專利名稱：車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料的微波等離子在線轉(zhuǎn)換制氫技術(shù)、車載低溫等離子轉(zhuǎn)換器控制領(lǐng)域，特別是微波等離子反應腔的氫氣轉(zhuǎn)換器及其車載控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
氫或富氫氣體是一種很好的添加劑，可以顯著改善發(fā)動機碳氫燃料的燃燒特性。應用于火花塞點火和壓縮著火發(fā)動機的局部富氫技術(shù)可以顯著減少燃料消耗和污染氣體排放。對于車輛應用來說，使用如汽油、柴油、乙醇等碳氫燃料車載生成氫或富氫氣體是一項關(guān)鍵技術(shù)。把碳氫燃料分子重整為氫或富氫氣體的技術(shù)主要有熱解和電解的方法。在熱解方法中，高溫狀態(tài)輸入熱能來打開存在的C-H鍵和O-H鍵。然而，在電解方法中，碳氫燃料輸送到強電場區(qū)域，C-H鍵和O-H鍵斷裂(電離成等離子狀態(tài))，然后重新聚合為富氫氣體。乙醇和水的化學反應是CH3CH20H+H20 — 2C0+4H2。在這個反應中，理論上每摩爾乙醇需要255. 43KJ的能量。微波能量驅(qū)動的微波低溫等離子體重整器具有高效、易控制、即時啟動的優(yōu)點。磁控管、速調(diào)管或其他微波源可以產(chǎn)生驅(qū)動低溫等離子體重整器的微波能量。微波低溫等離子體重整器最常用的頻率是2. 45GHz。微波低溫等離子體重整器也可以使用其他頻率。產(chǎn)生微波低溫等離子體不需要任何電極。在特殊設(shè)計的諧振腔里微波能量可以激發(fā)等離子體。這一穩(wěn)定持續(xù)的微波等離子體可以用于重整碳氫化合物以制氫。微波等離子體重整器避免使用貴金屬催化劑。這使得制氫和凈化系統(tǒng)極大簡化。一些研究者已經(jīng)用不同方法研究了微波等離子體。Read利用了微波驅(qū)動的等離子體噴射裝置進行均勻的高能噴射。等離子體噴射器沒有使用絕緣放電管，所以可以達到很高的微波功率，用于推進器。Podder使用2. 45GHz的3KW微波磁控管研究了氬等離子體的性質(zhì)。Sekiguchi作了微波放電生成大氣中的純蒸汽等離子體的研究，以及用等離子體重整碳氫化合物制氫的研究。在實驗測試中，Sekiguchi使用了氬氣這種很容易被激發(fā)成等離子狀態(tài)的氣體，來激發(fā)等離子體，并使用了一個不具有熱再生、微波功率和流控制的矩形諧振腔。Nakanish研究了用微波蒸汽等離子體重整碳氫化合物，特別關(guān)注于不同碳氫化合物 己烷和異辛烷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)。它用汽油、柴油、酒精、水及其混合物等來制備富氫氣體。本發(fā)明采用了新的微波等離子體重整器結(jié)構(gòu)，設(shè)計了初始激發(fā)微波等離子體的自啟動技術(shù)，用于點燃微波低溫等離子體。微波能量有效維持著微波等離子體的燃料重整，微波發(fā)生磁控管用液體冷卻劑冷卻，傳遞給冷卻劑的熱量重新利用來預熱液體燃料和水，微波的功率和氣體流速根據(jù)需要連續(xù)可控。所有的新重整器系統(tǒng)使得微波等離子體在大氣壓下非常簡單和容易運行。本發(fā)明避免了許多微波低溫等離子體應用中使用真空泵產(chǎn)生低壓的困難和復雜程度。本發(fā)明的上述目的特點通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，結(jié)合


