CN115882007A - 集成式增湿器、燃料电池空气系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式增湿器、燃料电池空气系统及其工作方法，集成式增湿器包括外壳、芯体、进气稳压室和干湿气体预混室，外壳设有湿气体出口和湿气体进口，芯体包括芯体壳和位于芯体壳内的若干加湿管束，芯体位于外壳内，加湿管束具有膜管入口、膜管出口、加湿气入口和加湿气出口，湿气体进口与加湿气入口连通，加湿气出口与湿气体出口连通。进气稳压室位于芯体的进气侧并与膜管入口连通，干湿气体预混室位于芯体的出气侧并与膜管出口连通，进气稳压室还与湿气体出口通过阀门连通，以及与干湿气体预混室通过阀门连通。本发明提供的集成式增湿器本体集成度高，减少了管路使用数量，降低了成本，提高了安全性。

Description

集成式增湿器、燃料电池空气系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种集成式增湿器、燃料电池空气系统及其工作方法。

背景技术

随着燃料电池系统应用场景的探索扩大，燃料电池系统向着大功率方向迈进已经成为趋势，但目前燃料电池的发展仍然面临着体积功率密度较小、占用空间尺寸较大的问题，因此提高燃料电池系统集成度是燃料电池系统研发的一个重要方向。燃料电池进行电化学反应时，需要通过空气系向阴极通入具有一定流量、温度、压力、湿度的空气，相关技术中的燃料电池中的空气系统通常包含独立的中冷器、膜增湿器、防喘振阀、湿度调节阀、背压阀、阴极及阳极锁死阀等，占用空间比例较大，集成度低，且具有过多的冗余配置，且导致成本高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种集成度高的集成式增湿器。本发明的实施例还提出一种燃料电池空气系统以及工作方法。

本发明实施例的集成式增湿器，包括：外壳，所述外壳设有湿气体出口和湿气体进口；芯体，所述芯体包括芯体壳和位于芯体壳内的若干加湿管束，所述芯体位于所述外壳内，所述加湿管束具有膜管入口、膜管出口、加湿气入口和加湿气出口，所述湿气体进口与所述加湿气入口连通，所述加湿气出口与所述湿气体出口连通；进气稳压室和干湿气体预混室，所述进气稳压室位于所述芯体的进气侧并与所述膜管入口连通，所述干湿气体预混室位于所述芯体的出气侧并与所述膜管出口连通，所述进气稳压室还与所述湿气体出口通过阀门连通，以及与所述干湿气体预混室通过阀门连通。

本发明实施例提供的集成式增湿器本体同时具备湿度调节和干湿气体混合功能。干湿气体在干湿气体预混室内均匀混合，进气稳压室与湿气体出口直接通过阀门连通，进气稳压室还与干湿气体预混室直接通过阀门连通，不需要额外增加管路，占用空间小。本发明实施例提供的集成式增湿器本体集成度高，通过一体化集成设计，减少了管路使用数量，降低了成本，提高了安全性。解决了相关技术中燃料电池空气系统在提供一定温度和湿度的压力空气时，采用独立零件过多而导致燃料电池系统结构冗杂、使用成本较高、占用空间较大的问题。

在一些实施例中，所述外壳与所述芯体壳之间径向上限定出湿气体进口稳压室和湿气体出口稳压室，所述湿气体进口与所述湿气体进口稳压室连通，所述湿气体出口稳压室与所述湿气体出口连通；

所述芯体壳内设有加湿气进气稳压室和加湿气出气稳压室，所述加湿气进气稳压室与所述加湿气入口连通，所述加湿气出气稳压室与所述加湿气出口连通，所述湿气体进口稳压室与所述加湿气进气稳压室连通，所述湿气体出口稳压室与所述加湿气出气稳压室连通。

在一些实施例中，所述湿气体进口稳压室和所述湿气体出口稳压室均为围绕所述芯体壳的环形腔室且两者在所述芯体的轴向向排布，所述湿气体出口和所述湿气体进口均设在所述外壳的底部。

在一些实施例中，所述外壳内还限定出进气旁通室，所述进气稳压室与所述进气旁通室连通，所述进气旁通室与所述湿气体出口稳压室之间通过进气旁通阀连通，所述进气旁通阀设在所述外壳上。

