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CN100579815C - 氢混合动力电动汽车 - Google Patents

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CN100579815C CN200510011068A CN200510011068A CN100579815C CN 100579815 C CN100579815 C CN 100579815C CN 200510011068 A CN200510011068 A CN 200510011068A CN 200510011068 A CN200510011068 A CN 200510011068A CN 100579815 C CN100579815 C CN 100579815C
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Abstract

本发明涉及一种不用任何汽油、柴油，只用氢作燃料的氢混合动力电动汽车，属汽车领域。其特征是汽车上氢发动机排气管路串接一个醇裂解氢发生器，它可利用排气余热，将醇催化裂解随车制氢，并使所产氢气作为发动机燃料运转，以此驱动汽车行驶和发电机发电。当和电动机组合驱动时，可达到超低排放或零排放水平。而制醇原料丰富，有甘蔗、玉米、高粱、木薯等均是可再生的资源泉，取之不尽，用之不竭。所述制氢的原料醇类可以是50°-65°含水甲醇或乙醇，制造工艺简单，成本低廉。液态醇的贮存、运输和网络供应也十分安全和方便。

Description

氢混合动力电动汽车
技术领域：
本发明涉及一种不用任何汽油柴油，而用醇加热裂解为氢气，再把氢气作为氢发动机燃料，驱动汽车运动的氢混合动力电动汽车，属汽车领域。
背景技术：
氢是21世纪人类追求的理想能源。利用氢作为汽车燃料，可以彻底摆脱人类对石油资源的依赖；可以从根源上消除尾气排放对人类环境的危害。但是，氢的产生成本昂贵，是汽油的4-12倍。氢在汽车上采用35~70MPa高压或零下252℃超低温液氢装罐，才能达到标定的续驶里程；存在着严重的安全隐患。而网络供氢基础建设投资巨额。这就是几十年来氢汽车和氢燃料电池汽车实现商业化的障碍。所以，各国政府和汽车产业界认为，最近的将来，解决能源与环保问题的最现实方案是混合动力电动汽车。
混合动力电动汽车是一个由燃油发动机和电动机两个部份共同作为驱动力的汽车，在城市中运行时，汽车先用电池组蓄存的电能驱动，到高速路时，再用普通燃油发动机驱动，这种混合动力电动汽车的原动力还是燃油发动机，仍然需要烧汽油。但它与普通燃油汽车或者纯电动汽车相比，具有降低油耗和减少排放污染物、能连续长时间开动的效果。人们看到混合动力电动汽车是一种过渡性的机型，它没有最终摆脱对石油资源的依赖和根除尾气排放对人类的危害。为了达到能源与环保的最终目标，比较现实的选择是醇(氢)代燃。而实现醇(氢)代燃的关键技术就是《氢发动机——醇裂解氢发生器》。
本发明人曾先后获得了CN8510947、ZL94116320.2等多项发明专利；在醇裂解制氢和供氢的技术范围内进行了长期的实验和研究，并取得了突破性的进展和科技成果。
本发明的目的在于针对现在国际混合动力电动汽车存在的缺点和社会与市场经济的迫切需要，发明一种全程不用任何燃油，直接将醇裂解为含富氢的气体(3H2+CO2)，让发动机用氢作为燃料的氢混合动力电动汽车。它具有成本低、热效率高、结构更加合理、无污染、能与混合动力电动汽车组合匹配的新一代氢混合动力电动汽车。
