一種高效、快速、結構緊湊的車載富氫氣體製備裝置的製作方法

2023-05-31 05:50:26

專利名稱：一種高效、快速、結構緊湊的車載富氫氣體製備裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於新能源領域，該裝置的作用是使碳氬燃料在常溫常壓下快速 地與空氣發生部分氧化反應，產生富氫氣體，從而提高汽車的燃燒效率、降低 有害排放。
技術背景目前，世界性的能源危機、環境汙染等問題日益嚴重。而汽車作為石油的主要消耗者，它消耗的石油資源越來越多，其行駛時排出的氣體(態)汙染物(co、N0X、 HC)、微粒汙染物、蒸發排放物等也已成為城市空氣汙染的主要來源。因此， 開發廉價、清潔的新能源已成為汽車工業迫在眉睫的任務。氫氣的熱值是140kJ/g,大約為汽油的三倍，被認為是取代礦物燃料的理想 能源。雖然氫罐的最大壓力已達70MPa，但還是不能滿足續駛裡程的要求，並且 還存在安全隱患等問題，而車載富氫氣體製備裝置則可以較好地解決上述問題， 是最現實的移動氫源的選擇之一。目前，車載碳氫燃料重整制氫的方法有化學 重整法和等離子體重整法兩種。(1) 化學重整法化學重整法的原理是在催化劑的作用下，使碳氫燃料發生化學變化產生氫 氣，其中包括水蒸氣重整、部分氧化重整和自熱重整。水蒸氣重整制氬是比較 成熟的技術，在催化劑的作用下，可將碳氫燃料中的氫與水中的氫都轉化成氫 氣，因此其產氫率高，但由於該反應為吸熱反應，故需外部供熱，因此整個系 統的熱效率低。部分氧化重整制氫在工業制氫領域是比較成熟的技術，它甚至 可將重油轉化為富氫氫氣，其產氫率比水蒸氣重整的低，並且空氣中的氮氣會 稀釋產氣中氫氣的體積百分含量，但由於該反應為放熱反應，故外部供熱少， 整個系統的熱效率較高，並且啟動時間短、動態響應快。自熱重整即將吸熱的 水蒸氣重整和放熱的部分氧化重整結合到一起，並在一定條件下實現熱量的自 平衡，該重整方式的產氫效率高、能量利用率高，但是容易出現局部過熱現象(即 "熱點")。(2) 等離子體重整法等離子體重整(Plasma ref orming)是近10年才出現的一種重整制氫的方法，3它是利用氣體通過高壓電極間的空間時，電極間流動的電子將使氣體分子分裂， 產生物質的第四態一一等離子體。由於等離子體中存在活性自由基(如0、 0H、 O，等)，因而可引發部分化學反應的發生。由於等離子體的能量密度高，不需要 催化反應器，因此可大幅度降低重整器的大小和質量。等離子體重整裝置結構 簡單、制氫速度快、啟動快、可以不用催化劑、可在常溫常壓下、極短的時間、 較小的反應空間內引發制氫反應，因此被認為是多變條件下小規模生產氬氣的理想選擇。眾所周知，PEMFC的陰極Pt催化劑會CO中毒，目前能夠耐受的CO最大 允許值約為10ppm，利用Plasma重整法可使碳氫燃料在高溫下迅速發生分解反 應，該反應的產物為炭和氫氣，不產生使Pt催化劑中毒的氣體CO，以及溫室氣 體C0"雖然等離子體發生器需要消耗電能來產生等離子體，但其消耗的電能僅 為幾十瓦，相當於一個車前照燈消耗的能量，相對其消耗的能量，其節省的能 量更多，並且可以使燃燒產物更為清潔。等離子體重整的另一大優勢是其可重 整的燃料很多，像酒精、柴油、生物垃圾、天然氣等。由此可見，化學重整法與等離子體重整法制氫原理的不同之處是它們激發 化學反應的活性物質不同。化學重整法的活性物質是催化劑，而等離子體重整 法的活性物質是活性自由基。但是催化劑往往需要在高溫下才能發揮其活性， 因此需要加熱，使得消耗的能量更多，並且加熱時間一般需要幾分鐘，因此利 用化學重整法的制氫裝置啟動較慢。但是等離子體重整法不需要催化劑，在常 溫下就可發生反應，因此利用等離子體重整法的制氫裝置啟動快。 實用新型內容為解決上述問題，本實用新型提供一種低成本、啟動快、高效、結構緊湊 的車載富氫氣體製備裝置。採用的技術方案如下車載富氫氣體製備裝置，其為圓筒狀結構，包括相 互連接的等離子體發生器和等離子體反應器兩部分，等離子體發生器包括進氣 口，進氣口設置為偏心式，等離子體發生器的內腔被分為兩個氣室，下氣室為 燃料的預混室，整個裝置為立式，採用不鏽鋼材料製作。偏心式進氣口設計，使得進氣產生渦流，增長了氣體與電弧的接觸時間， 以便產生更多的等離子體，等離體發生器內腔的下氣室作為燃料的預混室，使 燃料能更好地混合，整個裝置為立式，氣體從下往上流，由於氫氣的密度小， 該結構有利於氫氣的溢出。車載富氫氣體製備裝置還以去除側電極的火花塞作為負極，並將火花塞安 裝在等離子體發生器沿軸向的一端，制氫裝置接地作為正極，以火花放電產生等離子體。在常溫常壓下，當碳氫燃料和空氣的混合物進入等離子體發生器後， 經火花放電產生等離子體。之後，反應物進入等離子體反應器，在該區域，等 離子體將促進燃料與空氣發生部分氧化反應，在短時間內產生富氫氣體。該車載富氫氣體製備裝置的特點是利用等離子體重整法重整制氫，制氫 速度與制氫效率高、成本低、啟動快、結構緊湊，並且易於實現。

