专利名称：对引入燃料电池的过程气体进行增湿和温度控制的方法和装置的制作方法
技术领域：
概括而言，本发明涉及一种用于对引入燃料电池的过程气体进行增湿和温度控制的方法和装置。更具体来说，本发明涉及能为引入燃料电池的过程气体提供快速、精密而又准确的相对湿度和温度控制的增湿系统。
质子交换膜需要一种潮湿介质来促使质子从阳极迁移到阴极，换句话说是维持薄膜的导电性。已经提出，穿过薄膜的每个质子本身至少牵引两或三个水分子(美国专利5996976)。美国专利5786104以更为定性的术语描述了所谓的“水泵”机理，其导致带有水分子的阳离子(质子)迁移过薄膜。随着电流密度增大，移过薄膜的水分子数量也增加。最终被质子流量拉过薄膜的水流量将超过通过扩散作用使水得以补充的速率。此时薄膜开始变干，至少在阳极侧是如此，薄膜的内阻增大。要理解的是该机构将水驱向阴极侧，另外在阴极侧也通过反应产生水。尽管如此，通过阴极侧的气流足以带走这些水，这同样让阴极侧变干。由此，薄膜表面必需一直保持湿润。因此，为了保证足够的效率，过程气体必需在进入燃料电池时具有预定或设定的相对湿度和预定或设定的温度，这要根据系统需要而定。
另一考虑是，在运输和类似应用中使用燃料电池的兴趣正在增加，例如将其用作小汽车、巴士、甚至大型机车的基础能源。与某些静态应用相比，它有一些独特要求。更具体而言，由燃料电池提供的电能必需能在不同的功率电平间快速转换，而这些功率电平差别又很大。因此，在市区驾驶过程中，一般要求燃料电池在最小功率、或者甚至0功率到最大功率电平之间、以及从最大电平到最小电平之间频繁切换。在这种恶劣工作条件下维持适当的湿度水平是很重要的。另外，燃料电池必需能在广泛的环境空气条件下实现该功能。
因此，在该技术领域人们找到了维持燃料电池系统内湿度的多个方案。一种传统的气流增湿方式是让气体以小气泡气流的形式通过水。只要过程气体与水有足够的时间接触，控制水温就能控制气流中的水量。但是，那些气泡柱型的增湿器一般不适合燃料电池的商业应用。增湿器倾向于体积较大，而且价格昂贵。另外，增湿器不能快速反应，从而足以满足燃料电池系统的负荷跟踪要求。结果，系统在高气流流速时变得不稳定、不可靠和不反应。另外，实践中该增湿系统不能达到100％的相对湿度，这限制了系统的灵活性或者适应性。
在某些现有技术的燃料电池中，是通过使每种气体在水蒸气交换膜的一侧流动来实现引入过程气体的增湿。通过这种方式，水以渗透方式迁移过薄膜，到达燃料和氧化剂气体。但是，这些系统有一些过程参数限制，其在与燃料电池结合使用时产生许多问题，并使效率低下。由于薄膜处在与燃料电池组相同的温度下，因此不能独立地控制过程气体的相对湿度或者温度，于是限制了系统调整到不同状态的能力。
另一些增湿方法包括将引入的过程气体暴露于蒸汽源中，或者计量一定量的小水滴加到供气管线(美国专利第5432020)中。但是，过去这些系统容易体积巨大、结构复杂、反应缓慢，所具有的动态可控性不足。
因此就需要能够提供对引入燃料电池的过程气体进行快速动态控制、以及为其提供准确而精密的温度和相对湿度的增湿器。更具体来说，该增湿器应当能独立控制氧化剂和燃料系统在各种流速下的相对湿度和温度。
(b)在低于第一温度的第二温度下冷却过程气流，使过量水分凝结；(c)从过程气流中去除过量的冷凝水分；以及(d)在已知的第三温度下输送过程气流，于是过程气流中的相对湿度水平由第二和第三温度下的饱和压力比决定。
优选的是，该方法包括向燃料电池电源设备供应增湿后的过程气流，更优选的是燃料电池电源设备包括质子交换膜燃料电池。
有利的是，步骤(d)包括将过程气流加热到比第二温度高的第三温度。该情况下，优选的是通过供应管线将过程气流输送给燃料电池电源设备，用加热元件加热供应管线，以便将过程气体维持在第三温度。
