專利名稱：對(duì)引入燃料電池的過程氣體進(jìn)行增濕和溫度控制的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
概括而言，本發(fā)明涉及一種用于對(duì)引入燃料電池的過程氣體進(jìn)行增濕和溫度控制的方法和裝置。更具體來說，本發(fā)明涉及能為引入燃料電池的過程氣體提供快速、精密而又準(zhǔn)確的相對(duì)濕度和溫度控制的增濕系統(tǒng)。
質(zhì)子交換膜需要一種潮濕介質(zhì)來促使質(zhì)子從陽(yáng)極遷移到陰極，換句話說是維持薄膜的導(dǎo)電性。已經(jīng)提出，穿過薄膜的每個(gè)質(zhì)子本身至少牽引兩或三個(gè)水分子(美國(guó)專利5996976)。美國(guó)專利5786104以更為定性的術(shù)語(yǔ)描述了所謂的“水泵”機(jī)理，其導(dǎo)致帶有水分子的陽(yáng)離子(質(zhì)子)遷移過薄膜。隨著電流密度增大，移過薄膜的水分子數(shù)量也增加。最終被質(zhì)子流量拉過薄膜的水流量將超過通過擴(kuò)散作用使水得以補(bǔ)充的速率。此時(shí)薄膜開始變干，至少在陽(yáng)極側(cè)是如此，薄膜的內(nèi)阻增大。要理解的是該機(jī)構(gòu)將水驅(qū)向陰極側(cè)，另外在陰極側(cè)也通過反應(yīng)產(chǎn)生水。盡管如此，通過陰極側(cè)的氣流足以帶走這些水，這同樣讓陰極側(cè)變干。由此，薄膜表面必需一直保持濕潤(rùn)。因此，為了保證足夠的效率，過程氣體必需在進(jìn)入燃料電池時(shí)具有預(yù)定或設(shè)定的相對(duì)濕度和預(yù)定或設(shè)定的溫度，這要根據(jù)系統(tǒng)需要而定。
另一考慮是，在運(yùn)輸和類似應(yīng)用中使用燃料電池的興趣正在增加，例如將其用作小汽車、巴士、甚至大型機(jī)車的基礎(chǔ)能源。與某些靜態(tài)應(yīng)用相比，它有一些獨(dú)特要求。更具體而言，由燃料電池提供的電能必需能在不同的功率電平間快速轉(zhuǎn)換，而這些功率電平差別又很大。因此，在市區(qū)駕駛過程中，一般要求燃料電池在最小功率、或者甚至0功率到最大功率電平之間、以及從最大電平到最小電平之間頻繁切換。在這種惡劣工作條件下維持適當(dāng)?shù)臐穸人绞呛苤匾?。另外，燃料電池必需能在廣泛的環(huán)境空氣條件下實(shí)現(xiàn)該功能。
因此，在該技術(shù)領(lǐng)域人們找到了維持燃料電池系統(tǒng)內(nèi)濕度的多個(gè)方案。一種傳統(tǒng)的氣流增濕方式是讓氣體以小氣泡氣流的形式通過水。只要過程氣體與水有足夠的時(shí)間接觸，控制水溫就能控制氣流中的水量。但是，那些氣泡柱型的增濕器一般不適合燃料電池的商業(yè)應(yīng)用。增濕器傾向于體積較大，而且價(jià)格昂貴。另外，增濕器不能快速反應(yīng)，從而足以滿足燃料電池系統(tǒng)的負(fù)荷跟蹤要求。結(jié)果，系統(tǒng)在高氣流流速時(shí)變得不穩(wěn)定、不可靠和不反應(yīng)。另外，實(shí)踐中該增濕系統(tǒng)不能達(dá)到100％的相對(duì)濕度，這限制了系統(tǒng)的靈活性或者適應(yīng)性。
在某些現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池中，是通過使每種氣體在水蒸氣交換膜的一側(cè)流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)引入過程氣體的增濕。通過這種方式，水以滲透方式遷移過薄膜，到達(dá)燃料和氧化劑氣體。但是，這些系統(tǒng)有一些過程參數(shù)限制，其在與燃料電池結(jié)合使用時(shí)產(chǎn)生許多問題，并使效率低下。由于薄膜處在與燃料電池組相同的溫度下，因此不能獨(dú)立地控制過程氣體的相對(duì)濕度或者溫度，于是限制了系統(tǒng)調(diào)整到不同狀態(tài)的能力。
另一些增濕方法包括將引入的過程氣體暴露于蒸汽源中，或者計(jì)量一定量的小水滴加到供氣管線(美國(guó)專利第5432020)中。但是，過去這些系統(tǒng)容易體積巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、反應(yīng)緩慢，所具有的動(dòng)態(tài)可控性不足。
