本公開內(nèi)容涉及燃料電池系統(tǒng)。具體而言，本公開內(nèi)容涉及在其沒有火災(zāi)危險(xiǎn)的運(yùn)行范圍方面滿足全球技術(shù)法規(guī)(GTR)的安全燃料電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

用于環(huán)境友好型氫燃料電池車輛的燃料電池系統(tǒng)包括通過反應(yīng)氣體的電化學(xué)反應(yīng)生成電能的燃料電池堆。氫供應(yīng)器供應(yīng)燃料氣體，即氫，至燃料電池堆?？諝夤?yīng)器供應(yīng)包括氧化氣體(即氧)的空氣。熱和水管理系統(tǒng)控制燃料電池堆的運(yùn)行溫度，并且執(zhí)行水管理功能。燃料電池系統(tǒng)控制器控制燃料電池系統(tǒng)的整體運(yùn)行。

圖1是示出一般燃料電池系統(tǒng)的配置的示意圖。在燃料電池系統(tǒng)中，其氫供應(yīng)器包括氫儲(chǔ)存器(儲(chǔ)氫罐)21、氫供應(yīng)管線22、調(diào)節(jié)器(未示出)、氫壓力控制閥23和氫再循環(huán)器。燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)器包括鼓風(fēng)機(jī)33和加濕器34。燃料電池系統(tǒng)的熱和水管理系統(tǒng)(未示出)包括脫水器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵(冷卻水泵)、水箱、散熱器等。

從氫供應(yīng)器的儲(chǔ)氫罐21供應(yīng)的高壓氫，在調(diào)節(jié)器(未示出)中由氫壓力控制閥23減壓至預(yù)定壓力之后，在陰極的進(jìn)口側(cè)被供應(yīng)至燃料電池堆10。在該情況下，根據(jù)燃料電池堆10的運(yùn)行條件，減壓的氫在通過壓力控制來控制其量的同時(shí)被供應(yīng)至燃料電池堆。

即，從儲(chǔ)氫罐21供應(yīng)后穿過調(diào)節(jié)器的氫，在受到氫壓力控制閥23的壓力控制后，在陰極的進(jìn)口側(cè)被供應(yīng)至燃料電池堆10。氫壓力控制閥23將由調(diào)節(jié)器減壓的氫調(diào)整至適合堆運(yùn)行條件的壓力。

在氫再循環(huán)器中，噴射器或再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)25連接至燃料電池堆10的陽極處的再循環(huán)管線24，以再循環(huán)沒有被燃料電池堆10的陽極使用的未反應(yīng)的氫并且以再使用氫。

空氣供應(yīng)器通過加濕器34來加濕由鼓風(fēng)機(jī)33供應(yīng)的空氣，并且隨后經(jīng)由空氣供應(yīng)管線35供應(yīng)加濕后的空氣至燃料電池堆10。

根據(jù)燃料電池堆10的運(yùn)行而在供應(yīng)至燃料電池堆10的陰極的空氣中包含的氮以及在燃料電池堆10的陰極產(chǎn)生的水(水和水蒸氣)穿過被布置在燃料電池堆10中的電解質(zhì)膜，并且隨后移動(dòng)至燃料電池堆10的陽極。

氮減小氧的局部壓力，從而降低燃料電池堆10的性能。所產(chǎn)生的水會(huì)將隔板通道的流道阻塞，從而限制氫的運(yùn)動(dòng)。由于在燃料電池堆10內(nèi)穿過電解質(zhì)膜而饋送至陽極的諸如氮、水和水蒸氣的雜質(zhì)的量增多，陽極處的氫的量減少，因此，反應(yīng)效率降低。

因此，為了確保燃料電池堆10的穩(wěn)定性能，有必要通過陽極的定期吹掃(periodic purging)來從通道中的交換的空氣和液滴移除氮。

即，吹掃閥門40連接至燃料電池堆10的陽極的出口管線，用于氫的吹掃。為了增加燃料電池堆10中的氫的純度，氫吹掃通過在車輛行駛期間以預(yù)定周期的間隔周期性地打開吹掃閥門40來執(zhí)行。也打開吹掃閥門40，以在燃料電池系統(tǒng)的關(guān)閉(停止)或燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)吹掃燃料電池堆10中的氫。在該情況下，所吹掃的氫通過燃料電池堆10的陽極出口側(cè)的排氣管線41、在陰極側(cè)的排氣管線36以及加濕器34側(cè)的排氣管線37向外排出。

由于來自陽極的氫被定期排出，諸如氮?dú)饣蛩值碾s質(zhì)通過氫的排出從燃料電池堆10內(nèi)的隔板通道中移除。藉此，實(shí)現(xiàn)氫濃度和氫使用率的提高，以及氣體擴(kuò)散和反應(yīng)作用的增強(qiáng)成為可能。

