具体实施方式

以下将结合图2至图5对本发明提供的一种燃料电池的加湿、冷却集一体化装置进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

实施例一

请参考图2至图5，一种燃料电池的冷却、加湿集一体化装置，此装置为一种内加湿、冷却系统，其特征在于利用与电堆同一套冷却系统对进入电堆的热空气进行冷却，同时利用电堆自身产生的水对进入电堆的干热空气进行加湿。该装置的结构包括前压板1、前端导热板2、阻气性透水膜3、后端导热板4、密封圈(垫)5、后压板6、螺栓组7和左右定位板8。

一组前端导热板2、阻气性透水膜3和后端导热板4构成一组加湿、冷却单元；加湿、冷却单元中，前端导热板2和后端导热板4的板两侧分布有用于热交换的水流场和气体加湿的气体流场；基于工艺的实施，可以将前一组加湿、冷却单元的后端导热板4与后一组加湿、冷却单元的前端导热板2组合成一体，内部设置有冷却水的腔体，构成“双导热板”。阻气性透水膜处于“双导热板”之间，三者通过密封垫(圈)5进行密封，将多组加湿、冷却单元依次叠加形成具有自加湿和冷却双重功效的结构，由前压板1、后压板6通过多组螺栓7进行连接紧固形成自加湿、冷却装置。

进一步的，前压板1的左侧面设置有三个第一开孔，分别用于作为提供给电堆的燃料气的入口、用于冷却水(提供电堆冷却和热空气冷却)的入口和干热空气的入口；前压板的右侧面设置有三个第二开孔，分别用于电堆尾排燃料气的出口、用于冷却水的出口和空气尾排出口。

后压板6的左侧面设置有三个第一开孔，分别用于作为提供给电堆的燃料气的出口、用于提供电堆冷却水的出口和电堆尾排空气的入口；后压板的右侧面设置有三个第二开孔，分别用于电堆尾排燃料气的入口、用于电堆冷却回水的入口和湿冷空气进电堆的出口。

进一步的，前压板1与第一组加湿、冷却单元的前端导热板2相连，二者之间构成冷却水的腔体；第一组加湿、冷却单元的前端导热板2与其阻气性透水膜3相连，二者之间构成通过干热空气的腔体；第一组加湿、冷却单元的阻气性透水膜3与其后端导热板4相连，二者之间构成通过电堆尾排空气(含较多的水)的腔体，各腔体之间通过密封圈(垫)5密封；

第一组加湿、冷却单元的后端导热板4与第二组加湿、冷却单元的前端导热板1相连，二者之间构成通过冷却水的腔体，基于工艺的实践，二者组合成“双导热板”。

据此依次叠加多组加湿、冷却单元，直至最后一组加湿、冷却单元的后端导热板4与后压板6相连，二者之间构成通过冷却水的腔体，通过密封圈(垫)5进行密封。

进一步的，构成一组加湿、冷却单元的前端导热板2、阻气性透水膜3和后端导热板4分别在其左侧面设置有四个第一开孔，叠加组合为多组的加湿、冷却单元集合后，形成四个通道，其中三个通道分别与前压板1的三个第一开孔相连通，构成燃料气通道、冷却水通道以及干热空气通道，并分别与各组加湿、冷却单元的冷却水腔体和干热空气腔体联通，其中燃料气为过孔通道，各通道之间通过密封圈(垫)5进行密封；

多组加湿、冷却单元组合后形成的左侧面的四个通道，其中三个通道分别于后压板6的三个第一开孔相连通，构成燃料气通道、冷却水通道以及电堆尾排空气通道，并分别与各组加湿、冷却单元的冷却水腔体和电堆尾排空气腔体联通，其中燃料气为过孔通道，各通道之间通过密封圈(垫)5进行密封；

进一步的，自前压板1左侧面入口与各组加湿、冷却单元的干热空气腔体联通的干热空气通道，在后压板6处封堵，通过各组加湿、冷却单元的干热空气腔体联通到右侧的湿冷空气通道(后述)。

自后压板6左侧面入口与各组加湿、冷却单元的电堆尾排空气腔体联通的电堆尾排空气通道(第一通道)，在前压板1处封堵，通过各组加湿、冷却单元的电堆尾排空气腔体联通到右侧的电堆尾排空气通道(第二通道)(后述)。