因此就需要能夠提供對(duì)引入燃料電池的過程氣體進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)控制、以及為其提供準(zhǔn)確而精密的溫度和相對(duì)濕度的增濕器。更具體來說，該增濕器應(yīng)當(dāng)能獨(dú)立控制氧化劑和燃料系統(tǒng)在各種流速下的相對(duì)濕度和溫度。
(b)在低于第一溫度的第二溫度下冷卻過程氣流，使過量水分凝結(jié)；(c)從過程氣流中去除過量的冷凝水分；以及(d)在已知的第三溫度下輸送過程氣流，于是過程氣流中的相對(duì)濕度水平由第二和第三溫度下的飽和壓力比決定。
優(yōu)選的是，該方法包括向燃料電池電源設(shè)備供應(yīng)增濕后的過程氣流，更優(yōu)選的是燃料電池電源設(shè)備包括質(zhì)子交換膜燃料電池。
有利的是，步驟(d)包括將過程氣流加熱到比第二溫度高的第三溫度。該情況下，優(yōu)選的是通過供應(yīng)管線將過程氣流輸送給燃料電池電源設(shè)備，用加熱元件加熱供應(yīng)管線，以便將過程氣體維持在第三溫度。
在向燃料電池電源設(shè)備提供過程氣流時(shí)，過程氣流包括燃料氣流。于是優(yōu)選的是該方法另外還包括(i)提供氧化劑氣流；(ii)在第四溫度下濕潤(rùn)氧化劑氣流，由此提供出過濕的氧化劑氣流；(iii)將氧化劑氣流冷卻到低于第四溫度的第五溫度，從而使過量水分冷凝；(iv)從氧化劑氣流中去除過量的冷凝水分；(v)在已知溫度下將氧化劑氣流輸給燃料電池，于是氧化劑氣流中的相對(duì)濕度水平由第五溫度與所述已知溫度下的飽和氣壓比決定。
優(yōu)選的是，步驟(v)包括將氧化劑氣流加熱到高于第五溫度的第六溫度，維持該溫度直至氧化劑氣流到達(dá)燃料電池。該情況下優(yōu)選的是再次對(duì)氧化劑氣流的供應(yīng)管線進(jìn)行加熱。
本發(fā)明的一個(gè)變型例是通過分別向燃料氣流和氧化劑氣流注入蒸汽來實(shí)現(xiàn)對(duì)各氣流的增濕。例如，可在對(duì)各氣流實(shí)現(xiàn)加熱和增濕、并使氣流達(dá)到過飽和的溫度下供應(yīng)蒸汽。
本發(fā)明的另一方面提供了一種為燃料電池的過程氣流增濕的裝置，所述裝置包括第一增濕單元，其具有過程氣流的入口，用以在第一溫度下為過程氣流增加濕氣，使其濕度達(dá)到所需濕度的過量水平；
與增濕單元相連的第一熱交換器，用以將過程氣流冷卻到較低溫度的第二溫度，借此過程氣流中的過量水分發(fā)生冷凝，以便去掉冷凝水分，于是離開熱交換器的過程氣流具有已知溫度和已知的相對(duì)濕度水平。
對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的方法方面，優(yōu)選的是提供與燃料電池電源設(shè)備相結(jié)合的裝置，所述電源設(shè)備具有與第一熱交換器相連的第一過程氣體入口。此外，盡管本發(fā)明可用于其它類型的燃料電池，但對(duì)每個(gè)燃料電池電源設(shè)備的每個(gè)燃料電池而言更為優(yōu)選的是包括質(zhì)子交換膜。
此外，本發(fā)明的裝置方面還包括與熱交換器相連的第一加熱器，用以將過程氣流加熱到高于第二溫度的第三溫度，借此過程氣流具有已知的相對(duì)濕度水平。
另外，對(duì)于具有燃料氣流和氧化劑氣流入口的傳統(tǒng)燃料電池而言，該裝置包括用于氧化劑氣流的第二入口，其中第一增濕單元、第一熱交換器和第一加熱器位于與燃料電池電源設(shè)備的第一氣體入口相連的第一燃料氣管線上，其中該裝置包括第二氧化劑氣體管線，該裝置在氧化劑氣體管線中包括第二增濕單元，用以在第四溫度下為氧化劑氣流增濕；以及第二熱交換器，其與第二增濕單元相連，用以將氧化劑氣流冷卻到低于第四溫度的第五溫度，借此使過量水分冷凝并與氧化劑氣流相分離。
優(yōu)選實(shí)施例描述首先參照

圖1，它表示用于一種過程氣體的過程氣流示意性流程圖。要理解的是，本發(fā)明可用于兩種氣體，即燃料和氧化劑氣體，因該目的可將圖1的流程圖復(fù)制成兩套過程氣流管線的流程圖。圖2-6的實(shí)施例表示用于兩種過程氣體管線的本發(fā)明。
參照?qǐng)D1，過程氣流12和蒸汽管線14都與用于提高氣流濕度的飽和器16相連。蒸汽由示意性地表示為18的蒸汽源提供。飽和器16包括將蒸汽注入過程氣流的注射器，用以加熱并濕潤(rùn)過程氣流。
