露点增湿器及相关气体的温度控制的制作方法

专利名称：露点增湿器及相关气体的温度控制的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及连续气流增湿系统的领域，更具体地说，涉及增湿用于燃料电池的气体反应物或其它气体的方法和系统。本发明还涉及增湿气体的温度控制和跟踪的领域。
背景技术：
在Shimazu等人的美国专利No.6,338,472中所描述的增湿器，像本发明领域中的其它一样，通常用于增湿过程气体，该增湿过程气体可供应给固相聚合燃料电池(SPFC)的阳极或阴极。该过程气体包括供给阳极的燃气和供给阴极的氧化气体。该固相聚合燃料电池由电化学反应产生电能，其中供给阳极的燃气所产生的质子通过电解质膜转移到阴极和供给阴极的氧化气体发生反应以生成水。然而，本发明增湿器并不限于燃料电池，通常也适用于气体的增湿。
相似地，相对于SPFC装置，质子交换膜燃料电池(PEMFC)通常包括三个主要部件(1)多孔扩散催化阳极，(2)质子传导膜，以及(3)多孔扩散催化阴极。该PEMFC分别在阳极和阴极处通过氢气和氧气的催化电化学反应将化学能量转换成电能。在这个过程中，质子交换膜的电导率在PEMFC中扮演了重要的角色。但是，膜电导率取决于其水汽含量。通常水汽含量高电导率就高。实际上，燃料和氧化气体必须增湿以在膜中保持足够的水汽含量，因而需要增湿器和增湿反应气体方法。
无论是SPFC或者PEMFC，通常在燃料电池的操作中该膜必须要保持湿润。为保持膜的湿润，该过程气体通常需要通过一个或更多的不同技术来进行增湿。比如，一种常用的技术，这里称为″起泡型″增湿器，涉及起泡反应的气体向上通过盛有热水的壳体以使得水分子可随反应气体带起。还设有能源以便于水蒸发通过容器进入气泡或者气流。
为了高效率地增湿气体，气体流速应该足够低，或者在水中的停留时间足够长。另外，气体在液态水中的分布对气体的最终湿度有很大影响。即使当流速相对低时，起泡型增湿器也应该避免让气流将水滴带走，因为在这种增湿器中通常没有气体-水分离功能。这种增湿方法具有非常简单和便宜的优点。然而，典型的起泡型增湿器不能输送100％相对湿度给气体，并只允许一定截面增湿器的相对低的气体流速。这种方法的另一缺陷是当气体离开增湿器出口时有多少湿度加入气体里是不确定的。许多因素，包括水温、流速、气体分布、入口气体温度和湿度、物理结构以及增湿器的状况都会影响出口处的湿度。
在起泡型增湿器内，较难控制湿度，除非使用在增湿器出口处实际湿度值的测量得出的反馈信号来控制。即使有这样的控制，该起泡型增湿器需要相对大的截面面积和水高度以增湿气体，以及非常长的湿度改变响应时间。
在另一传统方法中，这里称为″蒸汽注入或蒸汽混合″，水蒸汽通常被过量注射到干燥气流中以形成气体-蒸汽-水滴的混合物。该混合物然后流过热交换机使用冷却剂而冷凝下来到一个设定的温度。混合物内的水滴和额外的水蒸汽冷凝成水流，它们进一步由水分离器和排水管从气体-蒸汽流中分离出来。因为具有冷凝过程，该设定的温度等于露点温度。为了实现冷凝过程，必须要用到额外的水蒸汽。在该技术中，通常需要用到分离锅炉、冷凝器、冷却器、排水管和它们各别的控制系统。为了达到良好的露点温度控制，这些类型的增湿器通常体积很大、复杂、昂贵并同时能效非常低。
用于增湿反应气体的另一技术使用“膜型”增湿器。在Murphy等人的美国专利No.5,996,976中显示并介绍了这种膜型增湿器的一个实例。在该技术中，水被泵抽通过加热元件然后引导到多孔膜的一侧。要增湿的气体被引导通过膜的另一侧。水分子从热水一侧穿透膜到反应气体一侧，这里水分子蒸发成气体而这些气体又从水中吸收热。如所描述的，这些水通过加热室循环，或者在蒸发室里直接加热。气体-蒸汽混合物的温度低于水温度，因为蒸发发生在膜表面。因为这种现象，气体-蒸汽混合物的温度和湿度相当难以控制。此外，控制的难度随着气体流速增加而增加，因为从水中吸收的热量相对高。此外，还需要特别的膜，增加了这种系统的总成本。同样，没有使用进一步的冷凝或者湿度传感器，所以并没有保证精确湿度控制的机制。
