潮溼氣體的引入或供給系統的製作方法
2023-04-23 16:40:41 2
專利名稱：潮溼氣體的引入或供給系統的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及潮溼氣體的引入或供給系統，特別地，但非專門地涉及內燃機的潮溼空氣引入或供給系統和燃料電池的潮溼氣體引入或供給系統。
背景技術：
在能量轉化系統中，通常燃料與氧化劑燃燒產生能量。在這種方法中，化學能轉化成動能或電以及熱。
在內燃機中，其中包括雙衝程、四衝程以及例如迴轉馬達和柴油發動機，燃料-空氣混合物燃燒提供這種化學能。燃燒之前，可以採用直接注射器或採用汽化器將燃料分散到引入空氣物流中，再通過電火花，白熱絲或就通過燃料-空氣混合物壓縮熱觸發其燃燒。在所有內燃機中，燃料-空氣混合物在燃燒室中燃燒所引起壓力的突然增加導致發動機部件轉動，於是為以發動機為用動力推動的車輛提供了動能。
許多因素制約了化學能轉化成有用動能或電的效率，同時將總是並行產生的非-生產熱降最低。把內燃機效率增至最大的關鍵變量包括，在燃燒過程中使壓力增加最大，並且使引入空氣和燃燒室的溫度最低。冷卻器-燃燒發動機還提供了環境方面的優點，即降低了在燃燒過程中空氣中的氮與氧反應放出的副產物氧化氮的量。
除了燃料和空氣外，化學惰性物質可以加到燃燒室，用以吸收熱量與產生壓力，因此滿足了優化發動機效率的上述兩個要求。特別地，可以使用水滿足這種功能。
人們知道，例如汽車工業以前使用發動機氣缸的選擇性注水冷卻系統。但是，這樣一種系統的複雜性和高製造成本共同導致勝過由大規模生產方法所帶來的效益。更特別地，發動機氣缸的注水系統預先要求能量輸入、精確控制與高操作壓力，這些要求本身中任何一個要求對可能的實施都有很大的制約作用。
其中溼潤作用很有價值的其他氣體引入或供給系統包括燃料電池，特別是質子交換膜(PEM)燃料電池，其中為了最佳性能，氣體不斷地通過應該保持潮溼的膜。還可以考慮，使用下述發明潤溼溫室中的循環空氣。
發明內容
根據本發明的第一個方面，提供一種包括親水膜表面的潮溼氣體引入與供給系統。
優選地，潮溼氣體引入與供給系統還包括與親水膜表面整體形成的水箱。
可以設置罩以調節面臨水箱和氣體引入與供給系統之一的親水膜表面面積。
在本發明的另一個方面，提供包括有親水膜表面的潮溼空氣引入與供給系統的發動機。
優選地，發動機還包括與親水膜表面整體偶合的水箱。
在本發明的另一個方面，提供包括有親水膜表面的潮溼空氣引入與供給系統的摩託化車輛。
優選地，摩託化車輛還包括與親水膜表面連接的水箱。
可設置罩以調節面臨水箱和空氣引入系統之一的親水膜表面區域。
發動機的排氣系統排出了內部燃燒過程的廢氣，這些廢氣可以通過水箱中的熱交換盤管用於加熱水箱中的水。
在另一個實施方案中，摩託化車輛還包括具有水蒸汽全蒸發橫過的親水膜表面的燃料箱；以及與親水膜並置的並與水箱連接的管路，該管路提供了來自燃料箱全蒸發水蒸汽的冷凝捕集器，並且其中該管路與水箱相連，或者該管路提供了將親水膜釋放的水蒸汽直接送到引入空氣流的部件。但是，從燃料箱析水的膜也可以在分開的系統中單獨起作用。
有利地，本發明允許選擇性增加水蒸汽進入空氣引入系統，例如在汽車發動機內，這可以很容易(從機械和控制簡單性看)並較(如果不是不可忽略的)低成本地達到。的確，包括本發明的系統是人們極希望的，因為它可限制汽車發動機(以及類似物)排放汙染物，同時也提高了這類發動機的效率和性能。