吹掃閥門40是電磁控制閥，根據(jù)來自用于氫濃度管理的燃料電池系統(tǒng)控制器(未示出)的命令，該電磁控制閥周期性地打開或關(guān)閉。當(dāng)吹掃閥門40被打開時(shí)，存在于燃料電池堆10中的諸如水分或氮?dú)獾碾s質(zhì)，通過連接至排氣管線37的車輛排氣口排放至大氣中。

當(dāng)吹掃閥門40在車輛的駕駛期間被打開時(shí)，通過燃料電池堆10內(nèi)的陽極(相對高壓)和陰極之間的壓力差，氫經(jīng)由排氣管線36和37可被排放至大氣中。在該情況下，雜質(zhì)與氫被一同排出，因而可維持燃料電池堆10的期望輸出。

圖2是燃料電池系統(tǒng)中的空氣流動(dòng)的示意圖。參考圖2，空氣截?cái)嚅y32和38分別安裝在鼓風(fēng)機(jī)33的進(jìn)口側(cè)的空氣供應(yīng)管線31以及加濕器34的出口側(cè)的排氣管線37。

在圖2的配置中，通過燃料電池堆10的陰極側(cè)出口和排氣管線36排放的濕空氣與通過吹掃閥門40排放的、穿過加濕器34后的氫，一起通過排氣管線37向外排出。

此外，在接受從燃料電池堆10的陰極通過排氣管線36排放的濕空氣中的水分后，加濕鼓風(fēng)機(jī)33供應(yīng)的干空氣，并且隨后經(jīng)由空氣供應(yīng)管線35被供應(yīng)至燃料電池堆10的陰極。

由于空氣截?cái)嚅y32和38分別安裝于鼓風(fēng)機(jī)33的進(jìn)口側(cè)和加濕器34的出口側(cè)，所以，空氣沿著包括空氣截?cái)嚅y32、鼓風(fēng)機(jī)33、加濕器34、堆(陰極)10、加濕器34和空氣截?cái)嚅y38的路徑流動(dòng)。

空氣截?cái)嚅y32和38控制為處于打開狀態(tài)，以允許空氣沿著上文所提路徑流動(dòng)。

在下文中，將會(huì)描述在常規(guī)燃料電池系統(tǒng)中遇到的問題。

首先，在燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉之后，空氣截?cái)嚅y32和38都被關(guān)閉。在該狀態(tài)下，根據(jù)吹掃閥門40的開度而吹掃的氫，在穿過陽極側(cè)排氣管線(圖1中為“41”)和陰極側(cè)排氣管線36之后，不僅剩余在加濕器34中，而且剩余在空氣截?cái)嚅y32和38、鼓風(fēng)機(jī)33、加濕器34與燃料電池堆10的陰極之間的管線31、35、36和37中。

當(dāng)這些空氣殘留在系統(tǒng)內(nèi)時(shí)，燃料電池堆10的性能劣化和耐久性劣化就會(huì)發(fā)生。

在燃料電池車輛中，當(dāng)向外排放的氫濃度不超過預(yù)定水平時(shí)，可確保安全，而無火災(zāi)危險(xiǎn)。一般來說，從燃料電池車輛中排放的氫濃度被調(diào)節(jié)為8％或更低的峰值并且3秒的具有4％或更低的平均值。

為了通過所排出的氫濃度的降低來滿足這樣的全球技術(shù)法規(guī)(GTR)，汽車公司使用將氫積聚于稀釋設(shè)備中，并且然后在被稀釋之后通過噴射排出的方法，以及燃燒氫的方法。

但是，當(dāng)從燃料電池系統(tǒng)的關(guān)閉到下一次啟動(dòng)的時(shí)間變長時(shí)(當(dāng)燃料電池堆的關(guān)閉時(shí)間變長)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)燃料電池堆10內(nèi)的氫穿過電解質(zhì)膜跨越至陰極的現(xiàn)象。隨著燃料電池堆10的性能劣化變得嚴(yán)重，跨越至陰極的氫量增加。

在啟動(dòng)期間被吹掃的氫、在燃料電池堆10中穿過電解質(zhì)膜跨越到陰極的氫和在關(guān)機(jī)期間積聚于加濕器中的氫，通過由鼓風(fēng)機(jī)33供應(yīng)的空氣被噴射，并因此，通過排氣管線37被排出。在該情況下，氫未與空氣混 合的情況下被推入排氣管線37，因此，增加了氫的濃度和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。并且，可能無法滿足全球技術(shù)法規(guī)(GTR)。

在常規(guī)情況下，氫濃度的降低通過控制器中軟件的改變來實(shí)現(xiàn)。但是，這樣的氫濃度降低是有限度的。當(dāng)堆的劣化變得嚴(yán)重時(shí)，燃料電池堆10內(nèi)的氫滲入陰極的現(xiàn)象增多，因而向外排放的氫濃度增加。并且，不可能滿足期望法規(guī)。

