潮湿气体的引入或供给系统的制作方法

专利名称：潮湿气体的引入或供给系统的制作方法
背景技术：
本发明一般地涉及潮湿气体的引入或供给系统，特别地，但非专门地涉及内燃机的潮湿空气引入或供给系统和燃料电池的潮湿气体引入或供给系统。
现有技术简述在能量转化系统中，通常燃料与氧化剂燃烧产生能量。在这种方法中，化学能转化成动能或电以及热。
在内燃机中，其中包括双冲程、四冲程以及例如回转马达和柴油发动机，燃料-空气混合物燃烧提供这种化学能。燃烧之前，可以采用直接注射器或采用汽化器将燃料分散到引入空气物流中，再通过电火花，白热丝或就通过燃料-空气混合物压缩热触发其燃烧。在所有内燃机中，燃料-空气混合物在燃烧室中燃烧所引起压力的突然增加导致发动机部件转动，于是为以发动机为用动力推动的车辆提供了动能。
许多因素制约了化学能转化成有用动能或电的效率，同时将总是并行产生的非-生产热降最低。把内燃机效率增至最大的关键变量包括，在燃烧过程中使压力增加最大，并且使引入空气和燃烧室的温度最低。冷却器-燃烧发动机还提供了环境方面的优点，即降低了在燃烧过程中空气中的氮与氧反应放出的副产物氧化氮的量。
除了燃料和空气外，化学惰性物质可以加到燃烧室，用以吸收热量与产生压力，因此满足了优化发动机效率的上述两个要求。特别地，可以使用水满足这种功能。
人们知道，例如汽车工业以前使用发动机气缸的选择性注水冷却系统。但是，这样一种系统的复杂性和高制造成本共同导致胜过由大规模生产方法所带来的效益。更特别地，发动机气缸的注水系统预先要求能量输入、精确控制与高操作压力，这些要求本身中任何一个要求对可能的实施都有很大的制约作用。
其中湿润作用很有价值的其他气体引入或供给系统包括燃料电池，特别是质子交换膜(PEM)燃料电池，其中为了最佳性能，气体不断地通过应该保持潮湿的膜。还可以考虑，使用下述发明润湿温室中的循环空气。
发明的简要说明根据本发明的第一个方面，提供一种包括亲水膜表面的潮湿气体引入与供给系统。
优选地，潮湿气体引入与供给系统还包括与亲水膜表面整体形成的水箱。
可以设置罩以调节面临水箱和气体引入与供给系统之一的亲水膜表面面积。
在本发明的另一个方面，提供包括有亲水膜表面的潮湿空气引入与供给系统的发动机。
优选地，发动机还包括与亲水膜表面整体偶合的水箱。
在本发明的另一个方面，提供包括有亲水膜表面的潮湿空气引入与供给系统的摩托化车辆。
优选地，摩托化车辆还包括与亲水膜表面连接的水箱。
可设置罩以调节面临水箱和空气引入系统之一的亲水膜表面区域。
发动机的排气系统排出了内部燃烧过程的废气，这些废气可以通过水箱中的热交换盘管用于加热水箱中的水。
在另一个实施方案中，摩托化车辆还包括具有水蒸汽全蒸发横过的亲水膜表面的燃料箱；以及与亲水膜并置的并与水箱连接的管路，该管路提供了来自燃料箱全蒸发水蒸汽的冷凝捕集器，并且其中该管路与水箱相连，或者该管路提供了将亲水膜释放的水蒸汽直接送到引入空气流的部件。但是，从燃料箱析水的膜也可以在分开的系统中单独起作用。
有利地，本发明允许选择性增加水蒸汽进入空气引入系统，例如在汽车发动机内，这可以很容易(从机械和控制简单性看)并较(如果不是不可忽略的)低成本地达到。的确，包括本发明的系统是人们极希望的，因为它可限制汽车发动机(以及类似物)排放污染物，同时也提高了这类发动机的效率和性能。
在本发明另一方面，提供一种包括具有亲水膜表面的潮湿气体引入或供给系统的燃料电池。
有利地，本发明允许把水蒸汽加到燃料电池的一个或多个气流中，特别是质子交换膜燃料电池尤其如此，以防止质子交换膜变干，因此优化了燃料电池的性能。
