[发明专利]一种燃料电池系统换热加湿装置及换热加湿方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池系统换热加湿装置，包括燃料电池电堆、氢气供应子系统、热管理子系统、电能输出子系统以及由空气过滤器、空气压缩机和换热加湿装置组成的空气供应系统，换热加湿装置包括换热模块和加湿模块，换热模块包括由换热壁隔绝的高温侧腔体和低温侧腔体，加湿模块包括由选择透过性膜壁隔绝的湿气体侧腔体和干气体侧腔体；还公开了空气换热加湿方法；本发明装置具有减少空气供给子系统体积，增加燃料电池系统体积功率密度的特点；本发明方法具有改善燃料电池系统空气子系统的温度分布，提高空气加湿效果的特点。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统换热加湿装置，以及其系统空气换热加湿方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，被广泛应用于汽车、船舶、电站等领域。在燃料电池工作时，氢气和空气被分别通入燃料电池的阳极和阴极侧，发生电化学反应产生电能。

燃料电池系统以燃料电池为核心，围绕其配置氢气供应子系统、空气供应子系统、热管理子系统、电能管理子系统，组合成为一个整体。空气供应子系统即为燃料电池提供一定压力、一定温度、一定湿度的空气，确保燃料电池电堆处于合适的工作状态。目前空气供应子系统还存在进入电堆的空气温度、湿度控制困难，换热器、加湿器体积庞大等问题。研究人员采用了不同的方法和策略以解决这些问题。

目前行业内空气供应子系统普遍采用空压机将空气压缩，然后经过增湿器为空气增湿后送入电堆。然而空压机压缩后的空气会出现温度过热，超出增湿器工作温度限度，因此不得不在空压机和增湿器之间增加中冷器，在中冷器内用冷却液体给空气降温，以适应增湿器工作温度。该通用方法经常出现中冷器给气体降温后温度难以控制，导致控温和增湿效果均变差，进而影响电堆和燃料电池系统工作状况。

专利文献CN11326767A公开了一种加热中冷加湿一体装置及燃料电池系统和控制方法。该发明提供的一种装置，将中冷，加湿以及电加热集成在一个装置内期望实现减少系统体积。该发明是将市场上已经出现的中冷器、加湿器、电加热器做一体化设计，然而在燃料电池系统有限体积内安装该异形装置具有一定难度。

发明内容

针对现有技术的不足或改进需求，本发明之一是提供一种燃料电池系统换热加湿装置，目的在于利用空气路出电堆后的空气与进电堆前的空气的加湿和换热，改善燃料电池系统电堆空气供应系统的温度分布，提高空气路加湿效果，提升系统效率，减少气体泄漏可能性，减小空气供应系统体积，增加燃料电池系统体积比功率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池系统换热加湿装置，包括燃料电池电堆以及与燃料电池电堆连接的氢气供应子系统、热管理子系统以及电能输出子系统；还包括由空气过滤器、空气压缩机和换热加湿装置组成的空气供应系统；所述的换热加湿装置包括对流入的两股气体进行换热的换热模块和改变两股气体湿度的加湿模块，所述的换热模块包括由换热壁隔绝的高温侧腔体和低温侧腔体，所述的加湿模块包括由选择透过性膜壁隔绝的湿气体侧腔体和干气体侧腔体，高温侧腔体上分别设置有高温气体出入口，低温侧腔体上分别设置有低温气体出入口，湿气体侧腔体上分别设置有湿气体出入口，干气体侧腔体上分别设置有干气体出入口，其中低温气体入口与湿气体侧出口相连接，高温气体出口与干气体侧入口相连接，干气体侧出口和湿气体侧入口分别与燃料电池电堆的空气入口和空气出口连接，高温气体入口与空气压缩机连接，空气压缩机与空气过滤器连接，低温气体出口连接尾气排放阀。

所述的一种燃料电池系统换热加湿装置，其换热模块和加湿模块彼此独立且由管道连接。

所述的一种燃料电池系统换热加湿装置，其换热模块和加湿模块集成安装在壳体内；所述的高温侧腔体和干气体侧腔体相连通，所述的低温侧腔体和湿气体侧腔体相连通。