本发明是通过下列结构完成的：一种氢混合动力电动汽车，由汽车底盘(I)、汽车外壳、方向盘、车轮(IV)、制动器、发动机、电机(II)、蓄电池组(III)；燃料箱、控制电路和与控制路导线相连接的各控制阀组成，其特征在于氢混合动力电动汽车内装有一台氢发动机，其汽车蓄电池组(III)的输出线与串接在氢发动机排气管路醇裂解氢发生器中的冷启动电加热器连接，氢发动机的排气管连接一个醇裂解氢发生器，通过排气分流阀再与消声器尾管相接，醇裂解氢发生器的氢气输出管与氢发动机进气端的氢喷嘴相接，醇裂解氢发生器的醇输入管与醇贮存箱相接；醇裂解氢发生器由外部的醇贮存箱、贮氢筒、醇输入管、氢气输出管、控制阀、氢气泵、稳压阀和控制电路组成，醇输入管一端接醇贮存箱，另一端与醇裂解氢发生器输入端相接；氢气输出管一端与醇裂解氢发生器输出端相接，另一端与贮氢筒相接；在氢气输出管与氢发动机进气端氢喷嘴相接之间装有一个氢气稳压阀。
氢发动机的排气管在醇裂解氢发生器外部分叉为排气进气管和排气分流管，在排气分流管装有排气分流阀、在圆筒形醇裂解氢发生器内部装有排气通道接头、消声器尾管，排气消声孔、排气消声管、消声器通孔隔板、消声管、消声隔板、反应室和汽化过热室，其中反应室和汽化过热室之间通过联通管相通，反应室和汽化过热室底部装有冷启动电加热器，反应室和汽化过热室上部装有温控热电偶、氢气输出管接口和醇燃料输入管接口；反应室的顶部法兰盖上焊有醇裂解氢气的氢气输出管接口，氢气输出管接口与氢气泵、贮氢筒、氢气稳压阀(59)和发动机缸盖上的氢喷嘴相连接，或者与化油器式发动机进气管上的混合器相接，在反应室(16)的顶部装有封盖，封盖内可装填催化剂，封盖孔上焊有螺纹管可插入温控热电偶，温控热电偶的导线与温控电子仪表相连接，反应室底部填有金属丝网和磁环，在反应室内和穿孔列管外壁之间的空间填有醇裂解催化剂；在汽化过热室的顶部焊有醇燃料输入管接口，醇燃料输入管接口的外端与醇贮存箱、醇输入管相接；汽化过热室和反应室采用铜、不锈钢或耐腐蚀铸铁材料制作的，为全封闭的圆筒壳体，其前后面板上均布穿孔列管呈圆形蜂窝状；氢发动机的制氢原料为醇类，主要是含水甲醇、乙醇、混合醇或无硫烃类，其醇水比为1∶0-1.17；在醇贮存箱与贮氢筒之间装有由底部插管、电磁阀、醇管组成的醇再裂解的回流系统；贮氢筒筒中的储氢精馏器(W)内装有储氢材料，可由铂、钯、钛镍合金、活性碳、纳米炭纤维储氢材料中任选一种；冷启动电加热器为微波加器或红外辐射加热器，功率为1.5～3KW，醇裂解氢发生器裂解温度为200℃-300℃。
本发明与现有国际混合动力汽车技术相比，具有以下突出的优势：
1、氢(醇)100％代燃，极大地提高现代发动机的燃烧效率。它和电动机组合动力，电动机排放为零。醇类是可再生能源，以醇(氢)为燃料，其终端排放为水蒸气。
2、醇(氢)100％代燃，从根本上摆脱了对石油资源的依赖。为适应新旧能源交替的现实需要可实施燃油掺氢，醇(氢)对燃油的替代量0-100％随机可调。当无醇供料时仍可以油为燃料。
3、醇类生产工艺成熟，成本低廉，甘蔗、玉米、甜高粱、木薯、霉变粮食等都是生产甲、乙醇取之不尽、用之不竭的可再生能源。
4、由于氢发动机是以氢为燃料，在发动机中低负荷工况时具有较高的热效率(比燃油发动机热效率提高一倍)。因此氢发动机扩大了整机最佳工况的应用范围，从而减少了对电机和蓄电瓶充放电能量的转换损失，减轻发电机组的重量尺寸，降低生产成本。
5、可使国际混合动力汽车的生命周期由20年延伸到120年以上。
6、利用发动机排气余热对醇催化裂解随车制氢、供氢的原理、工艺和方法对于燃料电池电动汽车同样适用。
附图说明：
下面结合附图及附图所示的实施例对本发明的内容做详细的描述。但本发明的内容不限于附图所示实施例。
图1本发明氢混合动力电动汽车的结构示意图。它具有并联式混合动力系统，以现在应用的混合动力电动汽车不同点，只是用氢发动机(31)代替了普通燃油发动机(氢发动机对原有的燃油发动机未作任何改动，仅用氢气控制阀——氢喷嘴代替燃油喷嘴供料系统)，其余的电机(II)、蓄电池组(III)组合配置，及有关汽车冷启动和驱动力协调控制等与原来的汽车基本相同。
图2醇裂解氢发生器和消声器的结构示意图。
图3为图2所示醇裂解氢发生器(1)中的汽化过热室(26)A-A方向结构的剖示图。
图4为图2所示醇裂解氢发生器(1)中的反应室(16)B-B方向结构的剖示图。
