专利名称：移动制氢发动机燃料系统及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以液态含氢燃料(低碳醇、烃、醚等)为氢载体的机载移动催化重整制氢，燃料重整用水为再生水、用能实现气液分离的气液管状分离膜从催化反应腔中及时导出重整富氢混合气，并以富氢混合气为发动机燃料的移动制氢发动机燃料系统及其装置，属发动机燃料系统和能源技术领域。
背景技术：
随着石油资源的不断枯竭和日夜增加的排放压力，寻找环保的替代能源早已受到世界各国的关注。氢气已成公认的清洁、替代能源。
氢燃料作为发动机的直接能源具有能量转换效率高、动力性能好和污染非常小的突出优点。氢能将成为理想的清洁能源之一，已经成为全球性的共识。以纯氢或氢和其它能源混合使用的各种混合动力的机车已成为世界各国研究的热点。
但氢能的广泛利用存在两面的主要障碍，其一是大规模的生产氢气的主要手段，就目前技术还在于电解水，但是如果电解水的上游能源是来自地矿资源，这样的氢能不仅没有替代能源的意义，相反是成本极高的高耗能态；其二在于其储存与配给的困难，氢气不便于管道输送和地面充氢站的投资成本极高的问题，已成为发展氢气车的一大瓶颈。
以液态含氢燃料(低碳醇、烃、醚等)为氢载体，利用发动机排气废热，将其通过公知的催化反应原理(直接裂解、或和水蒸汽重整、或和部份氧化)随车转化为以氢气为主，同时含有一定二氧化碳、 一氧化碳等气体的富氢混合气，并以此富氢混合气为发动机燃料的移动制氢技术，不仅能较好地解决地面充氢机车的储藏、配给和制造成本问题；同时能改变现有技术直接燃烧
液态含氢燃料的不科学的、高耗能的使用方式，因为将液态的含氢燃料转化
为氢气后，其燃料的总热值有20%以上增值，能较大地提高发动机的热效率，是节能降耗的有效途径；并能大大改善排气质量。
包括本发明人申请中的专利技术2008100957703《随行制氢发动机燃料系统》等在内的诸多公知移动制氢发动机燃料系统技术，均存在至少一个共同的不足
无论燃料使用低碳醇或是烃，燃料蒸汽或预热燃料在随行制氢装置(重整器)中所产的富氢混合气不能及时与催化剂层分离，重整气中的部分H2、C0和C02会发生甲烷化反应(尤其是在温度低于50(TC时)，燃料重整制氢的氢气转化率低，甲垸转化率高。而且由于重整过程需要利用发动机排气废热，受发动机工况不断变化的影响，重整器催化反应腔的温度也相应变化，重整气中仏、CO和C02发生甲烷化反应的程度不确定，富氢混合气中氢气和甲烷的相对含量不断变化，导致发动机空燃比不能适应富氢混合气中可燃组分的变化。可以说，富氢混合气中可燃成分的相对含量不稳定，是内燃发动机移动制氢技术不能实际应用的一个瓶颈问题。
除本发明人申请中的专利技术2008100957703《随行制氢发动机燃料系统》(发动机燃用富氢混合气)、2008100914394《随行制氢发动机燃料系统及其装置》(发动机然用工业级纯氢)夕卜，现有公知移动制氢技术还存在以下两方面的不足
其一、为了减少或克服制氢过程中随行制氢装置(重整器)的积炭现象，无论使用含水醇或配备专用水箱的烃燃料，以控制催化制氢中有较大比例的水蒸气重整反应，或保证烃燃料有足够的水参与重整反应，水蒸发时都存在严重的结垢问题；与相同容积燃料箱的现有直接燃烧的汽柴油发动机机车比较，其续驶里程仅为直接燃烧汽柴油发动机机车的40%左右。现有公知移动制氢技术对水蒸发时的结垢现象和续驶里程极短的问题甚至根本未引起重视，而结垢和续驶里程短，是移动制氢技术走向实用化的必须解决的问题。
其二、使用烃燃料时，在移动制氢系统中需要增加专门的脱硫装置，系统结构繁复、控制方法相对复杂，减少或简化系统设备装置、管道对于移动 机车有限的空间和减少自重十分重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种移动重整制氢产气(富氢混合气)成分稳定、 氢气产率高、不结垢、续驶里程长、膜材料不需要昂贵的金属钯，随行制氢 装置(重整器)体积小，制造成本低廉，系统占用空间少和结构简单的，利 用发动机排气废热的机载移动制氢发动机燃料系统及其装置。
本发明的创新要点在于，在本发明人申请中的专利技术《紧凑型随行制 氢装置》中改集成制取高纯氢气的钯膜为集成能将重整富氢混合气及时从催 化反应腔导出的气液管状分离膜，本发明的气液管状分离膜不含钯，并将其 应用于本发明人申请中的专利技术《随行制氢发动机燃料系统》中成为本发 明。
本发明利用紧凑型随行制氢装置中集成的气液管状分离膜，将富氢混合
气及时从催化反应腔中导出，使重整气中的H2、 C0、 C02与催化剂隔离，可
以收到四方面的有益结果
其一，避免了燃料重整转化的富氢混合气组分(尤其在低温条件)可能 发生的甲垸化反应，有效地提高了重整制氢的氢选择性和氢气产率。经燃料
低温(低于80(TC时)重整制氢的最大不足在于，重整气中的H2、 C0和C02 在催化剂的作用下发生甲烷化反应，生成CH4，从而导致燃料重整转化过程 的氢选择性差、氢气收率低。利用气液管状分离膜将重整气及时导出催化反 应腔，使H2、 C0、 C02与催化剂隔离，避免了重整气的甲垸化反应，有效地 提高氢选择性和氢气产率。 -
