一种基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统的制作方法

1.本发明涉及污水处理和海水淡化技术领域，尤其涉及一种基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统。


背景技术：

2.膜蒸馏技术是以疏水膜为过滤介质，以膜两侧蒸汽压差为传质驱动力；由低温热源（低品位热水、废蒸汽、柴油发电机尾气等）为温差驱动力，利用膜两侧维持适当的温差脱盐（水）过程即可进行，是新一代低温脱盐和浓缩技术。 膜蒸馏技术设备全系为非金属材质，可在酸性或碱性条件下运行，可对三氯化铁、盐酸、磷酸、硫酸等酸性废液进行减量、浓缩、回收。对电力、石油、化工、盐化等企业的含盐废水可进行高倍数浓缩。
3.现有的膜蒸馏技术的热源多为柴油发电机组，特别是在离岸和海水的应用场景中，碳排放高，污染大，效率低，整体系统的匹配度低，无法达到低碳环保高能效的要求。
4.有鉴于此，需对现有的膜蒸馏供热系统进行改进，减少膜蒸馏系统中柴油发电机组的环境污染，降低碳排放量。


技术实现要素：

5.本发明公开一种基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统，用于解决现有技术中，膜蒸馏系统的碳排放高，污染大，效率低无法达到低碳环保高能效的要求的问题。
6.为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：提供一种基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统，包括：膜蒸馏装置，包括原料供给单元、膜组件、循环泵、热交换器、控制器、温度传感器、真空泵和冷换热器；膜组件包括疏水膜，用于对物料进行过滤；原料供给单元的出水口与膜组件的进水口连接，模组件的出水口与循环泵的进水口连接，循环泵的出水口与热交换器的进水口连接，热交换器的出水口与原料供给单元的回水口连接；原料供给单元还包括原料加注口；控制器分别与温度传感器和真空泵信号连接，温度传感器用于测量物料的温度，控制器被设置为，接受温度传感器的温度信号，当温度信号超过预设温度阈值后，控制真空泵开启，使物料流经膜组件内后能够在膜组件内蒸发，蒸汽透过膜组件；冷换热器与膜组件连接，能够将经过的蒸汽冷却并流入与冷换热器连接的产水罐中；高温膜燃料电池模组，包括质子交换膜、阳极、阴极和出气口；通过阳极产生的质子跨膜定向迁移发电，高温膜燃料电池模组的出气口与热交换器的进气口连接，高温膜燃料电池模组发电后能够产生气体，气体能够通过高温膜燃料电池模组与热交换器连接的管路向热交换器输送；热交换器，通过高温膜燃料电池模组输送的气体将热交换器内的物料加热。
7.在上述方案中，膜组件还与中间水罐连接，用于收集没有进入冷换热器的液体。
8.在上述方案中，中间水罐的出水口与原料供给单元的回水口连接，且中间水罐和原料供给单元之间连接的管路上设有中间水泵，用于将收集到的液体泵入原料供给单元。
9.在上述方案中，高温膜燃料电池模组使用甲醇作为燃料。
10.在上述方案中，高温膜燃料电池模组上设有直流/交流转换器和负载。
11.在上述方案中，膜燃料电池模组对热交换器的加热温度为160~180℃。
12.在上述方案中，循环泵和热交换器之间还设有流量计用于检测物料的流量。
13.在上述方案中，产水罐上设有产水泵，能够将产水罐内收集的液体排出。
14.在上述方案中，阈值温度大于60℃。
15.在上述方案中，热交换器上设有废气排放管，用于排放热交换器内的气体，废气排放管上还设有废气阀。
16.本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：采用高温膜燃料电池模组代替柴油发电机组为膜蒸馏装置提供热能，解决了柴油发电机组碳排放量高的问题，达到了低碳环保高能效的要求；低噪音，产水效率高，发电效率高，组件匹配度高，综合效率高、体积小，可移动并可以进行模块化组装，进行扩产与备用产能。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明实施例1公开的基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统的整体结构使用图；图2为本发明实施例2公开的利用实施例1中的基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统来进行膜蒸馏的方法的流程图。