管線20從飽和器16引出，其容納著過飽和的過程氣體。管線20進(jìn)入第一熱交換器22。第一熱交換器22是平板形熱交換器或者其它適宜的熱交換器，其具有水流入口26和出口28。要理解的是，水流可由至少一種流體組成，其包括但不限于水、油、和/或乙二醇。雖然可將各種熱交換流體用于此處所述的具體實(shí)施例，但在所述實(shí)施例中所有的熱交換流體是水。入口和出口26、28是第一溫度控制線路的一部分，所述第一溫度控制線路也被稱為露點(diǎn)冷卻部分，其包括泵30、用于補(bǔ)充水的入口32和第三熱交換器34。另外還設(shè)置了第一熱交換器36。于是，在第一溫度控制線路中，補(bǔ)充水能使流體水平得以維持，該氣流既可用第三熱交換器34冷卻，又可用第一加熱器36加熱到理想溫度。
第一熱交換器22具有通過管線24與隔板38相連的冷卻氣體出口。隔板38用于從第一熱交換器22中的氣體中分離出冷凝水，其具有冷凝水排放口或出口40。隔板38的出口通過另一管線42與第二熱交換器44相連。
第二熱交換器44企圖對(duì)氣體進(jìn)行重新加熱，其具有與再加熱氣體的管線46相連的出口。與第一熱交換器22類似，第二熱交換器44具有加熱水流的入口48和出口50。入口和出口48和50是第二溫度控制線路的一部分，所述溫度控制線路還被稱為再加熱部分，其包括泵52、補(bǔ)充入口54、第四熱交換器55、以及第二加熱器56。于是，與第一熱交換器22的布置類似，泵52使補(bǔ)充水循環(huán)，該流體既可以通過第四熱交換器55冷卻，又可以通過第二加熱器56加熱到理想溫度。
然后使水分含量已知的再加熱氣體通過管線46，到達(dá)用60示意性表示的燃料電池組。
圖1的裝置試圖通過對(duì)供應(yīng)給燃料電池組60的氣流提供可控增濕，其能使溫度和濕度得到精確控制。這將通過對(duì)圖1裝置操作模式的詳細(xì)描述作進(jìn)一步解釋。于是，將干燥的引入過程氣體供應(yīng)給飽和器16，利用飽和器16中的蒸汽使氣體過飽和，從而使氣體濕度達(dá)到高于氣體的最終理想濕度的水平?？刂撇⒂?jì)量通過管線12的氣體流體和通過管線14的蒸汽流量。向氣體注入蒸汽的作用還在于將氣體加熱到第一預(yù)設(shè)溫度。一般而言，盡管氣體可在10℃到120℃范圍內(nèi)的任何溫度下達(dá)到過飽和，但是氣體在離開飽和器16時(shí)是在90℃左右的第一預(yù)設(shè)溫度下達(dá)到過飽和。
在第一熱交換器22中使氣體冷卻到例如為80℃的第二預(yù)設(shè)溫度。此外，例如該溫度可在10℃到120℃的范圍內(nèi)。這樣做的作用是去掉氣流中的過量水分，并在氣體在第一熱交換器22內(nèi)冷卻到的溫度下，使?jié)穸人降扔?00％的相對(duì)濕度。
首先讓氣體過飽和、然后使其冷卻以除去過量水分的原因是保證能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)絕對(duì)濕度水平。在飽和器16中達(dá)到可靠的濕度水平并不實(shí)際。于是，當(dāng)氣體被飽和且氣體的露點(diǎn)溫度為已知時(shí)，由于作為結(jié)果的絕對(duì)濕度是已知的，因此已采用的方法是加入過量水分，然后通過冷凝去除過量水分。
氣體中的過量水分形成液滴，使帶有冷凝液滴的氣體通過隔板28，在此收集或者從氣流中分離出冷凝液滴，通過出口或者排放管線40將其排出。
然后使飽和氣體通過管線42，到達(dá)第二熱交換器44。在此將氣體重新加熱到例如為85℃的第三預(yù)設(shè)溫度。一般來說，可將氣體重新加熱到10℃到120℃的溫度。加熱氣體會(huì)降低相對(duì)濕度水平，但絕對(duì)濕度水平卻保持不變。
這樣，使來自第二熱交換器44的再加熱過程氣體通過管線46，于是它將具有已知的第三預(yù)設(shè)溫度和已知的濕度水平。如符號(hào)58示意性表示的，設(shè)置加熱器，用以將管線46維持在恒定溫度，以保證氣體在通往燃料電池組60的過程中不會(huì)冷卻或者換句話說發(fā)生溫度變化。實(shí)踐中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在管線46周圍纏繞的包括電熱絲的熱軌跡能提供必要的加熱功能。這保證了輸送到燃料電池60的氣體處于理想溫度下，并具有理想濕度。
正如上面所提到的，通過改變氣體經(jīng)過管線12的流速可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池組的改變要求。如果理想的是改變氣流的溫度和/或濕度，就可通過控制第一和第二熱交換器22、24的工作條件來實(shí)現(xiàn)該目的。
