專利名稱：露點(diǎn)增濕器及相關(guān)氣體的溫度控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及連續(xù)氣流增濕系統(tǒng)的領(lǐng)域，更具體地說，涉及增濕用于燃料電池的氣體反應(yīng)物或其它氣體的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及增濕氣體的溫度控制和跟蹤的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在Shimazu等人的美國專利No.6,338,472中所描述的增濕器，像本發(fā)明領(lǐng)域中的其它一樣，通常用于增濕過程氣體，該增濕過程氣體可供應(yīng)給固相聚合燃料電池(SPFC)的陽極或陰極。該過程氣體包括供給陽極的燃?xì)夂凸┙o陰極的氧化氣體。該固相聚合燃料電池由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，其中供給陽極的燃?xì)馑a(chǎn)生的質(zhì)子通過電解質(zhì)膜轉(zhuǎn)移到陰極和供給陰極的氧化氣體發(fā)生反應(yīng)以生成水。然而，本發(fā)明增濕器并不限于燃料電池，通常也適用于氣體的增濕。
相似地，相對于SPFC裝置，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)通常包括三個(gè)主要部件(1)多孔擴(kuò)散催化陽極，(2)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，以及(3)多孔擴(kuò)散催化陰極。該P(yáng)EMFC分別在陽極和陰極處通過氫氣和氧氣的催化電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能量轉(zhuǎn)換成電能。在這個(gè)過程中，質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率在PEMFC中扮演了重要的角色。但是，膜電導(dǎo)率取決于其水汽含量。通常水汽含量高電導(dǎo)率就高。實(shí)際上，燃料和氧化氣體必須增濕以在膜中保持足夠的水汽含量，因而需要增濕器和增濕反應(yīng)氣體方法。
無論是SPFC或者PEMFC，通常在燃料電池的操作中該膜必須要保持濕潤。為保持膜的濕潤，該過程氣體通常需要通過一個(gè)或更多的不同技術(shù)來進(jìn)行增濕。比如，一種常用的技術(shù)，這里稱為″起泡型″增濕器，涉及起泡反應(yīng)的氣體向上通過盛有熱水的殼體以使得水分子可隨反應(yīng)氣體帶起。還設(shè)有能源以便于水蒸發(fā)通過容器進(jìn)入氣泡或者氣流。
為了高效率地增濕氣體，氣體流速應(yīng)該足夠低，或者在水中的停留時(shí)間足夠長。另外，氣體在液態(tài)水中的分布對氣體的最終濕度有很大影響。即使當(dāng)流速相對低時(shí)，起泡型增濕器也應(yīng)該避免讓氣流將水滴帶走，因?yàn)樵谶@種增濕器中通常沒有氣體-水分離功能。這種增濕方法具有非常簡單和便宜的優(yōu)點(diǎn)。然而，典型的起泡型增濕器不能輸送100％相對濕度給氣體，并只允許一定截面增濕器的相對低的氣體流速。這種方法的另一缺陷是當(dāng)氣體離開增濕器出口時(shí)有多少濕度加入氣體里是不確定的。許多因素，包括水溫、流速、氣體分布、入口氣體溫度和濕度、物理結(jié)構(gòu)以及增濕器的狀況都會(huì)影響出口處的濕度。
在起泡型增濕器內(nèi)，較難控制濕度，除非使用在增濕器出口處實(shí)際濕度值的測量得出的反饋信號(hào)來控制。即使有這樣的控制，該起泡型增濕器需要相對大的截面面積和水高度以增濕氣體，以及非常長的濕度改變響應(yīng)時(shí)間。
在另一傳統(tǒng)方法中，這里稱為″蒸汽注入或蒸汽混合″，水蒸汽通常被過量注射到干燥氣流中以形成氣體-蒸汽-水滴的混合物。該混合物然后流過熱交換機(jī)使用冷卻劑而冷凝下來到一個(gè)設(shè)定的溫度。混合物內(nèi)的水滴和額外的水蒸汽冷凝成水流，它們進(jìn)一步由水分離器和排水管從氣體-蒸汽流中分離出來。因?yàn)榫哂欣淠^程，該設(shè)定的溫度等于露點(diǎn)溫度。為了實(shí)現(xiàn)冷凝過程，必須要用到額外的水蒸汽。在該技術(shù)中，通常需要用到分離鍋爐、冷凝器、冷卻器、排水管和它們各別的控制系統(tǒng)。為了達(dá)到良好的露點(diǎn)溫度控制，這些類型的增濕器通常體積很大、復(fù)雜、昂貴并同時(shí)能效非常低。
用于增濕反應(yīng)氣體的另一技術(shù)使用“膜型”增濕器。在Murphy等人的美國專利No.5,996,976中顯示并介紹了這種膜型增濕器的一個(gè)實(shí)例。在該技術(shù)中，水被泵抽通過加熱元件然后引導(dǎo)到多孔膜的一側(cè)。要增濕的氣體被引導(dǎo)通過膜的另一側(cè)。水分子從熱水一側(cè)穿透膜到反應(yīng)氣體一側(cè)，這里水分子蒸發(fā)成氣體而這些氣體又從水中吸收熱。如所描述的，這些水通過加熱室循環(huán)，或者在蒸發(fā)室里直接加熱。氣體-蒸汽混合物的溫度低于水溫度，因?yàn)檎舭l(fā)發(fā)生在膜表面。因?yàn)檫@種現(xiàn)象，氣體-蒸汽混合物的溫度和濕度相當(dāng)難以控制。此外，控制的難度隨著氣體流速增加而增加，因?yàn)閺乃形盏臒崃肯鄬Ω?。此外，還需要特別的膜，增加了這種系統(tǒng)的總成本。同樣，沒有使用進(jìn)一步的冷凝或者濕度傳感器，所以并沒有保證精確濕度控制的機(jī)制。
