[发明专利]车载含水乙醇低温重整制氢方法及其装置和应用系统

说明书

技术领域

本发明涉及内燃机余热应用领域，具体地指一种车载含水乙醇低温重整制氢方法及其装置和应用系统。

背景技术

为了缓解能源短缺和减少环境污染问题，寻找替代能源和降低有害排放物正成为内燃机研究领域的两个重要课题。氢气以其来源多样、可再生性、清洁环保等突出特点成为当下新能源领域的研究热点。大量研究表明，氢气的扩散速度和火焰传播速度较其它燃料更快，辛烷值更高，可燃极限更宽，而点火能量较小。因此，在燃料中掺氢易于实现稀薄燃烧，可以大幅度改善内燃机的工作和排放性能，从而降低NO_x和HC等有害物质的排放量。

已有的掺氢发动机的试验和理论研究，都证明了掺氢燃料在发动机中具有广阔的应用前景。然而氢气的获取方式、储运技术等问题使得掺氢发动机难以在实际中真正得到推广。如果利用廉价、可再生的生物乙醇代替氢气随车携带，并利用发动机尾气余热将生物乙醇重整为氢气，为汽车发动机实时供氢，那必将为掺氢燃烧发动机的市场推广提供新的思路和方向。同时，车载在线制氢还免去了氢气的储存与运输环节，使氢燃料在发动机上的应用和推广成为可能。

利用汽车发动机余热催化含水乙醇产生的重整气体富含H₂、CH₄和CO等，这种重整气十分适合发动机燃烧，无需经过任何净化处理就可以直接使用。在汽车发动机中掺氢，能够拓宽燃烧界限，加快燃油燃烧速率，实现稳定的超稀薄燃烧，从而改善发动机燃烧性能。

现有的重整制氢装置形式多样。例如，一种乙醇重整器(游伏兵，含水酒精重整燃料发动机研究，武汉理工大学博士论文)采用的是管壳式结构，该装置用两个腔室将乙醇水溶液的蒸发部分和乙醇水蒸气的催化反应部分隔开，在乙醇水溶液蒸发部分的管程中通入含水乙醇，在乙醇水蒸气反应部分的管程中通入含水乙醇蒸气，并在该部分的管程中添加催化剂，而整个壳程中则通入发动机尾气。该重整器两个腔室之间的密封比较困难，且在高温条件下经过长时间反应后，由于在催化剂表面形成积碳、烧结等原因造成催化剂中毒和管程堵塞，严重影响了乙醇的转化率和氢气的选择性，甚至导致重整器失效。另外，(中国发明专利CN100364881C)公开了一种改良后的多孔蜂窝陶瓷结构的甲醇重整器，其在管程中通入发动机尾气，在壳程中通入甲醇，并且在管程和壳程之间添加了陶瓷结构，该结构虽然避免了因催化剂积碳而形成的堵塞问题，但其内部陶瓷结构密度较大，导致其重整器重量较大，且单级催化，很难同时保证较高的燃料转化率和氢气选择性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中重整器容易堵塞、催化剂易烧结、氢气选择性不高和乙醇转化率较低的问题，而提出一种车载含水乙醇低温重整制氢方法及其装置和应用系统。

为实现上述目的，本发明所设计的车载含水乙醇低温重整制氢方法，它是利用汽车发动机尾气余热催化重整车载含水乙醇产生富氢气体，再将所产生的富氢气体直接输送至汽车发动机中进行掺氢燃烧的过程，其特殊之处在于，该方法包括如下步骤：

1)在汽车发动机启动后，将发动机所排放的尾气输送到车载管壳式低温重整制氢装置的管程中对其进行加热升温；

2)当检测到尾气温度达到含水乙醇重整反应所需的最低温度时，从车载含水乙醇箱内向车载管壳式低温重整制氢装置的壳程中在线输送含水乙醇；

3)首先将含水乙醇喷入所述壳程中的含水乙醇蒸发腔，使其被尾气间接加热、升温、汽化，形成乙醇水蒸气；

4)然后将乙醇水蒸气导入所述壳程中的初级钛网结构反应区，使其在碱性Cu基催化剂的作用下进行初级重整，其中大部分乙醇水蒸气被转化成包含氢气、二氧化碳和乙醛的初步重整气。

5)再将初步重整气连同剩余的乙醇水蒸气导入所述壳程中的二级钛网结构反应区，使其在碱性Ni基催化剂的作用下进行二级重整，其中的乙醛和剩余的乙醇水蒸气被转化成包含氢气和二氧化碳的富氢气体；

6)最后将所产生的富氢气体导入所述壳程中的重整产物汇集腔，并通过汽车发动机的进气管在线输送至汽车发动机气缸中，实现掺氢燃烧。