這樣，就要控制第一熱交換器22的第一溫度控制回路或線路中冷卻流體通過入口和出口26、28的溫度，從而控制離開熱交換器22的氣體的溫度，由此控制該氣體的絕對(duì)濕度水平。
一般而言，人們期望氣體在第一熱交換器22中冷卻，而第二熱交換器44將保證通過冷卻回路的冷卻水處于理想溫度下。如果需要，第三熱交換器34能使冷卻回路中的溫度迅速降低。
在操作要求是要提高從第一熱交換器22排出的氣體的溫度時(shí)，需要對(duì)冷卻回路中的水進(jìn)行加熱。為該目的，要設(shè)置第一加熱器36以保證迅速將水加熱。實(shí)踐中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于12kW的燃料電池，可以提供小于1分鐘的響應(yīng)時(shí)間。
相應(yīng)地，在第二熱交換器44中，調(diào)節(jié)第二加熱器56，以將冷卻回路中通過入口和出口48、50的水加熱到理想溫度。如果需要，第四熱交換器55能使冷卻回路中的溫度迅速降低。
應(yīng)當(dāng)理解的是，通過利用位于燃料電池組外部的水源的蒸汽供應(yīng)裝置可以產(chǎn)生用于濕潤(rùn)氣流的蒸汽。但是，由于水是燃料電池反應(yīng)的產(chǎn)物，因此更有效的是回收在燃料電池陰極側(cè)產(chǎn)生的水，利用焓輪機(jī)(enthalpy wheel)或者任何其它焓轉(zhuǎn)移設(shè)備從陰極側(cè)回收水和可能的熱量，然后以蒸汽形態(tài)將熱量和水轉(zhuǎn)移到氣流中，用以濕潤(rùn)氣流。如圖1所示，為了該目的，將焓輪機(jī)62與燃料電池組60的排氣出口和第一熱交換器22相連。借助于軸承以公知方式將焓輪機(jī)62支撐在軸上，使其圍繞它的軸線旋轉(zhuǎn)。焓輪機(jī)由適當(dāng)材料制成，其中一種是包含了干燥劑的紙。該燃料電池組的濕潤(rùn)排氣沿軸向方向在利用干燥劑吸附并保留濕氣的那一側(cè)進(jìn)入焓輪機(jī)62。在焓輪機(jī)相對(duì)于軸的另一側(cè)，干燥的過程氣體沿相反的軸向方向進(jìn)入焓輪機(jī)。焓輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使每一部分焓輪機(jī)交替通過排放氣流和引入的干燥過程氣流；于是，干燥的引入過程氣流被焓輪機(jī)內(nèi)保存的濕氣增濕。通過適當(dāng)?shù)剡x擇排放氣體和引入的干燥過程氣體的壓力和溫度，可將過程氣體增濕到超過需要的水平。如果特定的壓力或者特定溫度是理想的，那么就要在相應(yīng)氣體進(jìn)入焓輪機(jī)之前設(shè)置壓力或溫度控制裝置。然后將增濕后的過程氣體輸送到第一熱交換器22。通過這種方式就可以省略蒸汽源18和飽和器16，并能回收燃料電池組產(chǎn)生的水。于是，就能在顯著提高其效率的同時(shí)簡(jiǎn)化增濕器裝置的設(shè)計(jì)。應(yīng)當(dāng)理解的是，還可以采用類似的熱焓轉(zhuǎn)移裝置或者其它濕氣回收裝置。另外，可以預(yù)想的是可僅在陰極側(cè)設(shè)置熱焓轉(zhuǎn)移裝置或者輪機(jī)62，但是也可將這種裝置裝在陽(yáng)極側(cè)，其或者與陰極側(cè)焓輪機(jī)一起使用或者代替陰極側(cè)焓輪機(jī)。當(dāng)在燃料電池的陰極側(cè)上形成水時(shí)，人們期望從排出的陰極氣流中回收水是優(yōu)選的，其能用于濕潤(rùn)進(jìn)入的陽(yáng)極和陰極氣流。
現(xiàn)在對(duì)圖2-7作出參照，它們表示本發(fā)明的一種實(shí)施模式。
參照?qǐng)D7，其示出了依照第二實(shí)施例的增濕線路示意圖。在此，蒸汽入口70與蒸汽源相連，該入口設(shè)有壓力傳感器72，它與壓力開關(guān)(未示出)相連，如果蒸汽源壓力太低，它將切斷燃料電池系統(tǒng)。管線70然后穿過主截止閥74，設(shè)置存水器76，用于排出已經(jīng)形成的任何凝露。
然后蒸汽管線70穿過T形連接件與兩根分開的管線90、92相連，用以向分開的燃料和氧化劑氣體的氣體管線供應(yīng)蒸汽。這兩根管線90、92的許多元件是通用的，為了簡(jiǎn)化起見，僅給出管線90中那些元件的描述。管線92中的對(duì)應(yīng)元件用相同的附圖標(biāo)記表示，但其綴有下標(biāo)“a”，要理解的是它們的功能基本相同。
