[实用新型]车载燃料的微波等离子在线制氢系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及燃料的微波等离子在线转换制氢技术、车载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、控制策略。

背景技术

氢或富氢气体是一种良好的助燃剂，可以显著提高汽车发动机碳氢燃料的燃烧器特性。将局部富氢技术应用到发动机的点火和燃烧过程可以显著减少燃料消耗和污染气体的排放。对于车辆的发展前景而言，使车载汽油、柴油、乙醇等碳氢燃料生成氢或富氢气体是一项关键技术。

将碳氢燃料分子重整为氢或富氢气体的主要技术有热解和电解的方法。在热解方法中，例如天燃气制氢工艺需要在高温下(800℃～1100℃)进行，打开C-H和C-O键，形成富氢气体。在电解过程中，碳氢燃料处于强电场区域，碳氢燃料被击穿，C-H和C-O键断裂形成等离子体状态，然后重整成富氢气体。与天然气、汽油、甲醇等重组原料相比，乙醇重整制氢具有环境友好和氢气收率高等特点，乙醇可以通过三种方式制取富氢气体[李吉刚，孙杰，陈立泉，李弘，程玉龙，张立功，董中朝.于商业化前夜的乙醇低温重整制氢催化技术[J].农业工程技术(新能源产业)，2009]。例如，乙醇和水的重整反应方程式为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。文献[胡又平，李格升，高孝红，严正.水乙醇等离子体重整制氢中乙醇裂解的关键路径模拟[J].南京航空航天大学学报.2009]对含水乙醇等离子体制氢中乙醇裂解的关键路径进行了模拟。

由于等离子体具有更高的温度和能量密度，能够产生活性成分，从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学反应。因此本专利设计一套通过微波驱动的等离子体重整器系统，具有高效、易启动、易控制等优点。用于驱动微波等离子体重整器的微波能量可以通过磁控管、速调管、半导体微波发生器等微波源来产生。本系统采用的微波频率为2.45GHz，微波传输线为矩形波导，具有结构简单、机械强度大等优点，还可以避免外界干扰和辐射损耗。

一些研究者已经用不同方法研究了微波等离子体。激发等离子体的方式有火花塞点火、激光点火、脉冲电晕放电点火、介质阻挡放电等。通过对谐振腔的特殊设计也可以激发等离子体[United States Patent，No.5793013，August11，1998]、[United States Patent，No.6205769，B1，March27，2001]。文献[S.P.Kuo,“A microwave-augmented plasma torch module as an igniter/fuel injector of a scramjet engine”，Department of Electrical&Computer Engineering，Polytechnic University，Six Metrotech Center，Brooklyn，NY11201]中介绍了一种小型化、低流速、注射点火一体化的等离子体产生装置，利用特殊的波导形状，产生的能量集中，可以有效实现点火。文献[Hidetoshi Sekiguchi and Yoshihiro Mori，“Steam plasma reforming using microwave discharge”，Thin Solid Films，Vol.453，pp.44-48，2003]做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，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。

发明内容

制取富氢气体的方法有化学重整法和等离子体重整法，它们的不同之处是他们激发化学反应的化学物质不同。化学重整法的激活物质是催化剂，而等离子体重整法的活性物质是活性自由基。化学重整法往往需要高温、持续加热，反应启动较慢。而等离子体重整法不需要催化剂，反应环境也容易获得，因此本系统采用等离子体重整法制取富氢气体。