和功能的控制单元114，这也如将在下面进一步详细描述的。

为了更详细地描述燃料电池系统，参考图2，其是根据示例性实施方案的燃料电池系统的示意图。燃料电池系统100包括燃料电池102，所述燃料电池通常也称为燃料电池堆。燃料电池102可以由多于一个燃料电池组成，诸如由两个燃料电池或多个燃料电池组成。燃料电池102被示意性地示出并且仅描绘了阴极侧，即为了简化图示而省略了阳极侧。其他部件也可以包括在燃料电池系统中但未在图2中描绘，诸如加湿器旁路以及加湿器和电池堆的旁路或阀。

燃料电池系统100还包括连接到燃料电池102的阴极侧的入口端106的入口管道104。入口管道104被布置成将空气供应到阴极侧。燃料电池系统100还包括连接到燃料电池102的阴极侧的出口端110的出口管道108。由此，排气流从燃料电池102的出口端110供应并进入出口管道108。

此外，燃料电池系统100包括空气压缩机112、膨胀机116和燃料电池马达118。优选地，并且根据图2所描绘的示例性实施方案，空气压缩机112、膨胀机116和燃料电池马达118通过压缩机轴120彼此机械连接。因此，燃料电池马达118被布置成控制和操作空气压缩机112和膨胀机118。空气压缩机112被布置成接收周围空气122并对所述周围空气加压。经加压的周围空气优选地经由空气过滤器(未示出)供应到入口管道104，并提供到燃料电池102的入口端106中。膨胀机116连接到出口管道108，并且因此接收来自燃料电池102的出口端110的排气流并使所述排气流膨胀。从膨胀机116膨胀的空气被供应到燃料电池系统100的排气管道124中。因此，出口管道108连接到膨胀机116的入口侧126，而排气管道124连接到膨胀机116的排气侧128。

燃料电池系统100还包括热交换器130。热交换器130优选地为气体-气体热交换器并且连接在入口管道104与排气管道124之间。因此，存在于热交换器130中的气体被配置为在入口管道104与排气管道124之间传递热量，如编号为132的虚线所示。

作为另一替代方案，并且如示例性实施方案中所描绘的，燃料电池系统100还可以包括连接到入口管道104和出口管道106的加湿器140。加湿器140被配置为将湿气从出口管道传递到入口管道。加湿器可以将进气以及来自燃料电池102的排气流控制在期望的湿度水平。燃料电池系统100还可以包括布置在入口管道104中的中间冷却器150，诸如增压空气中间冷却器。中间冷却器150优选地定位成在热交换器130与燃料电池102的入口端106之间流体连通。当提供与加湿器140组合的中间冷却器150时，中间冷却器150优选地布置成在热交换器130与加湿器140之间流体连通。中间冷却器150被配置为在进气被供应到燃料电池102的入口端106之前可控地调整进气。尽管图2中未描绘，但是中间冷却器150优选地连接到车辆10的冷却系统。

借助于图2所描绘的示例性实施方案，周围空气122优选地经由过滤器(未示出)被空气压缩机112接收。空气压缩机对空气加压并将加压空气朝向燃料电池102的入口端106供应，在所述燃料电池处产生电力。燃料电池102将阴极排气通过出口端110排放并排入出口管道108。排气流被进一步引导到膨胀机116中，所述膨胀机使空气膨胀并将膨胀的空气供应到排气管道124。来自空气压缩机112的加压空气和来自膨胀机116的膨胀空气也被引导通过热交换器130，以在入口管道104和排气管道124之间提供热传递。

为了更详细地描述燃料电池系统100的示例性实施方案，参考图3，其是根据另一示例性实施方案的燃料电池系统的示意图。图2中的燃料电池系统和图3中的燃料电池系统共享许多上述特征，因此下面将仅描述图3中与图2的示例性实施方案不同的特征。

如图3中可以看出，出口管道108包括将燃料电池102的出口端110连接到热交换器130的第一出口管道部分202。第一出口部分202被布置成穿过热交换器130并且被布置成与膨胀机116流体连通。由此，来自燃料电池102的出口端110的排气流可以在到达膨胀机116之前被引导到热交换器130中。出口管道108还包括绕过热交换器130的第二出口部分204。来自燃料电池102的出口端110的排气流可以通过第二出口部分204被引导到膨胀机116而不经过热交换器130。出口管道因此由第一出口管道部分202和第二出口管道部分204形成。为了控制来自燃料电池102的出口端110的排气流的流动方向，燃料电池系统100包括布置在出口管道108中的第一阀装置208、208'。因此，第一阀装置208、208'控制出口管道108中的排气流以引导到热交换器130中和/或绕过热交换器。第一阀装置208'被描绘为包括第一出口管道部分202中的第一阀208和第二出口管道部分204中的第二阀208'。然而，第一阀装置208、208'同样也可以布置为定位在第一出口管道部分202与第二出口管道部分204之间的交叉部中的三通阀。