在本發明另一方面，提供一種包括具有親水膜表面的潮溼氣體引入或供給系統的燃料電池。
有利地，本發明允許把水蒸汽加到燃料電池的一個或多個氣流中，特別是質子交換膜燃料電池尤其如此，以防止質子交換膜變幹，因此優化了燃料電池的性能。
在本發明系統中可以使用通常的自來水或其他水源的水(不是費錢的蒸餾水)，因為親水膜可除去腐蝕性的、有害的雜質。此外，不斷把水蒸汽送到發動機系統的引入氣流避免了與水和汽車燃料不溶混性相關的所有問題以及與液態水存在相關的腐蝕問題；而不斷把水蒸汽送到燃料電池一個或多個氣體中，可通過防止質子交換膜變幹以優化其性能。
現在，參看下述附圖描述本發明例證性實施方案，其中圖1是本發明優選的潮溼空氣進氣系統示意圖，說明在摩託化車輛等的發動機中的該空氣進氣系統。
圖2是說明在質子交換膜燃料電池中的優選潮溼氣體引入或供給系統示意圖。
圖3是又加入另一個潮溼氣體引入或供給系統的圖2質子交換膜燃料電池示意圖。
具體實施例方式
人們已知道，例如在潮溼的早晨，汽車發動機以標稱轉速可發出更大的功率，這種增加源於空氣中的溼氣。本發明已確定，例如把水(以水蒸汽形式)注入發動機氣缸事實上會帶來許多優點和好處。例如，在壓縮和點火期間，氣缸中有限量的水蒸汽可提高壓縮比，不會受到「敲擊聲」或「爆震聲」的不利影響。此外，與氣缸中的總燃燒過程相關，水蒸汽清洗了燃燒室，還改善了燃料的燃燒(因改變燃料-空氣混合物的蒸汽密度和熱容)，從而導致低排放。另外，燃燒室中水蒸汽的存在還具有冷卻燃燒的冷卻作用。換句話說，高的水蒸發潛熱導致發動機較冷地運行，因此，這樣導致以比較有效的方式潤滑工作。另外，由於氣缸中有水蒸汽，達到燃料燃燒的改進。
參看圖1，說明了本發明優選的潮溼空氣引入(加入)系統10示意圖。事實上說明在摩託化車輛14等發動機12情況下的空氣引入系統，儘管在任何其他要求增加溼度的系統中也同樣可以使用該空氣引入系統。
空氣進口網或歧管16典型地位於空氣過濾器(未繪出)後，它含有將水箱20與空氣進口網16分開的親水膜表面。空氣進口網16與含有燃料原料22的化油器21連接，該化油器安裝了一般的針形閥24(化油器因此可用任何一般的燃料輸送系統代替，例如燃料注入系統等)。親水膜表面18為油門(或罩/整流罩)26圍繞，該油門可調節面臨空氣進口網16或水箱20的親水膜表面18的面積。油門26可以採用機械方法控制，儘管與汽車發動機相關，但更可能的是採用微處理器28進行調節。正如已經描述的，化油器21包括文丘裡管構型30，它增加空氣流速，激勵烴燃料從燃料原料22中蒸發出來。燃料-空氣混合物32再加到發動機氣缸體42各自氣缸上端38-40中的進口閥34-36。為了簡化起見，圖1用實例說明了兩氣缸發動機。
因此，水箱20可遠離親水膜，只是加料管能有效地把水提供給遠離任何空氣管/進口的親水膜表面。
親水膜表面可以是任何所要求的形狀，可以成波紋狀或扁平狀，其形狀有助於水箱全蒸發的最大生產量。正如將要看到的，從膜表面除去水蒸汽的速率(以及橫過膜的蒸汽壓梯度)決定了全蒸發速率。因此，甚至當發動機不運轉時，也發生一些全蒸發，但由於在空氣引入系統內無任何空氣移動，殘留水分處於這種形式的開放系統中，這種全蒸發可忽略不計，因此沒有任何影響。