于是，管線90包括蒸汽調(diào)節(jié)器或者截止閥94，它與另一調(diào)節(jié)閥96相連。閥96是控制進(jìn)入氣體管線的蒸汽流量的計(jì)量閥。
通過管線112供應(yīng)燃料氣。蒸汽在注入孔114處注入燃料氣。通過止回閥116向注入孔114供應(yīng)蒸汽。相應(yīng)地，在氧化劑側(cè)有供應(yīng)管線112a和蒸汽注入孔114a。
含蒸汽從而處于過飽和狀態(tài)的燃料氣通過第一熱交換器118，在此進(jìn)行冷卻，以便有利于過量水分的冷凝。
然后經(jīng)冷卻的燃料氣通過帶有存水器和排出裝置122的隔板120，其還用于分離出液滴。然后相對(duì)濕度為100％的燃料氣流過管線124，到達(dá)第二熱交換器126，所述管線124是絕熱的，以維持燃料氣的溫度和濕度水平。在隔板120的下游設(shè)置了溫度傳感器128，用以檢測(cè)燃料氣流的溫度。已知燃料氣流的相對(duì)濕度為100％，就能確定氣流的絕對(duì)濕度。
燃料氣從第二熱交換器126流到用130表示的燃料電池組。此外，在緊鄰燃料電池入口之前的位置設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)傳感器，它用數(shù)字132表示。
第一和第二熱交換器118、126每個(gè)都有其各自的溫度控制線路，現(xiàn)在分別對(duì)它們進(jìn)行描述。
首先參照第一熱交換器118，用132概括表示的溫度控制線路包括第一二次熱交換器134、泵136和加熱器138。
該線路的輔助元件包括用于補(bǔ)充水的連接件140和卸壓閥142。通過在148處設(shè)有控制閥的供應(yīng)線和回水線144和146向二次熱交換器134供應(yīng)低溫冷卻水。在冷卻線路上設(shè)置了溫度傳感器150，以保證第一熱交換器118中根據(jù)需要設(shè)定的溫度?？筛鶕?jù)需要設(shè)置其它標(biāo)準(zhǔn)控制元件。例如，將溫度控制器152與溫度傳感器150和加熱器138相連，還將其與控制閥148相連。于是，溫控控制器152能根據(jù)需要打開閥148以增大冷卻水流量，以便將線路中的溫度冷卻下來，或者選擇啟動(dòng)加熱器138來提高線路中的溫度。
二次熱交換器126的溫度控制線路大體與之對(duì)應(yīng)。于是，用162表示線路，其包括第二二次熱交換器164、泵166和加熱器168。還設(shè)置了補(bǔ)充入口170以及卸壓閥172。
冷卻水供應(yīng)和回水線144、146通過第二二次熱交換器164、通過控制閥178相連。
與第一溫度控制線路132的控制相類似，溫度傳感器180與第二溫度控制線路162相連，溫度控制器182與溫度傳感器180、控制閥178和加熱器168相連。
仍然參照?qǐng)D7，作為改進(jìn)，可利用在68處示意性表示的焓輪機(jī)或者任何其它濕氣回收裝置對(duì)陰極氣流過程氣體進(jìn)行增濕，并將其加熱到第一溫度。與第一實(shí)施例中所描述的方式相同的是，將燃料電池130產(chǎn)生的含濕氣的排放氧化劑氣體供應(yīng)給焓輪機(jī)68。在焓輪機(jī)68中回收并轉(zhuǎn)移排放氣中的熱和濕氣，用以加熱和濕潤(rùn)沿著與排放氣體軸向相反的方向進(jìn)入焓輪機(jī)68的進(jìn)入過程氣體。然后將經(jīng)過增濕的過程氣體輸送到入口112a。由于增濕單元的原理與第一實(shí)施例中描述的相同，因此為了簡(jiǎn)化起見，在此將不再作任何進(jìn)一步的詳細(xì)說明。對(duì)于某些應(yīng)用而言，理想的是同樣為陽(yáng)極氣流設(shè)置焓輪機(jī)。在通過這種方式實(shí)現(xiàn)充分增濕的情況下，可以省略蒸汽源和相關(guān)部件。
本發(fā)明較現(xiàn)有技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)。露點(diǎn)冷卻部分和再加熱部分的組合能迅速改變操作條件，一般其響應(yīng)時(shí)間小于1分鐘。另外，能對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制，從而提供精密而又精確的入口燃料過程氣流的溫度和相對(duì)濕度，這些參數(shù)對(duì)于寬范圍電流密度的質(zhì)子交換膜燃料電池高效工作是很必要的。
