CN108002476A - 燃料电池余热驱动的海水淡化系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了燃料电池余热驱动的海水淡化系统，蒸发器和冷凝器均为密封容器，所述蒸发器的侧面通过第一管道连通稀海水槽，所述蒸发器的底部通过第二管道连通浓海水槽，所述冷凝器的底部通过第三管道连通淡水槽，所述蒸发器的顶部通过水蒸气连通管道连通冷凝器的顶部，所述水蒸气连通管道的中间连通真空泵，所述蒸发器的下部设有蒸发盘管，所述冷凝器的上部设有冷凝盘管，所述散热器连接蒸发盘管和冷凝盘管，所述蒸发盘管连接质子交换膜燃料电池电堆的冷却水出口，所述冷凝盘管连接质子交换膜燃料电池电堆的冷却水进口。本发明利用压力降低，沸腾温度下降的原理，可以不依赖于电网，在远离电网的海岛、远洋船舶等海上环境实现独立运行。
Description
技术领域
本发明涉及热能动力技术领域，尤其涉及燃料电池余热驱动的海水淡化系统及其工作方法。
背景技术
在海岛以及远洋船舶上，海水淡化是一个重要课题。
海水淡化的方法包括蒸馏等，但在常压下进行海水蒸馏，需要将水加热到约100℃，不仅需要消耗大量的能源，而且能源的来源受限。
质子交换膜燃料电池电堆(PEMFC)运行时约有50％的能量以热量的形式白白排放掉，而没有得到充分的利用。但是PEMFC燃料电池的余热温度较低，一般为50～60℃，在常压下不足以使海水沸腾，因而燃料电池的余热不能直接用于海水淡化。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于燃料电池的海水淡化装置，可以充分利用PEMFC较低的余热温度提供淡水的燃料电池余热驱动的海水淡化系统及其工作方法。
本发明的实施例提供燃料电池余热驱动的海水淡化系统，包括质子交换膜燃料电池电堆、稀海水槽、浓海水槽、淡水槽、蒸发器、真空泵、冷凝器、散热器、第一管道、第二管道、第三管道和水蒸气连通管道，所述蒸发器和冷凝器均为密封容器，所述蒸发器的侧面通过第一管道连通稀海水槽，所述蒸发器的底部通过第二管道连通浓海水槽，所述冷凝器的底部通过第三管道连通淡水槽，所述蒸发器的顶部通过水蒸气连通管道连通冷凝器的顶部，所述水蒸气连通管道的中间连通真空泵，所述蒸发器的下部设有蒸发盘管，所述冷凝器的上部设有冷凝盘管，所述散热器连接蒸发盘管和冷凝盘管，所述蒸发盘管连接质子交换膜燃料电池电堆的冷却水出口，所述冷凝盘管连接质子交换膜燃料电池电堆的冷却水进口。
进一步，所述真空泵对所述蒸发器和冷凝器抽真空，所述蒸发器和冷凝器液面上部的压力降低，进而使所述蒸发器中海水的沸点降低，所述质子交换膜燃料电池电堆反应产生的反应热通过冷却水冷却，吸收了反应热的冷却水温度升高，并从所述冷却水出口流出，流入蒸发盘管，在所述蒸发盘管中将热量传递给所述蒸发器内的海水，海水温度升高并沸腾，产生水蒸气，同时冷却水因放出热量而温度降低，水蒸气沿水蒸气连通管道进入冷凝器的上部，温度降低的冷却水进而流入散热器，并在散热器中进一步冷却后，流入冷凝盘管，在冷凝盘管中，因冷却水的温度低于冷凝盘管外水蒸气的饱和温度，使冷凝盘管外的水蒸气凝结，即得到淡水，流出冷凝盘管的冷却水最后从所述冷却水进口流回质子交换膜燃料电池电堆，从而循环冷却质子交换膜燃料电池电堆，在蒸发器内，被蒸发了水蒸气的海水浓度变高，密度增大，进而下沉到蒸发器的底部。
进一步，所述真空泵的进口和水蒸气连通管道之间设有真空阀，所述真空泵的出口连通大气，所述水蒸气连通管道上靠近蒸发器的一侧设有一真空计，所述蒸发器上部设有液位计，所述第三管道上设有阀门C，所述第二管道上设有阀门B，所述第一管道上设有阀门A。
