CN107585739A - 一种基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于制氢及掺氢燃料汽车相关技术领域，其公开了一种基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，该装置包括连接于内燃机冷却水箱的微波源、排气预热管、石英反应管、反应管金属套筒、环形器及电动调谐器及短路活塞，所述排气预热管连接所述微波源及所述石英反应管的一端，所述环形器连接所述微波源及所述电动调谐器，所述电动调谐器通过标准波导与短路活塞连接，所述石英反应管的另一端穿过所述标准波导内的谐振腔，所述反应管套筒套设在所述石英反应管凸出于所述标准波导的部分上。本发明有效利用了发动机冷却水***及排气余热来满足微波等离子体重整甲烷蒸汽制氢需要大量水及热量的要求，且优化了结构，提高了甲烷转化率，具有较强的实用性。

Description

一种基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置

技术领域

本发明属于制氢及掺氢燃料汽车相关技术领域，更具体地，涉及一种基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置。

背景技术

随着人们对大气环境保护的关注度越来越高，作为大气污染主要污染源之一的内燃机机车尾气排放，一度使得内燃机机车被推向舆论的风口浪尖，进一步使得节能及大幅度的降排成为内燃机机车工业发展的当务之急。

氢气作为最清洁的可再生能源，其经过氧化反应释放能量以后的产物只有无污染的水，氢气因这一独一无二的特性而得到了汽车动力工程师的关注。氢气的燃烧速度很快，在内燃机中将其与汽油、柴油或者天然气掺混后能提高缸内燃烧速度继而提高内燃机的热效率，同时，掺氢燃烧可以促进汽油、柴油或者天然气燃烧更完全，产生的有害排放物更少。因此，近年来开始出现内燃机掺氢燃烧、直接以氢气作为燃料的氢燃料内燃机等以氢气作为燃料为汽车提供动力的技术，这些技术能大幅度降低汽车的尾气排放。

然而，一方面，氢燃料在大自然中不是以氢气的形式存在，因此氢气需要从水或者其他含氢化合物中制备。甲烷作为含氢度最高的烃类及其在地球上的储量，使得甲烷成为制取氢气的最佳原料之一；另一方面，氢气由于自身分子半径小、化学性质活泼等原因而难于储存和运输，高难度的储存和高昂的运输费用使得氢气在汽车上使用的安全性和经济性都难以保证。

现有的制氢方法有电解水制氢、催化热解甲烷、甲醇等含氢度高的化合物制氢、介质阻挡放电(DBD)、电晕放电等离子体制氢等方法，但大多由于能耗高、原料转化率低、氢气的选择度低或者装置庞大复杂等原因难以直接在汽车上实现氢气的制取和应用。新兴的微波等离子体制氢的方法，因为装置简单，容易控制，且安全性高而受到越来越多的关注。

微波等离子体重整甲烷蒸汽制氢的技术在理论上已经成熟，但由于该技术需要利用大量的水和热量，且产生的氢气含有一定比例的一氧化碳，导致该技术在工业大规模生产中较其他方法并不占优势。此外，本领域相关技术人员也做了一些研究，如中国专利01118721.2公开了一种微波激励甲烷转化制氢的工艺，使甲烷通过有微波辐照且放置有电磁场作用下易放电物质的反应区，并停留1分钟～10分钟，让放电物质产生的等离子体裂解甲烷制取氢气；该工艺的甲烷的转化率高，反应容易控制，具有一定的应用前景，然而该制氢方法比较依赖放电物质，使得制氢装置较为复杂和庞大，并且该制氢方法产生氢气的同时会生成大量的碳粒附着在放电物质上，阻碍反应的继续进行，并不适合直接应用于汽车上；又如中国专利201310007863公开了一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整气***，该专利涉及了圆柱型和矩形谐振腔，多方向切向输入的方法在反应腔内生成涡旋气流来产生稳定的等离子体，等离子体再与汽油、柴油、酒精、水等混合物作用而制备富氢气体；该发明在微波基础上，在反应腔中添加了火花塞，利用高电压电弧放电形成等离子体，后续再用微波来维持等离子体，具有一定的实用性；然而，火花塞的金属头部会阻碍等离子体的发展，也会阻碍混合气与等离子体作用，降低转化效率，且火花塞达到使用寿命后需要更换，操作繁琐；微波在谐振腔中形成的电场分布难以均匀，要维持稳定的空间等离子体，难度较大，且多喷嘴的设计与安装使得反应腔结构复杂，***稳定性受影响；如果磁控管的发热不足以加热混合气到足够温度，还需设计更加高效的预热***；重整制氢过程除了产生氢气以外，还会生成一部分一氧化碳、乙炔和碳粒，无进一步地处理，若直接应用于氢燃料电池汽车上，则必须将一氧化碳从氢气中分离出去，由此会产生新的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，其基于现有制氢方法的特点，研究及设计了一种基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置及方法。所述车载制氢装置有效利用了发动机冷却水***及排气余热来满足微波等离子体重整甲烷蒸汽制氢需要大量水及热量的要求，且优化了结构，使得基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置在掺氢燃料汽车上实现了稳定高效的氢气制取与使用。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，所述车载制氢装置包括连接于内燃机冷却水箱的微波源、排气预热管、石英反应管、反应管金属套筒、环形器、电动调谐器及短路活塞，所述排气预热管连接所述微波源及所述石英反应管的一端，所述环形器连接所述微波源及所述电动调谐器，所述电动调谐器通过标准波导与所述短路活塞相连接，所述标准波导内形成有谐振腔；所述石英反应管的另一端穿过所述谐振腔后而凸出于所述反应管套筒，所述反应管套筒套设在所述石英反应管凸出于所述波导管的部分上；

