CN104100419B - 改善制氢机制氢速率和评价的装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改善制氢机速率和评价的装置及控制方法，具体涉及一种制氢机的运行方式与控制。制氢机制氢系统评价的装置主要包括电解箱、蓄电池、KOH溶液储罐、储水罐、氧气储罐、氢气储罐及相关控制单元等。其优点是可以明显改善制氢机在不同工况下制氢速率，提高制氢机的整体制氢性能，同时降低有害物排放。该制氢机结构简单、体积小便于安装且成本不高，该系统还具有良好的适应性和发展性，可以很方便的安装在不同型号车辆中，具有广泛的市场前景和较好的经济效益，实现市场化应用。

Description

改善制氢机制氢速率和评价的装置及控制方法
技术领域
本发明提供一种改善制氢机制氢速率和评价的装置及控制方法，具体涉及一种制氢机的运行方式与控制方法，属于内燃机领域。
背景技术
随着化石等不可再生能源的逐渐减少和汽车尾气排放问题的日益严重，提高内燃机的经济性和降低有害气体排放已经成为内燃机继续发展亟待解决的重要问题之一。氢气的扩散速度和燃烧速度均高于汽油，所以在进气时掺入适量的氢气可以缩短发动机的燃烧持续期，可以有效改善汽油机的热效率并且降低HC和CO的排放。此外，由于氢气的燃烧界限宽广，并且需要较低的点火能量就可点燃，使得掺氢内燃机能够在稀薄燃烧模式下顺利进行，可以进一步提高内燃机的经济性，也降低了排放。氧气是理想的助燃机之一，富氧空气进入内燃机可以有效的促进燃料快速并充分燃烧，从而降低了内燃机的油耗和有害气体的排放。因为现有的制氢和储氢等成本较高，相关的基础设施也比较少，所以在短时间内大面积推广和应用纯氢及掺氢内燃机汽车较困难。
目前可以采用重整甲烷或煤等能源制氢方式，也可以采用电解水制氢方式。采用重整甲烷或煤等能源制氢的工艺较复杂，同时会产生CO、CO2等有害气体的排放，所以不能实现在氢气制取过程中的零排放。通过一些可再生能源发电，例如太阳能、水能和风能来电解水不但可以制取氢气，而且还可以得到氧气，此制取过程可以实现零排放。
电解水制氢技术的特点是可以实现氢气的随制随用，电解水制氢机体积较小，耗电相对较低，能够实现以蓄电池为电源的氢气、氧气的随车制取，该制氢机非常适合在车辆上安装使用。目前电解水制氢机可以分为两种形式，一种是石棉膜加碱性电解液，还有一种是离子交换膜加去离子水电解液。石棉膜式制氢机不适合在车辆上实际应用，原因在于石棉膜式制氢机制取的氢气中会夹杂对发动机零件有害的碱性物质。相比之下，离子膜式制氢机采用去离子水为电解液，制取的氢气纯度相对较高，也可以避免碱液进入发动机对零件造成的损坏。
发明内容
为了改善制氢机制氢速率，本发明提出了一种关于制氢机制氢检测评价的装置和控制方法。
本发明采用如下技术方案：
制氢机制氢系统评价的装置，该装置用于改善制氢机制氢速率，包括电解箱1、电流表2、蓄电池3、电压变换器4、流量调节阀5、温度传感器6、温度传感器7、KOH溶液泵8、KOH溶液过滤器9、KOH溶液储罐10、水质监测器11、给水泵12、储水罐13、温度调节阀14、温度调节阀15、压力表16、压力表17、氧气储罐18、冷却装置19、干燥装置20、加压泵21、氢气储罐22、安全阀23、压力调节阀24、浓度监测仪25、电子控制系统26。
蓄电池3通过电压变换器4与电解箱1相连供电，并在其两侧并联一个电流表2，储水罐13中的水通过给水泵12和水质监测器11送达KOH溶液储罐10，其中的KOH溶液经过KOH溶液过滤器9和KOH溶液泵8，再通过流量调节阀5进入电解箱1；KOH溶液储罐10连接浓度监测仪25，再通过电子控制系统26接回储水罐13；KOH溶液泵8与电解箱1之间连接一个温度传感器6，温度传感器6连一个温度调节阀14；温度传感器7与电解箱1相连，再连一个温度调节阀14，再连接回KOH溶液储罐10；电解箱1正极连接氧气储罐18，氧气储罐18上连接一个压力表16；电解箱1负极连接冷却装置19，再连接干燥装置20，通过加压泵21与氢气储罐22相连；压力表17、安全阀23和压力调节阀24与氢气储罐22连接。
