CN113921872A - 燃料电池车辆及其湿度调节系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池车辆的湿度调节系统，包括：储氢机构，用于存储氢气；湿度交换器，所述湿度交换器包括氢气入口，氢气出口，空气入口和空气出口；所述氢气入口管路连接所述储氢机构，所述氢气出口管路连接燃料电池电堆的阳极入口；所述空气入口管路连接车载空调风机，所述空气出口管路连接车辆的乘员舱，所述湿度交换器包括水份渗透机构，所述水份渗透机构用于在所述湿度交换器的内部形成空气通道和氢气通道。上述湿度调节系统能够显著降低燃料电池车辆在空气除湿时的能源消耗。

Description

燃料电池车辆及其湿度调节系统和装置

技术领域

本申请涉及燃料电池车辆技术领域，尤其涉及一种燃料电池车辆及其湿度调节系统和装置。

背景技术

研究表明，在不同环境下人体的舒适相对湿度范围是不同的。例如，人体在室内感觉舒适的最佳相对湿度是40％～65％。若相对湿度过低或者过高，都会对人体产生不适甚至产生有害健康的影响。特别是在梅雨季节及连续下雨天等天气环境，空气湿度远高于人体最佳相对湿度，即使温度在人体适宜范围内，人们还是会感觉到闷热难受，有可能导致免疫力下降，风湿发作等情况。

传统的汽车乘员舱除湿方法是开启车载压缩空调，利用空调制冷模式或者空调独立除湿模式，对乘员舱室内环境空气进行湿度调节，但一般家用汽车空调制冷功率在2kw-4kw之间，采用空调除湿方式会极大增加了汽车能耗，降低了汽车续航里程，并导致汽车动力不足，降低驾驶感受。

目前为了降低除湿产生的能源损耗，相关技术(CN110422059A)有采用配置在燃料电池反应装置外部的空气水份收集装置进行除湿的方案，空气水份收集装置能够收集车内空气中的水份进行除湿，收集的水份提供给空气加湿循环装置，用于给输往燃料电池电堆的空气加湿。相关技术手段主要目的是实现水的循环利用，新增的空气水份收集装置依然会消耗较多的车辆能源。

发明内容

本发明提供了一种燃料电池车辆及其湿度调节系统和装置，以解决或者部分解决燃料电池车辆的乘员舱除湿会消耗较多的能源，影响车辆续航里程的技术问题。

为解决上述技术问题，根据本发明一个可选的实施例，提供了一种燃料电池车辆的湿度调节系统，包括：

储氢机构，用于存储氢气；

湿度交换器，所述湿度交换器包括氢气入口，氢气出口，空气入口和空气出口；所述氢气入口管路连接所述储氢机构，所述氢气出口管路连接燃料电池电堆的阳极入口；所述空气入口管路连接车载空调风机，所述空气出口管路连接车辆的乘员舱，所述湿度交换器包括水份渗透机构，所述水份渗透机构用于在所述湿度交换器的内部形成空气通道和氢气通道。

可选的，所述湿度调节系统还包括车载空调；所述车载空调通过两位三通电磁阀和第一三通管与所述湿度交换器并联，所述两位三通电磁阀设置在所述车载空调风机与所述湿度交换器之间，所述第一三通管设置在所述空气出口与所述乘员舱之间。

可选的，所述湿度调节系统还包括第二三通管和四通管；所述第二三通管设置在所述储氢机构与所述氢气入口之间；所述四通管设置在所述氢气出口与所述阳极入口之间；所述第二三通管连接所述四通管。

可选的，所述湿度调节系统还包括卸荷阀，所述卸荷阀管路连接所述四通管。

进一步的，所述湿度调节系统还包括第三三通管和氢气循环泵；所述第三三通管设置在所述四通与所述阳极入口之间，所述氢气循环泵连接在所述第三三通管与所述燃料电池电堆的阳极出口之间。

可选的，所述湿度调节系统还包括控制器，所述控制器被编程用于：控制空气进入所述空气通道，控制氢气进入所述氢气通道。

根据本发明又一个可选的实施例，提供了一种燃料电池车辆的湿度调节方法，应用于上述技术方案中的任一项湿度调节装置，所述湿度调节方法包括：

获得所述乘员舱温度和所述乘员舱湿度；

在所述乘员舱温度和所述乘员舱湿度符合设定条件时，根据湿度交换控制模式进行湿度调节；

其中，所述湿度交换控制模式包括：控制空气进入所述空气通道，控制氢气进入所述氢气通道；获得空气温度，空气湿度，空气流量和大气压强；根据所述空气温度，所述空气湿度，所述空气流量和所述大气压强，确定空气实际含湿量；根据所述空气温度，所述空气流量和所述大气压强，确定空气目标含湿量；获得氢气湿度，氢气温度和氢气压强；根据所述空气实际含湿量，所述空气目标含湿量，所述氢气湿度，所述氢气温度和所述氢气压强，确定通入所述氢气通道的氢气流量。

