本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池空氣取水裝置。

背景技術(shù)：

在沙漠、海島等地，如何獲取淡水是一個(gè)重要課題。在某些場(chǎng)合，燃料的儲(chǔ)備充足，但是淡水的供應(yīng)緊缺，因此，考慮利用一部分燃料來(lái)制取淡水具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種用燃料供給燃料電池發(fā)電，進(jìn)而獲取淡水的質(zhì)子交換膜燃料電池空氣取水裝置。

本發(fā)明的實(shí)施例提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池空氣取水裝置，包括質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)、蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)、水蒸氣冷凝器和汽水分離器，所述質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)生成直流電，所述直流電被轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電，所述穩(wěn)定直流電驅(qū)動(dòng)蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)工作，所述質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)生成直流電后的空氣乏氣排到水蒸氣冷凝器中，所述空氣乏氣冷凝為汽水混合物，所述汽水混合物通過汽水分離器分離為水和氣體，所述水從汽水分離器的底部流出，所述氣體從汽水分離器的頂部流出，并排入空氣中。

進(jìn)一步，所述質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)包括氫氣供應(yīng)回路、空氣供應(yīng)回路、質(zhì)子交換膜燃料電池電堆和直流-直流變換器，所述氫氣供應(yīng)回路和空氣供應(yīng)回路均連接質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，所述氫氣供應(yīng)回路供應(yīng)氫氣，所述空氣供應(yīng)回路供應(yīng)空氣，氫氣和空氣中的氧氣在質(zhì)子交換膜燃料電池電堆中發(fā)生反應(yīng)生成直流電，所述直流-直流變換器將直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電，反應(yīng)后剩余的微量氫氣經(jīng)第一電磁閥排出到空氣中。

進(jìn)一步，所述氫氣供應(yīng)回路包括高壓儲(chǔ)氫容器、減壓閥、單向閥、手動(dòng)截止閥和防爆電磁閥，所述高壓儲(chǔ)氫容器、減壓閥、單向閥、手動(dòng)截止閥和防爆電磁閥依次連接，氫氣從高壓儲(chǔ)氫容器出來(lái)，依次經(jīng)過減壓閥、單向閥、手動(dòng)截止閥和防爆電磁閥進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池電堆；所述空氣供應(yīng)回路包括空氣濾清器和空氣增壓裝置，所述空氣濾清器和空氣增壓裝置依次連接，空氣經(jīng)過空氣濾清器處理后進(jìn)入空氣增壓裝置，所述空氣增壓裝置將空氣升壓，并送入質(zhì)子交換膜燃料電池電堆。

進(jìn)一步，所述汽水分離器為旋風(fēng)式分離器，所述汽水混合物從旋風(fēng)式分離器的頂部圓周的切向流入，所述汽水混合物在旋風(fēng)分離器氣流的作用下高速旋轉(zhuǎn)，密度大的水在離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風(fēng)分離器的底部流出，密度小的氣體在旋風(fēng)分離器的內(nèi)部收縮并向中心流動(dòng)，向上形成二次渦流，從旋風(fēng)分離器的頂部流出。

進(jìn)一步，所述蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)包括直流制冷壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、節(jié)流元件和冷凝器，所述直流制冷壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、節(jié)流元件和冷凝器依次連接構(gòu)成回路，所述蒸發(fā)器的下方設(shè)有水處理系統(tǒng)，所述穩(wěn)定直流電驅(qū)動(dòng)直流制冷壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，直流制冷壓縮機(jī)將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，所述高溫高壓氣進(jìn)入冷凝器，所述高溫高壓氣在冷凝器中冷凝成高溫高壓液體，所述高溫高壓液體流經(jīng)節(jié)流元件變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔?，所述氣液混合物流入蒸發(fā)器，所述氣液混合物在蒸發(fā)器中吸收蒸發(fā)器外側(cè)空氣的熱量，并再次蒸發(fā)為制冷劑氣體，所述直流制冷壓縮機(jī)的吸氣口將制冷劑氣體吸入直流制冷壓縮機(jī)內(nèi)，制冷劑氣體在直流制冷壓縮機(jī)內(nèi)再次被壓縮，所述蒸發(fā)器外側(cè)的空氣冷凝成水珠，所述水珠在重力的作用下滴到蒸發(fā)器下方的水處理系統(tǒng)上。

進(jìn)一步，蒸發(fā)器的一側(cè)設(shè)有風(fēng)扇，所述風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)空氣流向蒸發(fā)器的外側(cè)，所述蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)還包括干燥過濾器，所述干燥過濾器設(shè)在冷凝器和節(jié)流元件之間，所述干燥過濾器過濾高溫高壓液體中的雜質(zhì)和水分。

