CN1837028A

CN1837028A - 利用非平衡等离子体制氢的发生装置及方法

Info

Publication number: CN1837028A
Application number: CN 200610075702
Authority: CN
Inventors: 余西龙; 陈立红; 林烈; 顾洪斌; 岳连捷; 张新宇
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2006-09-27

Abstract

本发明公开了一种利用非平衡等离子体制氢的发生装置及用该装置制备氢的方法，该发生装置为一封闭的管状腔体，包括管壁，所述管状腔体的中心线上设有阴极棒，阴极棒外侧设有两端开口的管状阳极，在该阴极棒与管状阳极之间设有绝缘材料层，所述管状腔体上设有阴极棒的一端以管状腔体的中心线为中心周向均布有若干个空气入口，所述管壁上靠近阴极棒的末端轴向均布有若干个燃料入口，管状腔体的另一端设有反应气体出口。采用上述装置及方法后，反应时间大大缩短，因此可在需要时直接利用燃料制氢，而不存在氢的储存问题，解决了氢燃料存储难的问题。

Description

利用非平衡等离子体制氢的发生装置及方法

技术领域

本发明涉及一种利用燃料制备氢的装置及方法。

背景技术

氢是清洁燃料，它的热值是142.35KJ/g，是汽油的近3倍。氢和氧燃烧只生成水，其燃烧效率比汽油高，混合气可以较大程度地变稀，所需点火能量小，有利于节约燃料。如果将氢气用于燃料电池，则可以达到高达60％-80％的化学能-电能转换效率。虽然氢的质量能量密度是各种燃料中最高的一种，但体积能量密度最低，其最大的使用障碍是储存和安全问题。如果采用贵重金属吸附储氢的方式，高昂的成本无疑将阻止市场化的脚步。另一方面，在氢燃料汽车或者氢燃料电池汽车大规模的市场化以前，必须建造大量的适合储存氢的基本设施和运输车辆。无法利用现有的已经成熟的石油燃料供应系统。

在传统的碳氢化合物制氢技术中，一般是将碳氢化合物在高温下用蒸汽或者催化重整，在这一过程中，重金属催化剂被用来提高反应速度。这一方法的一个缺点是碳氢化合物的杂质和高温下碳的沉积会使催化剂失去活性。另外，系统被加热到反应温度还需要一定的时间，从而限制了直接应用。

等离子体是一种电子、离子和中性粒子的混合物，但是对外界呈现电中性。根据等离子体的粒子温度，通常把等离子体分为热平衡等离子体和非平衡等离子体。当重离子温度接近于电子温度时，称为热平衡等离子体，这时电子密度很高，主要形式有电弧和燃烧等离子体。当重离子温度远远低于电子温度时，称为非平衡等离子体。一般地，对于非平衡等离子体，电子温度约10000度，而重离子温度在一般情况下比室温高不了多少，非平衡等离子体的形式主要有辉光、微波和电晕放电等。它是以高度活性的离子气体促进碳氢燃料的重整，使重整后的混合物中含有部分氢和碳氢小分子化合物。

在现有的技术中，产生氢的方式主要有以下几种：

(1)蒸汽和甲烷重整法、重油非完全氧化制氢、催化分解天然气。

(2)以非碳氢燃料为基础的化学处理，如水电解制氢，利用热-化学、电化学或者光化学的方法分解制氢。注意到以上所罗列的反应中，反应温度大部分均在1000K左右。所以，传统的制氢一般都需要加热到很高的温度。对于典型的甲烷蒸汽重整制造氢气过程，在1000K的温度下，反应的特征时间大约为10的5次方秒的时间，上述各种传统的制氢方式响应时间都极其缓慢。

发明内容

针对上述现状，本发明的目的在于提供一种反应速度快可直接应用而无需存储设备的利用非平衡等离子体制氢的发生装置及方法。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案为：

一种利用非平衡等离子体制氢的发生装置，该发生装置为一封闭的管状腔体，包括绝缘管壁，所述管状腔体的中心线上设有阴极棒，阴极棒外侧设有两端开口的管状阳极，在该阴极棒与管状阳极之间设有绝缘材料层，所述管状腔体上设有阴极棒的一端以管状腔体的中心线为中心周向均布有若干个空气入口，所述管壁上靠近阴极棒的末端轴向均布有若干个燃料入口，管状腔体的另一端设有反应气体出口。

进一步，所述管状阳极采用铪、钼、钨或其他电子溢出功较小的金属材料。

进一步，所述管状阳极采用铜或不锈钢制成的网状材料。

进一步，所述绝缘材料层为石英玻璃。

一种利用上述装置通过燃料制备氢的方法，使空气及碳氢燃料以一定的质量流量比流入密闭腔体内，在密闭腔体内的电极作用下，空气电离为非平衡等离子体，非平衡等离子体使燃料重整为含有氢和碳氢小分子化合物的混合物。