在向燃料电池电源设备提供过程气流时，过程气流包括燃料气流。于是优选的是该方法另外还包括(i)提供氧化剂气流；(ii)在第四温度下湿润氧化剂气流，由此提供出过湿的氧化剂气流；(iii)将氧化剂气流冷却到低于第四温度的第五温度，从而使过量水分冷凝；(iv)从氧化剂气流中去除过量的冷凝水分；(v)在已知温度下将氧化剂气流输给燃料电池，于是氧化剂气流中的相对湿度水平由第五温度与所述已知温度下的饱和气压比决定。
优选的是，步骤(v)包括将氧化剂气流加热到高于第五温度的第六温度，维持该温度直至氧化剂气流到达燃料电池。该情况下优选的是再次对氧化剂气流的供应管线进行加热。
本发明的一个变型例是通过分别向燃料气流和氧化剂气流注入蒸汽来实现对各气流的增湿。例如，可在对各气流实现加热和增湿、并使气流达到过饱和的温度下供应蒸汽。
本发明的另一方面提供了一种为燃料电池的过程气流增湿的装置，所述装置包括第一增湿单元，其具有过程气流的入口，用以在第一温度下为过程气流增加湿气，使其湿度达到所需湿度的过量水平；
与增湿单元相连的第一热交换器，用以将过程气流冷却到较低温度的第二温度，借此过程气流中的过量水分发生冷凝，以便去掉冷凝水分，于是离开热交换器的过程气流具有已知温度和已知的相对湿度水平。
对应于本发明的方法方面，优选的是提供与燃料电池电源设备相结合的装置，所述电源设备具有与第一热交换器相连的第一过程气体入口。此外，尽管本发明可用于其它类型的燃料电池，但对每个燃料电池电源设备的每个燃料电池而言更为优选的是包括质子交换膜。
此外，本发明的装置方面还包括与热交换器相连的第一加热器，用以将过程气流加热到高于第二温度的第三温度，借此过程气流具有已知的相对湿度水平。
另外，对于具有燃料气流和氧化剂气流入口的传统燃料电池而言，该装置包括用于氧化剂气流的第二入口，其中第一增湿单元、第一热交换器和第一加热器位于与燃料电池电源设备的第一气体入口相连的第一燃料气管线上，其中该装置包括第二氧化剂气体管线，该装置在氧化剂气体管线中包括第二增湿单元，用以在第四温度下为氧化剂气流增湿；以及第二热交换器，其与第二增湿单元相连，用以将氧化剂气流冷却到低于第四温度的第五温度，借此使过量水分冷凝并与氧化剂气流相分离。
优选实施例描述首先参照
图1，它表示用于一种过程气体的过程气流示意性流程图。要理解的是，本发明可用于两种气体，即燃料和氧化剂气体，因该目的可将图1的流程图复制成两套过程气流管线的流程图。图2-6的实施例表示用于两种过程气体管线的本发明。
参照图1，过程气流12和蒸汽管线14都与用于提高气流湿度的饱和器16相连。蒸汽由示意性地表示为18的蒸汽源提供。饱和器16包括将蒸汽注入过程气流的注射器，用以加热并湿润过程气流。
管线20从饱和器16引出，其容纳着过饱和的过程气体。管线20进入第一热交换器22。第一热交换器22是平板形热交换器或者其它适宜的热交换器，其具有水流入口26和出口28。要理解的是，水流可由至少一种流体组成，其包括但不限于水、油、和/或乙二醇。虽然可将各种热交换流体用于此处所述的具体实施例，但在所述实施例中所有的热交换流体是水。入口和出口26、28是第一温度控制线路的一部分，所述第一温度控制线路也被称为露点冷却部分，其包括泵30、用于补充水的入口32和第三热交换器34。另外还设置了第一热交换器36。于是，在第一温度控制线路中，补充水能使流体水平得以维持，该气流既可用第三热交换器34冷却，又可用第一加热器36加热到理想温度。
第一热交换器22具有通过管线24与隔板38相连的冷却气体出口。隔板38用于从第一热交换器22中的气体中分离出冷凝水，其具有冷凝水排放口或出口40。隔板38的出口通过另一管线42与第二热交换器44相连。