當(dāng)關(guān)機(jī)(停止)發(fā)生在5℃或更低的環(huán)境溫度下時(shí)，為了防止燃料電池堆10內(nèi)的水結(jié)冰，鼓風(fēng)機(jī)33被驅(qū)動(dòng)以排放燃料電池堆10內(nèi)的水至排氣管線36和37。因此，在冬季以低于水的冰點(diǎn)的溫度冷起動(dòng)得到實(shí)現(xiàn)。

在該情況下，部分從燃料電池堆10排放的水被饋送回燃料電池堆10，并且因而，可能無法實(shí)現(xiàn)有效除水。當(dāng)燃料電池堆10內(nèi)殘留水在冬季結(jié)冰時(shí)，冷起動(dòng)所需的啟動(dòng)時(shí)間會(huì)增加或者會(huì)發(fā)生啟動(dòng)故障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

致力于完成本公開內(nèi)容以解決與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)聯(lián)的上述問題。

本發(fā)明構(gòu)思的一方面是提供一種安全燃料電池系統(tǒng)，不考慮燃料電池堆的劣化狀態(tài)，在其沒有火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的情況下在運(yùn)行范圍方面滿足全球技術(shù)法規(guī)(GTR)。

本發(fā)明構(gòu)思的另一方面是提供一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)防止燃料電池系統(tǒng)關(guān)機(jī)后殘留的空氣造成燃料電池堆的性能劣化和耐久性劣化。

本發(fā)明構(gòu)思的又一方面是提供一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)能解決與冷起動(dòng)、冷啟動(dòng)時(shí)間的延遲和由冬季水結(jié)冰造成的空氣截?cái)嚅y結(jié)冰相關(guān)聯(lián)的問題。

根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施方式，一種燃料電池系統(tǒng)，包括空氣供應(yīng)單元，用于將包括氧的空氣作為氧化氣體供應(yīng)至燃料電池堆。加濕器加濕由空氣供應(yīng)單元供應(yīng)的空氣。空氣供應(yīng)管線連接于燃料電池堆的陰極的進(jìn)口和加濕器之間，并且供應(yīng)加濕后的空氣至燃料電池堆。陰極側(cè)排氣管線連接于燃料電池堆的陰極出口和加濕器之間，并且供應(yīng)從燃料電池堆的陰極排放的陰極廢氣至加濕器，以在加濕器中用于加濕。統(tǒng)一閥模塊連接至空氣供應(yīng)管線和陰極側(cè)排氣管線，并且包括連接于空氣供應(yīng)管線和陰極側(cè)排氣管線之間的旁路管線和排放陰極廢氣至外部的對外排放口，以控制加濕器和燃料電池堆之間以及旁路管線和對外排放口之間的氣流。

統(tǒng)一閥模塊可包括安裝于空氣供應(yīng)管線處的第一閥門和安裝于陰極側(cè)排氣管線處的第二閥門。旁路管線將第一閥門和第二閥門連接，并且對外排放口設(shè)置在第二閥門處。第一閥門選擇性地打開和關(guān)閉空氣供應(yīng)管線的連接至加濕器出口的第一供應(yīng)管線、空氣供應(yīng)管線的連接至燃料電池堆的陰極進(jìn)口的第二供應(yīng)管線以及旁路管線。第二閥門選擇性地打開和關(guān)閉陰極側(cè)排氣管線的連接至燃料電池堆的陰極出口的第一排氣管線、陰極側(cè)排氣管線的連接至加濕器進(jìn)口的第二排氣管線、旁路管線和對外排放口。

第一和第二閥門中的每個(gè)可為電磁閥門，根據(jù)來自控制器的控制信號(hào)獨(dú)立控制電磁閥門的打開或閉合操作。

第一和第二閥門中的每個(gè)可包括閥殼，第一和第二供應(yīng)管線以及第一和第二排氣管線連接至該閥殼。閥體被安裝于閥殼以根據(jù)閥體的旋轉(zhuǎn)操作選擇性地打開和關(guān)閉連接至閥殼的第一和第二供應(yīng)管線以及第一和第二排氣管線。閥門致動(dòng)器根據(jù)來自控制器的控制信號(hào)使閥體旋轉(zhuǎn)，以選擇性地打開和關(guān)閉第一和第二供應(yīng)管線及第一和第二排氣管線。

第一和第二閥門具有一體閥門結(jié)構(gòu)，其中第一和第二閥門的閥殼被一體連接。

燃料電池堆的安裝吹掃閥門的陽極側(cè)排氣管線可連接至第一排氣管線，以在吹掃閥門打開期間引導(dǎo)吹掃氫(purged hydrogen)流動(dòng)至第一排氣管線。