在一些实施例中，所述进气旁通室位于所述湿气体出口稳压室的上方，两者之间通过设在所述外壳上的第一通孔连通，所述进气旁通阀设在所述第一通孔处。

在一些实施例中，集成式增湿器还包括泄压阀，所述泄压阀设在所述进气旁通室与所述湿气体进口稳压室之间，用于连通所述进气旁通室与所述湿气体进口稳压室。

在一些实施例中，所述进气旁通室位于所述湿气体进口稳压室的上方，两者之间通过设在所述外壳上的第二通孔连通，所述泄压阀设在所述第二通孔处。

在一些实施例中，所述加湿管束包括壳体和位于壳体内的若干膜管，所述壳体设有所述加湿气入口和所述加湿气出口，从所述加湿气入口进入所述壳体内的加湿气与所述膜管外侧接触加湿膜管内部的气体，而后通过所述加湿气出口排出。

在一些实施例中，所述外壳内还限定出所述出气旁通室，所述出气旁通室的进气口与所述进气稳压室连通，所述出气旁通室的出气口通过排气旁通阀与所述干湿气体预混室通。

在一些实施例中，所述集成式增湿器包括筒状的混合室芯体，所述混合室芯体位于所述芯体的出气侧，其内部限定出所述干湿气体预混室，且其壁面上分布有若干进气孔；所述外壳与所述混合室芯体之间限定出环形的干气体出气稳压室，所述干气体出气稳压室与所述干湿气体预混室通过所述进气孔连通，所述出气旁通室与所述干气体出气稳压室之间通过设在所述外壳上的第三通孔连通，所述排气旁通阀设在所述第三通孔处。

本发明另一方面实施例提出的燃料电池空气系统包括：进气管和中冷器，所述进气管与所述中冷器的进气侧连通，所述中冷器用于对气体进行冷却；集成式增湿器，所述集成式增湿器为上述任一项实施例中所述的集成式增湿器，所述中冷器的出口与所述进气稳压室连通；出气管，所述出气管与所述干湿气体预混室连通。

本发明另一方面实施例提出的燃料电池空气系统的工作方法，包括：

当燃料电池处于低负荷阶段时，干气体经过所述进气管和中冷器进入所述进气稳压室，一部分干气体通过所述膜管入口进入膜管被加湿后，由所述膜管出口进入所述干湿气体预混室，通过所述出气管排出，另一部分干气体通过所述湿气体出口排出；

当燃料电池处于正常工作状态，干气体经过所述进气管和中冷器进入所述进气稳压室，一部分干气体通过所述膜管入口进入膜管被加湿后，由所述膜管出口进入所述干湿气体预混室，另一部分干气体通过阀门进入所述干湿气体预混室，干湿气体均匀混合，通过所述出气管排出。

在一些实施例中，所述燃料电池空气系统方法还包括：当燃料电池出现意外导致进入电堆的空气压力超过阈值，所述泄压阀开启，所述进气旁通室中的干气体进入所述湿气体进口稳压室。

附图说明

图1是本发明实施例提供的燃料电池空气系统的正视图。

图2是本发明实施例提供的燃料电池空气系统的俯视图。

图3是本发明实施例提供的燃料电池空气系统的仰视图。

图4是图1中的A-A剖视图。

图5是图2中的B-B剖视图。

图6是图2中的C-C剖视图。

图7是本发明实施例提供的加湿管束的结构示意图。

图8是本发明实施例提供的泄压阀的结构示意图。

图9是本发明实施例提供的集成式增湿器的外壳的结构示意图。

图10是本发明实施例提供的混合室芯体的结构示意图。

附图标记：

进气管1、进气口101、进气管室102、中冷器2、空气通道201、集成式增湿器3、进气稳压室301、干气体出气稳压室302、湿气体进口稳压室303、湿气体出口稳压室304、进气旁通室306、出气旁通室307、湿气体进口308、湿气体出口309、外壳31、第一凸台3101、第二凸台3102、第三凸台3103、进气旁通路开口3104、排气旁通路开口3105、泄压阀安装孔3106、进气旁通阀阀座开口3107、排气旁通阀阀座开口3108、芯体壳32、加湿气进气稳压室3201、加湿气出气稳压室3202、加湿管束33、膜管入口3301、加湿气入口3302、壳体3303、膜管3304、膜管出口3305、加湿气出口3306、芯体端板34、混合室芯体35、干湿气体预混室3501、进气孔3502、进气旁通阀4、排气旁通阀5、出气管6、出气管稳压室601、出气口602、泄压阀工艺盖板7、泄压阀8、泄压阀壳801、泄压阀芯体802、弹簧803。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面根据图1-图10描述本发明实施例提供的集成式增湿器以及具有该集成式增湿器的燃料电池空气系统。

