一种海水制氢淡化一体化装备的制作方法

1.本发明涉及制氢技术领域，具体而言，涉及一种海水制氢淡化一体化装备。


背景技术：

2.在化石能源即将消耗殆尽的情况下，对新型可再生能源的研究迫在眉睫。氢能作为一种高效、节能、环保的清洁能源，在交通运输、国防军工、航空航天均得到广泛应用，氢能具有储能密度高、燃烧充分、热值高、环境友好、可再生等优点，被视为未来最有潜力的能量载体。
3.以氢气为燃烧介质的燃料电池转化率非常高，目前已经能达到70％，远高于现有市场上最好的内燃机，燃料电池同时兼有比功率高、寿命长等优点。相比较市场上的化学电池，其更具有不可比拟的优势。
4.传统的氢能产业链主要由制氢工厂
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运输
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储存
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加氢站
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储氢罐
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燃料电池组成，因氢气密度较低，故运输和储存困难，无论高压储氢、液态储氢、金属储氢等方式，均存在设备投资高，容易造成污染，降低氢气浓度，且储氢量不大等缺点。
5.目前，在氢能使用方面，常用高压氢气罐进行储存，并释放氢气供给燃料电池，因此，在海岛、船舶应用过程中，氢气的制取和补充成为了瓶颈，一般采用电解海水制氢，会消耗大量电能，存在电能供应不足的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种海水制氢淡化一体化装备，能够同时解决海岛、船舶应用过程中电力和淡水供应不足的问题。
7.本发明的实施例是这样实现的：
8.本发明实施例提供一种海水制氢淡化一体化装备，包括第一收集机构、燃料电池机构、制氢机构、蒸馏机构、闪蒸机构和第二收集机构，所述第一收集机构、所述燃料电池机构、所述制氢机构、所述蒸馏机构、所述闪蒸机构和所述第二收集机构通过第一管路组件依次连通形成淡化通路，所述制氢机构、所述蒸馏机构和所述燃料电池机构通过第二管路组件依次连通形成发电通路；
9.其中，所述第一收集机构用于收集海水，所述燃料电池机构用于对所述海水加热，所述制氢机构包括固体水解制氢材料，所述固体水解制氢材料用于与所述海水反应制得氢蒸汽，所述蒸馏机构用于对所述氢蒸汽冷凝制得氢气和冷凝水，所述蒸馏机构还用于对所述海水加热，所述闪蒸机构用于对所述海水闪蒸制得冷凝水和高盐水，所述第二收集机构用于收集所述蒸馏机构和所述闪蒸机构内的冷凝水，所述燃料电池机构还用于将空气中的氧气与所述氢气反应释放电能。该海水制氢淡化一体化装备能够同时解决海岛、船舶应用过程中电力和淡水供应不足的问题。
10.可选地，所述第一收集机构包括水泵和储存器，所述水泵用于将所述海水抽取至所述储存器内，所述储存器用于储存所述海水。
11.可选地，还包括第一过滤机构，所述第一过滤机构设置于所述第一收集机构和所述燃料电池机构之间，用于对所述海水过滤。
12.可选地，所述第一过滤机构包括过滤棉、反渗透膜和保安过滤器中至少一种，所述第一过滤机构的过滤精度在10μm～100μm之间。
13.可选地，还包括动力机构，所述动力机构设置于所述燃料电池机构与所述制氢机构之间，所述动力机构用于对所述海水加压，所述制氢机构与所述动力机构通过第三管路组件连通形成循环通路，所述海水可在所述循环通路内循环流动。
14.可选地，所述动力机构包括循环泵、柱塞泵和电磁泵中至少一种。
15.可选地，还包括换热组件，所述换热组件用于对所述制氢机构降温，所述换热组件还用于对所述海水升温；
16.其中，所述换热组件设置于所述制氢机构外部，和/或，所述换热组件设置于所述制氢机构内部。
17.可选地，还包括第三收集机构，所述第三收集机构与所述闪蒸机构连通，用于收集所述高盐水。