进一步，所述散热器的邻近设有散热风扇，所述散热风扇加速散热器外部空气的对流，进而加速所述散热器的散热，加速冷却水的冷却。
进一步，所述稀海水槽、浓海水槽和淡水槽的侧面顶部均开有溢流孔，所述稀海水槽、浓海水槽和淡水槽均通过溢流孔的溢流维持液面高度稳定。
进一步，所述质子交换膜燃料电池电堆反应产生直流电，所述直流电经DC-DC变换器转换为稳定直流电，所述稳定直流电驱动水泵和真空泵。
进一步，所述水泵设在蒸发盘管和散热器间，所述水泵驱动冷却水在散热器、冷凝盘管、质子交换膜燃料电池电堆、蒸发盘管中循环。
进一步，所述水泵连通膨胀水箱，所述膨胀水箱用于容纳冷却水循环回路中因温度变化而造成的水的容积变化。
进一步，所述质子交换膜燃料电池电堆上设有氢气进口、氢气出口、空气进口和空气出口，所述氢气进口通入氢气，所述空气进口通入空气，所述氢气和空气中的氧气反应产生直流电和水，未反应完的氢气通过氢气出口排出电堆，多余的空气和反应产生的水则通过空气出口排出电堆。
一种燃料电池余热驱动的海水淡化系统的工作方法，包括以下步骤：
S1.抽空：将蒸发器和冷凝器都排空，打开真空阀，关闭阀门A、阀门B和阀门C，启动真空泵，所述真空泵对蒸发器和冷凝器抽真空，根据所述真空计实时监测蒸发器和冷凝器内的压力情况，当压力下降到预定压力时，关闭真空阀，再关闭真空泵；
S2.上水：打开阀门A，蒸发器内压力小于大气压，稀海水槽中的海水将沿第一管道进入蒸发器，当蒸发器内的液位达到所述液位计高度时，关闭阀门A；
S3.淡化：质子交换膜燃料电池电堆反应产生的反应热通过冷却水冷却，吸收了反应热的冷却水温度升高，并从所述冷却水出口流出，流入蒸发盘管，冷却水在所述蒸发盘管中将热量传递给所述蒸发器内的海水，使海水温度升高并沸腾，产生水蒸气，水蒸气沿水蒸气连通管道进入冷凝器的上部，在冷凝盘管外的水蒸气冷凝，即得到淡水，蒸发器内被蒸发了水蒸气余下的海水浓度变高，密度增大，进而下沉到蒸发器的底部，蒸发器内的压强降低；同时，冷却水的温度降低，冷却水在所述水泵的作用下流入散热器，并在散热器中进一步冷却，然后流入冷凝盘管，并在冷凝盘管中冷凝水蒸气，再从冷却水进口流回质子交换膜燃料电池电堆，循环冷却质子交换膜燃料电池电堆，进而连续利用反应热进行海水淡化；随着冷凝器中产生的淡水越来越多，冷凝器和蒸发器中的压力会越来越高，当真空计检测到压力升高到20000～32000Pa时，进入步骤S4；
S4.排空：打开真空阀，所述冷凝器、蒸发器将通过真空泵与大气连通，所述冷凝器和蒸发器内的压力与大气压力相等，打开阀门A、阀门B和阀门C，所述蒸发器底部的下沉的密度增大的海水顺着第二管道进入浓海水槽，所述冷凝器底部的淡水顺着第三管道进入淡水槽，当淡水槽中收集的淡水的液面高于溢流孔后，淡水将溢出，用于岛上或船上的生活用水，当蒸发器和冷凝器全部排空后，结束排空操作，返回步骤S1循环工作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：利用压力降低，沸腾温度下降的原理，可以不依赖于电网，在远离电网的海岛、远洋船舶等海上环境实现独立运行，只要有氢气就可以源源不断地进行海水淡化在，以燃料电池作为主推进装置的氢动力船船上，在具有充足的氢燃料供应但是缺乏淡水的情况下，可以提供干净的淡水。
附图说明
图1是本发明燃料电池余热驱动的海水淡化系统的一示意图。
