车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统

摘要

本发明公开了一款新型微波低温等离子体重整器系统，特别是涉及一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统。此系统通过转化汽油、柴油、酒精、水及其混合物等制备富氢气体。技术方案是：两个谐振腔——圆柱形和矩形谐振腔。设计了切线方向上多口输入的新方法，这样在重整器内腔生成涡旋气流来稳定产生等离子体。两套气体输出口：气体主输出口和子输出口，这样腔内功率密度可以保持在较低的水平。两种矩形腔结构：一种设计使用硼硅酸玻璃管，减少了化学物质污染微波谐振腔的风险；另一种设计使用部分谐振腔作为化学反应器，设计结构简单。还设计了自动启动技术，在初始激发微波等离子体时，用来点燃微波低温等离子体。

权利要求

1.一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统，主要由系统控制器(1001)、电源供应调节器(1019)、微波发生磁控管(1020)、波导(1021)、共轴发射装置(1022)、谐振腔(1018)、热交换器(1007)和蒸发器(1008)组成，所述系统控制器(1001)控制燃料和水的流速及微波功率，所述的电源供应调节器(1019)用来调节微波发生磁控管(1020)的电源功率，微波发生磁控管(1020)将电能转化为2.45GHz频率的微波，然后通过共轴发生装置(1022)发射到谐振腔(1018)，所述谐振腔(1018)也是等离子体反应重整器腔室，所述微波发生磁控管(1020)用液体冷却剂(1006)冷却，热量通过热交换器(1007)传递给液体燃料和水，液体燃料和水进入蒸发器(1008)蒸发形成蒸汽进入微波谐振腔(1018)，安装在火花点火装置连接座(1017)上的火花点火装置将重整器内腔的化学物质激发为等离子状态，火花点火装置通过火花点火装置控制器(1025)控制开与关，其特征在于：所述系统的谐振腔(1018)为圆柱形结构，谐振腔由三部分腔体组成，腔体I(3002)前端与波导(1021)连接，并允许探针馈电发射器(3001)延伸到谐振腔内，腔体II(3004)的后端与腔体Ⅲ(3007)的前端连接，腔体I(3002)与腔体II(3004)之间装有绝缘窗(3003)，将反应室和探针馈电发射器(3001)分开，绝缘窗(3003)允许微波通过，腔体Ⅲ(3007)设有一个主气体出口(5002)和一组次级气体出口(5001)，主气体出口(5002)与主气体出口导管(3008)相连，次级气体出口(5001)与次级气体出口导管(3005)连接，次级气体出口导管(3005)连接气流阀(3006)，气体主输出口的最大直径应该确保在低功率运行时未反应的化学气体不能从这里出去；

所述腔体Ⅱ(3004)的轮缘(4003)上设有螺孔(4002)和进给环槽(4004)，进给环槽(4004)上开有进给孔路(4001)，螺栓通过螺孔(4002)连接腔体II(3004)和腔体Ⅲ(3007)，燃料和水蒸汽通过进给孔路(4001)进入进给环槽(4004)，进给环槽(4004)使得蒸汽沿槽环流动，腔体Ⅱ(3004)内壁上沿切线方向开了多个斜置的进给线槽(4005)，进给环槽(4004)与进给线槽(4005)连通，其作用是在腔体内产生涡旋气流使得等离子体稳定生成；

化学物质激发为等离子状态的微波功率和乙醇蒸汽流速之间的关系，如下：

其中，Reth是乙醇蒸汽的质量流速，单位是g/s；微波等离子体重整器里，微波功率和乙醇质量流速按照方程建立的关系来控制，水蒸气的质量流速应该和乙醇的质量流速成如下比例：乙醇：水=46：18=2.56。

2.根据权利要求1所述的一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统，其特征在于：

所述微波功率存在一个阈值，低于这个阈值，物质的等离子状态将不能维持，微波功率在任何流速下都应该大于这个阈值，当流速小于一个临界值Rfc时，为了维持等离子体的产生，微波功率保持在一个常值，当流速大于Rfc的时候，微波功率和流速按照方程(1)成比例关系。

