專利名稱：一種靠鋁水制氫和質子交換膜燃料電池供電的應急凈水機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明專利涉及一種由鋁水制氫和質子交換膜燃料電池供電的應急凈水機，特別適合于地震等自然災害情況下的應急救援。屬于水處理、鋁制氫和質子交換膜燃料電池三個交叉領域。
背景技術：
目前世界各地自然災害出現(xiàn)的次數(shù)逐漸增加，災情逐漸加重，甚至出現(xiàn)了多種災害混合疊加。例如在2011年3月11日，日本發(fā)生9級大地震，同時引發(fā)海嘯和核泄露等的多重災害。當災害來臨時，如何挽救更多人的生命，使災害造成的損失降到最小。這是擺在各國政府面前的大事。其中關鍵的出路就是向災區(qū)提供的應急救助救援救護等方面的裝備。水是生命最寶貴的源泉，滋潤萬物、哺育生命，人們無時無刻不需要水。當?shù)卣鸬?災害來臨之際，水或許就是保證生命存續(xù)下去的關鍵因素。所以在所有應急產品中水處理凈化裝置是必不可少的。應急凈水裝置的功能就是將地表水甚至污水凈化為安全飲用水，有關應急水處理裝置目前為止，主要采用膜分離技術。因為膜分離技術是當今水處理最有效的凈水技術，其中超濾(UF)的過濾精度在O. 001 O. I微米，可濾除水中的鐵銹、泥沙、懸浮物、膠體、細菌、大分子有機物等有害物質；反滲透(RO)的過濾精度為O. 0001微米左右，可去掉水中的幾乎一切的雜質(包括有害的和有益的)，只能允許水分子通過。納濾膜的處理能力介于超濾和反滲透之間。公開號為 CN101844840A、CN101948190A、CN201762128U、CN201762128U 等實用新型專利提供的手動超濾凈水裝置，產水量小，不能滿足更多人的要求。目前出現(xiàn)的應急凈水裝置多為蓄電池、柴油或汽油發(fā)電機為水泵提供電源，而蓄電池供電供電是有限的，而柴油或汽油當災害出現(xiàn)時可能找不到，且柴油機或汽油機的噪音大、氣味大。公開號為CN201722219U實用新型專利提供了一種太陽能供電凈水及照明系統(tǒng)，提供的電能用于凈水和照明等使用，但是該系統(tǒng)在夜間或陰天、雨天就無法發(fā)電，難以做到連續(xù)、不間斷供電。質子交換膜燃料電池是一種將氫氣通過電化學反應將化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置，它不受天氣和夜晚的影響，它具有質量輕，供電可靠，無振動，噪聲小，啟動快，無污染等優(yōu)點。它只受氫原料的影響，提供高效、安全、響應迅速的現(xiàn)場在線供氫技術是使質子交換膜燃料電池實用化的關鍵。采用硼氫化鈉水溶液制氫，可實現(xiàn)快速、高效地現(xiàn)場制氫。但是硼氫化鈉制氫成本較高，限制了其推廣和應用。金屬招是地殼中含量最多的金屬兀素，來源廣，價格低，制氫成本低，因而在制氫方面具有更大的發(fā)展?jié)摿?。由于鋁的密度低，所以易攜帶、易運輸，適合為特殊場合的燃料電池電源供給氫氣。鋁與水反應制氫，速度快、純度高、產量高，能滿足質子交換膜燃料電池對供氫的要求，其次，反應產物環(huán)境友好(不產生含碳和氮的有害物質)，副產物氫氧化鋁等可回用于水處理等方面。通過金屬鋁與水反應制氫可現(xiàn)用現(xiàn)制，這樣系統(tǒng)就變得更加小、更安全。專利號為ZL02104279. 9發(fā)明專利提供了一種制氫裝置，復雜龐大不便攜，且反應器底部會有積累沉淀，影響反應的繼續(xù)進行。專利公開號為CN101323430提供了一種移動設備用氫氣發(fā)生器，其產氫量受限于裝料量，不能繼續(xù)添加金屬粉末以實現(xiàn)反應的持續(xù)進行，且該裝置清洗不方便。美國專利號為US6638493提供了一種集氣腔和集水腔不相套的氫氣發(fā)生器(美國專利US6638493)，該裝置可按需供氫，操作安全，清洗方便，但體積還是大。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了在災害發(fā)生時，提供一種安全可靠、方便操作的可將各種原水(地表水、地下水以及污水等)凈化為安全飲用水的技術與設備。