车载燃料的微波等离子在线制氢系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统。包括管路部分、微波部分和控制部分，微波部分的磁控管通过磁控管座与环行器连接，磁控管电源调控装置用来调节磁控管电源电压，使磁控管输出功率连续可调，谐振腔包括点火腔和反应腔，点火腔与反应腔相连接，并分别连接在环行器的两个输出端，环行器通过2根弯波导分别与点火腔和反应腔连接，在环行器与点火腔之间的弯波导上装有一个电调反射器；所述的控制部分主要由工控机、温度压力传感器和流量计组成，通过对各信号采集点信息的采集并进行分析，控制整个系统在规定的进程上工作。本实用新型专利技术解决了体积小型化、重量轻便化、控制智能化；微波输出功率连续可调，低温、低压环境下运行等问题。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及燃料的微波等离子在线转换制氢技术、车载等离子转换器控制领域，特别是微波等离子反应腔的氢气转换器及其车载控制系统、控制策略。
技术介绍
氢或富氢气体是一种良好的助燃剂，可以显著提高汽车发动机碳氢燃料的燃烧器特性。将局部富氢技术应用到发动机的点火和燃烧过程可以显著减少燃料消耗和污染气体的排放。对于车辆的发展前景而言，使车载汽油、柴油、乙醇等碳氢燃料生成氢或富氢气体是一项关键技术。将碳氢燃料分子重整为氢或富氢气体的主要技术有热解和电解的方法。在热解方法中，例如天燃气制氢工艺需要在高温下(80(TC 110(TC )进行，打开C-H和C-O键，形成富氢气体。在电解过程中，碳氢燃料处于强电场区域，碳氢燃料被击穿，C-H和C-O键断裂形成等离子体状态，然后重整成富氢气体。与天然气、汽油、甲醇等重组原料相比，乙醇重整制氢具有环境友好和氢气收率高等特点，乙醇可以通过三种方式制取富氢气体[李吉刚，孙杰，陈立泉，李弘，程玉龙，张立功，董中朝.于商业化前夜的乙醇低温重整制氢催化技术[J].农业工程技术(新能源产业)，2009]。例如，乙醇和水的重整反应方程式为CH3CH20H+H20 — 2C0+4H2。在这个反应中，理论上每摩尔乙醇需要255.43KJ的能量。文献[胡又平，李格升，高孝红，严正.水乙醇等离子体重整制氢中乙醇裂解的关键路径模拟[J].南京航空航天大学学报.2009]对含水乙醇等离子体制氢中乙醇裂解的关键路径进行了模拟。由于等离子体具有更高的温度和能量密度，能够产生活性成分，从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学反应。因此本专利设计一套通过微波驱动的等离子体重整器系统，具有高效、易启动、易控制等优点。用于驱动微波等离子体重整器的微波能量可以通过磁控管、速调管、半导体微波发生器等微波源来产生。本系统采用的微波频率为2.45GHz，微波传输线为矩形波导，具有结构简单、机械强度大等优点，还可以避免外界干扰和辐射损耗。一些研究者已经用不同方法研究了微波等离子体。激发等离子体的方式有火花塞点火、激光点火、脉冲电晕放电点火、介质阻挡放电等。通过对谐振腔的特殊设计也可以激发等离子体[United States Patent, N0.5793013, Augustl1,1998]、[United StatesPatent,N0.6205769,BI,March27, 2001]。文献[S.P.Kuo, “A microwave-augmented plasmatorch module as an igniter/fuel injector of a scram jet engine，，，Department ofElectrical&Computer Engineering, Polytechnic University, Six Metrotech Center,Brooklyn, NY11201]中介绍了一种小型化、低流速、注射点火一体化的等离子体产生装置，利用特殊的波导形状，产生的能量集中，可以有效实现点火。文献[Hidetoshi Sekiguchiand Yoshihiro Mori, “Steam plasma reforming using microwave discharge，，，ThinSolid Films, Vol.453，pp.44-48，2003]做了微波放电生成大气中的纯蒸汽等离子体的研究，以及用等离子体重整碳氢化合物制氢的研究，并使用了一个不具有热再生、微波功率和流控制的矩形谐振腔。
