CN110606466A - 一种汽车余热制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车余热制氢装置，包括用管道依次进行连接的甲醇罐、反应室、洗气瓶以及储氢瓶，在反应室的出入口和储氢瓶的出入口还接有电磁阀，储氢瓶的出口罐路与进气总管相通。在传统微氢技术的背景下充分利用了发动机余热的能量，并且原材料为有毒并且廉价的甲醇，反应产物得到了充分的利用，避免了能源浪费的现象。本发明不仅可以很好的满足氢气助燃要求，相对于传统的电解水制氢装置微氢喷射装置，还在一定程度上节省了电池和电解池的所占体积，套筒状反应室的使用进一步节省了空间的占比，使得该装置在中小型车上的使用变成了可能。
Description
技术领域：
本发明涉及一种汽车余热制氢装置，其属于汽车技术领域。
背景技术：
1.甲醇水蒸气制氢:
甲醇制氢主要有甲醇分解制氢和甲醇水蒸气重整制氢两种工艺。
甲醇分解制氢即甲醇在一定温度、压力和催化剂作用下发生裂解反应生成H2和CO。采用该工艺制氢，单位质量甲醇的理论H2收率为12.5％(质量分数)，产物中CO含量较高，约占三分之一，后续分离装置复杂，投资高。
甲醇水蒸气重整制氢即甲醇和水在一定温度、压力和催化剂作用下转化生成H2、CO2及少量CO和CH4的混合气体。甲醇水蒸气重整制氢具有反应温度低，产物中H2含量高、CO含量较甲醇分解制氢法低(体积分数小于2％)等优点。采用该工艺单位质量甲醇的理论H2收率为18.8％(质量分数)，即甲醇水蒸气重整制氢产氢量高于甲醇直接分解制氢，且产物中CO含量低，分离简单。因此目前开发的甲醇制氢技术主要采用甲醇水蒸气重整制氢工艺。
甲醇水蒸气重整制氢工艺流程:甲醇和脱盐水按一定比例混合经换热器预热后送入汽化塔，汽化后的甲醇-水蒸气经过热器过热后进入列管反应器中，甲醇与水蒸气在温度(200～300)℃(温度由导热油炉系统提供)、压力(1～2)MPa和催化剂作用下进行重整反应生成H2、CO2及少量CO的混合气体。混合气经换热、冷却后进入水洗吸收塔，塔釜收集未转化的甲醇和水循环利用，塔顶气送变压吸附装置提纯。根据对产品气纯度和杂质的要求，变压吸附采用四塔或四塔以上流程，H2度可以达到99.9％～99.999％。
2.车载制氢方法分析
传统的制氢工艺主要有天然气制氢、煤制氢及电解水制氢等。煤制氢和天然气制氢具有技术成熟、成本低等优点，但煤制氢通常投资较高，只适合大规模制氢；天然气制氢虽然适合各种规模的制氢装置，但天然气作为重要的清洁能源，在作为化工原料方面的应用受到严格限制；而电解水制氢耗电量大导致成本较高，仅适合小规模应用。与煤和天然气相比，甲醇产能过剩，原料资源丰富，甲醇更容易储存和运输，因而甲醇重整制氢工艺在近几年得到迅速推广。随着甲醇制氢工艺和催化剂的不断改进，甲醇重整制氢规模也不断扩大，制氢成本不断降低，成为炼油厂等中等规模制氢装置的首选。由于车辆受自身体积较小，温度压力不够高等因素影响，且甲醇水蒸气制氢的副产物易于处理，我们最终选定在汽车上使用甲醇水蒸气制氢方法。甲醇制氢后燃烧热能更多，相当于利用了尾气中的废热。
3.掺氢混合发动机的优势
氢气点火能量仅为汽油的1/10，所以在相同的发动机工作状态下汽油-氢气所组成的混合气较纯汽油更易被点燃。同时，进气混氢有利于促进发动机缸内的OH生成速率。而增加缸内OH的数量对于减少发动机火焰发展期，提高火焰传播速度有明显的作用。因此，发动机的火焰发展期与火焰发展期的循环变动均随着混氢分数的增加而减小。相关研究表明，发动机燃烧的循环变动主要发生在最初0-10％燃料燃烧阶段。所以减少发动机火焰发展期的循环变动有利于提高发动机的怠速稳定性。氢气的火焰速度较汽油更高，所以混氢后发动机缸内火焰的传播速度较原机明显增加。同时，氢气较高的扩散速度也有利于提高缸内混合气的均匀程度，从而改善燃料的燃烧过程，进而缩短发动机火焰快速发展期并减少其循环变动。