第二热交换器44企图对气体进行重新加热，其具有与再加热气体的管线46相连的出口。与第一热交换器22类似，第二热交换器44具有加热水流的入口48和出口50。入口和出口48和50是第二温度控制线路的一部分，所述温度控制线路还被称为再加热部分，其包括泵52、补充入口54、第四热交换器55、以及第二加热器56。于是，与第一热交换器22的布置类似，泵52使补充水循环，该流体既可以通过第四热交换器55冷却，又可以通过第二加热器56加热到理想温度。
然后使水分含量已知的再加热气体通过管线46，到达用60示意性表示的燃料电池组。
图1的装置试图通过对供应给燃料电池组60的气流提供可控增湿，其能使温度和湿度得到精确控制。这将通过对图1装置操作模式的详细描述作进一步解释。于是，将干燥的引入过程气体供应给饱和器16，利用饱和器16中的蒸汽使气体过饱和，从而使气体湿度达到高于气体的最终理想湿度的水平。控制并计量通过管线12的气体流体和通过管线14的蒸汽流量。向气体注入蒸汽的作用还在于将气体加热到第一预设温度。一般而言，尽管气体可在10℃到120℃范围内的任何温度下达到过饱和，但是气体在离开饱和器16时是在90℃左右的第一预设温度下达到过饱和。
在第一热交换器22中使气体冷却到例如为80℃的第二预设温度。此外，例如该温度可在10℃到120℃的范围内。这样做的作用是去掉气流中的过量水分，并在气体在第一热交换器22内冷却到的温度下，使湿度水平等于100％的相对湿度。
首先让气体过饱和、然后使其冷却以除去过量水分的原因是保证能准确实现绝对湿度水平。在饱和器16中达到可靠的湿度水平并不实际。于是，当气体被饱和且气体的露点温度为已知时，由于作为结果的绝对湿度是已知的，因此已采用的方法是加入过量水分，然后通过冷凝去除过量水分。
气体中的过量水分形成液滴，使带有冷凝液滴的气体通过隔板28，在此收集或者从气流中分离出冷凝液滴，通过出口或者排放管线40将其排出。
然后使饱和气体通过管线42，到达第二热交换器44。在此将气体重新加热到例如为85℃的第三预设温度。一般来说，可将气体重新加热到10℃到120℃的温度。加热气体会降低相对湿度水平，但绝对湿度水平却保持不变。
这样，使来自第二热交换器44的再加热过程气体通过管线46，于是它将具有已知的第三预设温度和已知的湿度水平。如符号58示意性表示的，设置加热器，用以将管线46维持在恒定温度，以保证气体在通往燃料电池组60的过程中不会冷却或者换句话说发生温度变化。实践中，已经发现在管线46周围缠绕的包括电热丝的热轨迹能提供必要的加热功能。这保证了输送到燃料电池60的气体处于理想温度下，并具有理想湿度。
正如上面所提到的，通过改变气体经过管线12的流速可以实现对燃料电池组的改变要求。如果理想的是改变气流的温度和/或湿度，就可通过控制第一和第二热交换器22、24的工作条件来实现该目的。
这样，就要控制第一热交换器22的第一温度控制回路或线路中冷却流体通过入口和出口26、28的温度，从而控制离开热交换器22的气体的温度，由此控制该气体的绝对湿度水平。
一般而言，人们期望气体在第一热交换器22中冷却，而第二热交换器44将保证通过冷却回路的冷却水处于理想温度下。如果需要，第三热交换器34能使冷却回路中的温度迅速降低。
在操作要求是要提高从第一热交换器22排出的气体的温度时，需要对冷却回路中的水进行加热。为该目的，要设置第一加热器36以保证迅速将水加热。实践中已经发现，对于12kW的燃料电池，可以提供小于1分钟的响应时间。
相应地，在第二热交换器44中，调节第二加热器56，以将冷却回路中通过入口和出口48、50的水加热到理想温度。如果需要，第四热交换器55能使冷却回路中的温度迅速降低。