在本发明系统中可以使用通常的自来水或其他水源的水(不是费钱的蒸馏水)，因为亲水膜可除去腐蚀性的、有害的杂质。此外，不断把水蒸汽送到发动机系统的引入气流避免了与水和汽车燃料不溶混性相关的所有问题以及与液态水存在相关的腐蚀问题；而不断把水蒸汽送到燃料电池一个或多个气体中，可通过防止质子交换膜变干以优化其性能。
附图简要描述现在，参看下述附图描述本发明例证性实施方案，其中

图1是本发明优选的潮湿空气进气系统示意图，说明在摩托化车辆等的发动机中的该空气进气系统。
图2是说明在质子交换膜燃料电池中的优选潮湿气体引入或供给系统示意图。
图3是又加入另一个潮湿气体引入或供给系统的图2质子交换膜燃料电池示意图。
优选实施方案详细描述人们已知道，例如在潮湿的早晨，汽车发动机以标称转速可发出更大的功率，这种增加源于空气中的湿气。本发明已确定，例如把水(以水蒸汽形式)注入发动机气缸事实上会带来许多优点和好处。例如，在压缩和点火期间，气缸中有限量的水蒸汽可提高压缩比，不会受到“敲击声”或“爆震声”的不利影响。此外，与气缸中的总燃烧过程相关，水蒸汽清洗了燃烧室，还改善了燃料的燃烧(因改变燃料-空气混合物的蒸汽密度和热容)，从而导致低排放。另外，燃烧室中水蒸汽的存在还具有冷却燃烧的冷却作用。换句话说，高的水蒸发潜热导致发动机较冷地运行，因此，这样导致以比较有效的方式润滑工作。另外，由于气缸中有水蒸汽，达到燃料燃烧的改进。
参看图1，说明了本发明优选的潮湿空气引入(加入)系统10示意图。事实上说明在摩托化车辆14等发动机12情况下的空气引入系统，尽管在任何其他要求增加湿度的系统中也同样可以使用该空气引入系统。
空气进口网或歧管16典型地位于空气过滤器(未绘出)后，它含有将水箱20与空气进口网16分开的亲水膜表面。空气进口网16与含有燃料原料22的化油器21连接，该化油器安装了一般的针形阀24(化油器因此可用任何一般的燃料输送系统代替，例如燃料注入系统等)。亲水膜表面18为油门(或罩/整流罩)26围绕，该油门可调节面临空气进口网16或水箱20的亲水膜表面18的面积。油门26可以采用机械方法控制，尽管与汽车发动机相关，但更可能的是采用微处理器28进行调节。正如已经描述的，化油器21包括文丘里管构型30，它增加空气流速，激励烃燃料从燃料原料22中蒸发出来。燃料-空气混合物32再加到发动机气缸体42各自气缸上端38-40中的进口阀34-36。为了简化起见，图1用实例说明了两气缸发动机。
因此，水箱20可远离亲水膜，只是加料管能有效地把水提供给远离任何空气管/进口的亲水膜表面。
亲水膜表面可以是任何所要求的形状，可以成波纹状或扁平状，其形状有助于水箱全蒸发的最大生产量。正如将要看到的，从膜表面除去水蒸汽的速率(以及横过膜的蒸汽压梯度)决定了全蒸发速率。因此，甚至当发动机不运转时，也发生一些全蒸发，但由于在空气引入系统内无任何空气移动，残留水分处于这种形式的开放系统中，这种全蒸发可忽略不计，因此没有任何影响。
随着气缸运行的各个段(例如引入、压缩、点火与排气)，与每个气缸38-40相连接的出口阀44-46打开以将排出废气(以及在相当低的程度上还有未燃烧的燃料)48排到摩托化车辆14的排气系统50。排气系统50可以选择地向位于水箱20中的热交换盘管52中进气，以用热废气提高水箱20的水温。这在两方面有利，一方面，废气变得较冷些(以及因此比较有利环境)，第二方面，升高的水温提高了通过亲水膜表面18全蒸发过程的速率。一旦废气48通过热交换盘管52，它们就通过排气管从摩托化车辆14排出(例如在催化转化器中附加清除后排出)。
