專利名稱：車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料的微波等離子在線轉(zhuǎn)換制氫技術(shù)、車載低溫等離子轉(zhuǎn)換器控制領(lǐng)域，特別是微波等離子反應(yīng)腔的氫氣轉(zhuǎn)換器及其車載控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
氫或富氫氣體是一種很好的添加劑，可以顯著改善發(fā)動機碳氫燃料的燃燒特性。 應(yīng)用于火花塞點火和壓縮著火發(fā)動機的局部富氫技術(shù)可以顯著減少燃料消耗和污染氣體排放。對于車輛應(yīng)用來說，使用如汽油、柴油、乙醇等碳氫燃料車載生成氫或富氫氣體是一項關(guān)鍵技術(shù)。把碳氫燃料分子重整為氫或富氫氣體的技術(shù)主要有熱解和電解的方法。在熱解方法中，高溫狀態(tài)輸入熱能來打開存在的C-H鍵和O-H鍵。然而，在電解方法中，碳氫燃料輸送到強電場區(qū)域，C-H鍵和O-H鍵斷裂(電離成等離子狀態(tài))，然后重新聚合為富氫氣體。 乙醇和水的化學(xué)反應(yīng)是CH3CH20H+H20 — 2C0+4H2。在這個反應(yīng)中，理論上每摩爾乙醇需要 255. 43KJ的能量。微波能量驅(qū)動的微波低溫等離子體重整器具有高效、易控制、即時啟動的優(yōu)點。磁控管、速調(diào)管或其他微波源可以產(chǎn)生驅(qū)動低溫等離子體重整器的微波能量。微波低溫等離子體重整器最常用的頻率是2. 45GHz。微波低溫等離子體重整器也可以使用其他頻率。產(chǎn)生微波低溫等離子體不需要任何電極。在特殊設(shè)計的諧振腔里微波能量可以激發(fā)等離子體。這一穩(wěn)定持續(xù)的微波等離子體可以用于重整碳氫化合物以制氫。微波等離子體重整器避免使用貴金屬催化劑。這使得制氫和凈化系統(tǒng)極大簡化。一些研究者已經(jīng)用不同方法研究了微波等離子體。Read利用了微波驅(qū)動的等離子體噴射裝置進行均勻的高能噴射。等離子體噴射器沒有使用絕緣放電管，所以可以達到很高的微波功率，用于推進器。Podder使用2. 45GHz的3KW微波磁控管研究了氬等離子體的性質(zhì)。Sekiguchi作了微波放電生成大氣中的純蒸汽等離子體的研究，以及用等離子體重整碳氫化合物制氫的研究。在實驗測試中，kkiguchi使用了氬氣這種很容易被激發(fā)成等離子狀態(tài)的氣體，來激發(fā)等離子體，并使用了一個不具有熱再生、微波功率和流控制的矩形諧振腔。Nakanish研究了用微波蒸汽等離子體重整碳氫化合物，特別關(guān)注于不同碳氫化合物己烷和異辛烷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)。它用汽油、柴油、酒精、水及其混合物等來制備富氫氣體。本發(fā)明采用了新的微波等離子體重整器結(jié)構(gòu)，設(shè)計了初始激發(fā)微波等離子體的自啟動技術(shù)，用于點燃微波低溫等離子體。微波能量有效維持著微波等離子體的燃料重整，微波發(fā)生磁控管用液體冷卻劑冷卻，傳遞給冷卻劑的熱量重新利用來預(yù)熱液體燃料和水，微波的功率和氣體流速根據(jù)需要連續(xù)可控。所有的新重整器系統(tǒng)使得微波等離子體在大氣壓下非常簡單和容易運行。本發(fā)明避免了許多微波低溫等離子體應(yīng)用中使用真空泵產(chǎn)生低壓的困難和復(fù)雜程度。本發(fā)明的上述目的特點通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，結(jié)合


如下。一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，主要由系統(tǒng)控制器1001、電源供應(yīng)調(diào)節(jié)器1019、微波發(fā)生磁控管1020、波導(dǎo)1021、共軸發(fā)射裝置1022、諧振腔1018、熱交換器1007和蒸發(fā)器1008組成，所述系統(tǒng)控制器1001控制燃料和水的流速及微波功率， 所述的電源供應(yīng)調(diào)節(jié)器1019用來調(diào)節(jié)微波發(fā)生磁控管1020的電源功率，微波發(fā)生磁控管 1020將電能轉(zhuǎn)化為2. 45GHz頻率的微波，然后通過共軸發(fā)生裝置1022發(fā)射到諧振腔1018， 所述諧振腔1018也是等離子體反應(yīng)重整器腔室，所述微波發(fā)生磁控管1020用液體冷卻劑 1006冷卻，熱量通過熱交換器1007傳遞給液體燃料和水，液體燃料和水進入蒸發(fā)器1008 蒸發(fā)形成蒸汽進入微波諧振腔1018，安裝在火花點火裝置連接座1017上的火花點火裝置將重整器內(nèi)腔的化學(xué)物質(zhì)激發(fā)為等離子狀態(tài)，火花點火裝置通過火花點火裝置控制器1025 控制開與關(guān)。微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)微波等離子體重整器系統(tǒng)的發(fā)明參閱圖1所示。一個電源供應(yīng)調(diào)節(jié)器1019用于調(diào)節(jié)電源功率，例如車載電池，來滿足微波發(fā)生磁控管1020的需要。