CN106438112A - 一种车载在线重整催化制氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车载在线重整催化制氢装置，包括：反应腔；微波功率管，其设置在所述反应腔内，以在反应腔内形成微波电场；微波等离子体反应管，其设置在所述反应腔内，所述微波等离子体反应管呈空心状，并且其上设置有进气端口和出气端口，所述进气端口和出气端口从所述反应腔内穿出到反应腔外部；催化剂，其设置在所述微波等离子体反应管内，所述催化剂为多个球状催化剂颗粒，并用金属丝贯穿连接在一起；点火放电装置，其插入所述微波等离子体反应管内部，所述放电点火装置能够在微波电场作用下放电从而将所述微波等离子体反应管中的混合可燃气体击穿。本发明提高了富氢气体产量，还可以提高装个装置的经济性。

Description

一种车载在线重整催化制氢装置
技术领域
本发明涉及车载在线制氢技术领域，特别涉及一种布置催化剂的改进型车载在线微波等离子体制氢装置。
背景技术
目前，车载在线制氢技术已经成为了当下汽车新型内燃机发展的重点方向，利用车载在线制氢技术可以改质燃料，不但可以提高发动机的运行经济性，而且还可以最大程度的减少汽车尾气有害气体排放。其中利用微波等离子体重整器发生重整反应是在线制取氢气的一种重要方法。
微波等离子体重整器是利用重整器中的微波功率管发出的微波激发可燃混合气体产生等离子体，通过等离子体促使可燃混合气体发生重整反应，产生富氢气体，具有反应产量高，无需催化剂等优点。微波等离子体重整反应的机理是在一定的条件下利用微波使可燃混合气体电离产生等离子体，利用等离子体中高能电子冲击等离子体中的中性粒子，使中性粒子发生裂变产生活性基(团)，这些活性基(团)在一定条件下重新组合形成新的分子或原子结构。常规化学反应很难实现或者需要昂贵重金属作为催化剂才能实现的反应，而通过等离子体重整反应则较易实现。等离子重整反应可以使汽油、乙醇等燃料转化为富氢可燃气体，可以用来改善发动机的燃烧、制备用于燃料电池的富氢气体等，具有很广泛的应用前景。
微波等离子体重整器在不添加任何辅助装置的情况下，仅依靠微波功率管产生反应腔中的微波电场，并通过微波电场来产生和维持等离子体，电场强度越高，等离子体密度就越大，温度就越高，由于重整反应的富氢体气体产量和等离子气体温度有关，所以等离子气体温度越高，富氢气体产量也就越多，因此提高微波电场强度能增加富氢气体的产量。然而，过多的提高微波电场强度会导致反应过程中等离子体温度过高，由于催化剂工作温度的要求、材料高温承受能力以及反应能耗的限制，反应过程中又要求等离子体温度一般不能太高，通常低于1000摄氏度。也就是说，虽然减小重整器反应腔内微波电场强度，可以使反应腔内重粒子热运动速度减小，从而表征等离子体温度的重粒子温度也相应减小，保证了上述避免高温的要求。但是重整器反应腔内微波电场强度的减少，又会使反应腔内等离子体中电子密度减少、电子温度下降，从而高能电子冲击重粒子的频率减小、富氢气体的产量也相应减小。因此，传统的微波等离子体重整器在重整反应过程中对于等离子体的温度要求存在着较大的矛盾。
发明内容
本发明目的是解决传统微波等离子体重整器重整反应过程中富氢气体的产量与等离子体的温度之间的矛盾，设计了一种车载在线重整催化制氢装置，利用催化剂的催化效果，在不增加反应腔内微波电场强度前提下提高富氢气体的产量。
本发明提供的技术方案为：
一种车载在线重整催化制氢装置，包括：
反应腔；
微波功率管，其设置在所述反应腔内，以在反应腔内形成微波电场；
微波等离子体反应管，其设置在所述反应腔内，所述微波等离子体反应管呈空心状，并且其上设置有进气端口和出气端口，所述进气端口和出气端口从所述反应腔内穿出到反应腔外部；
催化剂，其设置在所述微波等离子体反应管内，所述催化剂为多个球状催化剂颗粒，并用金属丝贯穿连接在一起；
点火放电装置，其插入所述微波等离子体反应管内部，所述放电点火装置能够在微波电场作用下放电从而将所述微波等离子体反应管中的混合可燃气体击穿。
优选的是，所述微波等离子体反应管采用耐高温透波材料制成。
优选的是，所述微波等离子体反应管为石英管，陶瓷管或纤维管。
优选的是，所述微波等离子体反应管呈单圈圆环形。
优选的是，所述微波等离子体反应管的截面为椭圆形。
优选的是，所述微波等离子体反应管多圈螺旋状。
