一种基于天然气发动机的制氢发电机的制作方法

本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种基于天然气发动机的制氢发电机。

背景技术：

氢气是现代燃料电池等新能源技术的能源载体，同时在航空航天等工业领域也有重要需求。在日益严格的碳排放法规要求下，氢气作为燃料的比重提高。

现行的制氢工业主要包括天然气蒸汽改质、甲醇/水蒸汽改质、水电解等，但都会受到产地、速率和成本的限制，尤其是催化剂的使用，使得成本难以控制。

天然气是全球储量最大的清洁能源，近年来，随着水力压裂技术和水平钻井技术的发展与成熟，可开采的天然气储量迅速增长，对我国的能源结构已经产生影响，而且，将天然气作为发动机燃料的使用技术也足够成熟。

因此，如何基于现有的天然气发动机的改造，使用低温无焰燃烧产生氢气，并对氢气进行分离提取，从而在无需催化剂的前提下简化制氢工艺，已成为内燃机制氢领域的一大研究课题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种基于天然气发动机的制氢发电机，基于现有的天然气发动机进行改造，使用低温无焰燃烧产生氢气，并对氢气进行分离提取，无需催化剂，简化制氢工艺。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于天然气发动机的制氢发电机，包括天然气发动机，所述天然气发动机包括至少一个燃烧气缸和至少一个制氢气缸；其中，

所述制氢气缸的进气口与第一混合气管路相连，所述第一混合气管路分别与第一天然气管路和第一空气管路相连，所述第一空气管路上设有节气门；所述制氢气缸的出气口与第一排气管路相连，所述第一排气管路与膜分离器相连；

所述燃烧气缸的进气口与第二混合气管路相连，所述第二混合气管路分别与第二天然气管路和第二空气管路相连；所述燃烧气缸的出气口与第二排气管路相连。

进一步地，所述天然气发动机的曲轴输出端与发电机相连。

进一步地，所述膜分离器设有氢气排出口和废气排出口，所述氢气排出口与氢气收集装置相连，所述废气排出口通过废气循环管路与第二混合气管路相连。

具体地，所述制氢气缸中混合气的燃空当量比为2.0～3.0。

具体地，所述燃烧气缸中混合气的燃空当量比为1.0。

具体地，所述制氢气缸采用对混合气进行压燃的压燃式气缸。

具体地，所述燃烧气缸采用对混合气进行火花点火的火花点火式气缸。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明所述的基于天然气发动机的制氢发电机，对现有的天然气发动机进行改进，设置至少一个制氢气缸，使用低温无焰燃烧产生氢气，制氢气缸的排气再通过膜分离器将氢气分离出来，与现有制氢装置相比，无需使用催化剂，降低了制氢成本，而且简化了制氢工艺，简单高效，产业化前景好。

本发明所述的基于天然气发动机的制氢发电机，使得天然气发动机能够固定工况运行，热-电效率较车载发动机更高。

附图说明

图1是本发明实施例基于天然气发动机的制氢发电机的结构示意图；

图2是本发明实施例中快速压缩机采样系统的结构示意图；

图3是本发明实施例通过快速压缩机采样系统进行试验时在快速压缩机上进行采样分析的压力曲线示意图；

图4是本发明实施例通过快速压缩机采样系统进行试验时燃烧过程中H₂的体积分数示意图；

图5是本发明实施例通过快速压缩机采样系统进行试验时燃烧过程中CO的体积分数示意图。

图中：1：氢气排出口；2：燃烧气缸；3：制氢气缸；4：第一混合气管路；5：第一天然气管路；6：第一空气管路；7：节气门；8：第一排气管路；9：膜分离器；10：第二混合气管路；11：进气总管；12：第二天然气管路；13：第二空气管路；14：第二排气管路；15：排气总管；16：废气循环管路；17：发电机；18：真空泵；19：快速压缩机；20：采样腔；21：气相色谱仪；22：燃烧室；23：采样电磁阀；24：压力传感器；25：压力采集控制卡；26：计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的基于天然气发动机的制氢发电机，包括天然气发动机，所述天然气发动机包括至少一个燃烧气缸和至少一个制氢气缸。

所述制氢气缸的进气口与第一混合气管路相连，所述第一混合气管路分别与第一天然气管路和第一空气管路相连，所述第一空气管路上设有节气门。所述制氢气缸的出气口与第一排气管路相连，所述第一排气管路与膜分离器相连。

所述燃烧气缸的进气口与第二混合气管路相连，所述第二混合气管路分别与第二天然气管路和第二空气管路相连。所述燃烧气缸的出气口与第二排气管路相连。

如图1所示，本实施例以四缸天然气发动机为例，本实施例所述的基于天然气发动机的制氢发电机，包括天然气发动机，所述天然气发动机包括三个燃烧气缸2和一个制氢气缸3。

所述制氢气缸3的进气口与第一混合气管路4相连，所述第一混合气管路4分别与第一天然气管路5和第一空气管路6相连，所述第一空气管路6上设有节气门7。所述制氢气缸3的出气口与第一排气管路8相连，所述第一排气管路8与膜分离器9相连。