Watanabe的美國專利No.5,262,250和Wilson的美國專利No.5,952,119描述了一種用于燃料電池的膜電極組件的自增濕方法。前者在膜中采用一些狹窄路徑或虹吸管，后者通過背襯層縫制親水線以增強(qiáng)膜的增濕性能。然而這樣的自增濕可能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境才有效，很難大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。
另一個(gè)氣體增濕的技術(shù)涉及對氣體和水池的超生波能量應(yīng)用。殼體內(nèi)裝有一定量的水，氣體導(dǎo)入殼體內(nèi)水上面的空間。殼體內(nèi)超聲波能量源通過氣體傳播到水池。使用超聲波能量后產(chǎn)生水蒸汽，水蒸汽融入氣體中，然后從殼體中提取出氣體-蒸汽混合物。這種技術(shù)具有容易控制用于氣體“分批”處理的氣體-蒸汽混合物濕度的優(yōu)點(diǎn)，但并不適合于產(chǎn)生和控制連續(xù)氣流的濕度。
另一用于氣體增濕的技術(shù)涉及蒸汽注射型增濕器的變型，其是將水注射到加熱元件比如板上，將水蒸發(fā)到殼體內(nèi)。氣體被泵入殼體內(nèi)和水蒸汽混合而成為氣體-蒸汽混合物。注射到加熱元件的水量會(huì)被計(jì)算和控制以滿足一定的濕度要求。此外，可通過控制加熱元件的溫度來控制出來的氣體-蒸汽混合物溫度。
然而，這一因素為該技術(shù)帶來了缺陷，因?yàn)榘l(fā)熱組件必須用一定的最小功率達(dá)到足夠高的溫度，瞬間使水噴濺為蒸汽，該最小溫度通常大大高于優(yōu)選的混合物溫度。并且當(dāng)氣體或者水流速改變時(shí)很難快速改變加熱元件的溫度，也很難精確控制氣體-蒸汽混合物的溫度，因此該混合物可能會(huì)過熱。即使混合物溫度能被充分地控制，采用該技術(shù)也會(huì)無法讓人接受地限制流速范圍和溫度范圍。這是因?yàn)樵摷夹g(shù)需要用一種裝置在一個(gè)控制循環(huán)內(nèi)同時(shí)控制兩個(gè)參數(shù)，即氣體-蒸汽混合物的溫度和加熱元件的溫度，也就是供給加熱元件的功率。如果不是不可能的話，也是較難在實(shí)際控制機(jī)構(gòu)里同時(shí)控制這些參數(shù)。
針對這種控制問題的一種建議的解決方案涉及到氣體-蒸汽混合物流中冷凝器的使用。原則上，在兩步驟內(nèi)和兩個(gè)裝置內(nèi)進(jìn)行增濕。第一步驟涉及如前所述的在增濕氣體-蒸汽混合物之上注入蒸汽以產(chǎn)生過熱。第二步驟涉及讓混合物通過冷凝器以將氣體-蒸汽混合物冷凝到其露點(diǎn)。這需要冷卻器將冷凝過程的熱帶走，以保持冷凝器在露點(diǎn)溫度。因此在第一步中需要額外的能量以產(chǎn)生過熱和過濕混合物，并且需要更多能量驅(qū)動(dòng)冷凝器，以分散來自混合物冷卻和冷凝過程中的額外熱量。這意味著該技術(shù)的能量使用效率是非常低的，并且還非常笨重、復(fù)雜，制造和使用成本高。
在Andrews的美國專利No.6,383,671中公開了PEMFC的另一增濕方法。這種方法使用加熱器來蒸發(fā)液態(tài)水，然后讓蒸汽直接和干燥氣體混合。在一定條件下可以取得用于反應(yīng)氣體的有效增濕。然而，這種裝置的其中一個(gè)問題是反應(yīng)氣體并不預(yù)熱；也就是氣體溫度和濕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)未到露點(diǎn)飽和狀態(tài)。當(dāng)蒸汽和冷氣體混合時(shí)，冷凝產(chǎn)生。這種現(xiàn)象使得濕度的精確控制較困難，因?yàn)闅怏w和蒸汽并不是均勻混合。為了混合好氣體和蒸汽，這種增濕器的實(shí)際尺寸必須相當(dāng)大。
因此，仍然需要一種用于增濕氣體的系統(tǒng)和方法，其需要能量利用率高、簡單和易于控制，更重要的是，可精確提供連續(xù)氣流的所需增濕量。本發(fā)明旨在這種解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在通過兩個(gè)階段提供連續(xù)氣流來解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些和其它缺陷。第一階段通過起泡動(dòng)作提供反應(yīng)氣體的預(yù)增濕，第二階段在蒸汽產(chǎn)生器中產(chǎn)生蒸汽，并在混合室中混合預(yù)增濕氣體和蒸汽。不使用滲透膜，僅僅采用一個(gè)參數(shù)(溫度)來精確控制露點(diǎn)狀態(tài)的氣體增濕。也就是說，將出口的溫度用作唯一參數(shù)來控制蒸汽產(chǎn)生器內(nèi)加熱元件的工作。
