移动制氢发动机燃料系统及其装置的制作方法

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。氢气己成公认的清洁、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己成为世界各国 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、 CO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、C0和C02发生甲垸化反应的程度不确定，富氢混合气中氢气和甲垸 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、 CO、 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 发生的甲烷化反应，有效地提高了重整制氢的氢选择性和氢气产率。烃燃料
低温(低于80(TC时)重整制氢的最大不足在于，重整气中的H2、 CO和C02 在催化剂的作用下发生甲垸化反应，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、 CO、 C02与催化剂隔离，避免了重整气的甲烷化反应，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-IIOO'C)重整制氢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。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(55CTC)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垸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 整气的甲垸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
包括由催化重整制氢系统、氢气缓冲罐、发动机、燃料回收系统和混合
喷燃器组成的移动制氢发动机燃料系统及其装置，其特征在于
1、本发明的制氢系统的中间富氢混合气管与氢气缓冲罐的入口连接，200810069900.6
说明书第5/17页
氢气缓冲罐的富氢混合气管(经减压阀、恒压轨等辅件，附图未示出)与发
动机连接，发动机的排气通过排气管与混合喷燃器连通；制氢系统的中间废 气管与燃料回收系统连接，燃料回收系统的预热燃料经燃料管送入制氢系 统。
2、 本发明的燃料催化重整转化的富氢混合气通过集成于紧凑型随行制 氢装置中的气液管状分离膜从催化反应腔中及时被导出，燃料催化重整制氢 所用水为发动机排气的再生水。
3、 本发明集成于紧凑型随行制氢装置内的气液管状分离膜，长度为3-催化反应腔轴向长度cm;对112含量》40% (干基v/v)的富氢混合气通量大 于80MVM2. h. bar，富氢混合气/液态燃料分离系数大于5000;材料为多孔不 锈钢膜、或陶瓷膜、或金属(含合金)无机复合膜，及其再加工膜，金属或 合金中不使用钯。
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。
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垸选择性的低 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 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。
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、 本发明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 水蒸发换热器壳程、燃料预热换热器壳程后排出，燃料经燃料管、燃料预热 换热器管程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壳程 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 器管程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的通透侧，再进入富 氢混合气腔，并经中间富氢混合气管送入氢气缓冲罐，非通透性未转化燃料 蒸汽等废气经中间废气管送至燃料回收系统。