其二，为烃类燃料低温(450-600°C)重整制氢创造了条件，并放宽了 高温(800-ll(XTC)重整制氢技术对随行制氢装置材质的苛刻要求和減少了 运行的能耗，降低了制造和运行成本。由于富氢混合气及时被气液管状分离 膜导出催化反应腔，选用合适的高效催化剂(如添加La和Mg及其氧化物的 Ni基催化剂等)，即使在较低的温度下(550°C)条件下，也可实现烃燃料的 重整制氢，而不必担心发生严重的甲烷化反应导致的氢选择性低于甲烷选择性的低产氢率问题，使重整转化的富氢混合气的干基气体中，氢气含量接近
75%v/v。
其三，液态燃料和及时分离了富氢混合气组分的重整环境，可以耐受较 宽范围的温度波动变化，有利于稳定重整制氢的产气组分，解决了移动重整 制氢技术实用化中十分关键的瓶颈问题。由于发动机负荷不断变化，其排气 流量和温度也随之波动，从而引起重整器内催化反应腔温度的不断变化，重 整气的甲烷化反应程度也相应地改变，使得重整富氢混合气中的可燃组分含 量不断波动，以至于发动机的空燃比不能适应其变化，从而引起发动机功率 的不稳定。移动催化重整制氢技术产气成分不稳定的问题，长期以来一直是 阻碍该技术实用化的十分关键的瓶颈问题，以至于有的技术研发机构有放弃 催化重整，而去选择高耗能的等离子重整技术路线的倾向。
其四，将重整富氢混合气从催化反应腔中及时导出，其目的是将富氢混 合气与催化剂隔离，不是要获得高纯氢气，对分离膜的选择性要求低、通量 大、不需要分离高纯氢气的贵金属钯，相对于钯膜成本，造价极低。此外， 制取高纯氢要求分离膜具有较高的分离系数，其在一定压力下的单位膜面积 通氢量必然很小，因此需要有庞大的过滤装置，以至于难于应用移动机车。 钯膜昂贵的造价和庞大的装置体积是用钯膜制取高纯氢气技术实用化难以 逾越的屏障。
发动机排气再生水的利用，从根本上解决了现有移动制氢发动机因水蒸 发产生结垢、续驶里程短或必须配置专用水箱的问题而导致移动制氢技术难 于实用化的障碍。 .
应用本发明人的集成气液管状分离膜或和脱硫腔的紧凑型随行制氢装 置，简化了系统结构、节约了有限的机车空间，更有利于机载移动重整制氢 技术的实用化。
本发明所采用技术方案是
1、(图1-7) —种由制氢系统、氢气缓冲罐、发动机、燃料泵和燃料箱 组成的移动制氢发动机燃料系统及其装置，其特征在于制氢系统的富氢混合 气管与氢气缓冲罐的入口连接，氢气缓冲罐的富氢混合气管与发动机(经减压阀、恒压轨等辅件，附图未示出)连接，发动机的排气通过排气管与制氢 系统的混合喷燃器连通。
2、 (附图2、 3、 4、 5、 6、 7)制氢系统1涉及的一种紧凑型随行制氢装 置，其特征在于催化反应腔内集成有能将富氢混合气及时导出催化反应腔的 气液管状分离膜，气液管状分离膜的长度为3-L(cm)， L等于催化反应腔长 度，气液管状分离膜对氢气含量>20% (v/v，干基)的富氢混合气的通量》 80M7M2.h.bar，对氢气/水蒸气的分离系数>2000，最佳》5000，在重整条 件下不透过液态烃、醇和水。
本发明的气液管状分离膜，以实现富氢混合气及时与液态燃料从催化反 应腔中分离导出为目的，不需要贵重金属钯，对分离系数的要求不高，通量 大，装置体积小，制造成本低廉，能耗较低，具有确定的实用价值。
3、 (附图2、 3、 4、 5、 6、 7)制氢系统1涉及的一种紧凑型随行制氢装 置13的催化重整腔004内催化重整条件，其特征在于烃燃料在450-1100°C， 最佳为500-58(TC温度范围、0.3-3Mpa压力范围催化重制取富氢混合气，醇 燃料在200-600°C，最佳为250-350。C温度范围、0. 3-3Mpa压力范围催化重 制取富氢混合气；燃料催化重整制氢所用水为发动机3排气的再生水。
本发明由于燃料重整转化的富氢混合气及时被气液管状分离膜导出催 化反应腔，选用合适的高效催化剂(如添加La和Mg及其氧化物的Ni基催 化剂等)，即使在较低的温度下(550°C)条件下，也可实现烃燃料的重整制 氢，而不必担心发生严重的甲烷化反应导致的氢选择性低于甲烷选择性的低 产氢率问题，其干基气体氢气含量可接近75%v/v。
本发明涉及的随行制氢装置，尤其适合使用本发明人申请中的专利技术 200810091438X紧凑型随行制氢装置，将本申请人申请中的专利技术紧凑型 随行制氢装置用于本发明时，其中集成的管状分离膜为本发明所述特征的气 液管状分离膜。使用其他公知技术的随行制氢装置(重整器)时，也需要集 成气液管状分离膜。
本发明涉及的集成脱硫腔的紧凑型随行制氢装置适用于有脱硫需要的 烃类燃料，也适用于无脱硫需要的醇类燃料和使用耐硫催化剂的烃类燃料。 使用于无脱硫需要的燃料时，脱硫腔无需装填脱硫剂。
10本发明涉及的无脱硫腔随行制氢装置适用于无脱硫需要的醇类燃料和 使用耐硫催化剂的烃类燃料。
4、 (附图2) —种利用再生水和及时将富氢混合气导出催化反应腔的制 氢系统，其特征在于燃料预热换热器和再生水蒸发换热器置于集成气液管状