氣體在壓力下引入殼體或容器內(nèi)。氣體然后通過起泡蒸發(fā)器起泡。在水起泡蒸發(fā)器之上，氣體-蒸汽-水滴混合物和注入的水蒸汽混合以形成飽和氣體-蒸汽-水滴混合物。該飽和的氣體-蒸汽-水滴混合物然后流過具有Y型截面的濕氣分離區(qū)域。水滴在重力和慣性作用下下落到大體積的水(bulk water)中，同時(shí)飽和氣體向上流動(dòng)并從增濕器出去時(shí)。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種簡單和易于控制的氣體增濕器，以在露點(diǎn)精確產(chǎn)生飽和氣體。本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種利用該增濕器來增濕氣體的方法。本發(fā)明的另一目的是提供一種氣體增濕器，其可在寬范圍溫度的露點(diǎn)產(chǎn)生飽和氣體，并在殼體內(nèi)使用單一測量參數(shù)(溫度)而無需露點(diǎn)″標(biāo)定″。本發(fā)明的另一目的是提供簡單、經(jīng)濟(jì)和有效率的裝置以進(jìn)一步加熱和追蹤增濕之后的氣體溫度。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些和其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，在蒸汽產(chǎn)生鍋爐和容器內(nèi)的大體積的水和/或預(yù)增濕器之間設(shè)有加強(qiáng)的絕熱。該絕熱可阻止來自鍋爐的熱量對大體積的水或預(yù)增濕氣體的直接加熱。因此，來自蒸汽產(chǎn)生鍋爐的加熱元件的熱能包含在鍋爐中并僅用以產(chǎn)生蒸汽。因此熱僅通過氣體-蒸汽混合和/或蒸汽冷凝傳導(dǎo)到氣體。
雖然鍋爐和氣體增濕器的其它功能部分是絕熱的，但是設(shè)有處于鍋爐底部的開孔使得來自容器的大體積的水可流回鍋爐。這種設(shè)置消除了單獨(dú)的水供應(yīng)和循環(huán)系統(tǒng)的必要，并進(jìn)一步提供了用于預(yù)增濕器、冷凝器/水分離器和鍋爐的水位。另一方面，因?yàn)樗蓮娜萜鞯拇篌w積的水流入鍋爐底部，所以水通路不會(huì)造成從鍋爐到預(yù)增濕器或大體積的水的熱對流。
增濕器的熱效率也由于加強(qiáng)的絕熱得到改善，該加強(qiáng)的絕熱應(yīng)用到混合器/冷凝器壁上以阻止熱傳遞到在100％相對濕度下沿著通往增濕器出口的路徑的氣流。這種特性可確保氣流保持在100％相對濕度。鍋爐和混合器/冷凝器的絕熱省去了將增濕氣體通過額外增濕階段的需要。
如前面所述，混合室和冷凝器的出口形成了Y形截面。容器內(nèi)大體積的水的水位保持低于該出口。這防止氣體-蒸汽混合物流過大體積的水而導(dǎo)致起泡，這會(huì)限制通過增濕器的氣體最大流速。這種設(shè)置在同樣截面積下比不具有這種特征的設(shè)置增加了超過10倍的最大流速。
從混合室開始，氣體蒸汽混合物在到達(dá)蒸汽出口前分出大量明顯變化的方向。這種用于氣體蒸汽混合物的迂回路徑會(huì)使得水滴落回大體積的水，同時(shí)保持飽和的氣體可從增濕器出口出去。這也意味著并不需要用大體積的水或水分離器和排水管來使水分離。
用于(露點(diǎn))溫度測量和控制的溫度傳感器安裝在增濕器的出口腔室中，而并不在大體積的水里。這個(gè)測量點(diǎn)可比在水里反映出更準(zhǔn)確的氣體-蒸汽混合物溫度測量。
混合室也同時(shí)作為冷凝器。因此，并不需要用大體積的水來用于冷凝。相對冷的預(yù)增濕氣體在與水蒸汽混合時(shí)使其冷卻。該冷卻過程使混合物里的一些蒸汽冷凝。已冷凝的水和其攜帶的熱量用于預(yù)增濕和產(chǎn)生蒸汽。該冷凝過程使水和熱循環(huán)，以用于自然、自動(dòng)的熱和水平衡。
在本發(fā)明的上述優(yōu)選實(shí)施例中，同樣的冷卻劑(比如，自來水或冷卻水)用以增濕器、氣體加熱器、氣體管路和濕度傳感組件內(nèi)的溫度調(diào)整。該特征簡化了控制系統(tǒng)并使溫度控制平滑而穩(wěn)定。當(dāng)使用自來水時(shí)，可以省去用于這些功能中的每一個(gè)的復(fù)雜、單獨(dú)的冷卻、加熱和循環(huán)系統(tǒng)。
結(jié)合下面的具體說明和附圖，本發(fā)明這些和其它特點(diǎn)以及優(yōu)點(diǎn)對于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員來說是顯而易見的。


圖1是本發(fā)明露點(diǎn)增濕器的正視圖。
圖2是本發(fā)明露點(diǎn)增濕器的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例。
圖3是本發(fā)明包括溫度控制特征的露點(diǎn)增濕器示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示了本發(fā)明增濕器10的核心結(jié)構(gòu)和增濕氣體的方法。增濕器10主要包括具有頂部14和底部16的容器12，其優(yōu)選為圓柱形。入口管路18將干燥氣體引入容器12，出口20從容器中引導(dǎo)增濕氣體。用箭頭22顯示干燥氣體進(jìn)入容器，用箭頭24顯示增濕氣體從容器出來。