如下。一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，主要由系統(tǒng)控制器1001、電源供應調(diào)節(jié)器1019、微波發(fā)生磁控管1020、波導1021、共軸發(fā)射裝置1022、諧振腔1018、熱交換器1007和蒸發(fā)器1008組成，所述系統(tǒng)控制器1001控制燃料和水的流速及微波功率，所述的電源供應調(diào)節(jié)器1019用來調(diào)節(jié)微波發(fā)生磁控管1020的電源功率，微波發(fā)生磁控管1020將電能轉(zhuǎn)化為2. 45GHz頻率的微波，然后通過共軸發(fā)生裝置1022發(fā)射到諧振腔1018，所述諧振腔1018也是等離子體反應重整器腔室，所述微波發(fā)生磁控管1020用液體冷卻劑1006冷卻，熱量通過熱交換器1007傳遞給液體燃料和水，液體燃料和水進入蒸發(fā)器1008蒸發(fā)形成蒸汽進入微波諧振腔1018，安裝在火花點火裝置連接座1017上的火花點火裝置將重整器內(nèi)腔的化學物質(zhì)激發(fā)為等離子狀態(tài)，火花點火裝置通過火花點火裝置控制器1025 控制開與關(guān)。微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)微波等離子體重整器系統(tǒng)的發(fā)明參閱圖1所示。一個電源供應調(diào)節(jié)器1019用于調(diào)節(jié)電源功率，例如車載電池，來滿足微波發(fā)生磁控管1020的需要。微波發(fā)生磁控管1020把電能轉(zhuǎn)化成2. 45GHz頻率的微波輸出。微波在波導1021里傳播，然后被共軸發(fā)射裝置1022發(fā)射到諧振腔1018即重整器腔室內(nèi)。微波發(fā)生磁控管1020用液體冷卻劑1006冷卻以使其溫度控制在合適的范圍內(nèi)。微波發(fā)生磁控管1020產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻劑，然后通過熱交換器1007加熱液體燃料和水來重復利用熱能，提高液體燃料和水的溫度。從熱交換器1007出來的液體燃料和水在蒸發(fā)器1008里被蒸發(fā)。液體燃料和水的蒸汽被送到諧振腔1018里。燃料和水的蒸汽的流速由它們各自的流速控制器10111012控制。燃料和水的流速按照它們化學反應當量的比值來確定。例如，乙醇和水的反應，化學方程式為CH3CH20H +H20 — 4H2 + 2C0質(zhì)量46g 18g8g 56g能量或形成條件-234.6J -241. 83J OJ -221. 08J這個反應是吸熱的，需要吸入254. 82J的能量完成反應。重整氣體(4H2+C0)燃燒釋放的熱量可以由下面燃燒方程確定(4H2 +2C0)+ 302 — 2C02 + 4H20形成條件OJ -221.08J OJ-707.04J -967. 32J這個反應釋放的總能量為1453. 28J。重整反應輸入的能量和重整氣體包含的總能量之比是 254. 83/1453. 28=1/5. 7。上面計算建立了把化學物質(zhì)激發(fā)為等離子狀態(tài)的微波功率和乙醇蒸汽流速之間的關(guān)系，如下 Pmic(W) =^ α,/O = SMReth(I)
46(g)其中，Rrth是乙醇蒸汽的質(zhì)量流速，單位是g/s。在圖1所示的微波等離子體重整器里，微波功率和乙醇質(zhì)量流速應該按照方程(I)建立的關(guān)系來控制。水蒸氣的質(zhì)量流速應該和乙醇的質(zhì)量流速成如下比例乙醇水=46 18=2. 56。
