CN112582644A - 一种醇氢燃料动力系统及发电装置 - Google Patents

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Abstract

为克服现有的甲醇作为发动机燃料存在冷启动困难问题，本发明提供了一种醇氢燃料动力系统，包括醇储罐、电辅助模块和发动机，所述醇储罐分别连通至所述电辅助模块和所述发动机的燃料进料口，所述电辅助模块用于混合醇和水形成醇溶液并产生起引燃作用的氢气，所述电辅助模块引出有氢气流道，所述氢气流道连通至所述发动机的燃料进料口。同时，本发明还公开了包括上述醇氢燃料动力系统的一种发电装置。本发明提供的醇氢燃料动力系统采用单一的醇燃料即可实现整个动力过程，系统耗能较低、甲醇以及甲醛等排放物少。

Description

一种醇氢燃料动力系统及发电装置
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种醇氢燃料动力系统及发电装置。
背景技术
内燃机技术面临着燃料来源短缺和排放物污染环境这两大问题。甲醇来源广泛，不仅能够从天然气、煤、石油等传统燃料制备，还可以利用可再生能源生产，如利用太阳能将二氧化碳和水转化为甲醇，又如利用生物质能合成甲醇，因此甲醇的生产成本、生产清洁性具有极大的优势。甲醇在燃烧过程中，主要产物只有水和二氧化碳，不完全燃烧的产物也仅是极少量的甲醇、甲醛和一氧化碳，从本质上杜绝了对环境危害极大的硫、氮等化合物的排放。
因此甲醇由于其来源广泛、成本易控制以及在发动机上燃烧产生的低排污特性，受到了人们的普遍关注。用甲醇替代汽油在内燃机中燃烧作为动力来源，能够提升能源安全、降低燃料成本，一定程度上解决内燃机技术面临的两大问题。
甲醇在汽油机里燃烧时普遍存在冷启动问题。甲醇汽化潜热(1109kJ/kg)远大于汽油的汽化潜热(310kJ/kg)，同样质量的甲醇汽化所需热量是汽油的3倍以上。甲醇的闪点是12.2摄氏度，汽油的闪点是-50至20摄氏度，当环境温度较低时，甲醇发动机的冷启动十分困难。目前的纯甲醇燃料车(M100)冷启动解决方案通常是双燃料方案，例如吉利汽车推广的纯甲醇汽车，在低温时汽油燃烧启动发动机，然后切换为甲醇进料。但这样的方案中需要设置一个较小的汽油储罐，并且排放物中依然含有汽油的排放物，无法起到甲醇完全替代汽油的意图，同时对汽油存在一定的依赖，无法实现对汽油的完全替代。
中国专利CN104612861B公开了一种由甲醇及甲醇裂解气作为燃料的全代燃发动机装置。使用高效热超导技术，把内燃机发动机机体及热废气散发的辐射热能、及内燃发动机排出的废气热能引导到醇氢裂解气装置内，把甲醇完全裂解成富氢气体，并与甲醇按照比例混合燃烧。
中国专利CN10335277B公开了一种氢能发动机系统，用甲醇裂解制出富氢气体作燃料的低碳发动机系统。该装置在醇水储罐中设置有功率为1～2kW的电加热器，甲醇进入裂解器后，在180～500℃发生催化重整得到富氢气体。
综上两例，均采用高温催化的方式生产氢气。如果使用尾气余热，存在反应控制难度较大等问题；系统结构复杂也会带来一系列控制和使用过程中的难题；此外甲醇内燃机的尾气中含有没有燃烧完全的甲醇以及在燃烧过程中产生的甲醛等物质，如果减少这类物质的排放也是甲醇内燃机在应用中面临的挑战。
发明内容
针对现有的甲醇作为发动机燃料存在冷启动困难和甲醇内燃机尾气中含有甲醇及甲醛的问题，本发明提供了一种醇氢燃料动力系统及发电装置。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种醇氢燃料动力系统，包括醇储罐、电辅助模块和发动机，所述醇储罐分别连通至所述电辅助模块和所述发动机的燃料进料口，所述电辅助模块用于混合醇和水混合形成醇溶液并产生起引燃作用的氢气，所述电辅助模块引出有氢气流道，所述氢气流道连通至所述发动机的燃料进料口。
