CN106592696A - 一种燃料电池空气取水装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池空气取水装置，包括燃料电池系统、凝水处理系统和蒸气压缩式制冷系统，蒸气压缩式制冷系统包括直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器，直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器依次连接构成制冷剂回路，燃料电池系统生成直流电，所述直流电被转换成稳定直流电，稳定直流电驱动直流制冷压缩机运转，凝水处理系统设在蒸发器的下方，空气中的水蒸汽在蒸发器表面冷凝成水珠，水珠滴落在凝水处理系统上，水珠经凝水处理系统处理后输出。本发明利用燃料供给燃料电池发电，进而获取淡水，在缺乏饮用水的情况下，可以提供干净的饮用水，可广泛应用于沙漠、海岛等缺乏淡水的地区。

Description

一种燃料电池空气取水装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池空气取水装置。

背景技术

在沙漠、海岛等地，如何获取淡水是一个重要课题。在某些场合，燃料的储备充足，但是淡水的供应紧缺，因此，考虑利用一部分燃料来制取淡水对于紧急情况下的饮水保障具有重要的应用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种利用燃料供给燃料电池发电，进而获取淡水的燃料电池空气取水装置。

本发明的实施例提供一种燃料电池空气取水装置，包括燃料电池系统、凝水处理系统和蒸气压缩式制冷系统，所述蒸气压缩式制冷系统包括直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器，所述直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器依次连接构成制冷剂回路，所述燃料电池系统生成直流电，所述直流电被转换成稳定直流电，所述稳定直流电驱动直流制冷压缩机运转，所述凝水处理系统设在蒸发器的下方，所述蒸发器外侧的空气向蒸发器放热，所述蒸发器外侧的空气在蒸发器的表面冷凝成水珠，所述水珠滴落在凝水处理系统上，所述水珠经凝水处理系统处理后输出。

进一步，所述燃料电池系统包括氢气供应回路、空气供应回路、燃料电池电堆和直流-直流变换器，所述氢气供应回路和空气供应回路均连接燃料电池电堆，所述氢气供应回路供应氢气，所述空气供应回路供应空气，氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆中发生反应生成直流电，所述直流-直流变换器将直流电转换成稳定直流电，反应后剩余的微量氢气经第一电磁阀排出到空气中，反应后的空气乏气排放到空气中。

进一步，所述氢气供应回路包括高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀，所述高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀依次连接，氢气从高压储氢容器出来，依次经过减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀进入质子交换膜燃料电池电堆；所述空气供应回路包括空气滤清器和空气压缩机，所述空气滤清器和空气压缩机依次连接，空气经过空气滤清器处理后进入空气压缩机，所述空气压缩机将空气升压，并送入燃料电池电堆。

进一步，所述燃料电池空气取水装置还包括辅助散热系统，所述辅助散热系统、燃料电池系统和冷凝器依次连通构成冷却水回路，所述辅助散热系统向燃料电池系统供应冷却水并让冷却水吸收燃料电池系统的反应热，吸收了燃料电池系统反应热的冷却水从燃料电池系统中流出，并流入冷凝器带走冷凝热，再流回辅助散热系统中被冷却，所述辅助散热系统将冷却后的冷却水循环供应给燃料电池系统。

进一步，所述辅助散热系统包括散热器、散热风机、水泵和旁通阀，所述散热风机加速散热器外部空气的对流，所述旁通阀和散热器并联，所述水泵从散热器的底部抽冷却水，并泵入燃料电池系统，所述散热器中的冷却水的水温通过散热风机和旁通阀调节，当冷却水的水温较高时，散热风机的转速加大，同时旁通阀关闭；当冷却水的水温较低时，散热风机的转速减小，同时旁通阀打开；所述辅助散热系统还包括膨胀水箱和水过滤器，所述膨胀水箱连通散热器，所述膨胀水箱为散热器供应冷却水并提供冷却水的水温变化时所需的体积膨胀空间，所述水过滤器设在水泵和散热器之间。

进一步，所述冷凝器为冷媒—水换热器，所述节流元件为毛细管、热力膨胀阀或电子膨胀阀，所述蒸发器为冷板蒸发器，所述冷板蒸发器包括平板和制冷剂流道，所述制冷剂流道设在平板的内部，所述制冷剂流道的两端分别连通直流制冷压缩机和节流元件，所述冷板蒸发器的外表面与空气直接接触，所述冷板蒸发器采用直立放置或倾斜放置。