由于水箱中水温应该一般限于特定的运行范围，温度计(或类似物)54提供给微处理器28温度传感信息，因此微处理器28能够通过开、关阀门和旁路系统56以调节水的加热。选择性地或附加地，可以采用通常的加热装置，例如微处理器控制的加热盘管来调节水箱中的水温。如果预料在水箱中达到高温(例如60℃或更高)时，则必需提供一种用于亲水膜表面18的支持结构，如果亲水膜表面不经支持，就可能软化或变形，尽管这取决于所选用的亲水膜材料。
在运行期间，水蒸汽通过亲水膜表面18全蒸发，并进入进气流。因发动机运行较快时，因此要求提高每个气缸中活塞的移动速率及增加从膜表面摄取的水蒸汽量，即该系统按照引入空气的要求自身调节，尽管油门26可以进一步调节由水箱20提供的水蒸汽量。
优选地，水箱20位于发动机内，其位置是如果发生亲水膜的穿孔，那么储存在其中的水就不进入发动机。在这样的情况下，将不可避免地损失发动机的性能(同样地，好象水箱变干似的)，但发动机应该仍未受到任何损伤。很清楚，如果水箱20中水位降低，那么微处理器28可向驾驶员报警。
可以不依赖图1系统实施或工作的另一方面涉及从往化油器21供料的燃料箱60除去水。燃料箱60包括亲水膜表面62，它优选地位于燃料箱60的底64中。由于烃燃料比水轻，在燃料箱中存在的任何水因此都可能通过全蒸发过程从燃料箱60除去。通过膜62的水蒸汽可能通过泵送直接返回到进气流，或因为燃料箱60可能如此定位，以致膜62将全蒸发的水蒸汽直接送到空气进口16。选择性地，水蒸汽可以冷凝成液体水65，并通过泵16收集在与水箱20相连的管路16中。这样的系统涉及柴油机时，特别是在海洋环境下尤其是有益的，水已进入柴油箱并冻结时，未经保护的柴油机不然就会出故障。在本发明实施方案中，因此应必需选择用以严格制造亲水膜表面62的材料，以致不会因其长期与燃料接触而受到损伤，以致基本无任何(或至少量不大)燃料(或其组分)透过膜表面62进入引入空气物流中或水箱20中。
总之，使用亲水膜18在空间上将液体水(包括自来水和含有有机或无机盐的其他形式污染水，悬浮液或乳液)与引入内燃机12的空气量或类似物分开。亲水膜起作过滤这种液体水的作用，因此只是纯水通过亲水膜全蒸发。这种纯水蒸汽再连续送到发动机的引入空气物流中。送到空气物流中的纯水蒸汽的量可自调节，当空气物流以较快的速度通过亲水膜时，送入的纯水蒸汽量也较多。
在本发明的第二个实施方案中，提供了包括有亲水膜的潮湿气体引入或供给系统的燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池。
质子交换膜燃料电池的功能是通过催化剂将氢和大气中的氧或纯氧化合，以产生有用的电流，而副产物水横过质子交换膜和催化剂上方。氢起作阳极的作用，大气的氧或纯氧起作阴极的作用。对于产生电流的过程，流过质子交换膜的电流载体为质子形式。为了质子交换膜能有效地起作用，需要保持它潮湿，因为需要水运送这些质子(为H3O+，不是H+)通过膜，于是产生了电流。因此，引入燃料电池气体的相对湿度越大，这种能量转化设备在产生电流时的效率就越高。
可通过润湿引入的氢气物流和选择性地通过润湿引入空气或氧的气物流，达到润湿质子交换膜。可让燃料电池运行所产生的副产物水循环或另分开使用附加水来润湿氢气和空气或氧气的引入物流。
特别地，通常可以气瓶装压缩形式得到氢气，并含有非常少的水分。作为其它引入气流使用的空气或氧气也需要被润湿，这取决于它们的起始水含量。当氢气和空气或氧气引入气流增加以产生越来越多的电流时，氢气润湿特别变得越来越困难，导致在较高功率密度下燃料电池效率降低。
润湿引入气流的现有方法使用昂贵的膜材料，这些方法也比较复杂，因此极需要一种有效的低成本润湿系统。
