用于燃料电池系统的空气截止阀装置及其控制方法与流程

本发明总体涉及一种用于燃料电池系统的空气截止阀装置及其控制方法，并且更具体地，涉及以撒用于燃料电池系统的空气截止阀装置及其控制方法，其中，在启动燃料电池系统时，通过外部空气稀释而排出注入燃料电池堆中的氢气。

背景技术：

通常，燃料电池系统是通过作为燃料气体的氢气与空气中的氧气的化学反应而生成电和水的装置。氢气燃料电池车辆是使用由燃料电池系统生成的电力作为驱动源的车辆。燃料电池系统包括生成电能的燃料电池堆，并且燃料电池堆包括负极(也被称为空气电极或氧气电极或还原电极)、正极(也被称为燃料电极或氢气电极或氧化电极)以及负极与正极之间的电解质膜。

当燃料电池系统处于操作时，外部空气在穿过过滤器、鼓风机以及膜增湿器时变为潮湿空气，随后潮湿空气被提供至燃料电池堆的负极。随后，提供至燃料电池堆的正极的氢气被催化剂分解为氢离子(H⁺)和电子(e^-)。在电子(e^-)通过扩散层和隔板转移至负极的同时，只有氢离子(H⁺)穿过电解质膜并转移至负极。

在负极处，通过电解质膜转移的氢离子(H⁺)以及通过隔板转移的电子(e^-)与空气中的氧气反应，由此形成水。具体地，由于氢离子(H⁺)、的移动，电子(e^-)通过外部电路从正极向负极流动，由此产生电力。因此，当燃料电池系统处于操作时，穿过膜增湿器的潮湿空气必须被提供至燃料电池堆的负极。当燃料电池系统的操作终止时，必须阻断潮湿空气被提供至负极。因此，用于调节空气流动的空气截止阀装置安装在燃料电池堆的负极上。

空气截止阀装置安装在连接至负极的入口空气路径和出口空气路径处。当燃料电池系统的操作终止时，必须完全阻断潮湿空气被提供至负极以确保燃料电池堆的耐用性。另一方面，当氢气燃料电池车辆启动时，氢气被注入至正极，并且随后空气压缩机被驱动以便将空气注入负极中。具体地，燃料电池堆内部的吹扫氢气(purged hydrogen)可能不能利用空气充分稀释，并且随后通过注入压力流动至出口空气路径。因此，通过出口空气路径排出的废气中的氢气的浓度临时增加，由此导致不符合规定。

上述内容仅旨在帮助对本发明的背景技术的理解，而并非旨在意味着本发明落入已为本领域技术人员所熟知的相关技术的范围内。

技术实现要素：

因此，本发明提供一种用于燃料电池系统的空气截止阀装置及其控制方法，其中，在启动燃料电池系统时，注入燃料电池堆中的氢气可通过由外部空气稀释而排出。

根据本发明的一个方面，用于燃料电池系统的空气截止阀装置可包括：阀体，具有连接至燃料电池堆的负极且注入燃料电池堆中的空气通过其流动的入口空气路径以及从燃料电池堆排出的空气通过其流动的出口空气路径；旁路管体，具有连接入口空气路径与出口空气路径的旁路空气路径；以及阀瓣，以铰链方式布置在阀体处并且被构造为打开和封闭阀瓣的第一侧处的入口空气路径和出口空气路径并打开和封闭阀瓣的第二侧处的旁路空气路径。

旁路管体可基于阀瓣在注入燃料电池堆中的空气被引入的方向上与入口空气路径和出口空气路径连通。装置可进一步包括：阀马达，布置在阀体处；以及阀轴，可旋转地布置在阀体处以根据阀马达的操作而操作，其中，阀瓣与阀轴固定地耦接。

多个阀瓣可被设置，并且阀瓣打开和封闭阀瓣的第一侧处的入口空气路径和出口空气路径并打开和封闭阀瓣的第二侧处的旁路空气路径，其中，阀瓣中的每一个可包括：阀板，与阀轴耦接；以及板盖，由橡胶材料制成并覆盖阀板。与阀瓣中的每一个的第二侧对应的板盖可整体设置有第一密封突起，第一密封突起接触旁路管体的分隔壁并围绕旁路空气路径。

