CN106050480B - 适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统，包括原料箱、冷却换热器、进料泵、至少四个微反应器单元、冷凝换热器、缓冲罐、储液罐、热电偶测量温控仪；原料箱、冷却换热器、进料泵依次相连；进料泵的出口与每个微反应器单元的入口相连，每个微反应器单元的出口均与冷凝换热器的入口相连，冷凝换热器的出口分别与缓冲罐的入口和储液罐的入口相连，储液罐的出口与冷却换热器的入口相连，在储液罐与冷却换热器相连接的管路中设置有开关阀；所有微反应器单元均与热电偶测量温控仪相连。本发明最大限度地利用传统汽油车的基本结构以及基础设施，一方面减小了对传统汽车行业的冲击，另一方面也使新能源汽车的运行流程更加安全。
Description
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，尤其涉及一种适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统。
背景技术
目前已有许多便携制氢的专利涌现，比如授权公告号为CN 204022465 U的专利文件公开了一种便携式制氢-供氢系统，但是就现在的脱氢技术而言，还不能实现常温条件下高效脱氢，该专利需要分离杂质，不能实现产生高纯度的氢气，并且没有充分地考虑到制氢体系的可行性。而授权公告号为CN 104975988 A的专利文件公开了一种用于氢内燃机的液态储氢材料的供氢系统，虽然对脱氢系统进行了较为详细的设计，但是它并不是基于实验研究进行的，有一定的不合理性，比如反应器采用反应釜设备，据研究发现由于反应釜反应器内部存在死体积，不能促使体系内的气体及时排出，从而抑制催化脱氢反应的进行。
发明内容
针对上述的不足，本发明提供一种适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统，本系统能够大幅度地提高脱氢反应的转化率以及氢气纯度，并且可以解决车载脱氢装置大且复杂的问题。另外，本脱氢系统是在传统汽车的基本结构上进行改造的，能够很好地得到传统汽车技术上的支持。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统，包括原料箱、冷却换热器、进料泵、至少四个微反应器单元、冷凝换热器、缓冲罐、储液罐、热电偶测量温控仪；所述原料箱、冷却换热器、进料泵依次相连；所述进料泵的出口与每个微反应器单元的入口相连，每个微反应器单元的出口均与冷凝换热器的入口相连，冷凝换热器的出口分别与缓冲罐的入口和储液罐的入口相连，储液罐的出口与冷却换热器的入口相连，在储液罐与冷却换热器相连接的管路中设置有开关阀；所有微反应器单元均与热电偶测量温控仪相连。
进一步地，所述微反应器单元包括电磁阀、喷嘴、微反应器、单向阀、电磁线圈；所述电磁阀与喷嘴相连，喷嘴与微反应器的入口相连，微反应器的出口与 单向阀相连；所述电磁阀与进料泵的出口相连，所述单向阀与冷凝换热器的入口相连；所述电磁线圈缠绕在微反应器的底部内壁与外壁之间，所述电磁线圈与热电偶测量温控仪相连。
进一步地，所述微反应器包括反应室顶部部件和反应室底部部件；所述反应室底部部件可拆卸地安装在反应室顶部部件的底部；所述反应室底部部件内填充有脱氢催化剂；所述电磁线圈缠绕在反应室底部部件的底部内壁与外壁之间；所述反应室顶部部件和反应室底部部件均采用不锈钢材质。
进一步地，所述脱氢催化剂为Pt系、Pd系、Rh系、Ni系、Cu系、Fe系或Pt-M双金属系列，其中Pt-M中的M为Mo，W，Re，Rh，Pd，Ir，Sn，Ni。
进一步地，所述电磁阀与进料泵的出口相连的管路上缠绕有连接所述冷凝换热器的冷却介质流出口与所述冷却换热器的冷却介质流入口的管道。
进一步地，所述冷却介质夏天采用汽车空调内的制冷剂，冬天采用环境冷空气。
进一步地，所述原料箱内的有机氢化物为氨硼烷化合物、甲基环己烷、环己烷、萘烷、四氢化萘、环己基苯、双环己烷、乙基环己烷、甲醇、异丙醇、甲基萘烷、咔唑、吲哚、噻吩、吡啶、咪唑中的一种或多种组成。
进一步地，所述原料箱直接使用传统汽油车的油箱。
进一步地，所述进料泵是能够在一定压力及频率下产生液体射流进而实现脉冲进料的设备，为往复泵、齿轮泵、离心泵、螺杆泵、滑片泵或隔膜泵。
进一步地，所述的微反应器单元的排列方式与汽车上的V型、W型、水平对置、直列发动机中的气缸排列方式一致。