微波發(fā)生磁控管1020 把電能轉(zhuǎn)化成2. 45GHz頻率的微波輸出。微波在波導(dǎo)1021里傳播，然后被共軸發(fā)射裝置 1022發(fā)射到諧振腔1018即重整器腔室內(nèi)。微波發(fā)生磁控管1020用液體冷卻劑1006冷卻以使其溫度控制在合適的范圍內(nèi)。 微波發(fā)生磁控管1020產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻劑，然后通過熱交換器1007加熱液體燃料和水來重復(fù)利用熱能，提高液體燃料和水的溫度。從熱交換器1007出來的液體燃料和水在蒸發(fā)器1008里被蒸發(fā)。液體燃料和水的蒸汽被送到諧振腔1018里。燃料和水的蒸汽的流速由它們各自的流速控制器10111012控制。燃料和水的流速按照它們化學(xué)反應(yīng)當量的比值來確定。例如，乙醇和水的反應(yīng)，化學(xué)方程式為CH3CH20H + H20 — 4H2 + 2C0質(zhì)量46g18g8g56g能量或形成條件-234.6J-241.83JOJ -221.08J這個反應(yīng)是吸熱的，需要吸入254. 82J的能量完成反應(yīng)。重整氣體0H2+CO)燃燒釋放的熱量可以由下面燃燒方程確定(4H2 +2C0) + 302 — 2C02 + 4H20形成條件OJ -221.08JOJ-707.04J -967. 32J這個反應(yīng)釋放的總能量為1453. 28J.重整反應(yīng)輸入的能量和重整氣體包含的總能量之比是 254. 83/1453. 28 = 1/5. 7。上面計算建立了把化學(xué)物質(zhì)激發(fā)為等離子狀態(tài)的微波功率和乙醇蒸汽流速之間的關(guān)系，如下
權(quán)利要求
1.一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，主要由系統(tǒng)控制器(1001)、電源供應(yīng)調(diào)節(jié)器(1019)、微波發(fā)生磁控管(1020)、波導(dǎo)(1021)、共軸發(fā)射裝置(1022)、諧振腔(1018)、熱交換器(1007)和蒸發(fā)器(1008)組成，其特征在于，所述系統(tǒng)控制器(1001) 控制燃料和水的流速及微波功率，所述的電源供應(yīng)調(diào)節(jié)器(1019)用來調(diào)節(jié)微波發(fā)生磁控管(1020)的電源功率，微波發(fā)生磁控管(1020)將電能轉(zhuǎn)化為2. 45GHz頻率的微波，然后通過共軸發(fā)生裝置(1022)發(fā)射到諧振腔(1018)，所述諧振腔(1018)也是等離子體反應(yīng)重整器腔室，所述微波發(fā)生磁控管(1020)用液體冷卻劑(1006)冷卻，熱量通過熱交換器 (1007)傳遞給液體燃料和水，液體燃料和水進入蒸發(fā)器(1008)蒸發(fā)形成蒸汽進入微波諧振腔(1018)，安裝在火花點火裝置連接座(1017)上的火花點火裝置將重整器內(nèi)腔的化學(xué)物質(zhì)激發(fā)為等離子狀態(tài)，火花點火裝置通過火花點火裝置控制器(102 控制開與關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，其特征在于，所述諧振腔(1018)為圓柱形結(jié)構(gòu)，諧振腔由三部分腔體組成，腔體1(3002)前端與波導(dǎo)(1021)連接，并允許探針饋電發(fā)射器(3001)延伸到諧振腔內(nèi)，腔體11(3004)的后端與腔體III (3007)的前端連接，腔體1(3002)與腔體II (3004)之間裝有絕緣窗(3003)，將反應(yīng)室和探針饋電發(fā)射器(3001)分開，絕緣窗(300 允許微波通過，腔體III (3007)設(shè)有一個主氣體出口(500 和一組次級氣體出口(5001)，主氣體出口(500 與主氣體出口導(dǎo)管 (3008)相連，次級氣體出口(5001)與次級氣體出口導(dǎo)管(300 連接，次級氣體出口導(dǎo)管 (3005)連接氣流閥(3006)，氣體主輸出口的最大直徑應(yīng)該確保在低功率運行時未反應(yīng)的化學(xué)氣體不能從這里出去。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)， 其特征在于，所述腔體11(3004)的輪緣上設(shè)有螺孔000 和進給環(huán)槽(4004)，進給環(huán)槽G004)上開有進給孔路(4001)，螺栓通過螺孔000 連接腔體II (3004)和腔體 III (3007)，燃料和水蒸汽通過進給孔路0001)進入進給環(huán)槽(4004)，進給環(huán)槽0004)使得蒸汽沿槽環(huán)流動，腔體11(3004)內(nèi)壁上沿切線方向開了多個斜置的進給線槽(4005)，進給環(huán)槽G004)與進給線槽000 連通，其作用是在腔體內(nèi)產(chǎn)生渦旋氣流使得等離子體穩(wěn)定生成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，其特征在于，所述主氣體出口(500 設(shè)在腔體III (3007)后端的中心處，所述次級氣體出口 (5001)設(shè)在腔體III (3007)前端的周邊上，輸出口處設(shè)有一個開關(guān)的氣流閥(3006)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，其特征在于，所述諧振腔(1018)為矩形結(jié)構(gòu)，該諧振腔工作在TEltlp, ρ = 2,3,...