雖然上述描述構(gòu)成了優(yōu)選實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離所附權(quán)利要求書適當(dāng)范圍的真正含義情況下，容易對(duì)本發(fā)明作出改進(jìn)和變化。例如，溫度控制裝置除了上述實(shí)施例中描述的溫度傳感器、加熱器和冷卻器的形式外，還可以是各種形式。蒸汽源不必象實(shí)施例中描述的那些。另外，它還可以是任何熱焓轉(zhuǎn)移裝置或任何濕氣回收單元。此外，本發(fā)明還具有對(duì)其它類型燃料電池的適用性，這些燃料電池包括但不限于固體氧化物、堿性、熔融碳酸鹽、以及磷酸。特別是，本發(fā)明可用于在更高溫度下工作的燃料電池。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解的是，增濕要求非常依賴于所用的電解質(zhì)，另外還依賴于燃料電池的工作溫度和壓力。于是可以理解的是，本發(fā)明不能適用于所有其它類型的燃料電池。
雖然本發(fā)明具有對(duì)任何應(yīng)用的燃料電池、燃料電池組和燃料電池電源設(shè)備的通用適用性，但由于當(dāng)前正提議將燃料電池或電源設(shè)備用于包括汽車、巴士等的各種機(jī)動(dòng)車應(yīng)用，因此人們期望本發(fā)明對(duì)機(jī)動(dòng)車的燃料電池電源有特殊適用性。
機(jī)動(dòng)車應(yīng)用與許多靜態(tài)應(yīng)用差別很大。例如，在靜態(tài)應(yīng)用中，燃料電池組一般用作電力電源，人們一般僅簡(jiǎn)單期望其在相對(duì)恒定的功率水平下運(yùn)行很長(zhǎng)期限。與之相反，在機(jī)動(dòng)車環(huán)境下，所需的燃料電池實(shí)際功率變化很大。另外，人們期望燃料電池組電源設(shè)備能迅速響應(yīng)是增大功率還是降低功率的功率要求的變化，同時(shí)還要維持高效率。另外，對(duì)于機(jī)動(dòng)車應(yīng)用而言，人們期望燃料電池電源設(shè)備能在環(huán)境溫度和濕度條件的極端范圍內(nèi)工作。
所有這些要求是非常要求，這使其很難保證燃料電池在所有可能的工作條件范圍內(nèi)高效工作。雖然關(guān)鍵問題是保證燃料電池電源設(shè)備總是能提供較高功率水平，并具有高效率，但能準(zhǔn)確控制燃料電池電源設(shè)備內(nèi)的濕度水平對(duì)于滿足這些要求是很必要的。更具體來說，控制氧化劑和燃料氣流的濕度水平是必要的。最公知的增濕技術(shù)被不恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)成對(duì)迅速變化的條件、溫度等產(chǎn)生響應(yīng)。許多已知系統(tǒng)提供的增濕水平不足，其具有很高的熱慣性和/或很大的死體積，這使它們不能對(duì)變化的條件產(chǎn)生迅速反應(yīng)。
相反，本發(fā)明的技術(shù)試圖精確地控制濕度水平，并使其在很短的時(shí)標(biāo)內(nèi)迅速變化，例如可在幾十秒數(shù)量級(jí)的時(shí)間內(nèi)迅速變化。本發(fā)明方法和裝置的基本觀念是三步法，其包括使相應(yīng)的氣流過濕；冷卻氣流，冷凝出過量水，認(rèn)識(shí)到任何溫度下完全飽和氣流的濕度水平是已知的；然后在需要的地方，將氣流再加熱到較高的最終溫度，以便賦予氣流理想的溫度和理想的相對(duì)濕度。
在機(jī)動(dòng)車應(yīng)用中，人們期望采用該技術(shù)給出良好的能效。例如，對(duì)燃料進(jìn)行再加熱的最后加熱器構(gòu)成冷卻器的一部分，用以冷卻氣流，從而冷凝出過量的水蒸氣。換句話說，通過熱交換器到達(dá)水隔板的氣體將熱傳遞給離開隔板的氣體，以便對(duì)該氣流進(jìn)行再加熱。