微波功率存在一個閾值，低于這個閾值，物質(zhì)的等離子狀態(tài)將不能維持。微波功率在任何流速下都應該大于這個閾值，參閱圖2所示。當流速小于一個臨界值(Rf。)的時候，為了維持等離子體的產(chǎn)生，微波功率保持在一個常值。當流速大于Rf。的時候，微波功率和流速按照方程(I)成比例關(guān)系。兩個火花點火裝置連接座1017用來把諧振腔1018的化學物質(zhì)激發(fā)為等離子狀態(tài)，同時微波能量傳遞給化學物質(zhì)。一旦激發(fā)成等離子體，就不再需要火花點火裝置連接座1017，由火花點火控制器關(guān)閉，接下來微波功率連續(xù)不斷地產(chǎn)生等離子體。諧振腔1018中的火花點火裝置連接座1017應該位于微波產(chǎn)生的電場強度最大的區(qū)域，等離子體也在此區(qū)域產(chǎn)生。圓柱形諧振腔(重整器腔室) 圖3顯示了圖2中一個新型諧振圓筒等離子反應器的詳細結(jié)構(gòu)。諧振腔1018圓筒等離子反應器使用橫向磁場模式TMtlllt5圓筒反應器中TMtlll模式下電場很強的區(qū)域標記為a，b，c，這些區(qū)域如圖所示。諧振腔1018由三部分組成。腔體I 3002前端與波導1021連接，并允許探針饋電發(fā)射器3001延伸到諧振腔內(nèi)，從而可以把微波發(fā)射到腔內(nèi)。腔體
II3004的后端與腔體III 3007的前端相連。腔體II 3004加工有燃料和水蒸氣進入腔體的通路，它包括進給孔路4001、進給環(huán)槽4004和進給線槽4005，參閱圖4所示。腔體III 3007設(shè)計了兩組重整氣體輸出口。一個是主氣體出口 5002，它位于腔體III 3007后端的中心處，此處是電場最大的c區(qū)域，等離子體在此口周圍產(chǎn)生，主氣體出口 5002連接主氣體出口導管3008。另一組是次級氣體出口 5001，它位于腔體III 3007前端的側(cè)壁處，此處是電場很強的b區(qū)域，等離子體在此口對應的b區(qū)域產(chǎn)生，次級氣體出口 5001連接次級氣體出口導管3005，次級氣體出口導管3005裝有開關(guān)氣流閥3006。矩形諧振腔圖6顯示了矩形諧振腔的結(jié)構(gòu)，此諧振腔工作在TEltlp (p=2，3，…)模式。圖6顯示了一個圓柱形的硼硅酸玻璃管6003。但圓柱幾何形狀不是唯一選擇，其他形狀也是可用的。圖8顯示了矩形諧振腔的另一種結(jié)構(gòu)，此諧振腔也工作在TEltlp(p=2，3，…)模式。一個絕緣分隔板8001把整個諧振腔分為腔體前端和腔體后端兩部分。絕緣分隔板8001和諧振腔腔體后端用作化學反應器，產(chǎn)生等離子體。圖7說明了矩形諧振腔中橫向和縱向的電場強度分布。圖6中用作重整反應器的硼硅酸玻璃管6003橫向位于橫切截面的中軸線上，縱向位于峰值電場或駐波波峰區(qū)域7005，這樣化學物質(zhì)可以最大限度地吸收微波能量，參閱圖7所示。圖6所述結(jié)構(gòu)具有化學物質(zhì)不與腔體直接接觸的優(yōu)點，因而不會對腔體造成化學污染，但是使用硼硅酸玻璃管增加了系統(tǒng)復雜性。圖8中絕緣分隔板8001和腔體后端組成了化學反應器，燃料和水蒸氣入口導管6001和重整氣體出口導管6002與腔體后端上的兩個小孔連接，兩個小孔位于諧振腔駐波波峰區(qū)域7005的頂部和底部。圖8所述結(jié)構(gòu)簡單，但化學物質(zhì)與腔體直接接觸，從而造成腔體污染。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下效果(I)快速和自主啟動。本發(fā)明設(shè)計了自動啟動技術(shù)，在初始激發(fā)微波等離子體時，用來火花點火裝置點燃微波低溫等離子體。因而，燃料分子重整的微波等離子體由于微波能量將持續(xù)有效工作。(2)穩(wěn)定和持續(xù)運行地燃料重整。本發(fā)明設(shè)計了切線方向上多口輸入的新方法，把輸入氣體輸送到重整反應器中，此設(shè)計可以在重整器內(nèi)腔生成渦旋氣流來穩(wěn)定產(chǎn)生等離子體。(3)低溫運行。(4)輸入和輸出流速在零到最大值之間可調(diào)。(5)熱能再生的高效運行。本發(fā)明利用微波發(fā)生磁控管用液體冷卻劑冷卻，傳遞給冷卻劑的熱量重新利用來加熱液體燃料和水。

