专利名称：车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料的微波等离子在线转换制氢技术、车载低温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。
背景技术：
氢或富氢气体是一种很好的添加剂，可以显著改善发动机碳氢燃料的燃烧特性。 应用于火花塞点火和压缩着火发动机的局部富氢技术可以显著减少燃料消耗和污染气体排放。对于车辆应用来说，使用如汽油、柴油、乙醇等碳氢燃料车载生成氢或富氢气体是一项关键技术。把碳氢燃料分子重整为氢或富氢气体的技术主要有热解和电解的方法。在热解方法中，高温状态输入热能来打开存在的C-H键和O-H键。然而，在电解方法中，碳氢燃料输送到强电场区域，C-H键和O-H键断裂(电离成等离子状态)，然后重新聚合为富氢气体。 乙醇和水的化学反应是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。微波能量驱动的微波低温等离子体重整器具有高效、易控制、即时启动的优点。磁控管、速调管或其他微波源可以产生驱动低温等离子体重整器的微波能量。微波低温等离子体重整器最常用的频率是2. 45GHz。微波低温等离子体重整器也可以使用其他频率。产生微波低温等离子体不需要任何电极。在特殊设计的谐振腔里微波能量可以激发等离子体。这一稳定持续的微波等离子体可以用于重整碳氢化合物以制氢。微波等离子体重整器避免使用贵金属催化剂。这使得制氢和净化系统极大简化。一些研究者已经用不同方法研究了微波等离子体。Read利用了微波驱动的等离子体喷射装置进行均勻的高能喷射。等离子体喷射器没有使用绝缘放电管，所以可以达到很高的微波功率，用于推进器。Podder使用2. 45GHz的3KW微波磁控管研究了氩等离子体的性质。Sekiguchi作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。在实验测试中，kkiguchi使用了氩气这种很容易被激发成等离子状态的气体，来激发等离子体，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。Nakanish研究了用微波蒸汽等离子体重整碳氢化合物，特别关注于不同碳氢化合物己烷和异辛烷。
发明内容
本发明的目的是提供一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统。它用汽油、柴油、酒精、水及其混合物等来制备富氢气体。本发明采用了新的微波等离子体重整器结构，设计了初始激发微波等离子体的自启动技术，用于点燃微波低温等离子体。微波能量有效维持着微波等离子体的燃料重整，微波发生磁控管用液体冷却剂冷却，传递给冷却剂的热量重新利用来预热液体燃料和水，微波的功率和气体流速根据需要连续可控。所有的新重整器系统使得微波等离子体在大气压下非常简单和容易运行。本发明避免了许多微波低温等离子体应用中使用真空泵产生低压的困难和复杂程度。本发明的上述目的特点通过以下技术方案实现，结合
如下。一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统，主要由系统控制器1001、电源供应调节器1019、微波发生磁控管1020、波导1021、共轴发射装置1022、谐振腔1018、热交换器1007和蒸发器1008组成，所述系统控制器1001控制燃料和水的流速及微波功率， 所述的电源供应调节器1019用来调节微波发生磁控管1020的电源功率，微波发生磁控管 1020将电能转化为2. 45GHz频率的微波，然后通过共轴发生装置1022发射到谐振腔1018， 所述谐振腔1018也是等离子体反应重整器腔室，所述微波发生磁控管1020用液体冷却剂 1006冷却，热量通过热交换器1007传递给液体燃料和水，液体燃料和水进入蒸发器1008 蒸发形成蒸汽进入微波谐振腔1018，安装在火花点火装置连接座1017上的火花点火装置将重整器内腔的化学物质激发为等离子状态，火花点火装置通过火花点火装置控制器1025 控制开与关。微波低温等离子体重整器系统微波等离子体重整器系统的发明参阅图1所示。一个电源供应调节器1019用于调节电源功率，例如车载电池，来满足微波发生磁控管1020的需要。微波发生磁控管1020 把电能转化成2. 45GHz频率的微波输出。