分离膜和脱硫腔的紧凑型随行制氢装置外；系统连接及流程为来自混合喷燃 器的加热气经进气腔、换热管管程、尾气腔、尾气管及尾气管上的再生水蒸 发换热器热流通道、燃料预热换热器热流通道后排出，燃料经燃料管、燃料 预热换热器冷流通道和预热燃料管进入脱硫腔入口 ，加热尾气在燃料预热换 热器热流通道内凝结的冷凝再生水经再生水管及再生水管上的再生水泵、再 生水蒸发换热器冷流通道和再生水蒸汽管进入脱硫腔(出口)，预热燃料经 脱硫腔与再生水蒸气混合后，进入催化反应腔生成的富氢混合气流经气液管 状分离膜段，富氢混合气通过气液管状分离膜的微孔进入气液管状分离膜内 通道，再进入富氢混合气腔，并经富氢混合气管送入氢气缓冲罐，非通透性 可燃重整尾气经中间废气管送至混合喷燃器。
本发明涉及的非通透性可燃重整尾气，是指燃料在催化反应腔发生催化 重整反应生成的富氢混合气(氢气、 一氧化碳、二氧化碳、甲垸等)经气液 管状分离膜及时导出催化反应腔后，不能透过气液管状分离膜的其它气态组 分，其中包括燃料蒸汽、水蒸气、甲垸等。非通透性可燃重整尾气经中间废 气管送至混合喷燃器直接燃烧或在燃烧室无焰催化燃烧，回收其热能以补充 发动机排气热能的不足。
5、 (附图3) —种利用再生水和及时将富氢混合气导出催化反应腔的制 氢系统，其特征在于燃料预热换热器和再生水蒸发换热器置于集成气液管状 分离膜的紧凑型随行制氢装置外；系统连接及流程为来自混合喷燃器的加热 气经进气腔、换热管管程、尾气腔、尾气管及尾气管上的再生水蒸发换热器 热流通道、燃料预热换热器热流通道后排出，燃料经燃料管、燃料预热换热 器冷流通道和预热燃料管进入催化反应腔入口 ，加热尾气在燃料预热换热器 热流通道内凝结的冷凝再生水经再生水管及再生水管上的再生水泵、再生水 蒸发换热器冷流通道和再生水蒸汽管直接进入催化反应腔，预热燃料和再生 水蒸气混合后在催化反应腔内生成的富氢混合气流经气液管状分离膜段，富氢混合气通过气液管状分离膜的微孔进入气液管状分离膜的通透侧，再进入 富氢混合气腔，.非通透性可燃重整尾气经中间废气管送至混合喷燃器。
6、 (附图4) 一种利用再生水和及时将富氢混合气导出催化反应腔的制
氢系统，其特征在于燃料预热换热器置于集成气液管状分离膜和脱硫腔的紧 凑型随行制氢装置外、再生水蒸发器置于集成气液管状分离膜和脱硫腔的紧
凑型随行制氢装置的尾气腔内；系统连接及流程为来自混合喷燃器的加热气 经进气腔、换热管管程、尾气腔、尾气管及尾气管上的燃料预热换热器热流 通道后排出，燃料经燃料管、燃料预热换热器冷流通道和预热燃料管进入脱 硫腔入口，加热尾气在燃料预热换热器热流通道内凝结的冷凝再生水经再生 水管及再生水管上的再生水泵、尾气腔内的再生水蒸发器直接进入脱硫腔 (出口)，预热燃料经脱硫腔与再生水蒸气混合后，进入催化反应腔生成的 富氢混合气流经气液管状分离膜段，富氢混合气通过气液管状分离膜的微孔 进入气液管状分离膜的通透侧，再进入富氢混合气腔；非通透性可燃重整尾 气经中间废气管送至混合喷燃器。
7、 (附图5) —种利用再生水和及时将富氢混合气导出催化反应腔的制 氢系统，其特征在于燃料预热换热器置于集成气液管状分离膜的紧凑型随行 制氢装置外、再生水蒸发器置于集成气液管状分离膜的紧凑型随行制氢装置 的尾气腔内；系统连接及流程为来自混合喷燃器的加热气经进气腔、换热管 管程、尾气腔、尾气管及尾气管上的燃料预热换热器热流通道后排出，燃料 经燃料管、燃料预热换热器冷流通道和预热燃料管进入催化反应腔入口，加 热尾气在燃料预热换热器热流通道内凝结的冷凝再生水经再生水管及再生 水管上的再生水泵、尾气腔内的再生水蒸发器直接进入催化反应腔，预热燃 料和再生水蒸气混合后在催化反应腔内生成的富氢混合气流经气液管状分 离膜段，富氢混合气通过气液管状分离膜的微孔进入气液管状分离膜的通透 侧，再进入富氢混合气腔，非通透性可燃重整尾气经中间废气管送至混合喷 燃器。
8、 (附图6) —种利用再生水和及时将富氢混合气导出催化反应腔的制 氢系统，其特征在于燃料蒸发器置于集成气液管状分离膜和脱硫腔的紧凑型 随行制氢装置的尾气腔内、再生水蒸发器置于集成气液管状分离膜和脱硫腔的紧凑型随行制氢装置的进气腔内；系统连接及流程为来自混合喷燃器的加 热气经进气腔、换热管管程、尾'气腔、尾气管后排出，燃料经燃料管、尾气 腔内的燃料蒸发器直接进入脱硫腔入口 ，加热尾气在尾气腔内凝结的冷凝再 生水经再生水管及再生水管上的再生水泵、进气腔内的再生水蒸发器直接进 入脱硫腔(出口)，预热燃料经脱硫腔与再生水蒸气混合后，进入催化反应 腔生成的富氢混合气流经气液管状分离膜段，富氢混合气通过气液管状分离 膜的微孔进入气液管状分离膜的通透侧，再进入富氢混合气腔，非通透性可 燃重整尾气经中间废气管送至混合喷燃器。
9、 (附图7) —种利用再生水和及时将富氢混合气导出催化反应腔的制 氢系统，其特征在于燃料蒸发器置于集成气液管状分离膜的紧凑型随行制氢 装置的尾气腔内、再生水蒸发器置于集成气液管状分离膜的紧凑型随行制氢 装置的进气腔内；系统连接及流程为来自混合喷燃器的加热气经进气腔、换 热管管程、尾气腔、尾气管后排出，燃料经燃料管、尾气腔内的燃料蒸发器 和预热燃料管进入催化反应腔，加热尾气在尾气腔内凝结的冷凝再生水经再 生水管及再生水管上的再生水泵、进气腔内的再生水蒸发器及再生水蒸汽管 进入催化反应腔入口，预热燃料与再生水蒸气混合后，进入催化反应腔生成 的富氢混合气流经气液管状分离膜段，富氢混合气通过气液管状分离膜的微 孔进入气液管状分离膜的通透侧，再进入富氢混合气腔，非通透性可燃重整 尾气经中间废气管送至混合喷燃器。