技术实现思路
制取富氢气体的方法有化学重整法和等离子体重整法，它们的不同之处是他们激发化学反应的化学物质不同。化学重整法的激活物质是催化剂，而等离子体重整法的活性物质是活性自由基。化学重整法往往需要高温、持续加热，反应启动较慢。而等离子体重整法不需要催化剂，反应环境也容易获得，因此本系统采用等离子体重整法制取富氢气体。前面介绍的几种点火方式都有一定的局限性，火花塞点火方式需要定期更换，对环境有较高要求，激光、脉冲等点火方式需要高电压、高交变电压，文献[S.P.Kuo, “Amicrowave-augmented plasma torch module as an igniter/fuelinjector of a scram jet engine，，，Department of Electrical&Computer Engineering,Polytechnic University, Six Metrotech Center, Brooklyn, NYl 1201]产生的是低流速等离子体，不利于反应的快速进行。文献[Hidetoshi Sekiguchi and Yoshihiro Mori,“Steamplasma reforming using microwave discharge”,Thin Solid Films,Vol.453,pp.44-48,2003]中矩形谐振腔结构简单、腔内电磁场分析也比较容易，但是得到的电磁场场强相对较小，反应气体在腔内的路程短，转化率较低。因此本技术设计了两个特殊的腔体一点火腔1010和圆环反应腔1011 ;点火腔1010用于点燃等离子体，几何形状为锥形，微波1032通过时能够形成高密度微波能量，具有很高的场强，当场强达到气体的击穿场强时，就会产生微波打火，将混合气体点燃。反应腔1011设计成圆环形的柱体形状，圆环截面与矩形波导截面相同，有利于微波1032在反应腔中的传播，并产生较高的场强，持续不断的为反应提供能量，保持反应处于等离子体状态。通过对电调反射器1023的控制使整个系统具备自启动功能。本技术的目的是为解决上述的技术问题，提供一种新型、高效、启动快、结构紧凑的车载燃料的微波等离子在线制氢系统。本技术的上述目的提供以下技术方案实现，结合附图说明如下。一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，包括管路部分、微波部分和控制部分，所述微波部分主要由磁控管电源调控装置、磁控管1019、磁控管座1020、环行器1021、电调反射器1023和谐振腔组成，所述磁控管1019通过磁控管座1020与环行器1021连接，所述磁控管电源调控装置用来调节磁控管1019电源电压，使磁控管1019输出功率连续可调，所述谐振腔包括点火腔1010和反应腔1011，点火腔1010与反应腔1011相连接，并分别连接在环行器1021的两个输出端，环行器1021通过2根弯波导1025分别与点火腔1010和反应腔1011连接，在环行器1021与点火腔1010之间的弯波导1025上装有一个电调反射器1023 ;所述的控制部分主要由工控机1044、温度压力传感器和流量计组成，通过对各信号采集点信息的采集并进行分析，控制整个系统在规定的进程上工作。所述管路部分主要由2个蠕动泵1003、空气泵1004、汽化器1007、预混腔1009、真空泵1015、冷凝器1012、磁控管1019、干燥器1014和流量计1006组成，所述2个蠕动泵1003分别控制水和乙醇液体流量，空气泵1004控制空气流量，汽化器1007设计成三进三出的圆盘结构，用于将反应原料汽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，包括微波部分、控制部分和管路部分，其特征在于，所述微波部分主要由磁控管电源调控装置、磁控管(1019)、环行器(1021)、电调反射器(1023)和谐振腔组成，所述磁控管(1019)通过磁控管座(1020)与环行器(1021)连接，所述磁控管电源调控装置用来调节磁控管(1019)电源电压，使磁控管(1019)输出功率连续可调，所述谐振腔包括点火腔(1010)和反应腔(1011)，点火腔(1010)与反应腔(1011)相连接，所述环行器(1021)通过2根弯波导(1025)分别与点火腔(1010)和反应腔(1011)连接，在环行器(1021)与点火腔(1010)之间的弯波导(1025)上装有一个电调反射器(1023)；所述的控制部分主要由工控机(1044)、温度压力传感器和流量计组成，通过对各信号采集点信息的采集、分析，控制整个系统在规定的进程上工作。