此外，排气管道124包括将膨胀机116的排气侧126连接到热交换器130的第一排气管道部分210。排气管道124还包括将膨胀机116的排气侧126连接到周围环境的第二排气管道212。因此，从膨胀机供应到排气管道124中的膨胀机空气可以被可控地引导到热交换器130和/或周围环境。为了控制来自膨胀机116的空气的流动方向，燃料电池系统100包括布置在排气管道124中的第二阀装置214。尽管第二阀装置214被描绘为定位在第一排气管道部分210中，但是应容易理解，第二阀装置214被配置为或可以被配置为防止来自膨胀机的空气流到达周围环境而不经过热交换器130。

此外，入口管道104包括将空气压缩机112连接到热交换器130的第一入口管道部分220。入口管道104还包括绕过热交换器130的第二入口管道部分222。因此，来自空气压缩机112的加压空气可以通过第二入口管道部分222被引导到燃料电池102的入口端106，而不经过热交换器130。为了控制来自空气压缩机112的加压空气的流动方向，燃料电池系统包括布置在入口管道104中的第三阀装置224、224'。第三阀装置224、224'被描绘为由两个独立可控阀形成，但也可以由单个三通阀形成，例如所述单个三通阀定位在第一入口管道部分220与第二入口管道部分222之间的交叉部中。

更进一步地，图3中例示的燃料电池系统100包括连接到出口管道108的排气阀装置230。排气阀装置230被配置为可控地使排气流绕过而不到达膨胀机116。在图3中，排气阀装置230布置在出口管道108与排气管道124之间，但也可以布置在出口管道108与周围环境之间。

还如图3所描绘的，燃料电池系统100包括布置在入口管道104中的温度传感器240、245。温度传感器240、245被布置成确定进气在到达燃料电池102之前的温度水平。在图3的示例性实施方案中，温度传感器由布置在热交换器130与燃料电池102的入口端106之间的第一温度传感器240和布置在热交换器130上游(即在空气压缩机112与热交换器130之间)的第二温度传感器245形成。尽管图3中未描绘，但燃料电池系统还可以在燃料电池中或在燃料电池的壳体中包含温度传感器。由此，可以确定燃料电池的温度水平。

如上面关于图1所述，车辆10并且因此继而燃料电池系统100包括控制单元114。如图3中可以看出，控制单元114连接到上述阀装置、燃料电池马达和温度传感器中的每一者。控制单元114因此被配置为接收指示入口管道104中的温度水平的数据，在打开位置与关闭位置之间控制不同阀装置，并且接收来自燃料电池马达118的操作数据，并控制燃料电池马达118的操作。控制单元114还可以连接到车辆控制系统以接收指示例如车辆的当前操作模式的信号。

现在下面将描述如何控制上述燃料电池系统100中的空气流的各种示例性实施方案。根据第一示例性实施方案，车辆在正常操作模式下操作，在正常操作模式下，燃料电池102不需要额外的电力来产生电力。在这种情况下，并且当温度传感器240、245中的至少一者将指示温度水平低于预定阈值极限的信号传输到控制单元114时，即进气需要加热时，控制单元114控制第一阀装置208、208'以引导来自燃料电池102的出口端110的排气流绕过热交换器130。因此，排气流被引导到第二出口部分204中并且被进一步引导到膨胀机116。而且，第二阀装置214布置在关闭位置，使得来自膨胀机116的空气被引导到周围环境并且不进入热交换器130。此外，控制单元114控制第三阀装置224、224'以引导来自空气压缩机的加压空气绕过热交换器130，即引导通过第二入口管道部分222。

另一方面，当温度传感器240、245中的至少一者将指示温度水平高于预定阈值极限的信号传输到控制单元114时，即进气需要冷却时，控制单元114控制第一阀装置208、208'以引导来自燃料电池102的出口端110的排气流通过热交换器130。因此，排气流被引导到第一出口部分202中并且被进一步引导到膨胀机116。而且，第二阀装置214布置在关闭位置，使得来自膨胀机116的空气被引导到周围环境并且不进入热交换器130。此外，控制单元114控制第三阀装置224、224'以引导来自空气压缩机的加压空气通过热交换器130，即引导通过第一入口管道部分220。