第一密封突起可在该第一密封突起的一部分处包括至少一个密封凹槽，第一密封突起在该部分处接触旁路管体的分隔壁。与阀瓣中的每一个的第一侧对应的板盖可整体设置有第二密封突起，第二密封突起接触旁路管体的分隔壁并围绕入口空气路径和出口空气路径。

阀体可包括：主体，形成阀体的外部形状，其中，阀瓣以铰链方式布置在主体处；以及子体，当阀瓣处于封闭操作时该子体接触阀瓣，并且该子体通过表面接触与燃料电池堆耦接，并且旁路管体可与主体耦接。子体和旁路管体可比主体具有更高精密度以提高气密性。子体和旁路管体可比主体具有更高刚性以防止由于阀瓣损坏。

在另一个示例性实施方式中，阀体可包括：主体，形成阀体的外部形状，其中，阀瓣以铰链方式布置在主体处(例如，能够倾斜或移动一倾斜角度)；以及子体，当阀瓣处于封闭操作时该子体接触阀瓣，并且该子体通过表面接触与燃料电池堆耦接，并且旁路管体可与主体整体形成为单个体(single body)。

同时，用于燃料电池系统的空气截止阀装置的控制方法可包括：防止提供至燃料电池堆的空气被注入至燃料电池堆的负极中，并且防止氢气被注入至燃料电池堆的正极中；以旁路方式分流(bypass)并排出提供至燃料电池堆的空气而不将提供至燃料电池堆的空气注入至燃料电池堆的负极中，并且将氢气注入至燃料电池堆的正极中；将提供至燃料电池堆的空气的一部分(例如，第一部分、一些等)注入至燃料电池堆的负极中，同时以旁路方式分流并排出提供至燃料电池堆的空气的另一部分(例如，第二部分、剩余部分等)，并且通过利用以旁路方式所分流的空气来稀释燃料电池堆中的氢气来排出氢气；以及在防止提供至燃料电池堆的空气被以旁路方式分流并排出的同时，通过控制器将空气注入至燃料电池堆的负极中。

根据本发明的示例性实施方式，通过提供具有连接入口空气路径与出口空气路径的旁路空气路径的旁路管体以及能够通过倾斜操作而选择性打开和封闭入口空气路径和出口空气路径以及旁路空气路径的阀瓣，并且通过操作阀瓣，可通过以旁路方式分流的外部空气稀释并排出注入燃料电池堆中的氢气。因此，能够在启动燃料电池系统时，降低排出的废气中的氢气的浓度。

附图说明

当结合附图时，通过以下详细描述，将更清晰地理解本发明的以上和其他目标、特征和其他优点，在附图中：

图1是示出应用根据本发明的示例性实施方式的空气截止阀装置的燃料电池系统的构造的视图；

图2是示出根据本发明的示例性实施方式的空气截止阀装置的立体图；

图3是示出根据本发明的示例性实施方式的空气截止阀装置的平面图；

图4是示出根据本发明的示例性实施方式的沿着图3的线A-A截取的空气截止阀装置的截面图；

图5是示出根据本发明的示例性实施方式的阀瓣的立体图和截面图；

图6是示出根据本发明的示例性实施方式的空气截止阀装置的主要部分的截面图；以及

图7是示出根据本发明的示例性实施方式的空气截止阀装置的操作的视图。

具体实施方式

应理解，如本文使用的术语“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、各种商用车辆的载客车辆；包括各种小船和海船的船只；航天器等；并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车和其他替代燃料车辆(例如，源自除了石油之外的资源的燃料)。如本文中提及，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如，汽油动力和电动式车辆。

尽管示例性实施方式描述为使用多个单元来执行示例性过程，然而，应理解，还可通过一个或多个模块来执行示例性过程。此外，应理解，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置为存储模块，并且处理器特别地被配置为执行所述模块以实现在下文中进一步描述的一个或多个过程。

