[实用新型]一种氢燃料电池系统

说明书

本实用新型公开了一种氢燃料电池系统，利用系统温度调节水既可以对空气降温又可以对空气增湿。空压机(压气机)出来的高温干空气和系统温度调节循环水分别同时流过增湿冷却耦合器增湿膜的两侧面，做到水气和热量的同时交换。可通过改变水流场的空气流场的截面和有效面积的方法，提升水气和热量的交换效率。经过增湿降温后的空气更接近电池内部温度，改善了增湿不充分、一致性不高、水蒸汽冷凝，导致电池性能不高等问题。减少了燃料电池两端的单电池性能衰减的边缘效应，保持每节电池中的气体和水分布的均匀性，提高了电堆的一致性，进一步促进燃料电池长期稳定运行。系统温度调节循环水的消耗通过对阴极出口水蒸汽冷凝补充。

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种具有增湿冷却功能的氢燃料电池系统。

背景技术

国家在“双碳”政策指引下，氢能的利用受到极大关注与重视。燃料电池是利用氢能的最为理想方式之一。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可以快速启动的低噪音、高能量转换效率的零排放发电装置，可广泛用于车用动力电源、固定式电站、航空动力电源、水下动力电源、移动电源、便携电源等，满足多领域的用电需要，是最接近于实际应用的燃料电池之一。

在质子交换膜燃料电池中，电解质为具有质子传递性能的质子交换膜，目前广泛采用的是全氟磺酸膜。质子在电解质膜中的传递要依靠水分子作为传导载体，所以，质子交换膜中的水含量对燃料电池的性能有非常大的影响，膜中水处于饱和状态时具有最佳的质子电导性，同时燃料电池发挥最好的发电性能。因此，对质子交换膜进行增湿或者保湿是质子交换膜燃料电池中的必然选择。

目前，传统的质子交换膜燃料电池增湿技术为有源增湿方式，即从外界提供水源。增湿方法有鼓泡增湿、喷淋增湿、膜增湿、露点加湿、直接注水等，按照与电堆的集成紧密程度可分为外增湿与内增湿两类：外增湿是将增湿子系统与电池分开，在反应气体之前进行增湿；内增湿是将增湿子系统与电池集成为一体，在反应气体进入电池之后进行增湿。

目前市场上普遍采用膜增湿器利用含水蒸汽尾气对进电池的干空气进行增湿。膜增湿器内部装有中空纤维管，新鲜干空气走中空纤维管管内，燃料电池阴极尾气走管外。燃料电池尾气中的水蒸汽在中空纤维管的外管壁上凝结下来形成水膜，水通过管壁进入管内加湿新鲜干空气，达到增湿的目的。新鲜干空气被增湿后需要经过保温管道输送到燃料电池，避免水蒸汽冷凝。同时，增湿后的空气进入电堆的公共管道中，再通过每节电池上的分配通道进入到流场中。由于增湿后的新鲜干空气从公共管道进入到电池流场的过程中水蒸汽会在气体分配通道中部分凝结，要保持进入到每节电池的气体保持在相同的湿度水平是很难做到的。由于气体分配的不均匀性，容易造成每节电池性能的差异，这种差异在电堆长时间工作后会得到放大。经过实验证明，处于燃料电池两端的单电池性能衰减的几率和幅度都要比处于中部的单电池要大。所以，如何保持每节电池中的气体和水分布的均匀性是燃料电池长期稳定运行需要解决的一个关键问题。

燃料电池的性能受多因素影响，电池内反应气体压力提高，可以提高燃料电池性能，在水冷质子交换膜燃料电池工作时，通常选用空压机或称压气机提高输入空气的压力，提高电池性能，同时提高发电效率。高压缩比空压机工作时，输出的压缩空气处于高温状态，通常用中冷器对其降温。燃料电池系统中，给中冷器降温的冷却介质通常为冷却循环水。

实用新型内容

针对实际使用中水冷型燃料电池所存在增湿不充分、一致性不高、水蒸汽冷凝，导致电池性能不高，以及空压机或压气机出口温度过高、高温空气不适合直接进入电堆等问题，本实用新型设计了一种利用系统温度调节循环水既可以对空气降温又可以增湿的增湿器。这保证了电堆增湿的充分性，并维持增湿温度与电池反应温度趋于一致，避免了温度降低所引起的水蒸汽凝结，因此制造和后续的装配工序都相对简单，非常适于大规模加工制造同时降低成本，并可得到大规模实际应用。

本实用新型的技术方案具体如下：