圖1微波等離子體重整器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2微波功率與流速關(guān)系曲線。圖3 Ca)圓柱形微波等離子體反應器。圖3 (b)是圖3 Ca)的A-A向視圖。圖4是圖3 (a)的C_C向視圖(諧振腔第二部分后端)。圖5是圖3 (a )的B-B剖視圖(諧振腔第三部分)。圖6 (a)硼硅酸玻璃管矩形諧振腔。圖6 (b)是圖6 Ca)的A-A剖視圖。圖6 (C)是圖6 Ca)的B-B剖視圖。圖7電場的橫向和縱向分布與腔體中反應器的位置。圖8 Ca)部分腔體用作化學反應器的矩形諧振腔。圖8 (b)是圖8 Ca)的A-A剖視圖。圖1 中1001.系統(tǒng)控制器1002.流速命令1003.液體燃料箱1004.水箱1005.微波功率控制信號1006.磁控管冷卻劑1007.熱交換器1008.蒸發(fā)器1009.水流速控制信號1010.燃料流速控制信號1011.水蒸汽控制器1012.燃料蒸汽控制器1013.水流速信號1014.燃料流速信號1015.水流速探測器1016.燃料流速探測器 1017.火花點火裝置連接座 1018.諧振腔(重整器腔
室)1019.電源供應調(diào)節(jié)器1020.微波發(fā)生磁控管1021.波導1022.共軸發(fā)射裝
置1023.閥門(氣流閥)1024.等離子區(qū)1025.火花點火裝置連接座控制器1026.重整氣體出口圖3 中3001.探針饋電發(fā)射器3002.腔體I 3003.絕緣窗3004.腔體II 3005.次級氣體出口導管3006.氣流閥1017.火花點火裝置連接座3007.腔體III 3008.主氣體出口導管a.強電場區(qū)域I b.強電場區(qū)域II c.強電場區(qū)域III 4001.進給孔路圖4 中
4001.進給孔路4002.螺孔4003.輪緣4004.進給環(huán)槽4005.進給線槽圖5 中5001.次級氣體出口 5002.主氣體出口圖6 中6001.燃料和水蒸氣入口導管6002.重整氣體出口導管6003.硼硅酸玻璃管(等離子區(qū))1021.波導3001.探針饋電發(fā)射器 1017.火花點火裝置連接座1018.諧振腔(重整器腔室)圖7 中7001.長方腔體 7002.微波發(fā)射 7003.電場縱向分布 7004.電場橫向分布7005.駐波波峰區(qū)域圖8 中8001.絕緣分隔板1021.波導3001.探針饋電發(fā)射器1024.等離子區(qū)1017.火花點火裝置連接座1018.諧振腔(重整器腔室)6001.燃料和水蒸氣入口導管6002.重整氣體出口導管
具體實施例方式一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，主要由系統(tǒng)控制器1001、電源供應調(diào)節(jié)器1019、微波發(fā)生磁控管1020、波導1021、共軸發(fā)射裝置1022、諧振腔1018、熱交換器1007和蒸發(fā)器1008組成，所述系統(tǒng)控制器1001控制燃料和水的流速及微波功率，所述的電源供應調(diào)節(jié)器1019用來調(diào)節(jié)微波發(fā)生磁控管1020的電源功率，微波發(fā)生磁控管1020將電能轉(zhuǎn)化為2. 45GHz頻率的微波，然后通過共軸發(fā)生裝置1022發(fā)射到諧振腔1018，所述諧振腔1018也是等離子體反應重整器腔室，所述微波發(fā)生磁控管1020用液體冷卻劑1006冷卻，熱量通過熱交換器1007傳遞給液體燃料和水，液體燃料和水進入蒸發(fā)器1008蒸發(fā)形成蒸汽進入微波諧振腔1018，安裝在火花點火裝置連接座1017上的火花點火裝置將重整器內(nèi)腔的化學物質(zhì)激發(fā)為等離子狀態(tài)，火花點火裝置通過火花點火裝置控制器1025控制開與關(guān)。所述諧振腔1018為圓柱形結(jié)構(gòu)，諧振腔由三部分腔體組成，腔體I 3002前端與波導1021連接，并允許探針饋電發(fā)射器3001延伸到諧振腔內(nèi)，腔體II 3004的后端與腔體
