CN106935886A - 一种气体加湿设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种气体加湿设备，属于加湿技术领域。该设备包括储液装置和从下到上依次设置的鼓泡部分、喷雾部分以及升温除水部分，以对气体进行分层加湿。鼓泡部分包括鼓泡装置和加湿液，加湿液盛于储液装置中，以由鼓泡装置将气体送入加湿液中。喷雾部分包括喷雾装置，以对从加湿液中散出的气体进行喷雾加湿。升温除水部分包括升温除水装置，以对经过喷雾加湿的气体进行升温和除水。本发明采用分层加湿的方法，在简化结构，降低成本的基础上大大提高了加湿效率，优化了加湿性能，非常适应大功率燃料电池的加湿需求。
Description
技术领域
本发明属于加湿技术领域，涉及一种加湿设备，尤其是气体加湿设备。
背景技术
燃料电池是一种电化学反应装置，直接将化学能转换为电能。根据电解质的不同，燃料电池具有多种类型。其中，质子交换膜燃料电池工作温度低，电流密度大，响应速度快，性能稳定；而且反应生成物只有水，不存在腐蚀性。因此，质子交换膜燃料电池可以广泛地应用于移动电源领域。质子交换膜燃料电池利用氢气和氧气反应产生电能。当分别向燃料电池阳极和阴极供给氢气与氧气时，反应气体经扩散层扩散，进入多孔阳极的氢原子被催化剂吸附并离化为氢离子和电子，氢离子经由质子交换膜转移到阴极，电子在电极内传递至负极集流板经外电路负载流向阴极，在阴极催化层上氢离子和氧离子结合成水分子。而电子通过外电路产生电能。作为电解质的质子交换膜必须湿润，才能更好地传导质子。研究表明，质子交换膜的导电性与其含水量成正比。因此，为了提高转换效率，必须加湿质子交换膜。
目前燃料电池所用的加湿方法主要是加湿反应的气体，利用湿润的气体所携带的水汽来加湿质子交换膜，如焓轮加湿、中空纤维管束加湿和鼓泡加湿等。焓轮加湿利用陶瓷转轮吸收尾气中的水汽和热量来对新鲜的进气加湿，但因为具有旋转部件，容易蹿气并且增加了耗能。中空纤维管束加湿利用亲水材质制备无孔中空纤维束，水从中空纤维束的外侧流过，加湿气体从纤维管束内侧流过，水由于浓差的作用从水侧扩散到气体进而完成对气体的加湿。所涉及的加湿器具有结构紧凑，无额外耗能等优点，可以广泛适用于各种用于移动电源的场合，但是价格昂贵，显然不利降低燃料电池的成本。鼓泡加湿将反应的气体通入盛有一定温度的水中，利用气泡表面传热传质达到加湿气体的目的。鼓泡加湿的加湿器结构简单，材料便宜；但因其加湿效率低，因此需要比较大的水箱，体积庞大，且加湿效果较差。
公开号为CN 102332591的中国专利申请公开了一种用于燃料电池的反应气体加湿器，该加湿器基于鼓泡加湿的原理，但是没有设置鼓泡器，因此气泡大，加湿效率低，从而一般仅适用于小功率的燃料电池实验室测试，而对大功率(10kW以上)的燃料电池而言则不能满足要求。公开号为CN 203774400的中国专利申请提出了一种针对移动应用场合的高效燃料电池加湿器，该加湿器采用了一种具有微孔结构的膜片结构来对气体进行鼓泡处理，提高了加湿效率，但是仍存在一些技术缺陷，如鼓泡后气泡尺寸较大，鼓泡器刚度不足、耐老化性能差、加湿性能不稳定等的缺点。公开号为CN101577338的中国专利申请公开了一种燃料电池加湿器，提出了采用雾化和换热器结合的方法，提高了加湿效率，但额外的换热器结构增加了结构的复杂性，且对于大流量的气流来说，换热效果不太好，导致加湿不稳定(气体中存在冷凝水或不能充分加湿)。
对于大功率(10kW以上)的燃料电池的加湿器，气体流量大，而采用以上燃料电池加湿器在大流量气体加湿时存在诸多技术问题，如何解决这些技术问题具有极强的研究意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体加湿设备，以克服现有技术存在的技术缺陷，在简化结构，降低成本的基础上提高加湿效率，优化加湿性能，进而更适应如大功率燃料电池等含大流量气体的加湿需求。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种气体加湿设备，包括储液装置和从下到上依次设置的鼓泡部分、喷雾部分以及升温除水部分，以对气体进行分层加湿；所述鼓泡部分包括鼓泡装置和加湿液，所述加湿液盛于所述储液装置中，以由所述鼓泡装置将气体送入所述加湿液中；所述喷雾部分包括喷雾装置，以对从所述加湿液中散出的气体进行喷雾加湿；所述升温除水部分包括升温除水装置，以对经过所述喷雾加湿的气体进行升温和除水。
