CN106759662A - 一种质子交换膜燃料电池水回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池水回收装置，包括质子交换膜燃料电池系统，质子交换膜燃料电池系统内生成直流电，参与反应后的空气乏气排到水蒸气冷凝器中，空气乏气冷凝为汽水混合物，汽水混合物通过汽水分离器分离为湿空气和一次液态水，湿空气从汽水分离器的顶部排入排汽管路，排汽管路内的湿空气通过分配器输送到冷板蒸发器的表面，湿空气和空气中的水蒸气在冷板蒸发器的表面冷凝为二次液态水，二次液态水从冷板蒸发器的表面下落至水处理系统，一次液态水从汽水分离器的底部流出，并排入水处理系统，一次液态水和所述二次液态水被处理为纯净水。本发明利用率大大提高，充分利用资源，节省能源，符合可持续发展的要求。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池水回收装置。
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具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种回收燃料电池反应后的水，并制取纯净水的质子交换膜燃料电池水回收装置。
本发明的实施例提供一种质子交换膜燃料电池水回收装置，包括质子交换膜燃料电池系统，所述质子交换膜燃料电池系统内阳极通入的氢气和阴极通入的空气反应生成直流电，所述质子交换膜燃料电池系统参与反应后的空气乏气排到水蒸气冷凝器中，所述空气乏气冷凝为汽水混合物，所述汽水混合物通过汽水分离器分离为湿空气和一次液态水，所述湿空气从汽水分离器的顶部排入排汽管路，所述排汽管路连通分配器，所述排汽管路内的湿空气通过分配器输送到冷板蒸发器的表面，所述湿空气和空气中的水蒸气在冷板蒸发器的表面冷凝为二次液态水，所述冷板蒸发器的下方设置有水处理系统，所述二次液态水从冷板蒸发器的表面下落至水处理系统，所述一次液态水从汽水分离器的底部流出，并排入水处理系统，所述一次液态水和所述二次液态水在水处理系统中被处理为可饮用的纯净水。
进一步，所述质子交换膜燃料电池系统包括氢气供应回路、空气供应回路和质子交换膜燃料电池电堆，所述氢气供应回路和空气供应回路均连接质子交换膜燃料电池电堆，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质子交换膜燃料电池电堆中发生反应生成直流电，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到水蒸气冷凝器中。
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的阳极；所述空气供应回路包括空气过滤器和空气增压装置，所述空气过滤器和空气增压装置依次连接，空气经过空气过滤器处理后进入空气增压装置，所述空气增压装置将空气升压，并送入质子交换膜燃料电池电堆的阴极。
进一步，所述冷板蒸发器的表面与空气直接接触，所述冷板蒸发器的一侧设有风扇，所述风扇驱动空气和湿空气流向冷板蒸发器的表面，所述冷板蒸发器采用直立放置或倾斜放置，使在冷板蒸发器表面冷凝的二次液态水在重力作用下能下落至水处理器系统。
进一步，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，所述直流制冷压缩机和节流元件均连通冷凝器，所述直流制冷压缩机由质子交换膜燃料电池系统生成的直流电通过直流-直流变换器转换为稳定直流电后驱动，所述直流制冷压缩机内设有制冷剂气体，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冷板蒸发器，所述气液混合物在冷板蒸发器中吸收流向冷板蒸发器表面空气和湿空气的热量，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，所述冷板蒸发器表面的空气和湿空气冷凝成二次液态水。
进一步，所述分配器为喷嘴、分流歧管或多孔板。
进一步，所述汽水分离器为旋风式分离器，所述汽水混合物从旋风式分离器的顶部圆周的切向流入，所述汽水混合物在旋风分离器气流的作用下高速旋转，密度大的一次液态水在离心力作用下被甩向筒壁，并在重力作用下沿筒壁下落流至旋风分离器的底部流出，密度小的湿空气在旋风分离器的内部收缩并向中心流动，向上形成二次涡流，从旋风分离器的顶部排入排汽管路。
进一步，所述水处理系统包括集水盘、紫外线发生装置、水过滤器和取水阀，所述集水盘的底部连通水管，所述水管上设有水过滤器和取水阀，所述一次液态水和所述二次液态水流入集水盘中，并在集水盘中经紫外线发生装置杀菌处理，再通过水管流至水过滤器进行过滤处理，即得到纯净水，所述取水阀控制纯净水的流出。