进一步的，构成一组加湿、冷却单元的前端导热板2、阻气性透水膜3和后端导热板4分别在其右侧面设置有四个第二开孔，叠加组合为多组的加湿、冷却单元集合后，形成四个通道，其中三个通道分别与后压板1的三个第二开孔相连通，构成燃料气尾排通道、冷却水回水通道以及湿冷空气通道，并分别与各组加湿、冷却单元的冷却水腔体和干热空气腔体(与湿空气交互后的成为湿冷空气)联通，其中燃料气尾排为过孔通道，各通道之间通过密封圈(垫)5进行密封；

通过各组加湿、冷却单元的电堆尾排空气腔体联通到右侧的电堆尾排空气通道(第二通道)在后压板6处封堵，在前压板1处与电堆尾排空气出口联通，用于排放尾排空气。

通过各组加湿、冷却单元的干热空气腔体(与湿空气交互后的成为湿冷空气)联通到右侧的湿冷空气通道在前压板1处封堵，在后压板6处与湿冷空气出口联通，用于给电堆提供湿冷空气。

请结合图3各介质流向和结构原理示意图。本原理示意图仅是一种实施例，不限于各通道的各种组合。

干热空气冷却、加湿工作原理：

冷却工作原理：干热空气自前压板的左侧面入口进入，通过由左侧各组加湿、冷却单元组合成的干空气通道，与各组由“双导热板”与阻气性透水膜贴合构成的干热空气腔体的左侧联通，干空气通道在后压板的左侧封堵。干热空气穿过此多组腔体到达右侧由各组加湿、冷却单元组合成的空气通道；期间，通过与多组双导热板内部腔体的冷却水进行热交换，在右侧的空气通道内形成低温的冷空气，实现冷却功效。

加湿工作原理：干热空气穿过由多组“双导热板”与阻气性透水膜贴合构成的干热空气腔体到达右侧由各组加湿、冷却单元组合成的空气通道时，与各组双导热板与阻气性透水膜构成的尾排空气通道的尾排空气(含大量水)，通过阻气性透水膜进行交互，通过水的渗透和浓差扩散，实现对干热空气进行加湿的功效；

在本发明中，对于阻气性透水膜可以用具有加湿功效的湿膜结构进行替代，以增加其实用性和经济性，以下针对这种加湿结构给予详细描述。

湿膜结构

本方案中，湿膜结构可以是具有一定支撑作用的复合体湿膜结构，如附图5所示，复合体湿膜结构由透水膜31包裹的多微孔支撑体32所构成，多微孔支撑体32为薄板状泡沫金属结构或金属丝网结构，优选为薄板状泡沫金属镍作为支撑体。

实施例二

参看图1至图4，本实施例提供了一种板式自加湿冷却装置，用于燃料电池系统，包括依次叠加的前压板1、至少一个加湿冷却单元和后压板6。前压板1与后压板6之间设有若干螺栓组7，用于压紧和固定前压板1与后压板6，从而实现对多个加湿冷却单元的压紧。

其中，加湿冷却单元包括依次叠加的前端导热板2、阻气性透水膜3和后端导热板4。前端导热板和后端导热板的两面均设置有由流道构成的流场，前端导热板2的流场与阻气性透水膜3的一面配合形成一干热空气腔体，后端导热板4的流场与阻气性透水膜3的另一面配合形成一湿空气腔体。即前端导热板2和后端导热板4相对的面上开设有相应的由流道构成的流场，两个流场配合形成一中空腔体，再由阻气性透水膜3设置在该中空腔体的中间，将该中空腔体分隔为上述的干热空气腔体和湿空气腔体。

同时，相邻的加湿冷却单元中，前一加湿冷却单元的后端导热板4与后一加湿冷却单元的前端导热板2配合形成冷却水腔体。最前端的加湿冷却单元的前端导热板2与前压板1配合形成冷却水腔体，最后端的加湿冷却单元的后端导热板4与后压板6配合形成冷却水腔体。此处的设置方式与上方的干热空气腔体和湿空气腔体的是相同的，由相邻的前端、后端导热板的流场组合或者相邻导热板的流场与压板配合形成上述的冷却水腔体。