优选的是，所述催化剂采用铜基或者铂基合金。
优选的是，所述反应腔内表面镀有金属铜或金属银。
优选的是，所述反应腔包括内壁和外壁，通过所述内壁和外壁形成空心圆环柱状空腔，所述反应腔还包括可开启的上盖。
优选的是，所述微波功率管设置有多个，并且贴合在所述外壁的内侧。
本发明的有益效果是：
1、微波等离子反应腔和催化剂的结合使用，重整反应和催化反应共同作用，提高了富氢气体的产量。
2、微波等离子反应腔和催化剂的结合使用，在催化剂的作用下部分可燃气体催化产生富氢气体，氢气比较容易电离，混有部分氢气的可燃气体更容易电离，从而可燃气体的点火场强可以适当降低，为降低反应腔内微波电场强度提供了可能。微波电场强度的降低不仅减少了反应腔壁电流的损耗，也降低了等离子体温度，从而延长了微波等离子体重整器材料的使用寿命，提高了车载在线制氢装置的可靠性。
3、微波等离子反应腔和催化剂的结合使用，在催化剂的作用下部分可燃气体催化产生富氢气体，由于氢气比较容易电离，所以混有部分氢气的可燃气体加速电离过程，进一步提高制氢效率，并使得装置实际启动时反应腔启动更加灵活。
4、微波等离子体反应腔发生的重整反应会释放大量热量使得反应管路过热，而催化反应吸收热量，两者结合使用既可以解决反应管路过热问题，又可以充分利用重整反应释放的能量，减少了重整器热辐射能量损耗，提高经济性。
5、本发明所述的新型车载在线制氢装置体积小、重量轻、布置方便，很适合车载使用。
附图说明
图1为本发明所述的车载在线重整催化制氢装置俯视图。
图2为本发明所述车载在线重整催化制氢装置立体图。
图3为本发明所述的圆环形催化剂结构示意图。
图4为本发明所示的圆环形催化剂在微波反应管中布置位置示意图。
图5为本发明所示的螺旋状微波反应管结构示意图。
图6为本发明所示的螺旋状催化剂结构示意图。
图7为本发明所示的环形微波反应管结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1、图2、图3所示，本发明提供的是一种车载在线重整催化制氢装置，包括：微波等离子体反应腔110、微波功率管120、微波等离子体反应管130、点火放电装置140和催化剂160。
如图1、图2所示，微波等离子体反应腔110为横截面为圆环形的圆柱体，有外壁111、内壁112以及端盖113组成。端盖113可以将反应腔110的顶部打开，以方便更换微波等离子体反应管130。
如图3、图4所示，催化剂160呈圆环形布置，布置在微波等离子体反应管130中，由于催化剂160是由质地较软的金属丝贯穿多个具有催化作用的球状颗粒物构成，因此催化剂可以弯折成适合反应管130的形状并放置于管内。每个球状催化剂颗粒表面粗糙，其内部较为疏松，有大量的毛细小孔，可增加与可燃混合气体的接触面积，提高催化效率。
为了减少微波等离子体反应腔110内壁电流在微波功率管120附近处过大，微波功率管120应该放置在反应腔内周长较大的圆环形柱体外壁111内侧。微波功率管120一般有多个，多个微波功率管120组成微波功率合成系统均布放置于微波等离子体反应腔110内，用来产生呈现一定模态分布的微波电场150，微波功率管120的数量应该根据反应腔产生一定数量氢气的功率需求决定。通过对微波功率管120数量和位置的分析结合微波等离子体反应腔110壁电流分布原理，合理安置各微波功率管120在反应腔内位置，可以使微波功率管120在反应腔内部微波输出功率最大。作为一种优选，为了减少反应腔壁电流的能量消耗，微波等离子体反应腔110环形内壁可以做镀铜处理。
微波等离子体反应管130放置在微波等离子体反应腔110中心位置，可燃混合气体可以从130进气端口131进入微波等离子体反应管130，流经布置在管路中的催化剂，发生重整反应和催化反应后，产生的富氢气体从132端口流出。作为一种优选选项，微波等离子体反应管130可以制成横截面为椭圆形的环形单圈管路，如图7所示。这样做的好处是一方面反应管路横截面较大、气体流量较大，于是可以提高反应产量，另一方面选取横截面为椭圆形的管路在微波等离子体反应腔110内时径向尺寸较小，轴向尺寸较大，可以充分利用反应腔场强较大区域，同时减少微波等离子体反应管130内等离子体对微波等离子体反应腔内模态的干扰。作为一种优选，微波等离子体反应管130也可为图5的螺旋管，此时，催化剂则呈螺旋线状布置于管内，如图6所示。微波等离子体反应管130可以由石英管、陶瓷管等耐高温透波材料制成。