可选的，所述醇储罐为甲醇储罐。
可选的，所述电辅助模块包括电辅助原料储罐和电处理单元，所述醇储罐连接所述电辅助原料储罐，所述电辅助原料储罐连接有进水流道，所述电辅助原料储罐用于混合醇和水以形成醇溶液，所述电辅助原料储罐的醇溶液导至所述电处理单元，所述电处理单元用于对所述醇溶液进行加工处理，所述电处理单元设置有二氧化碳排出口和所述氢气流道。
可选的，所述电处理单元选自甲醇重整催化剂电热器，所述甲醇重整催化剂电热器中包括电热丝，所述电热丝上涂覆有甲醇水蒸汽重整催化剂。
可选的，所述电处理单元选自电解槽，在所述电辅助原料储罐中，维持所述醇溶液中醇与水的体积比为18～22:1。
可选的，所述电辅助原料储罐和所述电处理单元之间通过设置电辅助原料流道相互连接。
可选的，所述电辅助模块还包括有电源，所述电源电连接所述电处理单元。
可选的，所述发动机的废气管连通所述进水流道，所述进水流道用于从所述废气管中收集废气中产生的水分，所述废气管为多段管道可拆卸连接构成，在其可拆卸部位中设置有旋流器，所述旋流器用于强化水分和气体的冷凝分离。
可选的，所述发动机的废气管连通所述进水流道，所述进水流道用于从所述废气管中收集废气中产生的水分，所述废气管中设置有Nafion膜，所述Nafion膜用于强化水分和气体的分离。
可选的，所述醇储罐设有第一醇流道和第二醇流道，所述第一醇流道连通至所述电辅助原料储罐，所述第二醇流道连通至所述发动机的燃料进料口。
可选的，所述氢气流道包括有第一气体流道、压力平衡罐和第二气体流道，所述第一气体流道的一端连接所述电辅助模块，所述第一气体流道的另一端连接所述压力平衡罐，所述第二气体流道的一端连接所述压力平衡罐，所述第二气体流道的另一端连通所述发动机的燃料进料口。
可选的，所述醇氢燃料动力系统还包括有控制单元，所述第二气体流道上设置有第一流量控制机构，所述第二醇流道上设置有第二流量控制机构，所述第一醇流道上设置有第三流量控制机构，所述进水流道上设置有第四流量控制机构，所述控制单元用于控制所述第一流量控制机构、所述第二流量控制机构、所述第三流量控制机构和所述第四流量控制机构。
另一方面，本发明提供了一种发电装置，包括如上所述的醇氢燃料动力系统。
根据本发明提供的醇氢燃料动力系统，所述醇储罐中储存的醇分别导入到电辅助模块中和作为发动机的部分燃料，在所述电辅助模块中，将醇和水混合形成醇溶液，再通过电处理醇溶液的方式制备得到氢气，电处理得到的氢气再与醇混合后进入发动机中燃烧做功，解决醇类物质冷启动困难的问题，采用单一的醇燃料即可实现整个动力过程，不需要额外添加其他辅助燃料，另一方面，本醇氢燃料动力系统中采用电处理的方式替代现有的加热催化裂解的方式制备氢气，无需设置裂解催化剂和尾气换热等设备，由于电处理醇类物质所需的电压较低，消耗的能量比电解水要低，能够降低系统冷启动的耗能。此外，由于对发动机排放的废气进行了水回收，能够把部分排放物中溶于水的甲醇、甲醛等物质回收至电辅助原料储罐中，降低污染物排放。
附图说明
图1是本发明提供的醇氢燃料动力系统的系统示意图。
说明书附图中的附图标记如下：
