CN101643202A - 车载制氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车载制氢装置，醇箱(1)的醇出口(6)通过醇管连接有加热器，加热器的醇汽出口通过醇管连接有反应器，反应器带有用于与车辆发动机连接的裂解气出口；所述的加热器一端带有用于与车辆发动机连接的尾气进口，另一端带有用于与消音器连接的尾气出口。采用本发明随车制氢，可替代部分汽油并改善汽油的雾化、混合和燃烧，提高汽油机的热效率。经过实际检测，掺氢比例在4.7wt％时，可替代30～40％的燃油，尾气中的碳氢化合物、氮氧化合物和一氧化碳总量减少90％以上。

Description

车载制氢装置
(一)、技术领域
本发明涉及一种制取氢气的专用装置。具体地说，是一种利用内燃机废气余热将甲醇催化裂解重整的车载制氢装置。
(二)、背景技术
氢能以其清洁、高效、可再生被视为本世纪最具发展潜力的能源，而且现有燃烧石油燃料的汽车内燃机不做任何改动就可以掺氢混燃。氢燃料用于汽车时也有诸多优点，例如，氢的单位质量发热量高于汽油；氢的火焰传播速度较汽油快得多；氢比汽油具有更宽的着火界限、点火能量小等。醇氢代燃是二十一世纪的高科技产业热点，因此，氢能被认为是最具有前景的汽车内燃机代用燃料。由于掺氢混合燃料，易实现稀薄燃烧，可在宽广的工况内得到较好的燃油经济性。
近年国内外针对氢燃料难以直接随车储存的特点，以甲醇代替氢气随车携带，并利用发动机排气余热将甲醇水溶液重整为氢，将甲醇重整气与汽油或柴油混合作为发动机燃料，较好地解决了氢燃料在汽车发动机上的储存、携带，使氢燃料在汽车发动机上的推广应用成为可能。汽车上即时发生的氢气还可以即时再生尾气处理器中的催化剂。车载制氢还免去了氢能的储存与运输环节。
内燃机余热甲醇制氢方式产生的甲醇重整气，除含氢气以外还包含少量的CO、CO2、O2、N2等气体。这种制氢方式产生的气体特别适合于内燃机的掺氢混燃，富氢燃油混合气界限比纯燃油混合气宽得多，能够在不同混合比下实现稳定的超稀薄燃烧，得到较好的燃油经济性。氢气在空气中的扩散速度和燃烧速度较快，有利于汽油和空气的均匀混合和快速燃烧，使得混氢内燃机排放减少、动力性提高、油耗降低并可替代30～40％的燃油。此外，回收部分尾气余热，较大程度降低了尾气排入大气的温度，减少了尾气的热污染和噪声污染。
车载甲醇重整制氢装置，目前多采用管式和板翅式结构。公开号为CN85109487的中国专利公开了一种“余热制氢发动机”，由10～20根薄壁不锈钢细管焊接到2块端板上，钢管内部通燃烧气，用于加热换热管，钢管外部涂上重整催化剂用于催化甲醇和水蒸气。由于钢管外表面面积较小，催化剂涂敷面积有限，使得处于重整器空腔的未接触到催化剂的甲醇和水蒸气难以发生重整反应，导致产氢率低、甲醇转化率低。
“板翅式反应器中甲醇水蒸气重整制氢”(潘立卫，王树东，，化工学报，2005，56(3)：468～473)公开了一种板翅式甲醇重整器。它由波浪状不锈钢薄板和围板焊接而成，采用尽可能多的波浪是为了增大催化剂涂敷和换热表面积，该重整器分为内腔一燃烧气腔和外腔一甲醇和水蒸气反应腔，由于只能在波浪板表面涂敷催化剂，使得反应腔内远离波浪板表面的甲醇和水蒸气难以发生重整反应，直接从排气口排出，导致产氢率低、甲醇转化率低。
上述余热裂解制氢装置皆为利用内燃机排气管尾气的余热直接加制氢装置的裂解催化反应床，难以保证裂解催化反应床的温度恒定，这将严重影响醇类燃料裂解富气气体的质量及制氢量，造成该类余热裂解制氢装置难以与内燃机配合协调工作。另一方面，由于对催化剂的加热方式是带火焰的内燃机尾气直接加热钢管，很容易导致催化剂失活，严重影响制氢装置中催化剂的使用寿命。
(三)、发明内容
本发明的目的是为了克服现有的车载重整制氢装置的缺陷，而提供一种新的车载制氢装置。本发明所要解决的技术问题是：第一、能够将汽车内燃机尾气热量储存于加热器中，以保持制氢反应具有合适、恒定的温度；第二、催化裂解重整反应由气雾加热代替带火焰的尾气直接加热，以延长催化剂的使用寿命；第三、本装置具有更加合理、灵活的安装方式。
为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案。
一种车载制氢装置，包括醇箱，其特征在于：醇箱的醇出口通过醇管连接有加热器，加热器的醇汽出口通过醇管连接有反应器，反应器带有用于与车辆发动机连接的裂解气出口；所述的加热器一端带有用于与车辆发动机连接的尾气进口，另一端带有用于与消音器连接的尾气出口。