隨著氣缸運行的各個段(例如引入、壓縮、點火與排氣)，與每個氣缸38-40相連接的出口閥44-46打開以將排出廢氣(以及在相當低的程度上還有未燃燒的燃料)48排到摩託化車輛14的排氣系統50。排氣系統50可以選擇地向位於水箱20中的熱交換盤管52中進氣，以用熱廢氣提高水箱20的水溫。這在兩方面有利，一方面，廢氣變得較冷些(以及因此比較有利環境)，第二方面，升高的水溫提高了通過親水膜表面18全蒸發過程的速率。一旦廢氣48通過熱交換盤管52，它們就通過排氣管從摩託化車輛14排出(例如在催化轉化器中附加清除後排出)。
由於水箱中水溫應該一般限於特定的運行範圍，溫度計(或類似物)54提供給微處理器28溫度傳感信息，因此微處理器28能夠通過開、關閥門和旁路系統56以調節水的加熱。選擇性地或附加地，可以採用通常的加熱裝置，例如微處理器控制的加熱盤管來調節水箱中的水溫。如果預料在水箱中達到高溫(例如60℃或更高)時，則必需提供一種用於親水膜表面18的支持結構，如果親水膜表面不經支持，就可能軟化或變形，儘管這取決於所選用的親水膜材料。
在運行期間，水蒸汽通過親水膜表面18全蒸發，並進入進氣流。因發動機運行較快時，因此要求提高每個氣缸中活塞的移動速率及增加從膜表面攝取的水蒸汽量，即該系統按照引入空氣的要求自身調節，儘管油門26可以進一步調節由水箱20提供的水蒸汽量。
優選地，水箱20位於發動機內，其位置是如果發生親水膜的穿孔，那麼儲存在其中的水就不進入發動機。在這樣的情況下，將不可避免地損失發動機的性能(同樣地，好象水箱變幹似的)，但發動機應該仍未受到任何損傷。很清楚，如果水箱20中水位降低，那麼微處理器28可向駕駛員報警。
可以不依賴圖1系統實施或工作的另一方面涉及從往化油器21供料的燃料箱60除去水。燃料箱60包括親水膜表面62，它優選地位於燃料箱60的底64中。由於烴燃料比水輕，在燃料箱中存在的任何水因此都可能通過全蒸發過程從燃料箱60除去。通過膜62的水蒸汽可能通過泵送直接返回到進氣流，或因為燃料箱60可能如此定位，以致膜62將全蒸發的水蒸汽直接送到空氣進口16。選擇性地，水蒸汽可以冷凝成液體水65，並通過泵16收集在與水箱20相連的管路16中。這樣的系統涉及柴油機時，特別是在海洋環境下尤其是有益的，水已進入柴油箱並凍結時，未經保護的柴油機不然就會出故障。在本發明實施方案中，因此應必需選擇用以嚴格製造親水膜表面62的材料，以致不會因其長期與燃料接觸而受到損傷，以致基本無任何(或至少量不大)燃料(或其組分)透過膜表面62進入引入空氣物流中或水箱20中。
總之，使用親水膜18在空間上將液體水(包括自來水和含有有機或無機鹽的其他形式汙染水，懸浮液或乳液)與引入內燃機12的空氣量或類似物分開。親水膜起作過濾這種液體水的作用，因此只是純水通過親水膜全蒸發。這種純水蒸汽再連續送到發動機的引入空氣物流中。送到空氣物流中的純水蒸汽的量可自調節，當空氣物流以較快的速度通過親水膜時，送入的純水蒸汽量也較多。
在本發明的第二個實施方案中，提供了包括有親水膜的潮溼氣體引入或供給系統的燃料電池，特別是質子交換膜燃料電池。
質子交換膜燃料電池的功能是通過催化劑將氫和大氣中的氧或純氧化合，以產生有用的電流，而副產物水橫過質子交換膜和催化劑上方。氫起作陽極的作用，大氣的氧或純氧起作陰極的作用。對於產生電流的過程，流過質子交換膜的電流載體為質子形式。為了質子交換膜能有效地起作用，需要保持它潮溼，因為需要水運送這些質子(為H3O+，不是H+)通過膜，於是產生了電流。因此，引入燃料電池氣體的相對溼度越大，這種能量轉化設備在產生電流時的效率就越高。