如图1所示，燃料电池空气系统包括进气管1、中冷器2、集成式增湿器3和出气管6。进气管1与中冷器2的进气侧连通，中冷器2用于对气体进行冷却。中冷器2的出口与集成式增湿器3的进气侧连通，出气管6与集成式增湿器3的出气侧连通。集成式增湿器3用于对空气进行加湿。

如图5和图6所示，集成式增湿器3包括外壳31和芯体，外壳31设有湿气体进口308和湿气体出口309。芯体位于外壳31内，芯体包括芯体壳32和位于芯体壳32内的加湿管组件，加湿管组件包括若干加湿管束33，加湿管束33具有膜管入口3301、膜管出口3305、加湿气入口3302和加湿气出口3306。湿气体进口308与加湿气入口3302连通，加湿气出口3306与湿气体出口309连通。

集成式增湿器3还包括进气稳压室301和干湿气体预混室3501，进气稳压室301位于芯体的进气侧并与膜管入口3301连通，干湿气体预混室3501位于芯体的出气侧并与膜管出口3305连通。中冷器2的出口与进气稳压室301连通，出气管6与干湿气体预混室3501连通。

燃料电池系统中空压机输出的高温高压的空气经过进气管1进入中冷器中进行冷却，冷却后的空气进入集成式增湿器3的进气稳压室301中，进气稳压室301中的干空气通过膜管入口3301进入加湿管束33中。来自于电堆阴极排气的高湿度混合气从湿气体进口308进入，并从加湿气入口3302进入加湿管束33中的膜管外侧，干空气被加湿后从膜管出口3305排出，而从加湿气入口3302进入的湿气体，在膜管外侧把携带的水蒸气通过浓差作用渗透到膜管内侧后，剩余的气体从加湿气出口3306排出。从膜管出口3305排出的被加热的湿气体进入干湿气体预混室3501中，通过出气管6排出，进而进入到电堆阴极入口，此具有一定湿度的空气用于参与电堆阴极的电化学反应。而从加湿气出口3306排出的加湿气从湿气体出口309排出，可排放到大气中。

进气稳压室301还与湿气体出口309通过阀门连通，通过阀门的调节，进气稳压室301中的干气体还可以通过湿气体出口309直接排到大气中，不参与反应。

进气稳压室301还与干湿气体预混室3501通过阀门连通，通过阀门的调节，进气稳压室301中的干气体还可以进入干湿气体预混室3501与干湿气体预混室3501中的湿气体混合均匀，调节从出气管6排出的气体的湿度。

本发明实施例还提出了一种燃料电池空气系统的工作方法，燃料电池空气系统为本发明上述实施例提出的燃料电池空气系统。燃料电池空气系统的工作方法包括：

当燃料电池处于低负荷阶段时，干气体经过进气管1和中冷器2进入进气稳压室301，进气稳压室301中的一部分干气体通过膜管入口3301进入膜管被加湿后，由膜管出口3305进入干湿气体预混室3501，通过出气管6排出，另一部分干气体在阀门的作用下通过湿气体出口309排出；

当燃料电池处于正常工作状态，干气体经过进气管1和中冷器2进入进气稳压室301，进气稳压室301中的一部分干气体通过膜管入口3301进入膜管被加湿后，由膜管出口3305进入干湿气体预混室3501，另一部分干气体通过阀门调节进入干湿气体预混室3501，在干湿气体预混室3501中，干气体和湿气体均匀混合，通过出气管6排出。阀门控制进入干湿气体预混室3501的干气体的比例，可以实现调节气体湿度。

当燃料电池处于低负荷阶段，使一部分干气体通过湿气体出口309排出，不参与电堆反应。通过湿气体出口309排出的干气体可以具有以下作用：一是当燃料电池处于低负荷阶段时，由于空气量过少容易引起空压机的喘振现象，通过湿气体出口309排出的气体可以通入空压机增加经过空压机的空气流量，以避免喘振现象；二是当燃料电池尾排的氢浓度过高时，在不影响进入电堆反应的空气流量条件下，可以通过湿气体出口309排出的气体增加尾排空气流量，从而稀释氢气浓度到允许范围内，提高安全性能。