可选的，所述在所述乘员舱温度和所述乘员舱湿度符合设定条件时，根据湿度交换控制模式进行湿度调节，包括：

根据所述乘员舱温度，确定适宜湿度范围；

若所述乘员舱湿度超出所述适宜湿度范围，且所述乘员舱温度处于预设温度范围内，则根据湿度交换控制模式进行湿度调节。

进一步的，在所述乘员舱温度和所述乘员舱湿度不符合设定条件时，所述湿度调节方法还包括：

根据车载空调控制模式进行湿度调节；

所述车载空调控制模式包括：若所述乘员舱湿度超出所述适宜湿度范围，且所述乘员舱温度低于预设温度下限，则开启所述车载空调的加热器进行湿度调节；若所述乘员舱湿度超出所述适宜湿度范围，且所述乘员舱温度高于预设温度上限，则开启所述车载空调的压缩机进行湿度调节。

根据本发明又一个可选的实施例，提供了一种燃料电池车辆，所述燃料电池车辆包括前述技术方案中的任一项湿度调节装置。

通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种燃料电池车辆的湿度调节系统，通过在燃料电池车辆的环境气路和氢气供应气路之间设置包括水份渗透机构的湿度交换器，水份渗透机构在湿度交换器内部形成空气通道和氢气通道；由于环境空气湿度高，储氢机构内的氢气湿度低，因此在水份渗透机构的两侧形成湿度差，使空气侧中的水份自发的穿过水份渗透机构进入氢气侧，实现湿空气与氢气之间的水份传输；如此在降低了进入乘员舱的空气的相对湿度的同时，提高了进入电堆入口阳极反应气氢气的相对湿度，有利于提高电堆内电化学反应的效率与速率。总的来说，上述湿度调节系统在进行空气除湿时，不需要开启高耗能的空调除湿，或者在乘员舱设置专门的除湿机构；仅需要开启功耗极小的车载空调风机，利用干燥的车载氢气与环境空气之间的湿度差，在湿度交换器内实现环境空气的除湿，从而显著的降低了车辆在除湿时的能源消耗，极大的提高了能源利用率，不影响车辆的续航里程。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明提供的燃料电池车辆的湿度调节系统的主体结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的使用渗透膜管实现水份交换的原理示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的使用渗透膜片实现水份交换的原理示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的湿度交换器的剖面图；

图5示出了根据本发明一个实施例的湿度交换器的左视图；

图6示出了根据本发明一个实施例的湿度调节系统的详细结构示意图；

图7示出了根据本发明一个实施例的开启湿度交换控制模式下的空气流动示意图；

图8示出了根据本发明一个实施例的开启车载空调控制模式下的空气流动示意图；

图9示出了根据本发明一个实施例的湿度调节方法流程示意图；

图10示出了根据本发明一个实施例的湿度交换控制模式的控制方法流程示意图；

附图标记说明：

1、储氢机构；11、第二三通管；12、四通管；13、卸荷阀；14、第三三通管；15、氢气循环泵；16、关断阀；17、比例电磁阀；18、第三温度检测机构；19、第一压力传感器；2、湿度交换器；21、空气入口；22、空气出口；23、氢气入口；24、氢气出口；201、外壳；202、第一灌封边；203、水份渗透机构；204、支撑网；205、空气流场板；206、氢气流场板；207、空气通道；208、氢气通道；209、密封垫片；210、第二灌封边；25、流量电磁阀；26、氢气流量计；3、控制器；4、燃料电池电堆；41、阳极入口；42、阳极出口；43、阴极入口；44、阴极出口；5、乘员舱；51、第一温度检测机构；52、第一湿度检测机构；6、车载空调；61、车载空调风机；62、两位三通电磁阀；63、第一三通管；64、空气滤清器；65、第二温度检测机构；66、第二湿度检测机构；67、空气流量计；71、空压机空气过滤器；72、阴极反应气流量计；73、空气压缩机；74、空气中冷器；75、第四三通管；76、空气增湿器；77、背压阀；78、泄压阀；81、第二压力传感器、82、第四温度检测机构；83、第三湿度检测机构；84、第三压力传感器；85、第三温度检测机构。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。除非另有特别说明，本发明中用到的各种设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