因此，提出一种本发明的附加实施方案，该方案使用亲水膜，将引入的干气流，氢气和氧气或空气两者与湿的贫氧的空气废气流分开，以致水可以全蒸发通过亲水膜从湿废气进入干的引入的氢气和空气或氧气流。需要精确的高气流时，亲水膜的自调节作用允许较多的水全蒸发通过膜。
图2说明燃料电池100示意图，其中干氢气流102通过与亲水膜104接触而被润湿，而其膜另一面与温的废气106接触。水因此全蒸发通过亲水膜104，在氢气流102到达燃料电池前，润湿该氢气流102。
选择性地，可以使用附加的亲水膜108，将氢气流102与装液体水112的容器110分开。如果来自废气流的湿度不足以润湿氢气流时，而采用这种选择性附加装置，通过亲水膜108的全蒸发，可以提供更多的水。
图3说明本发明燃料电池另一个实施方案的示意性图，其中不仅润湿干氢气流102，而且还润湿空气或氧气流114。采用与润湿氢气流102的类似方式，让空气或氧气流114与亲水膜116接触，该膜另一面与湿的废气106接触。因此，水通过亲水膜116全蒸发，空气或氧气流114到达燃料电池100前被润湿。
如图3所示，还可以使用选择性附加亲水膜118，它将空气或氧气流114与装有液体水122的容器120分开。如果来自废气流的湿度不足以润湿空气或氧气流114时，而采用这种选择性附加装置，通过亲水膜118全蒸发，可以提供更多的水。
例如通过加热在相关容器(110和120)中的水或通过提供罩以调节亲水膜表面面临引入氢气、氧气或空气流的面积，可以选择性地控制选择性附加亲水膜(108和118)释放的水量。
选择性地，在本发明实施方案中，亲水膜18、104、108、116、118可以制成一定形状，以便保证在最小空间中与引入气体接触表面积最大(例如波纹形或盘旋形)。
在本公开中，在润湿本发明气体引入或供给系统时使用的亲水膜可以用亲水聚合物制得。术语“亲水聚合物”是指根据国际标准组织说明书ISO62(与美国试验与材料学会说明书ASTM D 570相当)，在室温下与液体水接触时吸收水的聚合物。
亲水聚合物可以是一种聚合物或几种聚合物的混合物。例如，亲水聚合物可以是共聚醚酯弹性体或两种或多种共聚醚酯弹性体混合物，例如E.I.Du Pont de Nemours and Company以商品名HYTREL销售的聚合物。另外，亲水聚合物可以是聚醚-嵌段聚酰胺或两种或多种聚醚-嵌段聚酰胺混合物，例如法国，巴黎Elf-Atochem公司以商品名PEBAX销售的聚合物。其他亲水聚合物包括聚醚聚氨基甲酸乙酯类或其混合物，聚乙烯醇均聚物或共聚物以及它们的混合物。上面列出的聚合物不认为是详尽的，但仅仅为可能选择的亲水聚合物实例。
本发明中用于输送水蒸汽的特别优选聚合物是共聚醚酯弹性体或两种或多种共聚醚酯弹性体混合物，它们具有多种多样通过酯键合结合的重复长链酯单元和短链酯单元，所述的长链酯单元可用下式表示 所述的短链酯单元可用下式表示 式中a)G是平均分子量为约400-4000的聚(环氧烷)乙二醇在除去端羟基后余下的二价基；b)R是分子量小于约300的二羧酸在除去羧基后余下的二价基；c)D是分子量小于约250的二醇在除去羟基后余下的二价基；选择性地d)共聚醚酯含有以共聚醚酯总重量计的0-68重量％的加入到共聚醚酯的长链酯单元中的环氧乙烷基团；e)共聚醚酯含有约25-80重量％短链酯单元。
优选聚合物薄膜适合于制成薄而牢的膜，薄膜和涂层。优选的聚合物、共聚醚酯弹性体及其生产它们的方法在该技术领域中是已知的，例如在US 4 725 481公开的共聚醚酯弹性体，其WVTR为3500克/米2/24小时，或US 4 769 273公开的共聚醚酯弹性体，其WVTR为400-2500克/米2/24小时。
