[發明專利]一種燃料電池的冷卻加濕集成系統

在審

• 申請號: 202011314945.2
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112290052A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 邢少鋒
• 申請（專利權）人: 上海羿灃氫能科技有限公司
• 主分類號: H01M8/04029
• 分類號: H01M8/04029;H01M8/04119;H01M8/04701;H01M8/04828;H01M8/2457
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明涉及一種燃料電池的冷卻加濕集成系統，包括燃料電池電堆、氣液分離器、水箱、散熱器、水泵、中冷加濕器和空壓機，中冷加濕器包括水通道和空氣通道，水通道與空氣通道之間通過隔板加濕結構相通；燃料電池電堆的空氣出口通過氣液分離器與所述水箱的進口連接，水箱的出口與水通道的進口之間設有散熱器和水泵；空壓機的排氣口與空氣通道的進口相連，空氣通道的出口與燃料電池電堆的空氣進口相連。本發明將燃料電池系統的加濕系統和冷卻系統集成化設計，利用燃料電池系統自身產生的水對空壓機排出的空氣進行冷卻加濕，不僅減少了系統部件和運行的故障點，而且也極大的降低了系統的復雜性和制造成本，節省了空間，并能實現良好的加濕效果。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，特別涉及一種燃料電池的冷卻加濕集成系統。

背景技術

燃料電池技術作為提供新一代高效零污染的清潔能源的環境友好型技術，正被越來越多的運用于動力、電源以及儲能等行業。而在燃料電池中，廣泛使用和開發應用的電池結構則是質子交換膜燃料電池(PEMFC)。燃料電池發電系統是基于燃料電池為核心的一套提供電力的發電裝置，典型的燃料電池發電系統主要包括主控制器(控制系統)、燃料電池(電堆)、冷卻系統(含電堆冷卻和空壓機出口空氣冷卻)、空氣供給系統及其加濕系統和燃料供給與回收循環系統。氫燃料電池系統則是以氫氣這一清潔能源為燃料，具有低溫啟動、能量密度高、啟動快速、系統性能好等優點，已經得到了廣泛地關注和實際應用。

燃料電池是將燃料和電解質的化學能直接轉換成電能的發電裝置，如圖1所示，其工作原理是：進入燃料電池陽極側的氫氣在催化劑的作用下，氫原子分解成H⁺與e^–，其中H⁺進入陽極側在水合作用下，穿過質子交換膜到達陰極側，由于電子無法穿過質子交換膜，只能通過外部(則形成外部可供做功的電路)到達陰極側；在陰極側，質子、電子以及氧原子在催化劑的作用下，發生反應形成水分子并釋放大量的熱的過程。

質子交換膜燃料電池的電極反應方程式如下：

正極：O₂+4e^-+4H⁺＝2H₂O

負極：2H₂＝4H⁺+4e^-

化學總反應：2H₂+O₂＝2H₂O

對于燃料電池的運行而言，質子交換膜的水傳導率是影響其性能的重要參數。根據國內外實驗數據表明，燃料電池工作在60℃，氣體濕度為80％-100％之間，反應效率最高，如果反應氣體過于干燥，會造成質子交換膜中水分子過少，導致燃料電池工作效率下降，并可能造成交換膜損壞；而反應氣體加濕過度，則會由于“水淹”等原因造成電池系統的性能惡化，因此對燃料電池工作時整體性能影響最大的則是其加濕系統。

由于用于燃料電池系統的氧氣供應，目前多數采用的是由高轉速和大流量的空壓機提供空氣的方式實現的，而空壓機由于工作時其出口空氣溫度很高(通常高達到120～130℃左右)，這就需要將進入燃料電池電堆的空氣冷卻降至滿足電堆正常工作的溫度，通常是40～50℃左右，而增設必要的空氣冷卻系統，多數采用的是以中冷器為主的配以水泵、散熱器、散熱風扇以及散熱水箱等一套冷卻系統。

燃料電池的加濕系統有多種形式，分類上主要分為外加濕和內加濕兩類，所謂內加濕，即是在電堆內加入加濕段，依靠膜的阻氣特性與水在膜內的濃差擴散來實現的；而外加濕方法主要包括鼓泡法加濕、液態水噴射加濕、濕膜加濕、中空纖維加濕和蒸汽注射加濕等。