1、醇储罐；2、电辅助模块；21、电辅助原料储罐；22、电处理单元；221、二氧化碳流道；23、电源；3、发动机；4、第一醇流道；5、第二醇流道；6、氢气流道；61、第一气体流道；62、压力平衡罐；63、第二气体流道；7、废气管；8、进水流道；9、电辅助原料流道。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“流道”应做广义理解，例如，所述“流道”可以指代独立的管道，也可以指代两个相邻结构之间的连接接头，还可以指代内置于元件内部的连通孔。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。所述“流道”用于气体或液体的导通流动，在本发明中，所述“流道”可依靠两端的压力差实现流动，在一些实施例中，如所述“流道”两端的压力差不满足流动需求，也可通过设置加压泵的形式进行加压。
本发明实施例提供了一种醇氢燃料动力系统，包括醇储罐1、电辅助模块2和发动机3，所述醇储罐1分别连通至所述电辅助模块2和所述发动机3的燃料进料口，所述电辅助模块2用于混合醇和水混合形成醇溶液并产生起引燃作用的氢气，所述电辅助模块2引出有氢气流道6，所述氢气流道6连通至所述发动机3的燃料进料口。
所述醇储罐1中储存的醇分别导入到电辅助模块2中和作为发动机3的部分燃料，在所述电辅助模块2中，将醇和水混合形成醇溶液，再通过电处理醇溶液的方式制备得到氢气，电加工处理得到的氢气再与醇混合后进入发动机3中燃烧做功，解决醇类物质在发动机内冷启动困难的问题，采用单一的醇燃料即可实现整个动力过程，不需要额外添加其他辅助燃料，另一方面，本醇氢燃料动力系统中采用电处理的方式替代现有的加热催化裂解的方式制备氢气，无需设置裂解催化剂和尾气换热等设备，由于电处理醇类物质所需的电压较低，消耗的能量比电解水和加热催化裂解要低，能够降低系统冷启动的耗能。此外，由于对发动机排放的废气进行了水回收，能够把部分排放物中溶于水的甲醇、甲醛等物质回收至电辅助原料储罐中，降低污染物排放。
在一实施例中，所述醇储罐1为甲醇储罐。
在一实施例中，所述电辅助模块2包括电辅助原料储罐21和电处理单元22，所述醇储罐1连接所述电辅助原料储罐21，所述电辅助原料储罐21连接有进水流道8，所述电辅助原料储罐21用于混合醇和水以形成醇溶液，所述电辅助原料储罐21的醇溶液导至所述电处理单元22，所述电处理单元22用于对所述醇溶液进行电加工处理以产生氢气，所述电处理单元22设置有二氧化碳排出口和所述氢气流道6。
所述电辅助原料储罐21起到对醇溶液的物料配比调控和持续稳定供应醇溶液的作用，能够持续为所述电处理单元22提供待电加工处理的醇溶液。
在不同的实施例中，所述电处理单元22可选自甲醇重整催化剂电热器或电解槽。
在一实施例中，所述电处理单元22选自甲醇重整催化剂电热器，所述甲醇重整催化剂电热器中包括电热丝，所述电热丝上涂覆有甲醇水蒸汽重整催化剂，通过所述电热丝上的甲醇水蒸汽重整催化剂在电加热下发生催化反应，从而产生氢气。
所述电热丝为螺旋状，所述甲醇水蒸汽重整催化剂在所述电热丝上的涂敷处理过程为：将电热丝在催化剂浆体中反复浸渍后形成催化剂涂层。
在一实施例中，所述电处理单元22选自电解槽。
甲醇溶液电解的原理如下：
阳极：CH3OH+H2O→6H++CO2+6e-
阴极：6H++6e-→3H2
总反应：CH3OH+H2O→3H2+CO2
电解甲醇的标准电位是0.02V，远低于电解水的理论电压1.23V，因此电解甲醇水溶液，理论上，会消耗较少的能量，电解产物为氢气(阴极)和二氧化碳(阳极)，对人体和环境无污染。
在本实施例中，在所述电辅助原料储罐21中，维持所述醇溶液中醇与水的体积比为18～22:1。优选所述醇溶液中醇与水的体积比为19.24:1。若所述醇溶液中醇的含量占比过大，则所述醇溶液的离子电导率较低，电解效率较低；若所述醇溶液中醇的含量占比过小，则电解的电压较高，耗能较大，同时也不利于电解效率的提高。