Watanabe的美国专利No.5,262,250和Wilson的美国专利No.5,952,119描述了一种用于燃料电池的膜电极组件的自增湿方法。前者在膜中采用一些狭窄路径或虹吸管，后者通过背衬层缝制亲水线以增强膜的增湿性能。然而这样的自增湿可能在实验室环境才有效，很难大规模商业化生产。
另一个气体增湿的技术涉及对气体和水池的超生波能量应用。壳体内装有一定量的水，气体导入壳体内水上面的空间。壳体内超声波能量源通过气体传播到水池。使用超声波能量后产生水蒸汽，水蒸汽融入气体中，然后从壳体中提取出气体-蒸汽混合物。这种技术具有容易控制用于气体“分批”处理的气体-蒸汽混合物湿度的优点，但并不适合于产生和控制连续气流的湿度。
另一用于气体增湿的技术涉及蒸汽注射型增湿器的变型，其是将水注射到加热元件比如板上，将水蒸发到壳体内。气体被泵入壳体内和水蒸汽混合而成为气体-蒸汽混合物。注射到加热元件的水量会被计算和控制以满足一定的湿度要求。此外，可通过控制加热元件的温度来控制出来的气体-蒸汽混合物温度。
然而，这一因素为该技术带来了缺陷，因为发热组件必须用一定的最小功率达到足够高的温度，瞬间使水喷溅为蒸汽，该最小温度通常大大高于优选的混合物温度。并且当气体或者水流速改变时很难快速改变加热元件的温度，也很难精确控制气体-蒸汽混合物的温度，因此该混合物可能会过热。即使混合物温度能被充分地控制，采用该技术也会无法让人接受地限制流速范围和温度范围。这是因为该技术需要用一种装置在一个控制循环内同时控制两个参数，即气体-蒸汽混合物的温度和加热元件的温度，也就是供给加热元件的功率。如果不是不可能的话，也是较难在实际控制机构里同时控制这些参数。
针对这种控制问题的一种建议的解决方案涉及到气体-蒸汽混合物流中冷凝器的使用。原则上，在两步骤内和两个装置内进行增湿。第一步骤涉及如前所述的在增湿气体-蒸汽混合物之上注入蒸汽以产生过热。第二步骤涉及让混合物通过冷凝器以将气体-蒸汽混合物冷凝到其露点。这需要冷却器将冷凝过程的热带走，以保持冷凝器在露点温度。因此在第一步中需要额外的能量以产生过热和过湿混合物，并且需要更多能量驱动冷凝器，以分散来自混合物冷却和冷凝过程中的额外热量。这意味着该技术的能量使用效率是非常低的，并且还非常笨重、复杂，制造和使用成本高。
在Andrews的美国专利No.6,383,671中公开了PEMFC的另一增湿方法。这种方法使用加热器来蒸发液态水，然后让蒸汽直接和干燥气体混合。在一定条件下可以取得用于反应气体的有效增湿。然而，这种装置的其中一个问题是反应气体并不预热；也就是气体温度和湿度远远未到露点饱和状态。当蒸汽和冷气体混合时，冷凝产生。这种现象使得湿度的精确控制较困难，因为气体和蒸汽并不是均匀混合。为了混合好气体和蒸汽，这种增湿器的实际尺寸必须相当大。
因此，仍然需要一种用于增湿气体的系统和方法，其需要能量利用率高、简单和易于控制，更重要的是，可精确提供连续气流的所需增湿量。本发明旨在这种解决方案。

发明内容
本发明旨在通过两个阶段提供连续气流来解决现有技术中的这些和其它缺陷。第一阶段通过起泡动作提供反应气体的预增湿，第二阶段在蒸汽产生器中产生蒸汽，并在混合室中混合预增湿气体和蒸汽。不使用渗透膜，仅仅采用一个参数(温度)来精确控制露点状态的气体增湿。也就是说，将出口的温度用作唯一参数来控制蒸汽产生器内加热元件的工作。
