CN203321706U

CN203321706U - 一种氢能发动机系统

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Publication number: CN203321706U
Application number: CN2013203075250U
Authority: CN
Inventors: 王东生; 黄开盛
Original assignee: Guangxi Dikai Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Guangxi Dikai Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2023-05-31

Abstract

一种氢能发动机系统，是用醇裂解制出富氢气体作燃料的低碳发动机系统，包括燃料储罐和燃料输送装置、燃料加热气化和裂解装置、富氢气体压缩机和尾气排出管，其中燃料储罐先接燃料输送装置，再接到燃料加热气化和裂解装置，然后经富氢气体压缩机后输入汽车发动机做功；所述的燃料加热气化和裂解装置安装在尾气排出装置构成的高温室中；本系统对原使用汽油燃料的汽车改动很少，并保持了原车使用汽油为燃料的功能，其动力性能不变。当发动机冷车启动、在行驶中无醇供应或蓄电瓶电力不足时，仍可使用普通汽油开动车辆，或为裂解器升温达到催化重整制氢所必须的热量和温度，具有良好的开发前景。

Description

一种氢能发动机系统

技术领域

本实用新型属于汽车发动机领域，具体涉及一种使用醇裂解出富氢气体作燃料的低碳发动机系统。

背景技术

发展可再生能源是当今世界人类可持续发展的必由之路，用可再生能源（如：乙醇）来代替石化能源（如汽油、柴油）是一条可优先发展的道路，而目前乙醇直接加入汽油（一般不超过10%）或乙醇单独用作汽车燃料，不仅效率低，而且单位公里的运行成本也较高，进而人们想到用乙醇加水通过高温催化裂解制造出富氢气体，再用富氢气体直接用于汽车发动机，这样做能源的利用率高而且成本很低。

有关低碳醇裂解出富氢气体作燃料的发动机系统，目前公开文献也有报道，我们摘录以下一些：

1、中国专利，名称: 氢混合动力电动汽车申请（专利）号: CN200510011068.0 公开（公告）号: CN1951718 申请（专利权）人: 董银谈，地址: 云南省昆明市北京路542号省科技大楼发明（设计）人: 董银谈摘要:一种不用任何汽油、柴油，只用氢作燃料的氢混合动力电动汽车，属汽车领域。其特征是汽车上氢发动机排气管路串接一个醇裂解氢发生器，它可利用排气余热，将醇催化裂解随车制氢，并使所产氢气作为发动机燃料运转，以此驱动汽车行驶和发电机发电。当和电动机组合驱动时，可达到超低排放或零排放水平。主权项: 1、一种氢混合动力电动汽车，由汽车底盘(I)、汽车外壳、方向盘、车轮(IV)、制动器、发动机、电机(II)、蓄电池组(III)；燃料箱、控制电路(66)和与控制电路(66)导线相连接的各控制阀组成，其特征在于氢混合动力电动汽车内装有一台氢发动机(31)，其汽车蓄电池组(III)的输出线与串接在氢发动机(31)排气管路醇裂解氢发生器(1)中的冷启动电加热器(24)连接，氢发动机(31)的排气管(2)连接一个醇裂解氢发生器(1)，通过排气分流阀(6)再与消声器尾管(22)相接，醇裂解氢发生器(1)的氢气输出管(58)与氢发动机(31)进气端的氢喷嘴(62) 相接，醇裂解氢发生器(1)的醇输入管(46)与醇贮存箱(49)相接。

2、中国专利，名称: 车载制氢装置，申请（专利）号: CN200910169578.9 公开（公告）号: CN101643202 申请（专利权）人: 任春光，发明（设计）人: 徐光国;任春光，摘要: 一种车载制氢装置，醇箱(1)的醇出口(6)通过醇管连接有加热器，加热器的醇汽出口通过醇管连接有反应器，反应器带有用于与车辆发动机连接的裂解气出口；所述的加热器一端带有用于与车辆发动机连接的尾气进口，另一端带有用于与消音器连接的尾气出口。采用本发明随车制氢，可替代部分汽油并改善汽油的雾化、混合和燃烧，提高汽油机的热效率。经过实际检测，掺氢比例在4.7wt％时，可替代30～40％的燃油，尾气中的碳氢化合物、氮氧化合物和一氧化碳总量减少90％以上。主权项: 1、一种车载制氢装置，包括醇箱(1)，其特征在于：醇箱(1)的醇出口(6)通过醇管连接有加热器，加热器的醇汽出口通过醇管连接有反应器，反应器带有用于与车辆发动机连接的裂解气出口；所述的加热器一端带有用于与车辆发动机连接的尾气进口，另一端带有用于与消音器连接的尾气出口。