在本发明范围内可使用在市场上购买到的亲水聚合物作为膜，尽管很清楚优选具有尽可能高的WVTR，以便在气体引入时提供一定量水所必需的亲水膜表面积减至最小。非常优选地，本发明使用从市场上购买的膜，使用空气，在23℃、相对湿度50％，速度3米/秒与薄膜厚度为25微米条件下测量，该膜的WVTR大于3500克/米2/24小时。
聚合物可以与抗氧化稳定剂、紫外光稳定剂、水解稳定剂、染料、颜料、填充剂、抗微生物试剂等组合起来。
有用而非常完善的制造呈薄膜形式的膜的方法是在工业挤出生产线上使用聚合物的熔体挤出。简要地，这需要把聚合物加热到高于其熔点的温度，并且使聚合物通过平模头或环形模头挤出，然后使用辊系统浇注薄膜或用熔体吹塑薄膜。在构建膜时可以使用支持材料，其支持材料可以包括织物、非织物或粘合的纸、织物和筛网、对水分稳定的无机聚合物，例如聚乙烯、聚丙烯、玻璃纤维等。支持材料提高了膜强度，还保护了膜。亲水聚合物膜可只是一面放置支持材料，或两面都放置支持材料。只是一面放置支持材料时，支持材料可以与水接触或不与水接触。
不受任何特定理论所限，认为在与可能含有悬浮或溶解的杂质、固体和乳液的水接触时，以涂层或未支持膜形式制造的亲水膜有纯化作用，因为与像钠和氯离子这样的离子相比，如水的高偶极分子优选地被吸收并通过膜或涂层。另外，通过膜存在蒸汽压梯度时，水从不与水源接触的一侧释放。
涉及本发明优选实施方案中使用的亲水膜时，一般用标准试验方法ASTM E96-95-BW方法测量(以前已知并称之ASTM E96-95-BW试验方法)水的输送特性。这些标准试验方法用于测量膜的水蒸汽输送速率(WVTR)，使用基于透水杯的组件(即“Thwing-Albert水蒸汽渗透性能测定仪”)。透水杯装有水，其水高度距杯顶约19毫米(特别地，19毫米±6毫米)。杯口用待测量试验材料的透水膜封密成不透水，在水表面与膜之间留下气隙。在BW过程中，颠倒杯，以便水与试验膜直接接触。该装置放入控制温度与湿度的试验箱中，然后以特定的速度吹空气通过膜外部。重复进行这些试验。在几天内测量杯、水和膜组件的重量，并对结果进行平均。水蒸汽渗透通过膜的速率记为“水输送蒸汽速率”，其速率是在一定膜厚度、温度、湿度和空气速度的条件下，以组件的平均重量损失测量的，可用每单位膜表面积和时间的质量损失表示。典型地，用厚度25微米，在每秒3米的空气流速，空气温度23℃和相对湿度50％条件下测量膜或薄膜的WVTR。
因此，应意识到，只是作为实施例给出了上述说明，并且在本发明范围内可进行详细修改。例如，图1专门描述了两气缸汽车发动机的优选实施方案，但任何发动机都可使用该进气系统。的确，非多孔膜增湿位置可以是发动机内许多可选择位置中的一个位置，其中包括在空气过滤器前或后的任何级，在入口歧管中生成燃料-空气混合物后的点，或甚至在气缸本身中。
清楚地，使用非多孔的亲水膜是非常优选的，因为它固有的性质限制水蒸汽进入入口系统，同时不会受到任何的污物或碎片堵塞，因为它是无孔的。而且，非多孔的亲水膜保证空气引入系统的这部分与水源的湿密封，因此，在发动机运行期间，在空气引入系统内，它不会受到正常操作的空气压力范围的影响。
权利要求
1.一种潮湿气体的引入或供给系统，该系统包括亲水膜表面。
2.根据权利要求1所述的潮湿气体的引入或供给系统，该系统还包括与亲水膜表面整体形成的水箱。
3.根据权利要求2所述的潮湿气体的引入或供给系统，该系统还包括安置的罩，以调节面临水箱和气体引入系统之一的亲水膜表面面积。
4.一种发动机，该发动机包括有亲水膜表面的潮湿气体的引入或供给系统。
5.根据权利要求4所述的发动机，该发动机还包括与亲水膜表面整体连接的水箱。