可通過潤溼引入的氫氣物流和選擇性地通過潤溼引入空氣或氧的氣物流，達到潤溼質子交換膜。可讓燃料電池運行所產生的副產物水循環或另分開使用附加水來潤溼氫氣和空氣或氧氣的引入物流。
特別地，通常可以氣瓶裝壓縮形式得到氫氣，並含有非常少的水分。作為其它引入氣流使用的空氣或氧氣也需要被潤溼，這取決於它們的起始水含量。當氫氣和空氣或氧氣引入氣流增加以產生越來越多的電流時，氫氣潤溼特別變得越來越困難，導致在較高功率密度下燃料電池效率降低。
潤溼引入氣流的現有方法使用昂貴的膜材料，這些方法也比較複雜，因此極需要一種有效的低成本潤溼系統。
因此，提出一種本發明的附加實施方案，該方案使用親水膜，將引入的幹氣流，氫氣和氧氣或空氣兩者與溼的貧氧的空氣廢氣流分開，以致水可以全蒸發通過親水膜從溼廢氣進入幹的引入的氫氣和空氣或氧氣流。需要精確的高氣流時，親水膜的自調節作用允許較多的水全蒸發通過膜。
圖2說明燃料電池100示意圖，其中幹氫氣流102通過與親水膜104接觸而被潤溼，而其膜另一面與溼的廢氣106接觸。水因此全蒸發通過親水膜104，在氫氣流102到達燃料電池前，潤溼該氫氣流102。
選擇性地，可以使用附加的親水膜108，將氫氣流102與裝液體水112的容器110分開。如果來自廢氣流的溼度不足以潤溼氫氣流時，而採用這種選擇性附加裝置，通過親水膜108的全蒸發，可以提供更多的水。
圖3說明本發明燃料電池另一個實施方案的示意性圖，其中不僅潤溼幹氫氣流102，而且還潤溼空氣或氧氣流114。採用與潤溼氫氣流102的類似方式，讓空氣或氧氣流114與親水膜116接觸，該膜另一面與溼的廢氣106接觸。因此，水通過親水膜116全蒸發，空氣或氧氣流114到達燃料電池100前被潤溼。
如圖3所示，還可以使用選擇性附加親水膜118，它將空氣或氧氣流114與裝有液體水122的容器120分開。如果來自廢氣流的溼度不足以潤溼空氣或氧氣流114時，而採用這種選擇性附加裝置，通過親水膜118全蒸發，可以提供更多的水。
例如通過加熱在相關容器(110和120)中的水或通過提供罩以調節親水膜表面面臨引入氫氣、氧氣或空氣流的面積，可以選擇性地控制選擇性附加親水膜(108和118)釋放的水量。
選擇性地，在本發明實施方案中，親水膜18、104、108、116、118可以製成一定形狀，以便保證在最小空間中與引入氣體接觸表面積最大(例如波紋形或盤旋形)。
在本公開中，在潤溼本發明氣體引入或供給系統時使用的親水膜可以用親水聚合物製得。術語「親水聚合物」是指根據國際標準組織說明書IS062(與美國試驗與材料學會說明書ASTM D 570相當)，在室溫下與液體水接觸時吸收水的聚合物。
親水聚合物可以是一種聚合物或幾種聚合物的混合物。例如，親水聚合物可以是共聚醚酯彈性體或兩種或多種共聚醚酯彈性體混合物，例如E.I.Du Pont de Nemours and Company以商品名HYTREL銷售的聚合物。另外，親水聚合物可以是聚醚-嵌段聚醯胺或兩種或多種聚醚-嵌段聚醯胺混合物，例如法國，巴黎Elf-Atochem公司以商品名PEBAX銷售的聚合物。其他親水聚合物包括聚醚聚氨基甲酸乙酯類或其混合物，聚乙烯醇均聚物或共聚物以及它們的混合物。上面列出的聚合物不認為是詳盡的，但僅僅為可能選擇的親水聚合物實例。
