CN108060955B - 废热重组产氢装置 - Google Patents

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Abstract

一种废热重组产氢装置，适用于安装在车辆的废气排放口，并包含一加热腔、一反应腔，及一导管单元。加热腔界定出包括进气口与出气口的加热室，进气口与废气排放口相连通。反应腔设置于加热室内，包括界定出反应空间的反应腔体，及设置于反应空间中的触媒单元。导管单元包括进油导管、进气导管，及产物导管，进油导管的一端穿过加热腔并与反应空间相连通，另一端与一供油单元相连接，进气导管缠绕于反应腔体上，其中一端穿过加热腔，其中另一端与反应空间相连通，产物导管的一端与反应空间相连通，而另一端穿出加热腔。通过安装在废气排放口，利用引擎产生的废热作为热量来源，车辆自有的供油单元提供燃料，有效利用引擎的废热进行产氢反应。

Description

废热重组产氢装置
技术领域
本发明涉及一种产氢装置，特别是涉及一种废热重组产氢装置。
背景技术
提高引擎燃烧效率及降低粒状污染物(particulate matter，PM)与粒状污染物颗粒数(particle number，PN)的排放，是目前运输产业积极改善的问题。
于现有的技术中，氢能源已被证实是极具有发展潜力的洁净能源技术，也是车辆载具最佳的能源载体，可同时整合化石能源(汽/柴油、压缩天然气(compressed naturalgas，CNG)/液化石油气(liquefied petroleum gas，LPG))、生质能源、电能，及热能以进行能源型态转换。
一般而言，氢气产生方式可分为高压产氢、液态产氢、金属产氢、化学产氢、电解产氢，及重组产氢。其中，重组产氢技术应用于引擎时，具有提高引擎燃烧效率与减少排气污染的效益，且做为车载燃料电池辅助动力系统(auxiliary power unit，APU)的应用时，则能提供驾驶在车辆惰转、停车，或卧铺期间的电力需求，提高燃料经济性。
目前国际车厂与相关设备制造商陆续发表氢气对于引擎性能提升与污染减量等相关应用，然而，现有应用于车辆的重组产氢设备皆为独立系统，于使用上需额外装载，且重组反应过程须自行提供热量帮助反应进行，而无法有效利用引擎产生的废热进行热能管理，进而造成能量使用效率低。此外，若重组产氢的反应为水蒸气重组法(steamreforming，SR)或自发热重组法(autothermal reforming，ATR)时，则需增加燃料水溶液的体积与重量，及考量保存与油水分离等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用引擎废热作为重组产氢反应热源的废热重组产氢装置。
本发明废热重组产氢装置，适用于安装在一车辆的一废气排放口，该废热重组产氢装置包含一个加热腔、一个反应腔，及一个导管单元。
该加热腔界定出一个包括一进气口与一出气口的加热室，该进气口与该废气排放口相连通。
该反应腔设置于该加热室内且不与该加热室相连通，包括一个界定出一个反应空间的反应腔体，及一个设置于该反应空间中的触媒单元。
该导管单元包括一条进油导管、一条进气导管，及一条产物导管，该进油导管的一端穿过该加热腔并与该反应空间相连通，另一端与一个供油单元相连接，该进气导管缠绕于该反应腔体上，且其中一端会穿过该加热腔，而其中另一端与该反应空间相连通，该产物导管的一端与该反应空间相连通，而另一端穿出该加热腔。
本发明的废热重组产氢装置，还包含至少一个穿过该加热腔并可用于加热该反应腔的该反应空间的预热器。
本发明的废热重组产氢装置，该加热室的该进气口与该出气口分别位于两相反侧，该反应腔还包括一个与该进油导管连通的进油孔、一个与该进气导管连通的进气孔，及一个与该产物导管连通的输出孔，该进油孔、该进气孔，及该输出孔皆贯穿该反应腔体而与该反应空间相连通，该进油孔与该进气孔邻近该加热腔的该进气口，该输出孔邻近该加热腔的该出气口。
本发明的废热重组产氢装置，该反应腔还包括两位于该反应空间中而分别设置于该触媒单元的相反两端的持温件，且所述持温件分别邻近该进气口及该出气口。
