一种基于氢能源的海水淡化及制冷发电系统装置
阅读说明：本技术 一种基于氢能源的海水淡化及制冷发电系统装置 (Seawater desalination and refrigeration power generation system device based on hydrogen energy ) 是由 吴震 尧兢 朱鹏飞 张早校 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于氢能源的海水淡化及制冷发电系统装置,水解反应器的进水口和海水连通,水解反应器的出气口连接至氢燃料电池,氢燃料电池的湿空气出口连接至冷却装置,冷却装置的出气端连接至水分回收装置的进气端,水分回收装置的出水端连接至水箱,该装置通过氢化物与海水的水解反应产生氢气,氢气在燃料电池中与氧气反应产生淡水,实现海水中的水分和盐分的分离,水中大量存在的Cl～-、Ca～(2+)、Mg～(2+)等离子能够破坏氢化物水解产生的钝化膜,促进氢化物水解反应的发生,降低对水解催化剂的要求,再通过半导体制冷和超疏水表面技术回收湿空气中的淡水,同时产生低温空气,进而实现海水淡化、制冷和发电三重功能。(The invention discloses a seawater desalination and refrigeration power generation system device based on hydrogen energy, wherein a water inlet of a hydrolysis reactor is communicated with seawater, an air outlet of the hydrolysis reactor is connected to a hydrogen fuel cell, a wet air outlet of the hydrogen fuel cell is connected to a cooling device, an air outlet end of the cooling device is connected to an air inlet end of a moisture recovery device, an water outlet end of the moisture recovery device is connected to a water tank, the device generates hydrogen through hydrolysis reaction of hydride and seawater, the hydrogen reacts with oxygen in the fuel cell to generate fresh water, separation of moisture and salt in the seawater is realized, and a large amount of waterCl ‑ 、Ca 2+ 、Mg 2+ The plasma can destroy a passive film generated by hydride hydrolysis, promote the generation of hydride hydrolysis reaction, reduce the requirement on a hydrolysis catalyst, recover fresh water in wet air by semiconductor refrigeration and a super-hydrophobic surface technology, and generate low-temperature air at the same time, thereby realizing triple functions of seawater desalination, refrigeration and power generation.)
技术领域
本发明属于海水淡化及发电领域，具体涉及一种基于氢能源的海水淡化及制冷发电系统装置。
背景技术
海水淡化技术通过脱除海水中的盐分从而将海水变成淡水。在当前淡水资源日益紧张的情况下，海水淡化能够增加沿海地区淡水的供给，也能够为岛屿、船只等场合提供生存必备淡水资源。