3.根据权利要求1或2所述的一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统，其特征在于：

所述主气体出口(5002)设在腔体Ⅲ(3007)后端的中心处，所述次级气体出口(5001)设在腔体Ⅲ(3007)前端的周边上，输出口处设有一个开关的气流阀(3006)。

说明书

车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统

技术领域

[0001] 本发明涉及燃料的微波等离子在线转换制氢技术、车载低温等离子转换器控制领域，特别是微波等离子反应腔的氢气转换器及其车载控制系统。

背景技术

[0002] 氢或富氢气体是一种很好的添加剂，可以显著改善发动机碳氢燃料的燃烧特性。应用于火花塞点火和压缩着火发动机的局部富氢技术可以显著减少燃料消耗和污染气体排放。对于车辆应用来说，使用如汽油、柴油、乙醇等碳氢燃料车载生成氢或富氢气体是一项关键技术。

[0003] 把碳氢燃料分子重整为氢或富氢气体的技术主要有热解和电解的方法。在热解方法中，高温状态输入热能来打开存在的C-H键和O-H键。然而，在电解方法中，碳氢燃料输送到强电场区域，C-H键和O-H键断裂(电离成等离子状态)，然后重新聚合为富氢气体。乙醇和水的化学反应是CH3CH2OH+H2O→2CO+4H2。在这个反应中，理论上每摩尔乙醇需要
255.43KJ的能量。

[0004] 微波能量驱动的微波低温等离子体重整器具有高效、易控制、即时启动的优点。磁控管、速调管或其他微波源可以产生驱动低温等离子体重整器的微波能量。微波低温等离子体重整器最常用的频率是2.45GHz。微波低温等离子体重整器也可以使用其他频率。

[0005] 产生微波低温等离子体不需要任何电极。在特殊设计的谐振腔里微波能量可以激发等离子体。这一稳定持续的微波等离子体可以用于重整碳氢化合物以制氢。微波等离子体重整器避免使用贵金属催化剂。这使得制氢和净化系统极大简化。

[0006] 一些研究者已经用不同方法研究了微波等离子体。Read利用了微波驱动的等离子体喷射装置进行均匀的高能喷射。等离子体喷射器没有使用绝缘放电管，所以可以达到很高的微波功率，用于推进器。Podder使用2.45GHz的3KW微波磁控管研究了氩等离子体的性质。Sekiguchi作了微波放电生成大气中的纯蒸汽等离子体的研究，以及用等离子体重整碳氢化合物制氢的研究。在实验测试中，Sekiguchi使用了氩气这种很容易被激发成等离子状态的气体，来激发等离子体，并使用了一个不具有热再生、微波功率和流控制的矩形谐振腔。Nakanish研究了用微波蒸汽等离子体重整碳氢化合物，特别关注于不同碳氢化合物己烷和异辛烷。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统。它用汽油、柴油、酒精、水及其混合物等来制备富氢气体。本发明采用了新的微波等离子体重整器结构，设计了初始激发微波等离子体的自启动技术，用于点燃微波低温等离子体。微波能量有效维持着微波等离子体的燃料重整，微波发生磁控管用液体冷却剂冷却，传递给冷却剂的热量重新利用来预热液体燃料和水，微波的功率和气体流速根据需要连续可控。所有的新重整器系统使得微波等离子体在大气压下非常简单和容易运行。本发明避免了许多微波低温等离子体应用中使用真空泵产生低压的困难和复杂程度。

[0008] 本发明的上述目的特点通过以下技术方案实现，结合附图说明如下。

[0009] 一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统，主要由系统控制器1001、电源供应调节器1019、微波发生磁控管1020、波导1021、共轴发射装置1022、谐振腔1018、热交换器1007和蒸发器1008组成，所述系统控制器1001控制燃料和水的流速及微波功率，所述的电源供应调节器1019用来调节微波发生磁控管1020的电源功率，微波发生磁控管1020将电能转化为2.45GHz频率的微波，然后通过共轴发生装置1022发射到谐振腔1018，所述谐振腔1018也是等离子体反应重整器腔室，所述微波发生磁控管1020用液体冷却剂
1006冷却，热量通过热交换器1007传递给液体燃料和水，液体燃料和水进入蒸发器1008蒸发形成蒸汽进入微波谐振腔1018，安装在火花点火装置连接座1017上的火花点火装置将重整器内腔的化学物质激发为等离子状态，火花点火装置通过火花点火装置控制器1025控制开与关。

