CN101651218A - 气体露点控制装置 - Google Patents

Abstract

一种气体露点控制装置，该装置包括有一蒸气产生器，用以产生一蒸气；一气体混合槽，连通该蒸气产生器，用以供导入的一气体与该蒸气于该气体混合槽的一气体混合室中混合为一高温饱和气体，并使该高温饱和气体自该气体混合槽的一混合气体出口排出；一间隔板，连接该气体混合槽，用以隔热；一露点温度控制槽，通过该间隔板连通该气体混合槽，用以供该高温饱和气体于该露点温度控制槽中进行露点温度调节，而产生一调节后的饱和气体。

Description

气体露点控制装置

技术领域

本发明是关于一种气体湿度控制装置，特别是关于一种气体露点控制装置。

背景技术

燃料电池发动机是燃料电池汽车的核心，也是各国争先攻克的焦点，美国、日本、德国等都已将燃料电池列为国家科技发展重点建设专案，并已经取得了多方面的突破。

影响燃料电池性能的因素很多，其中温度的影响最为显著。温度升高，有利于提高电化学反应速度和质子在质子交换膜内的传递速度，获得更大的电流，使燃料电池的性能变好。但温度若过高将使质子交换膜脱水，反而造成质子交换的效能下降，燃料电池性能变差。因此，控制燃料电池内部电化学反应的温度是十分重要的。

另外湿度也是影响燃料电池性能的一个重要因素，燃料电池中的水包括气态和液态两种，来源包括由电化学反应所生成的水(在阴极)和由加湿的反应气体带入的水。由于燃料电池的质子交换膜的导电性会随其含水量的增加而增加，若进入燃料电池的反应气体不加湿，则会让质子交换膜失水变干，造成燃料电池的内阻大幅度上升，降低燃料电池的工作性能，因此必须先对反应气体进行加湿。

由于燃料电池受温度和湿度的影响十分大，因此会设置反应气体用的加湿器，控制反应气体进入燃料电池时的温度及湿度。加湿器的基本原理是将气体与蒸气先于高温中混合为一潮湿气体后再进行降温，当潮湿气体降温至露点时，在该潮湿气体中过饱和的蒸气会因此凝结为水滴而与该潮湿气体分离，最后使得潮湿气体达到饱和的状态，达到同时控制温度及湿度的目的。

关于加湿器的专利案已有许多，例如：美国专利6,715,743号专利案，其揭露一种气体加湿装置，包括有一密封槽、一气体入口、一蒸发器、一加热元件、一冷凝管路及一气体出口。该密封槽内装有一定量的水，该气体入口导入一气体至该密封槽的水中。该蒸发器设置在该密封槽中，用以接收自该气体入口导入该密封槽水中而成为气泡的该气体。该加热元件设置在该蒸发器中，用以加热蒸发器内的水来产生蒸气，使该蒸气与该气体混合成为一潮湿气体。该潮湿气体经由连接该蒸发器的表面的冷凝管路自该气体出口送出该气体加湿装置外。虽然此专利案将气体入口设置在该蒸发器的下方，使气体在上升途中能直接与蒸气混合。但是在气体通过蒸发器时也会同时带走部分的热量，而影响加热元件的加热效果，使得蒸气产生的效果不佳。

另外像是美国专利6,863,268号专利案，其揭露一种气体增湿器，包括有一密封容器、一预湿器、一气体入口、一锅炉、一混合气槽及一气体出口。一气体经由该气体入口输入该预湿器的水中进行预湿，预湿后的气体与该锅炉产生的蒸气于该混合气槽中混合为一潮湿气体，该潮湿气体经过该混合气槽及密封容器内壁间的空隙所形成的路径冷却后，自该气体出口排出。此专利案的混合气槽为一个圆柱体，该圆柱体自上方罩住该预湿器及锅炉，用以供气体与蒸气输入该混合气槽中混合。但由于该圆柱体的下壁设计为完全开放，罩住该预湿器及锅炉后的通气口形状就如同围绕在预湿器及锅炉***的环，此种通气口的设计不但开口过大，更因为位置邻近预湿器及锅炉，容易使气体及蒸气在进入混合气槽中混合之前就先从通气口排出，造成混合效果不佳。