还包括内腔设置有换热管的气水分离器；所述的醇出口与加热器之间的醇管经过该气水分离器内腔的换热管；所述的反应器的裂解气出口连接气水分离器的进氢口，该气水分离器带有用于与车辆发动机连接的出氢口。
所述的加热器包括圆筒状的壳体和壳体内部的内蓄热体；壳体的内腔空间一端连通尾气进口，另一端连通尾气出口；壳体的内腔空间内还设置有盘绕在内蓄热体上的螺旋状热交换管，该热交换管一端连接醇出口与加热器之间的醇管，另一端连接加热器与反应器之间的醇管；所述的内蓄热体由内蓄热管和设置于内蓄热管内壁上的若干径向走向的的内翅片组成。
壳体内部还可以设置有外蓄热体，所述的热交换管位于内蓄热体与外蓄热体之间；所述的外蓄热体由外蓄热管和设置于外蓄热管外壁上的若干径向走向的的外翅片组成。
所述的加热器可以是一个单元，也可以由两个以上的加热器单元串接而成；相邻反应器单元之间的壳体的内腔空间相通，热交换管相通。
所述的反应器是两端分别带有醇汽入口与裂解气出口的腔体，空腔体内填装催化裂解重整用的催化剂。
所述的反应器可以是一个单元，也可以由两个以上的反应器单元连接而成；连接形式包括串联、并联和串并联。
本发明的积极效果在于：(1)、将加热汽化与催化裂解重整分为二个结构单元。先将醇在加热器中加热雾化，具备足够反应温度的汽雾进入反应器进行催化裂解重整，有效避免了内燃机带火尾气对催化剂直接加热导致的催化剂失活问题，较大幅度地提高了催化剂使用寿命。(2)、由于反应器采用内外翅片，换热面积大幅度提高，吸热、储热效果更好，能够将汽车内燃机尾气热量储存于加热器中，以保持制氢反应具有合适、恒定的温度。(3)、加热器整体结构紧凑，反应器升温快、排气阻力小，并且制造、运营成本低。(4)、根据车辆发动机室安装空间反应器可以选择不同的组合安装方式，反应器可以采用一组，也可以多组串联、并联或者串并联结合，具有更加合理、灵活的安装方式。
采用本发明随车制氢，可替代部分汽油并改善汽油的雾化、混合和燃烧，提高汽油机的热效率。经过实际检测，掺氢比例在4.7wt％时，可替代30～40％的燃油，尾气中的碳氢化合物、氮氧化合物和一氧化碳总量减少90％以上。
(四)、附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明加热器的结构示意图。
图3是本发明加热器的纵截面示意图。
图4是本发明加热器的内蓄热体的结构示意图。
图5是本发明加热器的内蓄热体的纵截面示意图。
图6是本发明加热器的外蓄热体的结构示意图。
图7是本发明加热器的外蓄热体的纵截面示意图。
图8是本发明反应器的结构示意图。
(五)、具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，本实施例包括装盛甲醇或者乙醇的醇箱1，与醇箱1的醇出口6连接的醇管从气水分离器入醇口2穿入气水分离器19内腔，并与气水分离器19内腔中的换热管4入醇端连通，从气水分离器出醇口7穿出醇管内端连通换热管4出醇端，外端连接加热器。所述的换热管4呈螺旋状，利于换热管内醇与裂解气之间的热交换。
如图2、3所示，每个加热器单元均包括圆筒状的壳体21和壳体21内部的内蓄热体23。壳体21为由岩棉及玻璃棉毡等保温材料制成的保温层。壳体21的内腔空间一端连通尾气进口，另一端连通尾气出口；壳体21的内腔空间内还设置有盘绕在内蓄热体23上的螺旋状热交换管22，该热交换管22的入醇口25通过醇管连接气水分离器19，该热交换管22的醇汽出口20通过醇管反应器。如图4、5所示，所述的内蓄热体23由内蓄热管和设置于内蓄热管内壁上的若干径向走向的的内翅片26组成。
壳体21内部还可以设置有外蓄热体24，所述的热交换管22位于内蓄热体23与外蓄热体24之间。如6、7所示，所述的外蓄热体24由外蓄热管和设置于外蓄热管外壁上的若干径向走向的的外翅片27组成。本例中，加热器为互相串接的三个加热器单元。
所述的加热器可以是一个单元，也可以由两个以上的加热器单元串接而成；相邻反应器单元之间的壳体21的内腔空间相通，热交换管22相通。本例中，加热器为互相串接的三个单元，即第一加热器13、第二加热器14和第三加热器15。其中，第三加热器15的入醇口25通过醇管连接气水分离器出醇口7，第三加热器15的醇汽出口通过醇管连接第二加热器14的入醇口，第二加热器14的醇汽出口通过醇管连接第一加热器13的入醇口，第一加热器13的醇汽出口20与反应器的醇汽入口连接。第一加热器13一端带有用于与车辆发动机18连接的尾气进口，第三加热器15一端带有用于与消音器9连接的尾气出口。