气体在压力下引入壳体或容器内。气体然后通过起泡蒸发器起泡。在水起泡蒸发器之上，气体-蒸汽-水滴混合物和注入的水蒸汽混合以形成饱和气体-蒸汽-水滴混合物。该饱和的气体-蒸汽-水滴混合物然后流过具有Y型截面的湿气分离区域。水滴在重力和惯性作用下下落到大体积的水(bulk water)中，同时饱和气体向上流动并从增湿器出去时。
因此本发明的一个目的是提供一种简单和易于控制的气体增湿器，以在露点精确产生饱和气体。本发明的进一步目的是提供一种利用该增湿器来增湿气体的方法。本发明的另一目的是提供一种气体增湿器，其可在宽范围温度的露点产生饱和气体，并在壳体内使用单一测量参数(温度)而无需露点″标定″。本发明的另一目的是提供简单、经济和有效率的装置以进一步加热和追踪增湿之后的气体温度。
为了实现本发明的这些和其它特点和优点，在蒸汽产生锅炉和容器内的大体积的水和/或预增湿器之间设有加强的绝热。该绝热可阻止来自锅炉的热量对大体积的水或预增湿气体的直接加热。因此，来自蒸汽产生锅炉的加热元件的热能包含在锅炉中并仅用以产生蒸汽。因此热仅通过气体-蒸汽混合和/或蒸汽冷凝传导到气体。
虽然锅炉和气体增湿器的其它功能部分是绝热的，但是设有处于锅炉底部的开孔使得来自容器的大体积的水可流回锅炉。这种设置消除了单独的水供应和循环系统的必要，并进一步提供了用于预增湿器、冷凝器/水分离器和锅炉的水位。另一方面，因为水可从容器的大体积的水流入锅炉底部，所以水通路不会造成从锅炉到预增湿器或大体积的水的热对流。
增湿器的热效率也由于加强的绝热得到改善，该加强的绝热应用到混合器/冷凝器壁上以阻止热传递到在100％相对湿度下沿着通往增湿器出口的路径的气流。这种特性可确保气流保持在100％相对湿度。锅炉和混合器/冷凝器的绝热省去了将增湿气体通过额外增湿阶段的需要。
如前面所述，混合室和冷凝器的出口形成了Y形截面。容器内大体积的水的水位保持低于该出口。这防止气体-蒸汽混合物流过大体积的水而导致起泡，这会限制通过增湿器的气体最大流速。这种设置在同样截面积下比不具有这种特征的设置增加了超过10倍的最大流速。
从混合室开始，气体蒸汽混合物在到达蒸汽出口前分出大量明显变化的方向。这种用于气体蒸汽混合物的迂回路径会使得水滴落回大体积的水，同时保持饱和的气体可从增湿器出口出去。这也意味着并不需要用大体积的水或水分离器和排水管来使水分离。
用于(露点)温度测量和控制的温度传感器安装在增湿器的出口腔室中，而并不在大体积的水里。这个测量点可比在水里反映出更准确的气体-蒸汽混合物温度测量。
混合室也同时作为冷凝器。因此，并不需要用大体积的水来用于冷凝。相对冷的预增湿气体在与水蒸汽混合时使其冷却。该冷却过程使混合物里的一些蒸汽冷凝。已冷凝的水和其携带的热量用于预增湿和产生蒸汽。该冷凝过程使水和热循环，以用于自然、自动的热和水平衡。
在本发明的上述优选实施例中，同样的冷却剂(比如，自来水或冷却水)用以增湿器、气体加热器、气体管路和湿度传感组件内的温度调整。该特征简化了控制系统并使温度控制平滑而稳定。当使用自来水时，可以省去用于这些功能中的每一个的复杂、单独的冷却、加热和循环系统。
结合下面的具体说明和附图，本发明这些和其它特点以及优点对于本领域一般技术人员来说是显而易见的。


图1是本发明露点增湿器的正视图。
图2是本发明露点增湿器的当前优选实施例。
图3是本发明包括温度控制特征的露点增湿器示意图。
具体实施例方式
图1显示了本发明增湿器10的核心结构和增湿气体的方法。增湿器10主要包括具有顶部14和底部16的容器12，其优选为圆柱形。入口管路18将干燥气体引入容器12，出口20从容器中引导增湿气体。用箭头22显示干燥气体进入容器，用箭头24显示增湿气体从容器出来。