为了最大限度的降低燃料电池车辆在除湿方面的能源消耗，研究发现，对于燃料电池汽车，由于阳极反应气氢气在储氢机构，如氢气瓶中是湿度为0或几乎为0的干燥氢气；而燃料电池堆的反应条件，若阳极反应气体的相对湿度在40％左右，有利于提高电堆内电化学反应的效率与速率。因此本方案的原理是充分利用来自储氢机构中湿度为0的干燥氢气，对通入乘员舱，即车内的空气进行除湿。故而，如图1所示，本发明提供了一种燃料电池车辆的湿度调节系统，其主体结构包括：

储氢机构1，用于存储氢气；

湿度交换器2，所述湿度交换器2包括氢气入口23，氢气出口24，空气入口21和空气出口22；所述氢气入口23管路连接所述储氢机构1，所述氢气出口24管路连接燃料电池电堆4的阳极入口41；所述空气入口21管路连接车载空调风机61，所述空气出口22管路连接车辆的乘员舱5，所述湿度交换器2包括水份渗透机构，所述水份渗透机构用于在所述湿度交换器2的内部形成空气通道和氢气通道。

具体的，储氢机构1是燃料电池车辆内储存干燥氢气的车载储氢机构，采用高压气态储氢、低温液态储氢、固体储氢或有机液体储氢等方式进行储氢。

为了实现环境潮湿空气中的水份与参与阳极反应的干燥氢气之间的水份交换，本实施例在乘员舱5空气气路(即通风气路)与车载氢气供应气路之间新增包括水份渗透机构的湿度交换器2。其中，湿度交换器2设有空气入口21，空气出口22，氢气入口23，氢气出口24；氢气入口23与储氢机构1，氢气出口24与燃料电池电堆4的阳极入口41可通过氢气管路连接；空气入口21与车载空调风机61，空气出口22与乘员舱5可通过空气管路连接。水份渗透机构可以是渗透膜管或渗透膜片，渗透膜的材料特性是能够阻隔两侧的气体对流，但可以允许水分子通过，只要两侧的气体存在湿度差，水份就可以自发的从高湿度一侧通过渗透膜向低湿度一侧传输，最终达到两侧的湿度平衡。对于渗透膜管，其水份透过原理如图2所示，对于渗透膜片，水份透过原理如图3所示。故而，在湿度交换器2的内部，渗透膜管或渗透膜片将空气和氢气阻隔开来，形成相互独立的空气通道和氢气通道。在湿度交换器2工作时，环境空气(对于外循环，环境空气是指车外空气，对于内循环，环境空气是指乘员舱5的空气)在车载空调风机61的作用下进入空气管路，经由空气入口21进入湿度交换器2内的空气通道，而氢气在储氢机构1的压力作用下进入氢气管路，经由氢气入口23进入湿度交换器2内的氢气通道。由于空气湿度大，氢气湿度为0，两侧形成湿度差，空气侧的水份能够自发通过渗透膜进入氢气侧，实现空气与氢气之间的水份交换。在完成水份交换后，失去水份的空气经过空气出口22进入所述乘员舱5，将通往成员舱的高湿度的空气，除湿成人体舒适湿度范围的进舱空气，排出空气中的多余水汽，保证驾驶室成员舒适性；而获得水份的氢气经过氢气出口24进入所述燃料电池电堆4，从而在实现空气除湿的同时，完成了燃料电池阳极反应氢气的增湿。

可选的，湿度交换器2可采用市售的现有产品，或根据上述原理进行自制。例如，图4和图5给出了一种可选的湿度交换器2，包括外壳201，水份渗透机构203，设有凹槽的空气流场板205和氢气流场板206，水份渗透机构203位于空气流场板205与氢气流场板206之间，配合凹槽在湿度交换器2的内部形成空气通道207和氢气通道208；水份渗透机构203可选择采用Nafion分离膜制作的渗透膜管或渗透膜片；设置空气流场板205和氢气流场板206是为了保证渗透膜两侧气体具有较高流动特性，以降低流阻并提高水份传输效率；为了提高渗透膜的稳定性，可在渗透膜与空气流场板205之间，渗透膜与氢气流场板206之间设置支撑网204；为了保证气密性，可在外壳201，空气流场板205，氢气流场板206，水份渗透机构203的一些连接位置处进行灌封或密封，如图4和图5所示的第一灌封边202，第二灌封边210和密封垫片209。

