[实用新型]单组元发动机的催化装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种单组元发动机的催化装置，特别涉及一种采用高浓度过氧化氢作为燃料的微型摆式单组元发动机的催化装置。 

背景技术

液态碳氢燃料能量密度高，碳氢化合物储存的能量密度大约为40～50MJ/kg，碳氢液态燃料微型内燃机发电系统应该是理想的供电装置。但由于微型内燃机混合气形成、燃烧过程组织困难，供油点火系统复杂，导致其便携性差、效率低下，这仍然是现阶段难以克服的缺点。 

过氧化氢在催化剂作用下会快速分解为水蒸气和氧气，释放出大量热能。分解过程无需吸入空气，分解产物对环境无任何污染，被视为绿色能源。如果将1mol浓度不同的H₂O₂溶液，化学式表示为H₂O₂·mH₂O，其催化分解的化学反应方程式如下： 

H₂O₂+mH₂O→(1+m)H₂O+0.5O₂

根据化学反应式，对浓度90％的HTP溶液，在催化剂作用下，完全分解为氧气和水蒸气时，将释放出2.6MJ的高热值热量，可转换为机械功的低热值能量约为1.2MJ/kg。通过分析计算90％的HTP溶液，其质量能量密度为282W.h.kg^-1。而铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池等储能装置的质量能量密度分别为：40W.h.kg^-1，30～50W.h.kg^-1，120W.h.kg^-1，与其相比，HTP的质量能量密度具有明显优势。该HTP燃料经催化分解后，所产生的高温约为1000K，90％的过氧化氢分解温度为750℃，混合气产物仅由氧气和水蒸气组成，不产生任何污染排放物。 

因此，很多国家相继开展了以过氧化氢作为“燃料”的动力装置研究。研究过氧化氢单组元微型摆式发动机装置，对解决移动电子设备供电问题，具有重要的理论意义和应用价值。 

微型摆式内燃机，是以一摆式构件在腔内摆动的方式，将燃料化学能转变为机械能的微型动力源装置。具有结构简单，利于MEMS(Micro-electromechanical  Systems)化的平面结构，可直接输出往复运动。与常规曲轴式内燃机相比，无凸轮机构、复杂的排气口机构，无需燃料与空气的混合、压缩冲程、点火或喷油正时；无起动装置，如电机以及起动、空转和怠速过程；压缩比控制难题不复存在；无点火正时及复杂的气道、气口设计；在高原、水下及太空等各种缺氧或无氧的环境中工作，适应范围宽。 

以单组元为“燃料”的动力装置近几年受到国内外的广泛关注，许多科研机构在工程和民用领域都开展了将HTP作为替代能源的研究。虽然所研制的单组元发动机结构形式各不相同，但通过验证性试验研究，都得出了一个相同结论，即：以单组元燃料代替汽油等矿物燃料作为驱动发动机的动力是可行的。 

由于单组元动力源系统属于一类新型特种发动机，研究涉及到工程热力学、应用化学、流体力学、传热学、材料、控制技术等多门学科，值得研究的内容很多。目前研究大多集中在原理样机的验证性研究方面，要研制出性能优良的单组元发动机，尚有许多关键科学问题需要解决。单组元燃料催化及其与单组元发动机工作特性的匹配关系，单组元发动机燃料浓度、控制策略对电载荷系统的效率、能量及功率密度的影响与评价，单组元发动机动力学特性及能量转换、流动及分配规律等都需要科学界深入探讨。因此，解决以上问题具有重要的理论意义，对该类装置应用于国防和国民需求具有较重要的科学贡献。 

但现有技术的微型摆式发动机的催化装置存在以下技术问题：过氧化氢溶液在催化装置中反应不充分，或者反应后混合气体输出的速度不稳定，大部分催化装置还存在结构复杂，制作成本过高的现象。 

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于现有技术条件下，提出一种具有结构简单，化学分解反应充分，燃料使用率高，并能提高反应后气体输出速度等优点的微型摆式单组元发动机的催化装置。