目前海水淡化的方法主要有多效蒸发、多级闪蒸、压汽蒸馏、反渗透法、电渗析法和冷冻法。这些方法主要通过蒸发、渗透等物理方法实现水分和盐分的分离，现存大型的海水淡化工厂都是采用这些方法。这些方法在大规模应用场景下具有明显的能耗和价格优势，但是对于小规模或者特殊应用场合(海岛生存、便携式场合)依旧存在装置复杂、额外能量输入高、响应速度慢等问题。此外，这些方法主要针对海水淡化功能，基本不具备其他功能，不能同时提供多种生存所需的物质和能量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于氢能源的海水淡化及制冷发电系统装置，以解决现有技术中海水淡化装置功能单一，难以提供其他物质和能量的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于氢能源的海水淡化及制冷发电系统装置，其特征在于，包括水解反应器，所述水解反应器的进水口和海水连通，水解反应器的出气口连接至氢燃料电池，氢燃料电池的湿空气出口连接至冷却装置，冷却装置的出气端连接至水分回收装置的进气端，所述水分回收装置的出水端连接至水箱，水分回收装置还设置有低温空气出口；
所述水解反应器包括反应器筒体，反应器筒体内的中下部设置有氢化物床层，所述氢化物床层中设置有毛细纤维；
所述水分回收装置的内部填充有金属泡沫，所述金属泡沫和水分回收装置的进气端之间有缝隙，所述金属泡沫和水分回收装置的出水端之间有间隙；水分回收装置的外部设置有半导体制冷片，所述半导体制冷片设置在金属泡沫的外部；所述金属泡沫的表面涂覆有超疏水涂层。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述冷却装置为低温冷却器。
优选的，所述半导体制冷片的冷端和水分回收装置的外侧壁接触，半导体制冷片的热端和海水接触。
优选的，所述水反应器筒体的上端可拆卸的连接有反应器盖，所述进水口和出气口均设置在反应器盖上；所述反应器盖上设置有安全阀。
优选的，所述水解反应器的承压范围为0～5bar，承温范围为0～120℃。
优选的，所述氢燃料电池为质子交换膜燃料电池或磷酸氢燃料电池。
优选的，所述半导体制冷片连接有太阳能电池板。
优选的，太阳能电池板为单晶硅太阳能电池板、多晶硅太阳能电池板、薄膜式太阳能电池板或有机太阳能电池板。
优选的，所述氢化物床层为氢化物和水解催化剂混合物，所述毛细纤维为亲水性材料。
优选的，所述冷却装置为逆流换热器，所述冷却装置设置有第二入口和第二出口，第二入口和低温空气出口连通，第二出口连通至空气。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种基于氢能源的海水淡化及制冷发电系统装置，包括水解反应器，水解反应器的进水口和海水连通，水解反应器的出气口连接至氢燃料电池，氢燃料电池的湿空气出口连接至冷却装置，冷却装置的出气端连接至水分回收装置的进气端，水分回收装置的出水端连接至水箱，水分回收装置还设置有低温空气出口；该装置通过氢化物与海水的水解反应产生氢气，氢气在燃料电池中与氧气反应产生淡水，实现海水中的水分和盐分的分离，海水中大量存在的Cl-、Ca2+、Mg2+等离子能够破坏氢化物水解产生的钝化膜，促进氢化物水解反应的发生，降低对水解催化剂的要求，再通过半导体制冷和超疏水表面技术回收湿空气中的淡水，同时产生低温空气，进而实现海水淡化、制冷和发电三重功能。该装置的内部温度压力低，反应条件温和，装置组成部件清晰明了，操作简便，体积小重量轻，适合于便携式场合和固定式场合，该装置采用半导体制冷技术和超疏水表面技术加工制造水分回收装置，提高装置传热性能，提高水分的回收效率；该方法能够为小规模或者特殊应用场合提供淡水资源、电能和冷量，改善海边偏远地区、岛屿等地的生存条件。
进一步的，作为方案之一，冷却装置为低温冷却器，进而对从燃料电池输出的空气进行冷却。
进一步的，半导体制冷片通过冷端对水分回收装置进行冷却，热端和海水接触进行换热。
进一步的，水反应器设置有可拆卸的反应器盖，便于拆卸及内部材料的更换。
进一步的，水反应器设置的承压范围和承温范围能够满足海水反应的需求。
进一步的，水分回收装置连接有太阳能电池板，使得太阳能的使用可以满足半导体制冷片对使用电的需求。
进一步的，氢化物床层内设置的毛细纤维为亲水性材料，通过毛细作用力把水输送到床层底部。
进一步的，本发明的另一个实施方式中，冷却装置为逆流换热器，使得冷却装置能够循环利用整个系统中从水分回收装置中输出的冷却空气，去冷却氢燃料电池输出的湿空气，进而降低冷却空气所需要的能耗，实现能量的充分利用。
附图说明
图1为本发明一种基于氢能源的海水淡化及制冷发电系统结构图；
图2为本发明的实施例2的基于氢能源的海水淡化及制冷发电系统结构图；
图3为本发明水分回收装置结构示意图；
图4为本发明水解反应器结构示意图；