微波在波导1021里传播，然后被共轴发射装置 1022发射到谐振腔1018即重整器腔室内。微波发生磁控管1020用液体冷却剂1006冷却以使其温度控制在合适的范围内。 微波发生磁控管1020产生的热量传递给冷却剂，然后通过热交换器1007加热液体燃料和水来重复利用热能，提高液体燃料和水的温度。从热交换器1007出来的液体燃料和水在蒸发器1008里被蒸发。液体燃料和水的蒸汽被送到谐振腔1018里。燃料和水的蒸汽的流速由它们各自的流速控制器10111012控制。燃料和水的流速按照它们化学反应当量的比值来确定。例如，乙醇和水的反应，化学方程式为CH3CH20H + H20 — 4H2 + 2C0质量46g18g8g56g能量或形成条件-234.6J-241.83JOJ -221.08J这个反应是吸热的，需要吸入254. 82J的能量完成反应。重整气体0H2+CO)燃烧释放的热量可以由下面燃烧方程确定(4H2 +2C0) + 302 — 2C02 + 4H20形成条件OJ -221.08JOJ-707.04J -967. 32J这个反应释放的总能量为1453. 28J.重整反应输入的能量和重整气体包含的总能量之比是 254. 83/1453. 28 = 1/5. 7。上面计算建立了把化学物质激发为等离子状态的微波功率和乙醇蒸汽流速之间的关系，如下
权利要求
1.一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统，主要由系统控制器(1001)、电源供应调节器(1019)、微波发生磁控管(1020)、波导(1021)、共轴发射装置(1022)、谐振腔(1018)、热交换器(1007)和蒸发器(1008)组成，其特征在于，所述系统控制器(1001) 控制燃料和水的流速及微波功率，所述的电源供应调节器(1019)用来调节微波发生磁控管(1020)的电源功率，微波发生磁控管(1020)将电能转化为2. 45GHz频率的微波，然后通过共轴发生装置(1022)发射到谐振腔(1018)，所述谐振腔(1018)也是等离子体反应重整器腔室，所述微波发生磁控管(1020)用液体冷却剂(1006)冷却，热量通过热交换器 (1007)传递给液体燃料和水，液体燃料和水进入蒸发器(1008)蒸发形成蒸汽进入微波谐振腔(1018)，安装在火花点火装置连接座(1017)上的火花点火装置将重整器内腔的化学物质激发为等离子状态，火花点火装置通过火花点火装置控制器(102 控制开与关。
2.根据权利要求1所述的一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统，其特征在于，所述谐振腔(1018)为圆柱形结构，谐振腔由三部分腔体组成，腔体1(3002)前端与波导(1021)连接，并允许探针馈电发射器(3001)延伸到谐振腔内，腔体11(3004)的后端与腔体III (3007)的前端连接，腔体1(3002)与腔体II (3004)之间装有绝缘窗(3003)，将反应室和探针馈电发射器(3001)分开，绝缘窗(300 允许微波通过，腔体III (3007)设有一个主气体出口(500 和一组次级气体出口(5001)，主气体出口(500 与主气体出口导管 (3008)相连，次级气体出口(5001)与次级气体出口导管(300 连接，次级气体出口导管 (3005)连接气流阀(3006)，气体主输出口的最大直径应该确保在低功率运行时未反应的化学气体不能从这里出去。
3.根据权利要求1或2所述的一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统， 其特征在于，所述腔体11(3004)的轮缘上设有螺孔000 和进给环槽(4004)，进给环槽G004)上开有进给孔路(4001)，螺栓通过螺孔000 连接腔体II (3004)和腔体 III (3007)，燃料和水蒸汽通过进给孔路0001)进入进给环槽(4004)，进给环槽0004)使得蒸汽沿槽环流动，腔体11(3004)内壁上沿切线方向开了多个斜置的进给线槽(4005)，进给环槽G004)与进给线槽000 连通，其作用是在腔体内产生涡旋气流使得等离子体稳定生成。
4.根据权利要求2所述的一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统，其特征在于，所述主气体出口(500 设在腔体III (3007)后端的中心处，所述次级气体出口 (5001)设在腔体III (3007)前端的周边上，输出口处设有一个开关的气流阀(3006)。