進(jìn)一步，所述冷凝器為冷媒—水換熱器，所述節(jié)流元件為毛細(xì)管、熱力膨脹閥或電子膨脹閥，所述蒸發(fā)器為冷板蒸發(fā)器，所述冷板蒸發(fā)器包括平板和制冷劑流道，所述制冷劑流道設(shè)在平板的內(nèi)部，所述制冷劑流道的兩端分別連通直流制冷壓縮機(jī)和節(jié)流元件，所述冷板蒸發(fā)器的外表面與空氣直接接觸，所述冷板蒸發(fā)器采用直立放置或傾斜放置。

進(jìn)一步，所述水處理系統(tǒng)包括集水盤、紫外線發(fā)生裝置、水過濾器和取水閥，所述紫外線發(fā)生裝置設(shè)在集水盤的上方側(cè)面，所述集水盤的底部設(shè)有水管，所述水管上設(shè)有水過濾器和取水閥，所述集水盤接從蒸發(fā)器滴下的水珠，同時(shí)，所述汽水混合物通過汽水分離器分離得到的水也流入集水盤中，所述集水盤中的水通過紫外線發(fā)生裝置殺菌處理，再流至水過濾器進(jìn)行過濾處理，即得到純凈水，所述取水閥控制純凈水的流出。

進(jìn)一步，所述質(zhì)子交換膜燃料電池空氣取水裝置還包括輔助散熱系統(tǒng)，所述輔助散熱系統(tǒng)通過水蒸氣冷凝器連通質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，所述質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)、冷凝器和輔助散熱系統(tǒng)依次連通，所述輔助散熱系統(tǒng)供應(yīng)給質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的水先流入水蒸氣冷凝器，再流入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)并讓水吸收質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的反應(yīng)熱，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)反應(yīng)熱的水從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中流出，并流入冷凝器帶走冷凝熱，再流回輔助散熱系統(tǒng)中被冷卻，所述輔助散熱系統(tǒng)將冷卻后的水循環(huán)供應(yīng)給質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)。

進(jìn)一步，所述輔助散熱系統(tǒng)包括散熱器、散熱風(fēng)機(jī)和水泵，所述散熱風(fēng)機(jī)加速散熱器外部空氣的對(duì)流，所述水泵連通水蒸氣冷凝器，所述水泵從散熱器的底部抽水，并泵入水蒸氣冷凝器中，再進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)；所述輔助散熱系統(tǒng)還包括膨脹水箱，所述膨脹水箱連通散熱器，所述膨脹水箱為散熱器供水并提供水溫變化時(shí)所需的體積膨脹空間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明綜合將空氣中的水蒸氣和燃料電池排放的空氣乏氣中的水蒸氣冷凝為液態(tài)水，進(jìn)而獲取淡水，在缺乏飲用水的情況下，可以提供干凈的飲用水，可廣泛應(yīng)用于沙漠、海島等缺乏淡水的地區(qū)，尤其是對(duì)于沙漠、海島地區(qū)的軍事設(shè)施來(lái)說(shuō)具有一定的應(yīng)用價(jià)值；同時(shí)，本發(fā)明可在水源被嚴(yán)重污染的地區(qū)作為緊急淡水來(lái)源使用；在遠(yuǎn)洋LNG(液化天然氣)運(yùn)輸船上，本發(fā)明所述技術(shù)方案也可以作為一種緊急情況下的淡水供應(yīng)措施。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的組成示意圖。

圖2是圖1中汽水分離器的外觀示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地描述。

請(qǐng)參考圖1，本發(fā)明的實(shí)施例一種提供了質(zhì)子交換膜燃料電池空氣取水裝置，包括質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1、蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)2、水蒸氣冷凝器3、汽水分離器4和水處理系統(tǒng)5。

質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1包括氫氣供應(yīng)回路11、空氣供應(yīng)回路12、質(zhì)子交換膜燃料電池電堆13和直流-直流變換器14，氫氣供應(yīng)回路11和空氣供應(yīng)回路12均連接質(zhì)子交換膜燃料電池電堆13。

氫氣供應(yīng)回路11供應(yīng)氫氣，氫氣供應(yīng)回路11包括高壓儲(chǔ)氫容器111、減壓閥112、單向閥113、手動(dòng)截止閥114和防爆電磁閥115，高壓儲(chǔ)氫容器111、減壓閥112、單向閥113、手動(dòng)截止閥114和防爆電磁閥115依次連接，氫氣從高壓儲(chǔ)氫容器111出來(lái)，依次經(jīng)過減壓閥112、單向閥113、手動(dòng)截止閥114和防爆電磁閥115進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池電堆13。

空氣供應(yīng)回路12供應(yīng)空氣，空氣供應(yīng)回路12包括空氣濾清器121和空氣增壓裝置122，空氣濾清器121和空氣增壓裝置122依次連接，空氣經(jīng)過空氣濾清器121處理后進(jìn)入空氣增壓裝置122，空氣增壓裝置122將空氣升壓，并送入質(zhì)子交換膜燃料電池電堆13。

