CN103204465A

CN103204465A - 一种三刀片电极式滑动电弧放电等离子体发生装置

Info

Publication number: CN103204465A
Application number: CN2013101425733A
Authority: CN
Inventors: 宋凌珺; 刘超帅; 李兴虎
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2013-07-17

Abstract

一种三刀片电极式滑动电弧放电等离子体发生装置，它包括顶塞、中心电极、壳体、电极接线柱、刀片电极、喷嘴和橡胶垫；顶塞镶崁于壳体上部并紧密接触，中心电极穿过顶塞中心置于壳体内部空间，三组刀片电极均布在壳体内部空间的反应腔内，电极接线柱横穿橡胶垫及壳体与刀片电极连接，喷嘴外表面与壳体底端的锥形口紧密接触；本发明在工作时，气体从底部的进气管进入喷嘴，经喷嘴上方的尖口以较高速度进入反应腔，在刀片电极和中心电极之间形成的放电区域处进行等离子体反应，最后从上部的出气管排出。本发明在反应腔内形成较大的放电区域，进而使得导入的混合气在反应腔内电离更充分，提高混合气的转化效率和氢气产量。

Description

一种三刀片电极式滑动电弧放电等离子体发生装置

技术领域

本发明涉及一种三刀片电极式滑动电弧放电等离子体发生装置，属于等离子制氢技术领域。

背景技术

自1973年石油危机开始，人们开始越来越关注石油供需的平衡。化石燃料数量有限，但是需求量却与日俱增，其中汽车的能源消费占世界能源总消费的近四分之一。此外，汽车保有量的增长也带来了诸如温室效应、酸雨、环境污染等问题。随着发展中国家经济水平的提高，汽车的保有量急剧增加，由此引起的能源与环境问题就显得更加严重。因此，开发节能、环保、可持续发展的新能源动力汽车已成为汽车工业迫在眉睫的任务。

燃料电池汽车的开发很好的解决了环境和能源问题。燃料电池汽车是一种新型的电动汽车，其通过氢气和氧气的化学作用产生电能来驱动汽车行驶。燃料电池的能量转换效率比内燃机高2～3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。氢气作为一种清洁高效的能源，除了作为燃料电池的燃料外还可以多种方式应用于汽车行业。例如对传统内燃机经过小量改动的氢内燃机可以直接燃烧氢气，其热效率较高，排放污染少。

尽管氢气作为汽车的替代燃料存在诸多优点，但其制备与贮存方式限制了其进一步应用。传统的制氢技术是以化石燃料为原料，采取水蒸气重整法、部分氧化法或自热重整法，在制得氢气的同时，产生大量的二氧化碳，因此对环境会造成很大的负面影响。同时，传统制氢技术在能源利用率方面较低。此外，氢气属于易燃气体，化学性质活泼，爆炸极限范围比较宽，采用钢瓶贮存有很大的安全隐患。而车载等离子体制氢可以很好的解决这些问题。

目前主要的等离子体制氢技术包括电晕放电等离子体重整制氢、介质阻挡放电等离子体重整制氢、微波放电等离子体重整制氢和滑动电弧放电等离子体重整制氢。其中滑动电弧放电因其可以同时保持高水平的非平衡等离子体，电子温度和电子密度高，且制造成本较低而广受关注。

一般的滑动电弧等离子体制氢装置中，导入的气体进入反应腔，在高压电弧的作用下进行电离。为了推动电弧的不断产生，导入的气体必须保持较大的流速，因此导致气体在放电区域停留时间过短、反应不充分。而增大放电区域的面积可提高氢产率以及单位时间的氢产量。

发明内容

本发明为了提高等离子体制氢装置的制氢效率和氢气产量，针对传统的等离子体制氢装置存在的上述问题，根据等离子体的特性，提供了一种三刀片电极式滑动电弧放电等离子体发生装置。

