一種適用于氫能汽車的液體有機氫化物車載供氫系統的制作方法

本實用新型涉及新能源汽車技術領域，尤其涉及一種適用于氫能汽車的液體有機氫化物車載供氫系統。

背景技術：

目前已有許多便攜制氫的專利涌現，比如授權公告號為CN 204022465 U的專利文件公開了一種便攜式制氫-供氫系統，但是就現在的脫氫技術而言，還不能實現常溫條件下高效脫氫，該專利需要分離雜質，不能實現產生高純度的氫氣，并且沒有充分地考慮到制氫體系的可行性。而授權公告號為CN 104975988 A的專利文件公開了一種用于氫內燃機的液態儲氫材料的供氫系統，雖然對脫氫系統進行了較為詳細的設計，但是它并不是基于實驗研究進行的，有一定的不合理性，比如反應器采用反應釜設備，據研究發現由于反應釜反應器內部存在死體積，不能促使體系內的氣體及時排出，從而抑制催化脫氫反應的進行。

技術實現要素：

針對上述的不足，本實用新型提供一種適用于氫能汽車的液體有機氫化物車載供氫系統，本系統能夠大幅度地提高脫氫反應的轉化率以及氫氣純度，并且可以解決車載脫氫裝置大且復雜的問題。另外，本脫氫系統是在傳統汽車的基本結構上進行改造的，能夠很好地得到傳統汽車技術上的支持。

為了實現上述目的，本實用新型采用以下技術方案：一種適用于氫能汽車的液體有機氫化物車載供氫系統，包括原料箱、冷卻換熱器、進料泵、至少四個微反應器單元、冷凝換熱器、緩沖罐、儲液罐、熱電偶測量溫控儀；所述原料箱、冷卻換熱器、進料泵依次相連；所述進料泵的出口與每個微反應器單元的入口相連，每個微反應器單元的出口均與冷凝換熱器的入口相連，冷凝換熱器的出口分別與緩沖罐的入口和儲液罐的入口相連，儲液罐的出口與冷卻換熱器的入口相連，在儲液罐與冷卻換熱器相連接的管路中設置有開關閥；所有微反應器單元均與熱電偶測量溫控儀相連。

進一步地，所述微反應器單元包括電磁閥、噴嘴、微反應器、單向閥、電磁線圈；所述電磁閥與噴嘴相連，噴嘴與微反應器的入口相連，微反應器的出口與 單向閥相連；所述電磁閥與進料泵的出口相連，所述單向閥與冷凝換熱器的入口相連；所述電磁線圈纏繞在微反應器的底部內壁與外壁之間，所述電磁線圈與熱電偶測量溫控儀相連。

進一步地，所述微反應器包括反應室頂部部件和反應室底部部件；所述反應室底部部件可拆卸地安裝在反應室頂部部件的底部；所述反應室底部部件內填充有脫氫催化劑；所述電磁線圈纏繞在反應室底部部件的底部內壁與外壁之間。

進一步地，所述反應室頂部部件和反應室底部部件均采用不銹鋼材質。

進一步地，所述電磁閥與進料泵的出口相連的管路上纏繞有連接所述冷凝換熱器的冷卻介質流出口與所述冷卻換熱器的冷卻介質流入口的管道。

進一步地，所述原料箱直接使用傳統汽油車的油箱。

進一步地，所述進料泵為往復泵、齒輪泵、離心泵、螺桿泵、滑片泵或隔膜泵。

本實用新型的有益效果是：(1)制氫系統中使用的液體有機氫化物在常溫下是液態，所以可以最大限度地利用傳統汽油車的基本結構以及現有加油站等基礎設施系統來開發新能源汽車的儲氫系統，本實用新型既不會對傳統汽車行業造成太大沖擊，同時也可以省去加氫站的建設成本。(2)制氫系統中的脫氫微反應器是根據汽車上的氣缸改造的，底部是填充有脫氫催化劑的部件，可通過螺絲旋擰的方式更換，同時，為防止氣體逆流，在每個微反應器的出口設有單向閥。(3)微反應器中的反應室底部部件填充的是具有成熟生產工藝的商業催化劑，該種催化劑可顯著提高脫氫轉化率以及氫氣純度等。

附圖說明

圖1是本實用新型實施案例1的新能源汽車的供氫系統圖；

圖2是本實用新型實施例中微反應器的主視圖；

圖3是本實用新型實施例中可拆卸部件的剖面圖；

圖4是本實用新型實施例中可拆卸部件的俯視圖；

圖中，1.原料箱、2.冷卻換熱器、3.進料泵、4.冷凝換熱器、5.電磁閥、6.熱電偶測量溫控儀、7.微反應器、8.單向閥、9.儲液罐、10.緩沖罐、11.開關閥、12.噴嘴、13.燃料電池或氫氣內燃機動力系統、14.反應室頂部部件、15.反應室底部部件、16.脫氫催化劑、17.電磁線圈。