此外，本发明的控制逻辑可体现为计算机可读介质上的包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行计程序指令的非易失性计算机可读介质。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、闪存盘、智能卡以及光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可分布在网络耦接的计算机系统中，从而例如通过远程通信服务器或控制器局域网络(CAN)以分布式方式存储和执行该计算机可读介质。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式之目的，并且并不旨在限制本发明。如本文使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”、以及“该(the)”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。应进一步理解，当本说明书中使用术语“包括(comprises)”和/或“包含(comprising)”指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件、和/或部件时，并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。如本文使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项的任意及所有组合。

除非具体陈述或根据上下文显而易见，否则如本文中使用的，将术语“约”理解为在本领域中正常公差的范围内，例如，在平均值的2个标准偏差内。可将“约”理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非从上下文中另外清楚，否则本文所提供的所有数值由术语“约”修饰。

在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式。本发明的示例性实施方式被呈现以使得本发明的公开内容完整，并且帮助本领域普通技术人员最佳理解本发明。对以下实施方式的各种改变是可能的，并且本发明的范围不限于以下实施方式。贯穿附图，相同参考标号将指示相同或相似部分。

首先，将描述应用根据本发明的示例性实施方式的空气截止阀装置的燃料电池系统，以便说明本发明。图1是示出应用根据本发明的示例性实施方式的空气截止阀装置的燃料电池系统的构造的视图。

如图1所示，燃料电池系统可被构造为将外部空气注入至燃料电池堆8中，其中，过滤器1、空气压缩机2、膜增湿器3以及空气截止阀装置4依次连接，并且空气截止阀装置4可连接至燃料电池堆8。具体地，燃料电池堆8可包括负极5(空气提供至该负极)、正极7(氢气提供至该正极)以及布置在负极5与正极7之间的电解质膜6。此外，空气截止阀装置4可与排气管9连接，从燃料电池堆8排出的气体通过该排气管排出。因此，外部空气在依次穿过过滤器1、空气压缩机2和膜增湿器3的同时变为包含湿气的潮湿空气。随后，通过空气截止阀装置4，选择性地，潮湿空气被提供至燃料电池堆8的负极5或以旁路方式分流至排气管9并排出。此外，提供至燃料电池堆8的正极7的氢气的一部分通过空气截止阀装置4的操作而经由排气管9排出。

此外，以下将描述根据本发明的示例性实施方式的空气截止阀装置。图2是示出根据本发明的示例性实施方式的空气截止阀装置的立体图，图3是示出根据本发明的示例性实施方式的空气截止阀装置的平面图，图4是示出沿着图3的线A-A截取的空气截止阀装置的截面图，图5是示出根据本发明的示例性实施方式的阀瓣的立体图和截面图，图6是示出根据本发明的示例性实施方式的空气截止阀装置的主要部分的截面图，并且图7是示出根据本发明的示例性实施方式的空气截止阀装置的操作的视图。

如附图所示，根据本发明的示例性实施方式的空气截止阀装置4可包括：阀体10，具有出口空气路径13和连接至燃料电池堆8的负极5的入口空气路径11；旁路管体20，具有旁路空气路径21；以及阀瓣30，以铰链方式布置在阀体10处并且被构造为打开和封闭入口空气路径11、出口空气路径13和旁路空气路径21。根据本示例性实施方式的空气截止阀装置4可以是蝴蝶型阀装置，其与螺线管类型相比，在成本方面是有利的。

阀体10可包括：入口空气路径11，连接至燃料电池堆8的负极5，且注入燃料电池堆8中的空气流动通过该入口空气路径；以及出口空气路径13，从燃料电池堆8排出的空气流动通过该出口空气路径。具体地，入口空气路径11和出口空气路径13可布置在一个阀体10处，可使得阀装置的数量和总体尺寸降低，由此实现成本的降低。同时，阀体10可包括：主体(main body)10a，形成阀体的外部形状，其中，阀瓣以铰链方式布置在主体(例如从该主体倾斜)处；以及子体(sub-body)10b，当阀瓣30处于封闭操作时，该子体接触阀瓣30，其中，主体10a和子体10b可以彼此能拆卸地耦接。