3、名称: 醇裂解制氢氢汽车，申请（专利）号: CN200910197691.8 申请日: 2009.10.26 公开（公告）号: CN102039814A 公开（公告）日: 2011.05.04 申请（专利权）人: 韩林生，地址:上海市长宁区茅台路690弄2号403室发明（设计）人: 韩林生摘要:一种醇裂解制氢氢汽车，它包括制热部分、控制部分、醇气化裂解部分、氢发动机和合成部分。所述制热部分由汽车尾热装置和特制电加热器构成，在汽车发动控制系统指令下，能在瞬间将甲醇由液态变为气态；所述控制部分是通过电控单元监测发动机的转速和节气门的开度控制裂解器内甲醇喷射量；所述醇气化裂解部分包括汽化器和裂解器，从汽化器出来的气态甲醇进入所述裂解器，裂解出的氢气进入氢发动机气缸；所述合成部分包括温控仪、风门、醇燃料箱、冷却箱、混合器、空滤器等组成。本发明采用醇裂解制氢技术，利用可再生能源中较为廉价的甲醇作为汽车燃料，经济环保，摆脱了对传统石油能源汽油或柴油的依赖。

但是上述文献以及目前乙醇加水高温催化裂解制氢方法和装置还存在以下问题：

1、催化裂解装置一般用汽车排气管的温度来做催化剂的裂解温度，而催化剂作用一段时间（一般为几十小时）后，会因积碳、中毒而失效或效能大降，因此需要经常更换催化裂解装置，使用极为不方便，因而不具实用性，很难推广应用。

2、冷车启动，一般都是采用汽油先行走一段时间，待排气管温度上升后，才能使用乙醇制氢系统。或装载更多电池组，对催化裂解装置用电加热，增加汽车的改装成本。

3、目前富氢气体未能解决直接用于电子直喷式汽车发动机技术问题。

4、裂解过程需要对氢气进行储存，但有的储氢罐设计不合理，容易发生爆炸危险，解决了富氢气体长期储存与使用的问题。

发明内容

本实用新型是为了克服上述的催化裂解装置容易使催化剂积碳、中毒，需要改装汽车结构以及储氢罐设计不合理等问题，提供一种效率高、运行成本低、安全可靠的使用富氢气体作燃料的发动机系统。

本实用新型的技术方案如下：

一种氢能发动机系统，包括燃料储罐和燃料输送装置、燃料加热气化和裂解装置、富氢气体压缩机和尾气排出管，其中燃料储罐先接燃料输送装置，再接到燃料加热气化和裂解装置，得到富氢气体，然后经富氢气体压缩机后输入汽车发动机做功，废气经过尾气排出装置排到环境中；其特征在于：所述的燃料加热气化和裂解装置安装在尾气排出装置构成的高温室中，而高温室的一端接汽车发动机的尾气排出管，另一端与消音器连接；

所述的燃料储罐安装在汽车车厢上，燃料储罐内装有含水液态醇；

所述的高温室内安装有电加热器，电加热器接车内蓄电池或发电机；

所述的高温室包括气化室、裂解器和电加热器，气化室内安装有雾化喷嘴，气化室与裂解器连接，裂解器内装有催化剂；

所述的雾化喷嘴包括雾化喷嘴主体、外螺纹接头和安装在雾化喷嘴主体内部的螺旋心，雾化喷嘴主体的喷嘴端开有喷雾孔，含水液态醇从喷雾孔喷成雾状，加热后进入裂解器在催化剂作用下裂解出氢气，经过电磁阀、富氢气体压缩机、富氢气体输送管和减压稳压阀，进入储气罐，减压后进入发动机气缸工作。

以上所述含水液态醇是甲醇、乙醇或混合醇，其醇与水的摩尔比为1：0.3～3，在裂解装置中，在催化剂的作用下裂解生成富氢气体。

上述制得的催化剂的结构为高温烧结的海棉多孔状物质，被烧结形成1000微米以下的多孔结构，使用时间可以达到300小时以上，不容易因积碳堵塞或中毒而失效。

通常，现有催化裂解装置使用一段时间（一般为几十小时）后，催化剂会因积碳、中毒而失效或效能大降，因此需要经常更换催化裂解装置，使用极为不方便，因而不具实用性，很难推广应用。本实用新型的催化剂可在氧化状态下,正常完成催化裂解工作，并于产氢状态下自行完成还原反应，使催化剂回复原状态。再生过程为：发动机运行使用一段时间后，调整两个阀门的开关，通过使用机内蓄电池或外部电源给电加热器供电，使气化室和裂解器的温度达到300～800℃，通过空压机从外部通入空气，氧气与裂解器内的积碳反应变成CO₂从管路排出，完成积碳的清理工作。