具體實施方案

下面結合附圖以及具體實施案例對本實用新型作進一步說明。

圖1為本實用新型實施案例1的新能源汽車的供氫系統圖，該實施案例包括原料箱1、冷卻換熱器2、進料泵3、四個微反應器單元、冷凝換熱器4、熱電偶測量溫控儀6、緩沖罐10、儲液罐9；所述原料箱1、冷卻換熱器2、進料泵3依次相連；原料箱1用于儲存液體有機氫化物；冷卻換熱器2用于冷卻從原料箱1流出的液體有機氫化物原料；所述進料泵3的出口與每個微反應器單元的入口相連，每個微反應器單元均與熱電偶測量溫控儀6相連，每個微反應器單元的出口均與冷凝換熱器4的入口相連，冷凝換熱器4的出口分別與緩沖罐10的入口和儲液罐9的入口相連，儲液罐9的出口與冷卻換熱器2的入口相連，在儲液罐9與冷卻換熱器2相連接的管路中設置有開關閥11。冷凝換熱器4用于冷凝分離脫氫反應產生的氣態產物；緩沖罐10用于儲存冷凝分離后得到的氫氣；儲液罐9用于儲存冷凝分離后得到的液態產物。

每個微反應器單元結構均相同，以其中一個微反應器單元為例，如圖2所示，它包括電磁閥5、微反應器7、單向閥8、噴嘴12、電磁線圈17；所述電磁閥5與噴嘴12相連，噴嘴12與微反應器7的入口相連，微反應器7的出口與單向閥8相連；所述電磁閥5與進料泵3的出口相連，所述單向閥8與冷凝換熱器4的入口相連。所述電磁線圈17纏繞在微反應器7的底部內壁與外壁之間，用于對微反應器7進行加熱；所述電磁線圈17與熱電偶測量溫控儀6相連，熱電偶測量溫控儀6用于測量控制催化劑表面的溫度；微反應器7用于液體有機氫化物脫氫反應；電磁閥5用于控制進料泵3把液體有機氫化物泵入到微反應器7中的時間；噴嘴12用于使液體有機氫化物在微反應器內霧化；單向閥8用于防止微反應器7產生的氣體逆流。

如圖3和圖4所示，所述微反應器7包括反應室頂部部件14和反應室底部部件15；所述反應室底部部件15可拆卸地安裝在反應室頂部部件14的底部；反應室底部部件15上具有內螺紋，反應室頂部部件14上具有外螺紋；所述反應室底部部件內填充有脫氫催化劑16；所述電磁線圈17纏繞在反應室底部部件15的底部內壁與外壁之間；所述反應室頂部部件14和反應室底部部件15均采用不銹鋼材質。

進一步地，所述脫氫催化劑為Pt系、Pd系、Rh系、Ni系、Cu系、Fe系或Pt-M雙金屬系列，但不限于此，其中Pt-M中的M為Mo，W，Re，Rh，Pd，Ir，Sn，Ni，但不限于此。

如圖1所示，所述電磁閥5與進料泵3的出口相連的管路上纏繞有連接所述冷凝換熱器4的冷卻介質流出口與所述冷卻換熱器2的冷卻介質流入口的管道；

進一步地，所述冷卻介質夏天采用汽車空調內的制冷劑，此時，冷凝換熱器4的冷凝介質流入口與汽車空調內的制冷劑輸出口相連，冷卻換熱器2的冷卻介質流出口與汽車空調內的制冷劑輸入口相連；冬天冷卻介質采用環境冷空氣，冷凝換熱器的冷凝介質流入口和冷卻換熱器的冷卻介質流出口均與大氣空氣相通。

液體有機氫化物儲氫是利用不飽和芳烴和對應環烷烴之間的加氫和脫氫反應來實現的，加氫反應時儲氫，脫氫反應時放氫，有機液體作為氫載體達到儲存和輸送氫的目的。所述原料箱內的有機氫化物為氨硼烷化合物、甲基環己烷、環己烷、萘烷、四氫化萘、環己基苯、雙環己烷、乙基環己烷、甲醇、異丙醇、甲基萘烷、咔唑、吲哚、噻吩、吡啶、咪唑中的一種或多種組成，但不限于此。

進一步地，為了節省方便本實用新型，實施過程中，所述原料箱直接使用傳統汽油車的油箱。

進一步地，所述進料泵3是能夠在一定壓力及頻率下產生液體射流進而實現脈沖進料的設備，所述進料泵3可以為往復泵、齒輪泵、離心泵、螺桿泵、滑片泵或隔膜泵，但不限于此。

進一步地，所述的微反應器單元的排列方式與汽車上的V型、W型、水平對置、直列發動機中的氣缸排列方式一致。

為更好地理解本制氫裝置，特舉出以下三個實施案例，并且為更加清楚地描述本實用新型，做出了一些具體設定：選用容積為100mL的微反應器，選用苯-環己烷(分析純)儲氫體系，選用Pt-Sn/Al₂O₃雙金屬脫氫催化劑，選用高壓柱塞泵作為進料泵，選用電磁加熱系統。