[0010] 微波低温等离子体重整器系统

[0011] 微波等离子体重整器系统的发明参阅图1所示。一个电源供应调节器1019用于调节电源功率，例如车载电池，来满足微波发生磁控管1020的需要。微波发生磁控管1020把电能转化成2.45GHz频率的微波输出。微波在波导1021里传播，然后被共轴发射装置1022发射到谐振腔1018即重整器腔室内。

[0012] 微波发生磁控管1020用液体冷却剂1006冷却以使其温度控制在合适的范围内。微波发生磁控管1020产生的热量传递给冷却剂，然后通过热交换器1007加热液体燃料和水来重复利用热能，提高液体燃料和水的温度。从热交换器1007出来的液体燃料和水在蒸发器1008里被蒸发。液体燃料和水的蒸汽被送到谐振腔1018里。燃料和水的蒸汽的流速由它们各自的流速控制器10111012控制。燃料和水的流速按照它们化学反应当量的比值来确定。例如，乙醇和水的反应，化学方程式为：

[0013] CH3CH2OH + H2O → 4H2 + 2CO[0014] 质量 46g 18g 8g 56g[0015] 能量或形成条件 -234.6J -241.83J 0J -221.08J[0016] 这个反应是吸热的，需要吸入254.82J的能量完成反应。重整气体(4H2+CO)燃烧释放的热量可以由下面燃烧方程确定：

[0017] (4H2 +2CO) + 3O2 → 2CO2 + 4H2O[0018] 形成条件 0J -221.08J 0J -707.04J -967.32J[0019] 这个反应释放的总能量为1453.28J。重整反应输入的能量和重整气体包含的总能量之比是254.83/1453.28＝1/5.7。

[0020] 上面计算建立了把化学物质激发为等离子状态的微波功率和乙醇蒸汽流速之间的关系，如下：

[0021]

[0022] 其中，Reth是乙醇蒸汽的质量流速，单位是g/s。在图1所示的微波等离子体重整器里，微波功率和乙醇质量流速应该按照方程(1)建立的关系来控制。水蒸气的质量流速应该和乙醇的质量流速成如下比例：乙醇∶水＝46∶18＝2.56。

[0023] 微波功率存在一个阈值，低于这个阈值，物质的等离子状态将不能维持。微波功率在任何流速下都应该大于这个阈值，参阅图2所示。当流速小于一个临界值(Rfc)的时候，为了维持等离子体的产生，微波功率保持在一个常值。当流速大于Rfc的时候，微波功率和流速按照方程(1)成比例关系。

[0024] 两个火花点火装置连接座1017用来把谐振腔1018的化学物质激发为等离子状态，同时微波能量传递给化学物质。一旦激发成等离子体，就不再需要火花点火装置连接座1017，由火花点火控制器关闭，接下来微波功率连续不断地产生等离子体。谐振腔1018中的火花点火装置连接座1017应该位于微波产生的电场强度最大的区域，等离子体也在此区域产生。

[0025] 圆柱形谐振腔(重整器腔室)

[0026] 图3显示了图2中一个新型谐振圆筒等离子反应器的详细结构。谐振腔1018圆筒等离子反应器使用横向磁场模式TM011。圆筒反应器中TM011模式下电场很强的区域标记为a，b，c，这些区域如图所示。谐振腔1018由三部分组成。腔体I 3002前端与波导1021连接，并允许探针馈电发射器3001延伸到谐振腔内，从而可以把微波发射到腔内。腔体II3004的后端与腔体III3007的前端相连。腔体II 3004加工有燃料和水蒸气进入腔体的通路，它包括进给孔路4001、进给环槽4004和进给线槽4005，参阅图4所示。腔体III3007设计了两组重整气体输出口。一个是主气体出口5002，它位于腔体III3007后端的中心处，此处是电场最大的c区域，等离子体在此口周围产生，主气体出口5002连接主气体出口导管3008。另一组是次级气体出口5001，它位于腔体III3007前端的侧壁处，此处是电场很强的b区域，等离子体在此口对应的b区域产生，次级气体出口5001连接次级气体出口导管3005，次级气体出口导管3005装有开关气流阀3006。