本發(fā)明涉及的一種靠鋁水制氫和燃料電池發(fā)電的應急凈水機，包括以下幾個部分鋁水制氫系統(tǒng)，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(還包括燃料電池電堆、逆變器和控制器、風機、電磁閥等)和膜凈水系統(tǒng)。其中，由鋁水反應制出氫氣供給氫-空質子交換膜燃料電池的陽極，風機將空氣中的氧氣供給質子交換膜燃料電池的陰極，所需的電力來源于燃料電池的電堆。當燃料電池的陰極在停機狀態(tài)時與空氣接觸，當氫氣進入電堆的陽極，電堆電壓就升高從而達到啟動風機所需的額定電壓而驅動風機，風機啟動后，提供更多的空氣進入電堆陰極使得電堆電壓進一步升高，從而使得燃料電池升至額定電壓，完成燃料電池系統(tǒng)啟動。由氫-空質子交換膜電池產生的電能經過逆變器和控制器，將電能轉化為可供水泵、風機、電磁閥工作的三個額定功率的輸出電源，水泵工作可將原水吸入凈水系統(tǒng)，經過膜分離技術凈化為安全飲用水。本發(fā)明的應急凈水機整套裝置，工藝簡單、結構緊湊、自平衡控制無能耗、無環(huán)境污染、體積小、重量輕、便于攜帶或移動，非常適合于應急場合下使用。該裝置還可在低溫狀態(tài)下產氫和發(fā)電、排渣和裝料方便，可在短時間內實現(xiàn)，制氫時可以使用海水、河水、溪水、雪水、污水、尿液等水源。通過改進裝置完全實現(xiàn)了按需供氫，操作安全，清洗方便，杜絕了堿噴和漏氣問題的出現(xiàn)。本發(fā)明真正實現(xiàn)了 “有水就有電，有電就有安全飲用水”的良性循環(huán)。I鋁水制氫系統(tǒng)鋁水制氫系統(tǒng)包括改進的底部貫通的雙腔套在一起的制氫裝置、氫氣洗罐和相應的閥門與管路。(I)改進的底部貫通的雙腔套在一起的制氫裝置包括1_進料口、2-加料閥、3-空氣泄壓閥、4-制氫罐的外壁、5-緩沖集水腔、6-鋁料反應籠臺、7-下垂多孔網、8-上翹多孔網、9-固定在下垂多孔網的不銹鋼絲、10-廢渣排出口、11-廢渣排出閥、12-集氣腔外傘沿、13鋁顆粒、14-鋁粒籠、15緩沖集水腔、16氫氣產出閥、17壓力表、18氫氣洗罐、19堿吸收劑的水溶液其中，7-下垂多孔網，是固定12上的，材質為不銹鋼或尼龍，孔徑較小，在O. 5mm以下；其中，8-上翹多孔網，是固定在底部上；其中，9-不銹鋼絲，固定在7上的。
上述三者的目的就是通過多孔網防止掉到下面的鋁粒會隨著水流進入集水腔，這時鋁水反應產生的氫氣將進入集水腔的上部，而形成了反向壓力，使得該停止的反應繼續(xù)進行，從而破壞了自平衡體系。若兩個腔的壓力同時過高，導致漏氣或堿噴等現(xiàn)象的出現(xiàn)。其多孔網的孔徑小于鋁料籠的孔徑，O. I O. 5mm，其材質為不銹鋼、聚丙烯等耐堿的高分子材料。其中，上部的2-加料閥和下部的10-廢渣排出閥就是為了提高加料和排渣的速度，縮短加料和排渣的時間，即縮短兩次制氫的間隔時間。其閥門為球閥、旋塞閥、蝶閥等，其閥門的材質為不銹鋼、聚丙烯等等耐堿的材料。其中，5-集水腔和15-集氣腔可以是同心相套，或異心相套，集水腔和集氣腔可以是圓心、橢圓形、或者方形等容器。(2)氫氣洗罐，目的是為了對制得的氫氣會含有堿液，所以采用酸液吸收堿液。同時還對氫氣加濕。
其中，堿液吸收劑為H型陽離子交換樹脂、硬脂酸、磷酸和酒石酸等高沸點的酸性水溶液，其濃度為I 50%。(3)冷卻裝置，其目的是為了將鋁水制氫放出的熱量，及時向外散發(fā)出來，否則將導致水溫升高，甚至水沸騰，堿液變成堿蒸汽隨氫氣一同進入燃料電池系統(tǒng)，破壞電堆發(fā)電系統(tǒng)，導致水淹，氫氣流道被阻，發(fā)電被停，甚至破壞電堆的零部件。為此需要冷卻從而達到熱平衡，使反應穩(wěn)定進行下去。達到降低水的溫度和防止堿噴的目的。使反應溫度控制80°C以下。其中，采用的冷卻方法為水冷卻或熱管冷卻，即將制氫裝置外壁直接與水浴接觸或者將熱管埋入或植入制氫裝置內部。