18.可选地，还包括第二过滤机构和加压机构，所述第二过滤机构、所述加压机构和所述燃料电池机构通过第四管路组件依次连通形成集气通路，所述第二过滤机构用于对所述空气过滤，所述加压机构用于对所述空气加压。
19.可选地，还包括第四收集机构，所述燃料电池机构、所述第四收集机构和所述第二管路组件通过第五管路组件依次连通形成回收通路，所述第四收集机构用于收集所述燃料电池机构内的氢气和水，并将所述氢气依次通过所述第五管路组件和所述第二管路组件通入所述燃料电池机构内，所述第四收集机构与所述第二收集机构通过第六管路组件连通，所述第二收集机构还用于收集所述第四收集机构内的水。
20.本发明实施例的有益效果包括：
21.该海水制氢淡化一体化装备包括第一收集机构、燃料电池机构、制氢机构、蒸馏机构、闪蒸机构和第二收集机构，第一收集机构、燃料电池机构、制氢机构、蒸馏机构、闪蒸机构和第二收集机构通过第一管路组件依次连通形成淡化通路，制氢机构、蒸馏机构和燃料电池机构通过第二管路组件依次连通形成发电通路。其中，第一收集机构用于收集海水，燃料电池机构用于对海水加热，制氢机构包括固体水解制氢材料，固体水解制氢材料用于与海水反应制得氢蒸汽，蒸馏机构用于对氢蒸汽冷凝制得氢气和冷凝水，蒸馏机构还用于对海水加热，闪蒸机构用于对海水闪蒸制得冷凝水和高盐水，第二收集机构用于收集蒸馏机构和闪蒸机构内的冷凝水，燃料电池机构还用于将空气中的氧气与氢气反应释放电能。具体地，在船舶行进中或在海岛上，通过第一收集机构收集海水，通过燃料电池机构对收集得到的海水进行加热升温，海水与制氢机构内的固体水解制氢材料进行水解制氢反应得到氢蒸汽，在上述过程中，通过制氢机构还可以对海水继续进行加热升温，氢蒸汽通过第一管路组件通入蒸馏机构内，同时，海水通过第二管路组件通入蒸馏机构内，氢蒸汽与海水在蒸馏机构内发生热量交换，从而使得氢蒸汽冷凝制得氢气和冷凝水，海水能够进一步加热升温至闪蒸所需温度，进而使得氢气能够进入燃料电池机构与空气中的氧气发生电解水的逆反应并释放电能，海水能够进入闪蒸机构进行闪蒸得到冷凝水和高盐水，氢蒸汽冷凝制得的冷凝水以及海水闪蒸制得的冷凝水分别被第二收集机构收集，以使海水通过淡化处理得到
淡水。综上所述，该海水制氢淡化一体化装备通过利用固体水解制氢材料作为氢气来源，不仅可以解决现有技术中电解海水制氢，会消耗大量电能，存在电能供应不足的问题，同时还能够通过淡化通路对海水进行淡化处理得到大量的淡水，解决海岛、船舶应用过程中淡水供应不足的问题。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
23.图1为本发明实施例提供的海水制氢淡化一体化装备的结构示意图之一；
24.图2为本发明实施例提供的海水制氢淡化一体化装备的结构示意图之二。
25.图标：100
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海水制氢淡化一体化装备；10
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第一收集机构；101
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水泵；102
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储存器；11
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燃料电池机构；12
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制氢机构；13
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蒸馏机构；14
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闪蒸机构；15
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第二收集机构；16
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第一过滤机构；17