在温度控制方面，上述两个专利案皆利用设置在气体出口附近的温度感应器来感测潮湿气体到达气体出口时的温度，依据该温度来调节加热元件或锅炉的加热功率。但由于从最先开始产生蒸气的地方到最后的气体出口之间有一段不短的距离，中间有许多影响温度的因素存在，潮湿气体的温度并不全由最初蒸气生成时的温度所决定，因此这种方式难以精确控制最后潮湿气体输出时的温度。

鉴于以上所述，加湿器不论在蒸气产生上、气体与蒸气的混合上及温度控制上仍有缺失存在，造成难以精确地控制潮湿气体的湿度及温度。

发明内容

本发明的一目的是提供一种气体露点控制装置，用以精确地控制一气体露点。

本发明的另一目的是提供一种气体湿度控制装置，用以精确地控制一气体以一预定的湿度及温度供应至一标的设备。

一种气体露点控制装置，该装置包括有一蒸气产生器，用以产生一蒸气；一气体混合槽，连通该蒸气产生器，用以供导入的一气体与该蒸气于该气体混合槽的一气体混合室中混合为一高温饱和气体，并使该高温饱和气体自该气体混合槽的一混合气体出口排出；一间隔板，连接该气体混合槽，用以隔热；一露点温度控制槽，通过该间隔板连通该气体混合槽，用以供该高温饱和气体于该露点温度控制槽中进行露点温度调节，而产生一调节后的饱和气体。

于本发明的较佳实施例中，该气体混合槽与该间隔板间更包括有一冷却槽道，该冷却槽道具有一导引通道，用以导引该高温饱和气体，并使该高温饱和气体于通过该导引通道的过程中冷却。而该间隔板上更设置有至少一水连通结构，用以连通该冷却槽道与该露点温度控制槽中的水。

较现有技术，本发明的结构特征及优点如下：

经由本发明所采用的技术手段，在蒸气产生方面，因该气体导入口位于该蒸气产生器的侧壁与该气体混合槽的槽壁间，导入的气体与蒸气产生器间的热传递作用受到蒸气产生器的侧壁隔绝。如此一来，第一加热单元所产生的热不会被气体带走而完全作用于水来产生蒸气，使蒸气产生的效果更好。

在气体混合方面，蒸气产生器的底部由该气体混合槽的槽底向下凸伸一偏移距离，使得气体经由该气体导入口导入后的位置与蒸气经由该蒸气产生器的蒸气产生槽口输入的位置相近，故使气体与蒸气更快地进入气体混合槽的气体混合室中混合。此外，气体混合槽的气体混合室连通蒸气产生器的蒸气产生槽口，且气体混合槽仅设有一混合气体出口，使气体与蒸气会确实进入气体混合室中混合，而不会从其它出口提早送出。

在温度控制方面，高温饱和气体最后输入露点温度控制槽中进行温度调节，通过排除中间过程里其它因素对高温饱和气体温度的影响。更利用间隔板的设计，加强露点温度控制槽与气体混合槽的隔热效果，以使露点温度控制槽的温度调节效果更佳。

本发明所采用的具体实施例，将通过以下的实施例及附图作进一步的说明。

附图说明

图1显示本发明气体露点控制装置的较佳实施例的剖视图；

图2显示本发明气体露点控制装置的较佳实施例气体流向及变化的示意图。

主要元件标号说明

100：气体露点控制装置      1：蒸气产生器

11：第一加热单元           12：蒸气产生槽口

13：导水通道               14：侧壁

15：底部                   2：气体混合槽

21：气体混合室             22：气体导入口

23：混合气体出口           24：槽壁

25：槽底                   3：冷却槽道

31：导引通道               32：气体导引罩体

321：顶板          322：延伸壁

33：外壁体         34：注水通道

35：水连通结构     4：露点温度控制槽

41：第二加热单元   42：冷却盘管

5：间隔板          51：孔洞

6：湿气出口

A：气体            B：气泡

D：凝结水          H：偏移距离

M：高温饱和气体    M1：调节后的饱和气体

V：蒸气

具体实施方式

参阅图1所示，其显示本发明气体露点控制装置的较佳实施例的剖视图，于本发明的气体露点控制装置100的结构设计中，包括有一蒸气产生器1、一气体混合槽2、一冷却槽道3、一露点温度控制槽4、一间隔板5及一湿气出口6。