本发明的废热重组产氢装置，该进气导管具有一段缠绕段，及分别与该缠绕段的两端连通的进气段与输气段，该缠绕段由邻近该进气口往该出气口方向缠绕于该反应腔体上并位于该加热室，该进气段连接该缠绕段并穿过该加热腔，该输气段分别与该缠绕段及该进气孔连通。
本发明的废热重组产氢装置，该产物导管穿出该加热腔的该端是连接车辆的一引擎。
本发明的废热重组产氢装置，该车辆还包含一个废气后处理器，该产物导管穿出该加热腔的该端是连接该废气后处理器。
本发明的废热重组产氢装置，该车辆还包含一燃料电池辅助动力系统，该产物导管穿出该加热腔的该端是连接该燃料电池辅助动力系统。
本发明的废热重组产氢装置，该供油单元为供应柴油或生质燃油。
本发明的废热重组产氢装置，该车辆具有一个柴油引擎，且该供油单元即为该车辆的一个油箱。
本发明的有益效果在于：将废热重组产氢装置直接安装在车辆的废气排放口，利用引擎产生的废热作为热量来源，而与缠绕在反应腔体的进气导管中的空气进行热交换，再通过车辆自有的供油单元提供燃料，以有效利用引擎的废热进行产氢反应，还可进一步设置该预热器，以于引擎尚未起动或该触媒单元温度不足时，主动提供该触媒单元所需的热源。
附图说明
图1是一立体图，说明本发明废热重组产氢装置的一第一实施例；
图2是一局部剖面图，辅助说明图1的该第一实施例连接一车辆的一废气排放口；
图3是一局部剖面图，说明本发明废热重组产氢装置与一车辆的一废气排放口、一供油单元，及一废气后处理器的连接关系；及
图4是一局部剖面图，说明本发明废热重组产氢装置的一第二实施例。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1至图3，本发明废热重组产氢装置的一第一实施例，适用于安装在一车辆(图未示)的一废气排放口100，该废热重组产氢装置包含一个加热腔2、一个反应腔3，及一个导管单元4。
具体地说，该加热腔2界定出一包括两分别位于相反侧的一进气口211与一出气口212的加热室21。将该加热腔2安装与该废气排放口100先连接，以使该进气口211与该废气排放口100相连通。于本实施例中，该进气口211为法兰口态样，能易于安装在该车辆的一排气管101并紧密的连通该废气排放口100，使该车辆的一引擎(图未示)排放的废气所产生的废热通过该废气排放口100输入至该加热腔2的该加热室21中，再由该出气口212排出。
该反应腔3设置于该加热室21内且不与该加热室21相连通，并包括一界定出一反应空间310的反应腔体31、三个分别贯穿该反应腔体31而与该反应空间310相连通的进油孔32、进气孔33与输出孔34、一设置于该反应空间310中的触媒单元35，及两设置于该反应空间310中而分别位于该触媒单元35的相反两端并分别邻近该进气口211与该出气口212的持温件36。
其中，该进油孔32与该进气孔33邻近该加热腔2的该进气口211处，该输出孔34邻近该加热腔2的该出气口212处。也就是说，于本实施例中，该加热腔2及该反应腔3的该反应腔体31的态样是相似于该车辆的该排气管101而呈中空套管状，使该进气口211与该出气口212分别位于套管状的一轴线的两相反端，而便于安装并整合于该车辆中。要说明的是，该加热腔2及该反应腔3的形状可视实际安装位置及设计而可具有不同形状并不限于此，且该加热腔2及该反应腔3的形状也非本发明的重点，所以于此不加以赘述。该触媒单元35可包括各类涂覆如铂、钯、铑，或钌等贵金属的触媒载体，且可为颗粒状或蜂巢状，于本实施例中，是以颗粒状的触媒载体为例做说明。所述持温件36是由多孔性陶瓷材料所构成，能协助提高该触媒单元35于后续反应时的反应温度，以达到持温的效果，相关反应过程容后说明。
该导管单元4包括一进油导管41、一进气导管42，及一产物导管43。该进油导管41的一端穿过该加热腔2并连接该进油孔32而与该反应空间310相连通，而另一端与该车辆的一供油单元102相连接，使该供油单元102的油料通过该进油导管41与该进油孔32输入至该反应空间310中，其中，该供油单元102可以直接是该车辆自有的油箱或是额外安装于该车辆的外加油箱，且该供油单元102所提供的油料可为汽油、柴油，或是生质燃油。较佳地，该车辆可为具有柴油引擎的车辆。