所述鼓泡装置包括鼓泡器基座和至少一个曝气器；所述鼓泡器基座与所述储液装置的底部连接；所述鼓泡器基座包括内部空腔；所述曝气器安装在所述鼓泡器基座上，入口与所述鼓泡器基座的内部空腔连通，出口与所述鼓泡部分的加湿液连通；优选地，所述鼓泡器基座与所述储液装置的底部之间通过螺栓连接；优选地，所述曝气器包括由金属粉末高温烧结而成的具有微孔的结构；进一步优选地，所述微孔的孔径均匀且孔形稳定；优选地，所述微孔的孔径为1～50微米。
所述鼓泡器基座上开有进气孔，所述进气孔通过进气管连接至气源；优选地，所述进气管在与所述进气孔连接的相反端安装有单向阀，以防止加湿液逆流进入所述进气管；优选地，所述进气管经过所述加湿液，以由所述加湿液对所述进气管中的气体进行预热。
所述鼓泡器基座中布置有排水通道，以将加湿液通过外部加热装置加热循环或者从所述储液装置中排出；优选地，所述排水通道布置在所述鼓泡器基座的中央；优选地，所述排水通道包括鼓泡器基座上的排水孔和连接所述排水孔的排水管。
所述喷雾装置包括带雾化喷头结构的进水管；优选地，所述雾化喷头结构的喷射方向朝向所述加湿液；优选地，所述雾化喷头结构位于所述储液装置的中心轴线上。
所述升温除水装置包括加热丝网。
所述储液装置的顶部安装有顶盖，顶盖中设置有排气通道，以排出增湿后的气体；优选地，所述排气通道位于所述顶盖的中央；优选地，所述排气通道包括位于所述顶盖上的排气孔和连接所述排气孔的排气管。
还包括液位检测装置，以检测所述加湿液的液位；优选地，所述液位检测装置包括从所述储液装置的侧壁连接出来的透明管，以及安装在所述透明管中的液位传感器；所述透明管与所述储液装置中的加湿液连通；优选地，所述液位传感器通信连接外部智能装置，以向所述外部智能装置发送检测到的液位信息。
所述加湿液占据所述储液装置高度的1/2～2/3。
所述加湿液为热水。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：本发明采用分层加湿的方法，先通过鼓泡加湿对气体进行初步加湿和换热(载气蒸发传热效果更佳)，然后通过雾化实现补充加湿，最后通过加热丝网对气体进行升温除水，大大优化了加湿器的加湿能力。同时，本发明采用新型鼓泡器，结构简单，鼓泡大小更均匀，更有利于气泡和水之间的传热和传质。此外，本发明中该加湿器分为鼓泡区、喷雾区和升温除水区，构造为模块化结构、拆装维修方便。综上，本发明结构简单，成本较低，且加湿能力强，加湿性能得到大大改善，尤其能够满足大功率燃料电池的加湿需求。
附图说明
图1为本发明一实施例中气体加湿设备的主视剖视图；
图2为该气体加湿设备的俯视剖视图。
附图中：1、盛水罐；2、加热丝网；3、顶盖；4、排气管；5、螺栓；6、进水管；7、进气管；8、单向阀；9、曝气器；10、排水管；11、鼓泡器基座；12、螺栓；13、透明管；14、液位传感器。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
本发明提出了一种气体加湿设备，尤其是用于燃料电池的气体加湿设备，包括储液装置和从下到上依次设置的鼓泡部分、喷雾部分以及升温除水部分，以对气体进行分层加湿。其中，鼓泡部分包括鼓泡装置和加湿液，加湿液盛于储液装置中，以由鼓泡装置将气体送入加湿液中；喷雾部分包括喷雾装置，以对从加湿液中散出的气体进行喷雾加湿；升温除水部分包括升温除水装置，以对经过喷雾加湿的气体进行升温除水，此处通过升温一方面达到除水的目的，另一方面还能够防止空气在传输过程中降温冷凝。