图5为图2所示醇裂解氢发生器(1)中的消声器C-C方向结构的剖示图。
图2、3、4、5是本发明关键设备——醇裂解氢发生器(1)结构示意图。现代氢发动机(如宝马汽车公司出产750HL缸内直喷氢气发动机)结构部件不需任何改动，仅在排气管(2)路上串接一个醇裂解氢发生器(1)，具有醇裂解制氢和消声器两种功能。它是利用发动机排气余热，首先对燃料醇进行催化裂解，将醇类转化为氢气，然后用氢气(3H2+CO2)作为发动机燃料，驱动汽车行驶。
图6本发明氢发动机中的醇裂解氢反应器(1)进行制氢、供氢的工艺流程图。
醇裂解氢反应器(1)制氢、供氢系统部件包括有：氢发动机(31)、醇裂解氢发生器(1)、醇贮存箱(49)、醇泵(47)、低压的氢气泵(41)、贮氢筒(53)(储氢精馏器W)、控制阀(57)；稳压阀(59)、氢气控制阀-氢喷嘴(62)电磁阀以及微电子计算机操作的控制电路(66)等组成。
为促使汽车发动机在冷启动时醇裂解氢发生器(1)催化床快速升温，达到醇裂解制氢的工作温度，在反应室(16)和汽化过热室(26)底部装有冷启动电加热器(24)，冷启动电加热器(24)可以是微波加热器、或者是红外辐射加热器，并由热电偶传输信号，微电子计算机所控制。
汽化过热室(26)和反应室(16)是用铜、不锈钢或耐腐蚀铸铁材料制作，为全封闭的圆筒壳体，其前后面板上均布穿孔列管(17、23)呈圆形蜂窝状。汽化过热室(26)和反应室(16)底部通过联通管(25)接通，反应室(16)底部填有金属丝网和磁环。在反应室(16)内和穿孔列管(17)外壁之间的空间填有醇裂解催化剂。
在汽化过热室(26)的顶部焊有醇燃料输入管接口(21)。它的外端与醇贮存箱(49)的输料管(46)相接。
反应室(16)的顶部法兰盖上焊有醇裂解气(含富氢气)输出管接口(19)，它与低压的氢气泵(41)、贮氢筒(53)、稳压阀(59)和发动机缸盖上的氢喷嘴(62)相连接(或与化油器式发动机进气管上的混合器相接，图上未标注)。在反应室(16)的顶部有封盖(20)，是为装填催化剂用。封盖(20)孔上焊有螺纹管可插入热电偶(18)。热电偶导线与温控电子仪表通过导线相接。
为了提高反应器(1)对醇裂解的效率，在醇裂解系统中设置了醇液再裂解回路系统。对贮氢筒(53)内可能存有未经裂解的冷凝醇积液进行处理。当冷凝后的醇积液达到一定存量时，控制电路(66)中的电子控制器指令打开控制阀(51)，则贮氢筒(53)内处于高压的醇积液即通过底插管(52)、控制阀(51)、醇管(50)、返回处于低压的醇贮存箱(49)内。
具体实施方式：
实施例：当氢混合动力电动汽车开始启动时，首先控制电路(66)中的电子控制器指令接通醇裂解氢发生器(1)中的冷启动电加热器(24)电源，为汽化过热室(26)和反应室(16)催化床快速升温加热提供热量，在混合动力电动汽车上的蓄电池组电量(30-50千瓦)充足备用条件下，约两分钟，温度达到预定值后，控制电路(66)的自控仪表指令醇泵(47)启动，醇燃料由醇燃料输入管接口(21)进入汽化室(26)升温汽化，经联通管(25)穿过金属丝网，进入反应室(16)，使醇蒸汽与催化剂接触并穿过催化床进行催化裂解，转化为醇裂解气(含富氢的气体，主要成分为H2、CO2)，再经氢气泵(41)加压(8-12MPa)通过储氢精馏器(W)提纯后存于储氢筒(53)内。最后根据汽车发动机行驶工况需要，在控制电路(66)中的电脑指令下，将氢气经氢喷嘴(62)直接喷入缸内作为发动机燃料，驱动汽车行驶。一旦醇裂解氢发生器(1)中反应室(16)的催化床温度达到预定值时(200℃-300℃)之后，汽化过热室(26)和反应室(16)进行醇裂变解制氢工作所必须的温度和热量，完全可利用氢发动机(31)排出的尾气余热进行持续稳定地供给。此时，控制电路(66)即可指令切断蓄电池组(III)电源，冷启动电加热器(24)停止工作。这就是不使用汽油柴油，仅用醇裂解制氢，以氢为燃料的氢混合动力电动汽车的工作过程，实现本发明目的。