综上，本实施例提供的燃料电池车辆的湿度调节系统，通过在燃料电池车辆的环境气路和氢气供应气路之间设置包括水份渗透机构的湿度交换器2，水份渗透机构在湿度交换器2内部形成空气通道和氢气通道。而由于环境空气湿度高，储氢机构1内的氢气湿度低，因此在水份渗透机构的两侧形成湿度差，使空气侧中的水份自发的穿过水份渗透机构进入氢气侧，实现湿空气与氢气之间的水份传输；如此在降低了进入乘员舱5的空气的相对湿度的同时，提高了进入电堆入口阳极反应气氢气的相对湿度，有利于提高电堆内电化学反应的效率与速率。

总的来说，上述湿度调节系统在进行空气除湿时，不需要开启高耗能的空调除湿，或者在乘员舱5设置专门的除湿机构；仅需要开启功耗极小的车载空调风机61，利用干燥的车载氢气与环境空气之间的湿度差自发地实现环境空气的除湿，从而显著的降低了车辆除湿的能源消耗，极大的提高了能源利用率，不影响车辆的续航里程，且保证了低碳环保。

基于上述实施例相同的发明构思，将上述方案应用到某氢燃电车型，湿度调节系统与氢燃料电池电堆的完整示意图如图6所示。

可选的，所述湿度调节系统还包括控制器3，所述控制器3被编程用于：控制空气进入所述空气通道，控制氢气进入所述氢气通道。具体的，在所述乘员舱5设有第一温度检测机构51和第一湿度检测机构52；所述控制器3被编程用于在乘员舱温度和乘员舱湿度符合设定条件时，根据湿度交换控制模式进行湿度调节；所述湿度交换控制模式包括：控制空气进入所述空气通道，控制氢气进入所述氢气通道。通过控制器3实现过程控制，如氢气和空气流量的控制，以及根据乘员舱温度和乘员舱湿度是否满足预设条件，确定是否通过湿度交换器2进行除湿。对于燃料电池车辆，可选的，控制器3可以使用整车控制器(VehicleControl Unit,VCU)或行车电脑ECU(Electronic Control Unit)。在本实施例中，若无特殊说明，以ECU作为控制器使用。

之所以结合考虑温度和湿度进行控制，是因为在不同温度下，人体对湿度的适应程度是不同的，通常来说，在环境温度较高或环境温度较低时，人体的适宜湿度稍低，而在环境温度适中时，人体的适宜湿度稍高。考虑到温度较低时，用户会开启车载空调6加热器制热，而在温度较高时，用户会开启车载空调6压缩机制冷。

故而，本实施例的方案是将控制器3编程用于：若乘员舱温度在预设温度范围内，且乘员舱湿度超过当前温度对应的适宜湿度范围时，则根据湿度交换控制模式，利用湿度交换器2进行湿度调节；若乘员舱温度在预设温度范围之外，且乘员舱湿度超过当前温度对应的适宜湿度范围时，则根据车载空调控制模式进行湿度调节。

车载空调控制模式，举例来说，乘员舱温度低于预设温度下限，则开启所述车载空调6的加热器，通过加热取暖进行湿度调节，因为乘员舱5在升温过程中会有效降低舱内空气湿度；若所述乘员舱温度高于预设温度上限，则开启所述车载空调6的压缩机进行湿度调节，因为车载空调6具有降温除湿的功能。之所以如此控制，是因为在温度较高或较低时不应该只考虑考虑车辆的能源消耗，应该以车内用户的使用需求为准。

上述方案中的预设温度范围，或预设温度上下限可以根据实际需求进行标定。例如，预设温度下限的取值范围可以是10～16℃，预设温度上限的取值范围可以是24～28℃。以预设温度下限为15℃，预设温度上限为26℃，预设温度范围为15℃～26℃为例，若乘员舱5内的环境温度>26℃，则湿度调节系统需要开启空调压缩机来降温并调节湿度；若乘员舱5内的环境温度<15℃，则湿度调节系统需要开启加热取暖功实现升温除湿；若乘员舱5内的环境温度在15℃～26℃之内，在湿度超标时，则湿度调节系统通过开启湿度交换控制模式，利用湿度交换器2实现空气除湿。

当前温度与适宜湿度范围的对应关系是预先确定并存储在存储器中，以供控制器3在需要时直接调用。

为了实现在上述的在不同温度下实施不同的除湿模式，如图6所示，本实施例的湿度调节系统还包括车载空调6；所述车载空调6通过两位三通电磁阀62和第一三通管63与所述湿度交换器2并联，所述两位三通电磁阀62设置在所述车载空调风机61与所述湿度交换器2之间的管路上，所述第一三通管63设置在所述空气出口22与所述乘员舱5之间的管路上。

