CN108569736A - 一种基于燃料电池余热驱动的海水淡化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于燃料电池余热驱动的海水淡化系统，稀海水槽、浓海水槽和淡水槽的液面位于同一水平面，蒸发器和冷凝器均为密封容器，蒸发器的侧面通过第一连通管道连通稀海水槽，蒸发器的底部通过第二连通管道连通浓海水槽，蒸发器的顶部通过水蒸气连通管道连通冷凝器的顶部，冷凝器的底部通过第三连通管道连通淡水槽，蒸发器和冷凝器的液面均高于浓海水槽和淡水槽的液面，蒸发器的下部设有蒸发盘管，冷凝器的上部设有冷凝盘管，散热器连接蒸发盘管和冷凝盘管，蒸发盘管连接冷却水出口，冷凝盘管连接冷却水进口。本发明利用了水蒸气压力降低，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、远洋船舶海上环境独立运行。
Description
技术领域
本发明涉及热能动力技术领域，尤其涉及一种基于燃料电池余热驱动的海水淡化系统。
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基于燃料电池余热驱动的海水淡化系统。
本发明的实施例提供一种基于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、浓海水槽、稀海水槽、淡水槽、蒸发器、冷凝器、散热器、第一连通管道、第二连通管道、第三连通管道、水蒸气连通管道，所述稀海水槽、浓海水槽和淡水槽的液面位于同一水平面，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连通管道连通稀海水槽，所述蒸发器的底部通过第二连通管道连通浓海水槽，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，所述冷凝器的底部通过第三连通管道连通淡水槽，所述蒸发器和冷凝器的液面均高于浓海水槽和淡水槽的液面8.5-9.5m，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，水蒸气通过所述水蒸气连通管道进入冷凝器的上部,在蒸发器中释放了热量的冷却水温度降低，温度降低的冷却水流入散热器中，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所述冷凝盘管外部的水蒸气，最后冷却水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,在冷凝盘管外部冷凝的水蒸气滴落即得到淡水，同时，所述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，并通过第二连通管道流入浓海水槽，所述蒸发器内的压强降低，所述稀海水槽内的海水在大气压的作用下从第一连通管道进入蒸发器内，进而连续进行海水淡化。
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，所述蒸发盘管和散热器间设有水泵，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，所述水泵通过稳定直流电驱动。
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，所述第一连通管道、第二连通管道和第三连通管道上均设有截止阀，所述水蒸气连通管道的上方设有阀门。
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，多余的氢气通过氢气出口排出，多余的空气和反应生成的水通过空气出口排出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：利用了水蒸气压力降低，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是本发明一种基于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一种基于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和散热器10。
质子交换膜燃料电池电堆1上设有冷却水进口11、冷却水出口12、氢气进口13、氢气出口14、空气进口15和空气出口16，所述氢气进口13通入氢气，所述空气进口15通入空气，所述氢气和空气中的氧气反应产生直流电和水，多余的氢气通过氢气出口排出，多余的空气和反应生成的水也通过空气出口16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。
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21，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31，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41，以维持淡水槽4液面稳定。
浓海水槽2、稀海水槽3和淡水槽4的液面位于同一水平面。
蒸发器5是一个密封容器，所述蒸发器5的底部通过第二连通管道52连通浓海水槽2(第二连通管道52的下端管口低于浓海水槽2的液面)，所述稀海水槽3通过第一连通管道53连通蒸发器5的侧面(第一连通管道53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51，并浸没在蒸发器5内的海水中。
冷凝器6为密封容器，所述冷凝器6的底部通过第三连通管道62连通淡水槽4(第三连通管道62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61。
第一连通管道53、第二连通管道52和第三连通管道62上均设有截止阀60，优选地，截止阀60设置在第一连通管道53、第二连通管道52和第三连通管道62的下端管口处。
蒸发器5的顶部通过水蒸气连通管道63连通冷凝器6的顶部，在一实施例中，水蒸气连通管道63的上方设有阀门631，蒸发器5和冷凝器6的液面均高于浓海水槽2、稀海水槽3和淡水槽4的液面8.5-9.5m，即h＝8.5-9.5m，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和冷凝器6中液体的沸点降低，即蒸发器5和冷凝器6上部空间将保持一较低的压力(因水蒸气压强+h高度的海水液柱产生的压强＝大气压)，例如当h＝9米时，蒸发器5和冷凝器6上部压力约为13000Pa，对应的水蒸气的饱和温度约为51℃，即若海水的温度高于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℃，因此可将质子交换膜燃料电池电堆1的余热用于此系统中使海水沸腾。