氢气的体积比能量密度较低而理论空燃比较高，从而使得相同过量空气系数条件下进入发动机缸内的燃料能量流量随混氢分数的增加而减少。同时，混氢后缸内燃料燃烧速度加快，原机ECU为将发动机转速控制在目标怠速附近减小了怠速旁通阀的开度，从而使得进入发动机缸内的空气流量下降。在理论当量比条件下，随着空气流量的减少，发动机的供氢量和油量也随之下降，从而使得进入发动机缸内的燃料能量流量进一步减少。但氢气较低的点火能量与较高的火焰传播速度使得缸内燃料的燃烧效率有所提高。混氢后发动机缸内火焰传播速度较原机明显增加，燃料燃烧持续期缩短。而减少发动机燃烧持续期有利于提高发动机运行时的稳定性。同时，混氢后发动机火焰发展期的循环变动也较原机更小，这说明氢气-汽油-空气所组成的混合气在燃烧初期的火焰稳定性得到提高，而提高火焰初始阶段燃烧的稳定程度对于减少整个燃烧过程的循环变动也有很大帮助。
由于氢气的淬熄距离短，所以随着混氢分数的提高，缸内火焰传播能够更加接近缸壁，从而减少由于罅隙效应所造成的HC排放。同时，氢气较高的火焰传播速度也有利于提高燃料的燃烧效率，从而使得HC排放较原机有所下降。而当混氢比过高时，发动机ECU会较少怠速旁通阀开度以维持目标怠速。而减少进入发动机的空气流量会使得缸内的残余废气有所增加，从而导致在混氢分数过高时HC排放又开始有所升高。由于混氢改善了缸内燃料的燃烧过程，从而使得CO排放在混氢分数较小时也得到一定改善。但在混氢分数过高时，由于进气流量减少使得理论当量比条件下进入发动机的燃料能量流量减少，从而使发动机缸内温度下降，这降低了CO被转化成CO2的效率。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种汽车余热制氢装置。
本发明所采用的技术方案有：一种汽车余热制氢装置，包括用管道依次进行连接的甲醇罐、反应室、洗气瓶以及储氢瓶，在反应室的出入口和储氢瓶的出入口还接有电磁阀，储氢瓶的出口罐路与进气总管相通。
进一步地，所述甲醇罐用于容纳反应所需的甲醇与水混合溶液，并经由电磁阀控制进入反应室的量。
进一步地，所述反应室的入口处设有用于控制进入反应室的反应原料的电磁阀。
进一步地，所述反应室的出口处设有用于控制排出反应室的反应产物的电磁阀。
进一步地，所述洗气瓶图用于容纳盐溶液，吸收反应副产物并且吸收水蒸气与甲醇蒸气，洗气瓶后设有控制通入储氢罐的氢气量的电磁阀。
进一步地，所述储氢罐用于储存产生的氢气。
进一步地，所述储氢罐入口管路处设有用于控制进入储氢罐的氢气量的电磁阀。
进一步地，所述储氢罐初口管路处设有用于控制进入发动机的氢气量的电磁阀。
本发明具有如下有益效果：在传统微氢技术的背景下充分利用了发动机余热的能量，并且原材料为有毒并且廉价的甲醇，反应产物得到了充分的利用，避免了能源浪费的现象。本发明不仅可以很好的满足氢气助燃要求，相对于传统的电解水制氢装置微氢喷射装置，还在一定程度上节省了电池和电解池的所占体积，套筒状反应室的使用进一步节省了空间的占比，使得该装置在中小型车上的使用变成了可能。
附图说明：
图1为汽车余热制氢装置的结构图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明汽车余热制氢装置包括用管道依次进行连接的甲醇罐1、反应室2、洗气瓶3以及储氢瓶4，在反应室2的出入口和储氢瓶4的出入口还接有电磁阀5。储氢瓶4的出口罐路与进气总管相通。