各所述燃烧气缸2的进气口分别分别通过第二混合气管路10与进气总管11相连，所述进气总管11分别与第二天然气管路12和第二空气管路13相连。各所述燃烧气缸2的出气口分别通过第二排气管路14与排气总管15相连。

所述膜分离器9设有氢气排出口1和废气排出口，所述氢气排出口1与氢气收集装置相连，所述废气排出口通过废气循环管路16与所述进气总管11相连。

进一步来说，所述制氢气缸3采用压燃式气缸，对制氢气缸3中的混合气进行压燃，通过节气门7控制进入所述制氢气缸3中混合气比例，控制混合气中天然气与空气的燃空当量比为2.0～3.0，用于产生氢气。

进一步来说，所述燃烧气缸2采用火花点火式气缸，对燃烧气缸2中的混合气进行火花点火，理论空燃比燃烧，所述燃烧气缸2中混合气的燃空当量比为1.0，用于提供动力。

此外，还可以将所述天然气发动机的曲轴输出端与发电机17相连，从而使得本实施例中改进后的四缸天然气发动机，除了能够产生氢气，提供动力外，发动机所做的功还用于发电，从而形成基于四缸天然气发动机的发电机。

本实施例所述的基于天然气发动机的制氢发电机的工作原理是：

1、在高压缩比的天然气四缸发动机基础上，保留其中三个燃烧气缸2作为动力来源，对燃烧气缸2中的混合气使用传统火花点火模式，控制进气燃空当量比为Φ＝1.0，用于做功，同时对排气总管15中的废气仍使用三效催化剂控制污染物生成。

2、将天然气四缸发动机中的其中一缸设置为制氢气缸3，改制制氢气缸3的活塞顶和缸盖，并移除火花塞，使得制氢气缸3的压缩比大于其余三个燃烧气缸2，通过节气门7控制新鲜空气进气量，使得进入制氢气缸3中的混合气燃空当量比Φ＝2.0～3.0，进行浓混合气压燃模式，制氢气缸3在制氢反应过程中也会做功，同时能够得到排气中20～30％的氢气。

3、制氢气缸3得到的产物含有H₂、CO、H₂O，N₂以及少量未燃的CH4，通过第一排气管路8将排气产物引入到膜分离器9中，通过膜分离器9将分子量和体积最小的氢气滤过，得到产品氢气，剩余气体通过废气循环管路16再回到进气总管11中，用于为三个燃烧气缸2提供进气，从而进入燃烧气缸2中循环利用，参与燃烧做功，同时抑制爆震。

4、再将天然气发动机1的曲轴输出端连接到发电机17用于发电，天然气发动机在大负荷固定工况运行。

除了上述的四缸发动机外，本发明所述的基于天然气发动机的制氢发电机，对其他多缸天然气发动机均能进行改造，改进时可以将发动机中的其中一缸或多缸设置成制氢气缸用于制氢。

此外，通过如图2所示的快速压缩机采样系统对本发明提供的基于天然气发动机的制氢发电机进行实验，其中该快速压缩机采样系统包括快速压缩机19、采样腔20、气相色谱仪21、压力采集控制卡25以及计算机26，其中所述快速压缩机19与所述采样腔20相连通，所述采样腔20与所述气相色谱仪21相连通，所述快速压缩机19的燃烧室22出口处设有采样电磁阀23，在所述快速压缩机19与所述采样腔20上分别设有压力传感器24，所述的压力传感器24与所述压力采集控制卡25相连，所述压力采集控制卡25与所述计算机26相连，在所述采样腔20上还连接有真空泵18。本实验工作原理是：在快速压缩机19的燃烧室22内发生反应，通过压力触发采样电磁阀23打开，将气样取到采样腔20内，再流入气相色谱仪21中进行成分分析。由于实验手段限制，可燃混合气采用燃空当量比Φ＝2.4，稀释比8，稀释气体为氩气(取代空气中稀释比3.76的氮气)，压缩比12，达到上止点温度980K，压力20bar。通过快速压缩机19得到的典型压力曲线如图3所示，其中图3中的实线表示燃烧室22的压力曲线，虚线表示采样腔20的压力曲线。则通过图3可定义图4和图5的归一化时间，归一化时间定义为τ_sampling/τ，其中τ_sampling为电磁阀采样时间，τ为着火延迟时间，采样时间定义为从压缩上止点到采样阀开启的时长，着火延迟时间定义为从压缩上止点到燃烧剧烈放热的时长，如此得到的归一化时间大于1，则意味着是燃烧产物，若归一化时间小于1，则是燃烧中间阶段。改变归一化时间的方法是通过设置电磁阀开闭时间来控制采样时间，能够得到在不同时刻的目标组分，再通过气相色谱仪21分析其浓度。由此得出实验结果，如图4-5所示，其中图4表示燃烧过程中H₂的体积分数变化，图5表示燃烧过程中CO的体积分数变化，燃烧反应后的产品气中得到11％H₂。

综上所述，本发明所述的基于天然气发动机的制氢发电机，对现有的天然气发动机进行改进，使用低温无焰燃烧产生氢气，制氢气缸的排气再通过膜分离器将氢气分离出来，与现有制氢装置相比，无需使用催化剂，降低了制氢成本，而且简化了制氢工艺，简单高效，产业化前景好。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。