两位三通电磁阀62可将空气管路分为两支路，其控制特点是在通电时，同一时间内只允许一条支路开启，而不会两条支路同时开启。故而，当乘员舱5的当前温度在预设温度范围内，而乘员舱5的当前湿度超过当前温度对应的适宜湿度范围时，控制器ECU控制两位三通电磁阀62开启连接湿度交换器2的空气管路，使相对湿度高的空气进入湿度交换器2内部的空气通道，与相对湿度为0的氢气进行水份交换。在经过水份交换去除一部分水份后，空气通过湿度交换器2的空气出口22，通过第一三通管63进入乘员舱5，为乘员舱5提供湿度适宜的新鲜空气。空气的流向示意如图7所示。

而当乘员舱5的当前温度不在预设温度范围内，且乘员舱5的当前湿度超过当前温度对应的适宜湿度范围时，控制器3根据车载空调控制模式进行湿度调节，即ECU控制两位三通电磁阀62开启连接车载空调6，即车载空调6温度调节系统的空气管路，通过空调加热器或空调压缩机除湿后再进入乘员舱5。空气的流向示意如图8所示。

可选的，如图6所示，所述湿度调节系统还包括空气滤清器64，所述空气滤清器64的出口管路连接所述车载空调风机61的入口，用于过滤环境空气。

进一步的，所述湿度调节系统还包括第二温度检测机构65，第二湿度检测机构66和空气流量计67。第二温度检测机构65，第二湿度检测机构66和空气流量计67的位置可以根据实际需求设定，例如第二温度检测机构65和第二湿度检测机构66可以设置在空气滤清器64与车载空调风机61之间的空气管路上，也可以设置在车载空调风机61与湿度交换器2之间的空气管路上。空气流量计67可以设置在车载空调风机61与两位三通电磁阀62之间的空气管路上，也可以设置在两位三通电磁阀62与湿度交换器2之间的空气管路上。

对于氢气供应气路，可选的，湿度调节系统还包括第二三通管11和四通管12；所述第二三通管11设置在所述储氢机构1与所述氢气入口23之间的管路上；所述四通管12设置在所述氢气出口24与所述阳极入口41之间的管路上；所述第二三通管11连接所述四通管12。

第二三通管11的作用是将氢气供应气路分为两支路，一路直接连接四通管12的一个入口，另一路通往湿度交换器2，与所述氢气入口23连接，为湿度交换器2提供干燥氢气；加湿后的氢气从湿度交换器2的氢气出口24引出，进入四通管12的另一个入口，使两路氢气重新汇合，汇合后的氢气从四通管12的一个出口引出，连接至燃料电池电堆4的阳极入口41，参与燃料电池电堆4的电化学反应。

进一步的，由于储氢机构1内存储的是高压氢气，因此为了保证氢气供应气路的安全，如图4所示，湿度调节系统还包括卸荷阀13，所述卸荷阀13管路连接所述四通管12。卸荷阀13形成了系统的泄压管路，在氢气压力超标时，卸荷阀13可以泄放管路中超压力的氢气，保证在某些失效情况下，系统内氢气压力不至于过高而损坏燃料电池的质子交换膜。卸荷阀13可以采用纯机械阀或者电磁阀，泄压值一般提前设定，系统压力超过后自动泄压。

进一步的，如图6所示，湿度调节系统还包括第三三通管14和氢气循环泵15；所述第三三通管14设置在所述四通与所述阳极入口41之间的管路上，所述氢气循环泵15连接在所述第三三通管14与所述燃料电池电堆4的阳极出口42之间的管路上。

第三三通管14和氢气循环泵15组成了未完全反应氢气的循环管路，从电堆阳极出口42排出的未反应氢气，经氢气循环泵15加压后，进入第三三通管14，与前述两路氢气汇合，一同进入电堆的阳极入口41，参与燃料电池电堆4电化学反应，从而提高氢气反应效率。

可选的，在所述储氢机构1与所述第二三通管11之间的管路上还设有关断阀16和比例电磁阀17；所述关断阀16用于开启或关闭氢气供应，所述比例电磁阀17用于调节氢气供应管路中的总氢气流量。

可选的，在比例电磁阀17与第二三通阀之间的管路上设有第三温度检测机构18，用于检测氢气温度。在第三三通管14与阳极入口41之间的管路上设有第一压力传感器19，用于检测进入阳极的反应氢气压力。在第二三通阀与氢气入口23之间的管路上设有流量电磁阀25，用于控制进入湿度交换器2的氢气流量；可选的，在流量电磁阀25与氢气入口23之间的管路上设置氢气流量计26，用于检测氢气流量。