根据另一示例性实施方案，当控制单元114接收到指示期望增加车辆10的功率的信号时，控制第一阀装置208、208'以引导来自燃料电池102的出口端102的排气流绕过热交换器130，即引导通过第二出口部分204。第二阀装置114布置在打开位置以将空气从膨胀机116引导到热交换器130中。最终，控制第三阀装置224、224'以引导来自空气压缩机的加压空气通过热交换器130，即引导通过第一入口管道部分220。在该示例中，热交换器130降低进入燃料电池102的入口端106的空气的温度水平。

根据另外的示例性实施方案，当控制单元114接收到指示车辆10的起动操作(即燃料电池系统100的启动操作)的信号时，并且当入口空气需要提高其温度水平时，控制单元114控制第一阀装置208、208'以引导来自燃料电池102的出口端110的排气流通过热交换器130。因此，排气流被引导到第一出口部分202中并且被进一步引导到膨胀机116。而且，第二阀装置214布置在关闭位置，使得来自膨胀机116的空气被引导到周围环境并且不进入热交换器130。此外，控制单元114控制第三阀装置224、224'以引导来自空气压缩机的加压空气通过热交换器130，即引导通过第一入口管道部分220。

另一方面，如果在起动操作期间温度水平太高，则控制单元114控制第一阀装置208、208'以引导来自燃料电池102的出口端110的排气流绕过热交换器130。因此，排气流被引导到第二出口部分204中并且被进一步引导到膨胀机116。而且，第二阀装置214布置在关闭位置，使得来自膨胀机116的空气被引导到周围环境并且不进入热交换器130。此外，控制单元114控制第三阀装置224、224'以引导来自空气压缩机的加压空气绕过热交换器130，即引导通过第二入口管道部分222。

基于上文，当需要冷却进气时，可以使用热交换器来实现从入口管道到出口管道和/或排气管道的热传递。因此，为了实现进入燃料电池102的空气的期望温度水平，在燃料电池系统100的各个部件中需要较少的冷却。这带来了降低传统部件的功耗并因此提高燃料电池系统100的效率的有利效果。这继而也将使得排气系统中有更多可用能量。具体而言，排气温度较高使得膨胀机中能够提取更多能量，这有助于提高系统效率。排气温度的升高还使得空气在冷凝之前能够具有更高的水含量，这是积极的，因为可以避免由于水冷凝而导致膨胀机磨损。

在进气需要提高其温度水平的情况下，热交换器可以用于将热量从出口管道和/或从排气管道传递到入口管道。这将再次降低燃料电池系统100的各个部件用以实现供应到燃料电池102的入口端的空气的期望温度所需的能量传递。在这种情况下，如上所述，热交换器130优选地被绕过。后一示例在上面详细描述并且有利地在燃料电池102的启动情况期间或在寒冷气候中的操作期间实施。燃料电池中的温度传感器在此可以提供燃料电池是否需要加热的指示。例如，如果燃料电池需要更高的温度，并且压缩机之后的空气低于燃料电池排气，则热交换是有益的。另一方面，如果压缩机之后的温度比燃料电池之后的温度高，则当燃料电池温度低于期望温度时不需要热交换。如果不存在热交换，则加热将必须由例如能量效率较低的电加热系统或其他加热系统来支持。因此，需要更少的电池容量，并且燃料电池系统100在各种操作模式下操作所需的部件数量减少。

为了总结以上内容，现在参考图4，其是根据示例性实施方案的控制燃料电池系统的方法的流程图。在操作期间，控制单元114确定S1车辆10的当前操作模式。上面描述了各种操作模式的详细示例性实施方案。基于当前操作模式，控制单元114控制S2第一阀装置208、208'以及第二阀装置214。因此，控制单元114控制来自燃料电池的空气流从燃料电池102的出口端直接供应到热交换器，或者通过排气管道124供应到热交换器。控制单元114还可以控制第三阀装置224、224'以引导进气通过热交换器130或绕过热交换器130，即，将进气从空气压缩机引导到燃料电池102的入口端106而不经过热交换器130。

应当理解，本公开不限于上述和附图中所示的实施方案；而是，本领域技术人员将认识到可以在所附权利要求的范围内进行许多改变和修改。

Claims (19)