本发明氢混合动力电动汽车开始冷启动的另一种方式是：首先按工况负荷需要打开控制电路(66)，电脑指令控制阀(57)开启，预先贮存在贮氢筒(53)内装有一个储氢精馏器(W)储氢材料即时提供氢气，通过高压氢气输气管(58)、稳压阀(59)和氢气控制阀——氢喷嘴(62)后，喷入氢发动机(31)气缸内，氢发动机(31)进入运转工况，产生动力并排出尾气，氢发动机(31)排出的尾气经醇裂解消声器管入口的尾气进气管(3)进入醇裂解氢反应器(1)，穿过反应器(16)和汽化过热室(26)的穿孔列管(17、23)，再通过中间的消声管(13)转向消声尾管(22)排往大气。运转的氢发动机(31)排出的尾气使汽化过热室(26)和反应室(16)快速升温加热，约两分钟，醇裂解氢发生器(1)内的温度就达到设定温度，可以自己制氢，同样实现本发明不用任何汽油柴油，仅用醇制氢达到也能驱动汽车的发明目的。
排出的尾气在消声管(11、13)行进的通道中进行消声降噪；并同时对汽化过热室(26)和反应室(16)壳体外壁，穿孔列管(17、23)内壁加热为催化床提供热量。由于醇裂解过程是吸热反应，需耗用排出尾气所携带的大量余热，这样即降低排出尾气的温度和压力，又可与消声器(11、13)协同进一步降低由排出尾气所产生的噪音。当热电偶信号传输催化床温度超过预定值时，为避免催化剂过热影响活性和寿命，控制电路(66)中的自控仪表指令排气分流阀(6)；排出的高温尾气中有一部份直接进入排气分流管(8)，经消声器尾管(22)排出。
1-醇裂解氢发生器；2-排气管；20-封盖；21-醇燃料输入管接口；22-消声器尾管；23-穿孔列管；24-冷启动电加热器；25-联通管；26-汽化过热室；3-尾气进气管；31-氢发动机；4-排气消声管；41-氢气泵；46-醇输入管；47-醇泵；48-控制阀；49-醇贮存箱；5-排气消声孔；50-醇管；51-控制阀；52-底部插管；53-贮氢筒；55-氢气输出管；57-控制阀；58-氢气输出管；59-稳压阀；6-排气分流阀；7-排气碟阀；62-氢喷嘴；66-控制电路；8-排气分流管；9-消声器通孔隔板；10-排气通道接头；11、13-消声管；12、14、15-消声隔板；16-反应室；17-穿孔列管；18-温控热电偶；19-氢气输出管接口，I-汽车底盘；II-电机；III-蓄电池组；IV-车轮。

Claims (10)

1、一种氢混合动力电动汽车，由汽车底盘(I)、汽车外壳、方向盘、车轮(IV)、制动器、氢发动机(31)、电机(II)、蓄电池组(III)；燃料箱、控制电路(66)和与控制电路(66)导线相连接的各控制阀组成，所述氢混合动力电动汽车内装有一台氢发动机(31)，其汽车蓄电池组(III)的输出线与串接在氢发动机(31)排气管路醇裂解氢发生器(1)中的冷启动电加热器(24)连接，氢发动机(31)的排气管(2)连接一个醇裂解氢发生器(1)，通过排气分流阀(6)再与消声器尾管(22)相接，醇裂解氢发生器(1)的氢气输出管(58)与氢发动机(31)进气端的氢喷嘴(62)相接，醇裂解氢发生器(1)的醇输入管(46)与醇贮存箱(49)相接，其特征在于：
所述醇裂解氢发生器(1)中包括贮氢筒(53)，所述贮氢筒(53)内装有一个储氢精馏器(W)，当氢混合动力电动汽车冷启动时，控制电路(66)指令接通醇裂解氢发生器(1)中的冷启动电加热器(24)电源，进行加热提供醇裂变解制氢工作所必须的温度和热量，以产生氢气，并通过储氢精馏器(W)提纯后存于贮氢筒(53)内，根据需要提供给氢发动机(31)进入运转工况；
在醇贮存箱(49)与贮氢筒(53)之间装有由底部插管(52)、电磁阀(51)、醇管(50)组成的醇再裂解的回流系统。
2、一种氢混合动力电动汽车，由汽车底盘(I)、汽车外壳、方向盘、车轮(IV)、制动器、氢发动机(31)、电机(II)、蓄电池组(III)；燃料箱、控制电路(66)和与控制电路(66)导线相连接的各控制阀组成，所述氢混合动力电动汽车内装有一台氢发动机(31)，其汽车蓄电池组(III)的输出线与串接在氢发动机(31)排气管路醇裂解氢发生器(1)中的冷启动电加热器(24)连接，氢发动机(31)的排气管(2)连接一个醇裂解氢发生器(1)，通过排气分流阀(6)再与消声器尾管(22)相接，醇裂解氢发生器(1)的氢气输出管(58)与氢发动机(31)进气端的氢喷嘴(62)相接，醇裂解氢发生器(1)的醇输入管(46)与醇贮存箱(49)相接，其特征在于：