5、 本发明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 热器壳程、燃料预热换热器壳程后排出，燃料经燃料管、燃料预热换热器管 程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壳程内凝 结的冷凝再生水经再生水管及再生水管上的再生水泵、再生水蒸发换热器管 程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 通透性未转化燃料蒸汽等废气经中间废气管送至燃料回收系统。
6、 本发明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壳程后排出，燃料经燃料管、燃料预热换热器管程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壳程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；非通透性未转化燃料蒸汽等废气 经中间废气管送至燃料回收系统。
7、 本发明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壳程后排出，燃料 经燃料管、燃料预热换热器管程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壳程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，非通透性未转化燃料蒸汽等废气经中间废气管送至燃料回收 系统。
8、 本发明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，非通透性未转化燃料蒸汽等废气经中间废气管送至燃料回收系统。
8、 本发明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，非通透性未 转化燃料蒸汽等废气经中间废气管送至燃料回收系统。
9、 本发明涉及的燃料回收系统，其特征在于源自燃料箱的燃料经冷态 燃料管及冷态燃料管上的燃料泵、燃料冷凝回收换热器管程、再经燃料管送 至制氢系统；中间废气经中间废气管进入燃料冷凝回收换热器壳程冷凝，废 气中未转化燃料蒸汽及部分水蒸气被冷凝为液态燃料和液态水后，经燃料回 收管及燃料回收管上的疏液阀(只能通过液体的阀门，附图未示出)送回燃 料箱，废气中的少量氢气等不液化废气，经不液化废气管送至混合喷燃器或 排空。
本发明涉及的燃料回收系统，对于任何双通道(即燃料通道与热气通道 相互隔离的)随行制氢装置制氢系统，非透过性废气中含有少量的甲垸、燃 料蒸汽和氢气等可燃组分，可以在混合喷燃器中作为辅助燃料燃烧，回收利 用其中的热能，以减少移动制氢过程中的燃料损失。
本发明涉及的燃料回收系统，应用于烃类燃料时，燃料箱上有必要设置 油水分离装置(附图未示出)，将在燃料冷凝回收换热器壳程冷凝的再生凝 结水分离除去。
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。
本发明涉及的中间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，可以在中间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进行预热，以回收中间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。
本发明涉及的制氢系统中，不局限于燃料预热换热器管程通过燃料，壳
程通过加热尾气；亦可以改为管程通过加热尾气，壳程通过燃料，系统中管 道的连接作相应变化。
本发明涉及的制氢系统中，不局限于再生水蒸发换热器管程通过再生 水，壳程通过加热尾气；亦可以改为管程通过加热尾气，壳程通过再生水， 系统中管道的连接作相应变化。
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CH4、过量H20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 7H2、 CO和C02的甲垸化反应，并经中间富氢混合气管送入氢气缓冲罐； 液态(或少量气态)的燃料、及CH4、 H20蒸汽等非通透性组分通过中间废 气管送至燃料回收系统。
燃料回收系统中，源自燃料箱的燃料经冷态燃料管及冷态燃料管上的燃 料泵、燃料冷凝回收换热器管程、再经燃料管送至制氢系统。其过程中，冷 态燃料在换热器中吸收来自中间废气的热量，并使中间废气中的未转化燃料 和部分水蒸气冷凝降温而凝结为液态燃料和冷凝水，液态燃料和冷凝水通过 燃料回收管送回燃料箱。少量CH4和H2等不液化组分，通过燃料冷凝回收 换热器壳程上的不液化废气管送入混合喷燃器燃烧，或在专门的燃烧器中燃 烧后对加热空气或发动机排气进行在加热以回收不液化废气氢气的热量。