本发明的有益效果是：(1)制氢系统中使用的液体有机氢化物在常温下是液态，所以可以最大限度地利用传统汽油车的基本结构以及现有加油站等基础设施系统来开发新能源汽车的储氢系统，本发明既不会对传统汽车行业造成太大冲击，同时也可以省去加氢站的建设成本。(2)制氢系统中的脱氢微反应器是根据汽车上的气缸改造的，底部是填充有脱氢催化剂的部件，可通过螺丝旋拧的方式更换，同时，为防止气体逆流，在每个微反应器的出口设有单向阀。(3)微反应器中的反应室底部部件填充的是具有成熟生产工艺的商业催化剂，该种催化剂可显著提高脱氢转化率以及氢气纯度等。
附图说明
图1是本发明实施案例1的新能源汽车的供氢系统图；
图2是本发明实施例中微反应器的主视图；
图3是本发明实施例中可拆卸部件的剖面图；
图4是本发明实施例中可拆卸部件的俯视图；
图中，1.原料箱、2.冷却换热器、3.进料泵、4.冷凝换热器、5.电磁阀、6.热电偶测量温控仪、7.微反应器、8.单向阀、9.储液罐、10.缓冲罐、11.开关阀、12.喷嘴、13.燃料电池或氢气内燃机动力系统、14.反应室顶部部件、15.反应室底部部件、16.脱氢催化剂、17.电磁线圈。
具体实施方案
下面结合附图以及具体实施案例对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施案例1的新能源汽车的供氢系统图，该实施案例包括原料箱1、冷却换热器2、进料泵3、四个微反应器单元、冷凝换热器4、热电偶测量温控仪6、缓冲罐10、储液罐9；所述原料箱1、冷却换热器2、进料泵3依次相连；原料箱1用于储存液体有机氢化物；冷却换热器2用于冷却从原料箱1流出的液体有机氢化物原料；所述进料泵3的出口与每个微反应器单元的入口相连，每个微反应器单元均与热电偶测量温控仪6相连，每个微反应器单元的出口均与冷凝换热器4的入口相连，冷凝换热器4的出口分别与缓冲罐10的入口和储液罐9的入口相连，储液罐9的出口与冷却换热器2的入口相连，在储液罐9与冷却换热器2相连接的管路中设置有开关阀11。冷凝换热器4用于冷凝分离脱氢反应产生的气态产物；缓冲罐10用于储存冷凝分离后得到的氢气；储液罐9用于储存冷凝分离后得到的液态产物。
每个微反应器单元结构均相同，以其中一个微反应器单元为例，如图2所示，它包括电磁阀5、微反应器7、单向阀8、喷嘴12、电磁线圈17；所述电磁阀5与喷嘴12相连，喷嘴12与微反应器7的入口相连，微反应器7的出口与单向阀8相连；所述电磁阀5与进料泵3的出口相连，所述单向阀8与冷凝换热器4的入口相连。所述电磁线圈17缠绕在微反应器7的底部内壁与外壁之间，用于对微反应器7进行加热；所述电磁线圈17与热电偶测量温控仪6相连，热电偶测量温控仪6用于测量控制催化剂表面的温度；微反应器7用于液体有机氢化物脱 氢反应；电磁阀5用于控制进料泵3把液体有机氢化物泵入到微反应器7中的时间；喷嘴12用于使液体有机氢化物在微反应器内雾化；单向阀8用于防止微反应器7产生的气体逆流。
如图3和图4所示，所述微反应器7包括反应室顶部部件14和反应室底部部件15；所述反应室底部部件15可拆卸地安装在反应室顶部部件14的底部；反应室底部部件15上具有内螺纹，反应室顶部部件14上具有外螺纹；所述反应室底部部件内填充有脱氢催化剂16；所述电磁线圈17缠绕在反应室底部部件15的底部内壁与外壁之间；所述反应室顶部部件14和反应室底部部件15均采用不锈钢材质。
进一步地，所述脱氢催化剂为Pt系、Pd系、Rh系、Ni系、Cu系、Fe系或Pt-M双金属系列，但不限于此，其中Pt-M中的M为Mo，W，Re，Rh，Pd，Ir，Sn，Ni，但不限于此。
如图1所示，所述电磁阀5与进料泵3的出口相连的管路上缠绕有连接所述冷凝换热器4的冷却介质流出口与所述冷却换热器2的冷却介质流入口的管道；
进一步地，所述冷却介质夏天采用汽车空调内的制冷剂，此时，冷凝换热器4的冷凝介质流入口与汽车空调内的制冷剂输出口相连，冷却换热器2的冷却介质流出口与汽车空调内的制冷剂输入口相连；冬天冷却介质采用环境冷空气，冷凝换热器的冷凝介质流入口和冷却换热器的冷却介质流出口均与大气空气相通。
液体有机氢化物储氢是利用不饱和芳烃和对应环烷烃之间的加氢和脱氢反应来实现的，加氢反应时储氢，脱氢反应时放氢，有机液体作为氢载体达到储存和输送氢的目的。所述原料箱内的有机氢化物为氨硼烷化合物、甲基环己烷、环己烷、萘烷、四氢化萘、环己基苯、双环己烷、乙基环己烷、甲醇、异丙醇、甲基萘烷、咔唑、吲哚、噻吩、吡啶、咪唑中的一种或多种组成，但不限于此。
进一步地，为了节省方便本发明，实施过程中，所述原料箱直接使用传统汽油车的油箱。