进一步，所述直流制冷压缩机将制冷剂气体压缩为高温高压气体，所述高温高压气进入冷凝器，所述高温高压气在冷凝器中冷凝成高温高压液体，所述高温高压液体流经节流元件变为低温低压的气液混合物，所述气液混合物流入蒸发器，所述气液混合物在蒸发器中吸收蒸发器外侧空气的热量，并再次蒸发为制冷剂气体，所述直流制冷压缩机的吸气口将制冷剂气体吸入直流制冷压缩机内，制冷剂气体在直流制冷压缩机内再次被压缩，所述蒸发器外侧的空气在蒸发器的表面冷凝成水珠，所述水珠在重力的作用下滴到蒸发器下方的凝水处理系统上。

进一步，所述蒸发器的一侧设有风扇，所述风扇驱动空气流向蒸发器的外侧，所述蒸气压缩式制冷系统还包括干燥过滤器，所述干燥过滤器设在冷凝器和节流元件之间，所述干燥过滤器过滤高温高压液体中的杂质和水分。

进一步，所述凝水处理系统包括接水盘、紫外线发生装置、水过滤器和取水阀，所述紫外线发生装置设在接水盘的上方，所述接水盘的底部设有水管，所述水管上设有水过滤器和取水阀，所述接水盘接从蒸发器滴下的水珠，落在接水盘中的水珠通过紫外线发生装置杀菌处理，即得到纯净水，所述取水阀控制纯净水的流出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：利用燃料供给燃料电池发电，进而获取淡水，在缺乏饮用水的情况下，可以提供干净的饮用水，可广泛应用于沙漠、海岛等缺乏淡水的地区，尤其是对于沙漠、海岛地区的军事设施来说具有一定的应用价值；同时，本发明可在水源被严重污染的地区作为紧急淡水来源使用；在远洋LNG(液化天然气)运输船上，本发明所述的技术方案也可以作为一种紧急情况下的淡水供应措施。

附图说明

图1是本发明一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种燃料电池空气取水装置，包括燃料电池系统1、凝水处理系统2和蒸气压缩式制冷系统3。

燃料电池系统1包括氢气供应回路11、空气供应回路12、燃料电池电堆13和直流-直流变换器14，氢气供应回路11和空气供应回路12均连接燃料电池电堆13。

氢气供应回路11供应氢气，氢气供应回路11包括高压储氢容器111、减压阀112、单向阀113、手动截止阀114和防爆电磁阀115，高压储氢容器111、减压阀112、单向阀113、手动截止阀114和防爆电磁阀115依次连接，氢气从高压储氢容器111出来，依次经过减压阀112、单向阀113、手动截止阀114和防爆电磁阀115进入燃料电池电堆13。

空气供应回路12供应空气，空气供应回路12包括空气滤清器121和空气压缩机122，空气滤清器121和空气压缩机122依次连接，空气经过空气滤清器121处理后进入空气压缩机122，空气压缩机122将空气升压，并送入燃料电池电堆13。

氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆13中发生反应生成直流电，直流-直流变换器14将直流电转换成稳定直流电，反应后剩余的微量氢气经第一电磁阀116排出到空气中，反应后的空气乏气排放到空气中。

蒸气压缩式制冷系统3包括直流制冷压缩机31、冷凝器32、节流元件33和蒸发器34，直流制冷压缩机31、冷凝器32、节流元件33和蒸发器34依次连接构成制冷剂回路，稳定直流电驱动直流制冷压缩机31运转，直流制冷压缩机31将制冷剂气体压缩为高温高压气体，高温高压气进入冷凝器32，高温高压气在冷凝器32中冷凝成高温高压液体，高温高压液体流经节流元件33变为低温低压的气液混合物，气液混合物流入蒸发器34，气液混合物在蒸发器34中吸收蒸发器外侧空气的热量，并再次蒸发为制冷剂气体，直流制冷压缩机31的吸气口将制冷剂气体吸入直流制冷压缩机31内，制冷剂气体在直流制冷压缩机31内再次被压缩。

在一实施例中，蒸发器34的一侧设有风扇(图中未示出)，风扇驱动空气流向蒸发器34的外侧，蒸气压缩式制冷系统3还包括干燥过滤器35，干燥过滤器35设在冷凝器32和节流元件33之间，干燥过滤器35过滤高温高压液体中的杂质和水分。冷凝器32为冷媒—水换热器，节流元件33为毛细管、热力膨胀阀或电子膨胀阀，蒸发器34为冷板蒸发器，冷板蒸发器包括平板341和制冷剂流道342，制冷剂流道342设在平板341的内部，制冷剂流道342的两端分别连通直流制冷压缩机31和节流元件33，冷板蒸发器的外表面与空气直接接触，冷板蒸发器采用直立放置或倾斜放置，优选直立放置。