[0027] 矩形谐振腔

[0028] 图6显示了矩形谐振腔的结构，此谐振腔工作在TE10p(p＝2，3，...)模式。图6显示了一个圆柱形的硼硅酸玻璃管6003。但圆柱几何形状不是唯一选择，其他形状也是可用的。

[0029] 图8显示了矩形谐振腔的另一种结构，此谐振腔也工作在TE10p(p＝2，3，...)模式。一个绝缘分隔板8001把整个谐振腔分为腔体前端和腔体后端两部分。绝缘分隔板8001和谐振腔腔体后端用作化学反应器，产生等离子体。

[0030] 图7说明了矩形谐振腔中横向和纵向的电场强度分布。

[0031] 图6中用作重整反应器的硼硅酸玻璃管6003横向位于横切截面的中轴线上，纵向位于峰值电场或驻波波峰区域7005，这样化学物质可以最大限度地吸收微波能量，参阅图7所示。图6所述结构具有化学物质不与腔体直接接触的优点，因而不会对腔体造成化学污染，但是使用硼硅酸玻璃管增加了系统复杂性。

[0032] 图8中绝缘分隔板8001和腔体后端组成了化学反应器，燃料和水蒸气入口导管6001和重整气体出口导管6002与腔体后端上的两个小孔连接，两个小孔位于谐振腔驻波波峰区域7005的顶部和底部。图8所述结构简单，但化学物质与腔体直接接触，从而造成腔体污染。

[0033] 本发明与现有技术相比，本发明具有以下效果：

[0034] (1)快速和自主启动。本发明设计了自动启动技术，在初始激发微波等离子体时，用来火花点火装置点燃微波低温等离子体。因而，燃料分子重整的微波等离子体由于微波能量将持续有效工作。

[0035] (2)稳定和持续运行地燃料重整。本发明设计了切线方向上多口输入的新方法，把输入气体输送到重整反应器中，此设计可以在重整器内腔生成涡旋气流来稳定产生等离子体。

[0036] (3)低温运行。

[0037] (4)输入和输出流速在零到最大值之间可调。

[0038] (5)热能再生的高效运行。本发明利用微波发生磁控管用液体冷却剂冷却，传递给冷却剂的热量重新利用来加热液体燃料和水。

附图说明

[0039] 图1微波等离子体重整器系统结构示意图。

[0040] 图2微波功率与流速关系曲线。

[0041] 图3(a)圆柱形微波等离子体反应器。

[0042] 图3(b)是图3(a)的A-A向视图。

[0043] 图4是图3(a)的C-C向视图(谐振腔第二部分后端)。

[0044] 图5是图3(a)的B-B剖视图(谐振腔第三部分)。

[0045] 图6(a)硼硅酸玻璃管矩形谐振腔。

[0046] 图6(b)是图6(a)的A-A剖视图。

[0047] 图6(c)是图6(a)的B-B剖视图。

[0048] 图7电场的横向和纵向分布与腔体中反应器的位置。

[0049] 图8(a)部分腔体用作化学反应器的矩形谐振腔。

[0050] 图8(b)是图8(a)的A-A剖视图。

[0051] 图1中：

[0052] 1001.系统控制器1002.流速命令1003.液体燃料箱1004.水箱

[0053] 1005.微波功率控制信号1006.磁控管冷却剂1007.热交换器1008.蒸发器[0054] 1009.水流速控制信号1010.燃料流速控制信号1011.水蒸汽控制器[0055] 1012.燃料蒸汽控制器1013.水流速信号1014.燃料流速信号1015.水流速探测器

[0056] 1016.燃料流速探测器1017.火花点火装置连接座1018.谐振腔(重整器腔室)[0057] 1019.电源供应调节器1020.微波发生磁控管1021.波导1022.共轴发射装置[0058] 1023.阀门(气流阀)1024.等离子区1025.火花点火装置连接座控制器[0059] 1026.重整气体出口

[0060] 图3中：

[0061] 3001.探针馈电发射器3002.腔体I 3003.绝缘窗3004.腔体II 3005.次级气体出口导管3006.气流阀1017.火花点火装置连接座3007.腔体III 3008.主气体出口导管a.强电场区域I b.强电场区域II c.强电场区域III 4001.进给孔路