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)過程氣流進(jìn)行增濕的方法，該方法包括(a)在第一溫度下對(duì)過程氣流進(jìn)行增濕，以提供帶有過量濕氣的過程氣流；(b)在低于第一溫度的第二溫度下對(duì)過程氣流進(jìn)行冷卻，使過量水分冷凝；(c)從過程氣流中去除過量的冷凝水分；以及(d)在已知溫度下輸送過程氣流，于是過程氣流中的相對(duì)濕度水平由第五和所述已知溫度下的飽和壓力比決定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其包括向燃料電池供應(yīng)經(jīng)過增濕的過程氣流，并為燃料電池提供排放過程氣流的出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(d)包括將過程氣流加熱到高于第二溫度的第三溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其包括向燃料電池供應(yīng)經(jīng)過加熱和增濕的過程氣流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其包括通過供應(yīng)管線向燃料電池輸送過程氣流，并利用加熱元件加熱供應(yīng)管線，以便將過程氣流維持在第三溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述過程氣流包括燃料氣流，其中該方法還包括(i)提供氧化劑氣流；(ii)在第四溫度下對(duì)氧化劑氣流進(jìn)行增濕，以便提供過度潮濕的氧化劑氣流；(iii)將氧化劑氣流冷卻到低于第四溫度的第五溫度，使過量水分冷凝；(iv)去除氧化劑氣流中的過量冷凝水分；(v)在已知溫度下向燃料電池輸送氧化劑氣流，于是氧化劑氣流中的相對(duì)濕度水平由第五溫度和所述已知溫度的飽和壓力比決定。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中步驟(v)包括將氧化劑氣體加熱到高于第五溫度的第六溫度，在將氧化劑氣流維持在第六溫度的同時(shí)，通過第二輸送管線輸送該氧化劑氣流。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其包括利用加熱元件加熱第二輸送管線，以維持氧化劑氣流的溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)所述的方法，其包括在步驟(a)中通過向過程氣流中供應(yīng)蒸汽來濕潤(rùn)過程氣流。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其包括既向燃料氣流又向氧化劑氣流供應(yīng)蒸汽，以便既能加熱又能濕潤(rùn)氣流，從而使氣流過飽和。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其包括從燃料電池電源設(shè)備產(chǎn)生的排放過程氣體中回收濕氣，利用回收的水分濕潤(rùn)過程氣流。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中燃料電池既包括燃料氣流又包括氧化劑氣流，其中過程氣流包括燃料氣流和氧化劑氣流中的一種，其中該方法包括利用回收濕氣至少濕潤(rùn)燃料電池上游的燃料氣流和氧化劑氣流中的一種。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述過程氣流包括燃料氣流，其中該方法包括從排放的燃料氣體中回收濕氣，利用回收的濕氣濕潤(rùn)進(jìn)入的燃料氣體。
14.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的方法，其中第一溫度的范圍是10℃到120℃。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中第二溫度的范圍是5℃到115℃。
16.根據(jù)權(quán)利要求3、4或5所述的方法，其中第一溫度的范圍是10℃到120℃，其中第二溫度的范圍是5℃到115℃，其中第三溫度的范圍是10℃到120℃，其中過程氣流在第三溫度下的相對(duì)濕度范圍是0到100％。
17.根據(jù)權(quán)利要求2、4、5或13所述的方法，其包括提供帶有質(zhì)子交換膜的燃料電池。