18.具体包括下述附图标记：原料供给单元-10；膜组件-20；循环泵-30；热交换器-40；冷换热器-50；产水罐-60；产水泵-61；中间水罐-70；中间水泵-71。
具体实施方式
19.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
20.实施例1如图1所示，本发明提供的基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统，包括：膜蒸馏装置包括原料供给单元10、膜组件20、循环泵30和热交换器40、控制器、温度传感器、真空泵和冷换热器50；膜组件20包括疏水膜，用于对物料进行过滤；原料供给单
元10的出水口与膜组件20的进水口连接，模组件的出水口与循环泵30的进水口连接，循环泵30的出水口与热交换器40的进水口连接，热交换器40的出水口与原料供给单元10的回水口连接；原料供给单元10还包括原料加注口；控制器分别与温度传感器和真空泵信号连接，温度传感器用于测量加热后的物料的温度，控制器被设置为，接受温度传感器的温度信号，当温度信号超过预设温度阈值后，控制真空泵开启，使物料流经膜组件20内后能够在膜组件20内蒸发，蒸汽透过膜组件20；膜蒸馏装置还包括冷换热器50，与膜组件20连接，能够将经过的蒸汽冷却并流入与冷换热器50连接的产水罐60中。
21.高温膜燃料电池模组，包括质子交换膜、阳极、阴极和出气口；通过阳极产生的质子跨膜定向迁移交换发电，高温膜燃料电池模组的出气口与热交换器40的进气口连接，高温膜燃料电池模组发电后能够产生气体，气体能够通过高温膜燃料电池模组与热交换器40连接的管路向热交换器40输送。
22.热交换器40，通过高温膜燃料电池模组输送的气体将热交换器40内的物料加热。
23.本发明采用高温膜燃料电池模组代替柴油发电机组为膜蒸馏装置提供热能，解决了柴油发电机组碳排放量高的问题，达到了低碳环保高能效的要求；低噪音，产水效率高，发电效率高，组件匹配度高，综合效率高、体积小，可移动并可以进行模块化组装，进行扩产与备用产能。
24.本实施例优选的，原料供给单元10包括原料罐和抽吸装置，抽吸装置与原料加注口连接，通过抽吸装置往原料罐内抽取物料，具体的，当原料罐内的物料达到额定值后，抽吸装置停止工作，当原料罐内的物料少于额定值后，抽吸装置开始工作。当然，也可以手动在原料罐内添加物料，或者手动控制抽吸装置工作，在这里不做限定。
25.本实施例优选的，热交换器40为混合式热交换器40，高温膜燃料电池模组排出的气体进入热交换器40后直接与热交换器40内的物料接触，由于气体和物料之间不会有化学反应，采用混合式热交换器40避免了存在传热间壁，使气体与物料之间能够更好的接触，具有较大的传热速率，减少热能的损耗。
26.本实施例优选的，膜组件20为疏水的微孔膜，膜蒸馏装置是膜技术与蒸馏过程相结合的膜分离过程，以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸气压差的作用下，物料中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，从而实现分离的目的。在本实施例中则实现了物料中的水分与杂质分离的目的。由于在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，只有水蒸汽能透过膜孔，所以能够保证蒸馏液十分纯净。
27.本实施例优选的，冷换热器50与膜组件20中蒸汽透过膜孔的一侧连接，用于收集并冷却蒸汽。冷换热器50为间壁式换热器，利用金属壁（管壁和板壁）把进行换热的冷、热流体隔开，通过金属壁面与流体之间的对流换热和壁的导热来完成换热过程。由于需要将膜组件20中透过膜孔的蒸汽冷却，而膜组件20上只有水蒸汽能透过膜孔，为了保证收集的蒸馏水的纯度，因此使用冷换热器50冷却时，要保证不与冷换热器50内部发生反应并且不能与冷换热器50内的液体混合。
28.具体的，蒸汽通过管道输送到冷换热器50内，通过与冷换热器50内放有冷水的金属壁接触，与冷水交换热量，给蒸汽降温，使蒸汽液化成为液体，进而流入与产水罐60中被收集。冷换热器50内的冷水为循环水，保证了冷换热器50的降温效果。
29.膜组件20还与中间水罐70连接，用于在膜组件20内收集没有进入冷换热器50的液