1.一种用于至少部分地由电动牵引马达推进的车辆的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：

燃料电池，所述燃料电池包括阳极侧和阴极侧；

膨胀机，所述膨胀机连接到燃料电池马达；

入口管道，所述入口管道连接到所述阴极侧的入口端以将空气供应到所述阴极侧；出口管道，所述出口管道连接在所述阴极侧的出口端与所述膨胀机的入口侧之间以将来自所述阴极侧的排气流供应到所述膨胀机；以及排气管道，所述排气管道连接到所述膨胀机的排气侧；以及

热交换器，所述热交换器连接在所述入口管道和所述排气管道处以在所述入口管道与所述排气管道之间传递热量。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述热交换器是气体-气体热交换器。

3.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其中所述出口管道包括第一出口管道部分和第二出口管道部分，所述第一出口管道部分将所述燃料电池的所述出口端连接到所述热交换器，并且所述第二出口管道绕过所述热交换器并将所述燃料电池的所述出口端连接到所述膨胀机的所述入口侧。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统还包括布置在所述出口管道中的第一阀装置，所述第一阀装置被配置为可控地将所述排气流从所述阴极侧引导到所述第一出口管道部分和/或所述第二出口管道部分。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中所述第一阀装置包括所述第一出口管道部分中的第一阀和布置在所述第二出口管道部分中的第二阀。

6.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其中所述排气管道包括将所述膨胀机的所述排气侧连接到所述热交换器的第一排气管道部分和将所述膨胀机的所述排气侧连接到周围环境的第二排气管道。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统还包括布置在所述排气管道中的第二阀装置，所述第二阀装置被配置为可控地将所述排气流从所述膨胀机的所述排气侧引导到所述第一出口管道部分和/或所述第二出口管道部分。

8.根据权利要求4和7所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统还包括连接到所述第一阀装置和所述第二阀装置的控制单元，所述控制单元包括控制电路，所述控制电路被配置为：

确定所述车辆的当前操作模式；以及

基于所述当前操作模式来控制所述第一阀装置和所述第二阀装置。

9.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统还包括布置在所述入口管道处的空气压缩机。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中所述入口管道包括第一入口管道部分和第二入口管道部分，所述第一入口管道部分将所述空气压缩机连接到所述热交换器，并且所述第二入口管道部分绕过所述热交换器并将所述空气压缩机连接到所述阴极侧的所述入口端。

11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统还包括布置在所述入口管道中的第三阀装置，所述第三阀装置被配置为可控地将压缩空气流从所述空气压缩机引导到所述第一入口管道部分和/或所述第二入口管道部分。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的燃料电池系统，其中所述空气压缩机连接到所述膨胀机和所述燃料电池马达。

13.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统还包括排气阀装置，所述排气阀装置连接到所述出口管道以用于可控地使所述排气流绕过而不到达所述膨胀机。

14.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统还包括至少一个温度传感器，所述温度传感器布置在所述入口管道处。

15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述至少一个温度传感器布置在所述热交换器与所述阴极侧的所述入口端之间。

16.根据权利要求14和15中任一项所述的燃料电池系统，其中所述至少一个温度传感器布置在所述热交换器的上游之间。

17.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统还包括增压空气冷却器，所述增压空气冷却器布置在所述入口管道中，在所述热交换器与所述阴极侧的所述入口端之间流体连通。

18.一种控制车辆的燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括：

燃料电池，所述燃料电池包括阳极侧和阴极侧；

膨胀机，所述膨胀机连接到燃料电池马达；

热交换器；

入口管道，所述入口管道连接在所述阴极侧的入口端与所述热交换器之间；以及

出口管道，所述出口管道被布置成从所述阴极侧的出口端供应排气流，所述出口管道包括第一出口管道部分和第二出口管道部分，其中所述第一出口管道部分将所述阴极侧的所述出口端连接到所述热交换器，并且所述第二出口管道绕过所述热交换器并将所述阴极侧的所述出口端连接到所述膨胀机的入口侧，

其中所述方法包括：

确定所述车辆的当前操作模式；

基于所述当前操作模式来控制来自所述阴极侧的所述出口端的所述排气流以引导到所述第一出口管道部分或所述第二出口管道部分。

19.一种至少部分地由电动牵引马达推进的车辆，所述电动牵引马达电连接到根据权利要求1至17中任一项所述的燃料电池系统。