10、 (附图2、 3、 4、 5、 6、 7)特征1-9技术方案涉及的紧凑型随行制 氢装置，其特征在于在燃烧室001装载燃料催化燃烧的催化剂，改以明焰燃 烧催化反应腔004产生的非通透性可燃重整尾气为无焰催化燃烧。
催化燃烧催化剂可以选用多种市售催化剂，如多种Ni-Fe催化剂、负 载于二氧化硅等载体上的Pt、 Pd及其混合物等催化剂。
本发明涉及的混合喷燃器上，连接来自空气泵(附图未示出)的空气管， 以提供辅助燃料燃烧所需氧气。
本发明涉及的富氢混合气管中的富氢混合气温度较高，其中含有大量的 余热，可以在富氢混合气管上设置换热器(附图未示出)，对作为辅助燃料 氧化剂的空气或热爱不了进行预热，以回收富氢混合气管中氢气的余热。本发明涉及的各种随行制氢装置的催化反应腔入口，均可设置来自空气 泵(附图未示出)的空气管引入定量空气(利用其中的氧气)，以控制催化 制氢反应中有适当比例的部分氧化反应，利用部分氧化反应的放热效应，有 利于快速启动反应和提高定容随行制氢装置的产气速率。
本发明涉及的各种随行制氢装置中，可以在催化反应腔内设置电加热组 件(附图未示出)或和在混合喷燃器上设置冷启动燃料管(附图未示出)， 以满足冷启动的需要。
本发明涉及的随行制氢装置中的混合喷燃器，不是专门的组件，其实质 只是发动机排气管和随行制氢装置之间的连接通道。
本发明涉及的随行制氢装置及其制氢系统，燃料通道中燃料的流向相对 于热气通道中加热气的流向不局限于逆流或顺流。
本发明涉及的制氢系统，可以出将燃料蒸发器和再生水蒸发器同时内置 于随行制氢装置的尾气腔内，但这种技术方案不仅会使得随行制氢装置的结 构显得繁复累赘，其使用效果也并不是最佳选择。
本发明涉及的液态含氢燃料，包括低碳醇(甲醇、乙醇，尤其是生物质 乙醇)、烃(汽、柴油，尤其是低碳链烃)以及其它生物质含氢燃料(生物 质二甲醚等)。
本发明的工作过程
在紧凑型随行制氢装置(重整器)催化反应腔中装载活化重整催化剂、 脱硫腔中装载脱硫剂。
本发明的运行由专门的电控机构(附图未示出)按程序进行控制。当发 动机在停止状态时，所有电磁阀等控件(附图均未示出)均处关闭态，燃料 泵、加压泵处非工作态。
启动发动机时，氢气缓冲罐中的预储富氢混合气或氢气经氢气管(及附 图未示出的减压阀等组件)向发动机供应燃气，发动机依据电控单元指令工 作。随着发动机的工作，发动机的排气的废热作为随行制氢装置催化反应的 加热热源进入催化反应腔，当随行制氢装置中催化反应腔的催化剂温度达到 正常工作温度时，再生水泵和燃料泵开始工作。再生水泵将预存再生水泵入 再生水蒸发换热器转换为水蒸气，预热燃料进入催化反应腔或脱硫腔，并和水蒸气混合后发生催化重整等一系列反应，燃料催化重整为以氢气为主的富 氢混合气。
由于气液管状分离膜内置于催化反应腔中，燃料和水蒸气在催化剂层重
整转化的富氢混合气(H2、 CO、 C02)和部分CH"过量H,O蒸汽及时穿过分离 膜的微孔从气液管状分离膜的外侧进入通透侧与催化剂层隔离，避免了 H2、 C0和C02的甲垸化反应，并经富氢混合气管送入氢气缓冲罐；液态(或少量 气态)的燃料、及CH" &0蒸汽等非通透性组分通过中间废气管送至燃料回 收系统。
本发明在氢气缓冲罐中没有预储存富氢混合气(或氢气)，或预储存氢 气压力不足的情况下(如全新车、检修时排空过氢气、或其它事故所致)启 动时，可以启用专门的电热冷启动装置，或直接向混合喷燃器喷入冷启动燃 料加热催化反应腔至催化反应所需温度，然后再进入正常工作程序。
本发明，选用不同的催化剂，可以分别使用甲、乙醇等低碳醇类燃料， 也可以使用汽、柴油等烃类燃料，和其它生物质含氢燃料。
使用本发明有益结果是
本发明最显著的优点在于移动催化重整制氢产气成分稳定、氢气产率 高、不结垢、续驶里程长、膜材料不需要贵金属钯，制造成本低，系统占用 空间少、结构简单。
在紧凑型随行制氢装置中集成气液管状分离膜的技术，将富氢混合气及
时从催化反应腔中导出，使H" CO、 C(L与催化剂隔离，可以收到四方面的
有益结果
其一，避免了富氢混合气组分(尤其在低温条件)可能发生的甲烷化反 应，有效地提高了重整制氢的氢选择性和氢气产率。
其二，为烃类燃料低温(450-600°C)重整制氢创造了条件，放宽了高 温(800-110(TC)重整技术对随行制氢装置材质的苛刻要求和减少了运行的 能耗，降低了制造和运行成本。
其三，液态燃料和及时分离了富氢混合气组分的重整环境，可以耐受较 宽范围的温度波动变化，有利于稳定重整制氢的产气组分，解决了移动制氢技术实用化的瓶颈问题。
其四，将重整富氢混合气从催化反应腔中及时导出，其目的是将富氢混 合气与催化剂隔离，不是要获得高纯氢气，对分离膜的选择性要求低、通量 大、不需要分离高纯氢气的贵金属钯膜，相对于钯膜造价极低。钯膜昂贵的 造价和庞大的装置体积，是用钯膜制取高纯氢气技术实用化难以逾越的屏 障。