本发明实施例提供的集成式增湿器本体同时具备湿度调节和干湿气体混合功能，干湿气体在干湿气体预混室内均匀混合。进气稳压室与湿气体出口直接通过阀门连通，进气稳压室还与干湿气体预混室直接通过阀门连通，不需要额外增加管路，占用空间小。本发明实施例提供的集成式增湿器本体集成度高，通过一体化集成设计，减少了管路使用数量，降低了成本，提高了安全性。

本发明实施例提供的燃料电池空气系统解决了相关技术中燃料电池空气系统在提供一定温度和湿度的压力空气时，采用独立零件过多而导致燃料电池系统结构冗杂、使用成本较高、占用空间较大的问题。

下面根据图1-图10描述本发明实施例提供的集成式增湿器、燃料电池空气系统及其工作方法。

如图1和图5所示，中冷器2位于进气管1与进气稳压室301之间。进气管1具有进气口101和进气管室102，中冷器2具有空气通道201。芯体位于外壳31的内部，外壳31与芯体33之间、外壳31与混合室芯体35之间分别限定出进气稳压室301和干湿气体预混室3501，进气稳压室301位于芯体的右侧，干湿气体预混室3501位于芯体的左侧。出气管6具有出气口602和出气管稳压室601。

如图5和图6所示，燃料电池系统中经过空压机的高温高压空气经过进气管1的进气口101进入进气管室102，在进气管室102内被导流，经过中冷器2的空气通道201被中冷器2内冷测的冷却液冷却，然后进入进气稳压室301。干湿气体预混室3501中的气体进入出气管稳压室601，从出气口602排出，最后进入电堆参加电化学反应。

如图5和图6所示，外壳31与芯体壳32之间在径向上限定出湿气体进口稳压室303和湿气体出口稳压室304，湿气体进口308与湿气体进口稳压室303连通，湿气体出口稳压室304与湿气体出口309连通。湿气体进口稳压室303用于对进入芯体的湿气体进行稳压，湿气体出口稳压室304用于对流出集成式增湿器的湿气体进行稳压。芯体壳32内设有加湿气进气稳压室3201和加湿气出气稳压室3202，加湿气进气稳压室3201与加湿气入口3302连通，用于对进入加湿管束33的加湿气进行稳压。加湿气出气稳压室3202与加湿气出口3306连通，用于对流出加湿管束33的加湿气进行稳压。湿气体进口稳压室303与加湿气进气稳压室3201连通，湿气体出口稳压室304与加湿气出气稳压室3202连通。

进一步地，如图6所示，湿气体进口稳压室303和湿气体出口稳压室304均为围绕芯体壳32的环形腔室且两者在芯体的轴向向排布，湿气体出口309和湿气体进口308均设在外壳的底部。具体地，在本实施例中，湿气体进口稳压室303位于湿气体出口稳压室304的右侧，湿气体进口308位于湿气体出口309的右侧。

如图5和图6所示，芯体包括芯体壳32和若干加湿管束33。芯体壳32为包括圆筒状的主体和连接在主体两端的芯体端板34，芯体端板34端板上开设有若干通孔，通孔分别对应加湿管束33膜管3304的进口和出口。

如图7所示，加湿管束33包括壳体3303和位于壳体3303内的若干膜管3304（即中空纤维膜管），壳体3303为圆筒结构，膜管3304沿壳体3303的轴向延伸，壳体3303与膜管3304外部之间具有供加湿气流通的间隙，壳体3303的周壁上设有加湿气入口3302和加湿气出口3306，从加湿气入口3302进入壳体3303内的加湿气（来自电堆）与膜管3304外侧接触以加湿膜管3304内部的气体（水蒸气通过水蒸气浓差梯度作用从膜管外侧渗透进入内侧，而不允许空气通过），多余的加湿气而后通过加湿气出口3306排出，最终排入大气。在本实施例中，加湿气入口3302位于加湿气出口3306的右侧，膜管入口3301位于膜管出口3305的右侧。