III3007的前端連接，腔體I 3002與腔體II 3004之間裝有絕緣窗3003，將反應室和探針饋電發(fā)射器3001分開，絕緣窗3003允許微波通過，腔體III 3007設(shè)有一個主氣體出口 5002和一組次級氣體出口 5001，主氣體出口 5002與主氣體出口導管3008相連，次級氣體出口5001與次級氣體出口導管3005連接，次級氣體出口導管3005連接氣流閥3006，氣體主輸出口的最大直徑應該確保在低功率運行時未反應的化學氣體不能從這里出去。所述腔體II 3004的輪緣4003上設(shè)有螺孔4002和進給環(huán)槽4004，進給環(huán)槽4004上開有進給孔路4001，螺栓通過螺孔4002連接腔體II 3004和腔體III 3007,燃料和水蒸汽通過進給孔路4001進入進給環(huán)槽4004，進給環(huán)槽4004使得蒸汽沿槽環(huán)流動，腔體II 3004內(nèi)壁上沿切線方向開了多個斜置的進給線槽4005，進給環(huán)槽4004與進給線槽4005連通，其作用是在腔體內(nèi)產(chǎn)生渦旋氣流使得等離子體穩(wěn)定生成。
所述主氣體出口 5002設(shè)在腔體III 3007后端的中心處，所述次級氣體出口 5001設(shè)在腔體III 3007前端的周邊上，輸出口處設(shè)有一個開關(guān)的氣流閥3006。所述諧振腔1018為矩形結(jié)構(gòu)，該諧振腔工作在TEltlp, p=2, 3，…模式下，所述波導1021連接在諧振腔底部，探針饋電發(fā)射器3001安裝在電場最大的點處，并延伸到諧振腔內(nèi)發(fā)射微波，諧振腔內(nèi)插入一個硼硅酸玻璃管6003作為重整反應器，硼硅酸玻璃管6003 —端通過一個連接器與燃料和水蒸氣入口導管6001連接，硼硅酸玻璃管6003另一端通過兩個連接器連接排氣管，把重整氣體通過重整氣體出口導管6002輸出，火花點火器通過火花點火裝置連接座1017安裝在諧振腔壁上，并延伸到硼硅酸玻璃管6003內(nèi)用于啟動等離子體產(chǎn)生，一旦等離子體產(chǎn)生激發(fā)并由微波功率保持住，火花點火器就會關(guān)閉。所述矩形結(jié)的構(gòu)諧振腔1018的微波發(fā)射7002在長方腔體7001中形成駐波，駐波在長方腔體7001中形成電場縱向分布7003和橫向分布7004，其峰值電場位于駐波波峰區(qū)域 7005。所述硼硅酸玻璃管6003垂直于諧振腔A-A剖面，并位于諧振腔橫切面即B-B剖面的中心位置，放置于駐波波峰區(qū)域7005，并平行于電場方向。所述諧振腔1018為矩形結(jié)構(gòu)，該諧振腔工作在TEltlp, p=2, 3，…模式下，諧振腔由前后兩部分組成，腔體前端與波導1021連接，并允許探針饋電發(fā)射器3001延伸到諧振腔內(nèi)，腔體后端連接有燃料和水蒸氣入口導管6001和重整氣體出口導管6002，腔體后端在燃料和水蒸氣入口導管6001處附近設(shè)計有火花點火裝置連接座1017，腔體前端和腔體后端由一個絕緣分隔板8001分隔，絕緣分隔板8001允許微波通過，但隔離了腔體前端和腔體后端之間粒子的相互擴散，絕緣分隔板8001和腔體后端構(gòu)成了等離子重整反應區(qū)域，絕緣分隔板23使得微波探針饋電發(fā)射器3001不受化學物質(zhì)污染，并取消了硼硅酸玻璃管6003，增大了等離子重整化學反應區(qū)域的體積。