所述微波源发出的微波依次经所述环形器、所述电动调谐器及所述短路活塞后在所述谐振腔发生谐振以形成局部的强电场；所述内燃机冷却水箱内的水流经所述微波源以对所述微波源进行冷却，且自所述微波源流出后以流经所述排气预热管而形成高温蒸汽，由此，所述高温蒸汽进入所述石英反应管并在所述强电场作用下被击穿而形成等离子体炬。

进一步地，所述车载制氢装置包括天然气罐，所述天然气罐连接于所述石英反应管。

进一步地，所述车载制氢装置包括两个流量控制器，两个所述流量控制器分别称为第一流量控制器及第二流量控制器，所述第一流量控制器连接所述排气预热管及所述石英反应管，所述第二流量控制器连接所述天然气罐及所述石英反应管。

进一步地，所述第一流量控制器及所述第二流量控制器分别用于控制进入所述石英反应管内的高温水蒸汽及天然气的体积，相同时间内进入所述石英反应管内的所述高温水蒸汽与所述天然气的体积之比为1:1。

进一步地，所述石英反应管包括管体、设置于所述管体一端的蒸汽喷嘴及设置于所述管体一侧的切向喷嘴，所述管体内还收容有催化剂，所述蒸汽喷嘴连接于所述第一流量控制器，所述切向喷嘴连接于所述第二流量控制器。

进一步地，所述切向喷嘴的出口与所述催化剂相对设置，以使所述天然气自所述切向喷嘴喷向所述催化剂。

进一步地，所述车载制氢装置包括过滤器、出气管及碳粒吸收罐，所述过滤器连接于所述石英反应管凸出于所述反应管金属套筒的一端，所述出气管及所述碳粒吸收罐均连接于所述过滤器。

进一步地，所述排气预热管邻近内燃机排气管设置，以利用内燃机排气余热来加热水，进而使水形成水蒸汽。

进一步地，所述短路活塞与所述电动调谐器分别位于所述石英反应管相背的两侧，通过调节所述短路活塞使所述微波在所述谐振腔发生谐振以形成局部的强电场。

进一步地，所述石英反应管与标准波导尾部之间的距离为微波波长的四分之一。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置主要具有以下有益效果：

1.所述内燃机冷却水箱内的水流经所述微波源以对所述微波源进行冷却，且自所述微波源流出后以流经所述排气预热管而形成高温蒸汽，充分利用了微波源和内燃机的余热，且能够很好地满足等离子体重整甲烷蒸汽所需的大量热量，提高了汽车的能源利用率，实现了掺氢燃料汽车的节能减排；

2.所述微波源发出的微波经所述环形器及所述电动调谐器后在所述谐振腔发生谐振以形成局部的强电场，所述高温蒸汽进入所述石英反应管并在所述强电场作用下被击穿而形成等离子体炬，不依靠放电电极及放电物质，使得结构更为简单，更适合于在汽车上布置，且不会产生因电极损坏、更换放电物质所带来的可靠性问题；