【技术特征摘要】
1.一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，包括微波部分、控制部分和管路部分，其特征在于，所述微波部分主要由磁控管电源调控装置、磁控管(1019)、环行器(1021)、电调反射器(1023)和谐振腔组成，所述磁控管(1019)通过磁控管座(1020)与环行器(1021)连接，所述磁控管电源调控装置用来调节磁控管(1019)电源电压，使磁控管(1019)输出功率连续可调，所述谐振腔包括点火腔(1010)和反应腔(1011)，点火腔(1010)与反应腔(1011)相连接，所述环行器(1021)通过2根弯波导(1025)分别与点火腔(1010)和反应腔(1011)连接，在环行器(1021)与点火腔(1010)之间的弯波导(1025)上装有一个电调反射器(1023);所述的控制部分主要由工控机(1044)、温度压力传感器和流量计组成，通过对各信号采集点信息的采集、分析，控制整个系统在规定的进程上工作。2.根据权利要求1所述的一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，其特征在于，所述管路部分主要由2个蠕动泵(1003)、空气泵(1004)、汽化器(1007)、预混腔(1009)、真空泵(1015)、冷凝器(1012)、磁控管(1019)、干燥器(1014)和流量计(1006)组成，所述2个蠕动泵(1003)分别控制水和乙醇液体流量，空气泵(1004)控制空气流量，汽化器(1007)设计成三进三出的圆盘结构，用于将反应原料汽化并加热到相同温度，气化后的气体进入预混腔(1009)充分混合，真空泵(1015)装在反应腔(1011)后面的管路上，用于提供系统的负压环境，降低反应物的沸点和击穿场强，使反应更容易进行，在汽化器(1007)与2个蠕动泵(1003)和空气泵(1004)之间的管路上分别装有真空电磁阀(1005)，用于协同真空泵(1015)对系统抽取负压，并在紧急情况下切断原料的供应来终止整个系统的反应，冷凝器(1012)和干燥器(1014)分别依次装在反应腔(1011)与真空泵(1015)之间的管路上，冷凝器(1012)采用冷却水循环方式，并与磁控管(1019)的冷却水循环管路串联在一起，通过一个水泵管路循环完成冷却，用于将高温产物冷却，分离出未反应的水和乙醇，提高原料的利用率，干燥器(1014)用于对产物气体进行干燥处理，流量计(1006)分别装在空气泵(1004)与汽化器(1007)之间和干燥器(1014)与真空泵(1015)之间，用于测量空气的流量和经冷凝干燥后的产物气体流量。`3.根据权利要求1所述的一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，其特征在于，所述磁控管(1019)用于把电能转化成微波(1032)输出，并采用水冷方式冷却，微波(1032)通过磁控管座(1020)改变传输方向进入环行器(1021),所述环行器(1021)具有单向传输特性，入射信号能顺利通过，反射信号由于被电阻吸收而不能通过，所述电调反射器(1023)用于调节点火腔(1010)和反应腔(1011)中的微波(1032)能量分配，当点火腔(1010)中完成点火后通过电调反射器(1023)使微波(1032)全部进入反应腔(1011)。4.根据权利要求1所述的一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，其特征在于，所述点火腔(1010)用于点燃等离子体，点火腔(1010)几何形状为锥形，反应腔(1011)为圆环形的柱体形状，圆环截面与矩形波导截面相同，有利于微波(1032)在反应腔(1011)中的传播，持续不断的为反应提供能量，保持反应处于等离子体状态，混合气体通过石英管(1027)进入点火腔(1010)和反应腔(1011)，利于保温和观察，在石英管(1027)垂直穿过点火腔(1010)产生的两个直径与石英...

【专利技术属性】
技术研发人员：王治强，王庆年，王军年，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：实用新型
国别省市：