温度低于设定露点温度的干燥气体22通过流过预增湿器26开始增湿。干燥气体22通过预增湿器26起泡以形成水泡28，其通过预增湿器升起，进而拾起一些湿气并被预增湿器柱管内的水加热到更高的温度。预增湿器26形成有比如管的细长容器，其具有优选沿容器内部的管的底部的开孔30。开孔30提供到锅炉32的水通路，其邻近预增湿器26，且也优选为细长的容器比如管。开孔30进一步提供到与容器一起保持的大体积的脱矿质水储液槽34的水流通路。水入口38提供补充水以补偿从容器释放到增湿气体内的水，其由控制阀门39控制。
预增湿器26具有敞开顶部出口40，优选位于大体积的脱矿质水的水位42之上。气泡28通过预增湿器升起，当气体流速非常低时，预增湿器以传统起泡增湿器的方式运作。然而，当气体流速高时，大量气体和少量水混合，该动作会形成泡沫状混合物，该混合物包括增湿气体。泡沫状混合物携带大量的水从预增湿器出口升出，并进入混合室44。混合室44由具有圆柱状的垂直定向侧件48和水平定向的顶部50的柱状绝热体46所形成。侧件不必是柱状，可以是其它形状，只要其形成有底部敞开的容器，该容器具有在水面之上和在预增湿器及锅炉的顶部之下的底边沿49。混合室壁是绝热的，使得向上流动通过混合室和容器12内表面之间的环状通路62的100％相对湿度的气体-蒸汽混合物不会被加热。
这里必须注意到预增湿器相对普通起泡增湿器以很不一样的方式运作。在起泡增湿器内，只有没有水滴的水蒸汽才能从保持在起泡增湿器内的水中冒出。因此通过起泡增湿器的流速很有限。然而，本发明预增湿器能通过非常高流速的气流，实际上超过相同截面积的普通起泡增湿器10倍的流速。
再看图1，加热元件52设置于锅炉32内。虽然在本发明精神内可以使用其它的加热方式，但是，加热元件优选是电阻元件。加热元件终止于位于水位42之下的顶端54。加热元件在锅炉内产生水蒸汽，并封闭在绝热壁56内。水蒸汽从锅炉升起并从敞开顶部58出去，而进入混合室44。如同预增湿器一样，锅炉32包括沿底部16内表面的开孔31，其便于大体积的水从容器流进锅炉的底部。大体积的水还可通过开孔31流进预增湿器的底部。
水蒸汽从锅炉32释放进入混合室44，其也作为冷凝器以冷凝蒸汽成为水滴，水滴落回大体积的水。从锅炉敞开顶部或出口释放的蒸汽可没有阻碍地自然且自由地流动。在本发明内，锅炉内的沸腾温度通常大大高于设定的露点温度。然而，从预增湿器26出来的预增湿气体通常比露点温度冷。因此，来自预增湿器的比露点冷的预增湿气体和来自锅炉的通常比露点热的蒸汽混合。
在正常操作条件下，水蒸汽和预增湿气体混合并使之加热。在这样做的过程中，水蒸汽释放热能，进而冷却到其可在混合室和冷凝器内冷凝的点。只要有冷凝过程，所界定的混合室内的混合物就可达到饱和。混合过程可在混合室中在预定露点温度或更高温度处产生100％相对湿度的气体-蒸汽混合物。混合过程还可在露点温度周围的温度处产生冷凝的水滴。水滴可将热量从冷凝过程携带到预增湿器中。
水滴、水蒸汽和预增湿气体的混合物在形成预增湿器的管外侧和混合室44的侧件48之间流下。在侧件48的底边沿形成有水分离器或湿气分离区域61。从截面看上去，水分离器61类似“Y”形。那样，湿气分离区域具有一个向下的气体-水混合物通道、一个向上的气体通道和一个在底边沿之下的集水器。当蒸汽/气体混合物向下流出混合室底部时，在重力和惯性作用下冷凝水滴继续向下流进大体积的水。然而饱和蒸汽在侧件48的底边沿之下向下流，继续流进处于侧件48的外表面和容器的内表面之间的环状通路62。该流淌动作有效地从饱和蒸汽中分离出较重的水滴。同时还可保留含在水滴中的能量，这些能量又回到大体积的水中。现在饱含水分的气体向上流过环状通路62并流进位于水平定向顶部50的上表面之上的出口腔64。饱和气体然后从容器的气体出口20出去。