发动机排气再生水的利用，从根本上解决了现有移动制氢发动机因水蒸 发产生结垢、续驶里程短或必须配置专用水箱的问题而导致移动制氢技术难 于实用化的障碍。
应用本发明人的集成气液管状分离膜或和脱硫腔的紧凑型随行制氢装 置，简化了系统结构、节约了有限的机车空间，更有利于机载移动重整制氢 技术的实用化。
下面结合附图进一步说明本发明。
图1是本发明的移动制氢发动机燃料系统方框示意图。
图2是本发明的一种(外置燃料预热换热器和再生水蒸发换热器、集成 气液管状分离膜和脱硫腔的紧凑型随行制氢装置的)利用再生水和能及时将 富氢混合气导出催化反应腔的移动制氢系统示意图。
图3是本发明的一种(外置燃料预热换热器和再生水蒸发换热器、集成 气液管状分离膜的紧凑型随行制氢装置的)利用再生水和能及时将富氢混合 气导出催化反应腔的移动制氢系统示意图。
图4是本发明的一种(外置燃料预热换热器、内置再生水蒸发器和集成
气液管状分离膜和脱硫腔的紧凑型随行制氢装置的)利用再生水和能及时将 富氢混合气导出催化反应腔的移动制氢系统示意图。
图5是本发明的一种(外置燃料预热换热器、内置再生水蒸发器和集成 气液管状分离膜的紧凑型随行制氢装置的)利用再生水和能及时将富氢混合 气导出催化反应腔的移动制氢系统示意图。
图6是本发明的一种(内置燃料蒸发器和再生水蒸发器、集成管状分离 膜和脱硫腔的紧凑型随行制氢装置的)利用再生水和能及时将富氢混合气导 出催化反应腔的移动制氢系统示意图。图7是本发明的一种(内置燃料蒸发器和再生水蒸发器、集成气液管状 分离膜的紧凑型随行制氢装置的)具有及时将富氢混合气导出催化反应腔的 制氢系统示意图。
图中
I- 制氢系统2-氢气缓冲罐3-内燃发动机4-燃料泵5-燃料箱
II- 燃料预热换热器111-燃料预热器1101-预热燃料管1102-再生
水管
12- 再生水蒸发换热器121-再生水蒸发器1201-再生水蒸汽管
13- 随行制氢装置(重整器)131-换热管132混合喷燃器
14- 再生水泵
m-气液管状分离膜
001-进气腔(燃烧室)002-富氢混合气腔003-脱硫腔004-催化反 应腔005-尾气腔
100-燃料管 101-尾气管 102-富氢混合气管 103-中间废气管 201-富氢混合气管301-(发动机)排气管
实施例l
如图卜7所示， 一种由制氢系统l、氢气缓冲罐2、发动机3、燃料泵4 和燃料箱5组成的移动制氢发动机燃料系统及其装置，制氢系统1的富氢混 合气管102与氢气缓冲罐2的入口连接，氢气缓冲罐2的富氢混合气管201 与发动机3连接，发动机3的排气通过排气管301与制氢系统1的混合喷燃 器132连通。 实施例2
如附图2、 3、 4、 5、 6、 7所示的制氢系统1涉及的紧凑型随行制氢装 置13，其特征在于催化反应腔004内集成有能将富氢混合气及时导出催化反 应腔004的气液管状分离膜m，气液管状分离膜m的长度为3-L (cm) ， L等于 催化反应腔长度，气液管状分离膜m对氢气含量^2(E (v/v，干基)的富氢 混合气的通量》80Mi/M气h.bar，对氢气/水蒸气的分离系数》2000，最佳> 5000，在重整条件下不透过液态烃、醇和水。实施例3
如附图2、 3、 4、 5、 6、 7所示的制氢系统1涉及的紧凑型随行制氢装 置13的催化重整腔004内催化重聱条件,其特征在于烃燃料在450-1100°C， 最佳为500-58(TC温度范围、0.3-3Mpa压力范围催化重制取富氢混合气，醇 燃料在200-600°C，最佳为250-35(TC温度范围、0. 3-3Mpa压力范围催化重 制取富氢混合气；燃料催化重整制氢所用水为发动机3排气的再生水。 实施例4
如图2所示， 一种利用再生水和及时将富氢混合气导出催化反应腔的制 氢系统，其特征在于燃料预热换热器11和再生水蒸发换热器12置于集成气 液管状分离膜m和脱硫腔003的紧凑型随行制氢装置13外；系统连接及流 程为来自混合喷燃器132的加热气经进气腔001、换热管131管程、尾气腔 005、尾气管101及尾气管101上的再生水蒸发换热器12热流通道、燃料预 热换热器ll热流通道后排出，燃I4经燃料管100、燃料预热换热器ll冷流 通道和预热燃料管1101进入脱硫腔003入口，加热尾气在燃料预热换热器 11热流通道内凝结的冷凝再生水经再生水管1102及再生水管1102上的再生 水泵14、再生水蒸发换热器12冷流通道和再生水蒸汽管1201进入脱硫腔 003 (出口)，预热燃料经脱硫腔003与再生水蒸气混合后，进入催化反应腔 004生成的富氢混合气流经气液管状分离膜m段，富氢混合气通过气液管状 分离膜m的微孔进入气液管状分离膜m内通道，再进入富氢混合气腔002， 并经富氢混合气管102送入氢气缓冲罐2，非通透性可燃重整尾气经中间废 气管103送至混合喷燃器132。 实施例5