在由空氣供應(yīng)單元供應(yīng)的空氣在加濕器內(nèi)被陰極廢氣加濕后，被供應(yīng)至燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)的正常運(yùn)行模式下，第一閥門在打開第一和第二供應(yīng)管線的同時(shí)關(guān)閉旁路管線。在空氣供應(yīng)單元被驅(qū)動(dòng)的條件下，第二閥門在打開第一和第二排氣管線的同時(shí)關(guān)閉旁路管線和對外排放口。

在執(zhí)行燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)的啟動(dòng)模式下，第一閥門可打開第一供應(yīng)管線、第二供應(yīng)管線以及旁路管線。在空氣供應(yīng)單元被驅(qū)動(dòng)的條件下，第二閥門在打開第一排氣管線、第二排氣管線和旁路管線的同時(shí)關(guān)閉對外排放口，以將存在于燃料電池堆的陰極和陰極側(cè)排氣管線的氫在與由空氣供應(yīng)單元供應(yīng)的空氣稀釋后，經(jīng)由加濕器和連接至加濕器出口的排氣管線排放到外部。

啟動(dòng)模式可包括第一控制運(yùn)行模式和在第一控制運(yùn)行模式執(zhí)行之后將被執(zhí)行的第二控制運(yùn)行模式。在第一控制運(yùn)行模式中，在空氣供應(yīng)單元被驅(qū)動(dòng)的條件下，第一閥門可在打開第一供應(yīng)管線和旁路管線的同時(shí)關(guān)閉第二供應(yīng)管線，并且第二閥門在打開第二排氣管線和旁路管線的同時(shí)關(guān)閉第一排氣管線和對外排放口。在第二控制運(yùn)行模式中，在空氣供應(yīng)單元被驅(qū)動(dòng)的條件下，第一閥門可打開第一供應(yīng)管線、第二供應(yīng)管線和旁路管線，并且第二閥門在打開第一排氣管線、第二排氣管線和旁路管線的同時(shí)關(guān)閉對外排放口。

在燃料電池系統(tǒng)的關(guān)機(jī)狀態(tài)下，第一閥門可關(guān)閉第二供應(yīng)管線，并且第二閥門可關(guān)閉第一排氣管線。

在車輛中的溫度傳感器在燃料電池系統(tǒng)關(guān)機(jī)期間，檢測的環(huán)境溫度等于或低于基準(zhǔn)溫度的低溫條件下，執(zhí)行加濕器旁路模式，其中第一閥門在 打開第一供應(yīng)管線和第二供應(yīng)管線的同時(shí)關(guān)閉旁路管線。在空氣供應(yīng)單元驅(qū)動(dòng)的條件下，第二閥門在打開第一排氣管線和對外排放口的同時(shí)關(guān)閉第二排氣管線和旁路管線，以將空氣供應(yīng)單元供應(yīng)的空氣在經(jīng)過燃料電池堆的陰極后繞開加濕器，通過對外排放口排出至外部。

執(zhí)行加濕器旁路模式達(dá)預(yù)定時(shí)間段。在加濕器旁路模式執(zhí)行之后，在空氣供應(yīng)單元的運(yùn)行停止的狀態(tài)下，可執(zhí)行關(guān)機(jī)模式，其中第一閥門關(guān)閉第二供應(yīng)管線，并且第二閥門關(guān)閉第一排氣管線。

應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語“車輛”或“車輛的”或本文使用的其他類似術(shù)語囊括廣義的機(jī)動(dòng)車輛，諸如包括運(yùn)動(dòng)型多用途車輛(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車輛的載客車輛；包括各種小船和海船的船只；飛行器等；并且包括混合動(dòng)力車輛、電動(dòng)車輛、插電式混合動(dòng)力車輛、氫動(dòng)力車輛和其他替代燃料汽車(例如，來源于除石油外的其他資源的燃料)。作為本文所稱的混合動(dòng)力車輛是具有兩個(gè)或更多動(dòng)力源的車輛，例如汽油動(dòng)力和電動(dòng)力的車輛。

本發(fā)明的上述和其他特征在下文中進(jìn)行討論。

附圖說明

現(xiàn)在參考有附圖的某些示例性實(shí)施方式來詳細(xì)描述本公開內(nèi)容的上述和其他特征，且因此，并不限制本公開內(nèi)容，附圖在下文中僅以圖示方式給出。

圖1是示出現(xiàn)有技術(shù)的一般燃料電池系統(tǒng)的配置的示意圖。

圖2是現(xiàn)有技術(shù)的一般燃料電池系統(tǒng)內(nèi)空氣流動(dòng)的示意圖。

圖3是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施方式的其中安裝統(tǒng)一閥模塊的燃料電池系統(tǒng)的視圖。

圖4至圖7是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施方式的根據(jù)統(tǒng)一閥模塊的控制模式的多個(gè)閥門狀態(tài)的視圖。