注意气体和蒸汽混合物从混合室到出口20出现六种不同的方向改变。水平朝外移动(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)水平朝内，以及最后(6)垂直向上从出口出去。该迂回路径消除了来自气体和蒸汽混合物的水滴，确保出口处是饱和气体。
水位42比混合室44出口低。这种结构可防止气体-蒸汽混合物流经水。水位传感器和水泵(图未示)保证了水位。如果气体-蒸汽混合物流经水，其紊流作用能潜在地产生发泡现象，进而携带水滴朝上流到增湿器出口，这会严重限制最大气体流速。因此，在相同截面积的起泡型增湿器上，将混合室出口放置在大体积的水位上可增加流过增湿器10倍的最大气体流速。
温度传感器70安装在容器顶部，并穿进出口腔室64。这样，可以由传感器70测出饱和气体的精确温度。传感器70提供温度测量值给温度控制器72，其可控制锅炉内加热元件52的循环操作。该功能可控制在气体出口20处的气体-蒸汽混合物温度，通过由锅炉32提供的热能调整使其达到希望的露点温度。因为气体-蒸汽混合物处于100％相对湿度，在出口20处的温度就是真实的露点温度。因此，可通过控制气体出口温度来准确控制露点温度。为进一步辅助温度的调整，套80可以安装在容器外表面上以循环冷却水或室温水，即自冷却水入口79供应并排出到冷却水出口81。针对图3对本发明的该特征进行了更具体的描述。
如前所说，来自混合室冷凝过程的水和热可回到大体积的水34中，以用于预增湿和产生蒸汽。预增湿过程并不仅仅限于用于部分地增湿干燥气体，它可以使用或循环来自冷凝过程的水和热。预增湿过程保持大体积的水温度在一个比选定的露点温度低的值。较低的水温可保证预增湿气体处于比露点温度较低的温度。较低温度下的气体和较高温度下的蒸汽的混合会拉下蒸汽的温度并产生冷凝，保证了用于增湿气体的100％的相对湿度。该消耗水和热的预增湿过程可保持水和热的平衡，进而储备脱矿质水和热。该特性充分地加强了本发明效率并简化了温度湿度的控制。
本发明另一实施例如图2所示。在这个实施例中，锅炉90作为单独部件安装在增湿容器92的外侧。该容器封装有根据前述图1所述来构建的预增湿器94。干燥气体进入气体入口96，增湿气体从容器气体出口98出去。设有来自容器内预增湿器94或大体积的水的水通路100，使得有水自然地从容器供应给锅炉，进而保持了容器92、预增湿器94，和锅炉90内的水位102。水通路100省去了对单独的水位传感器、水供应和循环装置的需求。因为有水通路，锅炉可以考虑和增湿器一体化以利于水位控制、气体增湿和温度控制。容器和锅炉里面的水因此保持在一定水平105，并都可通过排水管107排出。加热元件104产生蒸汽，并通过蒸汽注入管路106引入容器内。蒸汽注入管路穿入混合室108，混合室108的结构和功能前面已有描述。混合室也作为冷凝器，来自混合室的冷凝产物可如前所述地回到大体积的水中。增湿器还可以包括冷却水套110，如前所述，从冷却水入口109供给而排出到冷却水出口111。
图3示出了本发明增湿器的另一当前优选实施例。该实施例提供不同部件的简单有效集成并采用同样的冷却剂，以用于一起进行增湿、气体加热、温度跟踪和湿度感应。
容器12、预增湿器26、锅炉32、混合室44和其它各种部件如前述图1所述方式构建。然而，在该实施例中冷却水由入口120提供，并流入套(参阅图1)进行温度调整以及快速降低露点。常规的自来水可以代替冷却水用以冷却水循环，因为它从不与增湿器的气体和蒸汽接触。冷却水向上流过套80，直至到达在容器顶部的冷却水出口122。在这点上，冷却水已经被加热到接近露点温度，其从容器外表面接收到热能。冷却水的冷却效应可使得锅炉的温度控制更加容易而平滑。