如图3所示， 一种利用再生水和及时将富氢混合气导出催化反应腔的制 氢系统，其特征在于燃料预热换热器11和再生水蒸发换热器12置于集成气 液管状分离膜m的紧凑型随行制氢装置13外；系统连接及流程为来自混合 喷燃器132的加热气经进气腔001、换热管131管程、尾气腔005、尾气管 101及尾气管101上的再生水蒸发换热器12热流通道、燃料预热换热器11 热流通道后排出，燃料经燃料管100、燃料预热换热器11冷流通道和预热燃 料管1101进入催化反应腔004入口，加热尾气在燃料预热换热器11热流通道内凝结的冷凝再生水经再生水管1102及再生水管1102上的再生水泵14、 再生水蒸发换热器12冷流通道和再生水蒸汽管1201直接进入催化反应腔 004，预热燃料和再生水蒸气混合后在催化反应腔004内生成的富氢混合气 流经气液管状分离膜m段，富氢混合气通过气液管状分离膜m的微孔进入气 液管状分离膜m的通透侧，再进入富氢混合气腔002，非通透性可燃重整尾 气经中间废气管103送至混合喷燃器132。 实施例6
如图4所示， 一种利用再生水和及时将富氢混合气导出催化反应腔的制 氢系统，其特征在于燃料预热换热器11置于集成气液管状分离膜m和脱硫 腔003的紧凑型随行制氢装置13夕卜、再生水蒸发器121置于集成气液管状 分离膜m和脱硫腔003的紧凑型随行制氢装置13的尾气腔005内；系统连 接及流程为来自混合喷燃器132的加热气经进气腔OOl、换热管131管程、 尾气腔005、尾气管101及尾气管101上的燃料预热换热器11热流通道后排 出，燃料经燃料管IOO、燃料预热换热器11冷流通道和预热燃料管1101进 入脱硫腔003入口，加热尾气在燃料预热换热器11热流通道内凝结的冷凝 再生水经再生水管1102及再生水管1102上的再生水泵14、尾气腔005内的 再生水蒸发器121直接进入脱硫腔003 (出口 )，预热燃料经脱硫腔003与再 生水蒸气混合后，进入催化反应腔004生成的富氢混合气流经气液管状分离 膜m段，富氢混合气通过气液管状分离膜m的微孔进入气液管状分离膜m的 通透侧，再进入富氢混合气腔002;非通透性可燃重整尾气经中间废气管103 送至混合喷燃器132。 实施例7
如图5所示， 一种利用再生水和及时将富氢混合气导出催化反应腔的制 氢系统，其特征在于燃料预热换热器11置于集成气液管状分离膜m的紧凑 型随行制氢装置13外、再生水蒸发器121置于集成气液管状分离膜m的紧 凑型随行制氢装置13的尾气腔005内；系统连接及流程为来自混合喷燃器 132的加热气经进气腔001、换热管131管程、尾气腔005、尾气管101及尾 气管101上的燃料预热换热器11热流通道后排出，燃料经燃料管100、燃料 预热换热器11冷流通道和预热燃料管1101进入催化反应腔004入口 ，加热
19尾气在燃料预热换热器11热流通道内凝结的冷凝再生水经再生水管1102及
再生水管1102上的再生水泵14、尾气腔005内的再生水蒸发器121直接进 入催化反应腔004，预热燃料和再生水蒸气混合后在催化反应腔004内生成 的富氢混合气流经气液管状分离膜m段，富氢混合气通过气液管状分离膜m 的微孔进入气液管状分离膜m的通透侧，再进入富氢混合气腔002，非通透 性可燃重整尾气经中间废气管103送至混合喷燃器132。 实施例8
如图6所示， 一种利用再生水和及时将富氢混合气导出催化反应腔的制 氢系统，其特征在于燃料蒸发器111置于集成气液管状分离膜m和脱硫腔003 的紧凑型随行制氢装置13的尾气腔005内、再生水蒸发器121置于集成气 液管状分离膜m和脱硫腔003的紧凑型随行制氢装置13的进气腔001内； 系统连接及流程为来自混合喷燃器132的加热气经进气腔001、换热管131 管程、尾气腔005、尾气管101后排出，燃料经燃料管100、尾气腔005内 的燃料蒸发器111直接进入脱硫腔003入口 ，加热尾气在尾气腔005内凝结 的冷凝再生水经再生水管1102及再生水管1102上的再生水泵14、进气腔 001内的再生水蒸发器121直接进入脱硫腔003 (出口)，预热燃料经脱硫腔 003与再生水蒸气混合后，进入催化反应腔004生成的富氢混合气流经气液 管状分离膜m段，富氢混合气通过气液管状分离膜m的微孔进入气液管状分 离膜m的通透侧，再进入富氢混合气腔002，非通透性可燃重整尾气经中间 废气管103送至混合喷燃器132。 实施例9
如图7所示， 一种利用再生水和及时将富氢混合气导出催化反应腔的制 氢系统，其特征在于燃料蒸发器111置于集成气液管状分离膜m的紧凑型随 行制氢装置13的尾气腔005内、再生水蒸发器121置于集成气液管状分离 膜m的紧凑型随行制氢装置13的进气腔001内；系统连接及流程为来自混 合喷燃器132的加热气经进气腔001、换热管131管程、尾气腔0Q5、尾气 管101后排出，燃料经燃料管100、尾气腔005内的燃料蒸发器111和预热 燃料管1101进入催化反应腔004，加热尾气在尾气腔005内凝结的冷凝再生 水经再生水管1102及再生水管1102上的再生水泵14、进气腔001内的再生水蒸发器121及再生水蒸汽管进入催化反应腔004入口，预热燃料与再生水 蒸气混合后，进入催化反应腔004生成的富氢混合气流经气液管状分离膜m 段，富氢混合气通过气液管状分离膜m的微孔进入气液管状分离膜m的通透 侧，再进入富氢混合气腔002，非通透性可燃重整尾气经中间废气管103送 至混合喷燃器132。 实施例10
如图l、 2、 3、 4、 5、 6、 7所示的紧凑型随行制氢装置，其特征在于在 燃烧室001装载燃料催化燃烧的催化剂，改以明焰燃烧燃料在催化反应腔 004产生的非通透性可燃重整尾气为无焰催化燃烧。