所述的氢气储罐22和氧气储罐18的体积比为2∶1。
关于制氢机制氢检测评价的装置和控制方法，包括如下控制过程：
电解箱1接通蓄电池3后，通过调节电压变换器4来改变电解箱1两侧的电解电压，车内发动机提供电压为12V，电压大小主要由电流表2显示；电解箱1内碱液为KOH溶液，KOH溶液的供给由其供给系统完成。
供给系统控制方法如下：储水罐13体积约为2L，其功能是储存水，向KOH溶液储罐10中提供水；储水罐13通过给水泵12和水质监测器11向KOH溶液储罐10提供水；水质监测器11为电阻水质监测器，带指示灯的流量探头放在给水入口处，探头电阻设定点为200kΩ·cm，当电阻超过了此设定点，水的纯度是许可的，那么灯是绿色的，若电阻降到设定点下，灯就转成红色，系统就会停止运行；KOH溶液储罐10通过KOH溶液过滤器9、KOH溶液泵8和流量调节阀5向电解箱1内运送所需的电解液KOH溶液；KOH溶液过滤器9位于KOH溶液储罐10底部，过滤元件是一个不锈钢管壳，该管壳能除去105微米以上的所有颗粒，保持电解液KOH溶液中无颗粒状物；流量调节阀5可以控制并测量KOH溶液流向电解箱的流量；在电解箱1入口处接有一个温度传感器6，热电偶TC1监测KOH溶液进入电解箱1前的KOH溶液温度，该温度是用以控制热损速率的；在电解箱1出口处接有一个温度传感器7，热电偶TC2监测离开电解箱1的KOH溶液温度以防止过热，如果温度超过了设定的最大值，最大值为95℃，系统就会停止运行；通过温度调节阀14来控制KOH溶液进入电解箱1的温度，通过温度调节阀15来控制KOH溶液离开电解箱1的温度；系统中有一个浓度监测仪25用来监测KOH溶液储罐10的浓度，反馈到电子控制系统26中，随后调节储水罐12向KOH溶液储罐10的流量，从而使KOH溶液储罐10中的KOH溶液的浓度基本保持一个定值。
氢氧储存系统控制方法如下：电解箱1内发生的化学反应方程式：
正极：4OH-→O2+2H2O+4e-
负极：4H2O+4e-→2H2+4OH-
总反应：2H2O→2H2+O2
此反应的速率与流经电极间的电量成正比。
电解箱1中的KOH溶液电解后正极生成氧气，在其正极连接一个氧气储罐18，在氧气储罐18上连接压力表16，测量氧气储罐18中氧气的压力；由于此系统为制氢机制氢检测评价系统，所以储氢系统相对复杂些。电解箱1中的KOH溶液电解后负极生成氢气，在其负极先连接冷却剂，采用冷却水，然后再连接干燥剂，采用活性炭，通过加压泵21连接一个氢气储罐22，使氢气储罐22能储存更多的氢气；在氢气储罐上分别连接压力表17、压力调节阀24和安全阀23。安全阀设定在10.5kg/cm2时打开，保证系统运行安全。
本发明的有益效果是，针对传统制氢机在不同条件下的制氢速率等问题提出一种关于制氢机制氢检测评价的装置和控制方法。本发明的制氢机采用电解KOH溶液的方法，通过控制和改变电解液KOH溶液浓度、电解温度、电解电压和电解压力相关参数得到制氢机的最佳制氢速率，方法为控制变量法。主要从经济、排放和动力三个方面对制氢系统进行评价。
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图
图中：电解箱1、电流表2、蓄电池3、电压变换器4、流量调节阀5、温度传感器6、温度传感器7、KOH溶液泵8、KOH溶液过滤器9、KOH溶液储罐10、水质监测器11、给水泵12、储水罐13、温度调节阀14、温度调节阀15、压力表16、压力表17、氧气储罐18、冷却装置19、干燥装置20、加压泵21、氢气储罐22、安全阀23、压力调节阀24、浓度监测仪25、电子控制系统26。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
制氢机制氢系统评价的装置，该装置用于改善制氢机制氢速率的性能，包括电解箱1、电流表2、蓄电池3、电压变换器4、流量调节阀5、温度传感器6、温度传感器7、KOH溶液泵8、KOH溶液过滤器9、KOH溶液储罐10、水质监测器11、给水泵12、储水罐13、温度调节阀14、温度调节阀15、压力表16、压力表17、氧气储罐18、冷却装置19、干燥装置20、加压泵21、氢气储罐22、安全阀23、压力调节阀24、浓度监测仪25、电子控制系统26。