该进气导管42具有一缠绕段421，及分别与该缠绕段421的两端连通的进气段422与输气段423。该缠绕段421由邻近该进气口211往该出气口212方向缠绕于该反应腔体31上并位于该加热室21，该进气段422连接该缠绕段421邻近该进气口211的一端并穿出该加热腔2，该输气段423的两端分别连通该缠绕段421邻近该出气口212的一端及该进气孔33，从而能将外在的一反应空气通过该进气段422导入该缠绕段421而与该加热室21内的废热进行热交换后，再通过该输气段423将其输入至该反应空间310中。于本实施例中，该进气导管42是以高导热系数的材质所制成，使在该进气导管42内流动的该反应空气能有效率地与该加热室21内的废热进行热交换。
该产物导管43的一端连接该输出孔34与该反应空间310相连通，而另一端则穿出该加热腔2，使在该反应空间310中产生的产物由该输出孔34经该产物导管43输出。
详细地说，当该车辆发动后，其引擎排放的废气及废热会经由该进气口211进入该加热腔2，此时，外在的该反应空气也被引入该进气导管42中，由于该进气导管42的该缠绕段421是以线圈方式缠绕着该反应腔体31，可增加该反应空气的传输路径并增进热交换的面积，而可利用位在该加热腔2中的废热通过热交换的方式有效的加热该缠绕段421中的该反应空气，接着，经加热的该反应空气通过该输气段423输入至该反应空间310中，于此同时，一并将该供油单元102的油料由该进油导管41输入至该反应空间310中，此时，将呈高温的该反应空气与油料于该反应空间310中混合部分气化使其达到反应温度(＞650℃)，并通过该触媒单元35进行触媒催化反应，从而产生富氢合成气体，而经由该产物导管43输出。前述通过部分气化催化产生的富氢合成气体的方式与该供油单元102供应的油料及反应空气的混合比例，决定于油料的碳莫耳数及反应空气的氧莫耳数，因此，会视使用的油料或是气体的含氧量不同而有所差异，由于此氧/碳莫耳比值的控制范围比例为本技术领域所周知，所以于此不再多加赘述。
此处要说明的是，所述持温件36的目的是用于提高该触媒单元35的反应温度并增进池温效果，然而，实际实施时，若该反应腔3的持温效果较佳时，也可不需设置所述持温件36，或是仅设置于该触媒单元35的其中一侧边即可。此外，值得一提的是，本发明废热重组产氢装置通过套管式的组装设计而紧密地安装于该排气管101上，能避免该引擎所排放的废气的压力损失，且本发明废热重组产氢装置供该废气的空间流速是大于该引擎的最大排气流量，因此，不会影响该引擎排气背压(back pressure)。
另外要特别说明的是，当发明的车辆为一般柴油引擎车辆，该供油单元102即为该车辆本身的油箱，该供油单元102所提供的油料则为柴油或含不同比例的生质燃油，而适用于压燃引擎。此外，本发明废热重组产氢装置的该产物导管43是可视需求的连接至不同装置以产生不同功效，例如可连接至该车辆的该引擎、或可连接至该车辆的一废气后处理器103，或可连接至该车辆的一燃料电池辅助动力系统(图未示)的其中至少一种。也就是说，该产物导管43也可同时分别连接至例如该引擎与该废气后处理器103，而将产出的富氢合成气体导出利用，并不限于单一位置导出。
详细地说，由于富氢合成气体中的氢气(H2)具有火焰传播速度快、可燃极限(flammability limits)范围广，及熄灭直径小的特性，而其中的一氧化碳(CO)能提高绝热火焰温度，因此，当该产物导管43是连接该车辆的该引擎，使该产物导管43输出的富氢合成气体于该引擎气缸内进行掺烧时，能提供该引擎达到超稀薄(Ultra-lean)燃烧条件，进一步地提升该引擎燃烧效率，并降低油耗与污染排放。
当该产物导管43是连接该车辆的该废气后处理器103时，该产物导管43输出的富氢合成气体能结合该废气后处理器103的再生技术，以提升排气温度，从而提高柴油碳微粒滤清器(diesel particulate filter，DPF)的再生效果，及提高选择性触媒还原(selective catalytic reduction，SCR)系统在冷起动与低温情况的氮氧化物(NOx)的转化效率，能有效控制排气污染。
当该产物导管43是连接该车辆的该燃料电池辅助动力系统(APU)时，该产物导管43输出的富氢合成气体能做为车载燃料电池辅助电力系统的反应气体。