根据流体仿真结果，优选加湿管束33的壳体3303的内径为20mm-36mm,加湿管束33的壳体3303两端开有横截面积在400cm²-1200cm²的开口；膜管3304优选为内径0.7mm-1mm、壁厚40um-80um的聚砜族高分子材料中空纤维管。

当空气在电堆内参与电化学反应并生成水蒸气，从电堆排出的空气与水蒸气混合物将被引入集成式增湿器3的湿气体进口308进入湿气体进口稳压腔303。在高速气流的动能作用下冲击在芯体壳32的外部，由于水滴惯性较大，气体惯性较小，在碰撞作用下，从电堆来的高湿气体携带的大部分的液态水滴会聚集起来从而被分离，湿气体会绕开芯体壳32的阻碍进入加湿气进气稳压室3201，并从加湿管束33的加湿气入口3302进入加湿管束33内，与膜管3304的外侧接触，在浓差扩散的作用下湿气体中的水进入到膜管3304内侧，膜管3304内侧的干气体则被加湿，剩余的水蒸气和空气则从加湿管束33的加湿气出口3306排出，然后进入到加湿气出气稳压室3202，再进入到湿气体出口稳压室304，最后从外壳31底部的湿气体出口309排出。

如图5和图6所示，集成式增湿器3还包括进气旁通阀4、排气旁通阀5和泄压阀8。

如图4和图5所示，外壳31内还限定出进气旁通室306，进气稳压室301还与进气旁通室306的入口的连通，进气旁通室306与湿气体出口稳压室304之间通过进气旁通阀4连通，进气旁通阀4设在外壳31上。具体地，如图4-图6所示，在本实施例中，进气旁通室306由外壳31本身限定出，进气旁通室306沿芯体的轴向延伸，进气旁通室306位于湿气体出口稳压室304的上方，进气旁通室306的一部分在上下方向上与湿气体出口稳压室304相对，外壳31设有第一通孔，进气旁通室306与湿气体出口稳压室304之间通过设第一通孔连通，进气旁通阀4设在第一通孔处。如图2所示，进气旁通阀4设在外壳31的顶部。

进气稳压室301中的干气体能够进入进气旁通室306中，通过调节进气旁通阀4，调节进入湿气体出口稳压室304的干气体的流量，湿气体出口稳压室304中的气体从湿气体出口309排出。由此实现：进气稳压室301与湿气体出口309通过阀门连通，通过阀门的调节，进气稳压室301中的干气体通过湿气体出口309直接排出，并且无需额外管路连接。

当燃料电池系统处于工作状态时，如果出现意外导致进入电堆空气压力过高，需要进行泄压保护，在燃料电池系统的控制器进行压力保护之外，需要在进入电堆前的空气管路上设置泄压阀，经过泄压阀的气体不进入电堆参加反应。如图5和图8所示，泄压阀8设在进气旁通室306与湿气体进口稳压室303之间，用于连通进气旁通室306与湿气体进口稳压室303，通过调节泄压阀8，进气旁通室306中的气体进入湿气体进口稳压室303中，流经加湿管束33后从湿气体出口309排出，不参与电堆反应。本实施例中泄压阀8直接安装在进气旁通室306与湿气体进口稳压室303之间，无需额外管路连接。

具体地，如图5所示，进气旁通室306位于湿气体进口稳压室303的上方，进气旁通室306的一部分在上下方向上与湿气体进口稳压室303相对，外壳31上设有第二通孔，进气旁通室306与湿气体进口稳压室303之间通过第二通孔连通，泄压阀8设在第二通孔处。

如图8所示，泄压阀8包含有泄压阀壳801、泄压阀芯体802和弹簧803。泄压阀芯体802设在泄压阀壳801内，弹簧803设在泄压阀芯体802内，弹簧803的压缩可以实现进气旁通室306与湿气体进口稳压室303的连通。如图2和图5所示，外壳31的顶部开设有泄压阀工艺盖板7，泄压阀工艺盖板7位于泄压阀8的上方，泄压阀工艺盖板7的底部伸入泄压阀8内与泄压阀芯体802相抵，按压泄压阀工艺盖板7可以压缩压力弹簧803，进气旁通室306中的气体泄入湿气体进口稳压室303。