蓄电池3通过电压变换器4与电解箱1相连供电，并在其两侧并联一个电流表2，储水罐13中的水通过给水泵12和水质监测器11送达KOH溶液储罐10，其中的KOH溶液经过KOH溶液过滤器9和KOH溶液泵8，再通过流量调节阀5进入电解箱1；KOH溶液储罐10连接浓度监测仪25，再通过电子控制系统26接回储水罐13；KOH溶液泵8与电解箱1之间连接一个温度传感器6，温度传感器6连一个温度调节阀13；温度传感器7与电解箱1相连，再连一个温度调节阀14，再连接回KOH溶液储罐10；电解箱1正极连接氧气储罐18，氧气储罐18上连接一个压力表16；电解箱1负极连接冷却装置19，再连接干燥装置20，通过加压泵21与氢气储罐22相连；压力表17、安全阀23和压力调节阀24与氢气储罐22连接。
所述的氢气储罐22和氧气储罐18的体积比为2∶1。
上述装置对车载制氢机在不同工况和不同参数下作了如下实验：
试验在一辆北京现代伊兰特上进行，该车装备的发动机为1台直列4缸1.6L电喷汽油机，按图1所示制氢机制氢检测评价装置。
启动发动机，制氢机在怠速、加速及减速阶段不制氢，当匀速阶段且速度大于16km/h时开始制氢。试验在城市路段和郊区路段进行，城市路段跑四次，郊区路段跑一次分别为怠速阶段、加速阶段、匀速阶段和减速阶段。城市路段速度低于郊区路段。
城市路段：匀速阶段为四段，分别为A段：1档，车速为18km/h，发动机转速为1800r/min，输出转矩为5N·m，持续9s；B段：2档，车速为31km/h，发动机转速为2100r/min，输出转矩为10N·m，持续25s；C段：3档，车速为50km/h，发动机转速为2400r/min，输出转矩为15N·m，持续13s；D段：3档，车速为31km/h，发动机转速为1400r/min，输出转矩为13N·m，持续14s。一次循环用时61s，四次循环用时244s。
郊区路段：匀速阶段为五段，分别为E段：5档，车速为70km/h，发动机转速为2000r/min，输出转矩为33N·m，持续51s；F段：4档，车速为50km/h，发动机转速为1800r/min，输出转矩为20N·m，持续70s；G段：档位、车速、发动机转速、输出转矩和持续时间与E段相同；H段：5档，车速为100km/h，发动机转速为2900r/min，输出转矩为48N·m，持续31s；I段：5档，车速为120km/h，发动机转速为3500r/min，输出转矩为61N·m，持续11s。一次循环用时214s。
当制氢机制氢时，对制氢系统的制氢过程进行控制，通过控制和改变电解液KOH溶液浓度、电解温度、电解电压和电解压力相关参数得到制氢机的最佳制氢速率，方法为控制变量法。
制氢系统开始工作前，先配好一定浓度的KOH溶液。启动发动机后电解箱1开始电解KOH溶液制氢，正极连接氧气储罐18，收集制取的氧气，电解箱1负极连接冷却装置19，再连接干燥装置20，通过加压泵21与氢气储罐22相连，收集制取的氢气；储水罐13准备就绪，随时向KOH溶液储罐10提供水；系统在运行过程中，会不断消耗原料水，由给水泵12根据自动控制系统信号自动补充。
通过控制变量法，可以得出制氢系统的最佳制氢条件和制氢速率。
保持KOH溶液电解温度、电解电压和电解压力不变，使KOH溶液电解温度为60℃，电解电压为12V，电解压力为300kpa，改变KOH溶液浓度。浓度监测仪22监测KOH溶液的浓度，再通过电子控制系统23连接储水罐12控制出水量，保持KOH溶液的浓度基本不变，其变化范围为2×10-3mol/L到9×10-3mol/L，当KOH溶液浓度为2×10-3mol/L时，制氢速率为1L/min，制氢速率随着KOH溶液浓度增加而上升，在KOH溶液浓度大约为7×10-3mol/L时，制氢速率最高，为2.4L/min，当KOH溶液浓度超过7×10-3mol/L，制氢速率下降。