應(yīng)理解的是，附圖不一定按比例繪出，而是呈現(xiàn)說明本發(fā)明的基本原理的各種特征的略微簡化的表示。本文所公開的包括諸如特定的尺寸、方向、位置以及形狀的本公開內(nèi)容的特定設(shè)計(jì)特征由具體的預(yù)期應(yīng)用和使用環(huán)境來確定。

在圖形中，參考編號(hào)在附圖的全部幾個(gè)圖中，指代本發(fā)明的相同或等同部分。

具體實(shí)施方式

下文中，現(xiàn)將詳細(xì)提及本發(fā)明構(gòu)思的各種實(shí)施方式，在附圖中示出且在下文中描述了各個(gè)實(shí)施方式的實(shí)例。雖然將結(jié)合示例性實(shí)施方式描述本發(fā)明，但將會(huì)理解，本描述并非旨在將發(fā)明限制于這些示例性實(shí)施方式中。相反，本發(fā)明旨在不僅涵蓋示例性實(shí)施方式，而且涵蓋包括于由所附權(quán)利要求限定的發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種替代、更改、等同物和其他實(shí)施方式。

圖3是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施方式的其中安裝統(tǒng)一閥模塊的燃料電池系統(tǒng)的視圖。

如圖3所示，統(tǒng)一閥模塊50被安裝于連接燃料電池堆10和加濕器34的空氣供應(yīng)管線35和堆陰極側(cè)排氣管線36之間。

空氣供應(yīng)管線35是一種管線，來自作為空氣供應(yīng)單元(ASU)的鼓風(fēng)機(jī)的干空氣，在自加濕器34接收水分后，沿著該管線被供應(yīng)至燃料電池堆。陰極側(cè)排氣管線36是一種管線，陰極廢氣，即，通過燃料電池堆10的陰極出口排出的濕空氣，沿著該管線被供應(yīng)至加濕器34，用以與干空氣交換水分。

燃料電池堆10的陽極側(cè)排氣管線41(如圖1所示，吹掃閥門40被安裝于該陽極側(cè)排氣管線)被連接至陰極側(cè)排氣管線36，因而當(dāng)吹掃閥門40被打開時(shí)，被吹掃的氫流動(dòng)至陰極側(cè)排氣管線36。

統(tǒng)一閥模塊50具有統(tǒng)一模塊構(gòu)造，包括：將空氣供應(yīng)管線35和陰極側(cè)排氣管線36連接的旁路管線59a，以及由旁路管線59a連接的第一和第二閥門51和55。

此處，第一閥門51被布置在空氣供應(yīng)管線35的中部。第二閥門55布置在陰極側(cè)排氣管線36的中部。

參考圖3，第一閥門51(是三通閥)安裝于連接加濕器34的出口和燃料電池堆10的陰極進(jìn)口的空氣供應(yīng)管線35上。第二閥門55(是四通閥)安裝于連接燃料電池堆10的陰極出口和加濕器34的進(jìn)口的陰極側(cè)排氣管線36上。

更詳細(xì)地說，第一閥門51選擇性地打開和關(guān)閉空氣供應(yīng)管線35的連接至加濕器34出口的第一供應(yīng)管線35a、空氣供應(yīng)管線35的連接至燃料電池堆10的陰極進(jìn)口的第二供應(yīng)管線35b、和旁路管線59a。

第二閥門55另外包括排放陰極廢氣至外部的對外排放口59b。第二閥門55選擇性打開和關(guān)閉陰極側(cè)排氣管線36的連接至燃料電池堆10的陰極出口的第一排氣管線36a、陰極側(cè)排氣管線36的連接至加濕器34的進(jìn)口的第二排氣管線36b、旁路管線59a、和對外排放口59b。

第一和第二閥門51和55中的每個(gè)是電磁閥門，根據(jù)來自控制器(例如典型的電子控制單元(ECU，未示出))的控制信號(hào)獨(dú)立控制閥門的打開或閉合操作。第一和第二閥門51和55中的每個(gè)包括閥殼50a，上文所述多個(gè)線路被連接至該閥殼50a。閥體54或58被安裝于閥殼50a內(nèi)，從而根據(jù)其旋轉(zhuǎn)操作，選擇性打開和關(guān)閉連接至閥殼50a的線路。閥門致動(dòng) 器(A1、A2)根據(jù)來自控制器的控制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)，以旋轉(zhuǎn)閥體54或58，從而選擇性打開和關(guān)閉多個(gè)線路。

在某個(gè)實(shí)施方式中，第一和第二閥門51和55可具有一體的閥門結(jié)構(gòu)，其中第一和第二閥門51和55的閥殼50a被連接。

在另一個(gè)實(shí)施方式中，在閥門51和55每一個(gè)中的閥門致動(dòng)器(A1、A2)包括電機(jī)(M1、M2)，該電機(jī)(M1、M2)的驅(qū)動(dòng)根據(jù)從控制器輸出的電信號(hào)來控制。閥門51或55每個(gè)中的閥體54或58被安裝于相應(yīng)的閥殼50a內(nèi)，以在電機(jī)(M1、M2)的驅(qū)動(dòng)期間通過從電機(jī)(M1、M2)接收的旋轉(zhuǎn)力來旋轉(zhuǎn)，并且因而選擇性打開和關(guān)閉相應(yīng)的多個(gè)線路。