进一步地，外壳31内还限定出出气旁通室307，出气旁通室307的进气口与进气稳压室301连通，出气旁通室307的出气口通过排气旁通阀5与干湿气体预混室3501连通，排气旁通阀5设在外壳31上。如图4-图6所示，出气旁通室307由外壳31本身限定出，出气旁通室307沿芯体的轴向延伸，出气旁通室307位于干湿气体预混室3501、湿气体进口稳压室303和湿气体出口稳压室304的上方，与进气旁通室306并排设置。

为了提高干湿气体预混室3501内的干湿气体混合效果。在本实施例中，集成式增湿器3还包括筒状的混合室芯体35，混合室芯体35位于芯体的出气侧且位于外壳31内，混合室芯体35内部限定出干湿气体预混室3501，且其壁面上分布有若干进气孔3502。排气旁通阀5设在混合室芯体35的上方。

混合室芯体35的作用是对进入干湿气体预混室3501的干气体起到扰流的作用，使干气体与干湿气体预混室3501中的湿气体能够均匀混合。

如图10所示，根据流体仿真结果，为了实现气体的均匀混合，优选进气孔3502在混合室芯体35的壁面上均匀分布，进气孔3502直径优选在3mm-5mm。

进一步地，如图5和图6所示，外壳31与混合室芯体35之间限定出环形的干气体出气稳压室302，干气体出气稳压室302环绕混合室芯体35，混合室芯体35上的进气孔3502连通干湿气体预混室3501和干气体出气稳压室302。外壳31上设有第三通孔，出气旁通室307与干气体出气稳压室302之间通过第三通孔连通，排气旁通阀5设在第三通孔处。

进气稳压室301中的干气体能够进入出气旁通室307中，通过调节排气旁通阀5，调节进入干气体出气稳压室302的干气体的流量，干气体出气稳压室302中的气体通过进气孔3502进入干湿气体预混室3501与湿气体混合均匀。由此实现：进气稳压室301与干湿气体预混室3501通过阀门连通，通过阀门的调节，进气稳压室301中的干气体进入干湿气体预混室3501与湿气体混合均匀，调节从出气管6排出的气体的湿度，并且无需额外管路连接。

如图2所示，集成式增湿器3的外壳31的顶部分布有进气旁通阀4、排气旁通阀5和泄压阀工艺盖板7。进气旁通阀4和泄压阀工艺盖板7与进气旁通室306对应，分别用于连通进气旁通室306与湿气体出口稳压室304，以及进气旁通室306与湿气体进口稳压室303。排气旁通阀5与出气旁通室307对应，用于连通出气旁通室307和干气体出气稳压室302。

以图4和图9具体描述外壳31的结构。如图9所示，外壳31的内壁面上设有第一凸台3101、第二凸台3102、第三凸台3103，第一凸台3101、第二凸台3102、第三凸台3103均与芯体壳32的外侧相抵并与芯体壳32之间形成密封。具体地，如图4和图9所示，第一凸台3101与第二凸台3102、芯体壳32的外周面之间限定出湿气体进口稳压室303。第二凸台3102与第三凸台3103、芯体壳32的外周面之间限定出湿气体出口稳压室304。此外，如图4所示，芯体壳32的左端开口处还形成有一个与混合式芯体35的外周面相抵的凸台，其与第三凸台3103、混合式芯体35之间限定出干气体出气稳压室302。

外壳31上开设有进气旁通路开口3104，进气旁通路开口3104用于连通进气稳压室301和进气旁通室306，根据最大分配流量计算所得，进气旁通路开口3104的直径为25mm-40mm。进气旁通室306的横截面积在400cm²-1200cm²；如图4所示，外壳31上还开设有排气旁通路开口3105，排气旁通路开口3105用于连通进气稳压室301和出气旁通室307，根据最大分配流量计算所得，排气旁通路开口3105的开口直径为25mm-40mm，出气旁通室307的横截面积在400cm²-1200cm²；如图9所示，外壳31上还开设有泄压阀安装孔3106（第二通孔），泄压阀8安装在泄压阀安装孔3106处，泄压阀安装孔3106的开口直径为30mm-45mm；外壳31上还开设有用于安装进气旁通阀阀4的进气旁通阀阀座开口3107（第一通孔）和用于安装排气旁通阀5的排气旁通阀阀座开口3108（第三通孔），进气旁通阀阀座开口3107的开口直径在25mm-35mm，排气旁通阀阀座开口3108（第三通孔）的开口直径在25mm-35mm。