甲醇罐1中存有按反应所需比例的甲醇和水混合溶液。甲醇罐1中有泵体，根据反应需要将溶液泵入反应室2中，反应室2内壁含有反应所需的催化剂，反应室2由铜制成，尽可能减少接触热阻，与反应室2相连的电磁阀控制反应速率控制通入反应室的甲醇溶液体积以及将产物通到洗气瓶3中，洗气瓶3将副产物CO2除去，水蒸气以及挥发的甲醇蒸汽冷凝到洗气瓶3中。因而洗气瓶3需定期处理，储氢瓶4中存有反应产物H2和CO，两者均可以燃烧，由于是气态产物，有助于降低火花塞点火能量，以及燃烧时火焰的传播。储氢瓶4中通过出入口的电磁阀开闭，使发动机在720°曲轴转角内均匀地把氢气通入进气总管，所以，控制方法是在排气管温度稳定之后，氢气的产量也较为稳定，向进气总管均匀地通入氢气，由于发动机有氧传感器，可根据燃烧后氧气的含量控制喷油量，所以控制氢气作为燃料的量，可在一定程度上降低油耗。
下面通过一个具体实施方式来说明本发明汽车余热制氢装置。
以甲醇与水重整制氢方法取代传统微氢技术的电解水装置。先将甲醇与水按一定比例(水醇物质的量比为1.2)搅拌均匀后储存在甲醇罐中，通过单级电磁阀控制甲醇与水的流量以配合发动机的工况。在发动机工作运转时，电磁阀打开，甲醇与水通过长导管缓慢流入反应室。反应室设计为套筒状，套在高温尾气管上，反应室采用导热良好的金属制作，使得反应室温度处于200-300℃之间(针对不同汽车不同形状和不同半径的尾气管，可适当通过调整反应室的形状或轴向尺寸以保证反应室容积)。在反应室内采用铜基催化剂(CO2/Al2O3/ZnO组成)。铜基催化剂对于甲醇的转化率接近于100％，但对CO的选择性较高，而CO是很多加氢催化剂和燃料电池电极材料的毒物，CO含量高不利于后续H2的分离及应用，因此在一般的制氢装置中很难实现产物的充分利用。但在本发明中，考虑到CO的可燃性，通过微氢喷射装置可直接将其通入发动机燃烧室内燃烧。由于催化剂的数量和反应室的温度处于相对稳定的状态，因此甲醇重整制氢反应的速度不可控，无法直接通过控制反应速度达到控制微氢喷射量。本发明中，通过在洗气瓶后加入储氢瓶装置，保留一定程度上的氢气储备，再由储氢瓶两端单级电磁阀控制氢气的进出量来调节气压，由此来适应发动机的不同工况下对氢气的不同要求，以提高能源的利用效益。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种汽车余热制氢装置，其特征在于：包括用管道依次进行连接的甲醇罐(1)、反应室(2)、洗气瓶(3)以及储氢瓶(4)，在反应室(2)的出入口和储氢瓶(4)的出入口还接有电磁阀(5)，储氢瓶(4)的出口罐路与进气总管相通。
2.如权利要求1所述的汽车余热制氢装置，其特征在于：所述甲醇罐(1)用于容纳反应所需的甲醇与水混合溶液，并经由电磁阀控制进入反应室(2)的量。
3.如权利要求2所述的汽车余热制氢装置，其特征在于：所述反应室(2)的入口处设有用于控制进入反应室的反应原料的电磁阀。
4.如权利要求3所述的汽车余热制氢装置，其特征在于：所述反应室(2)的出口处设有用于控制排出反应室的反应产物的电磁阀。
5.如权利要求4所述的汽车余热制氢装置，其特征在于：所述洗气瓶(3)用于容纳盐溶液，吸收反应副产物并且吸收水蒸气与甲醇蒸气，洗气瓶后设有控制通入储氢罐的氢气量的电磁阀。
6.如权利要求5所述的汽车余热制氢装置，其特征在于：所述储氢罐用于储存产生的氢气。
7.如权利要求6所述的汽车余热制氢装置，其特征在于：所述储氢罐入口管路处设有用于控制进入储氢罐的氢气量的电磁阀。
8.如权利要求7所述的汽车余热制氢装置，其特征在于：所述储氢罐初口管路处设有用于控制进入发动机的氢气量的电磁阀。
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