应当理解的是，通过利用位于燃料电池组外部的水源的蒸汽供应装置可以产生用于湿润气流的蒸汽。但是，由于水是燃料电池反应的产物，因此更有效的是回收在燃料电池阴极侧产生的水，利用焓轮机(enthalpy wheel)或者任何其它焓转移设备从阴极侧回收水和可能的热量，然后以蒸汽形态将热量和水转移到气流中，用以湿润气流。如图1所示，为了该目的，将焓轮机62与燃料电池组60的排气出口和第一热交换器22相连。借助于轴承以公知方式将焓轮机62支撑在轴上，使其围绕它的轴线旋转。焓轮机由适当材料制成，其中一种是包含了干燥剂的纸。该燃料电池组的湿润排气沿轴向方向在利用干燥剂吸附并保留湿气的那一侧进入焓轮机62。在焓轮机相对于轴的另一侧，干燥的过程气体沿相反的轴向方向进入焓轮机。焓轮机转动，使每一部分焓轮机交替通过排放气流和引入的干燥过程气流；于是，干燥的引入过程气流被焓轮机内保存的湿气增湿。通过适当地选择排放气体和引入的干燥过程气体的压力和温度，可将过程气体增湿到超过需要的水平。如果特定的压力或者特定温度是理想的，那么就要在相应气体进入焓轮机之前设置压力或温度控制装置。然后将增湿后的过程气体输送到第一热交换器22。通过这种方式就可以省略蒸汽源18和饱和器16，并能回收燃料电池组产生的水。于是，就能在显著提高其效率的同时简化增湿器装置的设计。应当理解的是，还可以采用类似的热焓转移装置或者其它湿气回收装置。另外，可以预想的是可仅在阴极侧设置热焓转移装置或者轮机62，但是也可将这种装置装在阳极侧，其或者与阴极侧焓轮机一起使用或者代替阴极侧焓轮机。当在燃料电池的阴极侧上形成水时，人们期望从排出的阴极气流中回收水是优选的，其能用于湿润进入的阳极和阴极气流。
现在对图2-7作出参照，它们表示本发明的一种实施模式。
参照图7，其示出了依照第二实施例的增湿线路示意图。在此，蒸汽入口70与蒸汽源相连，该入口设有压力传感器72，它与压力开关(未示出)相连，如果蒸汽源压力太低，它将切断燃料电池系统。管线70然后穿过主截止阀74，设置存水器76，用于排出已经形成的任何凝露。
然后蒸汽管线70穿过T形连接件与两根分开的管线90、92相连，用以向分开的燃料和氧化剂气体的气体管线供应蒸汽。这两根管线90、92的许多元件是通用的，为了简化起见，仅给出管线90中那些元件的描述。管线92中的对应元件用相同的附图标记表示，但其缀有下标“a”，要理解的是它们的功能基本相同。
于是，管线90包括蒸汽调节器或者截止阀94，它与另一调节阀96相连。阀96是控制进入气体管线的蒸汽流量的计量阀。
通过管线112供应燃料气。蒸汽在注入孔114处注入燃料气。通过止回阀116向注入孔114供应蒸汽。相应地，在氧化剂侧有供应管线112a和蒸汽注入孔114a。
含蒸汽从而处于过饱和状态的燃料气通过第一热交换器118，在此进行冷却，以便有利于过量水分的冷凝。
然后经冷却的燃料气通过带有存水器和排出装置122的隔板120，其还用于分离出液滴。然后相对湿度为100％的燃料气流过管线124，到达第二热交换器126，所述管线124是绝热的，以维持燃料气的温度和湿度水平。在隔板120的下游设置了温度传感器128，用以检测燃料气流的温度。已知燃料气流的相对湿度为100％，就能确定气流的绝对湿度。
燃料气从第二热交换器126流到用130表示的燃料电池组。此外，在紧邻燃料电池入口之前的位置设置了标准传感器，它用数字132表示。
第一和第二热交换器118、126每个都有其各自的温度控制线路，现在分别对它们进行描述。
首先参照第一热交换器118，用132概括表示的温度控制线路包括第一二次热交换器134、泵136和加热器138。