6.根据权利要求5所述的发动机，该发动机还包括安置的罩，以调节面临水箱和气体引入系统之一的亲水膜表面面积。
7.根据权利要求4所述的发动机，该发动机还包括排气系统，该系统提供废气，并且其中水箱包括选择性连接的热交换盘管，以接受废气。
8.根据权利要求7所述的发动机，该发动机还包括安置的温度传感元件，以调节废气通过热交换盘管的流动。
9.一种摩托化车辆，该车辆包括有亲水膜表面的潮湿气体的引入或供给系统。
10.根据权利要求9所述的摩托化车辆，该车辆还包括与亲水膜表面连接的水箱。
11.根据权利要求10所述的摩托化车辆，该车辆还包括安置的罩，以调节面临水箱和气体引入系统之一的亲水膜表面面积。
12.根据权利要求10所述的摩托化车辆，该车辆还包括排气系统，该系统提供废气，并且其中水箱包括选择性连接的热交换盘管，以接受废气。
13.根据权利要求12所述的摩托化车辆，该车辆还包括安置的温度传感元件，以调节废气通过热交换盘管的流动。
14.根据权利要求13所述的摩托化车辆，该车辆还包括燃料箱，该燃料箱有水蒸汽通过其表面全蒸发的亲水膜表面。
15.一种燃料电池，该电池包括有亲水膜表面的潮湿气体的引入或供给系统。
16.根据权利要求15所述的燃料电池，该电池还包括具有至少两个面的亲水膜；第一个面与氢气流接触，而第二个面与湿废气如此接触，以致水蒸汽通过亲水膜全蒸发从湿废气进入氢气流中。
17.根据权利要求16所述的燃料电池，该电池具有至少第二个亲水膜，第二个亲水膜有至少两个面，第一个面与氢气流接触，而第二个面与液体水容器如此接触，以致水蒸汽通过第二个亲水膜全蒸发从液体水容器进入氢气流中。
18.根据权利要求16所述的燃料电池，该电池具有至少第三个亲水膜，第三个亲水膜有至少两个面，第一个面与空气或氧气流接触，而第二个面与湿废气如此接触，以致水蒸汽通过第三个亲水膜全蒸发从湿废气进入空气或氧气流中。
19.根据权利要求17所述的燃料电池，该电池具有至少第三个亲水膜，第三个亲水膜有至少两个面，第一个面与空气或氧气流接触，而第二个面与湿废气如此接触，以致水蒸汽通过第三个亲水膜全蒸发从湿废气进入空气或氧气流中。
20.根据权利要求18所述的燃料电池，该电池具有至少第四个亲水膜，第四个亲水膜有至少两个面，第一个面与空气或氧气流接触，而第二个面与液体水容器如此接触，以致水蒸汽通过第四个亲水膜全蒸发从液体水容器进入空气或氧气流中。
21.根据权利要求19所述的燃料电池，该电池具有至少第四个亲水膜，第四个亲水膜有至少两个面，第一个面与空气或氧气流接触，而第二个面与液体水容器如此接触，以致水蒸汽通过第四个亲水膜全蒸发从液体水容器进入空气或氧气流中。
全文摘要
本发明涉及例如通过非多孔亲水膜(18)全蒸发过程,把水蒸汽引入发动机(12)的引入空气系统(16)中。水箱(20)可以装污染的水,该水箱(20)提供进入引入空气系流(16)横过亲水膜(18)的蒸汽压力梯度,同时水蒸汽送到气缸(38－40)的速率可通过流过膜的空气流速自调节。因此亲水膜(18)还一定程度上过滤了来自水箱(20)的水,从而达到给引入空气流(16)提供纯的水蒸汽。然而,可使用为限制亲水膜接触表面面积而在其膜上滑动的罩(26)控制输送水蒸汽。另外,使用亲水膜将气流与湿的废气流分开,以使水分通过膜来润湿气流的方法把水蒸汽加入到一种或多种燃料电池的气流中,从而防止质子交换膜干透。
文档编号H01M8/10GK1369034SQ00811419
公开日2002年9月11日 申请日期2000年8月3日 优先权日1999年8月6日
发明者M·C·汤金, M·E·舒查德特, M·A·杨 申请人:纳幕尔杜邦公司, 设计技术及灌溉有限公司