蒸气产生器1包括有一第一加热单元11、一蒸气产生槽口12及一导水通道13。该第一加热单元11设置在该蒸气产生器1中；该导水通道13连通该蒸气产生器1与该冷却槽道3。

气体混合槽2罩覆该蒸气产生器1，且于气体混合槽2中形成有一气体混合室21，该气体混合室21位于该蒸气产生器1的上方且连通该蒸气产生器1的蒸气产生槽口12。该气体混合槽2具有一气体导入口22及一混合气体出口23，该气体导入口22位于该蒸气产生器1的侧壁14与该气体混合槽2的槽壁24间，更由于该蒸气产生器1的底部15由该气体混合槽2的槽底25向下凸伸一偏移距离H，使该气体导入口22与该蒸气产生器1的蒸气产生槽口12的出口位置相近。

冷却槽道3包括有一导引通道31、一气体导引罩体32、一外壁体33及一注水通道34及至少一水连通结构35。其中该导引通道31与该气体混合槽2的混合气体出口23相连通。该气体导引罩体32具有一顶板321及一延伸壁322，该顶板321罩覆于该气体混合槽2的顶部，并与该气体混合槽2的混合气体出口23间具有一预设间距；该延伸壁322由该顶板321的外环缘向下地延伸出一预定高度。该外壁体33位在该气体导引罩体32的外侧，并与该气体导引罩体32的延伸壁322之间相对应地具有一预定间距，而在该气体导引罩体32的顶板321及延伸壁322与该气体混合槽2之间，以及该延伸壁322与该外壁体33之间，形成该导引通道31。注水通道34用以供水注入，其受一水位感测元件(图未示)所控制，注入后的水经由该蒸气产生器1的导水通道13补充至该蒸气产生器1中。水连通结构35用以连通该冷却槽道3与该露点温度控制槽4中的水。

露点温度控制槽4设置在该冷却槽道3的上方，且连通该冷却槽道3的导引通道31，该露点温度控制槽4中包括有一第二加热单元41及螺旋状盘绕在该露点温度控制槽4中的一冷却盘管42，用以使该露点温度控制槽4保持一恒定温度。

间隔板5设置在该冷却槽道3及该露点温度控制槽4之间，用以隔热。在此一实施例，该间隔板5上形成有多数个孔洞51，该孔洞51当然也可改为其它等效的结构，例如孔槽、开槽，间隔板5也可由多孔隙材料所制成。

湿气出口6连通该露点温度控制槽4，在实际应用上，该湿气出口6可连接一燃料电池的反应气体输入口，用以将加湿后的气体供予燃料电池使用。

参阅图2所示，其显示本发明气体露点控制装置的较佳实施例气体流向及变化的示意图。气体露点控制装置100作动时，蒸气产生器1的第一加热单元11加热使蒸气产生器1中的水产生一蒸气V，该蒸气V经由蒸气产生槽口12送至气体混合槽2中。同时，一气体A经由气体导入口22导入与该蒸气V于气体混合槽2的气体混合室21中混合为一高温饱和气体M。

该高温饱和气体M经由该气体混合槽2的混合气体出口23送入该冷却槽道3，于通过该冷却槽道3的导引通道31导引的过程中逐渐地冷却。在冷却的过程中，高温饱和气体M会超过饱和而凝结产生凝结水D，该凝结水D因比重较大而自该高温饱和气体M中分离，由蒸气产生器1的导水通道13回收至蒸气产生器1中。

经过冷却槽道3冷却后，该高温饱和气体M经由该间隔板5上的孔洞51输送往露点温度控制槽4中进行温度调节。于本发明的较佳实施例中，该露点温度控制槽4对高温饱和气体M进行的温度调节为冷却作用，目的是使该高温饱和气体M降温至适合于燃料电池使用的温度。该高温饱和气体M进入该露点温度控制槽4的水中形成一气泡B而逐渐上浮，并通过该第二加热单元41及该冷却盘管42调节，而产生一调节后的饱和气体M1。该调节后的饱和气体M1不但温度适合燃料电池的使用，且湿度也会因冷却而达到饱和(也就是相对湿度100％)，经由该湿气出口6供应至一标的设备中。

由以上的实施例可知，本发明所提供的气体露点控制装置确具产业上的利用价值，故本发明业已符合于专利的要件。以上的叙述仅为本发明的较佳实施例说明，本领域普通技术人员当可依据上述的说明而作其它种种的改良，然而，这些改变仍应属于本发明的发明构思及权利要求书所界定的范围。