进一步，所述碳氢燃料通过雾化喷嘴从燃料入口喷入所述密闭腔体。

采用上述装置及方法后，由于该装置内设有电极，该电极将空气电离为非平衡等离子体，在非平衡等离子体的作用下燃料被非完全氧化，因此反应的响应时间只取决于装置的启动时间，而本发明装置产生非平衡等离子体的时间一般在毫秒量级，使反应时间大大缩短，因此可在需要时直接利用燃料制氢，而不存在氢的储存问题，解决了氢燃料存储难的问题。所述管状腔体上设有阴极棒的一端以管状腔体的中心线为中心周向均布有若干个空气入口，所述管壁上靠近阴极棒的末端轴向均布有若干个燃料入口，空气入口与燃料入口均布，使空气和燃料在管状腔体内分布均匀，反应更加充分。

附图说明

图1为本发明所用系统的结构示意图；

图2为本发明系统中反应装置的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图具体说明本发明：

如图1所示，空气经压缩机1、阀门2、过滤器3、流量计4后通过空气进口55进入非平衡等离子体反应器5，碳氢燃料从油箱11经阀门12、过滤器9、燃料泵8、流量计6后通过雾化喷嘴喷入非平衡等离子体反应器5，非平衡等离子体反应器5为一封闭的管状腔体，如图2所示，包括管壁51，管壁51里侧紧贴管壁设有两端开口的管状阳极52，所述管状腔体的中心线上设有阴极棒53，在该阴极棒53与管状阳极52之间设有绝缘材料层54，在该实施例中，绝缘材料层54紧贴管状阳极52设置；所述管状腔体上设有阴极棒53的一端以管状腔体的中心线为中心周向均布有若干个空气入口55，所述管状腔体管壁上靠近阴极棒53的末端轴向均布有若干个燃料入口56，管状腔体的另一端设有反应气体出口57；所述管状阳极52采用铪、钼、钨或其他电子溢出功较小的金属材料，所述管状阳极52采用铜或不锈钢制成的网状材料，所述绝缘材料层54为石英玻璃；所述管壁51包括外侧的不锈钢层及里侧的陶瓷层，或采用其他强度足够的绝缘材料。

使用过程中，将阴极棒53及管状阳极52分别连接电源的两极，然后将空气经压缩机1、阀门2、过滤器3、流量计4后通过空气进口55进入非平衡等离子体反应器5，在电极作用下，空气中的氧气和氮气电离为非平衡等离子体，燃料经阀门12、过滤器9、燃料泵8、流量计6后在燃料入口56通过雾化喷嘴喷入非平衡等离子体反应器5后，雾化燃料在非平衡等离子体的作用下重整，重整后的混合物中含有部分氢和碳氢小分子化合物的混合物，即燃料氢化，氢化后的燃料经出口57排出。

采用非完全氧化等离子体制氢的化学基本原理可以用以下的化学反应方程式来表示：

(1)

在上式中，m为碳氢燃料分子中碳的原子数，n为碳氢燃料分子中氢的原子数。

对于汽油，一个典型的燃料，利用它进行非完全氧化制氢的过程可以用下面的化学反应方程式来表示：

(2)

上式中，C₈H₁₈为异辛烷，并且在制备过程中燃料与空气的质量流量比为F/A＝0.206，当燃料选择乙醇(C₂H₅O)时，燃料与空气的质量流量比为F/A＝0.65，当燃料选择柴油时，柴油分子式假定为C₁₆H₃₄，则燃料与空气的质量流量比为F/A＝0.206；

在上述的非完全氧化过程中，燃料和空气经过一个提供非平衡等离子体的装置，反应的响应时间基本上只取决于等离子炬的启动时间，而一般等离子炬的启动时间在毫秒量级。

Claims

1、一种利用非平衡等离子体制氢的发生装置，其特征在于，该发生装置为一封闭的管状腔体，包括绝缘管壁，所述管状腔体的中心线上设有阴极棒，阴极棒外侧设有两端开口的管状阳极，在该阴极棒与管状阳极之间设有绝缘材料层，所述管状腔体上设有阴极棒的一端以管状腔体的中心线为中心周向均布有若干个空气入口，所述管壁上靠近阴极棒的末端轴向均布有若干个燃料入口，管状腔体的另一端设有反应气体出口。

2、如权利要求1所述的利用非平衡等离子体制氢的发生装置，其特征在于，所述管状阳极采用铪、钼、钨或其他电子溢出功较小的金属材料。

3、如权利要求1所述的利用非平衡等离子体制氢的发生装置，其特征在于，所述管状阳极采用铜或不锈钢制成的网状材料。

4、如权利要求1所述的利用非平衡等离子体制氢的发生装置，其特征在于，所述绝缘材料层为石英玻璃。

5、一种利用上述权利要求1-4任一所述的发生装置通过燃料制备氢的方法，其特征在于，使空气及碳氢燃料以一定的质量流量比流入密闭腔体内，在密闭腔体内的电极作用下，空气电离为非平衡等离子体，非平衡等离子体使燃料重整为含有氢和碳氢小分子化合物的混合物。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述碳氢燃料通过雾化喷嘴从燃料入口喷入所述密闭腔体。