该线路的辅助元件包括用于补充水的连接件140和卸压阀142。通过在148处设有控制阀的供应线和回水线144和146向二次热交换器134供应低温冷却水。在冷却线路上设置了温度传感器150，以保证第一热交换器118中根据需要设定的温度。可根据需要设置其它标准控制元件。例如，将温度控制器152与温度传感器150和加热器138相连，还将其与控制阀148相连。于是，温控控制器152能根据需要打开阀148以增大冷却水流量，以便将线路中的温度冷却下来，或者选择启动加热器138来提高线路中的温度。
二次热交换器126的温度控制线路大体与之对应。于是，用162表示线路，其包括第二二次热交换器164、泵166和加热器168。还设置了补充入口170以及卸压阀172。
冷却水供应和回水线144、146通过第二二次热交换器164、通过控制阀178相连。
与第一温度控制线路132的控制相类似，温度传感器180与第二温度控制线路162相连，温度控制器182与温度传感器180、控制阀178和加热器168相连。
仍然参照图7，作为改进，可利用在68处示意性表示的焓轮机或者任何其它湿气回收装置对阴极气流过程气体进行增湿，并将其加热到第一温度。与第一实施例中所描述的方式相同的是，将燃料电池130产生的含湿气的排放氧化剂气体供应给焓轮机68。在焓轮机68中回收并转移排放气中的热和湿气，用以加热和湿润沿着与排放气体轴向相反的方向进入焓轮机68的进入过程气体。然后将经过增湿的过程气体输送到入口112a。由于增湿单元的原理与第一实施例中描述的相同，因此为了简化起见，在此将不再作任何进一步的详细说明。对于某些应用而言，理想的是同样为阳极气流设置焓轮机。在通过这种方式实现充分增湿的情况下，可以省略蒸汽源和相关部件。
本发明较现有技术有很多优点。露点冷却部分和再加热部分的组合能迅速改变操作条件，一般其响应时间小于1分钟。另外，能对系统实现动态控制，从而提供精密而又精确的入口燃料过程气流的温度和相对湿度，这些参数对于宽范围电流密度的质子交换膜燃料电池高效工作是很必要的。
虽然上述描述构成了优选实施例，但应当理解的是，在不脱离所附权利要求书适当范围的真正含义情况下，容易对本发明作出改进和变化。例如，温度控制装置除了上述实施例中描述的温度传感器、加热器和冷却器的形式外，还可以是各种形式。蒸汽源不必象实施例中描述的那些。另外，它还可以是任何热焓转移装置或任何湿气回收单元。此外，本发明还具有对其它类型燃料电池的适用性，这些燃料电池包括但不限于固体氧化物、碱性、熔融碳酸盐、以及磷酸。特别是，本发明可用于在更高温度下工作的燃料电池。本领域普通技术人员可以理解的是，增湿要求非常依赖于所用的电解质，另外还依赖于燃料电池的工作温度和压力。于是可以理解的是，本发明不能适用于所有其它类型的燃料电池。
虽然本发明具有对任何应用的燃料电池、燃料电池组和燃料电池电源设备的通用适用性，但由于当前正提议将燃料电池或电源设备用于包括汽车、巴士等的各种机动车应用，因此人们期望本发明对机动车的燃料电池电源有特殊适用性。
机动车应用与许多静态应用差别很大。例如，在静态应用中，燃料电池组一般用作电力电源，人们一般仅简单期望其在相对恒定的功率水平下运行很长期限。与之相反，在机动车环境下，所需的燃料电池实际功率变化很大。另外，人们期望燃料电池组电源设备能迅速响应是增大功率还是降低功率的功率要求的变化，同时还要维持高效率。另外，对于机动车应用而言，人们期望燃料电池电源设备能在环境温度和湿度条件的极端范围内工作。
所有这些要求是非常要求，这使其很难保证燃料电池在所有可能的工作条件范围内高效工作。虽然关键问题是保证燃料电池电源设备总是能提供较高功率水平，并具有高效率，但能准确控制燃料电池电源设备内的湿度水平对于满足这些要求是很必要的。更具体来说，控制氧化剂和燃料气流的湿度水平是必要的。最公知的增湿技术被不恰当地设计成对迅速变化的条件、温度等产生响应。许多已知系统提供的增湿水平不足，其具有很高的热惯性和/或很大的死体积，这使它们不能对变化的条件产生迅速反应。