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动力机构；18
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第三收集机构；20
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第二过滤机构；21
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加压机构；22
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第四收集机构。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
27.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
31.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一
体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.请结合参照图1和图2，本实施例提供一种海水制氢淡化一体化装备100，包括第一收集机构10、燃料电池机构11、制氢机构12、蒸馏机构13、闪蒸机构14和第二收集机构15，第一收集机构10、燃料电池机构11、制氢机构12、蒸馏机构13、闪蒸机构14和第二收集机构15通过第一管路组件依次连通形成淡化通路，制氢机构12、蒸馏机构13和燃料电池机构11通过第二管路组件依次连通形成发电通路。
33.其中，第一收集机构10用于收集海水，燃料电池机构11用于对海水加热，制氢机构12包括固体水解制氢材料，固体水解制氢材料用于与海水反应制得氢蒸汽，蒸馏机构13用于对氢蒸汽冷凝制得氢气和冷凝水，蒸馏机构13还用于对海水加热，闪蒸机构14用于对海水闪蒸制得冷凝水和高盐水，第二收集机构15用于收集蒸馏机构13和闪蒸机构14内的冷凝水，燃料电池机构11还用于将空气中的氧气与氢气反应释放电能。该海水制氢淡化一体化装备100能够同时解决海岛、船舶应用过程中电力和淡水供应不足的问题。
34.需要说明的是，第一，第一收集机构10用于收集海水，换句话说，第一收集机构10具备将海水从大海中提取并储存的功能。示例地，可以采用船舶行进的冲力或者潮汐力等自然力将水冲进储存容器内，又或者，还可以采用水泵101等将水抽取至储存容器内，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。
35.第二，燃料电池机构11用于将空气中的氧气与氢气进行电解水的逆反应，从而释放电能，在上述过程中，燃料电池机构11产生的热量还可以用于对海水进行加热，从而对经由第一收集机构10从大海中抽取得到的海水加热升温。燃料电池机构11可以采用现有技术中现有的燃料电池装置，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。
36.第三，制氢机构12的主要作用是为水解制氢提供反应原料和反应场所，使其能够以一定的速率稳定的产生氢气，在上述过程中，制氢机构12还可以对海水进行加热，从而对制氢机构12内的海水继续加热升温。关于水解制氢的反应原料，在本实施例中，制氢机构12包括固体水解制氢材料，固体水解制氢材料用于与海水反应制得氢蒸汽。固体水解制氢材料与水(或者水溶液)接触即可快速发生反应制备氢气，生成的氢气纯度高达99.99％，具有水质要求较低、反应自发、释氢迅速、体积储氢密度高的特点。因此，利用固体水解制氢材料作为氢气来源，可以解决现有技术中电解海水制氢，会消耗大量电能，存在电能供应不足的问题。
37.其中，上述的固体水解制氢材料可以包括活泼金属和/或活泼金属化合物。示例地，活泼金属包括mg、li、al、ca、na和k中至少一种，活泼金属化合物包括lih、nah、kh、mgh2、alh3和cah2中至少一种。al、mg、na等金属在地球上含量丰富，来源广泛，密度低，价格低廉，能够有效降低通过海水制氢淡化一体化装备100制氢的成本，且产生氢气的持续时间长，同时，反应过程不产生含碳和氮的有害物质，产物环境友好，更加符合绿色环保的理念。