进一步，所述质子交换膜燃料电池水回收装置还包括散热系统，所述散热系统、水蒸气冷凝器、质子交换膜燃料电池系统和冷凝器依次连通构成冷却水回路，所述散热系统为水蒸气冷凝器和质子交换膜燃料电池系统提供冷却水，所述冷却水在水蒸气冷凝器和质子交换膜燃料电池系统中吸热，吸热后的冷却水流向冷凝器，并带走冷凝器中的冷凝热，再流回散热系统中被冷却后循环供应给水蒸气冷凝器和质子交换膜燃料电池系统。
进一步，所述散热系统包括散热器、散热风机和水泵，所述水泵连通水蒸气冷凝器，并泵入水蒸气冷凝器中吸热，再进入质子交换膜燃料电池系统中吸热，吸热后的冷却水流向冷凝器，并带走冷凝器中的冷凝热，再流回散热器，并通过散热风机加速散热器外部空气的对流实现冷却，所述散热系统还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱连通散热器，所述膨胀水箱为散热器提供冷却水并提供冷却水的水温变化时所需的体积膨胀空间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明将燃料电池排放的空气乏气中的水蒸气冷凝为一次液态水，再将空气和湿空气冷凝得到二次液态水，进而获取淡水，利用率大大提高，充分利用资源，节省能源，符合可持续发展的要求，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是本发明一种质子交换膜燃料电池水回收装置的一示意图。
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质子交换膜燃料电池水回收装置，包括质子交换膜燃料电池系统1，质子交换膜燃料电池系统1包括氢气供应回路11、空气供应回路12和质子交换膜燃料电池电堆13，氢气供应回路11和空气供应回路12均连接质子交换膜燃料电池电堆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进入质子交换膜燃料电池电堆13的阳极。
空气供应回路12供应空气，空气供应回路12包括空气过滤器121和空气增压装置122，空气过滤器121和空气增压装置122依次连接，空气经过空气过滤器处理121后进入空气增压装置122，空气增压装置122将空气升压，并送入质子交换膜燃料电池电堆13的阴极。
质子交换膜燃料电池系统13内阳极通入的氢气和阴极通入的空气反应生成直流电，在一实施例中，氢气和空气中的氧气在质子交换膜燃料电池电堆13中发生反应生成直流电。
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到水蒸气冷凝器2中，空气乏气冷凝为汽水混合物，汽水混合物通过汽水分离器3分离为湿空气和一次液态水，湿空气从汽水分离器3的顶部排入排汽管路4，一次液态水从汽水分离器3的底部流出。在一实施例中，汽水分离器3为旋风式分离器，汽水混合物从旋风式分离器的顶部圆周的切向流入，汽水混合物在旋风分离器3气流的作用下高速旋转，密度大的一次液态水在离心力作用下被甩向筒壁，并在重力作用下沿筒壁下落流至旋风分离器3的底部流出，密度小的湿空气在旋风分离器3的内部收缩并向中心流动，向上形成二次涡流，从旋风分离器的顶部排入排汽管路4。
排汽管路4连通分配器5，在一实施例中，分配器5为喷嘴、分流歧管或多孔板。排汽管路4内的湿空气通过分配器5输送到冷板蒸发器7的表面，湿空气和空气中的水蒸气在冷板蒸发器7的表面冷凝为二次液态水，冷板蒸发器7的下方设置有水处理系统6，二次液态水从冷板蒸发器7的表面下落至水处理系统6，一次液态水从汽水分离器3的底部流出，并排入水处理系统6中，在一实施例中，冷板蒸发器7的表面与空气直接接触，冷板蒸发器7的一侧设有风扇71，风扇71驱动空气和湿空气流向冷板蒸发器7的表面，冷板蒸发器7采用直立放置或倾斜放置，使在冷板蒸发器7表面冷凝的二次液态水在重力作用下能下落至水处理器系统6。
在一实施例中，冷板蒸发器7包括平板72和制冷剂流道73，制冷剂流道73设在平板72的内部，制冷剂流道73的两端分别连通直流制冷压缩机74和节流元件75，直流制冷压缩机74和节流元件75均连通冷凝器76，直流制冷压缩机74由质子交换膜燃料电池系统1生成的直流电通过直流-直流变换器14转换为稳定直流电后驱动，直流制冷压缩机74内设有制冷剂气体，直流制冷压缩机74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76，高温高压气在冷凝器76中冷凝成高温高压液体，高温高压液体流经节流元件75变为低温低压的气液混合物，气液混合物流入冷板蒸发器7，气液混合物在冷板蒸发器7中吸收流向冷板蒸发器7表面空气和湿空气的热量，并再次蒸发为制冷剂气体，直流制冷压缩机74的吸气口将制冷剂气体吸入直流制冷压缩机74内，制冷剂气体在直流制冷压缩机74内再次被压缩，冷板蒸发器7表面的空气和湿空气冷凝成二次液态水。