溫度低于設(shè)定露點(diǎn)溫度的干燥氣體22通過流過預(yù)增濕器26開始增濕。干燥氣體22通過預(yù)增濕器26起泡以形成水泡28，其通過預(yù)增濕器升起，進(jìn)而拾起一些濕氣并被預(yù)增濕器柱管內(nèi)的水加熱到更高的溫度。預(yù)增濕器26形成有比如管的細(xì)長容器，其具有優(yōu)選沿容器內(nèi)部的管的底部的開孔30。開孔30提供到鍋爐32的水通路，其鄰近預(yù)增濕器26，且也優(yōu)選為細(xì)長的容器比如管。開孔30進(jìn)一步提供到與容器一起保持的大體積的脫礦質(zhì)水儲(chǔ)液槽34的水流通路。水入口38提供補(bǔ)充水以補(bǔ)償從容器釋放到增濕氣體內(nèi)的水，其由控制閥門39控制。
預(yù)增濕器26具有敞開頂部出口40，優(yōu)選位于大體積的脫礦質(zhì)水的水位42之上。氣泡28通過預(yù)增濕器升起，當(dāng)氣體流速非常低時(shí)，預(yù)增濕器以傳統(tǒng)起泡增濕器的方式運(yùn)作。然而，當(dāng)氣體流速高時(shí)，大量氣體和少量水混合，該動(dòng)作會(huì)形成泡沫狀混合物，該混合物包括增濕氣體。泡沫狀混合物攜帶大量的水從預(yù)增濕器出口升出，并進(jìn)入混合室44?；旌鲜?4由具有圓柱狀的垂直定向側(cè)件48和水平定向的頂部50的柱狀絕熱體46所形成。側(cè)件不必是柱狀，可以是其它形狀，只要其形成有底部敞開的容器，該容器具有在水面之上和在預(yù)增濕器及鍋爐的頂部之下的底邊沿49。混合室壁是絕熱的，使得向上流動(dòng)通過混合室和容器12內(nèi)表面之間的環(huán)狀通路62的100％相對濕度的氣體-蒸汽混合物不會(huì)被加熱。
這里必須注意到預(yù)增濕器相對普通起泡增濕器以很不一樣的方式運(yùn)作。在起泡增濕器內(nèi)，只有沒有水滴的水蒸汽才能從保持在起泡增濕器內(nèi)的水中冒出。因此通過起泡增濕器的流速很有限。然而，本發(fā)明預(yù)增濕器能通過非常高流速的氣流，實(shí)際上超過相同截面積的普通起泡增濕器10倍的流速。
再看圖1，加熱元件52設(shè)置于鍋爐32內(nèi)。雖然在本發(fā)明精神內(nèi)可以使用其它的加熱方式，但是，加熱元件優(yōu)選是電阻元件。加熱元件終止于位于水位42之下的頂端54。加熱元件在鍋爐內(nèi)產(chǎn)生水蒸汽，并封閉在絕熱壁56內(nèi)。水蒸汽從鍋爐升起并從敞開頂部58出去，而進(jìn)入混合室44。如同預(yù)增濕器一樣，鍋爐32包括沿底部16內(nèi)表面的開孔31，其便于大體積的水從容器流進(jìn)鍋爐的底部。大體積的水還可通過開孔31流進(jìn)預(yù)增濕器的底部。
水蒸汽從鍋爐32釋放進(jìn)入混合室44，其也作為冷凝器以冷凝蒸汽成為水滴，水滴落回大體積的水。從鍋爐敞開頂部或出口釋放的蒸汽可沒有阻礙地自然且自由地流動(dòng)。在本發(fā)明內(nèi)，鍋爐內(nèi)的沸騰溫度通常大大高于設(shè)定的露點(diǎn)溫度。然而，從預(yù)增濕器26出來的預(yù)增濕氣體通常比露點(diǎn)溫度冷。因此，來自預(yù)增濕器的比露點(diǎn)冷的預(yù)增濕氣體和來自鍋爐的通常比露點(diǎn)熱的蒸汽混合。
在正常操作條件下，水蒸汽和預(yù)增濕氣體混合并使之加熱。在這樣做的過程中，水蒸汽釋放熱能，進(jìn)而冷卻到其可在混合室和冷凝器內(nèi)冷凝的點(diǎn)。只要有冷凝過程，所界定的混合室內(nèi)的混合物就可達(dá)到飽和?；旌线^程可在混合室中在預(yù)定露點(diǎn)溫度或更高溫度處產(chǎn)生100％相對濕度的氣體-蒸汽混合物?；旌线^程還可在露點(diǎn)溫度周圍的溫度處產(chǎn)生冷凝的水滴。水滴可將熱量從冷凝過程攜帶到預(yù)增濕器中。
水滴、水蒸汽和預(yù)增濕氣體的混合物在形成預(yù)增濕器的管外側(cè)和混合室44的側(cè)件48之間流下。在側(cè)件48的底邊沿形成有水分離器或濕氣分離區(qū)域61。從截面看上去，水分離器61類似“Y”形。那樣，濕氣分離區(qū)域具有一個(gè)向下的氣體-水混合物通道、一個(gè)向上的氣體通道和一個(gè)在底邊沿之下的集水器。當(dāng)蒸汽/氣體混合物向下流出混合室底部時(shí)，在重力和慣性作用下冷凝水滴繼續(xù)向下流進(jìn)大體積的水。然而飽和蒸汽在側(cè)件48的底邊沿之下向下流，繼續(xù)流進(jìn)處于側(cè)件48的外表面和容器的內(nèi)表面之間的環(huán)狀通路62。該流淌動(dòng)作有效地從飽和蒸汽中分離出較重的水滴。同時(shí)還可保留含在水滴中的能量，這些能量又回到大體積的水中?，F(xiàn)在飽含水分的氣體向上流過環(huán)狀通路62并流進(jìn)位于水平定向頂部50的上表面之上的出口腔64。飽和氣體然后從容器的氣體出口20出去。
注意氣體和蒸汽混合物從混合室到出口20出現(xiàn)六種不同的方向改變。水平朝外移動(dòng)(1)，然后(2)向下，然后(3)又一次水平朝外，然后(4)垂直向上，然后(5)水平朝內(nèi)，以及最后(6)垂直向上從出口出去。該迂回路徑消除了來自氣體和蒸汽混合物的水滴，確保出口處是飽和氣體。