结合上述结构，对于湿度交换控制模式：

氢气供应气路的控制过程为：从储氢机构1，如氢气瓶出来的干燥压缩氢气，依次经过关断阀16、比例电磁阀17后，经第二三通管11分成两条支路，一路直接流入四通管12，另一路经流量电磁阀25通往湿度交换器2的氢气入口23，此时干燥氢气流入氢气通道，位于渗透膜的干氢气一侧，通过与相对湿度高的环境空气进行湿度交换，吸收一部分水份后，流入四通管12，两路氢气在四通管12汇合后，流入第三三通管14，然后再通过阳极入口41进入燃料电池电堆4，电堆的阳极出口42排出未反应的氢气，经氢气循环泵15加压后，流入第三三通管14，与上述两路氢气一起汇合，再次进入电堆的阳极入口41，参与燃料电池电堆4的电化学反应。

空气气路的控制过程为：环境空气经由空气滤清器64进入车载空调风机61，通过两位三通电磁阀62分为两路，需要注意的是两路不会同时开启，在湿度交换控制模式下，开启进入湿度交换器2的空气入口21一路，此时相对湿度较高的空气流入空气通道，位于渗透膜的湿空气一侧的空气在经过湿度交换去除一部分水分后，经湿度交换器2的空气出口22，通过第一三通管63进入乘员舱5，为乘员舱5提供湿度适宜的新鲜空气。

关于车载空调控制模式：

空气气路的控制过程为：两位三通电磁阀62开启进入车载空调6的一路，环境空气在经过车载空调6的温度调节和湿度调节后，进入第一三通管63，再进入乘员舱5，为乘员舱5提供温度和湿度适宜的新鲜空气。

氢气供应气路的控制过程为：从储氢机构1，如氢气瓶出来的干燥压缩氢气，依次经过关断阀16、比例电磁阀17后，一方面，可以经第二三通管11分成两条支路，一路直接流入四通管12，另一路经过流量电磁阀25，湿度交换器2后在在四通管12汇合，流入第三三通管14，然后再通过阳极入口41进入燃料电池电堆4；另一方面，也可以关闭流量电磁阀25，氢气不在第二三通管11处分两路，直接通过四通管12，第三三通管14进入燃料电池电堆4。

上述过程中，各种阀的通断，以及流量的控制均由ECU控制。

在本实施例中，所有的温度检测机构可以使用温度传感器，所有的湿度检测机构可以使用湿度传感器。

在上述方案中详细介绍了燃料电池电堆4的阳极供应气路，对于阴极供应气路，其为燃料电池电堆4提供加湿的空气进行电化学反应。

阴极供应气路涉及的结构如下：

如图6所示，包括依次管路相连的空压机空气过滤器71，阴极反应气流量计72，空气压缩机73，空气中冷器74，第四三通管75，空气增湿器76。所述空气增湿器76包括第一入口，第一出口，第二入口和第二出口；所述第一入口管路连接第四三通管75，所述第一出口管路连接所述燃料电池电堆4的阴极入口43，所述第二入口管路连接所述燃料电池电堆4的阴极出口44；所述第二出口管路连接背压阀77；所述第四三通管75管路连接泄压阀78

进一步的，在第一出口与阴极入口43之间的管路上还设有第二压力传感器81，第四温度检测机构82和第三湿度检测机构83；分别用于检测阴极反应气体的压力，温度和湿度；在阴极出口44与第二入口之间的管路上还设有第三压力传感器84和第四温度检测机构82，分别用于检测阴极出口44气体的压力和温度。

总的来说，本实施例提供的湿度调节系统，其具有如下的优点：

(1)通过储氢机构中的零湿度的干燥氢气，利用湿度交换器对车载空调风机输入的环境空气进行除湿处理，可通过氢气流量控制和空气流量控制，保证进入乘员舱的进气湿度降低到人体舒适范围；

(2)利用渗透膜两侧只要存在湿度差，就能使水份自动从高湿度气体向低湿度气体传输的原理，避免了传统汽车除湿需要启动空调系统加热器或压缩机，或者启用专用的除湿机等高能耗车载电器，从而降低氢气发动机的能耗，在保证乘员舱舒适性的前提下提高了车辆动力性，也降低了氢气燃料的消耗率。

基于前述实施例相同的发明构思，在另一个可选的实施例中，如图9所示，提供了一种配套前述实施例的湿度调节系统的湿度调节方法，可应用于湿度调节系统中的控制器，包括如下步骤：

S1：获得所述乘员舱温度和所述乘员舱湿度；

S2：在所述乘员舱温度和所述乘员舱湿度符合设定条件时，根据湿度交换控制模式进行湿度调节。

具体的，ECU可通过第一温度检测机构和第一湿度检测机构获得乘员舱内的当前温度Tc和当前湿度RHc。车辆的存储介质存储有预先确定的体感舒适温度-舒适湿度的映射表，根据当前温度Tc，查表可知对应的适宜湿度范围，若当前湿度RHc超出了适宜湿度范围，且当前温度Tc处于预设温度范围之内时，则开启湿度交换控制模式进行除湿。