具体地，子体10b可比主体10a具有更高精密度和刚性。换言之，主体10a可通过铝压铸制造以降低重量，而子体10b可由不锈钢或硬质阳极氧化铝制造以确保比主体10a更高的精密度和刚性。子体10b可比主体10a具有更高精密度以提高与阀瓣30的气密性(例如，防止泄漏)。

与阀瓣30直接接触的子体10b可用于在阀瓣30处于封闭操作时，确定入口空气路径11和出口空气路径13的气密性。当子体10b如同主体10a一样通过铝压铸制造时，可能难以调节入口空气路径11和出口空气路径13的精密度。因此，入口空气路径11和出口空气路径13的气密性劣化(例如，空气密封可能不充足)。因此，子体10b可由不锈钢或硬质阳极氧化铝制造。因此，本示例性实施方式使子体10b能够确保比主体10a更高的精密度。

此外，子体10b比主体10a具有更高刚性以防止由于阀瓣30引起的损坏。换言之，阀体10的与阀瓣30直接接触的部分(例如，入口空气路径11和出口空气路径13所布置的部分)可由于包含在空气中的湿气而在冬季或较冷空气条件下冻结。当出现冻结时，阀体10的部分可能在接触阀瓣30时损坏。因此，子体10b可通过由不锈钢或硬质阳极氧化铝制成而被制造。因此，本示例性实施方式使子体10b能够确保比主体10a更高的刚性。

旁路管体20可耦接至主体10a，并且可包括连接入口空气路径11与出口空气路径13的旁路空气路径21。因此，当阀瓣30倾斜时，选择性地，通过入口空气路径11从外部提供的空气通过旁路空气路径21直接流动(以旁路方式分流)至出口空气路径13并且被排出而不是被直接提供至燃料电池堆8的负极5。为了该目的，旁路管体20可基于阀瓣30的位置(例如，倾角)而布置在入口空气路径11和出口空气路径13中的外部空气被引入的一侧处。此外，与子体10b相似，旁路管体20比主体10a具有更高精密度和刚性。

此外，旁路管体20和主体10a可被设置为单个体(single body)，而不是如在上述示例性实施方式中，将旁路管体20耦接至主体10a。即，多个阀瓣30可被设置为使得阀瓣30打开和封闭其第一侧处的入口空气路径11和出口空气路径13，以及旁路空气路径21。具体地，阀瓣30打开和封闭其第二侧处的与入口空气路径11连通的旁路空气路径21以及与出口空气路径13连通的旁路空气路径21。阀瓣30可被构造为同时打开和封闭入口空气路径11和出口空气路径13，并且同时打开和封闭与入口空气路径11连通的旁路空气路径21以及与出口空气路径13连通的旁路空气路径21。

此外，根据本发明的空气截止阀装置4可进一步包括：阀马达40，布置在主体10a处；阀轴50，可旋转地布置在主体10a处，其中，多个阀瓣30与阀轴固定耦接；以及阀齿轮60，被构造为连接阀马达40与阀轴50，并且将阀马达40的动力传递至阀轴50。阀轴50可在入口空气路径11和出口空气路径13外部的一位置处布置在主体10a中，以消除空气的流动阻力。当阀轴50旋转时，阀瓣30可完全覆盖入口空气路径11和出口空气路径13的布置在子体10b处的端部、以及与入口空气路径11连通的旁路空气路径21的端部以及与出口空气路径13连通的旁路空气路径21的端部。

因此，阀瓣30可根据阀轴50的旋转而倾斜以封闭入口空气路径11和出口空气路径13或旁路空气路径21。入口空气路径11、出口空气路径13和旁路空气路径21可通过阀轴50的旋转而被同时打开。阀瓣30中的每一个可包括：阀板31，由钢或塑料制成并且与阀轴50耦接；以及板盖32，覆盖阀板31并且由橡胶材料制成，使得板盖32在与子体10b接触时吸收噪声和冲击，由此提高与空气路径11、13和21的气密性。