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H2、 CO、 C02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)可能发生的甲垸化反 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(800-1100°C)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是本发明的燃料回收系统示意图。
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4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6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7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8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
1-制氢系统2-氢气缓冲罐3-内燃发动机4-燃料回收系统5-混 a-燃料预热换热器a1-燃料预热器a01-预热燃料管a02-再生水 管b-再生水蒸发换热器b1-再生水蒸发器b01-再生水蒸汽管c-随行 制氢装置(重整器)cl-换热管d-再生水泵f-燃料冷凝回收换热器g-燃料泵h-燃料箱h01-冷态燃料管、f01-回收燃料管m-气液管状分离膜 001-(发动机)排气进气腔002-催化反应腔(筒体壳程)003-富氢混合气腔004-尾气腔005-脱硫腔
000-空气管 100-燃料管 101-尾气管 102-中间富氢混合气管 103-中间废气管104-中间废气管201-富氢混合气管301-(发动机)排 气管401-不液化废气管
实施例l
如图l-8所示， 一种由制氢系统、氢气缓冲罐、发动机和燃料回收系统 组成的移动制氢发动机燃料系统及其装置，制氢系统1的中间富氢混合气管 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与混合喷燃器5连通；制氢系统 1的中间废气管103与燃料回收系统4连接，燃料回收系统4的预热燃料经 燃料管100送入制氢系统l。
实施例2
一种移动催化重整制氢系统，燃料催化重整转化的富氢混合气通过集成 于紧凑型随行制氢装置c中的气液管状分离膜m从催化反应腔002中及时被 导出，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3
一种集成于紧凑型随行制氢装置内的气液管状分离膜，长度为3-催化反 应腔轴向长度cm;对112含量》40% (干基v/v)的富氢混合气，富氢混合气 通量大于80M7M2. h. bar，富氢混合气/液态燃料分离系数大于5000;材料为 多孔不锈钢膜、或陶瓷膜、或金属(含合金)无机复合膜，及其再加工膜， 金属或合金中不使用钯。
实施例4
如图2所示， 一种燃料回收系统，其特征在于源自燃料箱h的燃料经冷 态燃料管h01及冷态燃料管h01上的燃料泵g、燃料冷凝回收换热器f管程、 再经燃料管100送至制氢系统1;来自制氢系统1的中间废气经中间废气管103进入燃料冷凝回收换热器f壳程冷凝，废气中未转化燃料蒸汽及部分水 蒸气被冷凝为液态燃料和液态水后，经燃料回收管f02及燃料回收管f02上 的疏液阀(只能通过液体的阀门，附图未示出)送回燃料箱h，废气中的少量 甲烷、氢气等不液化组分，经不液化废气管401送至混合喷燃器5或排空。
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a和再生水蒸发换热器b置于集成气液 管状分离膜m和脱硫腔005的紧凑型随行制氢装置c外；系统连接及流程为 来自混合喷燃器5的加热气经进气腔001、换热管cl管程、尾气腔004、尾 气管101及尾气管101上的再生水蒸发换热器b壳程、燃料预热换热器a壳 程后排出，燃料经燃料管IOO、燃料预热换热器a管程和预热燃料管a01进 入脱硫腔005入口，加热尾气在燃料预热换热器a壳程内凝结的冷凝再生水 经再生水管a02及再生水管a02上的再生水泵d、再生水蒸发换热器b管程 和再生水蒸汽管b01进入脱硫腔005 (出口 )，预热燃料经脱硫腔005与再生 水蒸气混合后，进入催化反应腔002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003，并经中间富氢混合气管102送入氢气缓冲罐 2,非通透性未转化燃料蒸汽等废气经中间废气管103送至燃料回收系统4。