图中：1、海水入口，2、入口泵，3、水解反应器，4、氢化物床层，5、燃料电池阳极入口，6、氢燃料电池，7、冷却装置，8、太阳能电池板，9、水箱，10、水出口，11、低温空气出口，12、半导体制冷片，13、水分回收装置，14、湿空气入口，15、燃料电池阴极入口，16、半导体制冷片冷端，17、半导体制冷片热端，18、金属泡沫，19、进水口，20、安全阀，21、出气口，22、反应器盖，23、密封螺纹，24、反应器筒体，25、毛细纤维，26、第一入口，27、第一出口，28、第二入口，29、第二出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
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，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；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“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；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连通。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。
实施例1
参见图1，本发明公开了一种基于氢能源的海水淡化及发电系统装置，其中包括入口泵2、水解反应器3、氢燃料电池6、冷却装置7、水分回收装置13、半导体制冷片12、太阳能电池板8和水箱9。本实施例中的冷却装置为低温冷却器，用于冷却阴极输出的湿空气。低温冷却器中通入有空气或海水，进而冷却阴极输出的湿空气至常温。
入口泵2抽取海水，入口泵2的海水出口端和水解反应器3的进水口19连接，水解反应器3的出气口21和氢燃料电池6的阳极入口连通，氢燃料电池6的阴极连通至空气，空气从氢燃料电池6的阴极入口进入氢燃料电池，氢燃料电池6的湿空气出口和冷却装置7的第一入口26连通，冷却装置7的第一出口27和水分回收装置13连通，水分回收装置13的上部设置有半导体制冷片12，水分回收装置12的水出口10连通至水箱9。水分回收装置9设置有低温空气出口11，所述半导体制冷片12和太阳能电池板8连接，由太阳能电池板8为半导体制冷片12提供电能。
参见图3，所述水分回收装置13内部中心部分填充有金属泡沫18，顺着湿空气的流动方向，金属泡沫18距离湿空气的进入端部(进气端)，和低温空气出口11的端面(出气端)均具有一定的间隙，即水分回收装置13的中间部分被金属泡沫18填满，金属泡沫18与水分回收装置13的其余四个壁面紧密接触，使得湿空气在流动过程中，能够和金属泡沫18充分的作用；金属泡沫18表面涂覆有超疏水涂层，以提高液态水和固体表面分离效率，强化空气和固体壁面之间的传热效果；水分回收装置13外部侧壁面上设置有半导体制冷片12，半导体制冷片12根据冷却需求，能够放置在一个侧壁面上，也能够放置在多个侧壁面上，半导体制冷片冷端16直接与水分回收装置13的外壁接触，通过导热的方式将冷量输入水分回收装置13；半导体制冷片热端17和海水接触，采用海水进行换热。半导体制冷片冷端16和金属泡沫18相对设置，使得半导体冷片冷端16能够充分的通过水分回收装置13的外壁对金属泡沫18进行冷却。
水分回收装置13及金属泡沫18要采用质量轻、导热性能良好材料制造，如铝、导热塑料等；金属泡沫18表面涂覆超疏水材料，比如聚四氟乙烯、氟碳蜡等材料，将水在金属泡沫18表面的接触角提高到150°；半导体制冷片冷端16可通过硅脂等高导热率材料与水分回收装置13紧密连接，减小两者之间的接触热阻，实现热量的高效传递。
参见图4，水解反应器3包括反应器盖22、进水口19、出气口21、安全阀20、反应器筒体24、密封螺纹23、氢化物床层4和毛细纤维25。反应器筒体24中下部设置有氢化物床层4，床层高度为筒体高度的1/3至2/3；氢化物床层4内部设置有毛细纤维25，使得水很容易渗透到床层下部；反应器筒体24上部设置有反应器盖22，两者之间通过密封螺纹23连接，保证连接的密封可靠性；反应器盖22上部设置有进水口19、出气口21和安全阀20。
氢化物床层4为氢化物和水解催化剂混合物，氢化物可选择氢化镁、氢化铝、硼氢化钠等储氢量高、水解反应易控制的储氢材料，水解催化剂可选择含Cl-、Al3+等可以破坏水解钝化膜的物质；氢化物床层4内部的毛细纤维25主要通过毛细作用力把水输送到床层底部，实现整个反应器均匀反应，毛细纤维25的材料可选择棉等亲水性材料；反应器筒体24材料可选塑料、铝等轻材料，水解反应器3的承压范围为0-5bar，承温范围为0-120℃；安全阀20用于调控水解反应器3内压力，所述安全阀20为电磁阀，当水解反应器3内压力大于设定压力，安全阀20打开排气，当水解反应器3内压力小于设定压力，安全阀20关闭。