该板式自加湿冷却装置还包括干热空气输入通道、冷却水输入通道、尾排空气输入通道、湿冷空气输出通道、冷却水输出通道和尾排空气输出通道。

其中，干热空气输入通道分别与每一干热空气腔体的一侧连通。冷却水输入通道分别与每一冷却水腔体的一侧连通。尾排空气输入通道分别与每一湿空气腔体的一侧连通。湿冷空气输出通道分别与每一干热空气腔体的另一侧连通。冷却水输出通道分别与每一冷却水腔体的另一侧连通。尾排空气输出通道分别与每一湿空气腔体的另一侧连通。

本实施例的板式自加湿冷却装置在使用时，包括对进入干热空气腔体内的干热空气进行冷却和加湿两个这功能。其中，冷却的功能通过分别与冷却水腔体连通的冷却水输入通道和冷却水输出通道来实现，冷却水腔体内的冷却水不断流动更新保持较低的温度，并可通过前端导热板2或后端导热板4与相邻干热空气腔体内的干热空气进行换热，使得干热空气的温度降低。而加湿的功能通过与湿空气腔体连通的尾排空气输入通道、尾排空气输出通道以及阻气性透水膜3来实现，尾排空气输入通道连通的是燃料电池的尾排空气输出端连通，而燃料电池的尾排空气为含有较多反应水的空气，则该尾排空气可在湿空气腔体内通过阻气性透水膜3将水汽传递至相邻的干热空气腔体，对其内的干热空气进行加湿，从而最终得到所需的湿冷空气并经过湿冷空气输出通道输出至燃料电池内。不仅减少了中冷器/或加湿器部件以及加湿水泵的使用，而且能够大大简化燃料电池系统的设计，降低了系统的复杂性和制造成本，节省了空间，大大提高了燃料电池系统的功率密度，具有非常好的实用价值和借鉴意义。

下面对本实施例的用于燃料电池系统的板式自加湿冷却装置的具体结构进行进一步说明：

在本实施例中，前压板1、前端导热板2、阻气性透水膜3、后端导热板4和后压板6的第一侧开设有三组对应的第一开孔，这三组对应的第一开孔分别配合形成上述的干热空气输入通道、冷却水输入通道和尾排空气输入通道。前压板1、前端导热板2、阻气性透水膜3、后端导热板4和后压板6的第二侧同样可开设有三组对应的第二开孔，三组对应的第二开孔分别配合形成湿冷空气输出通道、冷却水输出通道和尾排空气输出通道。因为压板以及导热板之间的紧密贴合甚至是固定的，故在其上开设若干组同轴线的第一开孔和第二开孔，来得到所需的各个通道。

其中，干热空气输入通道位于前压板1的一侧与外部空压机连通，干热空气输入通道位于后压板6的一侧封堵，使得干热空气可全部通过干热输入通道进入各个干热空气腔体内。冷却水输入通道位于前压板1的一侧与外部供水装置连通，冷却水输入通道位于后压板6的一侧与燃料电池的冷却水输入端连通，即部分冷却水通过冷却水腔体进行来对干热空气冷却，还有部分的冷却水则是进入燃料电池内进行冷却。尾排空气输入通道位于前压板1的一侧封堵，尾排空气输入通道位于后压板6的一侧与燃料电池的尾排空气输出端连通，从而保证从燃料电池出来的尾排空气可全部进入湿空气腔体内发挥作用。

湿冷空气输出通道位于前压板1的一侧封堵，湿冷空气输出通道位于后压板6的一侧与燃料电池的湿冷空气输入端连通，使得冷却和加湿后得到的湿冷空气可输出至燃料电池而不泄露。冷却水输出通道位于前压板1的一侧与外部供水装置连通，冷却水输出通道位于后压板6的一侧与燃料电池的冷却水输出端连通。尾排空气输出通道位于前压板1的一侧与外部大气连通，尾排空气输入通道位于后压板6的一侧封堵。

进一步地，为了不再增设额外的管路，减小燃料电池的整体体积，本实施例在上述的基础上进一步增设了开设于前压板1、前端导热板2、阻气性透水膜3、后端导热板4和后压板6的第一侧的第四组对应的第一开孔，以及开设于前压板1、前端导热板2、阻气性透水膜3、后端导热板4和后压板6的第二侧的第四组对应的第二开孔。

