CN114483386A - 基于低温等离子体的燃料重整动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统，包括等离子重整器、发动机、发电机、燃料电池和蓄电池，其中发动机的第一输入端与等离子重整器的输出端连接，发动机的第一输出端与等离子重整器的第一输入端连接，发动机的第二输出端与发电机的输入端连接，发电机的输出端与蓄电池的第一输入端连接，燃料电池的输出端与蓄电池的第二输入端连接，等离子重整器用于将所述发动机产生的部分废气转化成富氢混合气，发动机用于带动发电机运转发电，燃料电池用于将燃料的化学能转化为电能，蓄电池用于存储电能并为等离子重整器供电。本发明可广泛应用于新能源技术领域内。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其是一种基于低温等离子体的燃料重整动力系统。
背景技术
目前，已有的低温等离子体辅助催化燃料重整动力系统一般是由发电机和电动机分别提供驱动功率。这种动力系统运行时，由于没有储能装置，必须直接输出动力，致使不可避免地产生污染排放，并且没有对发动机的废气余热进行利用。等离子体的供电来源单一，在发电机将发动机功率转化为电能过程中，功率转化中有部分功率损失。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种基于低温等离子体的燃料重整动力系统。
本发明所采用的技术方案是：
一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统，其特征在于，包括等离子重整器、发动机、发电机、燃料电池和蓄电池，其中所述发动机的第一输入端与所述等离子重整器的输出端连接，所述发动机的第一输出端与所述等离子重整器的第一输入端连接，所述发动机的第二输出端与所述发电机的输入端连接，所述发电机的输出端与所述蓄电池的第一输入端连接，所述燃料电池的输出端与所述蓄电池的第二输入端连接，所述等离子重整器用于将所述发动机产生的部分废气转化成富氢混合气，所述发动机用于带动发电机运转发电，所述燃料电池用于将燃料的化学能转化为电能，蓄电池用于存储电能并为所述等离子重整器供电。
进一步地，所述等离子重整器包括壳体、若干个管道和高压电极板，壳体上设有进气口、废气进气口、出气口和废气出气口，所述进气口通过若干个管道与所述出气口连接，所述废气进气口与所述发动机的第一输出端连接，所述出气口与所述发动机的第一输入端连接，所述高压电极板用于产生等离子体，所述管道用于设置催化剂。
进一步地，所述等离子重整器还包括尾气吸收装置，所述尾气吸收装置设置在所述废气出气口处，所述尾气吸收装置用于处理尾气。
进一步地，所述等离子重整器还包括电源，所述电源用于为所述高压电极板供电。
进一步地，所述等离子重整器还包括温度表，所述温度表设置在所述出气口处，所述温度表用于检测反应温度。
进一步地，所述系统还包括气体混合装置，所述气体混合装置的输出端与所述发动机的第二输入端，所述气体混合装置用于将气体燃料进行混合。
进一步地，所述气体燃料包括NH3、生物柴油和醇类气体。
进一步地，所述系统还包括质量流量计，所述质量流量计设置在所述气体混合装置的输入端处。
进一步地，所述系统还包括气化器，所述气化器的第一输出端与所述等离子重整器的第二输入端连接，所述气化器的第二输出端与所述气体混合装置的输入端连接，所述气化器用于将液化天然气进行气化。
进一步地，所述系统还包括第一节流阀和第二节流阀，所述第一节流阀设置在所述气体混合装置的输出端处，所述第二节流阀设置在所述等离子重整器的第二输入端。
本发明的有益效果是：本发明一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统，包括等离子重整器、发动机、发电机、燃料电池和蓄电池，通过等离子重整器对发动机产生的废气进行重整反应，从而生成富氢混合气，一方面能够充分利用发动机产生的废气余热，提高了燃料的能量转化率，并且大幅减少了尾气的排放，降低了对环境的污染，另一方面通过设置了储能装置，避免了直接输出动力而导致的污染排放，实现了动力系统的节能减排，并且提高了动力系统的能源利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统的连接示意图；
图2为本发明实施例提供的一种等离子重整器的结构示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明实施例的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数，“至少一个”是指一个或者多个，“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。如果有描述到“第一”、“第二”等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
需要说明的是，本发明实施例中设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明实施例中的具体含义。例如，术语“连接”可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。