体。具体的，在进行膜蒸馏时，膜组件20的内部会有部分液体渗出，由于这部分液体没有被完全过滤，含有杂质，不是蒸馏液体，并且此处没有与冷换热器50连接，因此无法收集到产水罐60中，需要设置中间水罐70，用来收集未被完全过滤的液体。中间水罐70的出水口与原料供给单元10的回水口连接，且中间水罐70与原料供给单元10连接的管路上设有中间水泵71，用于将收集到的液体泵入原料供给单元10，再次进行膜蒸馏。
30.膜燃料电池是单体电池，为满足负载的额定工作电压需要将多个单体电池以串联方式层叠组合构成燃料电池堆。具体的，将双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。
31.本实施例中的高温膜燃料是基于氧化还原反应的能源产生装置，包括基于质子交换膜的水电解过程和燃料电池反应。电池中的活性物质不断地从外部送入正、负电极，反应产物从电池中排出，可以连续使用。燃料电池是化学能直接转变成电能的能量转化机器，能量转化率高。高温膜燃料电池包括氢-氧燃料电池和有机化合物燃料电池。
32.优选的，燃料电池堆使用甲醇重整富氢气作为燃料。具体的，高温膜燃料电池模组的膜层由耐酸和耐温聚合物组成，该聚合物具有吸收酸的能力，充当电解质。该高温膜燃料电池模组对燃料中的杂质气体的敏感性较低并且设计简单，无需纯化步骤净化重整气体。以甲醇为燃料的高温膜燃料电池模组的设备平衡系统效率通常在35%到45%之间，根据系统设计和运行条件，最高可达约55%。电池发电效率最高可达63%。由于与其他燃料的重整相比，甲醇的蒸汽重整更简单、更高效（催化剂床温度低于280℃），并且由于传统甲醇和可再生甲醇（例如由废物或可再生能源制成）的低成本和高纯度以及由于甲醇的简单存储，因此高温膜燃料电池模组采用甲醇作为燃料。
33.为了高温膜燃料电池模组能够为膜蒸馏提供足够的热能，可以在基于高温膜燃料电池模组的膜蒸馏系统附近构成分布式小型充电站（桩），使用高温膜燃料电池模组为锂离子电池充电，保证了对膜蒸馏装置的热能供应，提供了膜蒸馏的效率，实现综合效能高的分布式水电联产。
34.此外，高温膜燃料电池模组还可以为膜蒸馏装置的用电器件供电，更加便捷，无需外接其他发电装置，并且更加环保。
35.本实施例优选的，产生热能的功率是电能的1.5倍。
36.高温膜燃料电池模组上设有直流/交流转换器和负载。
37.本实施例优选的，高温膜燃料电池模组对热交换器40的加热温度为160~180℃。具体的，高温膜燃料电池模组向热交换器40输送温度为160~180℃的气体来加热物料。
38.本实施例优选的，循环泵30和热交换器40之间还设有流量计用于检测物料的流量。来控制热交换器40内的物料量，由于物料在热交换器40内加热需要一定的时间，避免物料的流量过大，导致热交换器40内的物料过多无法通入高温膜燃料电池模组排出的气体。
39.产水罐60上设有产水泵61，能够将产水罐60内收集的液体排出。达到了将污水净化处理的作用。
40.本实施例优选的，预设温度阈值大于60℃。当物料被加热温度大于60℃时，开始对物料进行膜蒸馏。实现了对物料的低温蒸馏。
41.热交换器40上设有废气排放管，用于排放热交换器40内的气体，废气排放管上还设有废气阀来控制废气的排出。
42.实施例2本发明还提供了一种利用实施例1中的基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统来进行膜蒸馏的方法，结合图2所示包括：将物料倒入原料供给单元10内；物料经过原料供给单元10、膜组件20、循环泵30和热交换器40进行循环，高温膜燃料电池模组对热交换器40输送气体，对热交换器40内的物料进行加热；当物料被加热到超过预设温度阈值后，控制器控制真空泵打开，物料在膜组件20内蒸发，蒸汽透过膜组件20的膜孔；蒸发的物料经过冷换热器50冷却液化并流入与冷换热器50连接的产水罐60中。
43.本发明采用高温膜燃料电池模组代替柴油发电机组为膜蒸馏装置提供热能，解决了柴油发电机组碳排放量高的问题，达到了低碳环保高能效的要求；低噪音，产水效率高，发电效率高，组件匹配度高，综合效率高、体积小，可移动并可以进行模块化组装，进行扩产与备用产能。