此外，本发明的权利要求包括以下不具创造性的改动
本发明涉及的集成脱硫腔的紧凑型随行制氢装置，将集成的脱硫腔独立 于随行制氢装置外。
本发明涉及的随行制氢装置，燃料通道(催化反应腔)中燃料的流向相 对于热气通道(换热管管程)中加热气的流向作顺利或逆流的改变。
本发明涉及的制氢系统，将燃料蒸发器和再生水蒸发器同时内置于随行 制氢装置的尾气腔或进气腔内。
权利要求
1、本发明涉及包括由制氢系统、氢气缓冲罐、发动机、燃料泵和燃料箱组成的移动制氢发动机燃料系统及其装置，制氢系统(1)的富氢混合气管(102)与氢气缓冲罐(2)的入口连接，氢气缓冲罐(2)的富氢混合气管(201)与发动机(3)连接，发动机(3)的排气通过排气管(301)与制氢系统(1)的混合喷燃器(132)连通。
2、 权利要求1所述的制氢系统涉及的紧凑型随行制氢装置，其特征在 于催化反应腔(004)内集成有能将富氢混合气及时导出催化反应腔(004) 的气液管状分离膜(m)，气液管状分离膜(m)的长度为3-L(cm)， L等于催 化反应腔长度，气液管状分离膜(m)对氢气含量>20% (v/v，干基)的富 氢混合气的通量^80M7M2.h.bar，对氢气/水蒸气的分离系数》2000，最佳 》5000，在重整条件下不透过液态烃、醇和水。
3、 权利要求l、 2所述的制氢系统涉及的紧凑型随行制氢装置的催化重 整腔内催化重整条件，其特征在于烃燃料在450-1100°C，最佳为500-580'C 温度范围、0. 3-3Mpa压力范围催化重制取富氢混合气，醇燃料在200-600°C， 最佳为250-35(TC温度范围、0.3-3Mpa压力范围催化重制取富氢混合气；燃 料催化重整制氢所用水为发动机(3)排气的再生水。
4、 权利要求1、 2、 3涉及的一种利用再生水和及时将富氢混合气导出 催化反应腔的制氢系统，其特征在于燃料预热换热器(11)和再生水蒸发换 热器(12)置于集成气液管状分离膜(m)和脱硫腔(003)的紧凑型随行制 氢装置(13)夕卜；系统连接及流程为来自混合喷燃器(132)的加热气经进 气腔(001)、换热管(131)管程、尾气腔(005)、尾气管(101)及尾气管(101)上的再生水蒸发换热器(12)热流通道、燃料预热换热器(11)热 流通道后排出，燃料经燃料管(100)、燃料预热换热器(11)冷流通道和预 热燃料管(1101)进入脱硫腔(003)入口，加热尾气在燃料预热换热器(11) 热流通道内凝结的冷凝再生水经再生水管(1102)及再生水管(1102)上的 再生水泵(14)、再生水蒸发换热器(12)冷流通道和再生水蒸汽管(1201) 进入脱硫腔(003)，预热燃料经脱硫腔(003)与再生水蒸气混合后，进入催化反应腔(004)生成的富氢混合气流经气液管状分离膜(m)段，富氢混 合气通过气液管状分离膜(m)的微孔进入气液管状分离膜(m)内通道，再 进入富氢混合气腔(002)，并经富氢混合气管(102)送入氢气缓冲罐(2)， 非通透性可燃重整尾气经中间废气管(103)送至混合喷燃器(132)。
5、权利要求1、 2、 3涉及的一种利用再生水和及时将富氢混合气导出 催化反应腔的制氢系统，其特征在于燃料预热换热器(11)和再生水蒸发换 热器(12)置于集成气液管状分离膜(m)的紧凑型随行制氢装置(13)夕卜； 系统连接及流程为来自混合喷燃器(132)的加热气经进气腔(001)、换热 管(131)管程、尾气腔(005)、尾气管(101)及尾气管(101)上的再生 水蒸发换热器(12)热流通道、燃料预热换热器(11)热流通道后排出，燃 料经燃料管(100)、燃料预热换热器(11)冷流通道和预热燃料管(1101) 进入催化反应腔(004)入口，加热尾气在燃料预热换热器(11)热流通道 内凝结的冷凝再生水经再生水管(1102)及再生水管(1102)上的再生水泵(14)、再生水蒸发换热器(12)冷流通道和再生水蒸汽管(1201)直接进 入催化反应腔(004)，预热燃料和再生水蒸气混合后在催化反应腔(004) 内生成的富氢混合气流经气液管状分离膜(m)段，富氢混合气通过气液管 状分离膜(m)的微孔进入气液管状分离膜(m)的通透侧，再进入富氢混合 气腔(002)，非通透性可燃重整尾气经中间废气管(103)送至混合喷燃器(132)。
6、权利要求l、 2、 3涉及的一种利用再生水和及时将富氢混合气导出催化 反应腔的制氢系统，其特征在于燃料预热换热器(11)置于集成气液管状分 离膜(m)和脱硫腔(003)的紧凑型随行制氢装置(13)夕卜、再生水蒸发器(121)置于集成气液管状分离膜(m)和脱硫腔(003)的紧凑型随行制氢 装置(13)的尾气腔(005)内；系统连接及流程为来自混合喷燃器(132) 的加热气经进气腔(001)、换热管(131)管程、尾气腔(005)、尾气管(101)及尾气管(101)上的燃料预热换热器(11)热流通道后排出，燃料经燃料管 (100)、燃料预热换热器(11)冷流通道和预热燃料管(1101)进入脱硫腔(003) 入口，加热尾气在燃料预热换热器(ll)热流通道内凝结的冷凝再生水经再生 水管(1102)及再生水管(1102)上的再生水泵(14)、尾气腔(005)内的再生水蒸发器(121)直接进入脱硫腔(003)，预热燃料经脱硫腔(003)与再生水蒸气 混合后，进入催化反应腔(004)生成的富氢混合气流经气液管状分离膜(m) 段，富氢混合气通过气液管状分离膜(m)的微孔进入气液管状分离膜(m)的通 透侧，再进入富氢混合气腔(002);非通透性可燃重整尾气经中间废气管(103) 送至混合喷燃器(132)。