本实用新型的氢能发动机系统由于燃料储罐安装在汽车车厢上，燃料储罐内装有含水液态醇所述的高温室内安装有电加热器，电加热器功率为1～2kW；裂解器的正常裂解温度为180～500℃。

本实用新型的氢能发动机系统具有快速冷启动功能，在冷机状态时，如储氢罐内有氢气，则用罐内氢气直接点燃发动机，如无，则用安装在裂解器内的电加热器，通过车内蓄电池或外接市电，加热裂解器，在极短时间内使它们达到醇水混合液裂解所需的温度，醇水混合液裂解出富氢气体后即可迅速启动发动机，裂解所需的温度为180℃以上即可。

本实用新型所述的氢能发动机系统，具有快速冷启动功能。其快速冷启动的方法为，冷车时，使用高压储气罐中的富氢气体直接启动，或打开电加热器为气化室和裂解器加热，

本实用新型所述的氢能发动机系统，具有高压储气功能。裂解器产生的富氢气体，经微型气体压缩泵注入高压储气罐中，高压储气罐中的富氢气体，除供发动机正常运转所需之外，发动机关停后，可供发动机重新启动之用。高压储气罐中富氢气体的压力为0.1～20 MPa。

以上所述的汽化室和裂解器采用不锈钢材料制作的，为封闭的圆筒壳体状，裂解器的构造：螺旋盘绕不锈钢管，管内直径2mm ～20mm，管壁厚0.1mm ～1.5mm，管内催化剂为海棉多孔状。

本实用新型的的氢能发动机系统中，电加热器为螺旋状或线状加热器，功率为1～5KW，气化室和裂解器的温度为180oC～500oC时，在此温度下，含水醇类在催化剂的作用下裂解重整变成富氢气体，以乙醇为例，其水蒸汽下重整制氢的化学反应式如下：

C₂H₅OH + 3H₂O → 2CO₂+ 6H₂

C₂H₅OH + H₂O → 2CO + 4H₂

C₂H₅OH + H₂O → 2H₂ + CO₂ + CH₄

以上反应说明，利用含水醇类为原料重整制氢，所产生的富氢气体(H₂、CH₄、CO₂，CO)可全部引入发动机作为燃料，其中的CH₄、CO₂对氢发动机有抑制爆燃的显著作用。

本实用新型的有益效果：

1、催化裂解装置一般用汽车排气管的温度来做催化剂的裂解温度，而催化剂作用一段时间（一般为几十小时）后，会因积碳、中毒而失效或效能大降，因此需要经常更换催化裂解装置，使用极为不方便，因而不具实用性，很难推广应用。本实用新型用于汽车运行过程中，不更换催化剂裂解装置而能修复因积碳堵塞或中毒的催化剂裂解装置（即催化剂再生）。从而达到防止催化剂因积碳、中毒，使催化剂失效的目的，更换催化剂的时间延长几倍时间。

2、冷车启动，一般都是采用汽油先行走一段时间，待排气管温度上升后，才能使用乙醇制氢系统。或装载更多电池组，对催化裂解装置用电加热，增加汽车的改装成本。本实用新型不需要额外增加电池组，即可实现在冷车状态下，用富氢燃气启动汽车。

3、目前富氢气体未能解决直接用于电子直喷式汽车发动机技术问题，本实用新型可直接用于电子直喷式汽车发动机。

4、氢气的储存与使用是一大难题，本实用新型中储氢罐采用一系列防爆措施，解决了富氢气体长期储存与使用的问题。

5.本实用新型为了适应新旧能源交替的需要，使富氢燃料发动机汽车具有广泛性和实用性，本实用新型对原本使用汽油燃料的汽车改动很少，并保持了原车使用汽油为燃料的功能，其动力性能与原机完全相同。当发动机冷车启动、在行驶中无醇、无氢供应或在蓄电瓶电力不足时，仍可使用普通汽油开动车辆，或为裂解器升温达到催化重整制氢所必须的热量和温度。

