[发明专利]一种基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置

说明书

本发明属于制氢及掺氢燃料汽车相关技术领域，其公开了一种基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置，该装置包括连接于内燃机冷却水箱的微波源、排气预热管、石英反应管、反应管金属套筒、环形器及电动调谐器及短路活塞，所述排气预热管连接所述微波源及所述石英反应管的一端，所述环形器连接所述微波源及所述电动调谐器，所述电动调谐器通过标准波导与短路活塞连接，所述石英反应管的另一端穿过所述标准波导内的谐振腔，所述反应管套筒套设在所述石英反应管凸出于所述标准波导的部分上。本发明有效利用了发动机冷却水系统及排气余热来满足微波等离子体重整甲烷蒸汽制氢需要大量水及热量的要求，且优化了结构，提高了甲烷转化率，具有较强的实用性。

技术领域

本发明属于制氢及掺氢燃料汽车相关技术领域，更具体地，涉及一种基于微波重整甲烷蒸汽的车载制氢装置。

背景技术

随着人们对大气环境保护的关注度越来越高，作为大气污染主要污染源之一的内燃机机车尾气排放，一度使得内燃机机车被推向舆论的风口浪尖，进一步使得节能及大幅度的降排成为内燃机机车工业发展的当务之急。

氢气作为最清洁的可再生能源，其经过氧化反应释放能量以后的产物只有无污染的水，氢气因这一独一无二的特性而得到了汽车动力工程师的关注。氢气的燃烧速度很快，在内燃机中将其与汽油、柴油或者天然气掺混后能提高缸内燃烧速度继而提高内燃机的热效率，同时，掺氢燃烧可以促进汽油、柴油或者天然气燃烧更完全，产生的有害排放物更少。因此，近年来开始出现内燃机掺氢燃烧、直接以氢气作为燃料的氢燃料内燃机等以氢气作为燃料为汽车提供动力的技术，这些技术能大幅度降低汽车的尾气排放。

然而，一方面，氢燃料在大自然中不是以氢气的形式存在，因此氢气需要从水或者其他含氢化合物中制备。甲烷作为含氢度最高的烃类及其在地球上的储量，使得甲烷成为制取氢气的最佳原料之一；另一方面，氢气由于自身分子半径小、化学性质活泼等原因而难于储存和运输，高难度的储存和高昂的运输费用使得氢气在汽车上使用的安全性和经济性都难以保证。

现有的制氢方法有电解水制氢、催化热解甲烷、甲醇等含氢度高的化合物制氢、介质阻挡放电(DBD)、电晕放电等离子体制氢等方法，但大多由于能耗高、原料转化率低、氢气的选择度低或者装置庞大复杂等原因难以直接在汽车上实现氢气的制取和应用。新兴的微波等离子体制氢的方法，因为装置简单，容易控制，且安全性高而受到越来越多的关注。

微波等离子体重整甲烷蒸汽制氢的技术在理论上已经成熟，但由于该技术需要利用大量的水和热量，且产生的氢气含有一定比例的一氧化碳，导致该技术在工业大规模生产中较其他方法并不占优势。此外，本领域相关技术人员也做了一些研究，如中国专利01118721.2公开了一种微波激励甲烷转化制氢的工艺，使甲烷通过有微波辐照且放置有电磁场作用下易放电物质的反应区，并停留1分钟～10分钟，让放电物质产生的等离子体裂解甲烷制取氢气；该工艺的甲烷的转化率高，反应容易控制，具有一定的应用前景，然而该制氢方法比较依赖放电物质，使得制氢装置较为复杂和庞大，并且该制氢方法产生氢气的同时会生成大量的碳粒附着在放电物质上，阻碍反应的继续进行，并不适合直接应用于汽车上；又如中国专利201310007863公开了一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整气系统，该专利涉及了圆柱型和矩形谐振腔，多方向切向输入的方法在反应腔内生成涡旋气流来产生稳定的等离子体，等离子体再与汽油、柴油、酒精、水等混合物作用而制备富氢气体；该发明在微波基础上，在反应腔中添加了火花塞，利用高电压电弧放电形成等离子体，后续再用微波来维持等离子体，具有一定的实用性；然而，火花塞的金属头部会阻碍等离子体的发展，也会阻碍混合气与等离子体作用，降低转化效率，且火花塞达到使用寿命后需要更换，操作繁琐；微波在谐振腔中形成的电场分布难以均匀，要维持稳定的空间等离子体，难度较大，且多喷嘴的设计与安装使得反应腔结构复杂，系统稳定性受影响；如果磁控管的发热不足以加热混合气到足够温度，还需设计更加高效的预热系统；重整制氢过程除了产生氢气以外，还会生成一部分一氧化碳、乙炔和碳粒，无进一步地处理，若直接应用于氢燃料电池汽车上，则必须将一氧化碳从氢气中分离出去，由此会产生新的问题。

发明内容