本发明实施例提供的集成式增湿器同时具备湿度调节和干湿气体混合功能，集成式增湿器内装配有混合室芯体，在具备湿度调节功能下保证均匀的干湿混合效果。集成式增湿器内直接安装有进气旁通阀、排气旁通阀、泄压阀，集成度高，不需要额外增加管路，占用空间小。通过一体化集成设计，减少了管路使用数量，降低了成本，提高了安全性。

下面详细阐述基于上述实施例中的燃料电池空气系统的工作方法，包括：

当燃料电池系统处于低负荷阶段时，进气稳压室301内部分干气体从加湿管束33的膜管入口3301进入高分子材料膜管3304内被加湿，然后从膜管出口3305排出，进入干湿气体预混室3501内，经过出气管6的出气管稳压室601从出气管出气口602排出，最终进入电堆参加反应。进气稳压室301内的另一部分干气体经过进气旁通室306，在进气旁通阀4的流量调节作用下，进入湿气体出口稳压室304，然后经过湿气体出口309排出，此部分气体不进入电堆反应。主要有两个作用，一是当燃料电池电池系统处于低负荷阶段时，由于空气量过少容易引起空压机喘振现象，通过进气旁通阀4增加经过空压机的空气的流量来避免喘振，二是当燃料电池系统的尾排的氢浓度过高时，在不影响进入电堆反应的空气流量条件下，可以通过进气旁通阀4增加尾排空气流量，从而稀释氢气浓度到允许范围内。

当燃料电池系统处于正常工作状态时，需要对进入电堆的空气湿度进行控制，避免过干或者过湿对膜电极造成损伤。进气稳压室301内部分干空气经过加湿管束33的膜管膜管入口3301进入高分子材料膜管3304内被加湿，然后从膜管出口3305排出，进入干湿气体预混室3501内；另一部分干气体经过出气旁通室307，在排气旁通阀5流量调节作用下，进入干气体出气稳压室302，在混合器芯体35的扰流作用下，进入干湿气体预混室3501，与另一路气体在干湿气体预混室3501内充分均匀混合，且得到目标湿度的空气，然后经过出气管6的出气管稳压室601，从出气管出气口602排出，最后进入电堆参加电化学反应。

当空气在电堆内参与电化学反应并生成水蒸气，从电堆排出的空气与水蒸气混合物通过集成式增湿器3底部的的湿气体进口308进入湿气体进口稳压腔303，然后经过芯体壳32分离液态水。而后混合气体进入芯体壳32内的加湿气进气稳压室3201，并从加湿管束33的加湿气入口3302进入到膜管3304的外侧，在浓差扩散的作用下水进入到膜管3304内侧，膜管内侧的气体则被加湿，剩余的水蒸气和空气则经过膜管3304外侧，从加湿管束33的加湿气出口3306排出，进入到芯体壳32内的加湿气出气稳压室3202，再进入到湿气体出口稳压室304，最终从底部的湿气体出口309排出。

当燃料电池系统处于工作状态时，如果出现意外导致进入电堆空气压力过高，需要进行泄压保护，在燃料电池系统的控制器进行压力保护之外，调节泄压阀8，使进气旁通室306中的干气体进入湿气体进气稳压室303中，这部分气体不进入电堆参与反应。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种集成式增湿器，其特征在于，包括：

外壳，所述外壳设有湿气体出口和湿气体进口；

芯体，所述芯体包括芯体壳和位于芯体壳内的若干加湿管束，所述芯体位于所述外壳内，所述加湿管束具有膜管入口、膜管出口、加湿气入口和加湿气出口，所述湿气体进口与所述加湿气入口连通，所述加湿气出口与所述湿气体出口连通；

进气稳压室和干湿气体预混室，所述进气稳压室位于所述芯体的进气侧并与所述膜管入口连通，所述干湿气体预混室位于所述芯体的出气侧并与所述膜管出口连通，所述进气稳压室还与所述湿气体出口通过阀门连通，以及与所述干湿气体预混室通过阀门连通。

2.根据权利要求1所述的集成式增湿器，其特征在于，所述外壳与所述芯体壳之间径向上限定出湿气体进口稳压室和湿气体出口稳压室，所述湿气体进口与所述湿气体进口稳压室连通，所述湿气体出口稳压室与所述湿气体出口连通；