本發明中用於輸送水蒸汽的特別優選聚合物是共聚醚酯彈性體或兩種或多種共聚醚酯彈性體混合物，它們具有多種多樣通過酯鍵合結合的重複長鏈酯單元和短鏈酯單元，所述的長鏈酯單元可用下式表示
所述的短鏈酯單元可用下式表示 式中a)G是平均分子量為約400-4000的聚(環氧烷)乙二醇在除去端羥基後餘下的二價基；b)R是分子量小於約300的二羧酸在除去羧基後餘下的二價基；c)D是分子量小於約250的二醇在除去羥基後餘下的二價基；選擇性地d)共聚醚酯含有以共聚醚酯總重量計的0-68重量％的加入到共聚醚酯的長鏈酯單元中的環氧乙烷基團；e)共聚醚酯含有約25-80重量％短鏈酯單元。
優選聚合物薄膜適合於製成薄而牢的膜，薄膜和塗層。優選的聚合物、共聚醚酯彈性體及其生產它們的方法在該技術領域中是已知的，例如在US 4 725 481公開的共聚醚酯彈性體，其WVTR為3500克/米2/24小時，或US 4 769 273公開的共聚醚酯彈性體，其WVTR為400-2500克/米2/24小時。
在本發明範圍內可使用在市場上購買到的親水聚合物作為膜，儘管很清楚優選具有儘可能高的WVTR，以便在氣體引入時提供一定量水所必需的親水膜表面積減至最小。非常優選地，本發明使用從市場上購買的膜，使用空氣，在23℃、相對溼度50％，速度3米/秒與薄膜厚度為25微米條件下測量，該膜的WVTR大於3500克/米2/24小時。
聚合物可以與抗氧化穩定劑、紫外光穩定劑、水解穩定劑、染料、顏料、填充劑、抗微生物試劑等組合起來。
有用而非常完善的製造呈薄膜形式的膜的方法是在工業擠出生產線上使用聚合物的熔體擠出。簡要地，這需要把聚合物加熱到高於其熔點的溫度，並且使聚合物通過平模頭或環形模頭擠出，然後使用輥系統澆注薄膜或用熔體吹塑薄膜。在構建膜時可以使用支持材料，其支持材料可以包括織物、非織物或粘合的紙、織物和篩網、對水分穩定的無機聚合物，例如聚乙烯、聚丙烯、玻璃纖維等。支持材料提高了膜強度，還保護了膜。親水聚合物膜可只是一面放置支持材料，或兩面都放置支持材料。只是一面放置支持材料時，支持材料可以與水接觸或不與水接觸。
不受任何特定理論所限，認為在與可能含有懸浮或溶解的雜質、固體和乳液的水接觸時，以塗層或未支持膜形式製造的親水膜有純化作用，因為與像鈉和氯離子這樣的離子相比，如水的高偶極分子優選地被吸收並通過膜或塗層。另外，通過膜存在蒸汽壓梯度時，水從不與水源接觸的一側釋放。
涉及本發明優選實施方案中使用的親水膜時，一般用標準試驗方法ASTM E96-95-BW方法測量(以前已知並稱之ASTM E96-95-BW試驗方法)水的輸送特性。這些標準試驗方法用於測量膜的水蒸汽輸送速率(WVTR)，使用基於透水杯的組件(即「Thwing-Albert水蒸汽滲透性能測定儀」)。透水杯裝有水，其水高度距杯頂約19毫米(特別地，19毫米±6毫米)。杯口用待測量試驗材料的透水膜封密成不透水，在水表面與膜之間留下氣隙。在BW過程中，顛倒杯，以便水與試驗膜直接接觸。該裝置放入控制溫度與溼度的試驗箱中，然後以特定的速度吹空氣通過膜外部。重複進行這些試驗。在幾天內測量杯、水和膜組件的重量，並對結果進行平均。水蒸汽滲透通過膜的速率記為「水輸送蒸汽速率」，其速率是在一定膜厚度、溫度、溼度和空氣速度的條件下，以組件的平均重量損失測量的，可用每單位膜表面積和時間的質量損失表示。典型地，用厚度25微米，在每秒3米的空氣流速，空氣溫度23℃和相對溼度50％條件下測量膜或薄膜的WVTR。