本发明一种三刀片电极式滑动电弧放电等离子体发生装置，其特征包括顶塞、中心电极、壳体、电极接线柱、刀片电极、喷嘴和橡胶垫。它们之间的位置连接关系是：顶塞镶崁于壳体上部并紧密接触，中心电极穿过顶塞中心置于壳体内部空间，三组刀片电极均布在壳体内部空间的反应腔内，电极接线柱横穿橡胶垫及壳体与刀片电极连接，喷嘴外表面与壳体底端的锥形口紧密接触。

所述顶塞为圆柱形，其中心孔供中心电极穿越并紧密接触；其材质为橡胶。

所述中心电极为圆杆结构，它与电源零线相连接；其材质为不锈钢。

所述壳体为圆筒形结构，壳体内部空间作为反应腔，壳体底端开有锥形口，锥形口内表面与喷嘴外表面紧密接触。壳体圆周外部设有三组均布的壳体凸台供放置电极接线柱。

所述电极接线柱为圆杆结构，它穿过壳体凸台与刀片电极螺接，其功能是连接电源线和刀片电极。

所述刀片电极为不规则扇形，从最大半径处向两端过渡，半径逐渐减小；三组刀片电极通过螺纹与电极接线柱连接，并通过橡胶垫固定于壳体外侧的圆柱型壳体凸台内。其功能是与中心电极之间形成放电区域。

所述橡胶垫为圆筒形结构，心部设有圆孔供电极接线柱穿过。其功能是将电极接线柱固定于壳体。

所述喷嘴为圆锥形结构尖口状，底端设有进气管，它与壳体内部空间的反应腔呈轴向布置。喷嘴圆锥形外表面与壳体底端锥形口内表面紧密接触。其功能是使反应气以较高速度进入反应腔。

其中，为加强其密封效果，在壳体3上加工有壳体紧固柱303，在喷嘴上加工有喷嘴紧固柱601，壳体紧固柱303与喷嘴紧固柱601通过橡皮绳缠紧。

本发明的工作原理及工况简介如下：

在高电压作用下，刀片电极和中心电极之间产生电弧，在气流推动作用下，电弧向电极顶端滑动，逐渐拉长，当电压不足以维持电弧长度时，电弧断裂。在每个放电周期内，电弧源源不断的产生，因此在刀片电极和中心电极之间形成连续的放电区域，促使混合气体不断电离。位于壳体圆周上部的出气管做径向布置，以减小出气速度，增加制氢所用混合气体在放电区域的停留时间，使之充分电离。

本发明一种三刀片电极式滑动电弧放电等离子体发生装置的优点在于：

1、本发明等离子体发生装置的喷嘴与反应腔内部的圆柱面成轴向布置，使导入的气体处于较高的速度，以推动电弧在电极之间不断产生、滑动、断裂，使电离反应不断进行；

2、本发明等离子体发生装置反应腔内安装有三个刀片式电极，增加了放电区域，提高了产氢效率和单位时间氢气的产量；

3、本发明等离子体发生装置的出气管沿壳体圆周上部做径向布置，减小出气速度，增加反应气在放电区域的停留时间，提高产氢效率。

附图说明

图1是本发明等离子体发生装置主视图；

图2是本发明等离子体发生装置局部剖视图。

图3是本发明等离子体发生装置俯视图。

1-顶塞 2-中心电极 3-壳体

4-电极接线柱 5-刀片电极 6-喷嘴 7-橡胶垫

101-中心孔 301-出气管 302-壳体凸台

303-壳体紧固柱 304-壳体锥形口 305-反应腔

306-放电区域 601-喷嘴紧固柱 602-喷嘴进气管

603-尖口

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明一种三刀片电极式滑动电弧放电等离子体发生装置，如图1、图2、图3所示，包括顶塞1、中心电极2、壳体3、电极接线柱4、刀片电极5、喷嘴6和橡胶垫7。它们之间的位置连接关系是：顶塞1镶崁于壳体3上部并紧密接触，中心电极2穿过顶塞1中心置于壳体3内部空间，三组刀片电极5均布在壳体3内部空间的反应腔内，电极接线柱4横穿橡胶垫7及壳体3与刀片电极连接5，喷嘴6外表面与壳体3底端的壳体锥形口304紧密接触。

