一种质子交换膜燃料电池空气取水装置的制作方法

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具有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种用燃料供给燃料电池发电，进而获取淡水的质子交换膜燃料电池空气取水装置。

本发明的实施例提供一种质子交换膜燃料电池空气取水装置，包括质子交换膜燃料电池系统、蒸气压缩式制冷系统、水蒸气冷凝器和汽水分离器，所述质子交换膜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蒸气压缩式制冷系统工作，所述质子交换膜燃料电池系统生成直流电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水和气体，所述水从汽水分离器的底部流出，所述气体从汽水分离器的顶部流出，并排入空气中。

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、质子交换膜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，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。

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增压装置，所述空气滤清器和空气增压装置依次连接，空气经过空气滤清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。

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，密度小的气体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流出。

进一步，所述蒸气压缩式制冷系统包括直流制冷压缩机、蒸发器、节流元件和冷凝器，所述直流制冷压缩机、蒸发器、节流元件和冷凝器依次连接构成回路，所述蒸发器的下方设有水处理系统，所述稳定直流电驱动直流制冷压缩机运转，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冷凝成水珠，所述水珠在重力的作用下滴到蒸发器下方的水处理系统上。

进一步，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，所述紫外线发生装置设在集水盘的上方侧面，所述集水盘的底部设有水管，所述水管上设有水过滤器和取水阀，所述集水盘接从蒸发器滴下的水珠，同时，所述汽水混合物通过汽水分离器分离得到的水也流入集水盘中，所述集水盘中的水通过紫外线发生装置杀菌处理，再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空气取水装置还包括辅助散热系统，所述辅助散热系统通过水蒸气冷凝器连通质子交换膜燃料电池系统，所述质子交换膜燃料电池系统、冷凝器和辅助散热系统依次连通，所述辅助散热系统供应给质子交换膜燃料电池系统的水先流入水蒸气冷凝器，再流入质子交换膜燃料电池系统并让水吸收质子交换膜燃料电池系统的反应热，吸收了质子交换膜燃料电池系统反应热的水从质子交换膜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水循环供应给质子交换膜燃料电池系统。

进一步，所述辅助散热系统包括散热器、散热风机和水泵，所述散热风机加速散热器外部空气的对流，所述水泵连通水蒸气冷凝器，所述水泵从散热器的底部抽水，并泵入水蒸气冷凝器中，再进入质子交换膜燃料电池系统；所述辅助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供水并提供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：本发明综合将空气中的水蒸气和燃料电池排放的空气乏气中的水蒸气冷凝为液态水，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组成示意图。

图2是图1中汽水分离器的外观示意图。

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，本发明的实施例一种提供了质子交换膜燃料电池空气取水装置，包括质子交换膜燃料电池系统1、蒸气压缩式制冷系统2、水蒸气冷凝器3、汽水分离器4和水处理系统5。

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、质子交换膜燃料电池电堆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。

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和空气增压装置122，空气滤清器121和空气增压装置122依次连接，空气经过空气滤清器121处理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。

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，质子交换膜燃料电池系统13生成直流电后的空气乏气排到水蒸气冷凝器3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4分离为水和气体，水从汽水分离器4的底部流出，气体从汽水分离器4的顶部流出，并排入空气中，反应后剩余的微量氢气经第一电磁阀116排出到空气中。

请参考图2，在一实施例中，汽水分离器4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气流的作用下高速旋转，密度大的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，密度小的气体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流出。

直流-直流变换器14将直流电转换成稳定直流电，稳定直流电驱动蒸气压缩式制冷系统2工作，蒸气压缩式制冷系统2包括直流制冷压缩机21、冷凝器22、节流元件23和蒸发器24，直流制冷压缩机21、冷凝器22、节流元件23和蒸发器24依次连接构成回路，蒸发器24的下方设有水处理系统5，在一实施例中，冷凝器22为冷媒—水换热器，节流元件23为毛细管、热力膨胀阀或电子膨胀阀，蒸发器24为冷板蒸发器，冷板蒸发器包括平板241和制冷剂流道242，制冷剂流道242设在平板241的内部，制冷剂流道242的两端分别连通直流制冷压缩机21和节流元件23，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，优先采用直立放置,蒸发器24的一侧设有风扇(图中未示出)，风扇驱动空气流向蒸发器24的外侧，有效增强对流，为使冷凝水的产量足够多，蒸发器24的蒸发温度被优化到足够低，但高于0摄氏度，以避免冷凝水在蒸发器24的表面结冰。在一实施例中，蒸气压缩式制冷系统2还包括干燥过滤器25，干燥过滤器25设在冷凝器22和节流元件23之间，干燥过滤器25过滤高温高压液体中的杂质和水分。