在諧振腔駐波波峰區(qū)域7005的頂部開了一個孔，此孔通過連接器與一個燃料和水蒸氣入口導管6001相連，燃料和水的蒸氣通過該孔進入反應器，在諧振腔駐波波峰區(qū)域7005底部相應地開了另一個孔，連接重整氣體出口導管6002，把重整氣體輸出反應器，火花點火裝置連接座1017安裝在諧振腔上并延伸到腔內(nèi)駐波波峰區(qū)域7005用來啟動等離子體產(chǎn)生，一旦等離子體產(chǎn)生激發(fā)并由微波功率保持住，火花點火器就會關(guān)閉。下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明內(nèi)容進行進一步說明。圖1所示為微波等離子體重整器系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)控制器1001控制燃料和水的流速及微波功率。該系統(tǒng)采用了一個電源供應調(diào)節(jié)器1019來調(diào)節(jié)電源功率，供應微波發(fā)生磁控管1020將電能轉(zhuǎn)化為2. 45GHz頻率的微波，微波經(jīng)波導1021傳送至共軸發(fā)射裝置1022，然后通過共軸發(fā)射裝置1022發(fā)射到諧振腔1018。微波發(fā)生磁控管1020用液體冷卻劑1006冷卻，熱量通過熱交換器1007傳遞給液體燃料和水，液體燃料和水進入蒸發(fā)器1008蒸發(fā)形成蒸汽進入諧振腔1018?；鸹c火裝置連接座1017將重整器腔室的化學物質(zhì)激發(fā)為等離子狀態(tài)?；鸹c火裝置連接座控制器1025控制火花點火裝置連接座1017的開與關(guān)。圖2所示為微波功率與燃料和水流速的關(guān)系圖。系統(tǒng)控制器1001接收流速命令1002，與此同時，實時收集燃料流速信號1014和水流速信號1013，然后向燃料蒸汽控制器1012和水蒸汽控制器1011發(fā)送水流速控制信號1009和燃料流速控制信號1010，供給合適的燃料和水量；與此同時，向電源供應調(diào)節(jié)器1019發(fā)送微波功率控制信號1005，給微波發(fā)生磁控管1020供給合適的功率。圖3所示為一個新型諧振圓筒等離子反應器的結(jié)構(gòu)。如圖所示，諧振腔由三部分組成。腔體13002前端與波導1021相連接，并允許探針饋電發(fā)射器3001延伸到諧振腔內(nèi)，這樣微波可以發(fā)射到腔內(nèi)。腔體Π3004的后端連接到腔體III3007的前端。腔體II3004和腔體III3007組成了反應室。腔體13002和腔體II3004之間是一個絕緣窗3003，絕緣窗3003把反應室和探針饋電發(fā)射器3001分開，絕緣窗3003允許微波通過，并避免了探針饋電發(fā)射器3001被化學污染。腔體III3007有兩組氣體輸出口，主氣體輸出口 5002和次級氣體輸出口 5001分別連接一個主氣體輸出口導管3008和一組次級氣體輸出口導管3005，主氣體輸出口 5002的最大直徑應該確保在低功率運行時未反應的化學氣體不能從這里出去。這意味著，在低功率運行時，等離子體區(qū)域應該覆蓋整個主氣體輸出口 5002。然而，在高流速的高功率運行情況下，小直徑的主氣體輸出口 5002會對輸出氣體造成較大的機械阻力，從而形成腔內(nèi)高壓和較高機械損耗。為了解決這個問題，在腔體III3007外圍設(shè)置了一組次級氣體輸出口 5001。這樣設(shè)計的原因是保證重整氣體在低損耗的情況下高效輸出。 圖4所示為圖3中腔體II3004C-C方向的剖視圖。腔體II3004的輪緣4003上開有螺孔4002，螺孔4002用于連接腔體1113007。輪緣4003靠近腔室內(nèi)側(cè)的邊緣處沿圓周線開有進給環(huán)槽4004，進給環(huán)槽4004開有連通腔外的進給孔路4001，進給環(huán)槽4004與腔室之間的內(nèi)側(cè)壁上，沿切線方向開了多個進給線槽4005。這樣燃料和水蒸氣由進給孔路4001進入進給環(huán)槽4004，再通過進給線槽4005進入腔體內(nèi)，可以在腔體內(nèi)產(chǎn)生渦旋氣流使得等離子體穩(wěn)定生成。