其中，该顶塞1为圆柱形结构，固定于壳体3顶端。在顶塞1中心开有中心孔101用来固定中心电极2。壳体3为圆筒结构，壳体3内部空间作为等离子体发生装置的反应腔305。中心电极2穿过中心孔101，其下端置于反应腔305。壳体3上加工有圆筒形凸台302，两凸台沿轴向布置。两电极接线柱4分别通过橡胶垫7固定于凸台302。电极接线柱4与刀片电极5通过螺纹连接，并使刀片电极5的内侧紧贴壳体3的内壁。其中，凸台302、电极接线柱4、刀片电极5总共三对，沿壳体圆周方向，每隔120°分开均布。在本实施例中，其顶塞1的材质为橡胶，其中心电极2的材质为不锈钢。

壳体3的下端开有壳体锥形口304，其内表面与喷嘴6的外表面相接触。喷嘴6为圆锥形结构。喷嘴6上端的尖口603位于反应腔305内部，喷嘴6的外表面与壳体锥形口304的内表面紧密接触。为加强其密封效果，在壳体3上加工有壳体紧固柱303，在喷嘴上加工有喷嘴紧固柱601。壳体紧固柱303与喷嘴紧固柱601通过橡皮绳缠紧。喷嘴进气管602位于喷嘴的最下端，制氢的混合气体从喷嘴602导入装置，经尖口603后以较高速度导入反应腔305，在放电区域306发生电离反应，后经出气管301从反应腔305排出。其中出气管301布置于壳体3的上部圆周外侧，与壳体3的中心线呈垂直布置。

Claims

1.一种三刀片电极式滑动电弧放电等离子体发生装置，其特征在于：它包括顶塞、中心电极、壳体、电极接线柱、刀片电极、喷嘴和橡胶垫；顶塞镶崁于壳体上部并紧密接触，中心电极穿过顶塞中心置于壳体内部空间，三组刀片电极均布在壳体内部空间的反应腔内，电极接线柱横穿橡胶垫及壳体与刀片电极连接，喷嘴外表面与壳体底端的锥形口紧密接触；

所述顶塞为圆柱形，其中心孔供中心电极穿越并紧密接触；

所述中心电极为圆杆结构，它与电源零线相连接；所述壳体为圆筒形结构，壳体内部空间作为反应腔，壳体底端开有锥形口，锥形口内表面与喷嘴外表面紧密接触，壳体圆周外部设有三组均布的壳体凸台供放置电极接线柱；

所述电极接线柱为圆杆结构，它穿过壳体凸台与刀片电极螺接，其功能是连接电源线和刀片电极；

所述刀片电极为不规则扇形，从最大半径处向两端过渡，半径逐渐减小；三组刀片电极通过螺纹与电极接线柱连接，并通过橡胶垫固定于壳体外侧的圆柱型壳体凸台内，其功能是与中心电极之间形成放电区域；

所述橡胶垫为圆筒形结构，心部设有圆孔供电极接线柱穿过，其功能是将电极接线柱固定于壳体；

所述喷嘴为圆锥形结构尖口状，底端设有进气管，它与壳体内部空间的反应腔呈轴向布置，喷嘴圆锥形外表面与壳体底端锥形口内表面紧密接触，其功能是使反应气以较高速度进入反应腔。

2.根据权利要求1所述的一种三刀片电极式滑动电弧放电等离子体发生装置，其特征在于：为加强其密封效果，在壳体（3）上加工有壳体紧固柱（303），在喷嘴上加工有喷嘴紧固柱（601），壳体紧固柱（303）与喷嘴紧固柱（601）通过橡皮绳缠紧。

3.根据权利要求1所述的一种三刀片电极式滑动电弧放电等离子体发生装置，其特征在于：所述顶塞，其材质为橡胶。

4.根据权利要求1所述的一种三刀片电极式滑动电弧放电等离子体发生装置，其特征在于：所述中心电极，其材质为不锈钢。