图1和图2为本实施例中该气体加湿设备的主视剖视图；图2为其俯视剖视图。本实施例中，储液装置为盛水罐1；加湿液为热水，其占据盛水罐1的高度的1/2～1/3。
在该设备中，盛水罐1的热水液面以下的区域为鼓泡区。鼓泡装置位于鼓泡区中，包括鼓泡器基座11和至少一个曝气器9，本实施例中包括多个曝气器。鼓泡器基座11与盛水罐1的底部通过螺栓12连接，便于安装和维修。鼓泡器基座11包括内部空腔，曝气器9安装在鼓泡器基座11上，曝气器9的入口连通鼓泡器基座11的内部空腔，出口则伸入到盛水罐1中与盛水罐1内的热水连通，从而曝气器9能够将鼓泡器基座11的内部空腔内的气体喷射到用作加湿液的热水中。本实施例中，多个曝气器9均匀地分布在鼓泡器基座11上，但是并未围绕鼓泡器基座11的中轴线形成封闭的环状。
本实施例中，曝气器9包括由金属粉末高温烧结而成的具有微孔的结构，孔径均匀且孔形稳定，从而其产生的气泡更加均匀细小，有利于提高加湿性能。该微孔的尺寸根据具体加湿需求而定，通常为1～50微米为宜。在实际应用中，通过实际气体的流量选择不同规格的曝气器。
鼓泡器基座11在顶部开有进气孔，进气孔通过进气管7连接至气源，以便于气体从气源通过进气管7进入鼓泡器基座11的内部空腔中，而后再进入曝气器9中。进气管7在与进气孔连接的相反端安装有单向阀8，以防止加湿液即热水逆流进入进气管7。本实施例中，该进气管7从用于加湿的热水中经过。该进气管7可以是直管、螺旋管等形状的管件。从而，一方面避免了底部进气和后面提到的排水管相干涉；另一方面，进气管7设置在热水中，能够对待增湿的气体进行预热，有利于促进优化增湿效果。
鼓泡器基座11中还布置有排水通道，以将热水通过外部进行循环加热或者从盛水罐中排出，即在该设备外部可布置与排水通道连接的加热装置以对加湿液进行加热后循环使用，或者不连接这样的加热装置而在该设备长期停运时将加湿液排出。该排水通道布置在鼓泡器基座11的中央，包括鼓泡器基座11上的排水孔以及连接该排水孔的排水管10。本实施例中，排水管10通过排水孔与鼓泡器基座11焊接连接。
在该设备中，热水的液面以上和升温除水装置以下的区间为喷雾区。喷雾装置包括带雾化喷头结构的进水管6，其中雾化喷头结构位于盛水罐1的中心轴向上，喷射方向朝向热水。该雾化喷头结构位于进水管6的末端，将循环热水雾化喷射，对气体进行二次加湿。
在该设备中，喷射区以上的区域为升温除水区。升温除水装置包括加热丝网2。选用网状的加热丝，一方面可以利用丝网滤除一部分液态水，另一方面通过网状加热丝对由喷雾部分二次加湿后的气体进行加热，使得残留的液态水蒸发，提高气体温度，防止水蒸气冷凝。
盛水罐1的顶部设置有顶盖3，两者采用螺栓5连接，方便安装和维修。顶盖3中设置有排气通道，以排除增湿后的气体。该排气通道位于顶盖的中央，包括位于顶盖上的排气孔和与该排气孔连接的排气管4。
该设备还包括液位检测装置，以检测盛水罐1中热水的液位。液位检测装置包括从盛水罐1的侧壁连接出来的透明管13，以及安装在透明管13中的液位传感器14，用于检测盛水罐1中的热水的液位；其中该透明管13与盛水罐1中的热水连通。本实施例中，在两个高度上各设置一个液位传感器，用于检测高液位和低液位。液位传感器通信连接外部智能装置，以向外部智能装置发送检测到的液位信息。本实施例中，该外部智能装置为上位机。
该装置在运行时，待加湿的气体经过单向阀8，流经进气管7，此时热水对该气体进行一定的预热，有利于后续加湿效果。之后该气体进入鼓泡器基座11的内部空腔中，再分散进入安装在鼓泡器基座11上的各个曝气器9中。经过曝气器9后的气体进入热水中，被分割成许多均匀细小的气泡。此时，气泡在热水中发生剧烈的传热传质现象，气体被加热加湿。由于气体在上升的过程中，增湿速率逐渐降低，鼓泡增湿变得困难。经过鼓泡增湿后的气体具有一定的湿度，为了进一步增加气体湿度，气体进入喷雾区。喷雾区将从排水口流出的热水，经过外部加热增压回路后从进水口的喷雾结构雾化喷射。喷雾的实质是许多液态的小水滴，气体经过喷雾区，裹挟大量液态水，随后进入升温除水区。在升温除水区，一方面网状加热丝利用网孔滤除一部分液态水，另一方面残留的少量液态水通过网状加热丝时被加热汽化为水蒸气，同时气体的温度升高，从而有效避免在出口处产生冷凝。之后，经过升温除水区处理的气体从排气管4中排出。