水位42比混合室44出口低。這種結(jié)構(gòu)可防止氣體-蒸汽混合物流經(jīng)水。水位傳感器和水泵(圖未示)保證了水位。如果氣體-蒸汽混合物流經(jīng)水，其紊流作用能潛在地產(chǎn)生發(fā)泡現(xiàn)象，進(jìn)而攜帶水滴朝上流到增濕器出口，這會(huì)嚴(yán)重限制最大氣體流速。因此，在相同截面積的起泡型增濕器上，將混合室出口放置在大體積的水位上可增加流過增濕器10倍的最大氣體流速。
溫度傳感器70安裝在容器頂部，并穿進(jìn)出口腔室64。這樣，可以由傳感器70測出飽和氣體的精確溫度。傳感器70提供溫度測量值給溫度控制器72，其可控制鍋爐內(nèi)加熱元件52的循環(huán)操作。該功能可控制在氣體出口20處的氣體-蒸汽混合物溫度，通過由鍋爐32提供的熱能調(diào)整使其達(dá)到希望的露點(diǎn)溫度。因?yàn)闅怏w-蒸汽混合物處于100％相對濕度，在出口20處的溫度就是真實(shí)的露點(diǎn)溫度。因此，可通過控制氣體出口溫度來準(zhǔn)確控制露點(diǎn)溫度。為進(jìn)一步輔助溫度的調(diào)整，套80可以安裝在容器外表面上以循環(huán)冷卻水或室溫水，即自冷卻水入口79供應(yīng)并排出到冷卻水出口81。針對圖3對本發(fā)明的該特征進(jìn)行了更具體的描述。
如前所說，來自混合室冷凝過程的水和熱可回到大體積的水34中，以用于預(yù)增濕和產(chǎn)生蒸汽。預(yù)增濕過程并不僅僅限于用于部分地增濕干燥氣體，它可以使用或循環(huán)來自冷凝過程的水和熱。預(yù)增濕過程保持大體積的水溫度在一個(gè)比選定的露點(diǎn)溫度低的值。較低的水溫可保證預(yù)增濕氣體處于比露點(diǎn)溫度較低的溫度。較低溫度下的氣體和較高溫度下的蒸汽的混合會(huì)拉下蒸汽的溫度并產(chǎn)生冷凝，保證了用于增濕氣體的100％的相對濕度。該消耗水和熱的預(yù)增濕過程可保持水和熱的平衡，進(jìn)而儲(chǔ)備脫礦質(zhì)水和熱。該特性充分地加強(qiáng)了本發(fā)明效率并簡化了溫度濕度的控制。
本發(fā)明另一實(shí)施例如圖2所示。在這個(gè)實(shí)施例中，鍋爐90作為單獨(dú)部件安裝在增濕容器92的外側(cè)。該容器封裝有根據(jù)前述圖1所述來構(gòu)建的預(yù)增濕器94。干燥氣體進(jìn)入氣體入口96，增濕氣體從容器氣體出口98出去。設(shè)有來自容器內(nèi)預(yù)增濕器94或大體積的水的水通路100，使得有水自然地從容器供應(yīng)給鍋爐，進(jìn)而保持了容器92、預(yù)增濕器94，和鍋爐90內(nèi)的水位102。水通路100省去了對單獨(dú)的水位傳感器、水供應(yīng)和循環(huán)裝置的需求。因?yàn)橛兴?，鍋爐可以考慮和增濕器一體化以利于水位控制、氣體增濕和溫度控制。容器和鍋爐里面的水因此保持在一定水平105，并都可通過排水管107排出。加熱元件104產(chǎn)生蒸汽，并通過蒸汽注入管路106引入容器內(nèi)。蒸汽注入管路穿入混合室108，混合室108的結(jié)構(gòu)和功能前面已有描述。混合室也作為冷凝器，來自混合室的冷凝產(chǎn)物可如前所述地回到大體積的水中。增濕器還可以包括冷卻水套110，如前所述，從冷卻水入口109供給而排出到冷卻水出口111。
圖3示出了本發(fā)明增濕器的另一當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例。該實(shí)施例提供不同部件的簡單有效集成并采用同樣的冷卻劑，以用于一起進(jìn)行增濕、氣體加熱、溫度跟蹤和濕度感應(yīng)。
容器12、預(yù)增濕器26、鍋爐32、混合室44和其它各種部件如前述圖1所述方式構(gòu)建。然而，在該實(shí)施例中冷卻水由入口120提供，并流入套(參閱圖1)進(jìn)行溫度調(diào)整以及快速降低露點(diǎn)。常規(guī)的自來水可以代替冷卻水用以冷卻水循環(huán)，因?yàn)樗鼜牟慌c增濕器的氣體和蒸汽接觸。冷卻水向上流過套80，直至到達(dá)在容器頂部的冷卻水出口122。在這點(diǎn)上，冷卻水已經(jīng)被加熱到接近露點(diǎn)溫度，其從容器外表面接收到熱能。冷卻水的冷卻效應(yīng)可使得鍋爐的溫度控制更加容易而平滑。
加熱的循環(huán)冷卻水然后從增濕器進(jìn)入氣體加熱器套124，套124環(huán)繞并包圍基本平行的氣體加熱器126。氣體加熱器126包括設(shè)置在其內(nèi)的加熱元件128。循環(huán)冷卻水進(jìn)一步在氣體加熱器套124內(nèi)加熱。冷卻水然后進(jìn)入連接管路130和水套132，以用于濕度傳感器134。然后流進(jìn)氣體出口套136。氣體出口套136然后排出進(jìn)入冷卻水排出管路138，通過回壓控制器140并從冷卻水出口142出去。
氣體加熱器126將來自增濕器出口20的氣體-蒸汽混合物加熱到接近設(shè)定的氣體溫度。因?yàn)檠h(huán)冷卻水已經(jīng)在套80預(yù)熱到接近露點(diǎn)的溫度，所以并不需要在實(shí)現(xiàn)100％增濕氣體之前在氣體加熱器內(nèi)預(yù)熱以防止冷凝。氣體加熱器套124的水使溫度控制變得平滑而穩(wěn)定。這能夠?qū)崿F(xiàn)溫度快速改變，變高和變低都可以，而不會(huì)出現(xiàn)明顯的超調(diào)。