7、 权利要求1、 2、 3涉及的一种利用再生水和及时将富氢混合气导出 催化反应腔的制氢系统，其特征在于燃料预热换热器(11)置于集成气液管 状分离膜(m)的紧凑型随行制氢装置(13)外、再生水蒸发器(121)置于 集成气液管状分离膜(m)的紧凑型随行制氢装置(13)的尾气腔(005)内； 系统连接及流程为来自混合喷燃器(132)的加热气经进气腔(001)、换热 管(131)管程、尾气腔(005)、尾气管(101)及尾气管(101)上的燃料 预热换热器(11)热流通道后排出，燃料经燃料管(IOO)、燃料预热换热器 (11)冷流通道和预热燃料管(1101)进入催化反应腔(004)入口 ，加热尾气在 燃料预热换热器(11)热流通道内凝结的冷凝再生水经再生水管(1102)及再 生水管(1102)上的再生水泵(14)、尾气腔(005)内的再生水蒸发器(121)直接 进入催化反应腔(004)，预热燃料和再生水蒸气混合后在催化反应腔(004)内 生成的富氢混合气流经气液管状分离膜(m)段，富氢混合气通过气液管状分 离膜(m)的微孔进入气液管状分离膜(m)的通透侧，再进入富氢混合气腔 (002)，非通透性可燃重整尾气经中间废气管(103)送至混合喷燃器(132)。
8、 权利要求l、 2、 3涉及的一种利用再生水和及时将富氢混合气导出 催化反应腔的制氢系统，其特征在于燃料蒸发器(111)置于集成气液管状 分离膜(m)和脱硫腔(003)的紧凑型随行制氢装置(13)的尾气腔(005) 内、再生水蒸发器(121)置于集成气液管状分离膜(m)和脱硫腔(003) 的紧凑型随行制氢装置(13)的进气腔(001)内；系统连接及流程为来自 混合喷燃器(132)的加热气经进气腔(001)、换热管(131)管程、尾气腔(005)、尾气管(101)后排出，燃料经燃料管(100)、尾气腔(005)内的 燃料蒸发器(111)直接进入脱硫腔(003)入口，加热尾气在尾气腔(005) 内凝结的冷凝再生水经再生水管(1102)及再生水管(1102)上的再生水泵(14)、进气腔(001)内的再生水蒸发器(121)直接进入脱硫腔(003)，预热燃料经脱硫腔(003)与再生水蒸气混合后，进入催化反应腔(004) 生成的富氢混合气流经气液管状分离膜(m)段，富氢混合气通过气液管状 分离膜(m)的微孔进入气液管状分离膜(m)的通透侧，再进入富氢混合气 腔(002)，非通透性可燃重整尾气经中间废气管(103)送至混合喷燃器(132)。
9、 权利要求1、 2、 3涉及的一种利用再生水和及时将富氢混合气导出 催化反应腔的制氢系统，其特征在于燃料蒸发器(111)置于集成气液管状 分离膜(m)的紧凑型随行制氢装置(13)的尾气腔(005)内、再生水蒸发器(121) 置于集成气液管状分离膜(m)的紧凑型随行制氢装置(13)的进气腔(001)内； 系统连接及流程为来自混合喷燃器(132)的加热气经进气腔(001)、换热管(131) 管程、尾气腔(005)、尾气管(101)后排出，燃料经燃料管(IOO)、尾气 腔(005)内的燃料蒸发器(111)和预热燃料管(1101)进入催化反应腔(004)， 加热尾气在尾气腔(005)内凝结的冷凝再生水经再生水管(1102)及再生水管 (1102)上的再生水泵(14)、进气腔(001)内的再生水蒸发器(121)及再生水蒸 汽管进入催化反应腔(004)入口，预热燃料与再生水蒸气混合后，进入催化 反应腔(004)生成的富氢混合气流经气液管状分离膜(m)段，富氢混合气通过 气液管状分离膜(m)的微孔进入气液管状分离膜(m)的通透侧，再进入富氢 混合气腔(002)，非通透性可燃重整尾气经中间废气管(103)送至混合喷燃器(132) 。
10、 权利要求1-9涉及的紧凑型随行制氢装置，其特征在于在燃烧室 (001)装载燃料催化燃烧的催化剂，改以明焰燃烧燃料在催化反应腔(004)产生的非通透性可燃重整尾气为无焰催化燃烧。
全文摘要
一种液态含氢燃料机载移动制氢发动机燃料系统及其装置，燃料催化转化的富氢混合气通过集成于紧凑型随行制氢装置(13)中的气液管状分离膜(m)从催化反应腔(004)中及时被导出而获得低温重整条件；燃料催化重整制氢所用水为发动机(3)排气的再生水；燃料在催化反应腔产生的非通透性可燃重整尾气为催化重整的补充热源。系统产气成分稳定、产氢率高、不结垢、续驶里程长、制造成本低廉。
文档编号F02M25/12GK101457715SQ200810182129
公开日2009年6月17日 申请日期2008年11月11日 优先权日2008年6月30日
发明者李钢坤 申请人:李钢坤