凝水处理系统2设在蒸发器34的下方，蒸发器34外侧的空气向蒸发器34放热，蒸发器34外侧的空气在蒸发器34的表面冷凝成水珠，水珠在重力的作用下滴到蒸发器34下方的凝水处理系统2上，水珠经凝水处理系统2处理后输出。

凝水处理系统2包括接水盘21、紫外线发生装置22、水过滤器23和取水阀24，紫外线发生装置22设在接水盘21的上方，接水盘21的底部设有水管25，水管25上设有水过滤器23和取水阀24，接水盘21接从蒸发器34滴下的水珠，落在接水盘21中的水珠通过紫外线发生装置22杀菌处理，再流至水过滤器23进行过滤处理，即得到纯净水，取水阀24控制纯净水的流出。

燃料电池空气取水装置还包括辅助散热系统4，辅助散热系统4、燃料电池系统1和冷凝器32依次连通构成冷却水回路，辅助散热系统4向燃料电池系统1供应冷却水并让冷却水吸收燃料电池系统1的反应热，吸收了燃料电池系统1反应热的冷却水从燃料电池系统1中流出，并流入冷凝器32带走冷凝热，再流回辅助散热系统4中被冷却，辅助散热系统4将冷却后的冷却水循环供应给燃料电池系统1。

辅助散热系统4包括散热器41、散热风机42、水泵43和旁通阀44，散热风机42加速散热器41外部空气的对流，旁通阀44和散热器41并联，水泵43从散热器41的底部抽冷却水，并泵入燃料电池系统1，散热器41中的冷却水的水温通过散热风机42和旁通阀44调节，当冷却水的水温较高时，散热风机42的转速加大，同时旁通阀44关闭；当冷却水的水温较低时，散热风机42的转速减小，同时旁通阀44打开；辅助散热系统4还包括膨胀水箱45和水过滤器46，膨胀水箱45连通散热器41，膨胀水箱45为散热器41供应冷却水并提供冷却水的水温变化时所需的体积膨胀空间，水过滤器46设在水泵43和散热器41之间。

工作过程：氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆13中反应生成直流电，反应生成的直流电经直流-直流变换器14转换为稳定直流电，稳定直流电驱动直流制冷压缩机31运转，直流制冷压缩机31将制冷剂气体压缩为高温高压气体，高温高压气进入冷凝器32，高温高压气在冷凝器32中冷凝成高温高压液体，高温高压液体流经节流元件33变为低温低压的气液混合物，气液混合物流入蒸发器34，气液混合物在蒸发器34中吸收蒸发器外侧空气的热量，并再次蒸发为制冷剂气体，直流制冷压缩机31的吸气口将制冷剂气体吸入直流制冷压缩机31内，制冷剂气体在直流制冷压缩机31内再次被压缩。同时，蒸发器34外侧的空气冷凝成水珠，水珠在重力的作用下滴到蒸发器34下方的接水盘21上，落在接水盘21中的水珠通过紫外线发生装置22杀菌处理，再流至水过滤器23进行过滤处理，即得到纯净水，取水阀24控制纯净水的流出。

同时，反应过程中，水泵43从散热器41的底部抽冷却水，并泵入燃料电池系统1，散热器41中的冷却水的水温通过散热风机42和旁通阀44调节，当冷却水的水温较高时，散热风机42的转速加大，同时旁通阀44关闭；当冷却水的水温较低时，散热风机42的转速减小，同时旁通阀44打开，进入燃料电池电堆13的冷却水吸收燃料电池电堆13中的反应热，吸收了燃料电池系统1反应热的冷却水从燃料电池系统1中流出，并流入冷凝器32带走冷凝热，再流回辅助散热系统4中被冷却，辅助散热系统4将冷却后的冷却水循环供应给燃料电池系统1。

本发明利用燃料供给燃料电池发电，进而获取淡水，在缺乏饮用水的情况下，可以提供干净的饮用水，可广泛应用于沙漠、海岛等缺乏淡水的地区，尤其是对于沙漠、海岛地区的军事设施来说具有一定的应用价值；同时，本发明可在水源被严重污染的地区作为紧急淡水来源使用；在远洋LNG(液化天然气)运输船上，本发明所述的技术方案也可以作为一种紧急情况下的淡水供应措施。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池空气取水装置，其特征在于，包括燃料电池系统、凝水处理系统和蒸气压缩式制冷系统，所述蒸气压缩式制冷系统包括直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器，所述直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器依次连接构成制冷剂回路，所述燃料电池系统生成直流电，所述直流电被转换成稳定直流电，所述稳定直流电驱动直流制冷压缩机运转，所述凝水处理系统设在蒸发器的下方，所述蒸发器外侧的空气向蒸发器放热，所述蒸发器外侧的空气在蒸发器的表面冷凝成水珠，所述水珠滴落在凝水处理系统上，所述水珠经凝水处理系统处理后输出。

