三腔串联式等离子体车载富氢气体发生器

摘要

本发明提出了一种高效、快捷、轻便的三腔串联式等离子体车载富氢气体发生器，该装置外观为圆筒形，用于随车富氢气体的快速制取。该发生器主要包括等离子体反应部分和等离子体发生部分。等离子体发生部分由三个均布的发生腔串联组成，发生腔横截面的形状为120°扇形，发生腔的半径为6-8mm。反应部分即反应腔，形状为圆柱形。本装置以安装在扇形角圆心的电极为正极，以底座的弧形侧壁为负极，车载蓄电池为电源，经放电控制装置在正负电极间放电产生等离子体。当碳氢燃料或碳氢燃料与空气的混合物由底部进气口进入发生腔，经过火花放电使反应物产生等离子体。之后，反应物进入反应腔进行部分氧化反应，迅速变为富氢气体，并由上方的出口排出。

权利要求

1.一种三腔串联式等离子体车载富氢气体发生器，包括：等离子体反应部分(1)即等离子体反应腔，该部分形状为圆柱形，内部由绝缘压盖(4)将反应腔与发生腔部分隔离；

等离子体发生部分(2)，该部分由金属底座(6)、绝缘压盖(4)和陶瓷外筒(5)形成的三个均布的发生腔串联而成，单个发生腔横截面的形状为120°扇形，扇形半径的调整范围为6-8mm，以安装在扇形角圆心的电极(3)为正极，以底座的弧形侧壁(15)为负极，进气口(7)位于底部，沿轴向向上，经过三个串联扇形发生腔进入上面的反应腔，最后由上部出气口(11)流出。

说明书

三腔串联式等离子体车载富氢气体发生器

技术领域

[0001] 本发明专利属于新能源领域，该装置的作用是使碳氢燃料在常温常压下快速地与空气发生部分氧化反应，迅速产生富氢气体。为发动机提供富氢燃料，提高火焰传播速度，改善内燃机燃烧；也可作为汽车催化净化器的还原气体，提高还原效率，降低NO排放；当产生的富氢气体经过进一步净化后，也可作为燃料电池汽车或燃料电池的制氢装备。

背景技术

[0002] 能源危机和环境污染已成为日益严重的全球性问题。汽车消耗的石油资源越来越多，其排出的气体污染物、微粒污染物等也已成为城市空气污染的主要因素。因此，提高内燃机汽车的能源转换效率、降低其有害排放和开发清洁、廉价的新型燃料已成为汽车工业最紧迫的任务。

[0003] 氢气燃烧产物是水，唯一的有害排放物是NOx，因而被认为是理想的内燃机燃料。由于纯氢制备成本高，并且还存在氢罐的储存、运输和安全等因素，故目前很难得到大规模的实际应用。而利用随车携带的传统燃料采用随车制氢的方案可以很好的解决以上问题，因此，车载制氢被认为是最佳的选择之一。目前，车载制氢的方法主要有传统的化学重整法和等离子体重整法两种。

[0004] (1)化学重整法

[0005] 化学重整法的原理是在催化剂的作用下，使碳氢燃料发生化学变化产生氢气，依据重整部分供热方式的不同可分为3种：外热式水蒸气重整、部分氧化重整、自热重整。外热式水蒸气重整制氢产氢率较高，但反应过程需外部供热，且反应温度较高，因此系统较复杂、启动缓慢、响应差且热效率低。部分氧化重整制氢是比较成熟的技术，其产氢率比水蒸气重整的低，但由于该反应为放热反应，故不需额外供热，系统相对简单且热效率较高，同时启动时间短、动态响应较快。自热重整是将水蒸气重整和部分氧化重整相结合，该重整方式的响应较快且产氢率和能量利用率较高，但由于吸热和放热的不平衡容易出现局部过热现象，使氢产氢率和转化效率降低。