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本发明的实施例提供燃料电池余热驱动的海水淡化系统，包括质子交换膜燃料电池电堆1、浓海水槽2、稀海水槽3、淡水槽4、蒸发器5、冷凝器6、DC-DC变换器7、膨胀水箱8、水泵9、真空泵11和散热器12。
质子交换膜燃料电池电堆1上设有冷却水进口101、冷却水出口102、氢气进口103、氢气出口104、空气进口105和空气出口106，所述氢气进口103通入氢气，所述空气进口105通入空气，所述氢气和空气中的氧气反应产生直流电和水，多余的氢气从氢气出口104排出，多余的空气和反应过程中生成的水由空气出口106排出，质子交换膜燃料电池电堆1反应产生直流电，所述直流电经DC-DC变换器7转换为稳定直流电，并驱动水泵9和真空泵11。
浓海水槽2用于盛装脱去一部分水蒸气的、盐度较高的海水，浓海水槽2侧面顶部均开有溢流孔201，以维持浓海水槽2的液面稳定。
稀海水槽3是一个容积巨大的水槽，盛满来自海洋的普通盐度的海水，稀海水槽3也可以是一个直接和海洋连通的海水池，稀海水槽3侧面顶部均开有溢流孔301，以维持稀海水槽3的液面稳定。
淡水槽4用于盛装冷凝下来的淡水，淡水槽4的侧面顶部均开有溢流孔401，以维持淡水槽4液面稳定。
蒸发器5是一个密封容器，所述蒸发器5上部设有液位计502，所述蒸发器5的底部通过第二管道503连通浓海水槽2(第二管道503的下端管口低于浓海水槽2的液面)，所述稀海水槽3通过第一管道504连通蒸发器5的侧面(第一管道504的下端管口低于稀海水槽3的液面)，所述蒸发器5的下部设有蒸发盘管501，并浸没在蒸发器5内的海水中，在一实施例中，所述蒸发器5的第二管道503上设有阀门B505，所述第一管道504上设有阀门A506。
冷凝器6为密封容器，所述冷凝器6的底部通过第三管道602连通淡水槽4(第三管道602的下端管口低于淡水槽4的液面)，所述冷凝器6的上部设有冷凝盘管601，在一实施例中，所述冷凝器6的第三管道602上设有阀门C603。
蒸发器5的顶部通过水蒸气连通管道604连通冷凝器6的顶部，所述水蒸气连通管道604的中间连通真空泵11，所述真空泵11与水蒸气连通管道604之间设有真空阀111，真空泵11为具有水蒸气抽吸能力的真空泵，真空泵11的进口和水蒸气连通管道604相接，用于对蒸发器5和冷凝器6同时抽真空，所述蒸发器5和冷凝器6液面上部的压力降低，进而使所述蒸发器5中海水的沸点降低，真空泵11的出口通大气，所述水蒸气连通管道604上靠近蒸发器5的一侧设有一真空计605，通过所述真空计605可以监测蒸发器5和冷凝器6中的压力。
在常压下，水的沸腾温度为100℃，采用抽真空的方法降低蒸发器5和冷凝器6中的压力，使其压力低于大气压。当蒸发器5和冷凝器6上部压力降低到约13000Pa时，对应的水蒸气的饱和温度下降到约为51℃。此时，若海水的温度高于51℃，则海水就会沸腾，从而产生出大量的水蒸气。这比在常压下要将水加热到100℃才能沸腾，所需的温度要低得多。由于通常质子交换膜燃料电池电堆1的工作温度约为50～70℃，因此可将燃料电池的余热用于进行海水淡化。
散热器12分别连接蒸发盘管501和冷凝盘管601，蒸发盘管501连接质子交换膜燃料电池电堆1的冷却水出口102，冷凝盘管601连接质子交换膜燃料电池电堆1的冷却水进口101，在一实施例中，蒸发盘管501和散热器12间设有水泵9，通过水泵9的驱动作用使冷却水在散热器12、冷凝盘管601、质子交换膜燃料电池电堆1、蒸发盘管501中循环。
散热器12的邻近设有散热风扇121，所述散热风扇121加速散热器12外部空气的对流，进而加速所述散热器12的散热，加速冷却水的冷却。