在氣體加熱器套124內(nèi)進(jìn)一步加熱的循環(huán)冷卻水可用以沿著氣體管路或管道144進(jìn)行溫度跟蹤。因此，氣體管路或管道形成有用于沿著氣體管路輸送氣體和跟蹤氣體溫度的加套管。氣體管路144內(nèi)的氣體溫度可以在氣體管路144的氣體出口148處由氣體溫度傳感器146測量。傳感器146提供溫度信號(hào)給加熱器溫度控制器150以控制加熱元件128的循環(huán)操作。使用加熱的循環(huán)冷卻水使得能夠在氣體管路144的氣體出口148處保持希望的溫度，并保持接近沿著氣體管路的溫度。該加熱的水能實(shí)現(xiàn)均勻的溫度控制和平滑的溫度處理而不會(huì)有明顯的超調(diào)。
在管路端部的循環(huán)冷卻水可用于濕度傳感器套132的溫度控制。將濕度傳感器的溫度保持接近氣體溫度是非常重要的。如果沒有這些加熱的水，使用用于濕度傳感器組件的加熱器單元比如電加熱帶來實(shí)現(xiàn)該功能是復(fù)雜和昂貴的。不同于使用用于氣體加熱、溫度跟蹤和濕度傳感器套加熱的單獨(dú)的溫度控制循環(huán)，這種方法需要單獨(dú)的溫度控制循環(huán)，本方法不需要額外的加熱器和控制器，只需要用于這些功能的一個(gè)加熱循環(huán)。這省去了額外的系統(tǒng)，包括加熱、冷卻、循環(huán)和控制單元。
通常，濕度傳感器需要通常低于0.2slpm(標(biāo)準(zhǔn)流速，每分鐘標(biāo)準(zhǔn)升)的受限流速的條件。在高流速條件下，濕度傳感單元通常需要用到取樣機(jī)構(gòu)，因而復(fù)雜和昂貴。然而本發(fā)明可使得濕度傳感器134在高流速氣流下正確地運(yùn)作。止回閥152安裝在主氣體管路上并平行于濕度傳感器組件154。止回閥可保持濕度傳感器組件上的壓降低于預(yù)設(shè)值，進(jìn)而控制通過濕度傳感器組件的流速低于預(yù)設(shè)值。當(dāng)通過管路144的增濕氣體的流速低于該預(yù)定值時(shí)，全部氣流都通過濕度傳感器組件。
氣體增濕器的操作增濕器的熱動(dòng)力操作由處于或低于環(huán)境溫度的干燥氣體開始，可得到在增濕器出口的露點(diǎn)溫度下的飽和氣體。在第一步中，氣體輸送通過預(yù)增濕器即非絕緣管，其從大體積的水中吸收熱量并用同樣數(shù)量的能量冷卻大體積的水。在第二步中，來自預(yù)增濕器的氣體和來自鍋爐的蒸汽混合，形成飽和氣體-蒸汽-水滴混合物和冷凝液。在第三步中，混合物流過Y形水分離器，飽和氣體-蒸汽混合物向上流到出口。從冷凝過程得到的水滴攜帶熱量下落到大體積的水中，進(jìn)而提供熱-水循環(huán)和熱-水平衡。
鍋爐內(nèi)加熱元件的操作由在增濕器出口處的氣體-蒸汽混合物的溫度控制，該溫度由溫度傳感器檢測確定以保持露點(diǎn)狀態(tài)，并保持裝置內(nèi)的熱平衡。使用本發(fā)明結(jié)構(gòu)，就省去了單獨(dú)的冷凝器和冷卻器的使用，來自冷凝氣體-蒸汽混合物的熱量直接釋放進(jìn)入大體積的水，因此能量得以儲(chǔ)備，這些能量在使用單獨(dú)的冷凝器和冷卻器的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中被損失。
因此，裝置的熱平衡由以下等式給出將入口氣體和水在露點(diǎn)產(chǎn)生100％增濕氣體所需要的總熱量＝來自蒸汽產(chǎn)生器的總熱量-在環(huán)境中損失的熱量-使水冷卻的熱量這意味著只要控制一個(gè)簡單的參數(shù)，即加熱元件的功率，就可確保增濕器出口處的氣體-蒸汽混合物的溫度處于希望的露點(diǎn)。可確保用于連續(xù)氣流的連續(xù)氣流精確增濕，而不需要考慮氣體流速。在已知的增濕系統(tǒng)中，氣流增濕的水平在進(jìn)入單獨(dú)的冷凝器前隨著流速和其它系統(tǒng)參數(shù)變化而變化，本發(fā)明消除了現(xiàn)有技術(shù)中的這種缺陷。
在其它優(yōu)選實(shí)施例中，增濕氣體溫度進(jìn)一步由氣流加熱器的操作來控制，由基于氣體出口處的氣體溫度的控制信號(hào)進(jìn)行循環(huán)操作。冷卻水通過該裝置實(shí)現(xiàn)循環(huán)以提供增濕系統(tǒng)穩(wěn)定的操作。
已經(jīng)在前述的說明書描述了本發(fā)明的原則、優(yōu)選實(shí)施例和操作模型。本發(fā)明解釋并不限于所公開的特定結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兌际鞘疽庑缘亩窍拗菩缘?。本發(fā)明并不限制于把水作為冷卻劑。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明精神的前提下，可以進(jìn)行各種修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種氣體增濕器包括a.密封容器，其形成有容器頂部、容器底部和容器側(cè)部，所述容器適于保留處于一定水位的一定量的大體積的水；b.預(yù)增濕器，其包括相對于容器垂直定向的管，并具有敞開的預(yù)增濕器頂部；c.