[0006] (2)等离子体重整法

[0007] 等离子体法制氢是一种正在发展、不断完善的新方法，它可以解决或避免传统化学催化重整法遇到的问题。用等离子体激发的制氢化学反应原理和传统的原理大致是相同的，不一样的是激发化学反应的活性物质不同。传统方法的活性物质是催化剂，等离子体方法的活性物质是高能电子和自由基。因为等离子体重整使用的是电，故反应具有高度的可控性，可以在大范围内调节气体速率和组成，达到反应的最优化。借助于高活性的粒子像电子、离子、激发态物质，等离子体能大大提高化学反应速度，或者为吸热反应提供能源，并避免使用非均相催化剂。这些优点以及其高能量密度并由此导致的反应时间减少，为制氢反应器缩小尺寸、减轻重量提供了可能。另外等离子体转化制氢对原料要求不高，只要是含氢物质，像天然气、醇类、生物燃料等都可以成为等离子体法制氢的原料。

发明内容

[0008] 本发明的目的是：提出了一种三腔串联式等离子体车载富氢气体发生器，用于随车富氢气体的快速制取，减少汽车能源消耗和有害物排放、并提供燃料电池汽车氢源的解决参考途径。

[0009] 本发明的技术方案是：该发生器主要包括等离子体反应部分(1)和等离子体发生部分(2)。等离子体反应部分(1)即等离子体反应腔，该部分形状为圆柱形，内部由绝缘压盖(4)将反应腔与发生腔部分隔离；等离子体发生部分(2)，该部分由金属底座(6)、绝缘压盖(4)和陶瓷外筒(5)形成的三个均布的发生腔串联组成，发生腔横截面的形状为120°扇形，发生腔的半径为6-8mm。进气口(7)位于底部，沿轴向向上，反应物经过三个串联扇形发生腔进入上面的反应腔，最后由上部出气口(11)流出。本装置以安装在扇形角圆心的电极(3)为正极，以底座的弧形侧壁(15)为负极，车载蓄电池为电源，经放电控制(12)装置在正负电极间放电。当碳氢燃料或碳氢燃料与空气的混合物进入发生腔，经过火花放电使反应物产生等离子体。之后，反应物进入反应腔(1)进行部分氧化反应，迅速变为富氢气体。重整过程使用的是电，反应具有高度的可控性，可以在大范围内调节气体速率和组成，达到反应的最优化。

[0010] 本发明的优点是：采用三腔串联的结构，利用等离子体重整法对碳氢燃料进行重整制氢，该反应器具有高效、迅速、轻便、易实现等优点。

附图说明

[0011] 图1是车载富氢气体发生器分解图。

[0012] 图2是车载富氢气体发生器的应用示意图。

[0013] 图中标号说明

[0014] 1-反应部分；2-发生部分；3-正极；4-绝缘压盖；5-陶瓷外筒；6-反应器底座；7-进气口；8-正极安装孔；9-压盘；10-反应器端盖；11-出气口；12-放电控制单元；13-净化装置；14-富氢气体使用装置；15-负极(搭铁)

具体实施方式

[0015] 该车载制氢装置的结构如图1所示。碳氢燃料或碳氢燃料与空气的混合物从进气口7进入发生腔2，经过火花放电使反应物产生等离子体。之后，反应物进入反应腔1进行充分的氧化反应，迅速得到富氢气体。反应后的富氢气体由出气口11排出。采用三个发生腔串联的结构，可使气体与电弧的接触时间和接触几率增大，而且反应更充分，可获得较高氢气含量的富氢气体。

[0016] 在实际应用中可设计为如图2所示的车载制氢系统。由放电控制装置12控制等离子的发生，经电离和充分反应后的富氢气体进入净化器13，处理后进入富氢气体使用装置14。根据实际流量需要可并联若干个发生器。

[0017] 该发生装置已用于二甲醚的等离子体重整制氢试验，得到的富氢气体中氢气的体积百分含量达30％，氢产率达40％。该装置可用于多种碳氢燃料(天然气、石油液化气以及汽化后的汽油和柴油等液体燃料)的等离子体重整富氢气体制备。实验验证结果表明，该装置具有高效、迅速、轻便、易实现等优点。