用于傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)力的構(gòu)成部件，即，用來減速電機(jī)(M1、M2)的旋轉(zhuǎn)力的減速齒輪和用來傳動(dòng)由減速齒輪減速后的旋轉(zhuǎn)力至每個(gè)閥體54或58的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可介于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸和閥體54或58的旋轉(zhuǎn)中心軸之間。

更詳細(xì)地說，驅(qū)動(dòng)齒輪52或56被安置于電機(jī)(M1、M2)的驅(qū)動(dòng)軸上，并且減速齒輪53或57與驅(qū)動(dòng)齒輪52或56嚙合。減速齒輪53或57比驅(qū)動(dòng)齒輪52或56具有更多輪齒。動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以動(dòng)力傳動(dòng)方式將減速齒輪53或57的旋轉(zhuǎn)軸連接至閥體54或58的旋轉(zhuǎn)軸。作為動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可使用通過輸送帶連接兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的滑輪的帶式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，或者通過輸送鏈連接兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的鏈齒輪的鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)機(jī)構(gòu)。

在其上安裝吹掃閥門的燃料電池堆10的陽極側(cè)排氣管線(圖1中為“41”)，(圖1中為“40”)連接至第一排氣管線36a，并且因而，當(dāng)吹掃閥門40被打開時(shí)，吹掃的氫流動(dòng)至第一排氣管線36a。

統(tǒng)一閥模塊50根據(jù)從控制器輸出的控制信號(hào)進(jìn)行控制，以按照選自于正常運(yùn)行模式、啟動(dòng)模式、關(guān)機(jī)模式和加濕器旁路模式的控制模式運(yùn)行。此處，每個(gè)閥門中的閥門致動(dòng)器(A1、A2)的驅(qū)動(dòng)根據(jù)來自控制器的控 制信號(hào)進(jìn)行控制，并且因此，當(dāng)相應(yīng)閥體旋轉(zhuǎn)至預(yù)定位置時(shí)，執(zhí)行所選出的控制模式。

圖4至圖7是示出了根據(jù)本公開內(nèi)容中的統(tǒng)一閥模塊的控制模式的多個(gè)閥門狀態(tài)的視圖。

首先，正常運(yùn)行模式是在燃料電池系統(tǒng)正常運(yùn)行的條件下選出的控制模式。如圖4所示出的，在正常運(yùn)行模式下，第一閥門51根據(jù)來自控制器的控制信號(hào)，在關(guān)閉旁路管線59a的同時(shí)打開第一和第二供應(yīng)管線35a和35b。此外，根據(jù)來自控制器的控制信號(hào)，第二閥門55在關(guān)閉旁路管線59a和對外排放口59b的同時(shí)打開第一和第二排氣管線36a和36b。

結(jié)果，通過在加濕器34的靠近鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)口側(cè)的空氣供應(yīng)管線31供應(yīng)的空氣在加濕器34內(nèi)被加濕，并且隨后經(jīng)由第一供應(yīng)管線35a、第一閥門51和第二供應(yīng)管線35b被供應(yīng)至燃料電池堆10的陰極。從燃料電池堆10的陰極排放的空氣，在穿過第一排氣管線36a、第二閥門55、第二排氣管線36b、加濕器34和位于加濕器34出口側(cè)的排氣管線37后，與經(jīng)由吹掃閥門被排放至第一排氣管線36a的吹掃的氫一同排放至外部。

接著，在燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，執(zhí)行啟動(dòng)模式。在該模式下，在燃料電池系統(tǒng)正常運(yùn)行前，存在于燃料電池堆10的陰極和排氣管線36a中的氫，在使用由鼓風(fēng)機(jī)33供應(yīng)的新鮮空氣稀釋后，被排放至外部。

在啟動(dòng)模式中，統(tǒng)一閥模塊50根據(jù)來自控制器的控制信號(hào)在兩個(gè)步驟中進(jìn)行控制。在啟動(dòng)模式的第一步驟中，在鼓風(fēng)機(jī)33的驅(qū)動(dòng)期間，從加濕器34的出口排放至燃料電池堆10的第一空氣供應(yīng)管線35a的空氣，在經(jīng)由第一閥門51、旁路管線59a和第二閥門55被導(dǎo)入加濕器34之后，被排放至排氣管線37，而未被導(dǎo)入燃料電池堆10。