水泵9连通膨胀水箱8，所述膨胀水箱8用于容纳冷却水循环回路中因温度变化而造成的水的容积变化。
质子交换膜燃料电池电堆1反应产生的反应热通过冷却水冷却，在一实施例中，冷却水为纯净水或去离子水，吸收了反应热的冷却水温度升高到约55～65℃，并从所述冷却水出口102流出，流入蒸发盘管501，吸收了反应热的冷却水在所述蒸发盘管501中将热量传递给所述蒸发器5内的海水，海水温度升高，当海水的温度升高到51℃，高于蒸发器5上部空间压力对应的水的饱和温度时，海水将沸腾，产生水蒸气，水蒸气蒸发，并从水蒸气连通管道604中流入冷凝器6的上部，吸收了反应热的冷却水在所述蒸发盘管501中将热量传递给所述蒸发器5内的海水，冷却水的温度降低，冷却水通过水泵9泵入散热器12，并在散热器12中进一步冷却，再流入冷凝盘管601，并在冷凝盘管601外部冷凝水蒸气，即得到淡水，淡水可流入淡水槽4中，当淡水槽4中的液面高于溢流孔401后，淡水将溢出，可用于岛上或船上的生活用水，同时，冷却水吸收了水蒸气凝结热温度升高到45～50℃，再从冷却水进口101流回质子交换膜燃料电池电堆1，循环冷却质子交换膜燃料电池电堆1(电堆内部温度约50～60℃)。
蒸发器5内被蒸发了水蒸气余下的海水浓度变高，密度增大，进而下沉到蒸发器5的底部，并沿第二管道503流入浓海水槽2，所述蒸发器5内的压强降低，所述稀海水槽3内的海水在大气压的作用下从第一管道504进入蒸发器5内，进而可以连续进行海水淡化。
一种燃料电池余热驱动的海水淡化系统的工作方法，包括以下步骤：
S1.抽空：将蒸发器5和冷凝器6都排空，打开真空阀111，关闭阀门A506、阀门B505和阀门C603，启动真空泵11，所述真空泵11对蒸发器5和冷凝器6抽真空，根据所述真空计605实时监测蒸发器5和冷凝器6内的压力情况，当压力下降到预定压力时，关闭真空阀111，再关闭真空泵11；
S2.上水：打开阀门A506，蒸发器5内压力小于大气压，稀海水槽3中的海水将沿第一管道504进入蒸发器5，当蒸发器5内的液位达到所述液位计502高度时，关闭阀门A506；
S3.淡化：质子交换膜燃料电池电堆1反应产生的反应热通过冷却水冷却，吸收了反应热的冷却水温度升高，并从所述冷却水出口102流出，流入蒸发盘管501，冷却水在所述蒸发盘管501中将热量传递给所述蒸发器5内的海水，使海水温度升高并沸腾，产生大量水蒸气，大量水蒸气沿水蒸气连通管道604进入冷凝器6的上部，在冷凝盘管601外部的水蒸气冷凝，即得到淡水，蒸发器5内被蒸发了水蒸气余下的海水浓度变高，密度增大，进而下沉到蒸发器5的底部，所述蒸发器5内的压强降低；同时，冷却水的温度降低，冷却水在所述水泵9的作用下流入散热器12，并在散热器12中进一步冷却，然后流入冷凝盘管601，并在冷凝盘管601中冷凝水蒸气，再从冷却水进口101流回质子交换膜燃料电池电堆1，循环冷却质子交换膜燃料电池电堆1，进而连续利用反应热进行海水淡化；随着冷凝器6中产生的淡水越来越多，冷凝器6和蒸发器5中的压力会越来越高，当真空计605检测到压力升高到20000～32000Pa时，此时对应的饱和温度约60～70℃，进入步骤S4；
S4.排空：打开真空阀111，所述冷凝器6、蒸发器5将通过真空泵11与大气连通，所述冷凝器6和蒸发器5内的压力与大气压力相等，打开阀门A506、阀门B505和阀门C603，所述蒸发器5底部的下沉的密度增大的海水顺着第二管道503进入浓海水槽2，所述冷凝器6底部的淡水顺着第三管道602进入淡水槽4，当淡水槽4中收集的淡水的液面高于溢流孔401后，淡水将溢出，用于岛上或船上的生活用水，当蒸发器5和冷凝器6全部排空后，结束排空操作，返回步骤S1循环工作。