稳定直流电驱动直流制冷压缩机21运转，直流制冷压缩机21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22，高温高压气在冷凝器22中冷凝成高温高压液体，高温高压液体流经节流元件23变为低温低压的气液混合物，气液混合物流入蒸发器24，气液混合物在蒸发器24中吸收蒸发器24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21的吸气口将制冷剂气体吸入直流制冷压缩机21内，制冷剂气体在直流制冷压缩机21内再次被压缩，蒸发器24外侧的空气冷凝成水珠，水珠在重力的作用下滴到蒸发器24下方的水处理系统5上。

水处理系统5包括集水盘51、紫外线发生装置52、水过滤器53和取水阀54，紫外线发生装置52设在集水盘51的上方侧面，集水盘51的底部设有水管55，水管55上设有水过滤器53和取水阀54，集水盘51接从蒸发器24滴下的水珠，同时，汽水混合物通过汽水分离器3分离得到的水也流入集水盘51中，集水盘51中的水通过紫外线发生装置52杀菌处理，再流至水过滤器53进行过滤处理，即得到纯净水，取水阀54控制纯净水的流出。

质子交换膜燃料电池空气取水装置还包括辅助散热系统6，辅助散热系统6通过水蒸气冷凝器3连通质子交换膜燃料电池系统1，质子交换膜燃料电池系统1、冷凝器22和辅助散热系统6依次连通，辅助散热系统6供应给质子交换膜燃料电池系统1的水先流入水蒸气冷凝器3，再流入质子交换膜燃料电池系统1并让水吸收质子交换膜燃料电池系统1的反应热，吸收了质子交换膜燃料电池系统1反应热的水从质子交换膜燃料电池系统1中流出，并流入冷凝器22带走冷凝热，再流回辅助散热系统6中被冷却，辅助散热系统6将冷却后的水循环供应给质子交换膜燃料电池系统1。

辅助散热系统6包括散热器61、散热风机62和水泵63，散热风机62加速散热器61外部空气的对流，水泵63连通水蒸气冷凝器3，水泵63从散热器61的底部抽水，并泵入水蒸气冷凝器3中，再进入质子交换膜燃料电池系统1；在一实施例中，辅助散热系统6还包括膨胀水箱64，膨胀水箱64连通散热器61，膨胀水箱64为散热器61供水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间。

工作过程：氢气和空气中的氧气在质子交换膜燃料电池电堆13中反应生成直流电，反应后的空气乏气排到水蒸气冷凝器3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4分离为水和气体，水从汽水分离器4的底部流出，并流入集水盘51中，气体从汽水分离器4的顶部流出，并排入空气中，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21运转，直流制冷压缩机21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22，高温高压气在冷凝器22中冷凝成高温高压液体，高温高压液体流经节流元件23变为低温低压的气液混合物，气液混合物流入蒸发器24，气液混合物在蒸发器24中吸收蒸发器24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21的吸气口将制冷剂气体吸入直流制冷压缩机21内，制冷剂气体在直流制冷压缩机21内再次被压缩，蒸发器24外侧的空气冷凝成水珠，水珠在重力的作用下滴到蒸发器24下方的集水盘51上；集水盘51将接收的从蒸发器24滴下的水珠和从汽水分离器3分离得到的水通过紫外线发生装置52杀菌处理，再流至水过滤器53进行过滤处理，即得到纯净水，取水阀54控制纯净水的流出。

同时，反应过程中，水泵63从散热器61的底部抽水，并泵入水蒸气冷凝器3中，再进入质子交换膜燃料电池电堆13，进入质子交换膜燃料电池电堆13的水吸收质子交换膜燃料电池电堆13中的反应热，吸收了质子交换膜燃料电池电堆13中的反应热流出，并进入冷凝器22带走冷凝热，再流回辅助散热系统6中被冷却，辅助散热系统6将冷却后的水循环供应给质子交换膜燃料电池系统1。

本发明综合将空气中的水蒸气和燃料电池排放的空气乏气中的水蒸气冷凝为液态水，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。