保持KOH溶液浓度、电解电压和电解压力不变，使KOH溶液浓度为7×10-3mol/L，电解电压为12V，电解压力为300kpa，改变KOH溶液电解温度。KOH溶液泵8与电解箱1之间连接一个温度传感器6，温度传感器6连一个温度调节阀14。使用温度调节阀14调节KOH溶液的电解温度，温度传感器6控制温度调节阀14使电解温度保持不变，其变化范围为40℃到90℃，当KOH溶液电解温度为40℃时，制氢速率为1.6L/min，制氢速率随着KOH溶液电解温度增加而上升，在KOH溶液电解温度大约为75℃时，制氢速率最高，为2.6L/min，当KOH溶液电解温度超过75℃，制氢速率下降。
保持KOH溶液浓度、电解温度和电解压力不变，使KOH溶液浓度为7×10-3mol/L，电解温度为75℃，电解压力为300kpa，改变KOH溶液电解电压。电解箱1接通蓄电池3后，通过调节电压变换器4来改变电解箱1两侧的电解电压，电流表2示数有变化，其变化范围为6V到18V，当KOH溶液电解电压为6V时，制氢速率为2.4L/min，制氢速率随着KOH溶液电解电压增加而上升，在电解电压大约为14V时，制氢速率最高，为2.8L/min，当KOH溶液电解电压超过14V，制氢速率下降。
保持KOH溶液浓度、电解温度、电解电压不变，使KOH溶液电解浓度为7×10-3mol/L，电解温度为75℃，电解电压为14V，改变KOH溶液电解压力。调节氢气储罐22上的压力调节阀24，改变KOH溶液的电解压力，其变化范围为200kPa到500kPa，当KOH溶液电解压力为200kpa时，制氢速率为2.7L/min，制氢速率随着KOH溶液电解压力增加而上升，在KOH溶液电解压力大约为450kPa时，制氢速率最高，为3L/min，当KOH溶液电解压力超过450kpa，制氢速率下降。
通过对本发明的车载制氢机进行实验,其结果表明：电解箱1内的KOH溶液浓度大约为7×10-3mol/L，电解温度大约为75℃，电解电压大约为14V，电解压力大约为450kPa时，制氢速率最高，可以达到3L/min。此制氢速率可以基本满足在城市和郊区两种路况下的氢气需求，采用本发明得出的制氢条件，改善制氢机制氢速率。
制氢系统的评价主要从经济、排放和动力三个方面进行。首先是经济方面，通过油耗体现经济性。汽油机中掺混5％的氢后，降低油耗25％，使用本发明的制氢机制取氢气，汽油机中掺混5％的氢后，降低油耗35％，相比原来可以进一步降低油耗10％，可见使用本发明的制氢机使其经济性提高；其次是排放方面，用一台日本堀场株式会社生产的Horiba-7100DEGR排放分析仪，分别测量内燃机在各个运行工况下污染物排放。汽油机中掺混5％的氢后，降低污染物排放52％，使用本发明的制氢机制取氢气，汽油机掺混5％的氢后，降低污染物排放60％，相比原来可以进一步降低污染物排放8％,可见使用本发明的制氢机使其排放降低；最后是动力方面，同等燃油条件下，使用本发明的制氢机使其动力性增强，加速性能显著提高。
该技术将为车用内燃机达到欧Ⅴ排放标准做出贡献。

Claims (5)

1.一种改善制氢机制氢速率和评价的装置，其包括电解箱(1)、电流表(2)、蓄电池(3)、电压变换器(4)、流量调节阀(5)、第一温度传感器(6)、第二温度传感器(7)、KOH溶液泵(8)、KOH溶液过滤器(9)、KOH溶液储罐(10)、水质监测器(11)、给水泵(12)、储水罐(13)、第一温度调节阀(14)、第二温度调节阀(15)、第一压力表(16)、第二压力表(17)、氧气储罐(18)、冷却装置(19)、干燥装置(20)、加压泵(21)、氢气储罐(22)、安全阀(23)、压力调节阀(24)、浓度监测仪(25)、电子控制系统(26)；