所述的反应器是两端分别带有醇汽入口与裂解气出口的腔体，空腔体内填装催化裂解重整用的催化剂。
所述的反应器可以是一个单元，也可以由两个以上的反应器单元连接而成；连接形式包括串联、并联和串并联。本例中，反应器由第一反应器10、第二反应器11和第三反应器12并联而成。三个反应器单元的一端分别通过管路连接并与第一加热器13的醇汽出口20连接，另一端分别通过管路连接并与气水分离器19的进氢口8连接。
仍如图1，气水分离器19带有进氢口8和出氢口5，还带有排水口3。其中，出氢口5用于与发动机18连接。
使用本发明时，将本装置安装于车辆发动机室内。将本发明的加热器连接于发动机18和消音器9之间，将出氢口5与发动机18连接，将燃油箱16与发动机18连接。所述的发动机18带有空气滤清器17。
利用发动机18排放的尾气分别对第一加热器13、第二加热器14和第三加热器15加热。当加热器中温度达300℃以上时，醇箱1中的醇进入到油气分离器19中的换热管4，从油气分离器19的出醇口7到第三反应器15，进过第二反应器14和第一反应器13到第一反应器10、第二反应器11和第三反应器12，氢气从油气分离器19的进氢口8进入到气水分离器19，与换热管4冷却分离出水，分离出的水经排水口3排出，氢气从油气分离器19的出氢口5进入发动机18。

Claims (10)

1、一种车载制氢装置，包括醇箱(1)，其特征在于：醇箱(1)的醇出口(6)通过醇管连接有加热器，加热器的醇汽出口通过醇管连接有反应器，反应器带有用于与车辆发动机连接的裂解气出口；所述的加热器一端带有用于与车辆发动机连接的尾气进口，另一端带有用于与消音器连接的尾气出口。
2、如权利要求1所述的车载制氢装置，其特征在于：还包括内腔设置有换热管(4)的气水分离器(19)；所述的醇出口(6)与加热器之间的醇管经过该气水分离器(19)内腔的换热管(4)；所述的反应器的裂解气出口连接气水分离器(19)的进氢口(8)，该气水分离器(19)带有用于与车辆发动机连接的出氢口(5)。
3、如权利要求1或2所述的车载制氢装置，其特征在于：所述的加热器包括圆筒状的壳体(21)和壳体(21)内部的内蓄热体(23)；壳体(21)的内腔空间一端连通尾气进口，另一端连通尾气出口；壳体(21)的内腔空间内还设置有盘绕在内蓄热体(23)上的螺旋状热交换管(22)，该热交换管(22)一端连接醇出口(6)与加热器之间的醇管，另一端连接加热器与反应器之间的醇管；所述的内蓄热体(23)由内蓄热管和设置于内蓄热管内壁上的若干径向走向的的内翅片(26)组成。
4、如权利要求3所述的车载制氢装置，其特征在于：壳体(21)内部还设置有外蓄热体(24)，所述的热交换管(22)位于内蓄热体(23)与外蓄热体(24)之间；所述的外蓄热体(24)由外蓄热管和设置于外蓄热管外壁上的若干径向走向的的外翅片(27)组成。
5、如权利要求3所述的车载制氢装置，其特征在于：所述的加热器由两个以上的加热器单元串接而成；相邻反应器单元之间的壳体(21)的内腔空间相通，热交换管(22)相通。
6、如权利要求4所述的车载制氢装置，其特征在于：所述的加热器由两个以上的加热器单元串接而成；相邻反应器单元之间的壳体(21)的内腔空间相通，热交换管(22)相通。
7、如权利要求1或2所述的车载制氢装置，其特征在于：所述的反应器是两端分别带有醇汽入口与裂解气出口的腔体，空腔体内填装催化裂解重整用的催化剂。
8、如权利要求7所述的车载制氢装置，其特征在于：所述的反应器由两个以上的反应器单元连接而成；连接形式包括串联、并联和串并联。
9、如权利要求3所述的车载制氢装置，其特征在于：所述的反应器是两端分别带有醇汽入口与裂解气出口的腔体，空腔体内填装催化裂解重整用的催化剂；所述的反应器由两个以上的反应器单元连接而成；连接形式包括串联、并联和串并联。
10、如权利要求4所述的车载制氢装置，其特征在于：所述的反应器是两端分别带有醇汽入口与裂解气出口的腔体，空腔体内填装催化裂解重整用的催化剂；所述的反应器由两个以上的反应器单元连接而成；连接形式包括串联、并联和串并联。
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