一次液态水和二次液态水在水处理系统6中被处理为可饮用的纯净水。水处理系统6包括集水盘61、紫外线发生装置62、水过滤器63和取水阀64，集水盘61的底部连通水管65，水管65上设有水过滤器63和取水阀64，一次液态水和二次液态水流入集水盘61中，并在集水盘61中经紫外线发生装置62杀菌处理，再通过水管65流至水过滤器63进行过滤处理，即得到纯净水，取水阀64控制纯净水的流出。
质子交换膜燃料电池水回收装置还包括散热系统8，散热系统8、水蒸气冷凝器2、质子交换膜燃料电池系统1和冷凝器76依次连通构成冷却水回路，散热系统8为水蒸气冷凝器2和质子交换膜燃料电池系统1提供冷却水，冷却水在水蒸气冷凝器2和质子交换膜燃料电池系统1中吸热，吸热后的冷却水流向冷凝器76，并带走冷凝器76中的冷凝热，再流回散热系统8中被冷却后循环供应给水蒸气冷凝器2和质子交换膜燃料电池系统1。
散热系统8包括散热器81、散热风机82和水泵83，水泵83连通水蒸气冷凝器2，并泵入水蒸气冷凝器2中吸热，再进入质子交换膜燃料电池系统1中吸热，吸热后的冷却水流向冷凝器76，并带走冷凝器76中的冷凝热，再流回散热器81，并通过散热风机82加速散热器81外部空气的对流实现冷却，散热系统8还包括膨胀水箱84，膨胀水箱84连通散热器81，膨胀水箱84为散热器81提供冷却水并提供冷却水的水温变化时所需的体积膨胀空间。
工作过程：氢气和空气分别通过氢气供应回路11和空气供应回路12进入质子交换膜燃料电池电堆13，氢气和空气中的氧气反应生成直流电，空气中的氧气参与反应，被消耗掉，而不能反应的乏气则排到水蒸气冷凝器2中，并冷凝为汽水混合物，汽水混合物通过汽水分离器3分离为一次液态水和湿空气，湿空气从汽水分离器3的顶部排入排汽管路4，排汽管路4内的湿空气通过分配器5输送到冷板蒸发器7的表面，湿空气和空气中的水蒸气在冷板蒸发器7的表面冷凝为二次液态水，二次液态水从冷板蒸发器7的表面下落至水处理系统6，一次液态水从汽水分离器3的底部流出，并排入水处理系统6，一次液态水和二次液态水在水处理系统6中被处理为可饮用的纯净水。
同时，反应过程中，散热系统8向水蒸气冷凝器2和质子交换膜燃料电池电堆13循环供应冷却水吸收水蒸气冷凝器2的放热和质子交换膜燃料电池电堆13中产生的反应热，吸热后的冷却水流向冷凝器76，并带走冷凝器76中的冷凝热，再流回散热系统8中被冷却后循环供应给水蒸气冷凝器2和质子交换膜燃料电池系统1。
本发明将燃料电池排放的空气乏气中的水蒸气冷凝为一次液态水，再将空气和湿空气冷凝得到二次液态水，进而获取淡水，利用率大大提高，充分利用资源，节省能源，符合可持续发展的要求，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 (10)
1.一种质子交换膜燃料电池水回收装置，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池系统，所述质子交换膜燃料电池系统内阳极通入的氢气和阴极通入的空气反应生成直流电，所述质子交换膜燃料电池系统参与反应后的空气乏气排到水蒸气冷凝器中，所述空气乏气冷凝为汽水混合物，所述汽水混合物通过汽水分离器分离为湿空气和一次液态水，所述湿空气从汽水分离器的顶部排入排汽管路，所述排汽管路连通分配器，所述排汽管路内的湿空气通过分配器输送到冷板蒸发器的表面，所述湿空气和空气中的水蒸气在冷板蒸发器的表面冷凝为二次液态水，所述冷板蒸发器的下方设置有水处理系统，所述二次液态水从冷板蒸发器的表面下落至水处理系统，所述一次液态水从汽水分离器的底部流出，并排入水处理系统，所述一次液态水和所述二次液态水在水处理系统中被处理为可饮用的纯净水。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池水回收装置，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池系统包括氢气供应回路、空气供应回路和质子交换膜燃料电池电堆，所述氢气供应回路和空气供应回路均连接质子交换膜燃料电池电堆，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质子交换膜燃料电池电堆中发生反应生成直流电，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到水蒸气冷凝器中。