[0062] 图4中：

[0063] 4001.进给孔路4002.螺孔4003.轮缘4004.进给环槽4005.进给线槽[0064] 图5中：

[0065] 5001.次级气体出口5002.主气体出口

[0066] 图6中：

[0067] 6001.燃料和水蒸气入口导管6002.重整气体出口导管

[0068] 6003.硼硅酸玻璃管(等离子区)1021.波导3001.探针馈电发射器[0069] 1017.火花点火装置连接座1018.谐振腔(重整器腔室)

[0070] 图7中：

[0071] 7001.长方腔体7002.微波发射7003.电场纵向分布7004.电场横向分布7005.驻波波峰区域

[0072] 图8中：

[0073] 8001.绝缘分隔板

[0074] 1021.波导3001.探针馈电发射器1024.等离子区

[0075] 1017.火花点火装置连接座1018.谐振腔(重整器腔室)

[0076] 6001.燃料和水蒸气入口导管6002.重整气体出口导管

具体实施方式

[0077] 一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统，主要由系统控制器1001、电源供应调节器1019、微波发生磁控管1020、波导1021、共轴发射装置1022、谐振腔1018、热交换器1007和蒸发器1008组成，所述系统控制器1001控制燃料和水的流速及微波功率，所述的电源供应调节器1019用来调节微波发生磁控管1020的电源功率，微波发生磁控管1020将电能转化为2.45GHz频率的微波，然后通过共轴发生装置1022发射到谐振腔1018，所述谐振腔1018也是等离子体反应重整器腔室，所述微波发生磁控管1020用液体冷却剂
1006冷却，热量通过热交换器1007传递给液体燃料和水，液体燃料和水进入蒸发器1008蒸发形成蒸汽进入微波谐振腔1018，安装在火花点火装置连接座1017上的火花点火装置将重整器内腔的化学物质激发为等离子状态，火花点火装置通过火花点火装置控制器1025控制开与关。

[0078] 所述谐振腔1018为圆柱形结构，谐振腔由三部分腔体组成，腔体I 3002前端与波导1021连接，并允许探针馈电发射器3001延伸到谐振腔内，腔体II 3004的后端与腔体III3007的前端连接，腔体I 3002与腔体II 3004之间装有绝缘窗3003，将反应室和探针馈电发射器3001分开，绝缘窗3003允许微波通过，腔体III3007设有一个主气体出口5002和一组次级气体出口5001，主气体出口5002与主气体出口导管3008相连，次级气体出口5001与次级气体出口导管3005连接，次级气体出口导管3005连接气流阀3006，气体主输出口的最大直径应该确保在低功率运行时未反应的化学气体不能从这里出去。

[0079] 所述腔体II 3004的轮缘4003上设有螺孔4002和进给环槽4004，进给环槽4004上开有进给孔路4001，螺栓通过螺孔4002连接腔体II 3004和腔体III3007，燃料和水蒸汽通过进给孔路4001进入进给环槽4004，进给环槽4004使得蒸汽沿槽环流动，腔体II3004内壁上沿切线方向开了多个斜置的进给线槽4005，进给环槽4004与进给线槽4005连通，其作用是在腔体内产生涡旋气流使得等离子体稳定生成。

[0080] 所述主气体出口5002设在腔体III3007后端的中心处，所述次级气体出口5001设在腔体III3007前端的周边上，输出口处设有一个开关的气流阀3006。

[0081] 所述谐振腔1018为矩形结构，该谐振腔工作在TE10p，p＝2，3，...模式下，所述波导1021连接在谐振腔底部，探针馈电发射器3001安装在电场最大的点处，并延伸到谐振腔内发射微波，谐振腔内插入一个硼硅酸玻璃管6003作为重整反应器，硼硅酸玻璃管6003一端通过一个连接器与燃料和水蒸气入口导管6001连接，硼硅酸玻璃管6003另一端通过两个连接器连接排气管，把重整气体通过重整气体出口导管6002输出，火花点火器通过火花点火装置连接座1017安装在谐振腔壁上，并延伸到硼硅酸玻璃管6003内用于启动等离子体产生，一旦等离子体产生激发并由微波功率保持住，火花点火器就会关闭。