如图1所示，点火放电装置140由一根带有开口的金属线圈制成，其包括两个自由端，两个自由端前部制成具有尖部的圆锥形，并且两尖部相靠近。两自由端插入微波等离子反应管130内部与可燃混合气体相接触，点火放电装置140放置于所述的微波等离子体反应管130内的部分其金属层裸露，未放入部分则包裹有耐高温的绝缘层。由于要求进入反应管内的可燃混合气体尽快形成等离子体，所以点火放电装置140应对称布置于进气端口131附近处，并同时处于于微波反应腔110中心电场强度极大区，即电场150的最强区域处，这样有利于放电点火装置140将微波等离子体反应管130中混合可燃气体击穿形成等离子体，提高反应效率。
新型车载在线重整催化制氢装置具体工作过程如下：
可燃混合气体从进气端口131进入微波等离子体反应腔110内，可燃混合气体经过微波等离子体反应管130环形通道两侧，与布置在微波等离子体反应管130中的催化剂160相接触，由于催化剂160由多个球状具有催化作用的颗粒物构成，每个颗粒物表面粗糙且内部具有大量的毛细小孔，通过这样的结构，可使可燃混合气体与催化剂充分接触，在可燃混合气体绕反应腔半周流出的过程中持续发生催化反应，产生富氢气体，并从出气端口132流出。在反应的初始阶段微波等离子体反应管130内的可燃混合气体在点火放点装置140的放电电极作用下完成点火。点火完成后可燃混合气体可在多个微波功率管120产生的呈一定模态分布的微波电场150的作用下发生重整反应产生富氢气体，同时由于催化剂的作用，流经催化剂的可燃混合气体绕反应腔左右半周流出的过程中持续发生重整反应和催化反应，产生大量富氢气体。相比于传统的微波等离子体重整器，该新型微波等离子体重整器利用重整反应和催化反应同时进行的特点，可以极大的提高富氢气体的产量。
本发明所述的一种新型车载在线重整催化制氢装置，在传统微波等离子重整器的基础上添加了催化剂，并且在催化剂的结构和布置方法方面给以了说明。催化剂的使用提高了可燃混合气体的活性，降低了反应活化能，增加了产生富氢气体的另一种方式，从而可以弥补通过减弱微波电场强度来降低反应腔内等离子体温度，防止材料温度过高而导致的富氢气体减产的不足，在富氢气体产量提升的同时又延长了材料的使用寿命，提高了整体的经济性。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种车载在线重整催化制氢装置，其特征在于，包括：
反应腔；
微波功率管，其设置在所述反应腔内，以在反应腔内形成微波电场；
微波等离子体反应管，其设置在所述反应腔内，所述微波等离子体反应管呈空心状，并且其上设置有进气端口和出气端口，所述进气端口和出气端口从所述反应腔内穿出到反应腔外部；
催化剂，其设置在所述微波等离子体反应管内，所述催化剂为多个球状催化剂颗粒，并用金属丝贯穿连接在一起；
点火放电装置，其插入所述微波等离子体反应管内部，所述放电点火装置能够在微波电场作用下放电从而将所述微波等离子体反应管中的混合可燃气体击穿。
2.根据权利要求1所述的车载在线重整催化制氢装置，其特征在于，所述微波等离子体反应管采用耐高温透波材料制成。
3.根据权利要求2所述的车载在线重整催化制氢装置，其特征在于，所述微波等离子体反应管为石英管，陶瓷管或纤维管。
4.根据权利要求1所述的车载在线重整催化制氢装置，其特征在于，所述微波等离子体反应管呈单圈圆环形。
5.根据权利要求4所述的车载在线重整催化制氢装置，其特征在于，所述微波等离子体反应管的截面为椭圆形。
6.根据权利要求1所述的车载在线重整催化制氢装置，其特征在于，所述微波等离子体反应管多圈螺旋状。
7.根据权利要求1所述的车载在线重整催化制氢装置，其特征在于，所述催化剂采用铜基或者铂基合金。
8.根据权利要求1所述的车载在线重整催化制氢装置，其特征在于，所述反应腔内表面镀有金属铜或金属银。
9.根据权利要求8所述的车载在线重整催化制氢装置，其特征在于，所述反应腔包括内壁和外壁，通过所述内壁和外壁形成空心圆环柱状空腔，所述反应腔还包括可开启的上盖。
10.根据权利要求9所述的车载在线重整催化制氢装置，其特征在于，所述微波功率管设置有多个，并且贴合在所述外壁的内侧。
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