进一步地，所述进料泵3是能够在一定压力及频率下产生液体射流进而实现脉冲进料的设备，所述进料泵3可以为往复泵、齿轮泵、离心泵、螺杆泵、滑片泵或隔膜泵，但不限于此。
进一步地，所述的微反应器单元的排列方式与汽车上的V型、W型、水平 对置、直列发动机中的气缸排列方式一致。
为更好地理解本制氢装置，特举出以下三个实施案例，并且为更加清楚地描述本发明，做出了一些具体设定：选用容积为100mL的微反应器，选用苯-环己烷(分析纯)储氢体系，选用Pt-Sn/Al2O3双金属脱氢催化剂，选用高压柱塞泵作为进料泵，选用电磁加热系统。
实施例1
根据附图1，Pt-Sn/Al2O3催化剂表面被电磁加热至366℃时，其中催化剂表面的温度控制由热电偶测量温控仪6实现，原料箱1中的环己烷在冷却换热器2中冷却至约6℃后，在1.5MPa的压力下由高压柱塞泵依次输送到四个并联的微反应器7内，原料环己烷由进料喷嘴12喷射成雾状，在催化剂表面发生脱氢反应，产生的气体由微反应器的出口输出，并且在每个出口处设有防止气体逆流的单向阀8，最终气体经冷凝换热器4冷凝分离，其中，液态产物进入到储液罐9循环利用或者打开开关阀11重返进料系统参与脱氢，而纯度为99.9％的氢气先被输送到缓冲罐10中，之后再被输送到燃料电池或者氢内燃机13中为汽车提供动力。在此，特别说明的是微反应器7的喷射频率均是0.125Hz，但是喷射启动时间相差2s，比如第一微反应器在第一电磁阀的控制下第0s启动，第二微反应器在在第二电磁阀的控制下第2s启动，第三微反应器在在第三电磁阀的控制下第4s启动，第四微反应器在第四电磁阀的控制下第6s启动，那么在第8s的时候第一微反应器又重新进料，完成一次循环，使得整个脱氢系统实现连续产氢，所述四个电磁阀均自带定时控制进料的功能。根据实验结果，在单个微反应器中，当催化剂表面温度维持在294-302℃范围内，进料频率为0.125Hz，催化剂用量为14g时，单个微反应器两个小时能产生约32.4L氢气，原料的一次转化率达到41％，并且整个反应的选择性高达100％，不产生任何副产物。为了更好地为用户展现该行驶模式下的汽车性能，可以使四个微反应器以为一组设计成四组微反应器，这样16个微反应器在两个小时内大约产生520L的氢气，当汽车以高速行驶在高速路上时，需要较大的输出动力，这种设计方案足以满足用户的驾驶要求。
实施例2
本案例设计原理与案例1一致，将四个微反应器变成五个微反应器。根据实 验结果，在单个微反应器中，当催化剂表面温度维持在322-328℃范围内，进料频率为0.1Hz，催化剂用量为12g时，两个小时能产生约25.8L氢气，反应两个小时之后催化剂的平均相对活性为0.9835，催化剂能保持较长的寿命。当汽车以一般车速在城区行驶时，不需要太大的输出动力，这种实施案例既能满足用户不用经常更换反应室底部部件(主要指催化剂)的要求，也能满足其对汽车动力的要求。
实施例3
本案例设计原理与案例1，2一致，不再附图赘述。不同之处在于：(1)环己烷被输送到18个并联微反应器中，其排布方式与传统汽车W型18气缸类似；(2)催化剂表面温度被加热至约364℃；(3)喷射频率是0.0278Hz，第一微反应器在第一电磁阀的控制下在第0s启动，第二微反应器在第二电磁阀的控制下第2s启动，依次类推第十八微反应器在第十八电磁阀的控制下在第34s启动，那么在第36s时第一微反应器又重新进料，完成一次循环；(4)反应条件为：在单个微反应器中，当催化剂表面温度在336-347℃范围内，进料频率为0.0278Hz，催化剂采用10g时的反应条件下，两个小时能产生约14.6L氢气，原料一次转化率达到70％。这种方案能够满足用户对较高燃油效率的需求，同时也为在郊区行驶的小汽车解决加油问题。
在以上3个实施例中均有一个应急措施，即在紧急需要原料的情况下，储液罐9中的液体可以通过打开开关阀11回流到进料系统，重新参与催化脱氢反应，并且即便是在原料转化率为70％的情况下，仍有30％的原料没有脱氢，这样经过多次循环之后理论上原料利用率能够达到100％。
并且，本发明在实验基础上提出一些参考性数据：
在高速运行模式，大约100L的环己烷可提供2.3kg的氢气，能够使普通汽车达到300km的续航里程。
在城区运行模式，大约120L的环己烷可提供2.3kg的氢气，能够使普通汽车达到300km的续航里程。
在郊区运行模式，大约100L的环己烷可提供3.99kg的氢气，能够使普通汽车达到470km的续航里程。