在本发明实施例的描述中，参考术语“一个实施例/实施方式”、“另一实施例/实施方式”或“某些实施例/实施方式”、“在上述实施例/实施方式”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少两个实施例或实施方式中。在本公开中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的示实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式中以合适的方式结合。
需要说明的是，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
随我国经济迅速发展，能源需求和空气污染问题日益受到关注。动力系统的经济性、排放性以及动力装置的要求不断提高，一方面需要对传统发动机进行结构优化，另一方面需要探索新型动力装置，即混合动力系统。但是，现有的动力系统会存在局部低温的情况，而低温会导致发动机内燃料燃烧不充分，燃油消耗增加，排放恶化，并可能减少动力电池的容量，从而降低动力电池的充电放电效率，影响动力装置的使用寿命。并且，低温情况下催化剂的活性较低，催化能力较差，进一步影响反应速率。
参照图1，为此，本申请提出了一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统，包括等离子重整器12、发动机8、发电机9、燃料电池6和蓄电池7，其中所述发动机的第一输入端与所述等离子重整器的输出端连接，所述发动机的第一输出端与所述等离子重整器的第一输入端连接，所述发动机的第二输出端与所述发电机的输入端连接，所述发电机的输出端与所述蓄电池的第一输入端连接，所述燃料电池的输出端与所述蓄电池的第二输入端连接，所述等离子重整器用于将所述发动机产生的部分废气转化成富氢混合气，所述发动机用于带动发电机运转发电，所述燃料电池用于将燃料的化学能转化为电能，蓄电池用于存储电能并为所述等离子重整器供电。
本发明实施例通过等离子重整器对发动机产生的废气进行重整反应，从而生成富氢混合气，为发动机提供更多燃料的来源，进而使发动机的燃烧更加充分，一方面能够充分利用发动机产生的废气余热，提高了燃料的能量转化率，并且大幅减少了尾气的排放，降低了对环境的污染，另一方面通过设置了储能装置，避免了直接输出动力而导致的污染排放，实现了动力系统的节能减排，并且提高了动力系统的能源利用率。
参照图2，等离子重整器包括壳体13、若干个管道和高压电极板17，壳体上设有进气口14、废气进气口23、出气口15和废气出气口22，进气口14通过若干个管道与出气口15连接，废气进气口23与发动机的第一输出端连接，出气口15与发动机的第一输入端连接，高压电极板17用于产生等离子体，管道用于设置催化剂。
具体地，本发明的等离子重整器由壳体13、若干个管道和高压电极板17构成，壳体13上设有进气口14、废气进气口23、出气口15和废气出气口22，进气口14与液化天然气的供应端连接，以获取天然气。出气口15与发动机8连接，将通过重整反应生成的富氢混合气输送到发动机8中。废气进气口23与发动机8的废气出气口连接，接收发动机在燃烧过程中产生的废气。废气出气口22处可以设置尾气吸收处理装置，将未能被反应的剩余尾气进行处理，进一步减少污染排放。进气口14和出气口15之间通过若干个管道进行连接，管道的数量可以根据实际情况进行设置，管道成中心对齐，也可以选择其他与气体接触面积大的设计。在管道中可以放置催化氧化反应的催化剂，进一步提高等离子重整器的反应速率。在靠近壳体13内壁处，设有高压电极板17，高压电极板17通过蓄电池7和电网11进行供电，并产生等离子体，从而形成静电场。在等离子体和催化剂的协同作用下，提升了催化剂在低温情况下催化反应的能力，从而加速了等离子重整器内的重整反应。
等离子体重整法制氢是一种正在发展、不断完善的新方法，它可以解决或避免传统化学催化重整法遇到的问题。用等离子体激发的制氢化学反应原理和传统的原理大致是相同的,不一样的是激发化学反应的活性物质不同。传统方法的活性物质是催化剂，等离子体方法的活性物质是高能电子和自由基。因为等离子体重整使用的是电，故反应具有高度的可控性，可以在大范围内调节气体速率和组成，达到反应的最优化。借助于高活性的粒子像电子、离子、激发态物质，等离子体能大大提高化学反应速度，或者为吸热反应提供能源，并避免使用非均相催化剂。这些优点以及其高能量密度并由此导致的反应时间减少，为制氢反应器缩小尺寸、减轻重量提供了可能。另外等离子体转化制氢对原料要求不高，只要是含氢物质，像天然气、醇类、生物燃料等都可以成为等离子体法制氢的原料。
参照图1，进一步作为可选的实施方式，所述等离子重整器还包括尾气吸收装置，所述尾气吸收装置设置在所述废气出气口处，所述尾气吸收装置用于处理尾气。
具体地，尾气处理装置设置在废气出气口22处，将等离子重整器12无法处理的废气进行净化处理。尾气处理装置是在催化剂的作用下使尾气得到净化，以减轻对环境的污染的装置。当高温废气流经涂有贵金属材料制成的催化剂的载体时，废气中的有害物质(包括CO，HC臭味，DPM黑烟)在催化剂和温度的作用下发生化学反应，转化为无毒的H2O和CO2。