如圖5A所示出的，第一閥門51被控制為在打開第一供應(yīng)管線35a和旁路管線59a的同時(shí)關(guān)閉第二供應(yīng)管線35b。

此外，在啟動(dòng)模式的第一步中，第二閥門55在打開第二排氣管線36b和旁路管線59a的同時(shí)關(guān)閉第二排氣管線36a和對外排放口59b。

因此，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)33在啟動(dòng)模式的第一步驟中被驅(qū)動(dòng)時(shí)，由鼓風(fēng)機(jī)33供應(yīng)的空氣被導(dǎo)入加濕器34，并且隨后在穿過連接至加濕器34的出口的第一供應(yīng)管線35a、第一閥門51、旁路管線59a、第二閥門55、第二排氣管線36b和加濕器34之后，經(jīng)由加濕器34的出口側(cè)的排氣管線37排放至外部。

因此，在啟動(dòng)模式的第一步驟中，由鼓風(fēng)機(jī)33供應(yīng)的空氣穿過加濕器34，并且然后，經(jīng)由第一閥門51和第二閥門55被引導(dǎo)再次流經(jīng)加濕器34之后，通過排氣管線37被排放至外部，而不被供應(yīng)至燃料電池堆10。此處，沒有氫通過排氣管線37排放。

在預(yù)定時(shí)間過后，根據(jù)來自控制器的控制信號(hào)，執(zhí)行用于控制統(tǒng)一閥模塊50的啟動(dòng)模式的第二步驟。在啟動(dòng)模式的第二步驟中，在燃料電池系統(tǒng)的正常運(yùn)行的執(zhí)行之前，在統(tǒng)一閥模塊50中，存在于燃料電池堆10的陰極和排氣管線36a中的氫在使用由鼓風(fēng)機(jī)33供應(yīng)的新鮮空氣稀釋后，被排放至外部。

如圖5B中所示，第一閥門51控制為打開第一供應(yīng)管線35a、旁路管線59a和第二供應(yīng)管線35b。第二閥門55控制為在關(guān)閉對外排放口59b的同時(shí)打開第一排氣管線36a、第二排氣管線36b和旁路管線59a。

相應(yīng)地，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)33在啟動(dòng)模式的第二步驟中被驅(qū)動(dòng)時(shí)，由鼓風(fēng)機(jī)33供應(yīng)的空氣在穿過加濕器34之后，經(jīng)由連接至加濕器出口的第一空氣供應(yīng)管線35a被導(dǎo)入第一閥門51。被導(dǎo)入第一閥門51的空氣分流至第二 空氣供應(yīng)管線35b和旁路管線59a。因此，部分空氣被供應(yīng)至燃料電池堆10的陰極，并且空氣的剩余部分經(jīng)由旁路管線59a被供應(yīng)至第二閥門55。

此外，在啟動(dòng)模式的第二步驟中，存在于燃料電池堆10的陰極和第一排氣管線36a中的氫(吹掃的氫、跨越至燃料電池堆10的陰極的氫等)，由被導(dǎo)入第一閥門51之后經(jīng)由第二供應(yīng)管線35b供應(yīng)至燃料電池堆10的陰極的空氣移動(dòng)至第二閥門55。移動(dòng)至第二閥門55的氫與經(jīng)由第一供應(yīng)管線35a、第一閥門51和旁路管線59a導(dǎo)入第二閥門55的新鮮空氣混合，從而被稀釋，并且隨后經(jīng)由第二排氣管線36b、加濕器34和排氣管線37被排放至外部。

根據(jù)以上描述的本公開內(nèi)容，根據(jù)燃料電池啟動(dòng)和氫稀釋，排放至外部的氫濃度降低，因而，在降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)滿足全球技術(shù)法規(guī)(GTR)。

在上文所述對啟動(dòng)模式的控制之后，執(zhí)行對正常運(yùn)行模式的控制，從而執(zhí)行燃料電池系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

接著，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)，執(zhí)行作為對統(tǒng)一閥模塊的一種控制模式的關(guān)機(jī)模式。在該模式下，統(tǒng)一閥模塊50控制為閉合燃料電池堆10的陰極進(jìn)口和出口。

正如圖6中所示出的，在關(guān)機(jī)模式下，根據(jù)來自控制器的控制信號(hào)，以與啟動(dòng)模式的第一步驟相同的方式控制第一閥門51。

此外，在關(guān)機(jī)模式下，根據(jù)來自控制器的控制信號(hào)，控制第二閥門55，在關(guān)閉第一排氣管線36a和對外排放口59b的同時(shí)打開旁路管線59a和第二排氣管線36b。

在鼓風(fēng)機(jī)33的關(guān)閉狀態(tài)下，在吹掃閥門的吹掃操作之前，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)，執(zhí)行關(guān)機(jī)模式控制。相應(yīng)地，當(dāng)關(guān)閉時(shí)，由吹掃閥門吹掃的氫存在于第一排氣管線36a中。