氢燃料电池6可选质子交换膜燃料电池、磷酸氢燃料电池等；太阳能电池板8选择单晶硅太阳能电池板、多晶硅太阳能电池板、薄膜式太阳能电池板、有机太阳能电池板；氢化物可选择氢化镁、氢化铝、硼氢化钠等高储氢量储氢材料；水分回收装置和金属泡沫可选择铝、导热塑料等质量轻、导热性能良好的材料；超疏水材料可选择聚四氟乙烯、氟碳蜡等材料。
本实施例的工作过程：
入口泵2用于将海水送入水解反应器3，入口泵2与水解反应器3的进水口19相连，水解反应器3的出气口21与燃料电池阳极入口5相连；空气从燃料电池阴极入口15通入氢燃料电池6，空气在氢燃料电池发生反应后，生成阴极湿空气，阴极湿空气再通过第一入口26进入到冷却装置7，阴极湿空气在冷却装置7中被冷却后，通过冷却装置7的第一出口27进入水分回收装置13的湿空气入口14，湿空气在水分回收装置13中被分离成液态水和低温空气；液态水从水出口10流出，进入到水箱9，低温空气从低温空气出口11排出；半导体制冷片12与水分回收装置13直接接触，为水分回收装置提供冷量；太阳能电池板8通过导线连接到半导体制冷片12，为半导体制冷片12提供电能。
该装置对海水水质要求不高，海水中广泛存在的Cl-、Ca2+、Mg2+等有利于水解反应的发生，具有非常好的适应性和稳定性；氢燃料电池6为使用氢气和氧气作为燃料的低温燃料电池，可选质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池等，工作温度为20-80℃；半导体制冷片12为通过珀耳帖效应产生冷量的热电制冷装置，单级半导体制冷片可产生60℃的制冷温差；太阳能电池板8是利用光电效应将太阳能直接转化成电能的装置，太阳能电池板8可选择单晶硅太阳能电池板、多晶硅太阳能电池板、薄膜式太阳能电池板、有机太阳能电池板，太阳能电池板8的能量转化效率为10％-24％。
该系统的工作原理：
下面结合具体实例说明系统工作原理：海水通过入口泵2经过进水口19输入水解反应器3，水解反应器3内填充氢化物MgH2及水解催化剂AlCl3，海水与固态的氢化镁反应产生氢氧化镁和氢气，反应方程式如式(1)所示；氢气经出气口21、燃料电池阳极入口5进入氢燃料电池6，氢燃料电池选择质子交换膜燃料电池，空气从燃料电池阴极入口15进入氢燃料电池6，氢气和氧气在燃料电池中发生电化学反应，向外输出电能，反应温度大约50℃，反应方程式如式(2)所示；阳极氢气发生氧化反应，生成氢离子传输到燃料电池阴极；阴极空气中的氧气发生还原反应，生成氧离子并与阳极的氢离子结合成水，扩散到阴极空气中，提高了空气的湿度，形成阴极湿空气；阴极湿空气经过冷却装置，从湿空气入口14进入水分回收装置13，同时太阳能电池板8为半导体制冷片12提供电能，半导体制冷片12产生冷量传递到水分回收装置13中，半导体制冷片冷端16温度比室温低10-20℃左右；湿空气在金属泡沫18中充分冷凝，并在金属泡沫18表面的超疏水涂层上实现液态水与固体壁面的快速分离，湿空气被分离成液态水和低温空气；液态水流入水箱，可提供淡水资源；低温空气可提供冷量。
MgH2+2H2O→Mg(OH)2+2H2↑ (1)
2H2+O2→2H2O (2)
实施例2
参见图2，该实施例的冷却装置7为逆流换热器，逆流换热器可选择版式换热器、管式换热器等质量轻、换热效果好的换热器。所述逆流换热器的内部设置有两股相互隔绝，而又相对流动的流体，一个为被冷却的湿空气，一个为冷却湿空气的低温空气，该冷却装置7设置有两个气体进口和气体出口，分别为第一入口26、第一出口27、第二入口28和第二出口29。第二入口28和水分回收装置13的低温空气出口11，从第二入口28进入至冷却装置7，冷却了阴极湿空气后，通过第二出口29排出；阴极温度较高的湿空气经过冷却装置7的第一入口26进入冷却装置7，被冷却后，通过第一出口27进入水分回收装置13中。逆流换热器中的两股流体是隔离的，仅进行热量交换。
本发明的装置推动力主要来源于固态的氢化物和广泛存在的太阳能，不需要其他的增压、升温装置，推动力来源单一且便于输运；装置响应速度快，氢化物水解反应及燃料电池电化学反应速度快，能够做到几分钟内产生水；本发明采用太阳能为制冷装置提供能量，整个装置不对外排放污染物，氢化物可进行回收再利用，装置较为节能环保。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。
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