通过在废气出气口22设置尾气处理装置能够去除工业生产排放废气中的有毒有害物质及烟尘，使其处理后达标排放，减少大气污染。
参照图1，进一步作为可选的实施方式，所述等离子重整器还包括电源，所述电源用于为所述高压电极板供电。
电源设置在等离子重整器12的内部，与高压电极板17连接，为高压电极板17供电。通过电网11和蓄电池7为等离子重整器12进行供电，再通过等离子重整器12内部的电源为高压电极板17进行供电，能够避免传统等离子重整器只有单一供电源的弊端，当出现某一供电源故障时，也不会影响等离子重整器12的正常工作。
参照图1，进一步作为可选的实施方式，所述等离子重整器还包括温度表，所述温度表设置在所述出气口处，所述温度表用于检测反应温度。
温度表设置在出气口15处，能够检测等离子体12中的反应温度，从而让用户了解等离子重整器12内部的反应温度。另外，温度表可以与显示模块、指示灯和蜂鸣器等设备相连以实现状态反馈显示，以让用户更加直观地了解到等离子重整器12内部的反应温度。显示模块可采用液晶显示屏，可从温度表中实时获取数据。
参照图1，进一步作为可选的实施方式，所述系统还包括气体混合装置，所述气体混合装置的输出端与所述发动机的第二输入端，所述气体混合装置用于将气体燃料进行混合。
进一步作为可选的实施方式，所述气体燃料包括NH3、生物柴油和醇类气体。
参照图1，进一步作为可选的实施方式，所述系统还包括质量流量计，所述质量流量计设置在所述气体混合装置的输入端处。
具体地，质量流量计可以测量出气体燃料的具体质量，方便用户控制燃料的用量，也方便控制后续制备的混合气体燃料的具体配比。质量流量计是采用感热式测量，通过分体分子带走的分子质量多少从而来测量流量，因为是用感热式测量，所以不会因为气体温度、压力的变化从而影响到测量的结果。
质量流量计4设置在气体混合装置5的输入端处，也可以设置在气体燃料供给端3处，可以同时配合节流阀进行使用，能够在测量气体燃料质量的同时，控制气体燃料的输入，从而避免过多的气体燃料进入到气体混合装置5和发动机8中，从而避免因气体燃料过多导致燃烧不充分，能源转化率降低。
参照图1，进一步作为可选的实施方式，所述系统还包括气化器，所述气化器的第一输出端与所述等离子重整器的第二输入端连接，所述气化器的第二输出端与所述气体混合装置的输入端连接，所述气化器用于将液化天然气进行气化。
具体地，在液体天然气供给端1处设置气化器2，当发动机8或者等离子重整器12需要使用天然气时，则通过气化器2将液态天然气进行气化。如果直接使用液态天然气作为燃料，其过低的温度会导致系统无法正常进行工作。
气化器是将液体加热直到气化(变成气体)的设备。简单的说，就是冰冷的液态气体通过气化器之后，就变成气态的气体了。加热可以是间接的(蒸气加热式气化器，热水水浴式气化器，自然通风空浴式气化器，强制通风式气化器，电加热式气化器，固体导热式气化器或传热流体)，也可以是直接的(热气或浸没燃烧)。一般来说，天然气为了方便保存和使用，会制备成液态天然气。液化天然气是天然气经压缩、冷却至其凝点(-161.5℃)温度后变成液体，通常液化天然气储存在-161.5摄氏度、0.1MPa左右的低温储存罐内。因此，使用时重新气化。
参照图1，进一步作为可选的实施方式，所述系统还包括第一节流阀和第二节流阀，所述第一节流阀设置在所述气体混合装置的输出端处，所述第二节流阀设置在所述等离子重整器的第二输入端。
具体地，第一节流阀设置在气体混合装置5的输出端处，第二节流阀设置在等离子重整器12的第二输入端。即：第一节流阀设置在气体混合装置5和发动机8之间连接的管道上，用于控制进入发动机8的气体燃料的流量，避免过多或者过少的气体燃料进入发动机8中。第二节流阀设置在等离子重整器12的进气口14处，用于控制进入等离子重整器12的天然气流量。
针对上述提到的系统，现结合图1详细描述其工作原理：
为了让反应更加充分，需要在燃烧前将气体充分混合。首先，在液化天然气供给端1和气体燃料供给端3处获取对应的气体燃料，并输送到气体混合装置5中。液化天然气在输送的过程中，会先通过气化器2将液化天然气先进行气化处理，以便于后续在气体混合装置5中与其他气体燃料进行混合。而在气体燃料供给端3可以设置质量流量计4，以确定具体的气体燃料输送量。当天然气、NH3、生物柴油和醇类气体等气体燃料进入气体混合装置5后，气体混合装置5将气体燃料进行充分混合。随后将混合气体燃料输送到发动机8中进行燃烧，将燃料的化学能转化为机械能，从而生成动力，并带动发电机9进行发电。发电机9将发动机的机械能转化为电能，再将电能传输到蓄电池7中储存起来。气体混合装置5在向发动机8输送燃料的同时，还会向燃料电池6输送一部分气体燃料，燃料电池6经电化学反应将燃料的化学能转化为电能，并输送到蓄电池7中存储。发动机8燃烧产生的废气会通过废气进气口23进入等离子重整器12中，此时，天然气供给端1会经过进气口13向等离子重整器12输送天然气，在催化剂和高压电极板17产生的等离子体的作用下，天然气和发动机8的部分废气发生重整反应，生成富氢混合气。生成的富氢混合气通过出气口15重新输送到发动机8中继续利用，而剩余无法处理的尾气，则通过废气出气口22排出。在排出前，废气会经过废气出气口的尾气吸收处理装置进行净化，进一步减少污染排放。