38.除此以外，固体水解制氢材料还可以包括催化剂，以加快活泼金属和/或活泼金属化合物与水反应的反应速度(或者说反应效率)。示例地，活泼金属在催化剂的催化作用下与水反应产生氢气，产生氢气的持续时间长，而且产生氢气的纯度高。
39.可选的，固体水解制氢材料为粉末状，如此可以增大固体水解制氢材料与水的接触面积，提高反应速率，此时，可以采用无纺布、金属材料等包裹固体水解制氢材料，防止固体水解制氢材料飞散。
40.关于水解制氢的反应场所，示例地，可以是现有技术中的桶型容器或矩型容器等，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。
41.第四，蒸馏机构13用于对氢蒸汽冷凝制得氢气和冷凝水，蒸馏机构13还用于对海水加热，换句话说，通过制氢机构12产生的氢蒸汽与蒸馏机构13内的海水能够在蒸馏机构13内发生热量交换，这样一来，海水能够进一步加热升温至闪蒸所需温度，并能够进入闪蒸机构14进行淡化处理，与此同时，经由氢蒸汽冷凝制得的氢气能够进入燃料电池机构11参与反应，经由氢蒸汽冷凝制得的冷凝水(即淡水)能够被第二收集机构15收集。蒸馏机构13可以采用现有技术中现有的蒸馏装置，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。
42.第五，闪蒸机构14用于对海水闪蒸制得冷凝水和高盐水，即通过闪蒸机构14多次对海水进行变压、变温措施，使其能够冷凝得到大量的冷凝水(即淡水)从而被第二收集机构15收集，而高盐水则在重力作用下落入闪蒸机构14底部，并定时进行收集和处理。
43.上述海水闪蒸淡化的原理：经由第一收集机构10收集得到的海水，通过燃料电池机构11、制氢机构12和氢蒸汽加热升温，当加热后的海水的温度达到闪蒸所需温度后通入闪蒸机构14内，由于闪蒸机构14内的压力控制在低于加热后的海水的温度所对应的饱和蒸气压的条件下，因此，加热后的海水进入闪蒸机构14后即可因为过热而急速的部分气化，从而使得未气化的海水的温度降低，所产生的蒸汽冷凝后即可得到冷凝水。
44.在此基础上，可以通过多级闪蒸对海水进行淡化处理。多级闪蒸即加热后的海水依次流经多个压力逐渐降低的闪蒸机构14，从而逐级蒸发降温，同时，未气化的海水的浓度会逐级增大，直至未气化的海水的温度接近(但高于)经由第一收集机构10收集得到的海水的温度为止。
45.第六，第二收集机构15用于收集蒸馏机构13和闪蒸机构14内的冷凝水，除此以外，第二收集机构15还可以对收集得到的冷凝水进行进一步过滤，并可根据实际情况进行消毒处理，以供生活和生产使用。这里对过滤精度不作具体限制，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计。
46.如上所述，该海水制氢淡化一体化装备100包括第一收集机构10、燃料电池机构11、制氢机构12、蒸馏机构13、闪蒸机构14和第二收集机构15，第一收集机构10、燃料电池机构11、制氢机构12、蒸馏机构13、闪蒸机构14和第二收集机构15通过第一管路组件依次连通形成淡化通路，制氢机构12、蒸馏机构13和燃料电池机构11通过第二管路组件依次连通形成发电通路。其中，第一收集机构10用于收集海水，燃料电池机构11用于对海水加热，制氢机构12包括固体水解制氢材料，固体水解制氢材料用于与海水反应制得氢蒸汽，蒸馏机构13用于对氢蒸汽冷凝制得氢气和冷凝水，蒸馏机构13还用于对海水加热，闪蒸机构14用于对海水闪蒸制得冷凝水和高盐水，第二收集机构15用于收集蒸馏机构13和闪蒸机构14内的冷凝水，燃料电池机构11还用于将空气中的氧气与氢气反应释放电能。具体地，在船舶行进中或在海岛上，通过第一收集机构10收集海水，通过燃料电池机构11对收集得到的海水进行加热升温，海水与制氢机构12内的固体水解制氢材料进行水解制氢反应得到氢蒸汽，在