3.所述石英反应管与标准波导尾部之间的距离为微波波长的四分之一，使得反应区贯穿谐振腔中的强电场区，又使反应区与波导管段隔离开来以防止波导管段受到损伤。

附图说明

图1是本发明提供的基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置的结构示意图；

图2是图1中的基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置的石英反应管的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-内燃机冷却水箱，2-微波源，3-排气预热管，4-流量控制器，5-反应管金属套筒，6-环形器，7-电动调谐器，8-谐振腔，9-短路活塞，10-天然气罐，11-石英反应管，12-过滤器，13-碳粒吸收罐，14-出气管，15-蒸汽喷嘴，16-切向喷嘴，17-催化剂，18-等离子体炬。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明较佳实施方式提供的基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，所述车载制氢装置有效利用了发动机冷却水***及排气余热来满足微波等离子体重整甲烷蒸汽制氢需要大量水及热量的要求，且优化了结构，使得基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置在掺氢燃料汽车上实现了稳定高效的氢气制取与使用。

所述车载制氢装置包括连接于内燃机冷却水箱1的微波源2、排气预热管3、两个流量控制器4、反应管金属套筒5、环形器6、电动调谐器7、谐振腔8、短路活塞9、天然气罐10、石英反应管11、过滤器12、碳粒吸收罐13及出气管14。本实施方式中，为了描述方便，两个所述流量控制器4分别称为第一流量控制器及第二流量控制器。

所述排气预热管3连接所述微波源2及所述第一流量控制器，所述第一流量控制器通过管路与所述石英反应管11相连通。所述环形器6连接所述微波源2及所述电动调谐器7。所述电动调谐器7通过标准波导连接于所述短路活塞9，反应管金属套筒5套放于所述石英反应管11凸出于所述标准波导的管段，所述电动调谐器7及所述短路活塞9分别位于所述石英反应管11相背的两侧，且两者均水平设置。所述石英反应管11与所述标准波导相交，且所述石英反应管11部分收容于所述标准波导内。

所述石英反应管11的一端穿过所述反应管金属套筒5后连接于所述过滤器12，另一端连接于所述第一流量控制器。所述碳粒吸收罐13及所述出气管14均连接于所述过滤器12。所述天然气罐10连接于所述第二流量控制器，所述第二流量控制器同时连接于所述石英反应管11。本实施方式中，所述石英反应管11距波导尾部的距离为微波波长的四分之一，使得反应区贯穿谐振腔8中的强电场区，又使反应区与波导管段隔离开来以防止波导管段受到损伤；所述电动调谐器7及所述短路活塞9之间的标准波导管段形成有所述谐振腔8，所述石英反应管11穿过所述谐振腔8而凸出于所述反应管金属套筒5；所述微波经所述短路活塞9反射后，入射波和反射波在所述标准波导内形成一个谐振强场区，所述标准波导内的这一区域称为谐振腔，所述反应管套筒5套设在所述石英反应管11凸出于所述标准波导的部分上以防止微波泄露，收容于所述标准波导内的部分所述石英反应管11与所述谐振腔重合，所述石英反应管11位于所述谐振腔内的部分直接暴露在强电场中。

所述石英反应管11包括管体、设置于所述管体一端的蒸汽喷嘴15及设置于所述管体一侧的切向喷嘴16，催化剂17收容于所述管体内，所述蒸汽喷嘴15连接于所述第一流量控制器，所述切向喷嘴16连接于与所述天然气罐10相连接的所述第二流量控制器。本实施方式中，所述催化剂17为Ni/Al₂O₃催化剂。

所述车载制氢装置工作时，所述微波源2发出的微波经所述环形器6及所述电动调谐器7后，调节所述短路活塞9以使所述微波在所述谐振腔8发生谐振以形成局部的强电场。其中，所述环形器6用于防止所述微波反射进入所述微波源2而造成损坏；所述电动调谐器7用于调节整个波导管段的阻抗，使得微波反射功率达到最小，即尽可能大的利用微波能。

所述内燃机冷却水箱1内的水流经所述微波源2以对所述微波源2进行冷却，且自所述微波源2流出后流经所述排气预热管3而形成高温蒸汽，所述高温蒸汽经所述蒸汽喷嘴15进入所述石英反应管11，并在强电场区被击穿而形成等离子体炬18。其中，所述排气预热管3邻近内燃机排气管设置，以利用内燃机燃烧排气余热来加热水以形成水蒸汽。