如图10所示，湿度交换控制模式的具体控制方法包括：

S21：控制空气进入所述空气通道，控制氢气进入所述氢气通道。

具体的，控制两位三通电磁阀开启通往湿度交换器的空气管路；接着打开关断阀，调节比例电磁阀，使氢气从储氢机构进入到湿度交换器。

S22：获得空气温度，空气湿度，空气流量和大气压强。

具体的，通过设置在空气管路上的第二温度检测机构，第二湿度检测机构和空气流量计获得环境空气的空气温度Ta，空气湿度RHa，空气流量Qa和大气压强P1。在非高原地带，大气压强P1也可以直接取值为101.3kPa。

S23：根据所述空气温度，所述空气湿度，所述空气流量和所述大气压强，确定空气实际含湿量；

含湿量是指气体中含有的水蒸气的质量，根据空气温度Ta，空气湿度RHa，空气流量Qa和大气压强P1，可以计算出空气含湿量M1，见下式：

上式中，Mw为水的摩尔质量，M_A为空气的摩尔质量；P_S2是温度项，其计算方式如下：

上式中，T为温度，当温度T取值为空气温度Ta时，可计算出P_S2。

S24：根据所述空气温度，所述空气流量和所述大气压强，确定空气目标含湿量；

可以根据乘员舱当前温度Tc，查询预设的温度-目标湿度映射表，确定出与当前温度Tc对应的最适宜人体的空气湿度RH1，再结合空气流量Qa和大气压强P1，确定出除湿后的空气目标含湿量M2，见下式：

P_S1的计算方式同式2，区别在于温度T取值为乘员舱当前温度Tc。

S25：获得氢气湿度，氢气温度和氢气压强；

氢气湿度RH3通常为0，若不为0，可以从储氢机构处获得当前氢气湿度RH3，氢气温度T3，又称之为进氢温度，可以通过第三温度检测机构获得。氢气压强P2可以通过第一压力传感器获得。

S26：根据所述空气实际含湿量，所述空气目标含湿量，所述氢气湿度，所述氢气温度和所述氢气压强，确定通入所述氢气通道的氢气流量。

首先，根据空气实际含湿量M1和空气目标含湿量M2，可以确定出空气除湿量M3，确定方法可以是M3＝M1-M2，也可以是M3＝k×(M1-M2)，k为修正系数。除湿量M3即为需要传输给干燥氢气的水份的量，因此，结合除湿量M3，氢气温度T3，氢气压强P2和氢气湿度RH3，可以计算出氢气计算流量Q2，如下式：

上式中，M_H2是氢气的摩尔质量，P_S3的计算方式同式2，区别在于温度T取值为氢气温度T3。

根据此氢气计算流量Q2，调整流量电磁阀的开度，使进入湿度交换器的氢气流量等于氢气计算流量Q2，满足除湿需求。

若所述乘员舱温度和所述乘员舱湿度不符合设定条件时，所述湿度调节方法还包括：

根据车载空调控制模式进行湿度调节；所述车载空调控制模式包括：若所述乘员舱湿度超出所述适宜湿度范围，且所述乘员舱温度低于预设温度下限，则开启所述车载空调的加热器进行湿度调节；若所述乘员舱湿度超出所述适宜湿度范围，且所述乘员舱温度高于预设温度上限，则开启所述车载空调的压缩机进行湿度调节。

总之，本实施例提供了一种湿度调节方法，在乘员舱温度和乘员舱湿度符合设定条件时，启动湿度交换器进行除湿，由于只需要启动车载空调风机，控制电路和一些电磁阀等功耗极低的元器件，因此能够显著降低除湿能耗，极大提高能源利用率，更加贴合低碳环保理念；另一方面，通过合理的控制流程，保证本发明提供的湿度调节系统能根据环境条件触发程序开启，通过合理控制进入湿度交换装置的干燥氢气与潮湿空气的进气量，保证进入乘员舱的空气处于最佳的人体适宜湿度范围。