氫氣和空氣中的氧氣在質(zhì)子交換膜燃料電池電堆13中發(fā)生反應(yīng)生成直流電，質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)13生成直流電后的空氣乏氣排到水蒸氣冷凝器3中，空氣乏氣冷凝為汽水混合物，汽水混合物通過汽水分離器4分離為水和氣體，水從汽水分離器4的底部流出，氣體從汽水分離器4的頂部流出，并排入空氣中，反應(yīng)后剩余的微量氫氣經(jīng)第一電磁閥116排出到空氣中。

請(qǐng)參考圖2，在一實(shí)施例中，汽水分離器4為旋風(fēng)式分離器，汽水混合物從旋風(fēng)式分離器的頂部圓周的切向流入，汽水混合物在旋風(fēng)分離器氣流的作用下高速旋轉(zhuǎn)，密度大的水在離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風(fēng)分離器的底部流出，密度小的氣體在旋風(fēng)分離器的內(nèi)部收縮并向中心流動(dòng)，向上形成二次渦流，從旋風(fēng)分離器的頂部流出。

直流-直流變換器14將直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電，穩(wěn)定直流電驅(qū)動(dòng)蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)2工作，蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)2包括直流制冷壓縮機(jī)21、冷凝器22、節(jié)流元件23和蒸發(fā)器24，直流制冷壓縮機(jī)21、冷凝器22、節(jié)流元件23和蒸發(fā)器24依次連接構(gòu)成回路，蒸發(fā)器24的下方設(shè)有水處理系統(tǒng)5，在一實(shí)施例中，冷凝器22為冷媒—水換熱器，節(jié)流元件23為毛細(xì)管、熱力膨脹閥或電子膨脹閥，蒸發(fā)器24為冷板蒸發(fā)器，冷板蒸發(fā)器包括平板241和制冷劑流道242，制冷劑流道242設(shè)在平板241的內(nèi)部，制冷劑流道242的兩端分別連通直流制冷壓縮機(jī)21和節(jié)流元件23，冷板蒸發(fā)器的外表面與空氣直接接觸，冷板蒸發(fā)器采用直立放置或傾斜放置，優(yōu)先采用直立放置,蒸發(fā)器24的一側(cè)設(shè)有風(fēng)扇(圖中未示出)，風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)空氣流向蒸發(fā)器24的外側(cè)，有效增強(qiáng)對(duì)流，為使冷凝水的產(chǎn)量足夠多，蒸發(fā)器24的蒸發(fā)溫度被優(yōu)化到足夠低，但高于0攝氏度，以避免冷凝水在蒸發(fā)器24的表面結(jié)冰。在一實(shí)施例中，蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)2還包括干燥過濾器25，干燥過濾器25設(shè)在冷凝器22和節(jié)流元件23之間，干燥過濾器25過濾高溫高壓液體中的雜質(zhì)和水分。

穩(wěn)定直流電驅(qū)動(dòng)直流制冷壓縮機(jī)21運(yùn)轉(zhuǎn)，直流制冷壓縮機(jī)21將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，高溫高壓氣進(jìn)入冷凝器22，高溫高壓氣在冷凝器22中冷凝成高溫高壓液體，高溫高壓液體流經(jīng)節(jié)流元件23變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔?，氣液混合物流入蒸發(fā)器24，氣液混合物在蒸發(fā)器24中吸收蒸發(fā)器24外側(cè)空氣的熱量，并再次蒸發(fā)為制冷劑氣體，直流制冷壓縮機(jī)21的吸氣口將制冷劑氣體吸入直流制冷壓縮機(jī)21內(nèi)，制冷劑氣體在直流制冷壓縮機(jī)21內(nèi)再次被壓縮，蒸發(fā)器24外側(cè)的空氣冷凝成水珠，水珠在重力的作用下滴到蒸發(fā)器24下方的水處理系統(tǒng)5上。

水處理系統(tǒng)5包括集水盤51、紫外線發(fā)生裝置52、水過濾器53和取水閥54，紫外線發(fā)生裝置52設(shè)在集水盤51的上方側(cè)面，集水盤51的底部設(shè)有水管55，水管55上設(shè)有水過濾器53和取水閥54，集水盤51接從蒸發(fā)器24滴下的水珠，同時(shí)，汽水混合物通過汽水分離器3分離得到的水也流入集水盤51中，集水盤51中的水通過紫外線發(fā)生裝置52殺菌處理，再流至水過濾器53進(jìn)行過濾處理，即得到純凈水，取水閥54控制純凈水的流出。