加热的循环冷却水然后从增湿器进入气体加热器套124，套124环绕并包围基本平行的气体加热器126。气体加热器126包括设置在其内的加热元件128。循环冷却水进一步在气体加热器套124内加热。冷却水然后进入连接管路130和水套132，以用于湿度传感器134。然后流进气体出口套136。气体出口套136然后排出进入冷却水排出管路138，通过回压控制器140并从冷却水出口142出去。
气体加热器126将来自增湿器出口20的气体-蒸汽混合物加热到接近设定的气体温度。因为循环冷却水已经在套80预热到接近露点的温度，所以并不需要在实现100％增湿气体之前在气体加热器内预热以防止冷凝。气体加热器套124的水使温度控制变得平滑而稳定。这能够实现温度快速改变，变高和变低都可以，而不会出现明显的超调。
在气体加热器套124内进一步加热的循环冷却水可用以沿着气体管路或管道144进行温度跟踪。因此，气体管路或管道形成有用于沿着气体管路输送气体和跟踪气体温度的加套管。气体管路144内的气体温度可以在气体管路144的气体出口148处由气体温度传感器146测量。传感器146提供温度信号给加热器温度控制器150以控制加热元件128的循环操作。使用加热的循环冷却水使得能够在气体管路144的气体出口148处保持希望的温度，并保持接近沿着气体管路的温度。该加热的水能实现均匀的温度控制和平滑的温度处理而不会有明显的超调。
在管路端部的循环冷却水可用于湿度传感器套132的温度控制。将湿度传感器的温度保持接近气体温度是非常重要的。如果没有这些加热的水，使用用于湿度传感器组件的加热器单元比如电加热带来实现该功能是复杂和昂贵的。不同于使用用于气体加热、温度跟踪和湿度传感器套加热的单独的温度控制循环，这种方法需要单独的温度控制循环，本方法不需要额外的加热器和控制器，只需要用于这些功能的一个加热循环。这省去了额外的系统，包括加热、冷却、循环和控制单元。
通常，湿度传感器需要通常低于0.2slpm(标准流速，每分钟标准升)的受限流速的条件。在高流速条件下，湿度传感单元通常需要用到取样机构，因而复杂和昂贵。然而本发明可使得湿度传感器134在高流速气流下正确地运作。止回阀152安装在主气体管路上并平行于湿度传感器组件154。止回阀可保持湿度传感器组件上的压降低于预设值，进而控制通过湿度传感器组件的流速低于预设值。当通过管路144的增湿气体的流速低于该预定值时，全部气流都通过湿度传感器组件。
气体增湿器的操作增湿器的热动力操作由处于或低于环境温度的干燥气体开始，可得到在增湿器出口的露点温度下的饱和气体。在第一步中，气体输送通过预增湿器即非绝缘管，其从大体积的水中吸收热量并用同样数量的能量冷却大体积的水。在第二步中，来自预增湿器的气体和来自锅炉的蒸汽混合，形成饱和气体-蒸汽-水滴混合物和冷凝液。在第三步中，混合物流过Y形水分离器，饱和气体-蒸汽混合物向上流到出口。从冷凝过程得到的水滴携带热量下落到大体积的水中，进而提供热-水循环和热-水平衡。
锅炉内加热元件的操作由在增湿器出口处的气体-蒸汽混合物的温度控制，该温度由温度传感器检测确定以保持露点状态，并保持装置内的热平衡。使用本发明结构，就省去了单独的冷凝器和冷却器的使用，来自冷凝气体-蒸汽混合物的热量直接释放进入大体积的水，因此能量得以储备，这些能量在使用单独的冷凝器和冷却器的现有技术系统中被损失。
因此，装置的热平衡由以下等式给出将入口气体和水在露点产生100％增湿气体所需要的总热量＝来自蒸汽产生器的总热量-在环境中损失的热量-使水冷却的热量这意味着只要控制一个简单的参数，即加热元件的功率，就可确保增湿器出口处的气体-蒸汽混合物的温度处于希望的露点。可确保用于连续气流的连续气流精确增湿，而不需要考虑气体流速。在已知的增湿系统中，气流增湿的水平在进入单独的冷凝器前随着流速和其它系统参数变化而变化，本发明消除了现有技术中的这种缺陷。