[0082] 所述矩形结的构谐振腔1018的微波发射7002在长方腔体7001中形成驻波，驻波在长方腔体7001中形成电场纵向分布7003和横向分布7004，其峰值电场位于驻波波峰区域7005。

[0083] 所述硼硅酸玻璃管6003垂直于谐振腔A-A剖面，并位于谐振腔横切面即B-B剖面的中心位置，放置于驻波波峰区域7005，并平行于电场方向。

[0084] 所述谐振腔1018为矩形结构，该谐振腔工作在TE10p，p＝2，3，...模式下，谐振腔由前后两部分组成，腔体前端与波导1021连接，并允许探针馈电发射器3001延伸到谐振腔内，腔体后端连接有燃料和水蒸气入口导管6001和重整气体出口导管6002，腔体后端在燃料和水蒸气入口导管6001处附近设计有火花点火装置连接座1017，腔体前端和腔体后端由一个绝缘分隔板8001分隔，绝缘分隔板8001允许微波通过，但隔离了腔体前端和腔体后端之间粒子的相互扩散，绝缘分隔板8001和腔体后端构成了等离子重整反应区域，绝缘分隔板23使得微波探针馈电发射器3001不受化学物质污染，并取消了硼硅酸玻璃管6003，增大了等离子重整化学反应区域的体积。

[0085] 在谐振腔驻波波峰区域7005的顶部开了一个孔，此孔通过连接器与一个燃料和水蒸气入口导管6001相连，燃料和水的蒸气通过该孔进入反应器，在谐振腔驻波波峰区域7005底部相应地开了另一个孔，连接重整气体出口导管6002，把重整气体输出反应器，火花点火装置连接座1017安装在谐振腔上并延伸到腔内驻波波峰区域7005用来启动等离子体产生，一旦等离子体产生激发并由微波功率保持住，火花点火器就会关闭。

[0086] 下面结合附图和具体实施方式对本发明内容进行进一步说明。

[0087] 图1所示为微波等离子体重整器系统的示意图。系统控制器1001控制燃料和水的流速及微波功率。该系统采用了一个电源供应调节器1019来调节电源功率，供应微波发生磁控管1020将电能转化为2.45GHz频率的微波，微波经波导1021传送至共轴发射装置1022，然后通过共轴发射装置1022发射到谐振腔1018。微波发生磁控管1020用液体冷却剂1006冷却，热量通过热交换器1007传递给液体燃料和水，液体燃料和水进入蒸发器1008蒸发形成蒸汽进入谐振腔1018。火花点火装置连接座1017将重整器腔室的化学物质激发为等离子状态。火花点火装置连接座控制器1025控制火花点火装置连接座1017的开与关。

[0088] 图2所示为微波功率与燃料和水流速的关系图。系统控制器1001接收流速命令1002，与此同时，实时收集燃料流速信号1014和水流速信号1013，然后向燃料蒸汽控制器
1012和水蒸汽控制器1011发送水流速控制信号1009和燃料流速控制信号1010，供给合适的燃料和水量；与此同时，向电源供应调节器1019发送微波功率控制信号1005，给微波发生磁控管1020供给合适的功率。

[0089] 图3所示为一个新型谐振圆筒等离子反应器的结构。如图所示，谐振腔由三部分组成。腔体I3002前端与波导1021相连接，并允许探针馈电发射器3001延伸到谐振腔内，这样微波可以发射到腔内。腔体II3004的后端连接到腔体III3007的前端。腔体II3004和腔体III3007组成了反应室。腔体I3002和腔体II3004之间是一个绝缘窗3003，绝缘窗3003把反应室和探针馈电发射器3001分开，绝缘窗3003允许微波通过，并避免了探针馈电发射器3001被化学污染。腔体III3007有两组气体输出口，主气体输出口5002和次级气体输出口5001分别连接一个主气体输出口导管3008和一组次级气体输出口导管3005，主气体输出口5002的最大直径应该确保在低功率运行时未反应的化学气体不能从这里出去。这意味着，在低功率运行时，等离子体区域应该覆盖整个主气体输出口5002。然而，在高流速的高功率运行情况下，小直径的主气体输出口5002会对输出气体造成较大的机械阻力，从而形成腔内高压和较高机械损耗。为了解决这个问题，在腔体III3007外围设置了一组次级气体输出口5001。这样设计的原因是保证重整气体在低损耗的情况下高效输出。