本发明利用压力降低，沸腾温度下降的原理，可以不依赖于电网，在远离电网的海岛、远洋船舶等海上环境实现独立运行，只要有氢气就可以源源不断地进行海水淡化，在以燃料电池作为主推进装置的氢动力船船上，在具有充足的氢燃料供应但是缺乏淡水的情况下，可以提供干净的淡水。
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.燃料电池余热驱动的海水淡化系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池电堆、稀海水槽、浓海水槽、淡水槽、蒸发器、真空泵、冷凝器、散热器、第一管道、第二管道、第三管道和水蒸气连通管道，所述蒸发器和冷凝器均为密封容器，所述蒸发器的侧面通过第一管道连通稀海水槽，所述蒸发器的底部通过第二管道连通浓海水槽，所述冷凝器的底部通过第三管道连通淡水槽，所述蒸发器的顶部通过水蒸气连通管道连通冷凝器的顶部，所述水蒸气连通管道的中间连通真空泵，所述蒸发器的下部设有蒸发盘管，所述冷凝器的上部设有冷凝盘管，所述散热器连接蒸发盘管和冷凝盘管，所述蒸发盘管连接质子交换膜燃料电池电堆的冷却水出口，所述冷凝盘管连接质子交换膜燃料电池电堆的冷却水进口。
2.根据权利要求1所述的燃料电池余热驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述真空泵对所述蒸发器和冷凝器抽真空，所述蒸发器和冷凝器液面上部的压力降低，进而使所述蒸发器中海水的沸点降低，所述质子交换膜燃料电池电堆反应产生的反应热通过冷却水冷却，吸收了反应热的冷却水温度升高，并从所述冷却水出口流出，流入蒸发盘管，在所述蒸发盘管中将热量传递给所述蒸发器内的海水，海水温度升高并沸腾，产生水蒸气，同时冷却水因放出热量而温度降低，水蒸气沿水蒸气连通管道进入冷凝器的上部，温度降低的冷却水进而流入散热器，并在散热器中进一步冷却后，流入冷凝盘管，在冷凝盘管中，因冷却水的温度低于冷凝盘管外水蒸气的饱和温度，使冷凝盘管外的水蒸气凝结，即得到淡水，流出冷凝盘管的冷却水最后从所述冷却水进口流回质子交换膜燃料电池电堆，从而循环冷却质子交换膜燃料电池电堆，在蒸发器内，被蒸发了水蒸气的海水浓度变高，密度增大，进而下沉到蒸发器的底部。
3.根据权利要求1所述的燃料电池余热驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述真空泵的进口和水蒸气连通管道之间设有真空阀，所述真空泵的出口连通大气，所述水蒸气连通管道上靠近蒸发器的一侧设有一真空计，所述蒸发器上部设有液位计，所述第三管道上设有阀门C，所述第二管道上设有阀门B，所述第一管道上设有阀门A。
4.根据权利要求1所述的燃料电池余热驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述散热器的邻近设有散热风扇，所述散热风扇加速散热器外部空气的对流，进而加速所述散热器的散热，加速冷却水的冷却。
5.根据权利要求1所述的燃料电池余热驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述稀海水槽、浓海水槽和淡水槽的侧面顶部均开有溢流孔，所述稀海水槽、浓海水槽和淡水槽均通过溢流孔的溢流维持液面高度稳定。