因此，應意識到，只是作為實施例給出了上述說明，並且在本發明範圍內可進行詳細修改。例如，圖1專門描述了兩氣缸汽車發動機的優選實施方案，但任何發動機都可使用該進氣系統。的確，非多孔膜增溼位置可以是發動機內許多可選擇位置中的一個位置，其中包括在空氣過濾器前或後的任何級，在入口歧管中生成燃料-空氣混合物後的點，或甚至在氣缸本身中。
清楚地，使用非多孔的親水膜是非常優選的，因為它固有的性質限制水蒸汽進入入口系統，同時不會受到任何的汙物或碎片堵塞，因為它是無孔的。而且，非多孔的親水膜保證空氣引入系統的這部分與水源的溼密封，因此，在發動機運行期間，在空氣引入系統內，它不會受到正常操作的空氣壓力範圍的影響。
權利要求
1.一種燃料電池，該電池包括有親水膜表面的潮溼氣體的引入或供給系統。
2.根據權利要求1所述的燃料電池，該電池還包括具有至少兩個面的親水膜；第一個面與氫氣流接觸，而第二個面與溼廢氣如此接觸，以致水蒸汽通過親水膜從溼廢氣蒸發進入氫氣流中。
3.根據權利要求2所述的燃料電池，該電池具有至少第二個親水膜，第二個親水膜有至少兩個面，第一個面與氫氣流接觸，而第二個面與液體水容器如此接觸，以致水蒸汽通過第二個親水膜從液體水容器蒸發進入氫氣流中。
4.根據權利要求2所述的燃料電池，該電池具有至少第三個親水膜，第三個親水膜有至少兩個面，第一個面與空氣或氧氣流接觸，而第二個面與溼廢氣如此接觸，以致水蒸汽通過第三個親水膜從溼廢氣蒸發進入空氣或氧氣流中。
5.根據權利要求3所述的燃料電池，該電池具有至少第三個親水膜，第三個親水膜有至少兩個面，第一個面與空氣或氧氣流接觸，而第二個面與溼廢氣如此接觸，以致水蒸汽通過第三個親水膜從溼廢氣蒸發進入空氣或氧氣流中。
6.根據權利要求4所述的燃料電池，該電池具有至少第四個親水膜，第四個親水膜有至少兩個面，第一個面與空氣或氧氣流接觸，而第二個面與液體水容器如此接觸，以致水蒸汽通過第四個親水膜從液體水容器蒸發進入空氣或氧氣流中。
7.根據權利要求5所述的燃料電池，該電池具有至少第四個親水膜，第四個親水膜有至少兩個面，第一個面與空氣或氧氣流接觸，而第二個面與液體水容器如此接觸，以致水蒸汽通過第四個親水膜從液體水容器蒸發進入空氣或氧氣流中。
全文摘要
本發明涉及例如通過非多孔親水膜(18)全蒸發過程，把水蒸氣引入發動機(12)的引入空氣系統(16)中。水箱(20)可以裝汙染的水，該水箱(20)提供進入引入空氣系流(16)橫過親水膜(18)的蒸汽壓力梯度，同時水蒸氣送到氣缸(38－40)的速率可通過流過膜的空氣流速自調節。因此親水膜(18)還一定程度上過濾了來自水箱(20)的水，從而達到給引入空氣流(16)提供純的水蒸氣。然而，可使用為限制親水膜接觸表面面積而在其膜上滑動的罩(26)控制輸送水蒸氣。另外，使用親水膜將氣流與溼的廢氣流分開，以使水分通過膜來潤溼氣流的方法把水蒸氣加入到一種或多種燃料電池的氣流中，從而防止質子交換膜幹透。
文檔編號F24F6/00GK1641201SQ200510006470
公開日2005年7月20日 申請日期2000年8月3日 優先權日1999年8月6日
發明者M·C·湯金, M·E·舒查德特, M·A·楊 申請人:納幕爾杜邦公司, 設計技術及灌溉有限公司