適于輸送氣體進(jìn)入預(yù)增濕器的氣體入口；d.容器內(nèi)的鍋爐，所述鍋爐具有在其內(nèi)的加熱元件，還具有敞開的鍋爐頂部；e.在所述預(yù)增濕器頂部和鍋爐頂部之上的混合室；以及f.適于從容器輸送增濕氣體的出口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體增濕器，其特征在于，所述預(yù)增濕器從氣體入口接收干燥氣體，并產(chǎn)生氣泡以增濕氣泡至低于飽和狀況，進(jìn)而釋放預(yù)增濕氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體增濕器，其特征在于，所述鍋爐產(chǎn)生蒸汽并和來自所述預(yù)增濕器的預(yù)增濕氣體混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體增濕器，其特征在于，所述預(yù)增濕器還產(chǎn)生夾帶液態(tài)水的預(yù)增濕氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體增濕器，其特征在于，所述混合室形成有底部敞開的容器，其具有在大體積的水的水位之上、在預(yù)增濕器頂部之下以及在鍋爐頂部之上的底邊沿。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體增濕器，其特征在于，所述混合室的底邊沿形成有Y形截面的濕氣分離區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體增濕器，其特征在于，所述混合室的底邊沿形成了濕氣分離區(qū)域，其具有向下的氣體-水混合物通道、向上的氣體通道，以及在底邊沿之下的集水器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體增濕器，其特征在于，所述混合室采用絕緣材料構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體增濕器，其特征在于，所述氣體增濕器還包括環(huán)繞鍋爐的絕緣層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體增濕器，其特征在于，所述氣體增濕器還包括沿著所述預(yù)增濕器和大體積的水量之間的容器底部的流體開孔。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體增濕器，其特征在于，所述氣體增濕器還包括沿著所述鍋爐和大體積的水量之間的容器底部的流體開孔。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體增濕器，其特征在于，所述混合室形成有流體通道，其用于蒸汽和預(yù)增濕氣體混合物的流動(dòng)以及將冷凝物從飽和蒸汽分離。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的氣體增濕器，其特征在于，所述流體通道圍繞所述預(yù)增濕器和鍋爐并在大體積的水的水位之上向下延伸。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體增濕器，其特征在于，所述氣體增濕器還包括a.圍繞所述容器的水套；和b.與所述水套流體連通的循環(huán)水源。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體增濕器，其特征在于，所述氣體增濕器還包括處于所述容器出口處的溫度傳感器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的氣體增濕器，其特征在于，所述溫度傳感器產(chǎn)生溫度信號(hào)，其還包括接收溫度信號(hào)以及可做出響應(yīng)來控制加熱元件的溫度控制器。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體增濕器，其特征在于，所述鍋爐產(chǎn)生從鍋爐的敞開頂部出去的蒸汽，所述預(yù)增濕器產(chǎn)生從預(yù)增濕器的敞開頂部出去的預(yù)增濕氣體，混合室混合所述蒸汽和預(yù)增濕氣體，引起蒸汽在混合室內(nèi)的冷凝。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的氣體增濕器，其特征在于，所述冷凝物在重力和慣性作用下下落到大體積的水。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體增濕器，其特征在于，從所述容器出去的氣體具有100％相對濕度。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體增濕器，其特征在于，所述氣體增濕器還包括與所述容器的外部連通的氣體管道。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的氣體增濕器，其特征在于，所述氣體增濕器還包括在所述氣體管道內(nèi)的氣體加熱元件。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的氣體增濕器，其特征在于，所述氣體增濕器還包括a.