[0090] 图4所示为图3中腔体II3004C-C方向的剖视图。腔体II3004的轮缘4003上开有螺孔4002，螺孔4002用于连接腔体III3007。轮缘4003靠近腔室内侧的边缘处沿圆周线开有进给环槽4004，进给环槽4004开有连通腔外的进给孔路4001，进给环槽4004与腔室之间的内侧壁上，沿切线方向开了多个进给线槽4005。这样燃料和水蒸气由进给孔路4001进入进给环槽4004，再通过进给线槽4005进入腔体内，可以在腔体内产生涡旋气流使得等离子体稳定生成。

[0091] 图5所示为图3中腔体III3007B-B方向的剖视图。在腔体III3007，设计了两组重整气体输出口。一个是主气体输出口5002，它位于腔体III3007后端的中心处，此处电场是最大的，等离子体在此口周围产生。一组是次级气体输出口5001，这些次级气体输出口5001位于电场纵向最大点处，它们均匀地分布在腔体III3007周壁上。每个次级气体输出口5001的导管上都有一个开关的气流阀3006。在低流速低功率运行的情况下，所有的次级气体输出口5001都关闭。当功率、流速上升到某一水平时——此时电场强度足够大能维持次级气体输出口5001周围产生等离子体，火花点火装置连接座1017激发此区域的等离子体，部分次级气体输出口5001打开。当功率、流速达到最大值时，所有的次级气体输出口
5001都打开。由于次级气体输出口5001附近产生等离子体，主气体输出口5002区域的功率密度下降。

[0092] 图6所示为矩形谐振腔的结构，此谐振腔工作在TE10p(p＝2，3，...)模式。输入微波的波导1021连接在腔底部，探针馈电发射器3001垂直穿过腔壁，延伸到腔内发射微波。探针馈电发射器3001应安装在电场最大的点处。腔内插入一个硼硅酸玻璃管6003作为重整反应器。硼硅酸玻璃管6003一端通过连接器连接燃料和水蒸气入口导管6001，把燃料和水的蒸气输入反应器。硼硅酸玻璃管6003另一端通过连接器连接重整气体出口导管6002，把重整气体输出反应器。火花点火装置连接座1017安装在谐振腔上并延伸到硼硅酸玻璃管6003内来启动等离子体产生。一旦等离子体产生激发并由微波功率保持住，火花点火装置连接座1017就会关闭。

[0093] 图7所示为长方腔体7001形状的谐振腔以及腔内微波发射7002、电场纵向分布7003、电场横向分布7004与驻波波峰区域7005之间的位置关系。在长方腔体7001的横切面上，电场强度的最大值准确位于参阅图7所示的横切面中轴线上。在纵向上，电场强度是正弦分布。腔体长度的设计应满足：前向波和腔体另一端的后向波形成驻波。这也就是说波形不随时间改变。腔内形成驻波需要进行阻抗匹配，通常取决于实验室测试。

[0094] 图8所示为矩形谐振腔的另一种结构，此谐振腔也工作在TE10p(p＝2，3，...)模式。一个绝缘分隔板8001把整个谐振腔分为两部分。绝缘分隔板8001和腔体后端组成了化学反应器，产生等离子体。在驻波波峰区域7005最大电场所在的位置，穿过谐振腔的顶部和底部对开两个过孔。顶部孔通过连接器连接燃料和水蒸气入口导管6001，燃料和水的蒸气通过顶部孔进入反应器。底部孔通过连接器连接重整气体出口导管6002，重整气体通过底部孔输出反应器。火花点火装置连接座1017安装在谐振腔上并延伸到腔体内来启动等离子体产生。一旦等离子体产生激发并由微波功率保持住，火花点火器就会关闭。图8设计中，微波探针馈电发射器3001不受化学物质污染。图8所述结构简单，但化学物质与腔体存在直接接触，从而造成腔体污染。