第四组对应的第一开孔配合形成氢气输入通道。氢气输入通道位于前压板1的一侧与外部氢气提供装置连通，氢气输入通道位于后压板6的一侧与燃料电池的氢气输入端连通。第四组对应的第二开孔配合形成氢气尾排通道。氢气尾排通道位于后压板6的一侧与燃料电池的氢气输出端连通。从而将氢气的输入管路和输出管路同样集成在本实施例的板式自加湿冷却装置内，实现了体积的减小。

在本实施例中，为了保证压板和各个导热板之间形成的多个通道的密封性，在加湿冷却单元上还可进一步包括若干密封件。密封件分别设于前端导热板2与阻气性透水膜3之间的第一开孔的相接处和第二开孔的相接处，以及阻气性透水膜3与后端导热板4之间的第一开孔的相接处和第二开孔的相接处。即设置密封圈在相邻的两个板材之间，对相应的通道进行密封，避免出现泄露的情况。为了方便定位和安装，可进一步在压板和导热板的对应位置开设密封槽。同时，还可在冷却水腔体、干热空气腔体和湿空气腔体的周围设置密封件，从而保证各个腔体的密封性能。

在本实施例中，为了实现各个通道与对应的腔体之间的连通，提供了一种方案，即可在前端导热板2和/或后端导热板4上开有第一凹槽，第一凹槽的两端分别与冷却水输入通道和冷却水腔体连通。

在前端导热板2和/或后端导热板4上开有第二凹槽，第二凹槽的两端分别与冷却水输出通道和冷却水腔体连通。

在前端导热板2上开有第三凹槽和第四凹槽。第三凹槽的两端分别与干热空气输入通道和干热空气腔体连通。第四凹槽的两端分别与湿冷空气输出通道和干热空气腔体连通。

在后端导热板4开有第五凹槽和第六凹槽。第五凹槽的两端分别与尾排空气输入通道和湿空气腔体连通。第六凹槽的两端分别与尾排空气输出通道和湿空气腔体连通。

在本实施例中，冷却水腔体、干热空气腔体和湿空气腔体内均由设置的流道形成的流场而构成，流道为蛇形流场或多流道平行流场或交指形流场，从而使得换热加湿的效果更好。

在本实施例中，相邻的前端导热板2和后端导热板4之间为焊接连接或粘接或冲压一体成型。当然，在其他实施例中，连接方式也可以是多种多样的，在此不作具体限定。

在本实施例中，还可包括若干定位板8，定位板8沿加湿冷却单元的叠加方向设置，且定位板8固定于前压板1和后压板6上，从而确定前压板1和后压板6之间的相对位置，同时也可对加湿冷却单元的安装固定起到引导作用。

在本实施例中，阻气性透水膜3具体可为湿膜结构，湿膜结构包括透水膜和支撑体，透水膜包覆于支撑体，且支撑体上开有若干连通孔。具体地，湿膜结构可以是具有一定支撑作用的复合体湿膜结构，如附图5所示，所述复合体湿膜结构由透水膜31包裹的多微孔支撑体32所构成，所述的多微孔支撑体32为薄板状泡沫金属结构或金属丝网结构，优选为薄板状泡沫金属镍作为支撑体。

实施例三

本实施例提供了一种用于上述实施例一或实施例二的加湿冷却单元。具体可包括依次叠加的前端导热板2、阻气性透水膜3和后端导热板4。前端导热板和后端导热板的两面均设置有由流道构成的流场，前端导热板2的流场与阻气性透水膜3的一面配合形成一干热空气腔体，后端导热板4的流场与阻气性透水膜3的另一面配合形成一湿空气腔体。前端导热板2和后端导热板4朝外的一侧均设有用于配合形成冷却水腔体的冷却水流道构成的流场。

前端导热板2、阻气性透水膜3和后端导热板4的第一侧开设有至少三组对应的第一开孔，三组对应的第一开孔分别配合形成干热空气输入孔、冷却水输入孔和尾排空气输入孔。干热空气输入孔与干热空气腔体连通。冷却水输入孔与前端导热板2和/或后端导热板4上的冷却水腔体连通。尾排空气输入孔与湿空气腔体连通。