在其它优选实施例中，增湿气体温度进一步由气流加热器的操作来控制，由基于气体出口处的气体温度的控制信号进行循环操作。冷却水通过该装置实现循环以提供增湿系统稳定的操作。
已经在前述的说明书描述了本发明的原则、优选实施例和操作模型。本发明解释并不限于所公开的特定结构，因为它们都是示意性的而非限制性的。本发明并不限制于把水作为冷却剂。此外，本领域技术人员在不背离本发明精神的前提下，可以进行各种修改和变化。
权利要求
1.一种气体增湿器包括a.密封容器，其形成有容器顶部、容器底部和容器侧部，所述容器适于保留处于一定水位的一定量的大体积的水；b.预增湿器，其包括相对于容器垂直定向的管，并具有敞开的预增湿器顶部；c.适于输送气体进入预增湿器的气体入口；d.容器内的锅炉，所述锅炉具有在其内的加热元件，还具有敞开的锅炉顶部；e.在所述预增湿器顶部和锅炉顶部之上的混合室；以及f.适于从容器输送增湿气体的出口。
2.根据权利要求1所述的气体增湿器，其特征在于，所述预增湿器从气体入口接收干燥气体，并产生气泡以增湿气泡至低于饱和状况，进而释放预增湿气体。
3.根据权利要求2所述的气体增湿器，其特征在于，所述锅炉产生蒸汽并和来自所述预增湿器的预增湿气体混合。
4.根据权利要求1所述的气体增湿器，其特征在于，所述预增湿器还产生夹带液态水的预增湿气体。
5.根据权利要求1所述的气体增湿器，其特征在于，所述混合室形成有底部敞开的容器，其具有在大体积的水的水位之上、在预增湿器顶部之下以及在锅炉顶部之上的底边沿。
6.根据权利要求5所述的气体增湿器，其特征在于，所述混合室的底边沿形成有Y形截面的湿气分离区域。
7.根据权利要求5所述的气体增湿器，其特征在于，所述混合室的底边沿形成了湿气分离区域，其具有向下的气体-水混合物通道、向上的气体通道，以及在底边沿之下的集水器。
8.根据权利要求1所述的气体增湿器，其特征在于，所述混合室采用绝缘材料构成。
9.根据权利要求1所述的气体增湿器，其特征在于，所述气体增湿器还包括环绕锅炉的绝缘层。
10.根据权利要求1所述的气体增湿器，其特征在于，所述气体增湿器还包括沿着所述预增湿器和大体积的水量之间的容器底部的流体开孔。
11.根据权利要求1所述的气体增湿器，其特征在于，所述气体增湿器还包括沿着所述锅炉和大体积的水量之间的容器底部的流体开孔。
12.根据权利要求1所述的气体增湿器，其特征在于，所述混合室形成有流体通道，其用于蒸汽和预增湿气体混合物的流动以及将冷凝物从饱和蒸汽分离。
13.根据权利要求12所述的气体增湿器，其特征在于，所述流体通道围绕所述预增湿器和锅炉并在大体积的水的水位之上向下延伸。
14.根据权利要求1所述的气体增湿器，其特征在于，所述气体增湿器还包括a.围绕所述容器的水套；和b.与所述水套流体连通的循环水源。
15.根据权利要求1所述的气体增湿器，其特征在于，所述气体增湿器还包括处于所述容器出口处的温度传感器。
16.根据权利要求15所述的气体增湿器，其特征在于，所述温度传感器产生温度信号，其还包括接收温度信号以及可做出响应来控制加热元件的温度控制器。
17.根据权利要求1所述的气体增湿器，其特征在于，所述锅炉产生从锅炉的敞开顶部出去的蒸汽，所述预增湿器产生从预增湿器的敞开顶部出去的预增湿气体，混合室混合所述蒸汽和预增湿气体，引起蒸汽在混合室内的冷凝。
18.根据权利要求17所述的气体增湿器，其特征在于，所述冷凝物在重力和惯性作用下下落到大体积的水。
19.根据权利要求1所述的气体增湿器，其特征在于，从所述容器出去的气体具有100％相对湿度。