圖5所示為圖3中腔體III3007B-B方向的剖視圖。在腔體1113007，設(shè)計了兩組重整氣體輸出口。一個是主氣體輸出口 5002，它位于腔體III3007后端的中心處，此處電場是最大的，等離子體在此口周圍產(chǎn)生。一組是次級氣體輸出口 5001，這些次級氣體輸出口5001位于電場縱向最大點處，它們均勻地分布在腔體III3007周壁上。每個次級氣體輸出口 5001的導管上都有一個開關(guān)的氣流閥3006。在低流速低功率運行的情況下，所有的次級氣體輸出口 5001都關(guān)閉。當功率、流速上升到某一水平時——此時電場強度足夠大能維持次級氣體輸出口 5001周圍產(chǎn)生等離子體，火花點火裝置連接座1017激發(fā)此區(qū)域的等離子體，部分次級氣體輸出口 5001打開。當功率、流速達到最大值時，所有的次級氣體輸出口5001都打開。由于次級氣體輸出口 5001附近產(chǎn)生等離子體，主氣體輸出口 5002區(qū)域的功率密度下降。圖6所示為矩形諧振腔的結(jié)構(gòu)，此諧振腔工作在TEltlp(p=2，3，…)模式。輸入微波的波導1021連接在腔底部，探針饋電發(fā)射器3001垂直穿過腔壁，延伸到腔內(nèi)發(fā)射微波。探針饋電發(fā)射器3001應安裝在電場最大的點處。腔內(nèi)插入一個硼硅酸玻璃管6003作為重整反應器。硼硅酸玻璃管6003 —端通過連接器連接燃料和水蒸氣入口導管6001，把燃料和水的蒸氣輸入反應器。硼硅酸玻璃管6003另一端通過連接器連接重整氣體出口導管6002，把重整氣體輸出反應器?；鸹c火裝置連接座1017安裝在諧振腔上并延伸到硼硅酸玻璃管6003內(nèi)來啟動等離子體產(chǎn)生。一旦等離子體產(chǎn)生激發(fā)并由微波功率保持住,火花點火裝置連接座1017就會關(guān)閉。圖7所示為長方腔體7001形狀的諧振腔以及腔內(nèi)微波發(fā)射7002、電場縱向分布7003、電場橫向分布7004與駐波波峰區(qū)域7005之間的位置關(guān)系。在長方腔體7001的橫切面上，電場強度的最大值準確位于參閱圖7所示的橫切面中軸線上。在縱向上，電場強度是正弦分布。腔體長度的設(shè)計應滿足前向波和腔體另一端的后向波形成駐波。這也就是說波形不隨時間改變。腔內(nèi)形成駐波需要進行阻抗匹配，通常取決于實驗室測試。圖8所示為矩形諧振腔的另一種結(jié)構(gòu)，此諧振腔也工作在TEltlp(p=2，3，…)模式。一個絕緣分隔板8001把整個諧振腔分為兩部分。絕緣分隔板8001和腔體后端組成了化學反應器，產(chǎn)生等離子體。在駐波波峰區(qū)域7005最大電場所在的位置，穿過諧振腔的頂部和底部對開兩個過孔。頂部孔通過連接器連接燃料和水蒸氣入口導管6001，燃料和水的蒸氣通過頂部孔進入反應器。底部孔通過連接器連接重整氣體出口導管6002，重整氣體通過底 部孔輸出反應器。火花點火裝置連接座1017安裝在諧振腔上并延伸到腔體內(nèi)來啟動等離子體產(chǎn)生。一旦等離子體產(chǎn)生激發(fā)并由微波功率保持住，火花點火器就會關(guān)閉。圖8設(shè)計中，微波探針饋電發(fā)射器3001不受化學物質(zhì)污染。圖8所述結(jié)構(gòu)簡單，但化學物質(zhì)與腔體存在直接接觸，從而造成腔體污染。
權(quán)利要求