在其他实施例中，所述电处理单元22可选自现有各类电解设备，在优选的实施例中，所述电处理单元22中设置有聚合物电解质膜Nafion。
在一实施例中，所述电处理单元22设置有用于排出二氧化碳的二氧化碳流道221。
在一实施例中，所述电辅助原料储罐21中的醇和水的质量比限制可通过控制所述电辅助原料储罐21中的醇进料量和水进料量实现，具体的，可在醇的进料位置和进水流道8设置流量计量和控制装置，通过控制器进行精准控制，进而保证所述醇溶液中醇的浓度处于可控范围。
需要说明的是，以上电辅助原料储罐21和电处理单元22仅是本发明的一些优选实施方式，在其他实施例，所述电辅助模块2也可以是一整体结构，即醇和水的混合操作以及电处理加工操作在同一装置中进行，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在一实施例中，所述电辅助原料储罐21和所述电处理单元22之间通过设置电辅助原料流道9相互连接。
在一实施例中，所述电辅助模块2还包括有电源23，所述电源23电连接所述电处理单元22。
所述电源23选自直流电源，用于提供所述电处理单元22中电化学反应所需的电压，在本实施例中，所述电源23为车辆上的蓄电池，在其他实施例中，所述电源23也可以选择为其他电源结构，如混合动力车的电瓶、太阳能发电系统等。
在一实施例中，所述发动机3的废气管7连通所述进水流道8，所述进水流道8用于从所述废气管7中收集废气冷凝产生的冷凝水，所述进水流道8用于从所述废气管7中收集废气中分离的水分，所述废气管7为多段管道可拆卸连接构成，在其可拆卸部位中设置有旋流器，用于强化水分和气体的冷凝分离，所述旋流器为常见的气液分离旋流器。
在一实施例中，所述发动机3的废气管7连通所述进水流道8，所述进水流道8用于从所述废气管7中收集废气冷凝产生的冷凝水，所述进水流道8用于从所述废气管7中收集废气中产生的水分，所述废气管7中设置有Nafion膜，所述Nafion膜用于强化水分和气体的分离。
甲醇(CH3OH)和水(H2O)都是含有氢原子的化合物，从物质守恒的角度均可被视为氢载体。理论上，1mol甲醇分子和1mol水分子完全反应时氢原子会以氢气的形式释放出来，生成3mol氢气分子。氢气和甲醇在燃烧的过程中会被重新氧化生成水，因此以甲醇和水溶液为原料的过程中，增设回收水的步骤具有环保性、经济性的意义，实现资源回收利用的同时，还能够减低尾气中排放的甲醇及甲醛等物质。同时，通过从所述废气管7中收集冷凝水，能够进一步简化系统，不需要额外设置提供水分的水箱或其他供水设备，另一方面，从所述废气管7中回收的冷凝水中含有尾气中的甲醇、甲醛等物质，回收尾气中少量的甲醇、甲醛等物质时，甲醇水溶液的电加工处理性能不会受到影响，并且进一步提高了原子经济性。
在一实施例中，通过自然冷却的方式使所述废气管7中的水蒸气冷凝，再由所述进水流道8进行收集；在另一实施例中，所述废气管7上设置有冷凝器，通过换热的形式促进所述废气管7中的水蒸气冷凝，再由所述进水流道8进行收集。
在一实施例中，所述醇储罐1设有第一醇流道4和第二醇流道5，所述第一醇流道4连通至所述电辅助原料储罐21，所述第二醇流道5连通至所述发动机3的燃料进料口。
在一实施例中，所述氢气流道6包括有第一气体流道61、压力平衡罐62和第二气体流道63，所述第一气体流道61的一端连接所述电辅助模块2，所述第一气体流道61的另一端连接所述压力平衡罐62，所述第二气体流道63的一端连接所述压力平衡罐62，所述第二气体流道63的另一端连通所述发动机3的燃料进料口。