質(zhì)子交換膜燃料電池空氣取水裝置還包括輔助散熱系統(tǒng)6，輔助散熱系統(tǒng)6通過水蒸氣冷凝器3連通質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1，質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1、冷凝器22和輔助散熱系統(tǒng)6依次連通，輔助散熱系統(tǒng)6供應(yīng)給質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1的水先流入水蒸氣冷凝器3，再流入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1并讓水吸收質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1的反應(yīng)熱，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1反應(yīng)熱的水從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出，并流入冷凝器22帶走冷凝熱，再流回輔助散熱系統(tǒng)6中被冷卻，輔助散熱系統(tǒng)6將冷卻后的水循環(huán)供應(yīng)給質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1。

輔助散熱系統(tǒng)6包括散熱器61、散熱風(fēng)機(jī)62和水泵63，散熱風(fēng)機(jī)62加速散熱器61外部空氣的對(duì)流，水泵63連通水蒸氣冷凝器3，水泵63從散熱器61的底部抽水，并泵入水蒸氣冷凝器3中，再進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1；在一實(shí)施例中，輔助散熱系統(tǒng)6還包括膨脹水箱64，膨脹水箱64連通散熱器61，膨脹水箱64為散熱器61供水并提供水溫變化時(shí)所需的體積膨脹空間。

工作過程：氫氣和空氣中的氧氣在質(zhì)子交換膜燃料電池電堆13中反應(yīng)生成直流電，反應(yīng)后的空氣乏氣排到水蒸氣冷凝器3中，空氣乏氣冷凝為汽水混合物，汽水混合物通過汽水分離器4分離為水和氣體，水從汽水分離器4的底部流出，并流入集水盤51中，氣體從汽水分離器4的頂部流出，并排入空氣中，反應(yīng)后剩余的微量氫氣經(jīng)第一電磁閥116排出到空氣中；反應(yīng)生成的直流電經(jīng)直流-直流變換器14轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直流電，穩(wěn)定直流電驅(qū)動(dòng)直流制冷壓縮機(jī)21運(yùn)轉(zhuǎn)，直流制冷壓縮機(jī)21將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，高溫高壓氣進(jìn)入冷凝器22，高溫高壓氣在冷凝器22中冷凝成高溫高壓液體，高溫高壓液體流經(jīng)節(jié)流元件23變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔?，氣液混合物流入蒸發(fā)器24，氣液混合物在蒸發(fā)器24中吸收蒸發(fā)器24外側(cè)空氣的熱量，并再次蒸發(fā)為制冷劑氣體，直流制冷壓縮機(jī)21的吸氣口將制冷劑氣體吸入直流制冷壓縮機(jī)21內(nèi)，制冷劑氣體在直流制冷壓縮機(jī)21內(nèi)再次被壓縮，蒸發(fā)器24外側(cè)的空氣冷凝成水珠，水珠在重力的作用下滴到蒸發(fā)器24下方的集水盤51上；集水盤51將接收的從蒸發(fā)器24滴下的水珠和從汽水分離器3分離得到的水通過紫外線發(fā)生裝置52殺菌處理，再流至水過濾器53進(jìn)行過濾處理，即得到純凈水，取水閥54控制純凈水的流出。

同時(shí)，反應(yīng)過程中，水泵63從散熱器61的底部抽水，并泵入水蒸氣冷凝器3中，再進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池電堆13，進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池電堆13的水吸收質(zhì)子交換膜燃料電池電堆13中的反應(yīng)熱，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池電堆13中的反應(yīng)熱流出，并進(jìn)入冷凝器22帶走冷凝熱，再流回輔助散熱系統(tǒng)6中被冷卻，輔助散熱系統(tǒng)6將冷卻后的水循環(huán)供應(yīng)給質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1。

本發(fā)明綜合將空氣中的水蒸氣和燃料電池排放的空氣乏氣中的水蒸氣冷凝為液態(tài)水，進(jìn)而獲取淡水，在缺乏飲用水的情況下，可以提供干凈的飲用水，可廣泛應(yīng)用于沙漠、海島等缺乏淡水的地區(qū)，尤其是對(duì)于沙漠、海島地區(qū)的軍事設(shè)施來(lái)說(shuō)具有一定的應(yīng)用價(jià)值；同時(shí)，本發(fā)明可在水源被嚴(yán)重污染的地區(qū)作為緊急淡水來(lái)源使用；在遠(yuǎn)洋LNG(液化天然氣)運(yùn)輸船上，本發(fā)明所述的技術(shù)方案也可以作為一種緊急情況下的淡水供應(yīng)措施。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位詞是以附圖中零部件位于圖中以及零部件相互之間的位置來(lái)定義的，只是為了表達(dá)技術(shù)方案的清楚及方便。應(yīng)當(dāng)理解，所述方位詞的使用不應(yīng)限制本申請(qǐng)請(qǐng)求保護(hù)的范圍。

在不沖突的情況下，本文中上述實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。