1.一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，主要由系統(tǒng)控制器(1001)、電源供應調(diào)節(jié)器(1019)、微波發(fā)生磁控管(1020)、波導(1021 )、共軸發(fā)射裝置(1022)、諧振腔(1018)、熱交換器(1007)和蒸發(fā)器(1008)組成，其特征在于，所述系統(tǒng)控制器(1001)控制燃料和水的流速及微波功率，所述的電源供應調(diào)節(jié)器(1019)用來調(diào)節(jié)微波發(fā)生磁控管(1020)的電源功率，微波發(fā)生磁控管(1020)將電能轉(zhuǎn)化為2. 45GHz頻率的微波，然后通過共軸發(fā)生裝置(1022)發(fā)射到諧振腔(1018)，所述諧振腔(1018)也是等離子體反應重整器腔室，所述微波發(fā)生磁控管(1020)用液體冷卻劑(1006)冷卻，熱量通過熱交換器(1007)傳遞給液體燃料和水，液體燃料和水進入蒸發(fā)器(1008)蒸發(fā)形成蒸汽進入微波諧振腔(1018)，安裝在火花點火裝置連接座(1017)上的火花點火裝置將重整器內(nèi)腔的化學物質(zhì)激發(fā)為等離子狀態(tài)，火花點火裝置通過火花點火裝置控制器(1025)控制開與關(guān)，其特征在于 所述諧振腔(1018)為矩形結(jié)構(gòu)，該諧振腔工作在TEltlp, p=2, 3，…模式下，諧振腔由前后兩部分組成，腔體前端與波導(1021)連接，并允許探針饋電發(fā)射器(3001)延伸到諧振腔內(nèi)，腔體后端連接有燃料和水蒸氣入口導管(6001)和重整氣體出口導管(6002)，腔體后端在燃料和水蒸氣入口導管(6001)處附近設(shè)計有火花點火裝置連接座(1017)，腔體前端和腔體后端由一個絕緣分隔板(8001)分隔，絕緣分隔板(8001)允許微波通過，但隔離了腔體前端和腔體后端之間粒子的相互擴散，絕緣分隔板(8001)和腔體后端構(gòu)成了等離子重整反應區(qū)域，絕緣分隔板(23)的作用是使得微波探針饋電發(fā)射器(3001)不受化學物質(zhì)污染，并取消了硼硅酸玻璃管(6003)，增大了等離子重整化學反應區(qū)域的體積， 化學物質(zhì)激發(fā)為等離子狀態(tài)的微波功率和乙醇蒸汽流速之間的關(guān)系，如下
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，其特征在于 所述微波功率存在一個閾值，低于這個閾值，物質(zhì)的等離子狀態(tài)將不能維持，微波功率在任何流速下都應該大于這個閾值，當流速小于一個臨界值Rf。時，為了維持等離子體的產(chǎn)生，微波功率保持在一個常值，當流速大于Rf。的時候，微波功率和流速按照方程(I)成比例關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明公開了一款新型微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)，特別是涉及一種車載在線制氫的微波低溫等離子體重整器系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)化汽油、柴油、酒精、水及其混合物等制備富氫氣體。技術(shù)方案是兩個諧振腔——圓柱形和矩形諧振腔。設(shè)計了切線方向上多口輸入的新方法，這樣在重整器內(nèi)腔生成渦旋氣流來穩(wěn)定產(chǎn)生等離子體。兩套氣體輸出口氣體主輸出口和子輸出口，這樣腔內(nèi)功率密度可以保持在較低的水平。兩種矩形腔結(jié)構(gòu)一種設(shè)計使用硼硅酸玻璃管，減少了化學物質(zhì)污染微波諧振腔的風險；另一種設(shè)計使用部分諧振腔作為化學反應器，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單。還設(shè)計了自動啟動技術(shù)，在初始激發(fā)微波等離子體時，用來點燃微波低溫等離子體。
文檔編號C01B3/32GK103011076SQ201310007839
公開日2013年4月3日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者王慶年, 王治強, 王軍年 申請人:吉林大學