所述压力平衡罐62用于临时储存氢气，在发动机3处于非启动工况下，可通过所述电辅助模块2预先电处理并通过所述压力平衡罐62预先储存部分氢气，保证所述发动机3的氢气供应的稳定性。
在一实施例中，所述醇氢燃料动力系统还包括有控制单元，所述第二气体流道63上设置有第一流量控制机构，所述第二醇流道5上设置有第二流量控制机构，所述第一醇流道4上设置有第三流量控制机构，所述进水流道8上设置有第四流量控制机构，所述控制单元用于控制所述第一流量控制机构、所述第二流量控制机构、所述第三流量控制机构和所述第四流量控制机构。
通过所述第一流量控制机构和所述第二流量控制机构以控制醇和氢气的混合配比，在优选实施例中，所述醇和氢气的通入体积比例为94～100：0～6。
需要说明的是，此时醇是以汽化方式进入所述发动机3中，由于采用醇为燃料主要存在冷启动困难的问题，故氢气的通入主要在于冷启动阶段，在后续持续运行阶段可不通入氢气。
通过所述第三流量控制机构和所述第四流量控制机构以控制所述电辅助原料储罐21中的醇和水进料比例，以使其维持最佳浓度比例。在一实施例中，所述第一流量控制机构、所述第二流量控制机构、所述第三流量控制机构和所述第四流量控制机构选自带有计量作用的电控阀门。
对应上述的醇氢燃料动力系统，本发明的另一实施例提供了一种醇氢燃料供料方法，包括以下操作步骤：
将醇储罐1中的部分醇引出与水混合形成醇溶液；
对醇溶液进行电加工处理制备得到氢气；
将氢气与醇储罐1引出的醇混合作为混合燃料导入至发动机3的燃料进料口进行点燃做功。
在一实施例中，收集发动机3尾气中的冷凝水用作醇溶液中的水，从而避免额外设置供水装置，简化设备，实现资源循环，同时降低了排放物中的甲醇和甲醛，减少了对环境的污染。
以下基于本实施例提供的醇氢燃料供料方法对上述的醇氢燃料动力系统的工作流程进行进一步的说明：
将从所述醇储罐1中抽出的甲醇经由所述第一醇流道4输送至所述电辅助原料储罐21中，所述电辅助原料储罐21中预先储存有部分水，所述电辅助原料储罐21中的水与甲醇混合后得到甲醇溶液，将所述电辅助原料储罐21中的甲醇溶液抽出输送至所述电处理单元22，启动所述电源23为所述电处理单元22供电，电解甲醇溶液的过程中，所述电处理单元22阳极产生的二氧化碳经由所述二氧化碳流道221排出，阴极产生的氢气经由所述第一气体流道61输送至所述压力平衡罐62储存，将所述压力平衡罐62的氢气经由所述第二气体流道63抽出，将所述醇储罐1的甲醇经由所述第二醇流道5抽出，将氢气和甲醇混合后导入所述发动机3的燃料进料口，进行燃烧做功，本系统主要针对冷启动问题，因此主要是在发动机3启停时，储罐中的氢气才会起到作用。因此电处理单元22并不一定是连续运转，而是在压力平衡罐62中的氢气量低于罐容量一半以上时才会运转。发动机3产生的尾气经由所述废气管7排出，通过所述进水流道8收集所述废气管7中的冷凝水并回流至所述电辅助原料储罐21重复利用。
本发明的另一实施例提供了一种发电装置，包括如上所述的醇氢燃料动力系统。
在一实施例中，所述发电装置用于10kW功率输出的5G基站供电。其具体运行方式为，采用4个并行的3kW输出上述并行醇氢燃料动力系统，连接一缓冲电池。工作时，动力系统带动电机，向缓冲电池充电并稳压输出。如负载所需较小，则4个并行的醇氢燃料动力系统切换为三开一备状态。这样的设计能够灵活调节功率输出，满足波动的5G用电需要。
