專利名稱：對引入燃料電池的過程氣體進行增濕和溫度控制的方法和裝置的制作方法
技術領域：
概括而言，本發(fā)明涉及一種用于對引入燃料電池的過程氣體進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、精密而又準確的相對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)子從陽極遷移到陰極，換句話說是維持薄膜的導電性。已經(jīng)提出，穿過薄膜的每個質(zhì)子本身至少牽引兩或三個水分子(美國專利5996976)。美國專利5786104以更為定性的術語描述了所謂的“水泵”機理，其導致帶有水分子的陽離子(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散作用使水得以補充的速率。此時薄膜開始變干，至少在陽極側(cè)是如此，薄膜的內(nèi)阻增大。要理解的是該機構將水驅(qū)向陰極側(cè)，另外在陰極側(cè)也通過反應產(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。因此，為了保證足夠的效率，過程氣體必需在進入燃料電池時具有預定或設定的相對濕度和預定或設定的溫度，這要根據(jù)系統(tǒng)需要而定。
另一考慮是，在運輸和類似應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、甚至大型機車的基礎能源。與某些靜態(tài)應用相比，它有一些獨特要求。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?shù)臐穸人绞呛苤匾摹Ａ硗?，燃料電池必需能在廣泛的環(huán)境空氣條件下實現(xiàn)該功能。
因此，在該技術領域人們找到了維持燃料電池系統(tǒng)內(nèi)濕度的多個方案。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)應用。增濕器傾向于體積較大，而且價格昂貴。另外，增濕器不能快速反應，從而足以滿足燃料電池系統(tǒng)的負荷跟蹤要求。結果，系統(tǒng)在高氣流流速時變得不穩(wěn)定、不可靠和不反應。另外，實踐中該增濕系統(tǒng)不能達到100％的相對濕度，這限制了系統(tǒng)的靈活性或者適應性。
在某些現(xiàn)有技術的燃料電池中，是通過使每種氣體在水蒸氣交換膜的一側(cè)流動來實現(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，其在與燃料電池結合使用時產(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，因此不能獨立地控制過程氣體的相對濕度或者溫度，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，或者計量一定量的小水滴加到供氣管線(美國專利第5432020)中。但是，過去這些系統(tǒng)容易體積巨大、結構復雜、反應緩慢，所具有的動態(tài)可控性不足。
因此就需要能夠提供對引入燃料電池的過程氣體進行快速動態(tài)控制、以及為其提供準確而精密的溫度和相對濕度的增濕器。更具體來說，該增濕器應當能獨立控制氧化劑和燃料系統(tǒng)在各種流速下的相對濕度和溫度。
(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；(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備供應增濕后的過程氣流，更優(yōu)選的是燃料電池電源設備包括質(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)選的是通過供應管線將過程氣流輸送給燃料電池電源設備，用加熱元件加熱供應管線，以便將過程氣體維持在第三溫度。
在向燃料電池電源設備提供過程氣流時，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燃料電池。該情況下優(yōu)選的是再次對氧化劑氣流的供應管線進行加熱。
本發(fā)明的一個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現(xiàn)對各氣流的增濕。例如，可在對各氣流實現(xiàn)加熱和增濕、并使氣流達到過飽和的溫度下供應蒸汽。
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濕度水平。
對應于本發(fā)明的方法方面，優(yōu)選的是提供與燃料電池電源設備相結合的裝置，所述電源設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，但對每個燃料電池電源設備的每個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濕度水平。
另外，對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的流程圖復制成兩套過程氣流管線的流程圖。圖2-6的實施例表示用于兩種過程氣體管線的本發(fā)明。
參照圖1，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施例，但在所述實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冷卻部分，其包括泵30、用于補充水的入口32和第三熱交換器34。另外還設置了第一熱交換器36。于是，在第一溫度控制線路中，補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企圖對氣體進行重新加熱，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，到達用60示意性表示的燃料電池組。
圖1的裝置試圖通過對供應給燃料電池組60的氣流提供可控增濕，其能使溫度和濕度得到精確控制。這將通過對圖1裝置操作模式的詳細描述作進一步解釋。于是，將干燥的引入過程氣體供應給飽和器16，利用飽和器16中的蒸汽使氣體過飽和，從而使氣體濕度達到高于氣體的最終理想濕度的水平?？刂撇⒂嬃客ㄟ^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設溫度。一般而言，盡管氣體可在10℃到120℃范圍內(nèi)的任何溫度下達到過飽和，但是氣體在離開飽和器16時是在90℃左右的第一預設溫度下達到過飽和。