所述天然气罐10出来的天然气经所述切向喷嘴16喷向所述催化剂17所在区域，随即所述天然气在等离子体的作用下发生重整反应，并主要产生了氢气、一氧化碳、碳粒及少量乙炔等产物。其中，两个所述流量控制器4分别用于控制天然气与高温蒸汽的流量，进而控制相同时间内进入所述石英反应管11内的天然气与高温蒸汽的体积比，优选地，在相同时间下尽可能将二者的体积比控制在1:1左右。相同时间内进入所述石英反应管11的天然气与高温蒸汽的体积比直接影响了重整反应的产物构成，所述切向喷嘴16的设置能够使其喷出的天然气较好的与所述催化剂17、所述等离子体炬18作用，且不影响所述等离子体炬18的形态，使反应持续稳定进行。所述催化剂17位于所述等离子体炬18的适当位置，以保证天然气、等离子体和所述催化剂17之间的接触效率最高，从而使制氢效率最高。

反应后的尾气经所述过滤器12及所述碳粒吸收罐13过滤后，剩下的主要成分是大量氢气和少量一氧化碳，随后经所述出气管14排出以供给车载内燃机***。

本发明提供的基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，所述车载制氢装置有效利用了发动机冷却水***及排气余热来满足微波等离子体重整甲烷蒸汽制氢需要大量水及热量的需求，且设计利用微波谐振在局部区域形成强电场来击穿高温蒸汽流以形成稳定的等离子体炬，避免了在反应腔内放置电极及放电物质所产生的安装及更换的问题，提高了甲烷的转化率，氢气选择度大，装置及控制***简单稳定，具有较强的实用性。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，其特征在于：

所述车载制氢装置包括连接于内燃机冷却水箱的微波源、排气预热管、石英反应管、反应管金属套筒、环形器、电动调谐器及短路活塞，所述排气预热管连接所述微波源及所述石英反应管的一端，所述环形器连接所述微波源及所述电动调谐器，所述电动调谐器通过标准波导与所述短路活塞相连接，所述标准波导内形成有谐振腔；所述石英反应管的另一端穿过所述谐振腔后而凸出于所述反应管套筒，所述反应管套筒套设在所述石英反应管凸出于所述波导管的部分上；

所述微波源发出的微波依次经所述环形器、所述电动调谐器及所述短路活塞后在所述谐振腔发生谐振以形成局部的强电场；所述内燃机冷却水箱内的水流经所述微波源以对所述微波源进行冷却，且自所述微波源流出后以流经所述排气预热管而形成高温蒸汽，由此，所述高温蒸汽进入所述石英反应管并在所述强电场作用下被击穿而形成等离子体炬。

2.如权利要求1所述的基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，其特征在于：所述车载制氢装置包括天然气罐，所述天然气罐连接于所述石英反应管。

3.如权利要求2所述的基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，其特征在于：所述车载制氢装置包括两个流量控制器，两个所述流量控制器分别称为第一流量控制器及第二流量控制器，所述第一流量控制器连接所述排气预热管及所述石英反应管，所述第二流量控制器连接所述天然气罐及所述石英反应管。

4.如权利要求3所述的基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，其特征在于：所述第一流量控制器及所述第二流量控制器分别用于控制进入所述石英反应管内的高温水蒸汽及天然气的体积，相同时间内进入所述石英反应管内的所述高温水蒸汽与所述天然气的体积之比为1:1。

5.如权利要求3所述的基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，其特征在于：所述石英反应管包括管体、设置于所述管体一端的蒸汽喷嘴及设置于所述管体一侧的切向喷嘴，所述管体内还收容有催化剂，所述蒸汽喷嘴连接于所述第一流量控制器，所述切向喷嘴连接于所述第二流量控制器。

6.如权利要求5所述的基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，其特征在于：所述切向喷嘴的出口与所述催化剂相对设置，以使所述天然气自所述切向喷嘴喷向所述催化剂。

7.如权利要求1-6任一项所述的基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，其特征在于：所述车载制氢装置包括过滤器、出气管及碳粒吸收罐，所述过滤器连接于所述石英反应管凸出于所述反应管金属套筒的一端，所述出气管及所述碳粒吸收罐均连接于所述过滤器。

8.如权利要求1-6任一项所述的基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，其特征在于：所述排气预热管邻近内燃机排气管设置，以利用内燃机排气余热来加热水，进而使水形成水蒸汽。

9.如权利要求1-6任一项所述的基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，其特征在于：所述短路活塞与所述电动调谐器分别位于所述石英反应管相背的两侧，通过调节所述短路活塞使所述微波在所述谐振腔发生谐振以形成局部的强电场。

10.如权利要求1-6任一项所述的基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，其特征在于：所述石英反应管与标准波导尾部之间的距离为微波波长的四分之一。