可以理解的是，与现有技术相比，本发明实施例还具有以下优点：
1)通过等离子体辅助催化废气和天然气的重整反应，解决了低温反应不充分的情况。
2)等离子重整器具有多个供电来源，避免单一供电来源故障发生的问题。
3)提高了发电机的功率转化效率，减少了产生电能时的功耗。
4)采用了天然气、醇类气体等清洁燃料，能有效降低污染物的排放。
5)将发动机产生的废气进一步和天然气在重整器中发生反应生成富氢混合气，有效提高系统的经济性，并且进一步实现了节能减排。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。上述方法可以使用标准编程技术—包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。上述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，上述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所描述步骤的指令或程序时，本文所描述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所描述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所描述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。
Claims (10)
1.一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统，其特征在于，包括等离子重整器、发动机、发电机、燃料电池和蓄电池，其中所述发动机的第一输入端与所述等离子重整器的输出端连接，所述发动机的第一输出端与所述等离子重整器的第一输入端连接，所述发动机的第二输出端与所述发电机的输入端连接，所述发电机的输出端与所述蓄电池的第一输入端连接，所述燃料电池的输出端与所述蓄电池的第二输入端连接，所述等离子重整器用于将所述发动机产生的部分废气转化成富氢混合气，所述发动机用于带动所述发电机运转发电，所述燃料电池用于将燃料的化学能转化为电能，所述蓄电池用于存储电能并为所述等离子重整器供电。
2.根据权利要求1所述的一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统，其特征在于，所述等离子重整器包括壳体、若干个管道和高压电极板，壳体上设有进气口、废气进气口、出气口和废气出气口，所述进气口通过若干个管道与所述出气口连接，所述废气进气口与所述发动机的第一输出端连接，所述出气口与所述发动机的第一输入端连接，所述高压电极板用于产生等离子体，所述管道用于设置催化剂。
3.根据权利要求2所述的一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统，其特征在于，所述等离子重整器还包括尾气吸收装置，所述尾气吸收装置设置在所述废气出气口处，所述尾气吸收装置用于处理尾气。
4.根据权利要求2所述的一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统，其特征在于，所述等离子重整器还包括电源，所述电源用于为所述高压电极板供电。
5.根据权利要求2所述的一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统，其特征在于，所述等离子重整器还包括温度表，所述温度表设置在所述出气口处，所述温度表用于检测反应温度。
6.根据权利要求1所述的一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统，其特征在于，所述系统还包括气体混合装置，所述气体混合装置的输出端与所述发动机的第二输入端，所述气体混合装置用于将气体燃料进行混合。
7.根据权利要求6所述的一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统，其特征在于，所述气体燃料包括NH3、生物柴油和醇类气体。
8.根据权利要求6所述的一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统，其特征在于，所述系统还包括质量流量计，所述质量流量计设置在所述气体混合装置的输入端处。
9.根据权利要求1所述的一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统，其特征在于，所述系统还包括气化器，所述气化器的第一输出端与所述等离子重整器的第二输入端连接，所述气化器的第二输出端与所述气体混合装置的输入端连接，所述气化器用于将液化天然气进行气化。
10.根据权利要求1所述的一种低温等离子体辅助催化燃料重整的混合动力系统，其特征在于，所述系统还包括第一节流阀和第二节流阀，所述第一节流阀设置在所述气体混合装置的输出端处，所述第二节流阀设置在所述等离子重整器的第二输入端。
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