44.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统，其特征在于，包括：膜蒸馏装置，包括原料供给单元、膜组件、循环泵、热交换器、控制器、温度传感器、真空泵和冷换热器；所述膜组件包括疏水膜，用于对物料进行过滤；所述原料供给单元的出水口与所述膜组件的进水口连接，所述膜组件的出水口与所述循环泵的进水口连接，所述循环泵的出水口与所述热交换器的进水口连接，所述热交换器的出水口与所述原料供给单元的回水口连接；所述原料供给单元还包括原料加注口；所述控制器分别与温度传感器和真空泵信号连接，所述温度传感器用于测量所述物料的温度，所述控制器被设置为，接受所述温度传感器的温度信号，当所述温度信号超过预设温度阈值后，控制所述真空泵开启，使所述物料流经所述膜组件内后能够在所述膜组件内蒸发，蒸汽透过所述膜组件；所述冷换热器与所述膜组件连接，能够将经过的所述蒸汽冷却并流入与所述冷换热器连接的产水罐中；高温膜燃料电池模组，包括质子交换膜、阳极、阴极和出气口；通过所述阳极产生的质子跨膜定向迁移交换发电，所述高温膜燃料电池模组的出气口与所述热交换器的进气口连接，所述高温膜燃料电池模组发电后能够产生气体，所述气体能够通过所述高温膜燃料电池模组与所述热交换器连接的管路向所述热交换器输送；所述热交换器，通过所述高温膜燃料电池模组输送的所述气体将所述热交换器内的所述物料加热。2.根据权利要求1所述的基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统，其特征在于，所述膜组件还与中间水罐连接，用于收集没有进入所述冷换热器的液体。3.根据权利要求2所述的基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统，其特征在于，所述中间水罐的出水口与所述原料供给单元的回水口连接，且所述中间水罐和原料供给单元之间连接的管路上设有中间水泵，用于将收集到的所述液体泵入所述原料供给单元。4.根据权利要求1所述的基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统，其特征在于，所述高温膜燃料电池模组使用甲醇作为燃料。5.根据权利要求1所述的基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统，其特征在于，所述高温膜燃料电池模组上设有直流/交流转换器和负载。6.根据权利要求1所述的基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统，其特征在于，所述高温膜燃料电池模组对所述热交换器的加热温度为160~180℃。7.根据权利要求1所述的基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统，其特征在于，所述循环泵和所述热交换器之间还设有流量计用于检测所述物料的流量。8.根据权利要求1所述的基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统，其特征在于，所述产水罐上设有产水泵，能够将所述产水罐内收集的液体排出。9.根据权利要求1所述的基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统，其特征在于，所述阈值温度大于60℃。10.根据权利要求1所述的基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）
电联供系统，其特征在于，所述热交换器上设有废气排放管，用于排放所述热交换器内的所述气体，所述废气排放管上还设有废气阀。

技术总结
本发明公开了一种基于高温质子交换膜燃料电池和膜蒸馏设备耦合的水（热）电联供系统，包括：膜蒸馏装置，包括原料供给单元、膜组件、循环泵、热交换器、控制器、温度传感器、真空泵和冷换热器；膜组件用于过滤物料；控制器分别与温度传感器和真空泵信号连接；冷换热器与膜组件连接，能够将经过的蒸汽冷却并流入与冷换热器连接的产水罐中；高温膜燃料电池模组，发电后能够产生气体，气体能够通过高温膜燃料电池模组与热交换器连接的管路向热交换器输送，将热交换器内的物料加热。采用高温膜燃料电池模组代替柴油发电机组为膜蒸馏装置提供热能，解决了柴油发电机组碳排放量高的问题，达到了低碳环保高能效的要求；低噪音，产水效率高，发电效率高。电效率高。电效率高。


技术研发人员：卢善富 高永钢 郭志斌 苏成龙 相艳
受保护的技术使用者：北京中科瑞升资源环境技术有限公司
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/7/25