相反，本发明的技术试图精确地控制湿度水平，并使其在很短的时标内迅速变化，例如可在几十秒数量级的时间内迅速变化。本发明方法和装置的基本观念是三步法，其包括使相应的气流过湿；冷却气流，冷凝出过量水，认识到任何温度下完全饱和气流的湿度水平是已知的；然后在需要的地方，将气流再加热到较高的最终温度，以便赋予气流理想的温度和理想的相对湿度。
在机动车应用中，人们期望采用该技术给出良好的能效。例如，对燃料进行再加热的最后加热器构成冷却器的一部分，用以冷却气流，从而冷凝出过量的水蒸气。换句话说，通过热交换器到达水隔板的气体将热传递给离开隔板的气体，以便对该气流进行再加热。
权利要求
1.一种对过程气流进行增湿的方法，该方法包括(a)在第一温度下对过程气流进行增湿，以提供带有过量湿气的过程气流；(b)在低于第一温度的第二温度下对过程气流进行冷却，使过量水分冷凝；(c)从过程气流中去除过量的冷凝水分；以及(d)在已知温度下输送过程气流，于是过程气流中的相对湿度水平由第五和所述已知温度下的饱和压力比决定。
2.根据权利要求1所述的方法，其包括向燃料电池供应经过增湿的过程气流，并为燃料电池提供排放过程气流的出口。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(d)包括将过程气流加热到高于第二温度的第三温度。
4.根据权利要求3所述的方法，其包括向燃料电池供应经过加热和增湿的过程气流。
5.根据权利要求4所述的方法，其包括通过供应管线向燃料电池输送过程气流，并利用加热元件加热供应管线，以便将过程气流维持在第三温度。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述过程气流包括燃料气流，其中该方法还包括(i)提供氧化剂气流；(ii)在第四温度下对氧化剂气流进行增湿，以便提供过度潮湿的氧化剂气流；(iii)将氧化剂气流冷却到低于第四温度的第五温度，使过量水分冷凝；(iv)去除氧化剂气流中的过量冷凝水分；(v)在已知温度下向燃料电池输送氧化剂气流，于是氧化剂气流中的相对湿度水平由第五温度和所述已知温度的饱和压力比决定。
7.根据权利要求6所述的方法，其中步骤(v)包括将氧化剂气体加热到高于第五温度的第六温度，在将氧化剂气流维持在第六温度的同时，通过第二输送管线输送该氧化剂气流。
8.根据权利要求7所述的方法，其包括利用加热元件加热第二输送管线，以维持氧化剂气流的温度。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的方法，其包括在步骤(a)中通过向过程气流中供应蒸汽来湿润过程气流。
10.根据权利要求6所述的方法，其包括既向燃料气流又向氧化剂气流供应蒸汽，以便既能加热又能湿润气流，从而使气流过饱和。
11.根据权利要求2所述的方法，其包括从燃料电池电源设备产生的排放过程气体中回收湿气，利用回收的水分湿润过程气流。
12.根据权利要求11所述的方法，其中燃料电池既包括燃料气流又包括氧化剂气流，其中过程气流包括燃料气流和氧化剂气流中的一种，其中该方法包括利用回收湿气至少湿润燃料电池上游的燃料气流和氧化剂气流中的一种。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述过程气流包括燃料气流，其中该方法包括从排放的燃料气体中回收湿气，利用回收的湿气湿润进入的燃料气体。
14.根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其中第一温度的范围是10℃到120℃。
15.根据权利要求14所述的方法，其中第二温度的范围是5℃到115℃。