6.根据权利要求1所述的燃料电池余热驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池电堆反应产生直流电，所述直流电经DC-DC变换器转换为稳定直流电，所述稳定直流电驱动水泵和真空泵。
7.根据权利要求6所述的燃料电池余热驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述水泵设在蒸发盘管和散热器间，所述水泵驱动冷却水在散热器、冷凝盘管、质子交换膜燃料电池电堆、蒸发盘管中循环。
8.根据权利要求6所述的燃料电池余热驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述水泵连通膨胀水箱，所述膨胀水箱用于容纳冷却水循环回路中因温度变化而造成的水的容积变化。
9.根据权利要求1所述的燃料电池余热驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池电堆上设有氢气进口、氢气出口、空气进口和空气出口，所述氢气进口通入氢气，所述空气进口通入空气，所述氢气和空气中的氧气反应产生直流电和水，未反应完的氢气通过氢气出口排出电堆，多余的空气和反应产生的水则通过空气出口排出电堆。
10.一种如权利要求1-9任一项所述燃料电池余热驱动的海水淡化系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.抽空：将蒸发器和冷凝器都排空，打开真空阀，关闭阀门A、阀门B和阀门C，启动真空泵，所述真空泵对蒸发器和冷凝器抽真空，根据所述真空计实时监测蒸发器和冷凝器内的压力情况，当压力下降到预定压力时，关闭真空阀，再关闭真空泵；
S2.上水：打开阀门A，蒸发器内压力小于大气压，稀海水槽中的海水将沿第一管道进入蒸发器，当蒸发器内的液位达到所述液位计高度时，关闭阀门A；
S3.淡化：质子交换膜燃料电池电堆反应产生的反应热通过冷却水冷却，吸收了反应热的冷却水温度升高，并从所述冷却水出口流出，流入蒸发盘管，冷却水在所述蒸发盘管中将热量传递给所述蒸发器内的海水，使海水温度升高并沸腾，产生水蒸气，水蒸气沿水蒸气连通管道进入冷凝器的上部，在冷凝盘管外的水蒸气冷凝，即得到淡水，蒸发器内被蒸发了水蒸气余下的海水浓度变高，密度增大，进而下沉到蒸发器的底部，蒸发器内的压强降低；同时，冷却水的温度降低，冷却水在所述水泵的作用下流入散热器，并在散热器中进一步冷却，然后流入冷凝盘管，并在冷凝盘管中冷凝水蒸气，再从冷却水进口流回质子交换膜燃料电池电堆，循环冷却质子交换膜燃料电池电堆，进而连续利用反应热进行海水淡化；随着冷凝器中产生的淡水越来越多，冷凝器和蒸发器中的压力会越来越高，当真空计检测到压力升高到20000～32000Pa时，进入步骤S4；
S4.排空：打开真空阀，所述冷凝器、蒸发器将通过真空泵与大气连通，所述冷凝器和蒸发器内的压力与大气压力相等，打开阀门A、阀门B和阀门C，所述蒸发器底部的下沉的密度增大的海水顺着第二管道进入浓海水槽，所述冷凝器底部的淡水顺着第三管道进入淡水槽，当淡水槽中收集的淡水的液面高于溢流孔后，淡水将溢出，用于岛上或船上的生活用水，当蒸发器和冷凝器全部排空后，结束排空操作，返回步骤S1循环工作。
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| CN109336206A (zh) * | 2018-11-09 | 2019-02-15 | 中山大学 | 一种支持燃料电池废水回收和海水淡化的水热电联产系统 |
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