20.根据权利要求1所述的气体增湿器，其特征在于，所述气体增湿器还包括与所述容器的外部连通的气体管道。
21.根据权利要求20所述的气体增湿器，其特征在于，所述气体增湿器还包括在所述气体管道内的气体加热元件。
22.根据权利要求21所述的气体增湿器，其特征在于，所述气体增湿器还包括a.从所述气体管道出来的气体管道出口；和b.在所述气体管道出口处的气体温度传感器。
23.根据权利要求22所述的气体增湿器，其特征在于，所述气体温度传感器产生气体温度信号，其还包括气体加热控制器，以响应于所述气体温度信号来控制气体加热元件。
24.根据权利要求20所述的气体增湿器，其特征在于，所述气体增湿器还包括在气体管道内的湿度传感器。
25.根据权利要求20所述的气体增湿器，其特征在于，所述气体增湿器还包括a.围绕所述气体管道的气体管道水套；和b.与所述气体管道水套流体连通的循环水源。
26.根据权利要求20所述的气体增湿器，其特征在于，所述气体增湿器还包括a.围绕所述容器的容器水套；b.与所述容器水套流体连通的循环水源；c.来自所述容器水套的容器水套出口；d.围绕所述气体管道的气体管道水套；和e.从所述容器水套出口到所述气体管道水套输送循环水的水管路。
27.一种气体调控系统，包括a.适于产生增湿气体的气流增湿器；b.从所述增湿器接收增湿气体的气体加热器管路，所述气体加热器管路在其内具有气体加热元件；c.围绕所述增湿器的第一冷却水套，所述冷却水套具有第一冷却水入口和第一冷却水出口；和d.围绕所述气体加热器管路并邻近气体加热元件的第二冷却水套，所述第二冷却水套具有与所述第一冷却水出口流体连通的第二冷却水入口，所述第二冷却水套还具有第二冷却水出口。
28.根据权利要求27所述的气体调控系统，其特征在于，所述气体调控系统还包括在气体加热器管路内的止回阀。
29.根据权利要求28所述的气体调控系统，其特征在于，所述气体调控系统还包括在气体加热器管路内平行于止回阀的湿度传感器。
30.根据权利要求28所述的气体调控系统，其特征在于，所述气体调控系统还包括围绕所述湿度传感器的第三冷却水套，其具有与所述第二冷却水出口流体连通的第三冷却水入口，所述第三冷却水套具有第三冷却水出口。
31.根据权利要求30所述的气体调控系统，其特征在于，所述气体调控系统还包括围绕所述气体加热器管路并与气体加热元件间隔一定距离的第四冷却水套，所述第四冷却水套具有与所述第三冷却水出口流体连通的第四冷却水入口，所述第四冷却水套还具有第四冷却水出口。
32.根据权利要求27所述的气体调控系统，其特征在于，所述气体加热器管路包括加套管，以用于沿着气体加热器管路输送气体和跟踪气体温度。
33.根据权利要求29所述的气体调控系统，其特征在于，所述湿度传感器提供控制信号以保持气体加热器管路内的温度，使得气体加热器管路内的增湿气体保持接近露点温度。
全文摘要
提供了一种增湿气体到100％相对湿度的方法和执行所述方法的增湿器，以增湿用于燃料电池和其它应用的气体。对气体增湿进行热力控制，对热能进行管理以提供有效率的系统。预增湿器适于干燥气体的宽范围的流速，以开始增湿和预加热气体，锅炉提供的蒸汽同预增湿器的流出物混合以增湿气体到饱和。锅炉和大体积的水和/或预增湿器之间的绝热可加强锅炉蒸汽的产生，并防止锅炉对水或气体的直接加热。在锅炉、大体积的水和预增湿器之上，混合室进一步起着冷凝器和水分离器的作用。混合室提供空间让气体和蒸汽混合，并从冷凝水中分离出饱和气体。通过混合过程中的蒸汽冷凝，在给出的温度和压力条件下气体可以被完全增湿到其露点。
文档编号B01D47/00GK101076910SQ200480018344
公开日2007年11月21日 申请日期2004年4月2日 优先权日2003年5月2日
发明者张超迥 申请人:张超迥