配合参阅图4，本发明废热重组产氢装置的一第二实施例大致相同于该第一实施例，其不同处在于，该第二实施例的该废热重组产氢装置还包含至少一个预热器5(图4中以两个预热器5为例说明)。所述预热器5是穿过该加热腔2与该反应腔3，并包括一位于该反应空间310中的加热段51。其中，所述预热器5位于该反应空间310的位置并没有特别限制，只要能对该反应空间310提供热源即可。较佳地，于本实施例中，其中一该加热段51是位于该持温件36与该进油孔32间，而其中另一该加热段51则是位于所述持温件36间而与该触媒单元35直接接触。通过设置该预热器5而将其加热段51伸入该反应空间310中，可于引擎尚未起动或反应温度不足时，主动提供反应所需热源，从而提高输出富氢合成气体的流率的稳定性，并可让该废热重组产氢装置于该车辆引擎未发动的状态下，也可主动合成富氢合成气体。
综上所述，本发明废热重组产氢装置，直接安装在该车辆的该废气排放口100，以利用引擎产生的废热作为热量来源，以与进气导管42进行热交换，再配合车辆自有的供油单元102提供燃料，从而有效利用引擎的废热进行产氢反应，并能辅以所述持温件36提高该触媒单元35反应温度以增进持温效果；此外，通过让废气的空间流速大于该引擎的最大排气流量，而不会影响该引擎排气背压；还可进一步设置该预热器5于引擎尚未起动或该触媒单元35温度不足时，主动提供该触媒单元35所需的热源，所以确实能达成本发明的目的。

Claims (10)

1.一种废热重组产氢装置，适用于安装在一车辆的一废气排放口，该废热重组产氢装置包含：一个加热腔、一个反应腔，及一个导管单元；其特征在于：该加热腔界定出一个包括一进气口与一出气口的加热室，该进气口与该废气排放口相连通；该反应腔设置于该加热室内且不与该加热室相连通，包括一个界定出一个反应空间的反应腔体，及一个设置于该反应空间中的触媒单元；该导管单元包括一条进油导管、一条进气导管，及一条产物导管，该进油导管的一端穿过该加热腔并与该反应空间相连通，另一端与一个供油单元相连接，该进气导管缠绕于该反应腔体上，且其中一端会穿过该加热腔，而其中另一端与该反应空间相连通，该产物导管的一端与该反应空间相连通，而另一端穿出该加热腔。
2.根据权利要求1所述的废热重组产氢装置，其特征在于：还包含至少一个穿过该加热腔并可用于加热该反应腔的该反应空间的预热器。
3.根据权利要求1所述的废热重组产氢装置，其特征在于：该加热室的该进气口与该出气口分别位于两相反侧，该反应腔还包括一个与该进油导管连通的进油孔、一个与该进气导管连通的进气孔，及一个与该产物导管连通的输出孔，该进油孔、该进气孔，及该输出孔皆贯穿该反应腔体而与该反应空间相连通，该进油孔与该进气孔邻近该加热腔的该进气口，该输出孔邻近该加热腔的该出气口。
4.根据权利要求1所述的废热重组产氢装置，其特征在于：该反应腔还包括两位于该反应空间中而分别设置于该触媒单元的相反两端的持温件，且所述持温件分别邻近该进气口及该出气口。
5.根据权利要求3所述的废热重组产氢装置，其特征在于：该进气导管具有一段缠绕段，及分别与该缠绕段的两端连通的进气段与输气段，该缠绕段由邻近该进气口往该出气口方向缠绕于该反应腔体上并位于该加热室，该进气段连接该缠绕段并穿过该加热腔，该输气段分别与该缠绕段及该进气孔连通。
6.根据权利要求3所述的废热重组产氢装置，其特征在于：该产物导管穿出该加热腔的该端是连接车辆的一引擎。
7.根据权利要求3所述的废热重组产氢装置，其特征在于：该车辆还包含一个废气后处理器，该产物导管穿出该加热腔的该端是连接该废气后处理器。
8.根据权利要求3所述的废热重组产氢装置，其特征在于：该车辆还包含一燃料电池辅助动力系统，该产物导管穿出该加热腔的该端是连接该燃料电池辅助动力系统。
9.根据权利要求1所述的废热重组产氢装置，其特征在于：该供油单元为供应柴油或生质燃油。
10.根据权利要求1所述的废热重组产氢装置，其特征在于：该车辆具有一个柴油引擎，且该供油单元即为该车辆的一个油箱。
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