在另一实施例中，所述发电装置用于电池车的增程器。其具体运行方式为，采用醇氢燃料动力系统带动发电机发电，发电机接入电动汽车的电池中并稳压输出。无论车辆在运行状态或者是非运行状态，所述发电装置均能为电动汽车的电池充电，能够增加电动车的续航里程。此外，基于所述发电装置，由于其能够通过液体为原料进行发电，持续地为电动车充电，电动车可以减少使用电池容量，从而降低汽车携带电池的重量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种醇氢燃料动力系统，其特征在于，包括醇储罐、电辅助模块和发动机，所述醇储罐分别连通至所述电辅助模块和所述发动机的燃料进料口，所述电辅助模块用于混合醇和水形成醇溶液并产生起引燃作用的氢气，所述电辅助模块引出有氢气流道，所述氢气流道连通至所述发动机的燃料进料口。
2.根据权利要求1所述的醇氢燃料动力系统，其特征在于，所述醇储罐为甲醇储罐。
3.根据权利要求1所述的醇氢燃料动力系统，其特征在于，所述电辅助模块包括电辅助原料储罐和电处理单元，所述醇储罐连接所述电辅助原料储罐，所述电辅助原料储罐连接有进水流道，所述电辅助原料储罐用于混合醇和水以形成醇溶液，所述电辅助原料储罐的醇溶液导至所述电处理单元，所述电处理单元用于对所述醇溶液进行加工处理以生成氢气，所述电处理单元设置有二氧化碳排出口和所述氢气流道。
4.根据权利要求3所述的醇氢燃料动力系统，其特征在于，所述电处理单元选自甲醇重整催化剂电热器，所述甲醇重整催化剂电热器中包括电热丝，所述电热丝上涂覆有甲醇水蒸汽重整催化剂。
5.根据权利要求3所述的醇氢燃料动力系统，其特征在于，所述电处理单元选自电解槽，在所述电辅助原料储罐中，维持所述醇溶液中醇与水的体积比为18～22:1。
6.根据权利要求3所述的醇氢燃料动力系统，其特征在于，所述电辅助原料储罐和所述电处理单元之间通过设置电辅助原料流道相互连接。
7.根据权利要求3所述的醇氢燃料动力系统，其特征在于，所述电辅助模块还包括有电源，所述电源电连接所述电处理单元。
8.根据权利要求3所述的醇氢燃料动力系统，其特征在于，所述发动机的废气管连通所述进水流道，所述进水流道用于从所述废气管中收集废气中产生的水分，所述废气管为多段管道可拆卸连接构成，在其可拆卸部位中设置有旋流器，所述旋流器用于强化水分和气体的冷凝分离。
9.根据权利要求3所述的醇氢燃料动力系统，其特征在于，所述发动机的废气管连通所述进水流道，所述进水流道用于从所述废气管中收集废气中产生的水分，所述废气管中设置有Nafion膜，所述Nafion膜用于强化水分和气体的分离。
10.根据权利要求3所述的醇氢燃料动力系统，其特征在于，所述醇储罐设有第一醇流道和第二醇流道，所述第一醇流道连通至所述电辅助原料储罐，所述第二醇流道连通至所述发动机的燃料进料口。
11.根据权利要求10所述的醇氢燃料动力系统，其特征在于，所述氢气流道包括有第一气体流道、压力平衡罐和第二气体流道，所述第一气体流道的一端连接所述电辅助模块，所述第一气体流道的另一端连接所述压力平衡罐，所述第二气体流道的一端连接所述压力平衡罐，所述第二气体流道的另一端连通所述发动机的燃料进料口。
12.根据权利要求11所述的醇氢燃料动力系统，其特征在于，所述醇氢燃料动力系统还包括有控制单元，所述第二气体流道上设置有第一流量控制机构，所述第二醇流道上设置有第二流量控制机构，所述第一醇流道上设置有第三流量控制机构，所述进水流道上设置有第四流量控制机构，所述控制单元用于控制所述第一流量控制机构、所述第二流量控制机构、所述第三流量控制机构和所述第四流量控制机构。
13.一种发电装置，其特征在于，包括如权利要求1～12任意一项所述的醇氢燃料动力系统。
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