[发明专利]移动制氢发动机燃料系统及其装置

说明书

本发明引用或延续了部分本发明人申请中的专利技术2008100957703《随行制氢发动机燃料系统》、2008100914934《随行制氢发动机燃料系统及其装》和200810091438X《紧凑型随行制氢装置》技术。

所属技术领域

本发明涉及一种以液态含氢燃料(低碳醇、烃、醚等)为氢载体的机载移动催化重整制氢，燃料重整用水为再生水、用能实现气液分离的气液管状分离膜从催化反应腔中及时导出重整富氢混合气，并以富氢混合气为发动机燃料的移动制氢发动机燃料系统及其装置，属发动机燃料系统和能源技术领域。

背景技术

随着石油资源的不断枯竭和日夜增加的排放压力，寻找环保的替代能源早已受到世界各国的关注。氢气已成公认的清洁、替代能源。

氢燃料作为发动机的直接能源具有能量转换效率高、动力性能好和污染非常小的突出优点。氢能将成为理想的清洁能源之一，已经成为全球性的共识。以纯氢或氢和其它能源混合使用的各种混合动力的机车已成为世界各国研究的热点。

但氢能的广泛利用存在两面的主要障碍，其一是大规模的生产氢气的主要手段，就目前技术还在于电解水，但是如果电解水的上游能源是来自地矿资源，这样的氢能不仅没有替代能源的意义，相反是成本极高的高耗能态；其二在于其储存与配给的困难，氢气不便于管道输送和地面充氢站的投资成本极高的问题，已成为发展氢气车的一大瓶颈。

以液态含氢燃料(低碳醇、烃、醚等)为氢载体，利用发动机排气废热，将其通过公知的催化反应原理(直接裂解、或和水蒸汽重整、或和部份氧化)随车转化为以氢气为主，同时含有一定二氧化碳、一氧化碳等气体的富氢混合气，并以此富氢混合气为发动机燃料的移动制氢技术，不仅能较好地解决地面充氢机车的储藏、配给和制造成本问题；同时能改变现有技术直接燃烧液态含氢燃料的不科学的、高耗能的使用方式，因为将液态的含氢燃料转化为氢气后，其燃料的总热值有20％以上增值，能较大地提高发动机的热效率，是节能降耗的有效途径；并能大大改善排气质量。

包括本发明人申请中的专利技术2008100957703《随行制氢发动机燃料系统》等在内的诸多公知移动制氢发动机燃料系统技术，均存在至少一个共同的不足：

无论燃料使用低碳醇或是烃，燃料蒸汽或预热燃料在随行制氢装置(重整器)中所产的富氢混合气不能及时与催化剂层分离，重整气中的部分H₂、CO和CO₂会发生甲烷化反应(尤其是在温度低于500℃时)，燃料重整制氢的氢气转化率低，甲烷转化率高。而且由于重整过程需要利用发动机排气废热，受发动机工况不断变化的影响，重整器催化反应腔的温度也相应变化，重整气中H₂、CO和CO₂发生甲烷化反应的程度不确定，富氢混合气中氢气和甲烷的相对含量不断变化，导致发动机空燃比不能适应富氢混合气中可燃组分的变化。可以说，富氢混合气中可燃成分的相对含量不稳定，是内燃发动机移动制氢技术不能实际应用的一个瓶颈问题。

除本发明人申请中的专利技术2008100957703《随行制氢发动机燃料系统》(发动机燃用富氢混合气)、2008100914394《随行制氢发动机燃料系统及其装置》(发动机然用工业级纯氢)外，现有公知移动制氢技术还存在以下两方面的不足：

其一、为了减少或克服制氢过程中随行制氢装置(重整器)的积炭现象，无论使用含水醇或配备专用水箱的烃燃料，以控制催化制氢中有较大比例的水蒸气重整反应，或保证烃燃料有足够的水参与重整反应，水蒸发时都存在严重的结垢问题；与相同容积燃料箱的现有直接燃烧的汽柴油发动机机车比较，其续驶里程仅为直接燃烧汽柴油发动机机车的40％左右。现有公知移动制氢技术对水蒸发时的结垢现象和续驶里程极短的问题甚至根本未引起重视，而结垢和续驶里程短，是移动制氢技术走向实用化的必须解决的问题。

其二、使用烃燃料时，在移动制氢系统中需要增加专门的脱硫装置，系统结构繁复、控制方法相对复杂，减少或简化系统设备装置、管道对于移动机车有限的空间和减少自重十分重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种移动重整制氢产气(富氢混合气)成分稳定、氢气产率高、不结垢、续驶里程长、膜材料不需要昂贵的金属钯，随行制氢装置(重整器)体积小，制造成本低廉，系统占用空间少和结构简单的，利用发动机排气废热的机载移动制氢发动机燃料系统及其装置。