所述芯体壳内设有加湿气进气稳压室和加湿气出气稳压室，所述加湿气进气稳压室与所述加湿气入口连通，所述加湿气出气稳压室与所述加湿气出口连通，所述湿气体进口稳压室与所述加湿气进气稳压室连通，所述湿气体出口稳压室与所述加湿气出气稳压室连通。

3.根据权利要求2所述的集成式增湿器，其特征在于，所述湿气体进口稳压室和所述湿气体出口稳压室均为围绕所述芯体壳的环形腔室且两者在所述芯体的轴向向排布，所述湿气体出口和所述湿气体进口均设在所述外壳的底部。

4.根据权利要求2或3所述的集成式增湿器，其特征在于，所述外壳内还限定出进气旁通室，所述进气稳压室与所述进气旁通室连通，所述进气旁通室与所述湿气体出口稳压室之间通过进气旁通阀连通，所述进气旁通阀设在所述外壳上。

5.根据权利要求4所述的集成式增湿器，其特征在于，所述进气旁通室位于所述湿气体出口稳压室的上方，两者之间通过设在所述外壳上的第一通孔连通，所述进气旁通阀设在所述第一通孔处。

6.根据权利要求4所述的集成式增湿器，其特征在于，还包括泄压阀，所述泄压阀设在所述进气旁通室与所述湿气体进口稳压室之间，用于连通所述进气旁通室与所述湿气体进口稳压室。

7.根据权利要求6所述的集成式增湿器，其特征在于，所述进气旁通室位于所述湿气体进口稳压室的上方，两者之间通过设在所述外壳上的第二通孔连通，所述泄压阀设在所述第二通孔处。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的集成式增湿器，其特征在于，所述加湿管束包括壳体和位于壳体内的若干膜管，所述壳体设有所述加湿气入口和所述加湿气出口，从所述加湿气入口进入所述壳体内的加湿气与所述膜管外侧接触加湿膜管内部的气体，而后通过所述加湿气出口排出。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的集成式增湿器，其特征在于，所述外壳内还限定出所述出气旁通室，所述出气旁通室的进气口与所述进气稳压室连通，所述出气旁通室的出气口通过排气旁通阀与所述干湿气体预混室通。

10.根据权利要求9所述的集成式增湿器，其特征在于，

所述集成式增湿器包括筒状的混合室芯体，所述混合室芯体位于所述芯体的出气侧，其内部限定出所述干湿气体预混室，且其壁面上分布有若干进气孔；

所述外壳与所述混合室芯体之间限定出环形的干气体出气稳压室，所述干气体出气稳压室与所述干湿气体预混室通过所述进气孔连通，所述出气旁通室与所述干气体出气稳压室之间通过设在所述外壳上的第三通孔连通，所述排气旁通阀设在所述第三通孔处。

11.一种燃料电池空气系统，其特征在于，包括：进气管、中冷器、集成式增湿器和出气管，所述进气管与所述中冷器的进气侧连通，所述中冷器用于对气体进行冷却，所述集成式增湿器为根据权利要求1-10中任一项所述的集成式增湿器，所述中冷器的出口与所述进气稳压室连通，所述出气管与所述干湿气体预混室连通。

12.一种燃料电池空气系统的工作方法，其特征在于，所述燃料电池空气系统为权利要求11的燃料电池空气系统，包括：

当燃料电池处于低负荷阶段时，干气体经过所述进气管和中冷器进入所述进气稳压室，一部分干气体通过所述膜管入口进入膜管被加湿后，由所述膜管出口进入所述干湿气体预混室，通过所述出气管排出，另一部分干气体通过所述湿气体出口排出；

当燃料电池处于正常工作状态，干气体经过所述进气管和中冷器进入所述进气稳压室，一部分干气体通过所述膜管入口进入膜管被加湿后，由所述膜管出口进入所述干湿气体预混室，另一部分干气体通过阀门进入所述干湿气体预混室，干湿气体均匀混合，通过所述出气管排出。

13.根据权利要求12所述的燃料电池空气系统的工作方法，其特征在于，所述燃料电池空气系统包括根据权利要求6或7所述的集成式增湿器，还包括：

当燃料电池出现意外导致进入电堆的空气压力超过阈值，所述泄压阀开启，所述进气旁通室中的干气体进入所述湿气体进口稳压室。

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