散热器10分别连接蒸发盘管51和冷凝盘管61，蒸发盘管51连接质子交换膜燃料电池电堆1的冷却水出口12，冷凝盘管61连接质子交换膜燃料电池电堆1的冷却水进口11，在一实施例中，蒸发盘管51和散热器10间设有水泵9，水泵9驱动冷却水在散热器10、冷凝盘管61、质子交换膜燃料电池电堆1、蒸发盘管51中循环。
散热器10的邻近设有散热风扇101，所述散热风扇101加速散热器10外部空气的对流，进而加速所述散热器10的散热，加速冷却水的冷却。
初始状态时，将截止阀60全部关闭，打开水蒸气连通管道63上方的阀门631，并由此阀门631向蒸发器5和冷凝器6以及内部空间中灌入海水，将蒸发器5和冷凝器6以及内部空间中的空气全部挤压出，然后关闭水蒸气连通管道63中间的阀门631，打开截止阀60，蒸发器5和冷凝器6中的液面向下降时，在蒸发器5和冷凝器6上部形成负压空间，当液面降低到上部空间的压强加上海水液柱的压强等于大气压力时，蒸发器5和冷凝器6中的液面将保持平衡，此时系统就可以进行以下工作。
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12流出，流入蒸发盘管51，吸收了反应热的冷却水在所述蒸发盘管51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63流入冷凝器6的上部。冷却水在所述蒸发盘管51中将热量传递给所述蒸发器5内的海水后，温度降低，然后冷却水被水泵9泵入散热器10，并在散热器10中通过散热风扇101将热量散发到空气中，进一步冷却，温度降低到35～45℃，然后流入冷凝盘管61。在冷凝盘管61中，因为冷却水的温度低于水蒸气的饱和温度，因此冷凝盘管61外部的水蒸气被冷凝下来，即得到淡水。淡水沿第三连通管道62流入淡水槽4中，当淡水槽4中的液面高于溢流孔41后，淡水将溢出，可用于岛上或船上的生活用水。而吸收了水蒸气凝结热后的冷却水温度升高到45～50℃，其从冷却水进口11流回质子交换膜燃料电池电堆1，以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内被蒸发出了水蒸气，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，并沿第二连通管道52流入浓海水槽2，所述蒸发器5内的液面下降，压强降低，所述稀海水槽3内的海水在大气压的作用下将从第一连通管道53进入蒸发器5内，从而可以维持蒸发器5内液面的平衡，使得可以连续进行海水淡化。
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。
本发明利用了水蒸气压力降低，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 (9)
1.一种基于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、浓海水槽、稀海水槽、淡水槽、蒸发器、冷凝器、散热器、第一连通管道、第二连通管道、第三连通管道、水蒸气连通管道，所述稀海水槽、浓海水槽和淡水槽的液面位于同一水平面，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连通管道连通稀海水槽，所述蒸发器的底部通过第二连通管道连通浓海水槽，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，所述冷凝器的底部通过第三连通管道连通淡水槽，所述蒸发器和冷凝器的液面均高于浓海水槽和淡水槽的液面8.5-9.5m，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所述的基于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，水蒸气通过所述水蒸气连通管道进入冷凝器的上部,在蒸发器中释放了热量的冷却水温度降低，温度降低的冷却水流入散热器中，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所述冷凝盘管外部的水蒸气，最后冷却水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,在冷凝盘管外部冷凝的水蒸气滴落即得到淡水，同时，所述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，并通过第二连通管道流入浓海水槽，所述蒸发器内的压强降低，所述稀海水槽内的海水在大气压的作用下从第一连通管道进入蒸发器内，进而连续进行海水淡化。
3.根据权利要求1所述的基于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。
4.根据权利要求1所述的基于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。
5.根据权利要求1所述的基于燃料电池余热驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述蒸发盘管和散热器间设有水泵，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。
6.根据权利要求5所述的基于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，所述水泵通过稳定直流电驱动。
7.根据权利要求5所述的基于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。
8.根据权利要求1所述的基于燃料电池余热驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述第一连通管道、第二连通管道和第三连通管道上均设有截止阀，所述水蒸气连通管道的上方设有阀门。
9.根据权利要求1所述的基于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，多余的氢气通过氢气出口排出，多余的空气和反应生成的水通过空气出口排出。
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| CN (1) | CN108569736A (zh) |
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| CN114068988A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-02-18 | 浙江清华长三角研究院 | 一种高温燃料电池热电联产和海水淡化装置集成系统 |
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-
2017
- 2017-11-10 CN CN201711106274.9A patent/CN108569736A/zh active Pending
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