前端导热板2、阻气性透水膜3和后端导热板4的第二侧开设有至少三组对应的第二开孔，三组对应的第二开孔分别配合形成湿冷空气输出孔、冷却水输出孔和尾排空气输出孔。湿冷空气输出孔与干热空气腔体连通。冷却水输出孔与前端导热板2和/或后端导热板4上的冷却水腔体连通。尾排空气输出孔与湿空气腔体连通。

基于上述的结构，本实施例的加湿冷却单元，干热空气经由干热空气输入孔进入干热空气腔体，可由冷却水槽内的冷却水对干热空气腔体内的干热空气进行冷却，实现冷却的功能；而带有水分的燃料电池的尾排空气经由尾排空气输入孔进入湿空气腔体，水分经由阻气性透水膜3进入干热空气腔体，对干热空气进行加湿，从而得到湿冷空气，并经由湿冷空气输出孔输出。

下面对本实施例的加湿冷却单元的具体结构进行进一步说明：

在本实施例中，加湿冷却单元还可包括开设于前端导热板2、阻气性透水膜3和后端导热板4的第一侧的第四组对应的第一开孔。以及开设于前端导热板2、阻气性透水膜3和后端导热板4的第二侧的第四组对应的第二开孔。第四组对应的第一开孔配合形成氢气输入孔。第四组对应的第二开孔配合形成氢气尾排孔。从而将氢气的输入管路和输出管路同样集成在本实施例的加湿冷却单元内，实现了体积的减小。

在本实施例中，加湿冷却单元还包括若干密封件5。密封件5分别设于前端导热板2与阻气性透水膜3之间的第一开孔的相接处和第二开孔的相接处，以及阻气性透水膜3与后端导热板4之间的第一开孔的相接处和第二开孔的相接处。即设置密封圈在相邻的两个板材之间，对相应的孔进行密封，避免出现泄露的情况。为了方便定位和安装，导热板的对应位置开设密封槽。同时，还可在冷却水腔体、干热空气腔体和湿空气腔体的周围设置密封件5，从而保证各个腔体的密封性能。

在本实施例中，前端导热板2和/或后端导热板4上开有第一凹槽，第一凹槽的两端分别与冷却水输入孔和冷却水腔体连通。前端导热板2和/或后端导热板4上开有第二凹槽，第二凹槽的两端分别与冷却水输出孔和冷却水腔体连通。前端导热板2上开有第三凹槽和第四凹槽。第三凹槽的两端分别与干热空气输入孔和干热空气腔体连通。第四凹槽的两端分别与湿冷空气输出孔和干热空气腔体连通。后端导热板4开有第五凹槽和第六凹槽。第五凹槽的两端分别与尾排空气输入孔和湿空气腔体连通。第四凹槽的两端分别与尾排空气输出孔和湿空气腔体连通。

实施例四

本实施例提供了一种干热空气加湿冷却方法，用于对空压机输出的干热空气进行加湿冷却并得到输出至燃料电池的湿冷空气，应用于实施例一或实施例二中的板式自加湿冷却装置，其步骤如下：

加湿步骤：利用燃料电池反应后输出的带有水分的尾排空气通过阻气性透水膜3对干热空气进行水分交换。具体地，加湿步骤的实现是通过设置两个由阻气性透水膜3分隔的干热空气腔体和湿空气腔体，干热空气腔体引入干热空气，湿空气腔体引入带有水分的尾排空气，则尾排空气内的水分会经由阻气性透水膜3进入干热空气腔体内对干热空气进行加湿，从而实现加湿的目的。

冷却步骤：利用冷却水通过前端导热板2或后端导热板4对干热空气进行热量交换。具体地，冷却步骤的实现是通过设置由导热板与干热空气腔体分隔的冷却水腔体，将原本输入燃料电池的冷却水进行分流，引导出部分冷却水至冷却水腔体内，由冷却水经由导热板与干热空气进行换热，从而实现冷却的目的。

其中，干热空气经由加湿步骤与冷却步骤得到所需的湿冷空气。加湿步骤与冷却步骤可以是同步进行的，也可以是分步进行的，在此不作具体限定。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。