上述过程中，通过制氢机构12还可以对海水继续进行加热升温，氢蒸汽通过第一管路组件通入蒸馏机构13内，同时，海水通过第二管路组件通入蒸馏机构13内，氢蒸汽与海水在蒸馏机构13内发生热量交换，从而使得氢蒸汽冷凝制得氢气和冷凝水，海水能够进一步加热升温至闪蒸所需温度，进而使得氢气能够进入燃料电池机构11与空气中的氧气发生电解水的逆反应并释放电能，海水能够进入闪蒸机构14进行闪蒸得到冷凝水和高盐水，氢蒸汽冷凝制得的冷凝水以及海水闪蒸制得的冷凝水分别被第二收集机构15收集，以使海水通过淡化处理得到淡水。综上所述，该海水制氢淡化一体化装备100通过利用固体水解制氢材料作为氢气来源，不仅可以解决现有技术中电解海水制氢，会消耗大量电能，存在电能供应不足的问题，同时还能够通过淡化通路对海水进行淡化处理得到大量的淡水，解决海岛、船舶应用过程中淡水供应不足的问题。
47.为了保证第一收集机构10收集海水的可靠性，在本实施例中，第一收集机构10包括水泵101和储存器102，水泵101用于将海水抽取至储存器102内，储存器102用于储存海水。
48.为了避免海水中含有的大量杂质和微生物对制氢反应和淡化处理产生影响，在本实施例中，该海水制氢淡化一体化装备100还包括第一过滤机构16，第一过滤机构16设置于第一收集机构10和燃料电池机构11之间，用于对海水过滤。
49.可选地，第一过滤机构16包括过滤棉、反渗透膜和保安过滤器中至少一种，第一过滤机构16的过滤精度在10μm～100μm之间，示例地，第一过滤机构16的过滤精度为10μm、20μm、50μm、80μm或100μm等，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。
50.为了使得海水能够在各个机构内正常流动，在本实施例中，该海水制氢淡化一体化装备100还包括动力机构17，动力机构17设置于燃料电池机构11与制氢机构12之间，动力机构17用于对海水加压，制氢机构12与动力机构17通过第三管路组件连通形成循环通路，海水可在循环通路内循环流动，以使海水能够在循环通路内持续进行加热升温。可选地，动力机构17包括循环泵、柱塞泵和电磁泵中至少一种。
51.为了提高海水与制氢机构12之间的换热效果，在本实施例中，该海水制氢淡化一体化装备100还包括换热组件，换热组件用于对制氢机构12降温，换热组件还用于对海水升温。其中，换热组件可以设置于制氢机构12外部，和/或，换热组件可以设置于制氢机构12内部。可选地，换热组件包括夹套、盘管、热管、铜管和翅片中至少一种。
52.同理地，为了提高海水与氢蒸汽在蒸馏机构13内的换热效果，还可以在蒸馏机构13内的第一管路组件与第二管路组件之间设置换热组件。
53.为了对高盐水进行合理的回收和利用，在本实施例中，该海水制氢淡化一体化装备100还包括第三收集机构18，第三收集机构18与闪蒸机构14连通，用于收集高盐水。可选的，可以对收集得到的高盐水进行初加工和过滤，从而形成海盐等副产品。
54.为了避免空气中含有的大量杂质和有害气体对燃料电池机构11造成影响，同时，为了使得空气中的氧气能够正常通入燃料电池机构11内，在本实施例中，该海水制氢淡化一体化装备100还包括第二过滤机构20和加压机构21，第二过滤机构20、加压机构21和燃料电池机构11通过第四管路组件依次连通形成集气通路，第二过滤机构20用于对空气过滤，加压机构21用于对空气加压。
55.由于燃料电池机构11内会产生氢气和水，在本实施例中，该海水制氢淡化一体化装备100还包括第四收集机构22，燃料电池机构11、第四收集机构22和第二管路组件通过第五管路组件依次连通形成回收通路，第四收集机构22用于收集燃料电池机构11内的氢气和水，并将氢气依次通过第五管路组件和第二管路组件通入燃料电池机构11内，从而使得氢气能够经由第五管路组件和第二管路组件再次进入燃料电池机构11内参与反应，以提高氢气的利用率，第四收集机构22与第二收集机构15通过第六管路组件连通，第二收集机构15还用于收集第四收集机构22内的水，以对燃料电池机构11内电解水的逆反应生成的产物(即水)进行回收利用。
56.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。