[发明专利]一种靠铝水制氢和质子交换膜燃料电池供电的应急净水机

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种由铝水制氢和质子交换膜燃料电池供电的应急净水机，特别适合于地震等自然灾害情况下的应急救援。属于水处理、铝制氢和质子交换膜燃料电池三个交叉领域。 

技术背景

目前世界各地自然灾害出现的次数逐渐增加，灾情逐渐加重，甚至出现了多种灾害混合叠加。例如在2011年3月11日，日本发生9级大地震，同时引发海啸和核泄露等的多重灾害。当灾害来临时，如何挽救更多人的生命，使灾害造成的损失降到最小。这是摆在各国政府面前的大事。其中关键的出路就是向灾区提供的应急救助救援救护等方面的装备。 

水是生命最宝贵的源泉，滋润万物、哺育生命，人们无时无刻不需要水。当地震等灾害来临之际，水或许就是保证生命存续下去的关键因素。所以在所有应急产品中水处理净化装置是必不可少的。 

应急净水装置的功能就是将地表水甚至污水净化为安全饮用水，有关应急水处理装置目前为止，主要采用膜分离技术。因为膜分离技术是当今水处理最有效的净水技术，其中超滤(UF)的过滤精度在0.001～0.1微米，可滤除水中的铁锈、泥沙、悬浮物、胶体、细菌、大分子有机物等有害物质；反渗透(RO)的过滤精度为0.0001微米左右，可去掉水中的几乎一切的杂质(包括有害的和有益的)，只能允许水分子通过。纳滤膜的处理能力介于超滤和反渗透之间。公开号为CN101844840A、CN101948190A、CN201762128U、CN201762128U等实用新型专利提供的手动超滤净水装置，产水量小，不能满足更多人的要求。目前出现的应急净水装置多为蓄电池、柴油或汽油发电机为水泵提供电源，而蓄电池供电供电是有限的，而柴油或汽油当灾害出现时可能找不到，且柴油机或汽油机的噪音大、气味大。公开号为CN201722219U实用新型专利提供了一种太阳能供电净水及照明系统，提供的电能用于净水和照明等使用，但是该系统在夜间或阴天、雨天就无法发电，难以做到连续、不间断供电。 

质子交换膜燃料电池是一种将氢气通过电化学反应将化学能直接转化为电能的发电装置，它不受天气和夜晚的影响，它具有质量轻，供电可靠，无振动，噪声小，启动快，无污染等优点。它只受氢原料的影响，提供高效、安全、响应迅速的现场在线供氢技术是使质子交换膜燃料电池实用化的关键。 

采用硼氢化钠水溶液制氢，可实现快速、高效地现场制氢。但是硼氢化钠制氢成本较高，限制了其推广和应用。 

金属铝是地壳中含量最多的金属元素，来源广，价格低，制氢成本低，因而在制氢方面 具有更大的发展潜力。由于铝的密度低，所以易携带、易运输，适合为特殊场合的燃料电池电源供给氢气。铝与水反应制氢，速度快、纯度高、产量高，能满足质子交换膜燃料电池对供氢的要求，其次，反应产物环境友好(不产生含碳和氮的有害物质)，副产物氢氧化铝等可回用于水处理等方面。通过金属铝与水反应制氢可现用现制，这样系统就变得更加小、更安全。 

专利号为ZL02104279.9发明专利提供了一种制氢装置，复杂庞大不便携，且反应器底部会有积累沉淀，影响反应的继续进行。专利公开号为CN101323430提供了一种移动设备用氢气发生器，其产氢量受限于装料量，不能继续添加金属粉末以实现反应的持续进行，且该装置清洗不方便。美国专利号为US6638493提供了一种集气腔和集水腔不相套的氢气发生器(美国专利US6638493)，该装置可按需供氢，操作安全，清洗方便，但体积还是大。 

发明内容

本发明的目的是为了在灾害发生时，提供一种安全可靠、方便操作的可将各种原水(地表水、地下水以及污水等)净化为安全饮用水的技术与设备。 

本发明涉及的一种靠铝水制氢和燃料电池发电的应急净水机，包括以下几个部分：铝水制氢系统，燃料电池发电系统(还包括燃料电池电堆、逆变器和控制器、风机、电磁阀等)和膜净水系统。其中，由铝水反应制出氢气供给氢-空质子交换膜燃料电池的阳极，风机将空气中的氧气供给质子交换膜燃料电池的阴极，所需的电力来源于燃料电池的电堆。当燃料电池的阴极在停机状态时与空气接触，当氢气进入电堆的阳极，电堆电压就升高从而达到启动风机所需的额定电压而驱动风机，风机启动后，提供更多的空气进入电堆阴极使得电堆电压进一步升高，从而使得燃料电池升至额定电压，完成燃料电池系统启动。由氢-空质子交换膜电池产生的电能经过逆变器和控制器，将电能转化为可供水泵、风机、电磁阀工作的三个额定功率的输出电源，水泵工作可将原水吸入净水系统，经过膜分离技术净化为安全饮用水。