圖l是車載富氫氣體製備裝置的結構圖；圖2是車載富氫氣體製備裝置的A-A向視圖；圖3是車載富氫氣體製備裝置的應用舉例示意圖。圖中標號說明1-等離子體發生器；2-等離子體反應器；3-電極安裝孔；4-進氣口； 5-出氣口； 6-點火控制單元；7-已去除側電極的火花塞；8-淨化器；9-氫燃料汽車發動機； 10-接地。
具體實施方式
該車載制氫裝置的結構圖如圖1所示。碳氫燃料和空氣的混合物從進氣口 4 進入等離子體發生器l,經火花塞放電產生等離子體。之後，反應物進入等離子 體反應器2，在該區域，等離子體促進燃料與空氣發生部分氧化反應，在短時間 內產生富氫氣體。製得的富氫氣體從出氣口 5流出。在實際應用中，可單獨使用一個該車載制氫裝置，也可將兩個或多個該車 載制氫裝置並聯使用。可設計為如圖2所示的氫燃料汽車車載制氫系統。該系 統使用1個車載制氫裝置，用點火控制器6控制火花放電。燃料與空氣的混合 氣從進氣口 4進入車載制氫裝置，在火花放電等離子體的作用下重整得到富氫 氣體，然後經過淨化器8，最後進入氬燃料汽車發動機9。
權利要求1.一種車載富氫氣體製備裝置，其為圓筒狀結構，包括相互連接的等離子體發生器(1)和等離子體反應器(2)兩部分，其特徵在於等離子體發生器(1)包括進氣口(4)，進氣口(4)設置為偏心式，等離子體發生器(1)的內腔被分為兩個氣室，下氣室為燃料的預混室，整個裝置為立式，採用不鏽鋼材料製作。
專利摘要本實用新型涉及新能源領域，提供一種高效、快速、結構緊湊的車載富氫氣體製備裝置，用於在短時間內製備車載富氫氣體，該裝置為圓筒狀結構，包括等離子體發生器(1)和等離子體反應器(2)兩部分，兩者相連接，等離子體發生器(1)具有進氣口(4)，進氣口(4)設置為偏心式，等離子體發生器(1)的內腔被分為兩個氣室，下氣室為燃料的預混室，整個裝置為立式，採用不鏽鋼材料製作，該裝置基於等離子體化學反應特性，利用等離子體重整法對碳氫燃料進行重整制氫，具備啟動快、效率高、成本低、易於實現等優點，大大提高了制氫速度與制氫效率。
文檔編號C01B3/36GK201165470SQ20072017332
公開日2008年12月17日 申請日期2007年9月24日 優先權日2007年9月24日
發明者宋凌珺, 寧 李, 李興虎 申請人:北京航空航天大學