2.根据权利要求1所述的燃料电池空气取水装置,其特征在于，所述燃料电池系统包括氢气供应回路、空气供应回路、燃料电池电堆和直流-直流变换器，所述氢气供应回路和空气供应回路均连接燃料电池电堆，所述氢气供应回路供应氢气，所述空气供应回路供应空气，氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆中发生反应生成直流电，所述直流-直流变换器将直流电转换成稳定直流电，反应后剩余的微量氢气经第一电磁阀排出到空气中，反应后的空气乏气排放到空气中。

3.根据权利要求2所述的燃料电池空气取水装置,其特征在于，所述氢气供应回路包括高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀，所述高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀依次连接，氢气从高压储氢容器出来，依次经过减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀进入质子交换膜燃料电池电堆；所述空气供应回路包括空气滤清器和空气压缩机，所述空气滤清器和空气压缩机依次连接，空气经过空气滤清器处理后进入空气压缩机，所述空气压缩机将空气升压，并送入燃料电池电堆。

4.根据权利要求1所述的燃料电池空气取水装置，其特征在于，所述燃料电池空气取水装置还包括辅助散热系统，所述辅助散热系统、燃料电池系统和冷凝器依次连通构成冷却水回路，所述辅助散热系统向燃料电池系统供应冷却水并让冷却水吸收燃料电池系统的反应热，吸收了燃料电池系统反应热的冷却水从燃料电池系统中流出，并流入冷凝器带走冷凝热，再流回辅助散热系统中被冷却，所述辅助散热系统将冷却后的冷却水循环供应给燃料电池系统。

5.根据权利要求4所述的燃料电池空气取水装置，其特征在于，所述辅助散热系统包括散热器、散热风机、水泵和旁通阀，所述散热风机加速散热器外部空气的对流，所述旁通阀和散热器并联，所述水泵从散热器的底部抽冷却水，并泵入燃料电池系统，所述散热器中的冷却水的水温通过散热风机和旁通阀调节，当冷却水的水温较高时，散热风机的转速加大，同时旁通阀关闭；当冷却水的水温较低时，散热风机的转速减小，同时旁通阀打开；所述辅助散热系统还包括膨胀水箱和水过滤器，所述膨胀水箱连通散热器，所述膨胀水箱为散热器供应冷却水并提供冷却水的水温变化时所需的体积膨胀空间，所述水过滤器设在水泵和散热器之间。

6.根据权利要求1所述的燃料电池空气取水装置，其特征在于，所述冷凝器为冷媒—水换热器，所述节流元件为毛细管、热力膨胀阀或电子膨胀阀，所述蒸发器为冷板蒸发器，所述冷板蒸发器包括平板和制冷剂流道，所述制冷剂流道设在平板的内部，所述制冷剂流道的两端分别连通直流制冷压缩机和节流元件，所述冷板蒸发器的外表面与空气直接接触，所述冷板蒸发器采用直立放置或倾斜放置。

7.根据权利要求1所述的燃料电池空气取水装置，其特征在于，所述直流制冷压缩机将制冷剂气体压缩为高温高压气体，所述高温高压气进入冷凝器，所述高温高压气在冷凝器中冷凝成高温高压液体，所述高温高压液体流经节流元件变为低温低压的气液混合物，所述气液混合物流入蒸发器，所述气液混合物在蒸发器中吸收蒸发器外侧空气的热量，并再次蒸发为制冷剂气体，所述直流制冷压缩机的吸气口将制冷剂气体吸入直流制冷压缩机内，制冷剂气体在直流制冷压缩机内再次被压缩，所述蒸发器外侧的空气在蒸发器的表面冷凝成水珠，所述水珠在重力的作用下滴到蒸发器下方的凝水处理系统上。

8.根据权利要求1所述的燃料电池空气取水装置，其特征在于，所述蒸发器的一侧设有风扇，所述风扇驱动空气流向蒸发器的外侧，所述蒸气压缩式制冷系统还包括干燥过滤器，所述干燥过滤器设在冷凝器和节流元件之间，所述干燥过滤器过滤高温高压液体中的杂质和水分。

9.根据权利要求1所述的燃料电池空气取水装置，其特征在于，所述凝水处理系统包括接水盘、紫外线发生装置、水过滤器和取水阀，所述紫外线发生装置设在接水盘的上方，所述接水盘的底部设有水管，所述水管上设有水过滤器和取水阀，所述接水盘接从蒸发器滴下的水珠，落在接水盘中的水珠通过紫外线发生装置杀菌处理，即得到纯净水，所述取水阀控制纯净水的流出。