在該情況下，第一和第二閥門51和55關(guān)閉連接至燃料電池堆10的陰極進(jìn)口的第二空氣供應(yīng)管線35b和連接至燃料電池堆10的陰極出口的第一排氣管線36a，從而分別發(fā)揮常規(guī)空氣截?cái)嚅y的功能。

此外，在上文所描述的關(guān)機(jī)狀態(tài)下，少量空氣存在于燃料電池堆10和多個(gè)管線中，因而，使燃料電池堆10的性能劣化和耐久性劣化最小化。

最后，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)在其中安裝在車輛內(nèi)的溫度傳感器檢測到的溫度等于或低于基準(zhǔn)值的低溫條件下關(guān)閉時(shí)，執(zhí)行加濕器旁路模式。換言之，加濕器旁路模式是用于排放存在于燃料電池堆10和排氣管線36a中的水的一種控制模式。

在加濕器旁路模式中，統(tǒng)一閥模塊50控制為經(jīng)由加濕器34和統(tǒng)一閥模塊50的第一閥門51，移動(dòng)在鼓風(fēng)機(jī)33的驅(qū)動(dòng)期間由鼓風(fēng)機(jī)33供應(yīng)的空氣至燃料電池堆10的陰極進(jìn)口，并且與此同時(shí)，由供應(yīng)至燃料電池堆10的陰極的空氣穿過統(tǒng)一閥模塊50的第二閥門55和對外排放口59b來排放存在于燃料電池堆10的陰極和第一排氣管線36a中的水至外部，在此期間，在旁路管線59a關(guān)閉的條件下，防止水通過加濕器34。

參考圖7，在加濕器旁路模式下，根據(jù)來自控制器的控制信號(hào)，在鼓風(fēng)機(jī)33驅(qū)動(dòng)期間，第一閥門51控制為在關(guān)閉旁路管線59a的同時(shí)，打開第一供應(yīng)管線35a和第二供應(yīng)管線35b。

根據(jù)來自控制器的控制信號(hào)，第二閥門55控制為在關(guān)閉第二排氣管線36b和旁路管線59a的同時(shí)，打開第一排氣管線36a和對外排放口59b。

相應(yīng)地，通過在靠近鼓風(fēng)機(jī)33的加濕器34的進(jìn)口側(cè)的空氣供應(yīng)管線31供應(yīng)的空氣，在通過加濕器34之后，經(jīng)由第一供應(yīng)管線35a、第一閥門51和第二空氣供應(yīng)管線35b被供應(yīng)至燃料電池堆10的陰極。此處，所 供應(yīng)的空氣與存在于燃料電池堆10的陰極和第一排氣管線36a中的水，在經(jīng)過第二閥門55之后，通過對外排放口59b，被一同排放至外部。

因此，存在于燃料電池堆10的陰極和第一排氣管線36a中的水，與來自燃料電池堆10的陰極的空氣一同被排放至外部，而不通過加濕器34。因此，在關(guān)機(jī)時(shí)，可以有效除去存在于燃料電池堆10中的水。由此，減少冷起動(dòng)所需的啟動(dòng)時(shí)間。

在鼓風(fēng)機(jī)33的開啟狀態(tài)下，上文所描述的加濕器旁路模式控制被執(zhí)行達(dá)預(yù)定時(shí)間。在預(yù)定時(shí)間過后，統(tǒng)一閥模塊50控制為在關(guān)機(jī)模式下運(yùn)行，從而完成燃料電池系統(tǒng)的關(guān)機(jī)。

由上文描述明顯知道，根據(jù)本公開內(nèi)容的燃料電池系統(tǒng)在其全部運(yùn)行范圍內(nèi)滿足GTR，并且降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，從而確保了安全。

此外，由于在系統(tǒng)關(guān)機(jī)(停止)后，最低量的空氣存在于燃料電池堆，所以燃料電池堆的性能劣化和耐久性劣化被減少。

此外，由于置于燃料電池堆和加濕器之間的統(tǒng)一閥模塊發(fā)揮空氣截?cái)嚅y(ACV)的功能以切斷位于燃料電池堆的陰極的進(jìn)口和出口側(cè)的管線，因而去除常規(guī)ACV成為可能。具體而言，使用安置于排氣管線(位于加濕器下游端)上的ACV來解決與冬季發(fā)生結(jié)冰相關(guān)的問題成為可能。

此外，在低溫環(huán)境中關(guān)機(jī)時(shí)，來自燃料電池堆的空氣和水，被排放至外部，而不經(jīng)過加濕器。因此，實(shí)現(xiàn)有效除去來自燃料電池堆的水以及減少車輛的冷起動(dòng)所需的啟動(dòng)時(shí)間成為可能。

已經(jīng)參考其多個(gè)實(shí)施方式，對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下，可對這些實(shí)施方式做出更改，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物所限定。