模式下，所述波導(dǎo)(1021)連接在諧振腔底部，探針饋電發(fā)射器(3001)安裝在電場最大的點處，并延伸到諧振腔內(nèi)發(fā)射微波，諧振腔內(nèi)插入一個硼硅酸玻璃管(600 作為重整反應(yīng)器，硼硅酸玻璃管(600 —端通過一個連接器與燃料和水蒸氣入口導(dǎo)管(6001)連接，硼硅酸玻璃管 (6003)另一端通過兩個連接器連接排氣管，把重整氣體通過重整氣體出口導(dǎo)管(6002)輸出，火花點火器通過火花點火裝置連接座(1017)安裝在諧振腔壁上，并延伸到硼硅酸玻璃管(6003)內(nèi)用于啟動等離子體產(chǎn)生，一旦等離子體產(chǎn)生激發(fā)并由微波功率保持住，火花點火器就會關(guān)閉。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，其特征在于，所述矩形結(jié)的構(gòu)諧振腔(1018)的微波發(fā)射(7002)在長方腔體(7001)中形成駐波， 駐波在長方腔體(7001)中形成電場縱向分布(700 和橫向分布(7004)，其峰值電場位于駐波波峰區(qū)域(7005)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，其特征在于，所述硼硅酸玻璃管(6003)垂直于諧振腔A-A剖面，并位于諧振腔橫切面即B-B剖面的中心位置，放置于駐波波峰區(qū)域(7005)，并平行于電場方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，其特征在于，所述諧振腔(1018)為矩形結(jié)構(gòu)，該諧振腔工作在TEltlp, ρ = 2，3，...模式下，諧振腔由前后兩部分組成，腔體前端與波導(dǎo)(1021)連接，并允許探針饋電發(fā)射器(3001)延伸到諧振腔內(nèi)，腔體后端連接有燃料和水蒸氣入口導(dǎo)管(6001)和重整氣體出口導(dǎo)管(6002)，腔體后端在燃料和水蒸氣入口導(dǎo)管(6001)處附近設(shè)計有火花點火裝置連接座(1017)，腔體前端和腔體后端由一個絕緣分隔板(8001)分隔，絕緣分隔板(8001)允許微波通過，但隔離了腔體前端和腔體后端之間粒子的相互擴散，絕緣分隔板(8001)和腔體后端構(gòu)成了等離子重整反應(yīng)區(qū)域，絕緣分隔板的作用是使得微波探針饋電發(fā)射器(3001)不受化學(xué)物質(zhì)污染，并取消了硼硅酸玻璃管(6003)，增大了等離子重整化學(xué)反應(yīng)區(qū)域的體積。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，其特征在于，在諧振腔駐波波峰區(qū)域(700 的頂部開了一個孔，此孔通過連接器與一個燃料和水蒸氣入口導(dǎo)管(6001)相連，燃料和水的蒸氣通過該孔進入反應(yīng)器，在諧振腔駐波波峰區(qū)域(700 底部相應(yīng)地開了另一個孔，連接重整氣體出口導(dǎo)管(6002)，把重整氣體輸出反應(yīng)器，火花點火裝置連接座(1017)安裝在諧振腔上并延伸到腔內(nèi)駐波波峰區(qū)域(7005)，用來啟動等離子體產(chǎn)生，一旦等離子體產(chǎn)生激發(fā)并由微波功率保持住，火花點火器就會關(guān)閉。
全文摘要
本發(fā)明公開了一款新型微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，特別是涉及一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)化汽油、柴油、酒精、水及其混合物等制備富氫氣體。技術(shù)方案是兩個諧振腔——圓柱形和矩形諧振腔。設(shè)計了切線方向上多口輸入的新方法，這樣在重整器內(nèi)腔生成渦旋氣流來穩(wěn)定產(chǎn)生等離子體。兩套氣體輸出口氣體主輸出口和子輸出口，這樣腔內(nèi)功率密度可以保持在較低的水平。兩種矩形腔結(jié)構(gòu)一種設(shè)計使用硼硅酸玻璃管，減少了化學(xué)物質(zhì)污染微波諧振腔的風(fēng)險；另一種設(shè)計使用部分諧振腔作為化學(xué)反應(yīng)器，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單。還設(shè)計了自動啟動技術(shù)，在初始激發(fā)微波等離子體時，用來點燃微波低溫等離子體。
文檔編號C01B3/32GK102363521SQ20111034165
公開日2012年2月29日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者王軍年, 王慶年, 王治強 申請人:吉林大學(xué)