實施例1

根據附圖1，Pt-Sn/Al₂O₃催化劑表面被電磁加熱至366℃時，其中催化劑表面的溫度控制由熱電偶測量溫控儀6實現，原料箱1中的環己烷在冷卻換熱器2中冷卻至約6℃后，在1.5MPa的壓力下由高壓柱塞泵依次輸送到四個并聯的微 反應器7內，原料環己烷由進料噴嘴12噴射成霧狀，在催化劑表面發生脫氫反應，產生的氣體由微反應器的出口輸出，并且在每個出口處設有防止氣體逆流的單向閥8，最終氣體經冷凝換熱器4冷凝分離，其中，液態產物進入到儲液罐9循環利用或者打開開關閥11重返進料系統參與脫氫，而純度為99.9％的氫氣先被輸送到緩沖罐10中，之后再被輸送到燃料電池或者氫內燃機13中為汽車提供動力。在此，特別說明的是微反應器7的噴射頻率均是0.125Hz，但是噴射啟動時間相差2s，比如第一微反應器在第一電磁閥的控制下第0s啟動，第二微反應器在在第二電磁閥的控制下第2s啟動，第三微反應器在在第三電磁閥的控制下第4s啟動，第四微反應器在第四電磁閥的控制下第6s啟動，那么在第8s的時候第一微反應器又重新進料，完成一次循環，使得整個脫氫系統實現連續產氫，所述四個電磁閥均自帶定時控制進料的功能。根據實驗結果，在單個微反應器中，當催化劑表面溫度維持在294-302℃范圍內，進料頻率為0.125Hz，催化劑用量為14g時，單個微反應器兩個小時能產生約32.4L氫氣，原料的一次轉化率達到41％，并且整個反應的選擇性高達100％，不產生任何副產物。為了更好地為用戶展現該行駛模式下的汽車性能，可以使四個微反應器以為一組設計成四組微反應器，這樣16個微反應器在兩個小時內大約產生520L的氫氣，當汽車以高速行駛在高速路上時，需要較大的輸出動力，這種設計方案足以滿足用戶的駕駛要求。

實施例2

本案例設計原理與案例1一致，將四個微反應器變成五個微反應器。根據實驗結果，在單個微反應器中，當催化劑表面溫度維持在322-328℃范圍內，進料頻率為0.1Hz，催化劑用量為12g時，兩個小時能產生約25.8L氫氣，反應兩個小時之后催化劑的平均相對活性為0.9835，催化劑能保持較長的壽命。當汽車以一般車速在城區行駛時，不需要太大的輸出動力，這種實施案例既能滿足用戶不用經常更換反應室底部部件(主要指催化劑)的要求，也能滿足其對汽車動力的要求。

實施例3

本案例設計原理與案例1，2一致，不再附圖贅述。不同之處在于：(1)環己烷被輸送到18個并聯微反應器中，其排布方式與傳統汽車W型18氣缸類似； (2)催化劑表面溫度被加熱至約364℃；(3)噴射頻率是0.0278Hz，第一微反應器在第一電磁閥的控制下在第0s啟動，第二微反應器在第二電磁閥的控制下第2s啟動，依次類推第十八微反應器在第十八電磁閥的控制下在第34s啟動，那么在第36s時第一微反應器又重新進料，完成一次循環；(4)反應條件為：在單個微反應器中，當催化劑表面溫度在336-347℃范圍內，進料頻率為0.0278Hz，催化劑采用10g時的反應條件下，兩個小時能產生約14.6L氫氣，原料一次轉化率達到70％。這種方案能夠滿足用戶對較高燃油效率的需求，同時也為在郊區行駛的小汽車解決加油問題。

在以上3個實施例中均有一個應急措施，即在緊急需要原料的情況下，儲液罐9中的液體可以通過打開開關閥11回流到進料系統，重新參與催化脫氫反應，并且即便是在原料轉化率為70％的情況下，仍有30％的原料沒有脫氫，這樣經過多次循環之后理論上原料利用率能夠達到100％。

并且，本實用新型在實驗基礎上提出一些參考性數據：

在高速運行模式，大約100L的環己烷可提供2.3kg的氫氣，能夠使普通汽車達到300km的續航里程。

在城區運行模式，大約120L的環己烷可提供2.3kg的氫氣，能夠使普通汽車達到300km的續航里程。

在郊區運行模式，大約100L的環己烷可提供3.99kg的氫氣，能夠使普通汽車達到470km的續航里程。

上述實施案例所述數據僅是實驗數據，若把實驗裝置等比例放大應用于工業上，那么得到的數據會遠優于實驗數據。另外實例中提到的儲氫材料、催化劑類型以及進料泵等原料或者設備只是為了更清楚地描述本實用新型，而不是對本實用新型進行限制，在本實用新型的精神和權利要求范圍內，對原料、催化劑、泵的類型以及其他方面做出的任何修改、等同變化與修飾，均落在本實用新型的保護范圍之內。