5.根据权利要求1所述的一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统，其特征在于，所述谐振腔(1018)为矩形结构，该谐振腔工作在TEltlp, ρ = 2,3,...模式下，所述波导(1021)连接在谐振腔底部，探针馈电发射器(3001)安装在电场最大的点处，并延伸到谐振腔内发射微波，谐振腔内插入一个硼硅酸玻璃管(600 作为重整反应器，硼硅酸玻璃管(600 —端通过一个连接器与燃料和水蒸气入口导管(6001)连接，硼硅酸玻璃管 (6003)另一端通过两个连接器连接排气管，把重整气体通过重整气体出口导管(6002)输出，火花点火器通过火花点火装置连接座(1017)安装在谐振腔壁上，并延伸到硼硅酸玻璃管(6003)内用于启动等离子体产生，一旦等离子体产生激发并由微波功率保持住，火花点火器就会关闭。
6.根据权利要求5所述的一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统，其特征在于，所述矩形结的构谐振腔(1018)的微波发射(7002)在长方腔体(7001)中形成驻波， 驻波在长方腔体(7001)中形成电场纵向分布(700 和横向分布(7004)，其峰值电场位于驻波波峰区域(7005)。
7.根据权利要求6所述的一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统，其特征在于，所述硼硅酸玻璃管(6003)垂直于谐振腔A-A剖面，并位于谐振腔横切面即B-B剖面的中心位置，放置于驻波波峰区域(7005)，并平行于电场方向。
8.根据权利要求1所述的一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统，其特征在于，所述谐振腔(1018)为矩形结构，该谐振腔工作在TEltlp, ρ = 2，3，...模式下，谐振腔由前后两部分组成，腔体前端与波导(1021)连接，并允许探针馈电发射器(3001)延伸到谐振腔内，腔体后端连接有燃料和水蒸气入口导管(6001)和重整气体出口导管(6002)，腔体后端在燃料和水蒸气入口导管(6001)处附近设计有火花点火装置连接座(1017)，腔体前端和腔体后端由一个绝缘分隔板(8001)分隔，绝缘分隔板(8001)允许微波通过，但隔离了腔体前端和腔体后端之间粒子的相互扩散，绝缘分隔板(8001)和腔体后端构成了等离子重整反应区域，绝缘分隔板的作用是使得微波探针馈电发射器(3001)不受化学物质污染，并取消了硼硅酸玻璃管(6003)，增大了等离子重整化学反应区域的体积。
9.根据权利要求7所述的一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统，其特征在于，在谐振腔驻波波峰区域(700 的顶部开了一个孔，此孔通过连接器与一个燃料和水蒸气入口导管(6001)相连，燃料和水的蒸气通过该孔进入反应器，在谐振腔驻波波峰区域(700 底部相应地开了另一个孔，连接重整气体出口导管(6002)，把重整气体输出反应器，火花点火装置连接座(1017)安装在谐振腔上并延伸到腔内驻波波峰区域(7005)，用来启动等离子体产生，一旦等离子体产生激发并由微波功率保持住，火花点火器就会关闭。
全文摘要
本发明公开了一款新型微波低温等离子体重整器系统，特别是涉及一种车载在线制氢的微波低温等离子体重整器系统。此系统通过转化汽油、柴油、酒精、水及其混合物等制备富氢气体。技术方案是两个谐振腔——圆柱形和矩形谐振腔。设计了切线方向上多口输入的新方法，这样在重整器内腔生成涡旋气流来稳定产生等离子体。两套气体输出口气体主输出口和子输出口，这样腔内功率密度可以保持在较低的水平。两种矩形腔结构一种设计使用硼硅酸玻璃管，减少了化学物质污染微波谐振腔的风险；另一种设计使用部分谐振腔作为化学反应器，设计结构简单。还设计了自动启动技术，在初始激发微波等离子体时，用来点燃微波低温等离子体。
文档编号C01B3/32GK102363521SQ20111034165
公开日2012年2月29日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者王军年, 王庆年, 王治强 申请人:吉林大学