附图说明

图l是氢能发动机的系统原理示意图。

图2是雾化喷嘴结构图。

图中序号和部件名称：

1、醇水混合燃料液；2、醇水混合燃料箱；3、燃料泵；4、燃料输送管；5、外接辅助气体输入管；6、电磁阀；7、电磁阀；8、高温室；9、雾化喷嘴；10、气化室；11、裂解器；12、发动机排气管、13、电加热器；14、富氢气体输送管；15、电磁阀；16、电磁阀；17、辅助排气管；18、富氢气体输送管；19、富氢气体压缩机；20、储气罐；21、减压稳压阀；22、富氢气体输送管；23、燃气发动机；24、发动机排气管；25、雾化喷嘴主体，26外螺纹接头，27螺旋心，28.喷雾孔。

具体实施方式

以下结合附图描述具体实施例：

醇水混合燃料液1放到醇水混合燃料箱2中，醇水混合燃料箱2通过燃料输送管4和电磁阀7与高温室8相连；高温室8通过富氢气体输送管14、18、电磁阀15、富氢气体压缩机19与储气罐20相连；储气罐20通过富氢气体输送管22减压稳压阀21与发动机23相连；发动机23通过发动机排气管24与高温室8相连。发动机排气管12可接到消音器。

其中：高温室8有两个开口，一个开口接发动机排气管24，为发动机排气入口；另一开口为发动机排气出口，接排气管12。高温室8外部包裹有隔热保温材料。

高温室8结构为：雾化喷嘴9、气化室10、裂解器11、电加热器13都安装在高温室8之内，气化室10与裂解器11连接，裂解器11内装有催化剂，电加热器13，电加热器13接车内蓄电池或发电机，功率为1～2kW；裂解器11的正常裂解温度为180oC～500oC。

汽化室10和裂解器11采用不锈钢材料制作的，为封闭的圆筒壳体状。裂解器(11)的构造：螺旋盘绕不锈钢管，管内直径2mm ～20mm，管壁厚0.1mm ～1.5mm，管内制备有海棉多孔状催化剂。

出口燃料泵3；燃料泵3出口的燃料输送管接电磁阀A，电磁阀A出口接燃料加热和裂解装置。

所述的雾化喷嘴9包括雾化喷嘴主体25、外螺纹接头26和安装在雾化喷嘴主体25内部的螺旋心27，雾化喷嘴主体25的喷嘴端开有喷雾孔28，燃料（含水液态醇1）从喷雾孔28喷成雾状，加热后进入裂解器11裂解出氢气，进入储气罐21，经过减压稳压阀22、富氢气体输送管23，进入燃气发动机24气缸工作。

其清洁再生过程为：发动机运行使用一段时间后，关闭阀7和阀15打开阀6和阀16，通过使用机内蓄电池或外部电源给电加热器13供电，使气化室和裂解器的温度达到300～800℃，通过空压机5从外部通入空气，氧气与裂解器内的积碳反应变成CO₂从管路17排出，完成积碳的清理工作。

本实用新型的工作原理：

本实用新型的发动机系统由下列部件组成，其结构为：

在汽车车厢上安装一个燃料储罐2，燃料储罐2内装有含水液态醇1，并设有燃料泵3；燃料泵3出口的燃料输送管接电磁阀A，电磁阀A出口接高温室8内的气化室10，气化室10安装有雾化喷嘴，含水液态醇1乙醇喷入，气化室10与裂解器11连接，裂解器11内装有催化剂，所述的高温室8一端接发动机排气管24，为发动机排气入口；另一端为发动机排气出口，接排气管12；电加热器13，也就是说，气化室10与裂解器11装在高温室8内，可以将发动机排出的热废气对含水液态醇1进行加热气化并裂解；裂解器11出口接富氢气体输送管，富氢气体输送管14出口有电磁阀15，再经输出管18接到富氢气体压缩机19，富氢气体压缩机19与储气罐20相连；储气罐20通过减压稳压阀21富氢气体输送管22接入发动机23，发动机排气管12可接到消音器。

其结构特征之一为：高温室8有两个开口，一个开口接发动机排气管24，为发动机排气入口；另一开口为发动机排气出口，接排气管12。高温室8外部包裹有隔热保温材料。

其结构特征之一为：雾化喷嘴9、气化室10、裂解器11、电加热器13都安装在高温室8之内。

裂解器中所用催化剂25的成分和重量份数为：铈或镧的化合物：0.5-2；氧化铝或氧化镍：99.5-98；铈或镧的化合物是氧化物或者硝酸盐，单独使用或者混合使用，催化剂的结构为高温烧结的海棉多孔状，被烧结形成1000微米以下的多孔结构。

本实用新型的发动机系统可以安装一个智能电脑控制系统，作用：（1）负责监测、保持裂解器的温度；（2）裂解器温度不够时（如冷车时）电加热器的起动；（3）气化室压力监控；（4）储氢罐压力监控；（5）燃料雾化喷嘴的控制；