在第一熱交換器22中使氣體冷卻到例如為80℃的第二預設溫度。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確實現(xiàn)絕對濕度水平。在飽和器16中達到可靠的濕度水平并不實際。于是，當氣體被飽和且氣體的露點溫度為已知時，由于作為結果的絕對濕度是已知的，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℃的第三預設溫度。一般來說，可將氣體重新加熱到10℃到120℃的溫度。加熱氣體會降低相對濕度水平，但絕對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設溫度和已知的濕度水平。如符號58示意性表示的，設置加熱器，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的過程中不會冷卻或者換句話說發(fā)生溫度變化。實踐中，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的流速可以實現(xiàn)對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，需要對冷卻回路中的水進行加熱。為該目的，要設置第一加熱器36以保證迅速將水加熱。實踐中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于12kW的燃料電池，可以提供小于1分鐘的響應時間。
相應地，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。
應當理解的是，通過利用位于燃料電池組外部的水源的蒸汽供應裝置可以產(chǎn)生用于濕潤氣流的蒸汽。但是，由于水是燃料電池反應的產(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(enthalpy wheel)或者任何其它焓轉(zhuǎn)移設備從陰極側(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，用以濕潤氣流。如圖1所示，為了該目的，將焓輪機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62支撐在軸上，使其圍繞它的軸線旋轉(zhuǎn)。焓輪機由適當材料制成，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)進入焓輪機62。在焓輪機相對于軸的另一側(cè)，干燥的過程氣體沿相反的軸向方向進入焓輪機。焓輪機轉(zhuǎn)動，使每一部分焓輪機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內(nèi)保存的濕氣增濕。通過適當?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，那么就要在相應氣體進入焓輪機之前設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簡化增濕器裝置的設計。應當理解的是，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，可以預想的是可僅在陰極側(cè)設置熱焓轉(zhuǎn)移裝置或者輪機62，但是也可將這種裝置裝在陽極側(cè)，其或者與陰極側(cè)焓輪機一起使用或者代替陰極側(cè)焓輪機。當在燃料電池的陰極側(cè)上形成水時，人們期望從排出的陰極氣流中回收水是優(yōu)選的，其能用于濕潤進入的陽極和陰極氣流。
現(xiàn)在對圖2-7作出參照，它們表示本發(fā)明的一種實施模式。
參照圖7，其示出了依照第二實施例的增濕線路示意圖。在此，蒸汽入口70與蒸汽源相連，該入口設有壓力傳感器72，它與壓力開關(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蒸汽。這兩根管線90、92的許多元件是通用的，為了簡化起見，僅給出管線90中那些元件的描述。管線92中的對應元件用相同的附圖標記表示，但其綴有下標“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是控制進入氣體管線的蒸汽流量的計量閥。
通過管線112供應燃料氣。蒸汽在注入孔114處注入燃料氣。通過止回閥116向注入孔114供應蒸汽。相應地，在氧化劑側(cè)有供應管線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。然后相對濕度為100％的燃料氣流過管線124，到達第二熱交換器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的下游設置了溫度傳感器128，用以檢測燃料氣流的溫度。已知燃料氣流的相對濕度為100％，就能確定氣流的絕對濕度。
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置了標準傳感器，它用數(shù)字132表示。
第一和第二熱交換器118、126每個都有其各自的溫度控制線路，現(xiàn)在分別對它們進行描述。
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充水的連接件140和卸壓閥142。通過在148處設有控制閥的供應線和回水線144和146向二次熱交換器134供應低溫冷卻水。在冷卻線路上設置了溫度傳感器150，以保證第一熱交換器118中根據(jù)需要設定的溫度?？筛鶕?jù)需要設置其它標準控制元件。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應。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。還設置了補充入口170以及卸壓閥172。
冷卻水供應和回水線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。
仍然參照圖7，作為改進，可利用在68處示意性表示的焓輪機或者任何其它濕氣回收裝置對陰極氣流過程氣體進行增濕，并將其加熱到第一溫度。與第一實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給焓輪機68。在焓輪機68中回收并轉(zhuǎn)移排放氣中的熱和濕氣，用以加熱和濕潤沿著與排放氣體軸向相反的方向進入焓輪機68的進入過程氣體。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施例中描述的相同，因此為了簡化起見，在此將不再作任何進一步的詳細說明。對于某些應用而言，理想的是同樣為陽極氣流設置焓輪機。在通過這種方式實現(xiàn)充分增濕的情況下，可以省略蒸汽源和相關部件。
本發(fā)明較現(xiàn)有技術有很多優(yōu)點。露點冷卻部分和再加熱部分的組合能迅速改變操作條件，一般其響應時間小于1分鐘。另外，能對系統(tǒng)實現(xiàn)動態(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濕度，這些參數(shù)對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。
雖然上述描述構成了優(yōu)選實施例，但應當理解的是，在不脫離所附權利要求書適當范圍的真正含義情況下，容易對本發(fā)明作出改進和變化。例如，溫度控制裝置除了上述實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。本領域普通技術人員可以理解的是，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)明具有對任何應用的燃料電池、燃料電池組和燃料電池電源設備的通用適用性，但由于當前正提議將燃料電池或電源設備用于包括汽車、巴士等的各種機動車應用，因此人們期望本發(fā)明對機動車的燃料電池電源有特殊適用性。