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a和再生水蒸发换热器b置于集成气液 管状分离膜m的紧凑型随行制氢装置c外；系统连接及流程为来自混合喷燃 器5的加热气经进气腔001、换热管cl管程、尾气腔004、尾气管101及尾 气管101上的再生水蒸发换热器b壳程、燃料预热换热器a壳程后排出，燃 料经燃料管001、燃料预热换热器a管程和预热燃料管a01进入催化反应腔 002入口，加热尾气在燃料预热换热器a壳程内凝结的冷凝再生水经再生水 管a02及再生水管a02上的再生水泵d、再生水蒸发换热器b管程和再生水蒸汽管b01直接进入催化反应腔002，预热燃料和再生水蒸气混合后在催化 反应腔002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003，非通透性未转化燃料蒸汽等废气经中间废气管103送至燃料回收 系统4。
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a置于集成气液管状分离膜m和脱硫腔 005的紧凑型随行制氢装置c外、再生水蒸发器b置于集成气液管状分离膜 m和脱硫腔005的紧凑型随行制氢装置c的尾气腔004内；系统连接及流程 为来自混合喷燃器5的加热气经进气腔001、换热管cl管程、尾气腔004、 尾气管101及尾气管101上的燃料预热换热器a壳程后排出，燃料经燃料管 100、燃料预热换热器a管程和预热燃料管a01进入脱硫腔005入口，加热 尾气在燃料预热换热器a壳程内凝结的冷凝再生水经再生水管a02及再生水 管a02上的再生水泵d、尾气腔004内的再生水蒸发器bl直接进入脱硫腔 005 (出口)，预热燃料经脱硫腔005与再生水蒸气混合后，进入催化反应腔 002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003; 非通透性未转化燃料蒸汽等废气经中间废气管103送至燃料回收系统4。
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，其特征在于燃料预热换热器a置于集成气液管状分离膜m的紧凑型 随行制氢装置c外、再生水蒸发器bl置于集成气液管状分离膜m的紧凑型 随行制氢装置c的尾气腔004内；系统连接及流程为来自混合喷燃器5的加 热气经进气腔OOl、换热管cl管程、尾气腔004、尾气管101及尾气管101 上的燃料预热换热器a壳程后排出，燃料经燃料管IOO、燃料预热换热器a 管程和预热燃料管a01进入催化反应腔002入口，加热尾气在燃料预热换热器a壳程内凝结的冷凝再生水经再生水管a02及再生水管a02上的再生水泵 d、尾气腔004内的再生水蒸发器bl直接进入催化反应腔002，预热燃料和 再生水蒸气混合后在催化反应腔002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003，非通透性未转化燃料蒸汽等废气经中 间废气管103送至燃料回收系统4。
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al置于集成气液管状分离膜m和脱硫腔005 的紧凑型随行制氢装置c的尾气腔004内、再生水蒸发器bl置于集成气液 管状分离膜m和脱硫腔005的紧凑型随行制氢装置c的进气腔001内；系统 连接及流程为来自混合喷燃器5的加热气经进气腔001、换热管cl管程、尾 气腔004、尾气管后排出，燃料经燃料管IOO、尾气腔004内的燃料蒸发器 al直接进入脱硫腔005入口，加热尾气在尾气腔004内凝结的冷凝再生水经 再生水管a02及再生水管a02上的再生水泵d、进气腔001内的再生水蒸发 器bl直接进入脱硫腔005 (出口 )，预热燃料经脱硫腔005与再生水蒸气混 合后，进入催化反应腔002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003，非通透性未转化燃料蒸汽等废气经中间废气管103 送至燃料回收系统4。
实施例10
如图8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al置于集成气液管状分离膜m的紧凑型随 行制氢装置c的尾气腔004内、再生水蒸发器bl置于集成气液管状分离膜m 的紧凑型随行制氢装置c的进气腔001内；系统连接及流程为来自混合喷燃 器5的加热气经进气腔001、换热管cl管程、尾气腔004、尾气管101后排 出，燃料经燃料管IOO、尾气腔004内的燃料蒸发器al和预热燃料管a01进入催化反应腔002，加热尾气在尾气腔004内凝结的冷凝再生水经再生水 管a02及再生水管a02上的再生水泵d、进气腔001内的再生水蒸发器bl 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002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003，非通透性未转化燃料蒸汽等废气经中间废气管103送至燃料回 收系统4。