上述实施案例所述数据仅是实验数据，若把实验装置等比例放大应用于工业 上，那么得到的数据会远优于实验数据。另外实例中提到的储氢材料、催化剂类型以及进料泵等原料或者设备只是为了更清楚地描述本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求范围内，对原料、催化剂、泵的类型以及其他方面做出的任何修改、等同变化与修饰，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统，其特征在于，包括原料箱（1）、冷却换热器（2）、进料泵（3）、至少四个微反应器单元、冷凝换热器（4）、缓冲罐（10）、储液罐（9）、热电偶测量温控仪（6）；所述原料箱（1）、冷却换热器（2）、进料泵（3）依次相连；所述进料泵（3）的出口与每个微反应器单元的入口相连，每个微反应器单元的出口均与冷凝换热器（4）的入口相连，冷凝换热器（4）的出口分别与缓冲罐（10）的入口和储液罐（9）的入口相连，储液罐（9）的出口与冷却换热器（2）的入口相连，在储液罐（9）与冷却换热器（2）相连接的管路中设置有开关阀（11）；所有微反应器单元均与热电偶测量温控仪（6）相连；
所述微反应器单元包括电磁阀（5）、喷嘴（12）、微反应器（7）、单向阀（8）、电磁线圈（17）；所述电磁阀（5）与喷嘴（12）相连，喷嘴（12）与微反应器（7）的入口相连，微反应器（7）的出口与单向阀（8）相连；所述电磁阀（5）与进料泵（3）的出口相连，所述单向阀（8）与冷凝换热器（4）的入口相连；所述电磁线圈（17）缠绕在微反应器（7）的底部内壁与外壁之间，所述电磁线圈（17）与热电偶测量温控仪（6）相连；所述微反应器（7）内填充有脱氢催化剂。
2.根据权利要求1所述的适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统，其特征在于：所述微反应器（7）包括反应室顶部部件（14）和反应室底部部件（15）；所述反应室底部部件（15）可拆卸地安装在反应室顶部部件（14）的底部；所述电磁线圈（17）缠绕在反应室底部部件（15）的底部内壁与外壁之间；所述反应室顶部部件（14）和反应室底部部件（15）均采用不锈钢材质。
3.根据权利要求2所述的适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统，其特征在于：所述脱氢催化剂为Pt系、Pd系、Rh系、Ni系、Cu系或Fe系。
4.根据权利要求2所述的适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统，其特征在于：所述脱氢催化剂为Pt-M双金属系列，其中Pt-M中的M为Mo，W，Re，Rh，Pd，Ir，Sn，Ni。
5.根据权利要求1所述的适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统，其特征在于，所述电磁阀（5）与进料泵（3）的出口相连的管路上缠绕有连接所述冷凝换热器（4）的冷却介质流出口与所述冷却换热器（2）的冷却介质流入口的管道。
6.根据权利要求5所述的适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统，其特征在于，所述冷却介质夏天采用汽车空调内的制冷剂，冬天采用环境冷空气。
7.根据权利要求1所述的适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统其特征在于：所述原料箱（1）内的有机氢化物为氨硼烷化合物、甲基环己烷、环己烷、萘烷、四氢化萘、环己基苯、双环己烷、乙基环己烷、甲醇、异丙醇、甲基萘烷、咔唑、吲哚、噻吩、吡啶、咪唑中的一种或多种组成。
8.根据权利要求1所述的适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统，其特征在于：所述原料箱（1）直接使用传统汽油车的油箱。
9.根据权利要求1所述的适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统，其特征在于：所述进料泵（3）为往复泵、齿轮泵、离心泵、螺杆泵、滑片泵或隔膜泵。
10.根据权利要求1所述的适用于氢能汽车的液体有机氢化物车载供氢系统，其特征在于：所述的微反应器单元的排列方式与汽车上的V型、W型、水平对置、直列发动机中的气缸排列方式一致。
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