機動車應用與許多靜態(tài)應用差別很大。例如，在靜態(tài)應用中，燃料電池組一般用作電力電源，人們一般僅簡單期望其在相對恒定的功率水平下運行很長期限。與之相反，在機動車環(huán)境下，所需的燃料電池實際功率變化很大。另外，人們期望燃料電池組電源設備能迅速響應是增大功率還是降低功率的功率要求的變化，同時還要維持高效率。另外，對于機動車應用而言，人們期望燃料電池電源設備能在環(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。雖然關鍵問題是保證燃料電池電源設備總是能提供較高功率水平，并具有高效率，但能準確控制燃料電池電源設備內(nèi)的濕度水平對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。最公知的增濕技術被不恰當?shù)卦O計成對迅速變化的條件、溫度等產(chǎn)生響應。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，這使它們不能對變化的條件產(chǎn)生迅速反應。
相反，本發(fā)明的技術試圖精確地控制濕度水平，并使其在很短的時標內(nèi)迅速變化，例如可在幾十秒數(shù)量級的時間內(nèi)迅速變化。本發(fā)明方法和裝置的基本觀念是三步法，其包括使相應的氣流過濕；冷卻氣流，冷凝出過量水，認識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濕度。
在機動車應用中，人們期望采用該技術給出良好的能效。例如，對燃料進行再加熱的最后加熱器構成冷卻器的一部分，用以冷卻氣流，從而冷凝出過量的水蒸氣。換句話說，通過熱交換器到達水隔板的氣體將熱傳遞給離開隔板的氣體，以便對該氣流進行再加熱。
權利要求
1.一種對過程氣流進行增濕的方法，該方法包括(a)在第一溫度下對過程氣流進行增濕，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過程氣流進行冷卻，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)權利要求1所述的方法，其包括向燃料電池供應經(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)權利要求3所述的方法，其包括向燃料電池供應經(jīng)過加熱和增濕的過程氣流。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其包括通過供應管線向燃料電池輸送過程氣流，并利用加熱元件加熱供應管線，以便將過程氣流維持在第三溫度。
6.根據(jù)權利要求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)在第四溫度下對氧化劑氣流進行增濕，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，通過第二輸送管線輸送該氧化劑氣流。
8.根據(jù)權利要求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)權利要求1到8中任一項所述的方法，其包括在步驟(a)中通過向過程氣流中供應蒸汽來濕潤過程氣流。
10.根據(jù)權利要求6所述的方法，其包括既向燃料氣流又向氧化劑氣流供應蒸汽，以便既能加熱又能濕潤氣流，從而使氣流過飽和。
11.根據(jù)權利要求2所述的方法，其包括從燃料電池電源設備產(chǎn)生的排放過程氣體中回收濕氣，利用回收的水分濕潤過程氣流。
12.根據(jù)權利要求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進入的燃料氣體。
14.根據(jù)權利要求1到5中任一項所述的方法，其中第一溫度的范圍是10℃到120℃。
15.根據(jù)權利要求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濕度范圍是0到100％。
17.根據(jù)權利要求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。
18.一種對燃料電池的過程氣流進行增濕的裝置，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濕度水平。
19.根據(jù)權利要求18所述的裝置，其結合了燃料電池電源設備，該電源設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)權利要求19所述的裝置，其中燃料電池電源設備的每個燃料電池都包括質(zhì)子交換膜。
21.根據(jù)權利要求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濕度水平。
22.根據(jù)權利要求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)權利要求22所述的裝置，其中第一和第二增濕單元每個都包括用于向各氣流注入蒸汽的蒸汽注射器。
26.根據(jù)權利要求19所述的裝置，其包括與燃料電池電源設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備產(chǎn)生的排放氣體中的濕氣，并利用回收的濕氣濕潤位于燃料電池電源設備上游的過程氣體。
27.根據(jù)權利要求21或25所述的裝置，其中當存在第一加熱器和第二加熱器時，它們包括細長的加熱裝置，用以將輸出管線維持在第三溫度。
28.根據(jù)權利要求22所述的裝置，其中第一和第二熱交換器每個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)權利要求28所述的裝置，其中每個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)權利要求28或29所述的裝置，其中第一和第二加熱器每個都包括另一熱交換器，其中為每個另一熱交換器設置了第二溫度控制線路，用以控制它們的溫度，每個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)權利要求30所述的裝置，其中每個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
一種對過程氣體進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定溫度；冷卻過程氣流，直至它達到第二預設溫度；從過程氣流中去除過量的冷凝水；以及加熱過程氣流，直至它達到第三預設溫度。本發(fā)明還公開了用于實施該方法的裝置。
文檔編號H01M8/04GK1444779SQ01813442
公開日2003年9月24日 申請日期2001年7月4日 優(yōu)先權日2000年7月28日
發(fā)明者J·卡格內(nèi)里, R·B·戈帕爾 申請人:潔能氏公司