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。
本发明涉及的制氢系统中，将燃料预热换热器管程通过燃料、壳程通过 加热尾气，改为燃料预热换热器管程通过加热尾气、壳程通过燃料，制氢系 统中管道的连接作相应变化。
本发明涉及的制氢系统中，将再生水蒸发换热器管程通过再生水、壳程 通过加热尾气，改为再生水蒸发换热器管程通过加热尾气、壳程通过再生水， 制氢系统中管道的连接作相应变化。
本发明涉及的双通道(燃料通道和热气通道互为隔离)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、燃料回收系统和混合喷燃器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(1)的中间富氢混合气管(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)与混合喷燃器(5)连通；制氢系统(1)的中间废气管(103)与燃料回收系统(4)连接，燃料回收系统(4)的预热燃料经燃料管(100)送入制氢系统(1)。
2、 根据权利要求1所述的制氢系统，其特征在于燃料催化重整转化的 富氢混合气通过集成于紧凑型随行制氢装置(c)中的气液管状分离膜(m)从 催化反应腔(002)中及时被导出，燃料催化重整制氢所用水为发动机(3)排气 的再生水。
3、 根据权利要求l、 2、 3所述的集成于紧凑型随行制氢装置内的气液 管状分离膜，其特征在于长度为3-催化反应腔轴向长度cm;对112含量》40%(干基v/v)的富氢混合气通量大于80M3/M2.h.bar，富氢混合气/液态燃料 分离系数大于5000;材料为多孔不锈钢膜、或陶瓷膜、或金属(含合金)无 机复合膜，及其再加工膜。
4、 根据权利要求l、 2、 3所述的制氢系统，其特征在于燃料预热换热 器(a)和再生水蒸发换热器(b)置于集成气液管状分离膜(m)和脱硫腔(005)的紧凑型随行制氢装置(c)夕卜；系统连接及流程为来自混合喷燃器 (5)的加热气经进气腔(001)、换热管(cl)管程、尾气腔(004)、尾气管 (101)及尾气管(101)上的再生水蒸发换热器(b)壳程、燃料预热换热 器(a)壳程后排出，燃料经燃料管(100)、燃料预热换热器(a)管程和预 热燃料管(a01)进入脱硫腔(005)入口，加热尾气在燃料预热换热器(a) 壳程内凝结的冷凝再生水经再生水管(a02)及再生水管(a02)上的再生水 泵(d)、再生水蒸发换热器(b)管程和再生水蒸汽管(b01)进入脱硫腔(005 )， 预热燃料经脱硫腔(005)与再生水蒸气混合后，进入催化反应腔(002)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(003)， 并经中间富氢混合气管(102)送入氢气缓冲罐(2)，非通透性未转化燃料 蒸汽等废气经中间废气管(103)送至燃料回收系统(4)。
5、根据权利要求1、 2、 3所述的制氢系统，其特征在于燃料预热换热 器(a)和再生水蒸发换热器(b)置于集成气液管状分离膜(m)的紧凑型 随行制氢装置(c)夕卜；系统连接及流程为来自混合喷燃器(5)的加热气经 进气腔(001)、换热管(cl)管程、尾气腔(004)、尾气管(101)及尾气 管(101)上的再生水蒸发换热器(b)壳程、燃料预热换热器(a)壳程后 排出，燃料经燃料管(001)、燃料预热换热器(a)管程和预热燃料管(a01) 进入催化反应腔(002)入口，加热尾气在燃料预热换热器(a)壳程内凝结 的冷凝再生水经再生水管(a02)及再生水管(a02)上的再生水泵(d)、再 生水蒸发换热器(b)管程和再生水蒸汽管(b01)直接进入催化反应腔(002)， 预热燃料和再生水蒸气混合后在催化反应腔(002)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(003)，非通透性 未转化燃料蒸汽等废气经中间废气管(103)送至燃料回收系统(4)。 6、根据权利要求l、 2、 3所述的制氢系统，其特征在于燃料预热换热器(a) 置于集成气液管状分离膜(m)和脱硫腔(005)的紧凑型随行制氢装置(c) 外、再生水蒸发器(b)置于集成气液管状分离膜(m)和脱硫腔(005)的 紧凑型随行制氢装置(c)的尾气腔(004)内；系统连接及流程为来自混合 喷燃器(5)的加热气经进气腔(001)、换热管(cl)管程、尾气腔(004)、 尾气管(101及)尾气管(101)上的燃料预热换热器(a)壳程后排出，燃 料经燃料管(100)、燃料预热换热器(a)管程和预热燃料管(a01)进入脱 硫腔(005)入口，加热尾气在燃料预热换热器(a)壳程内凝结的冷凝再生 水经再生水管(a02)及再生水管(a02)上的再生水泵(d)、尾气腔(004) 内的再生水蒸发器(bl)直接进入脱硫腔(005)，预热燃料经脱硫腔(005) 与再生水蒸气混合后，进入催化反应腔(002)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(003);非通透性未转化