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池水回收装置,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的阳极；所述空气供应回路包括空气过滤器和空气增压装置，所述空气过滤器和空气增压装置依次连接，空气经过空气过滤器处理后进入空气增压装置，所述空气增压装置将空气升压，并送入质子交换膜燃料电池电堆的阴极。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池水回收装置,其特征在于，所述冷板蒸发器的表面与空气直接接触，所述冷板蒸发器的一侧设有风扇，所述风扇驱动空气和湿空气流向冷板蒸发器的表面，所述冷板蒸发器采用直立放置或倾斜放置，使在冷板蒸发器表面冷凝的二次液态水在重力作用下能下落至水处理器系统。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池水回收装置,其特征在于，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，所述直流制冷压缩机和节流元件均连通冷凝器，所述直流制冷压缩机由质子交换膜燃料电池系统生成的直流电通过直流-直流变换器转换为稳定直流电后驱动，所述直流制冷压缩机内设有制冷剂气体，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冷板蒸发器，所述气液混合物在冷板蒸发器中吸收流向冷板蒸发器表面空气和湿空气的热量，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，所述冷板蒸发器表面的空气和湿空气冷凝成二次液态水。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池水回收装置,其特征在于，所述分配器为喷嘴、分流歧管或多孔板。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池水回收装置,其特征在于，所述汽水分离器为旋风式分离器，所述汽水混合物从旋风式分离器的顶部圆周的切向流入，所述汽水混合物在旋风分离器气流的作用下高速旋转，密度大的一次液态水在离心力作用下被甩向筒壁，并在重力作用下沿筒壁下落流至旋风分离器的底部流出，密度小的湿空气在旋风分离器的内部收缩并向中心流动，向上形成二次涡流，从旋风分离器的顶部排入排汽管路。
8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池水回收装置，其特征在于，所述水处理系统包括集水盘、紫外线发生装置、水过滤器和取水阀，所述集水盘的底部连通水管，所述水管上设有水过滤器和取水阀，所述一次液态水和所述二次液态水流入集水盘中，并在集水盘中经紫外线发生装置杀菌处理，再通过水管流至水过滤器进行过滤处理，即得到纯净水，所述取水阀控制纯净水的流出。
9.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池水回收装置，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池水回收装置还包括散热系统，所述散热系统、水蒸气冷凝器、质子交换膜燃料电池系统和冷凝器依次连通构成冷却水回路，所述散热系统为水蒸气冷凝器和质子交换膜燃料电池系统提供冷却水，所述冷却水在水蒸气冷凝器和质子交换膜燃料电池系统中吸热，吸热后的冷却水流向冷凝器，并带走冷凝器中的冷凝热，再流回散热系统中被冷却后循环供应给水蒸气冷凝器和质子交换膜燃料电池系统。
10.根据权利要求9所述的质子交换膜燃料电池水回收装置，其特征在于，所述散热系统包括散热器、散热风机和水泵，所述水泵连通水蒸气冷凝器，并泵入水蒸气冷凝器中吸热，再进入质子交换膜燃料电池系统中吸热，吸热后的冷却水流向冷凝器，并带走冷凝器中的冷凝热，再流回散热器，并通过散热风机加速散热器外部空气的对流实现冷却，所述散热系统还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱连通散热器，所述膨胀水箱为散热器提供冷却水并提供冷却水的水温变化时所需的体积膨胀空间。
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