所述醇裂解氢发生器(1)中包括贮氢筒(53)，所述贮氢筒(53)内装有一个储氢精馏器(W)，当氢混合动力电动汽车冷启动时，控制电路(66)指令控制阀(57)开启，预先存储在贮氢筒(53)内装有一个储氢精馏器(W)储氢材料即时提供氢气，供氢发动机(31)进入运转工况；
在醇贮存箱(49)与贮氢筒(53)之间装有由底部插管(52)、电磁阀(51)、醇管(50)组成的醇再裂解的回流系统。
3、根据权利要求1或2所述的氢混合动力电动汽车，其特征是醇裂解氢发生器(1)由外部的醇贮存箱(49)、贮氢筒(53)、醇输入管(46)、氢气输出管(40、55、58)、控制阀(48、51、57)、氢气泵(41)、稳压阀(59)和控制电路(66)组成，醇输入管(46)一端接醇贮存箱(49)，另一端与醇裂解氢发生器(1)输入端相接；氢气输出管(40)一端与醇裂解氢发生器(1)输出端相接，另一端与贮氢筒(53)相接；在氢气输出管(58)与氢发动机(31)进气端氢喷嘴(62)相接之间装有一个氢气稳压阀(59)。
4、根据权利要求1或2所述的氢混合动力电动汽车，其特征是氢发动机(31)的排气管(2)在醇裂解氢发生器(1)外部分叉为排气进气管(3)和排气分流管(8)，在排气分流管(8)装有排气分流阀(6)、在圆筒形醇裂解氢发生器(1)内部装有排气通道接头(10)、消声器尾管(22)，排气消声孔(5)、排气消声管(4)、消声器通孔隔板(9)、消声管(11、13)、消声隔板(12、14、15)、反应室(16)和汽化过热室(26)，其中反应室(16)和汽化过热室(26)之间通过联通管(25)相通，反应室(16)和汽化过热室(26)底部装有冷启动电加热器(24)，反应室(16)和汽化过热室(26)上部装有温控热电偶(18)、氢气输出管接口(19)和醇燃料输入管接口(21)。
5、根据权利要求4所述的氢混合动力电动汽车，其特征是反应室(16)的顶部法兰盖上焊有醇裂解氢气的氢气输出管接口(19)，氢气输出管接口(19)与氢气泵(41)、贮氢筒(53)、氢气稳压阀(59)和氢发动机缸盖上的氢喷嘴(62)相连接，或与化油器式发动机进气管上的混合器相接，在反应室(16)的顶部装有封盖(20)，封盖(20)内可装填催化剂，封盖(20)孔上焊有螺纹管可插入温控热电偶(18)，温控热电偶的导线与温控电子仪表相连接，反应室(16)底部填有金属丝网和磁环，在反应室(16)内和穿孔列管(17)外壁之间的空间填有醇裂解催化剂。
6、根据权利要求4所述的氢混合动力电动汽车，其特征是在汽化过热室(26)的顶部焊有醇燃料输入管接口(21)，醇燃料输入管接口(21)的外端与醇贮存箱(49)、醇输入管(46)相接。
7、根据权利要求4所述的氢混合动力电动汽车，其特征是汽化过热室(26)和反应室(16)采用铜、不锈钢或耐腐蚀铸铁材料制作的，为全封闭的圆筒壳体，其前后面板上均布穿孔列管(17、23)呈圆形蜂窝状。
8、根据权利要求1或2所述的氢混合动力电动汽车，其特征是氢发动机(31)的制氢原料为醇类，主要是含水甲醇、乙醇、混合醇或无硫烃类，其醇水比为1∶0-1.17。
9、按照权利要求1或2所述的氢混合动力电动汽车，其特征是贮氢筒(53)筒中的储氢精馏器(W)内装有储氢材料，可由铂、钯、钛镍合金、活性碳、纳米炭纤维储氢材料中任选一种。
10、按照权利要求1或2所述的氢混合动力电动汽车，其特征是冷启动电加热器(24)为微波加器或红外辐射加热器，功率为1.5～3KW，醇裂解氢发生器(1)裂解温度为200℃-300℃。
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