[实用新型]一种高效、快速、结构紧凑的车载富氢气体制备装置

说明书

技术领域

本实用新型属于新能源领域，该装置的作用是使碳氢燃料在常温常压下快速地与空气发生部分氧化反应，产生富氢气体，从而提高汽车的燃烧效率、降低有害排放。

背景技术

目前，世界性的能源危机、环境污染等问题日益严重。而汽车作为石油的主要消耗者，它消耗的石油资源越来越多，其行驶时排出的气体(态)污染物(CO、NO_x、HC)、微粒污染物、蒸发排放物等也已成为城市空气污染的主要来源。因此，开发廉价、清洁的新能源已成为汽车工业迫在眉睫的任务。

氢气的热值是140kJ/g，大约为汽油的三倍，被认为是取代矿物燃料的理想能源。虽然氢罐的最大压力已达70MPa，但还是不能满足续驶里程的要求，并且还存在安全隐患等问题，而车载富氢气体制备装置则可以较好地解决上述问题，是最现实的移动氢源的选择之一。目前，车载碳氢燃料重整制氢的方法有化学重整法和等离子体重整法两种。

(1)化学重整法

化学重整法的原理是在催化剂的作用下，使碳氢燃料发生化学变化产生氢气，其中包括水蒸气重整、部分氧化重整和自热重整。水蒸气重整制氢是比较成熟的技术，在催化剂的作用下，可将碳氢燃料中的氢与水中的氢都转化成氢气，因此其产氢率高，但由于该反应为吸热反应，故需外部供热，因此整个系统的热效率低。部分氧化重整制氢在工业制氢领域是比较成熟的技术，它甚至可将重油转化为富氢氢气，其产氢率比水蒸气重整的低，并且空气中的氮气会稀释产气中氢气的体积百分含量，但由于该反应为放热反应，故外部供热少，整个系统的热效率较高，并且启动时间短、动态响应快。自热重整即将吸热的水蒸气重整和放热的部分氧化重整结合到一起，并在一定条件下实现热量的自平衡，该重整方式的产氢效率高、能量利用率高，但是容易出现局部过热现象(即“热点”)。

(2)等离子体重整法

等离子体重整(Plasma reforming)是近10年才出现的一种重整制氢的方法，它是利用气体通过高压电极间的空间时，电极间流动的电子将使气体分子分裂，产生物质的第四态--等离子体。由于等离子体中存在活性自由基(如O、OH、O₃等)，因而可引发部分化学反应的发生。由于等离子体的能量密度高，不需要催化反应器，因此可大幅度降低重整器的大小和质量。等离子体重整装置结构简单、制氢速度快、启动快、可以不用催化剂、可在常温常压下、极短的时间、较小的反应空间内引发制氢反应，因此被认为是多变条件下小规模生产氢气的理想选择。众所周知，PEMFC的阴极Pt催化剂会CO中毒，目前能够耐受的CO最大允许值约为10ppm，利用Plasma重整法可使碳氢燃料在高温下迅速发生分解反应，该反应的产物为炭和氢气，不产生使Pt催化剂中毒的气体CO，以及温室气体CO₂。虽然等离子体发生器需要消耗电能来产生等离子体，但其消耗的电能仅为几十瓦，相当于一个车前照灯消耗的能量，相对其消耗的能量，其节省的能量更多，并且可以使燃烧产物更为清洁。等离子体重整的另一大优势是其可重整的燃料很多，像酒精、柴油、生物垃圾、天然气等。

由此可见，化学重整法与等离子体重整法制氢原理的不同之处是它们激发化学反应的活性物质不同。化学重整法的活性物质是催化剂，而等离子体重整法的活性物质是活性自由基。但是催化剂往往需要在高温下才能发挥其活性，因此需要加热，使得消耗的能量更多，并且加热时间一般需要几分钟，因此利用化学重整法的制氢装置启动较慢。但是等离子体重整法不需要催化剂，在常温下就可发生反应，因此利用等离子体重整法的制氢装置启动快。

实用新型内容：

为解决上述问题，本实用新型提供一种低成本、启动快、高效、结构紧凑的车载富氢气体制备装置。

采用的技术方案如下：车载富氢气体制备装置，其为圆筒状结构，包括相互连接的等离子体发生器和等离子体反应器两部分，等离子体发生器包括进气口，进气口设置为偏心式，等离子体发生器的内腔被分为两个气室，下气室为燃料的预混室，整个装置为立式，采用不锈钢材料制作。

偏心式进气口设计，使得进气产生涡流，增长了气体与电弧的接触时间，以便产生更多的等离子体，等离体发生器内腔的下气室作为燃料的预混室，使燃料能更好地混合，整个装置为立式，气体从下往上流，由于氢气的密度小，该结构有利于氢气的溢出。