2燃料電池發(fā)電部分質子交換膜電池電堆可以通過質子交換膜做為離子的導體，質子交換膜燃料電池電堆是將催化劑涂覆在具有憎水性的多孔碳紙上構成電極而形成的，這種催化劑是以鉬、鈀催化劑或兩者復合的催化劑分散在炭黑上。在兩片電極中間插入離子交換膜，其中電極涂有催化劑的面朝向質子交換膜，通過熱壓形成膜電極組合體(簡稱膜電極)。將刻有氣體流道的雙極板和膜電極堆積起來構成質子交換膜燃料電池電堆。電堆的氫氣入口必須設置減壓閥，氫氣出口必須設置電磁閥。燃料電池發(fā)出的電經過逆變器將輸出可供不同額定電壓和額定電流的多個負載使用，包括風機、電磁閥、水泵、UV紫外燈等，同時燃料電池的控制系統(tǒng)會將控制電磁閥等定時工作。其中，減壓閥是為了防止過高的氫氣壓力沖破離子交換膜，一般設置的壓力為O. 01 O. 2Mpa，材質可以是銅閥或不銹鋼閥。其中，電磁閥是為了定時排出陽極側的廢氣，設置的定時間隔為I 30分鐘3膜法凈水部分這部分包括26_原水進口、27-水泵、28-PP棉過濾器、29-碳棒過濾器、30-UV管殺菌、31-膜過濾單元、32-濃水排出口、33-安全飲用水出口其中，所述的水泵為具有自吸能力的水泵；其中，所述PP棉過濾、主要去除較大顆粒的雜質，采用的是PP棉棒；其中，所述活性炭過濾，為主要吸附水中的異味，同時吸附有機物雜質，采用的是活性炭管；其中，所述膜過濾，包括(I)超濾膜過濾，主要去除水中細菌、病毒等有毒有害雜質，得到安全飲用水，材質為聚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯氰等高分子材料；(2)反滲透膜可以還進一步將水中的大部分離子去除掉，可以將水中的有毒有害離子去除掉，得到純凈水。還可用于醫(yī)用，材質為聚酰胺等的高分子材料。(3)納濾膜膜分離能力介于二者之間。材質為聚酰胺等高分子材料其中，UV紫外燈殺菌管，可以有效殺滅水中細菌。同時對膜具有保護作用，所述的UV紫外殺菌為紫外燈或將內腔中空可流水的柱形紫外燈；其中，所述的膜過濾為錯流過濾，減少膜污染，出來的濃水可用于洗衣、澆花等；如果需要長時間運行，則可以附加反沖洗泵，并設置了定時反洗程序，可以延長膜的使用壽命O本發(fā)明具有以下積極效果 本發(fā)明解決了太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、汽油機發(fā)電、柴油機發(fā)電和其它蓄電池等發(fā)電的不足之處，可實現(xiàn)沒有陽光、沒有風、沒有汽油、沒有柴油等情況下發(fā)電。只要有水，通過鋁水制氫，質子交換膜燃料電池就能發(fā)電。而水是非常容易找到的，因為制氫時可以使用海水、河水、溪水、雪水、污水、尿液等各種水源，所以該套裝置受環(huán)境影響較小，只要有水就能有電，有電就有安全飲用水。本發(fā)明的應急凈水機整套裝置，通過改進的自平衡制氫裝置，杜絕了堿噴和漏氣等問題的出現(xiàn)，使整個操作更安全、更穩(wěn)定，排渣和裝料更加方便，并且重量更輕、體積更小、更加便于攜帶或移動，非常適合于應急場合下使用。此外制作成本也會下降。本發(fā)明的應急凈水機還可以解決軍隊野外作戰(zhàn)，戶外的野營、地質勘探和野外作業(yè)的員工的飲水問題。本發(fā)明真正實現(xiàn)了 “有水就有電，有電就有安全飲用水”良性循環(huán)。


圖I為本發(fā)明應急凈水機中的三大系統(tǒng)之間的關系示意2為制氫裝置的幾種雙腔相套的結構示意3為本發(fā)明的應急凈水機整套裝置的結構示意圖。圖中，
權利要求
1.一種靠鋁水制氫和質子交換膜燃料電池供電的應急凈水機，包括改進的自平衡鋁水制氫系統(tǒng)、質子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)和膜法凈水系統(tǒng)，其特征在于，改進的自平衡鋁水制氫系統(tǒng)制出氫氣；經氫氣洗罐供給燃料電池發(fā)電，再經逆變器和控制器可以發(fā)出供水泵、風機和電磁閥工作的電源；水泵工作就可以將原水(江、河、湖、池塘、溪水等地表水或水井的水，甚至污水)吸上并壓入膜法凈水系統(tǒng)，經過多級過濾后細菌病毒等有害物質被截留，如果經過超濾膜處理，可得到安全飲用水，如果經過反滲透膜過濾得到的更安全的飲用水一純凈水，不僅可以飲用還可以用于醫(yī)用；如果經過納濾膜過濾得到的水質介于超濾和反滲透之間。