18.一種對(duì)燃料電池的過程氣流進(jìn)行增濕的裝置，該裝置包括第一增濕單元，其具有過程氣流入口，用以在第一溫度下為過程氣流增加濕氣，使其濕度達(dá)到超過所需濕度的水平；與增濕單元相連的第一熱交換器，用于將過程氣流冷卻到溫度較低的第二溫度，借此過程氣流中的過量水分發(fā)生冷凝，以便去掉冷凝水分，于是離開熱交換器的過程氣流具有已知溫度和已知的相對(duì)濕度水平。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其結(jié)合了燃料電池電源設(shè)備，該電源設(shè)備具有與第一熱交換器相連的第一過程氣體入口，和排放過程氣體的出口。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中燃料電池電源設(shè)備的每個(gè)燃料電池都包括質(zhì)子交換膜。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其包括與第一熱交換器相連的第一加熱器，用以將過程氣流加熱到高于第二溫度的第三溫度，借此過程氣流具有已知的相對(duì)濕度水平。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中過程氣體包括燃料氣流，其中燃料電池電源設(shè)備包括用于氧化劑氣流的第二入口，其中第一增濕單元、第一熱交換器和第一加熱器位于與燃料電池電源設(shè)備的第一氣體入口相連的第一燃料氣管線上，并且其中該裝置包括第二氧化劑氣體管線，該裝置在氧化劑氣體管線中包括第二增濕單元，用以在第四溫度下為氧化劑氣流增濕；第二熱交換器，它與第二增濕單元相連，用以將氧化劑氣流冷卻到低于第四溫度的第五溫度，于是讓過量水分發(fā)生冷凝，并將其從氧化劑氣流中分離出來。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中第二氧化劑氣體管線包括與第二熱交換器相連的第二加熱器，用以將氧化劑氣流加熱到高于所述第五溫度的第六溫度。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中增濕單元包括蒸汽注射器，用以將蒸汽注入過程氣流。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中第一和第二增濕單元每個(gè)都包括用于向各氣流注入蒸汽的蒸汽注射器。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其包括與燃料電池電源設(shè)備的排放過程氣體出口相連的濕氣回收單元，用以回收燃料電池電源設(shè)備產(chǎn)生的排放氣體中的濕氣，并利用回收的濕氣濕潤(rùn)位于燃料電池電源設(shè)備上游的過程氣體。
27.根據(jù)權(quán)利要求21或25所述的裝置，其中當(dāng)存在第一加熱器和第二加熱器時(shí)，它們包括細(xì)長(zhǎng)的加熱裝置，用以將輸出管線維持在第三溫度。
28.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中第一和第二熱交換器每個(gè)都包括第一溫度控制線路，用以控制熱交換器的溫度，第一溫度控制線路包括流體管路、用于泵送流體的泵、以及用于冷卻流體的裝置。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中每個(gè)第一溫度控制線路另外還包括用于加熱各流體的另一加熱器。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29所述的裝置，其中第一和第二加熱器每個(gè)都包括另一熱交換器，其中為每個(gè)另一熱交換器設(shè)置了第二溫度控制線路，用以控制它們的溫度，每個(gè)第二溫度控制線路包括流體管路、使流體循環(huán)的泵、以及用于加熱流體的第三加熱器。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，其中每個(gè)第二溫度控制線路包括用于加熱里面的流體的另一加熱器。
全文摘要
一種對(duì)過程氣體進(jìn)行增濕和控制溫度的方法，其包括以下步驟利用蒸汽使過程氣流過飽和，并將其加熱直至第一預(yù)定溫度；冷卻過程氣流，直至它達(dá)到第二預(yù)設(shè)溫度；從過程氣流中去除過量的冷凝水；以及加熱過程氣流，直至它達(dá)到第三預(yù)設(shè)溫度。本發(fā)明還公開了用于實(shí)施該方法的裝置。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1444779SQ01813442
公開日2003年9月24日 申請(qǐng)日期2001年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月28日
發(fā)明者J·卡格內(nèi)里, R·B·戈帕爾 申請(qǐng)人:潔能氏公司