Claims (13)

1.一种气体露点控制装置，其特征在于，所述气体露点控制装置包括：

一蒸气产生器，用以产生一蒸气；

一气体混合槽，连通该蒸气产生器，该气体混合槽具有一气体导入口及一混合气体出口，该气体导入口用以导入一气体，该气体与该蒸气产生器产生的该蒸气同时送入该气体混合槽中的一气体混合室中混合形成一高温饱和气体，由该混合气体出口排出；

一间隔板，连接该气体混合槽，用以隔热；

一露点温度控制槽，通过该间隔板连通该气体混合槽，用以供该高温饱和气体于该露点温度控制槽中进行露点温度调节，而产生一调节后的饱和气体。

2.如权利要求1所述的气体露点控制装置，其特征在于，该气体导入口位于该蒸气产生器的侧壁与该气体混合槽的槽壁间。

3.如权利要求1所述的气体露点控制装置，其特征在于，该气体混合槽与该间隔板之间还包括有一冷却槽道，该冷却槽道具有一导引通道，用以导引该高温饱和气体，并使该高温饱和气体于通过该导引通道的过程中冷却。

4.如权利要求3所述的气体露点控制装置，其特征在于，该冷却槽道还包括有至少一水连通结构，用以连通该冷却槽道与该露点温度控制槽中的水。

5.如权利要求3所述的气体露点控制装置，其特征在于，该冷却槽道包括：

一气体导引罩体，具有一顶板及一延伸壁，该顶板罩覆于该气体混合槽的顶部，并与该气体混合槽的混合气体出口间具有一预设间距，该延伸壁由该顶板的外环缘向下地延伸出一预定高度，而在该顶板及延伸壁与该气体混合槽之间形成该导引通道；

一外壁体，位于该气体导引罩体的外侧，并与该气体导引罩体的延伸壁之间相对应地具有一预定间距。

6.如权利要求1所述的气体露点控制装置，其特征在于，该露点温度控制槽中包括有一第二加热单元。

7.如权利要求1所述的气体露点控制装置，其特征在于，该露点温度控制槽中包括有一冷却盘管。

8.如权利要求1所述的气体露点控制装置，其特征在于，该蒸气产生器的底部由该气体混合槽的槽底向下凸伸一偏移距离。

9.一种气体露点控制装置，其特征在于，所述气体露点控制装置包括：

一蒸气产生器，该蒸气产生器中设置有一第一加热单元，该第一加热单元用以加热该蒸气产生器中的水而产生一蒸气，该蒸气经由该蒸气产生器的一蒸气产生槽口排出；

一气体混合槽，罩覆该蒸气产生器，该气体混合槽中形成有一气体混合室，该气体混合室位于该蒸气产生器的上方且连通该蒸气产生器的蒸气产生槽口，该气体混合槽具有一气体导入口及一混合气体出口，一气体经由该气体导入口导入后与该蒸气同时送入该气体混合室中混合形成一高温饱和气体，由该混合气体出口排出；

一冷却槽道，连通该气体混合槽的混合气体出口，该冷却槽道具有一导引通道，用以导引该高温饱和气体，并使该高温饱和气体于通过该导引通道的过程中冷却。

10.如权利要求9所述的气体露点控制装置，其特征在于，该冷却槽道包括：

一气体导引罩体，具有一顶板及一延伸壁，该顶板罩覆于该气体混合槽的顶部，并与该气体混合槽的混合气体出口间具有一预设间距，该延伸壁由该顶板的外环缘向下地延伸出一预定高度，而在该顶板及延伸壁与该气体混合槽之间形成该导引通道；

一外壁体，位于该气体导引罩体的外侧，并与该气体导引罩体的延伸壁之间相对应地具有一预定间距。

11.如权利要求9所述的气体露点控制装置，其特征在于，该蒸气产生器的底部由该气体混合槽的槽底向下凸伸一偏移距离。

12.如权利要求9所述的气体露点控制装置，其特征在于，所述的气体露点控制装置还包括有一间隔板，连接该冷却槽道，用以隔热。

13.如权利要求9所述的气体露点控制装置，其特征在于，该气体导入口位于该蒸气产生器的侧壁与该气体混合槽的槽壁间。

Images