從所述氣體管道出來的氣體管道出口；和b.在所述氣體管道出口處的氣體溫度傳感器。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的氣體增濕器，其特征在于，所述氣體溫度傳感器產(chǎn)生氣體溫度信號(hào)，其還包括氣體加熱控制器，以響應(yīng)于所述氣體溫度信號(hào)來控制氣體加熱元件。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的氣體增濕器，其特征在于，所述氣體增濕器還包括在氣體管道內(nèi)的濕度傳感器。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的氣體增濕器，其特征在于，所述氣體增濕器還包括a.圍繞所述氣體管道的氣體管道水套；和b.與所述氣體管道水套流體連通的循環(huán)水源。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的氣體增濕器，其特征在于，所述氣體增濕器還包括a.圍繞所述容器的容器水套；b.與所述容器水套流體連通的循環(huán)水源；c.來自所述容器水套的容器水套出口；d.圍繞所述氣體管道的氣體管道水套；和e.從所述容器水套出口到所述氣體管道水套輸送循環(huán)水的水管路。
27.一種氣體調(diào)控系統(tǒng)，包括a.適于產(chǎn)生增濕氣體的氣流增濕器；b.從所述增濕器接收增濕氣體的氣體加熱器管路，所述氣體加熱器管路在其內(nèi)具有氣體加熱元件；c.圍繞所述增濕器的第一冷卻水套，所述冷卻水套具有第一冷卻水入口和第一冷卻水出口；和d.圍繞所述氣體加熱器管路并鄰近氣體加熱元件的第二冷卻水套，所述第二冷卻水套具有與所述第一冷卻水出口流體連通的第二冷卻水入口，所述第二冷卻水套還具有第二冷卻水出口。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的氣體調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體調(diào)控系統(tǒng)還包括在氣體加熱器管路內(nèi)的止回閥。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的氣體調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體調(diào)控系統(tǒng)還包括在氣體加熱器管路內(nèi)平行于止回閥的濕度傳感器。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的氣體調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體調(diào)控系統(tǒng)還包括圍繞所述濕度傳感器的第三冷卻水套，其具有與所述第二冷卻水出口流體連通的第三冷卻水入口，所述第三冷卻水套具有第三冷卻水出口。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的氣體調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體調(diào)控系統(tǒng)還包括圍繞所述氣體加熱器管路并與氣體加熱元件間隔一定距離的第四冷卻水套，所述第四冷卻水套具有與所述第三冷卻水出口流體連通的第四冷卻水入口，所述第四冷卻水套還具有第四冷卻水出口。
32.根據(jù)權(quán)利要求27所述的氣體調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體加熱器管路包括加套管，以用于沿著氣體加熱器管路輸送氣體和跟蹤氣體溫度。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的氣體調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述濕度傳感器提供控制信號(hào)以保持氣體加熱器管路內(nèi)的溫度，使得氣體加熱器管路內(nèi)的增濕氣體保持接近露點(diǎn)溫度。
全文摘要
提供了一種增濕氣體到100％相對濕度的方法和執(zhí)行所述方法的增濕器，以增濕用于燃料電池和其它應(yīng)用的氣體。對氣體增濕進(jìn)行熱力控制，對熱能進(jìn)行管理以提供有效率的系統(tǒng)。預(yù)增濕器適于干燥氣體的寬范圍的流速，以開始增濕和預(yù)加熱氣體，鍋爐提供的蒸汽同預(yù)增濕器的流出物混合以增濕氣體到飽和。鍋爐和大體積的水和/或預(yù)增濕器之間的絕熱可加強(qiáng)鍋爐蒸汽的產(chǎn)生，并防止鍋爐對水或氣體的直接加熱。在鍋爐、大體積的水和預(yù)增濕器之上，混合室進(jìn)一步起著冷凝器和水分離器的作用?；旌鲜姨峁┛臻g讓氣體和蒸汽混合，并從冷凝水中分離出飽和氣體。通過混合過程中的蒸汽冷凝，在給出的溫度和壓力條件下氣體可以被完全增濕到其露點(diǎn)。
文檔編號(hào)B01D47/00GK101076910SQ200480018344
公開日2007年11月21日 申請日期2004年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月2日
發(fā)明者張超迥 申請人:張超迥