使用的传感器有：裂解器温度检测热电偶、气化室检测热电偶、储气罐压力传感器、醇水混合燃料液面传感器等。

使用本实用新型的氢能发动机的系统工作过程是：

接通启动电门后，本实用新型的氢能发动机系统中的智能电脑控制系统开始运行，智能电脑控制系统首先通过安装在裂解器中的温度传感器（热电偶）判断此时为热启动还是冷启动，并做出不同处理。

冷启动情况，即裂解器中的温度低于裂解制氢所需温度，甚至为常温时。通过安装在储气罐中的压力传感器，判断储气罐中的富氢气体是否充足，然后作出以下动作：

1、罐气罐储气充足时。电脑板控制发动机启动电路直接点火起动。点火成功后，发动机依靠储气罐内先前存有的富氢气体运转，发动机的高温排气通过发动机排气管管24进入高温室8给气化室10和裂解器11中的催化剂加热，发动机运转几分钟后，气化室10和裂解器11被发动机的高温排气加热到达合适温度，这时电磁阀7、15开启，电磁阀6、16关闭，油泵3开动，雾化喷嘴9向气化室10喷入混合燃料，气化后进入裂解器11裂解成富氢气体，富氢气体再经过气体压力泵注入储氢罐补充罐内富氢气体的消耗，发动机进入良性平稳运行状态。

2、罐气罐储气不足（或没气）时。当发动机系统冷启动，电脑板通过安装在储气罐中的压力传感器判断罐内储气不足（或没气）时，电脑板控制接通自身蓄电池或外界电源给电加热器13通电加热，电加热器13加热几分后，气化室10和裂解器11被加热到达合适温度，这时电磁阀7、15开启，电磁阀6、16关闭，油泵3开动，雾化喷嘴向气化室喷入混合燃料，气化后进入裂解器裂解成富氢气体，富氢气体再经过气体压缩机19注入储气罐20，电脑板控制发动机电火电路点火，点火成功后，气化室和裂解器的裂解温度转由发动机排出的热废气保持，电加热器13这时停止工作，发动机进入良性平稳运行状态。

热启动的情况就相对简单，当电脑板检测到气化室和裂解器的温度合适时，直接开启油泵和雾化喷嘴向气化室注入燃料，混合燃料气化后进入裂解器裂解成富氢气体，富氢气体再经过气体压力泵注入储气罐，电脑板控制发动机电火电路点火，点火成功后，气化室和裂解器的裂解温度转由发动机排出的热废气保持，发动机进入良性平稳运行状态。由于气化和裂解都是吸热过程，导致气化室和裂解器温度下降，如果裂解器所需的温度偏低，这时需要电加热器13适当给气化室和裂解器加热，补充热量损失，直到发动机的排气热量达到后再关断电加热器13。

喷嘴的喷入量受电脑板控制，电脑板根据储氢罐的压力情况控制喷嘴的喷入量，压力小则喷入量大，压力大则喷入量小，超压时，喷嘴停喷。

再生过程为：发动机运行使用一段时间后，关闭阀7和阀15打开阀6和阀16，通过使用机内蓄电池或外部电源给电加热器13供电，使气化室和裂解器的温度达到300～800℃，通过空压机5从外部通入空气，氧气与裂解器内的积碳反应变成CO₂从管路17排出，完成积碳的清理工作，催化剂可以重复使用。

Claims

1.一种氢能发动机系统，包括燃料储罐和燃料输送装置、燃料加热气化和裂解装置、富氢气体压缩机和尾气排出管，其中燃料储罐先接燃料输送装置，再接到燃料加热气化和裂解装置，得到富氢气体，然后经富氢气体压缩机后输入汽车发动机做功，废气经过尾气排出装置排到环境中；其特征在于：所述的燃料加热气化和裂解装置安装在尾气排出装置构成的高温室中，高温室的一端接汽车发动机的尾气排出管，另一端与消音器连接；

所述的高温室包括气化室、裂解器和电加热器，气化室内安装有雾化喷嘴，气化室与裂解器连接，裂解器内装有催化剂。

2.根据权利要求1所述的氢能发动机系统，其特征在于：所述的雾化喷嘴包括雾化喷嘴主体、外螺纹接头和安装在雾化喷嘴主体内部的螺旋心，雾化喷嘴主体喷嘴端开有喷雾孔，含水液态醇从喷雾孔喷成雾状，加热后进入裂解器在催化剂作用下裂解出氢气，经过电磁阀、富氢气体压缩机、富氢气体输送管和减压稳压阀，进入储气罐，减压后进入发动机气缸工作。