具体地，板盖32可通过密封入口空气路径11和出口空气路径13的布置在子体10b处的端部、与入口空气路径11连通的旁路空气路径21的端部以及与出口空气路径13连通的旁路空气路径21的端部而维持封闭状态，并且也可确保燃料电池系统所需的气密性。因此，与阀瓣30中的每一个的第二侧对应的板盖32可整体设置有第一密封突起32a，该第一密封突起接触旁路管体20的分隔壁并围绕旁路空气路径21。

此外，与阀瓣30中的每一个的第一侧对应的板盖32可整体设置有第二密封突起32b，该第二密封突起接触旁路管体20的分隔壁并围绕入口空气路径11和出口空气路径13。因此，当阀瓣30密封旁路空气路径21时，可通过第一密封突起32a增加气密性，并且当阀瓣30密封入口空气路径11和出口空气路径13时，可通过第二密封突起32b增加气密性。

此外，第一密封突起32a可在其一部分处(第一密封突起32a在该部分处接触旁路管体20的分隔壁)包括至少一个密封凹槽32c。因此，当阀瓣30密封旁路空气路径21时，高压空气在流入第一密封突起32a的外围并经过密封凹槽32c的同时对第一密封突起32a加压，以便在第一密封突起与旁路管体20之间的接触表面处将第一密封突起32a压缩至旁路管体20，由此气密性可增加。

接下来，将参考附图描述在燃料电池系统的操作中控制配置为如上所述的空气截止阀装置的方法。图7是示出根据本发明的示例性实施方式的空气截止阀装置的操作的视图。根据本发明的示例性实施方式的控制用于燃料电池系统的空气截止阀装置的方法被划分为起停步骤、第一启动步骤、第二启动步骤和操作步骤。下文将描述的方法可通过系统的具有处理器和存储器的控制器来执行。

具体地，在起停步骤中，当阀瓣30封闭入口空气路径11和出口空气路径13(图7中的“A”位置)时，可防止外部空气被注入至燃料电池堆8的负极5中。空气压缩机2可能不起作用，并且也可防止氢气被注入至燃料电池堆8的正极7中。在第一启动步骤中，在阀瓣30封闭入口空气路径11和出口空气路径13的同时，空气压缩机2可操作。此外，外部空气可被提供至旁路空气路径21并且穿过至旁路空气路径流动(以旁路方式分流)。具体地，氢气可被注入至燃料电池堆8的正极7中，并且随后燃料电池堆8的内部可由氢气吹扫。

在第二启动步骤中，当阀瓣30以预定角度倾斜以打开旁路空气路径21以及入口空气路径11和出口空气路径13(图7中的“B”位置)时，燃料电池堆8和旁路空气路径21可同时提供有空气。随后，在氢气被排出至出口空气路径13的同时，在燃料电池堆8中吹扫的氢气可与通过旁路空气路径21流动的空气混合，并且由此以稀释状态排出。因此，能够在启动燃料电池系统的开始时，降低排出的废气中的氢气的浓度。

在操作步骤中，当阀瓣30倾斜时，在入口空气路径11和出口空气路径13完全打开(图7中的“C”位置)的同时，旁路空气路径21可被封闭。空气在防止流入旁路空气路径21中的同时，流入入口空气路径11和出口空气路径13中。将参考比较例和实例描述本发明的效果。

比较例是一般燃料电池系统的操作模型，其中，在启动系统时不施加空气旁路，并且实例是根据本发明的示例性实施方式的燃料电池系统的操作模型，其中，在启动系统时施加空气旁路。因此，当比较例和实例操作时，根据空气压缩机的驱动程度测量排出氢气的浓度，并且在表1中示出结果。

表1

如表1所示，在实例中，发现氢气峰值浓度在大约3.3％至3.1％(满足等于或小于4％)的范围中。另一方面，在比较例中，只有在氢气通过空气压缩机增压(例如，功耗增加、燃料里程降低)时，氢气峰值浓度才满足等于或小于大约4％。

尽管出于说明性目的已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域技术人员将理解，在不背离所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加和替换是可能的。