2.在權利I中所述的一種靠鋁水制氫和質子交換膜燃料電池供電的應急凈水機中的改進的自平衡鋁水制氫系統(tǒng)，其特征在于，改進的自平衡鋁水制氫系統(tǒng)由改進的底部貫通且雙腔套在一起的制氫裝置和氫氣清洗罐組成
3.在權利2中所述的一種靠鋁水制氫和質子交換膜燃料電池供電的應急凈水機中的改進的自平衡鋁水制氫系統(tǒng)，其特征在于，底部貫通且雙腔套在一起的制氫裝置的上部設有進料閥，其閥的種類為球閥、蝶閥、旋塞閥等，其材質為不銹鋼、聚丙烯、聚四氟乙烯等耐堿高分子材料。
4.在權利2中所述的一種靠鋁水制氫和質子交換膜燃料電池供電的應急凈水機中的改進的自平衡鋁水制氫系統(tǒng)，其特征在于，底部貫通且雙腔套在一起的制氫裝置的底部設有廢渣排泄閥，其閥的種類為球閥、蝶閥、旋塞閥等，其材質為不銹鋼、聚丙烯、聚四氟乙烯等耐喊聞分子材料。
5.在權利2中所述的一種靠鋁水制氫和質子交換膜燃料電池供電的應急凈水機中是改進的自平衡鋁水制氫系統(tǒng)，其特征在于，內部中心的集氣腔下部固定了一圈外傘沿，其材質為不銹鋼、聚丙烯、聚砜、聚苯硫醚、聚酰亞胺、聚醚醚酮等耐堿耐高溫的高分子材料。
6.在權利2中所述的一種靠鋁水制氫和質子交換膜燃料電池供電的應急凈水機中的改進的自平衡鋁水制氫系統(tǒng)，在集氣腔下部外傘沿上固定了一圈下垂多孔網，其材質為不銹鋼、聚丙烯、聚砜、聚苯硫醚、聚酰亞胺、聚醚醚酮等耐堿耐高溫的高分子材料，孔徑為O.I O. 5mmο
7.在權利2中所述的改進的自平衡鋁水制氫系統(tǒng)，裝置底部且位于下垂多孔網外側固定上翹多孔網，其材質為不銹鋼、聚丙烯、聚砜、聚苯硫醚、聚酰亞胺、聚醚醚酮等耐堿耐高溫的高分子材料，孔徑為O. I O. 5mm。
8.在權利2中所述的改進的自平衡鋁水制氫系統(tǒng)，位于下垂多孔網底邊固定不銹鋼絲。
9.在權利2中所述的氫氣清洗罐，含有吸收堿蒸汽或堿液吸收劑，吸收劑為硬脂酸、磷酸、酒石酸、H型陽離子交換樹脂等等，其濃度為I 50%。
10.在權利I中所述的一種靠鋁水制氫和質子交換膜燃料電池供電的應急凈水機中的改進的自平衡鋁水制氫系統(tǒng)，其特征在于，改進的自平衡鋁水制氫系統(tǒng)設置了冷卻裝置，其方法包括水冷卻、熱管冷卻和風冷。方式包括將裝置外壁與水浴接觸或者將熱管埋入或植入制氫裝置內部。
11.在權利I中所述的一種靠鋁水制氫和質子交換膜燃料電池供電的應急凈水機中的質子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，膜法凈水系統(tǒng)，設置了正沖和或反沖操作過程,可 以延長膜的使用壽命。
全文摘要
一種靠鋁水制氫和質子交換膜燃料電池供電的應急凈水機包括三個系統(tǒng)(1)鋁水制氫系統(tǒng)；(2)質子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)；(3)膜法凈水系統(tǒng)。采用改進的自平衡鋁水制氫裝置，能安全穩(wěn)定、無能耗地制出高純氫氣。然后氫氣進入質子交換膜燃料電池發(fā)電，經逆變器輸出供給水泵，這樣水泵可將各種地表水、污水等吸上經過超濾或反滲透等膜處理后，成為安全的飲用水。在自然災害等諸多應急場合下，真正實現(xiàn)了“有水就有電，有電就有安全的飲用水”的良性循環(huán)。該裝置啟動快、操作簡便，安全穩(wěn)定、綠色環(huán)保，重量輕、體積小、便于攜帶。特別適用于地震、水災、各種疫情等應急場合，以及野外救援、野外作戰(zhàn)、野外勘探工作施工等場合。
文檔編號C02F9/04GK102807292SQ20111014881
公開日2012年12月5日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權日2011年6月3日
發(fā)明者李連超, 楊慶蘇, 趙長虹, 王剛, 劉萍 申請人:北京綠舍環(huán)境能源技術有限責任公司