本发明采用分层加湿的方法，先通过鼓泡加湿对气体进行初步加湿和换热(载气蒸发传热效果更佳)，然后通过雾化实现补充加湿，最后通过加热丝网对气体进行升温除水，大大优化了加湿器的加湿能力。同时，本发明采用新型鼓泡器，结构简单，鼓泡大小更均匀，更有利于气泡和水之间的传热和传质。此外，本发明中该加湿器分为鼓泡区、喷雾区和升温除水区，构造为模块化结构、拆装维修方便。综上，本发明结构简单，成本较低，且加湿能力强，加湿性能得到大大改善，尤其能够满足大功率燃料电池的加湿需求。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种气体加湿设备，其特征在于：包括储液装置和从下到上依次设置的鼓泡部分、喷雾部分以及升温除水部分，以对气体进行分层加湿；
所述鼓泡部分包括鼓泡装置和加湿液，所述加湿液盛于所述储液装置中，以由所述鼓泡装置将气体送入所述加湿液中；
所述喷雾部分包括喷雾装置，以对从所述加湿液中散出的气体进行喷雾加湿；
所述升温除水部分包括升温除水装置，以对经过所述喷雾加湿的气体进行升温和除水。
2.根据权利要求1所述的气体加湿设备，其特征在于：所述鼓泡装置包括鼓泡器基座和至少一个曝气器；
所述鼓泡器基座与所述储液装置的底部连接；所述鼓泡器基座包括内部空腔；所述曝气器安装在所述鼓泡器基座上，入口与所述鼓泡器基座的内部空腔连通，出口与所述鼓泡部分的加湿液连通；
优选地，所述鼓泡器基座与所述储液装置的底部之间通过螺栓连接；
优选地，所述曝气器包括由金属粉末高温烧结而成的具有微孔的结构；
进一步优选地，所述微孔的孔径均匀且孔形稳定；
优选地，所述微孔的孔径为1～50微米。
3.根据权利要求2所述的气体加湿设备，其特征在于：所述鼓泡器基座上开有进气孔，所述进气孔通过进气管连接至气源；
优选地，所述进气管在与所述进气孔连接的相反端安装有单向阀，以防止加湿液逆流进入所述进气管；
优选地，所述进气管经过所述加湿液，以由所述加湿液对所述进气管中的气体进行预热。
4.根据权利要求3所述的气体加湿设备，其特征在于：所述鼓泡器基座中布置有排水通道，以将加湿液通过外部加热装置加热循环或者从所述储液装置中排出；
优选地，所述排水通道布置在所述鼓泡器基座的中央；
优选地，所述排水通道包括鼓泡器基座上的排水孔和连接所述排水孔的排水管。
5.根据权利要求1所述的气体加湿设备，其特征在于：所述喷雾装置包括带雾化喷头结构的进水管；
优选地，所述雾化喷头结构的喷射方向朝向所述加湿液；
优选地，所述雾化喷头结构位于所述储液装置的中心轴线上。
6.根据权利要求1所述的气体加湿设备，其特征在于：所述升温除水装置包括加热丝网。
7.根据权利要求1所述的气体加湿设备，其特征在于：所述储液装置的顶部安装有顶盖，顶盖中设置有排气通道，以排出增湿后的气体；
优选地，所述排气通道位于所述顶盖的中央；
优选地，所述排气通道包括位于所述顶盖上的排气孔和连接所述排气孔的排气管。
8.根据权利要求1所述的气体加湿设备，其特征在于：还包括液位检测装置，以检测所述加湿液的液位；
优选地，所述液位检测装置包括从所述储液装置的侧壁连接出来的透明管，以及安装在所述透明管中的液位传感器；所述透明管与所述储液装置中的加湿液连通；
优选地，所述液位传感器通信连接外部智能装置，以向所述外部智能装置发送检测到的液位信息。
9.根据权利要求1所述的气体加湿设备，其特征在于：所述加湿液占据所述储液装置高度的1/2～2/3。
10.根据权利要求1所述的气体加湿设备，其特征在于：所述加湿液为热水。
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