蓄电池(3)通过电压变换器(4)与电解箱(1)相连供电，并在电解箱(1)两侧并联一个电流表(2)，储水罐(13)中的水依次通过给水泵(12)和水质监测器(11)送达KOH溶液储罐(10)，其中KOH溶液储罐(10)中的KOH溶液依次经过KOH溶液过滤器(9)和KOH溶液泵(8)，再通过流量调节阀(5)进入电解箱(1)；KOH溶液储罐(10)连接浓度监测仪(25)，再通过电子控制系统(26)接回储水罐(13)；KOH溶液泵(8)与电解箱(1)之间连接一个第一温度传感器(6)，第二温度传感器(7)连一个第一温度调节阀(14)；第二温度传感器(7)与电解箱(1)相连，再连一个第二温度调节阀(15)，再连接回KOH溶液储罐(10)；电解箱(1)正极连接氧气储罐(18)，氧气储罐(18)上连接一个第一压力表(16)；电解箱(1)负极连接冷却装置(19)，再连接干燥装置(20)，通过加压泵(21)与氢气储罐(22)相连；第二压力表(17)、安全阀(23)和压力调节阀(24)与氢气储罐(22)连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的氢气储罐(22)和氧气储罐(18)的体积比为2∶1。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：电解箱(1)接通蓄电池(3)后，通过调节电压变换器(4)来改变电解箱(1)两侧的电解电压，车内发动机提供电压为12V，电压大小主要由电流表(2)显示；电解箱(1)内碱液为KOH溶液，KOH溶液的供给由其供给系统完成。
4.权利要求1至3任意一权利要求所述的改善制氢机制氢速率和评价的装置进行制氢的方法，其特征在于：储水罐(13)体积为2L，其功能是储存水，向KOH溶液储罐(10)中提供水；储水罐(13)通过给水泵(12)和水质监测器11向KOH溶液储罐(10)提供水；水质监测器(11)为电阻水质监测器，带指示灯的流量探头放在给水入口处，探头电阻设定点为200kΩ·cm，当电阻超过了此设定点，水的纯度是许可的，那么灯是绿色的，若电阻降到设定点下，灯就转成红色，系统就会停止运行；KOH溶液储罐(10)通过KOH溶液过滤器(9)、KOH溶液泵(8)和流量调节阀(5)向电解箱(1)内运送所需的电解液KOH溶液；KOH溶液过滤器(9)位于KOH溶液储罐(10)底部，过滤元件是一个不锈钢管壳，该管壳能除去105微米以上的所有颗粒，保持电解液KOH溶液中无颗粒状物；流量调节阀(5)能够控制并测量KOH溶液流向电解箱的流量；在电解箱(1)入口处接有一个第一温度传感器(6)，热电偶TC1监测KOH溶液进入电解箱(1)前的KOH溶液温度，该温度是用以控制热损速率的；在电解箱(1)出口处接有一个第二温度传感器(7)，热电偶TC2监测离开电解箱(1)的KOH溶液温度以防止过热，如果温度超过了设定的最大值，最大值为95℃，系统就会停止运行；通过第一温度调节阀(14)来控制KOH溶液进入电解箱(1)的温度，通过第二温度调节阀(15)来控制KOH溶液离开电解箱(1)的温度；系统中有一个浓度监测仪(25)用来监测KOH溶液储罐(10)的浓度，反馈到电子控制系统(26)中，随后调节储水罐(13)向KOH溶液储罐(10)的流量，从而使KOH溶液储罐(10)中的KOH溶液的浓度基本保持定值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
氢氧储存系统控制方法如下：电解箱(1)内发生的化学反应方程式：
正极：4OH-→O2+2H2O+4e-
负极：4H2O+4e-→2H2+4OH-
总反应：2H2O→2H2+O2
此反应的速率与流经电极间的电量成正比；
电解箱(1)中的KOH溶液电解后正极生成氧气，在其正极连接一个氧气储罐(18)，在氧气储罐(18)上连接第一压力表(16)，测量氧气储罐(18)中氧气的压力；电解箱(1)中的KOH溶液电解后负极生成氢气，在其负极先连接冷却剂，采用冷却水，然后再连接干燥剂，用活性炭，通过加压泵(21)连接一个氢气储罐(22)，使氢气储罐(22)能储存更多的氢气；在氢气储罐上分别连接第二压力表(17)、压力调节阀(24)和安全阀(23)；安全阀设定在10.5kg/cm2时打开，保证系统运行安全。
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