根据前述实施例相同的发明构思，在另一个可选的实施例中，提供了一种燃料电池车辆，所述燃料电池车辆包括前述实施例中的湿度调节装置。

通过本发明的一个或者多个实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种燃料电池车辆及其湿度调节系统和对应的调节方法，通过在燃料电池车辆的环境气路和氢气供应气路之间设置包括水份渗透机构的湿度交换器，水份渗透机构在湿度交换器内部形成空气通道和氢气通道；由于环境空气湿度高，储氢机构内的氢气湿度低，因此在水份渗透机构的两侧形成湿度差，使空气侧中的水份自发的穿过水份渗透机构进入氢气侧，实现湿空气与氢气之间的水份传输；如此在降低了进入乘员舱的空气的相对湿度的同时，提高了进入电堆入口阳极反应气氢气的相对湿度，有利于提高电堆内电化学反应的效率与速率。总的来说，上述湿度调节系统在进行空气除湿时，不需要开启高耗能的空调除湿，或者在乘员舱设置专门的除湿机构；仅需要开启功耗极小的车载空调风机，利用干燥的车载氢气与环境空气之间的湿度差，在湿度交换器内实现环境空气的除湿，从而显著的降低了车辆除湿的能源消耗，极大的提高了能源利用率，不影响车辆的续航里程。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种燃料电池车辆的湿度调节系统，其特征在于，所述湿度调节系统包括：

储氢机构，用于存储氢气；

湿度交换器，所述湿度交换器包括氢气入口，氢气出口，空气入口和空气出口；所述氢气入口管路连接所述储氢机构，所述氢气出口管路连接燃料电池电堆的阳极入口；所述空气入口管路连接车载空调风机，所述空气出口管路连接车辆的乘员舱，所述湿度交换器包括水份渗透机构，所述水份渗透机构用于在所述湿度交换器的内部形成空气通道和氢气通道。

2.如权利要求1所述的湿度调节系统，其特征在于，还包括车载空调；所述车载空调通过两位三通电磁阀和第一三通管与所述湿度交换器并联，所述两位三通电磁阀设置在所述车载空调风机与所述湿度交换器之间，所述第一三通管设置在所述空气出口与所述乘员舱之间。

3.如权利要求1所述的湿度调节系统，其特征在于，还包括第二三通管和四通管；所述第二三通管设置在所述储氢机构与所述氢气入口之间；所述四通管设置在所述氢气出口与所述阳极入口之间；所述第二三通管连接所述四通管。

4.如权利要求3所述的湿度调节系统，其特征在于，还包括卸荷阀，所述卸荷阀管路连接所述四通管。

5.如权利要求3所述的湿度调节系统，其特征在于，还包括第三三通管和氢气循环泵；所述第三三通管设置在所述四通与所述阳极入口之间，所述氢气循环泵连接在所述第三三通管与所述燃料电池电堆的阳极出口之间。

6.如权利要求1所述的湿度调节系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器被编程用于：控制空气进入所述空气通道，控制氢气进入所述氢气通道。

7.一种燃料电池车辆的湿度调节方法，其特征在于，应用于如权利要求1～6任一权项所述的湿度调节装置，所述湿度调节方法包括：

获得所述乘员舱温度和所述乘员舱湿度；

在所述乘员舱温度和所述乘员舱湿度符合设定条件时，根据湿度交换控制模式进行湿度调节；

其中，所述湿度交换控制模式包括：控制空气进入所述空气通道，控制氢气进入所述氢气通道；获得空气温度，空气湿度，空气流量和大气压强；根据所述空气温度，所述空气湿度，所述空气流量和所述大气压强，确定空气实际含湿量；根据所述空气温度，所述空气流量和所述大气压强，确定空气目标含湿量；获得氢气湿度，氢气温度和氢气压强；根据所述空气实际含湿量，所述空气目标含湿量，所述氢气湿度，所述氢气温度和所述氢气压强，确定通入所述氢气通道的氢气流量。

8.如权利要求7所述的湿度调节方法，所述在所述乘员舱温度和所述乘员舱湿度符合设定条件时，根据湿度交换控制模式进行湿度调节，包括：

根据所述乘员舱温度，确定适宜湿度范围；

若所述乘员舱湿度超出所述适宜湿度范围，且所述乘员舱温度处于预设温度范围内，则根据湿度交换控制模式进行湿度调节。

9.如权利要求8所述的湿度调节方法，在所述乘员舱温度和所述乘员舱湿度不符合设定条件时，所述湿度调节方法还包括：

根据车载空调控制模式进行湿度调节；

所述车载空调控制模式包括：若所述乘员舱湿度超出所述适宜湿度范围，且所述乘员舱温度低于预设温度下限，则开启所述车载空调的加热器进行湿度调节；若所述乘员舱湿度超出所述适宜湿度范围，且所述乘员舱温度高于预设温度上限，则开启所述车载空调的压缩机进行湿度调节。

10.一种燃料电池车辆，其特征在于，所述燃料电池车辆包括如权利要求1～6任一权项所述的湿度调节装置。

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