16.根据权利要求3、4或5所述的方法，其中第一温度的范围是10℃到120℃，其中第二温度的范围是5℃到115℃，其中第三温度的范围是10℃到120℃，其中过程气流在第三温度下的相对湿度范围是0到100％。
17.根据权利要求2、4、5或13所述的方法，其包括提供带有质子交换膜的燃料电池。
18.一种对燃料电池的过程气流进行增湿的装置，该装置包括第一增湿单元，其具有过程气流入口，用以在第一温度下为过程气流增加湿气，使其湿度达到超过所需湿度的水平；与增湿单元相连的第一热交换器，用于将过程气流冷却到温度较低的第二温度，借此过程气流中的过量水分发生冷凝，以便去掉冷凝水分，于是离开热交换器的过程气流具有已知温度和已知的相对湿度水平。
19.根据权利要求18所述的装置，其结合了燃料电池电源设备，该电源设备具有与第一热交换器相连的第一过程气体入口，和排放过程气体的出口。
20.根据权利要求19所述的装置，其中燃料电池电源设备的每个燃料电池都包括质子交换膜。
21.根据权利要求18所述的装置，其包括与第一热交换器相连的第一加热器，用以将过程气流加热到高于第二温度的第三温度，借此过程气流具有已知的相对湿度水平。
22.根据权利要求19所述的装置，其中过程气体包括燃料气流，其中燃料电池电源设备包括用于氧化剂气流的第二入口，其中第一增湿单元、第一热交换器和第一加热器位于与燃料电池电源设备的第一气体入口相连的第一燃料气管线上，并且其中该装置包括第二氧化剂气体管线，该装置在氧化剂气体管线中包括第二增湿单元，用以在第四温度下为氧化剂气流增湿；第二热交换器，它与第二增湿单元相连，用以将氧化剂气流冷却到低于第四温度的第五温度，于是让过量水分发生冷凝，并将其从氧化剂气流中分离出来。
23.根据权利要求22所述的装置，其中第二氧化剂气体管线包括与第二热交换器相连的第二加热器，用以将氧化剂气流加热到高于所述第五温度的第六温度。
24.根据权利要求19所述的装置，其中增湿单元包括蒸汽注射器，用以将蒸汽注入过程气流。
25.根据权利要求22所述的装置，其中第一和第二增湿单元每个都包括用于向各气流注入蒸汽的蒸汽注射器。
26.根据权利要求19所述的装置，其包括与燃料电池电源设备的排放过程气体出口相连的湿气回收单元，用以回收燃料电池电源设备产生的排放气体中的湿气，并利用回收的湿气湿润位于燃料电池电源设备上游的过程气体。
27.根据权利要求21或25所述的装置，其中当存在第一加热器和第二加热器时，它们包括细长的加热装置，用以将输出管线维持在第三温度。
28.根据权利要求22所述的装置，其中第一和第二热交换器每个都包括第一温度控制线路，用以控制热交换器的温度，第一温度控制线路包括流体管路、用于泵送流体的泵、以及用于冷却流体的装置。
29.根据权利要求28所述的装置，其中每个第一温度控制线路另外还包括用于加热各流体的另一加热器。
30.根据权利要求28或29所述的装置，其中第一和第二加热器每个都包括另一热交换器，其中为每个另一热交换器设置了第二温度控制线路，用以控制它们的温度，每个第二温度控制线路包括流体管路、使流体循环的泵、以及用于加热流体的第三加热器。
31.根据权利要求30所述的装置，其中每个第二温度控制线路包括用于加热里面的流体的另一加热器。
全文摘要
一种对过程气体进行增湿和控制温度的方法，其包括以下步骤利用蒸汽使过程气流过饱和，并将其加热直至第一预定温度；冷却过程气流，直至它达到第二预设温度；从过程气流中去除过量的冷凝水；以及加热过程气流，直至它达到第三预设温度。本发明还公开了用于实施该方法的装置。
文档编号H01M8/04GK1444779SQ01813442
公开日2003年9月24日 申请日期2001年7月4日 优先权日2000年7月28日
发明者J·卡格内里, R·B·戈帕尔 申请人:洁能氏公司