6.燃料蒸汽等废气经中间废气管(103)送至燃料回收系统(4)。
7、 根据权利要求1、 2、 3所述的制氢系统，其特征在于燃料预热换热 器a置于集成气液管状分离膜(m)的紧凑型随行制氢装置(c)夕卜、再生水 蒸发器(bl)置于集成气液管状分离膜(m)的紧凑型随行制氢装置(c)的 尾气腔(004)内；系统连接及流程为来自混合喷燃器(5)的加热气经进气 腔(001)、换热管(cl)管程、尾气腔(004)、尾气管(101)及尾气管(101)上的燃 料预热换热器(a)壳程后排出，燃料经燃料管(IOO)、燃料预热换热器(a)管程 和预热燃料管(a01)进入催化反应腔(002)入口，加热尾气在燃料预热换热器a 壳程内凝结的冷凝再生水经再生水管(a02)及再生水管(a02)上的再生水泵 (d)、尾气腔(004)内的再生水蒸发器(bl)直接进入催化反应腔(002),预热燃料 和再生水蒸气混合后在催化反应腔(002)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(003)，非通透性未转化燃料蒸汽等废 气经中间废气管(103)送至燃料回收系统(4)。
8、 根据权利要求1、 2、 3所述的制氢系统，其特征在于燃料蒸发器(al) 置于集成气液管状分离膜(m)和脱硫腔(005)的紧凑型随行制氢装置 的尾气 腔(004)内、再生水蒸发器(bl)置于集成气液管状分离膜(m)和脱硫腔(005) 的紧凑型随行制氢装置(c)的进气腔(001)内；系统连接及流程为来自混合 喷燃器(5)的加热气经进气腔(001)、换热管(cl)管程、尾气腔(004)、 尾气管后排出，燃料经燃料管(100)、尾气腔(004)内的燃料蒸发器(al) 直接进入脱硫腔(005)入口，加热尾气在尾气腔(004)内凝结的冷凝再生 水经再生水管(a02)及再生水管(a02)上的再生水泵(d)、进气腔(001) 内的再生水蒸发器(bl)直接进入脱硫腔(005),预热燃料经脱硫腔(005) 与再生水蒸气混合后，进入催化反应腔(002)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(003)，非通透性未转化 燃料蒸汽等废气经中间废气管(103)送至燃料回收系统(4)。
9、 根据权利要求1、 2、 3所述的制氢系统，其特征在于燃料蒸发器(al) 置于集成气液管状分离膜(m)的紧凑型随行制氢装置(c)的尾气腔(004)内、再生水蒸发器(b) 1置于集成气液管状分离膜(m),的紧凑型随行制氢 装置(c)的进气腔(001)内；系统连接及流程为来自混合喷燃器(5)的加热 气经进气腔(001)、换热管(cl)管程、尾气腔(004)、尾气管(101)后排出， 燃料经燃料管(100)、尾气腔(004)内的燃料蒸发器(al)和预热燃料管(a01) 进入催化反应腔(002)，加热尾气在尾气腔(004)内凝结的冷凝再生水经再生 水管(a02)及再生水管(a02)上的再生水泵(d)、进气腔(001)内的再生 水蒸发器(bl)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(002)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(003)，非通透性未转化燃料蒸汽等废气经 中间废气管(103)送至燃料回收系统(4)。
10、根据权利要求1所述的移动制氢发动机燃料系统及其装置，其特征 在于液态含氢燃料，包括低碳醇(甲醇、乙醇，尤其是生物质乙醇)、烃(尤 其是碳原子数4〈N〈16的液态烃)以及其它生物质含氢燃料(生物质二甲醚 等)。
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(c)中的气液管状分离膜(m)从催化反应腔(002)中及时被导出，燃料催化重整制氢所用水为发动机(3)排气的再生水。气液管状分离膜(m)对H₂含量≥40％(干基v/v)的富氢混合气通量大于80M³/M².h.bar，富氢混合气/液态燃料分离系数大于5000；膜材料中不含贵重金属钯。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C01B3/32GK101302962SQ200810069900
公开日2008年11月12日 申请日期2008年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者李钢坤 申请人:李钢坤