CN103058136A - 车载燃料的微波等离子在线制氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统。包括管路部分、微波部分和控制部分，微波部分的磁控管通过磁控管座与环行器连接，磁控管电源调控装置用来调节磁控管电源电压，使磁控管输出功率连续可调，谐振腔包括点火腔和反应腔，点火腔与反应腔相连接，并分别连接在环行器的两个输出端，环行器通过2根弯波导分别与点火腔和反应腔连接，在环行器与点火腔之间的弯波导上装有一个电调反射器；所述的控制部分主要由工控机、温度压力传感器和流量计组成，通过对各信号采集点信息的采集并进行分析，控制整个系统在规定的进程上工作。本发明解决了体积小型化、重量轻便化、控制智能化；微波输出功率连续可调，低温、低压环境下运行等问题。
Description
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、控制策略。
背景技术
氢或富氢气体是一种良好的助燃剂，可以显著提高汽车发动机碳氢燃料的燃烧器特性。将局部富氢技术应用到发动机的点火和燃烧过程可以显著减少燃料消耗和污染气体的排放。对于车辆的发展前景而言，使车载汽油、柴油、乙醇等碳氢燃料生成氢或富氢气体是一项关键技术。
将碳氢燃料分子重整为氢或富氢气体的主要技术有热解和电解的方法。在热解方法中，例如天燃气制氢工艺需要在高温下(800℃～1100℃)进行，打开C-H和C-O键，形成富氢气体。在电解过程中，碳氢燃料处于强电场区域，碳氢燃料被击穿，C-H和C-O键断裂形成等离子体状态，然后重整成富氢气体。与天然气、汽油、甲醇等重组原料相比，乙醇重整制氢具有环境友好和氢气收率高等特点，乙醇可以通过三种方式制取富氢气体[李吉刚，孙杰，陈立泉，李弘，程玉龙，张立功，董中朝.于商业化前夜的乙醇低温重整制氢催化技术[J].农业工程技术(新能源产业)，2009]。例如，乙醇和水的重整反应方程式为CH3CH2OH+H2O→2CO+4H2。在这个反应中，理论上每摩尔乙醇需要255.43KJ的能量。文献[胡又平，李格升，高孝红，严正.水乙醇等离子体重整制氢中乙醇裂解的关键路径模拟[J].南京航空航天大学学报.2009]对含水乙醇等离子体制氢中乙醇裂解的关键路径进行了模拟。
由于等离子体具有更高的温度和能量密度，能够产生活性成分，从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学反应。因此本专利设计一套通过微波驱动的等离子体重整器系统，具有高效、易启动、易控制等优点。用于驱动微波等离子体重整器的微波能量可以通过磁控管、速调管、半导体微波发生器等微波源来产生。本系统采用的微波频率为2.45GHz，微波传输线为矩形波导，具有结构简单、机械强度大等优点，还可以避免外界干扰和辐射损耗。
一些研究者已经用不同方法研究了微波等离子体。激发等离子体的方式有火花塞点火、激光点火、脉冲电晕放电点火、介质阻挡放电等。通过对谐振腔的特殊设计也可以激发等离子体[United States Patent，No.5793013，August 11，1998]、[United States Patent，No.6205769，B1，March 27，2001]。文献[S.P.Kuo,“A microwave-augmented plasma torch module as anigniter/fuel injector of a scramjet engine”，Department of Electrical & Computer Engineering，Polytechnic University，Six Metrotech Center，Brooklyn，NY 11201]中介绍了一种小型化、低流速、注射点火一体化的等离子体产生装置，利用特殊的波导形状，产生的能量集中，可以有效实现点火。文献[Hidetoshi Sekiguchi and Yoshihiro Mori，“Steam plasma reforming usingmicrowave discharge”，Thin Solid Films，Vol.453，pp.44-48，2003]做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，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。
发明内容
制取富氢气体的方法有化学重整法和等离子体重整法，它们的不同之处是他们激发化学反应的化学物质不同。化学重整法的激活物质是催化剂，而等离子体重整法的活性物质是活性自由基。化学重整法往往需要高温、持续加热，反应启动较慢。而等离子体重整法不需要催化剂，反应环境也容易获得，因此本系统采用等离子体重整法制取富氢气体。
前面介绍的几种点火方式都有一定的局限性，火花塞点火方式需要定期更换，对环境有较高要求，激光、脉冲等点火方式需要高电压、高交变电压，文献[S.P.Kuo,“Amicrowave-augmented plasma torch module as an igniter/fuel injector of a scramjet engine”，Department of Electrical & Computer Engineering，Polytechnic University，Six Metrotech Center，Brooklyn，NY 11201]产生的是低流速等离子体，不利于反应的快速进行。文献[HidetoshiSekiguchi and Yoshihiro Mori，“Steam plasma reforming using microwave discharge”，Thin SolidFilms，Vol.453，pp.44-48，2003]中矩形谐振腔结构简单、腔内电磁场分析也比较容易，但是得到的电磁场场强相对较小，反应气体在腔内的路程短，转化率较低。因此本发明设计了两个特殊的腔体——点火腔1010和圆环反应腔1011；点火腔1010用于点燃等离子体，几何形状为锥形，微波1032通过时能够形成高密度微波能量，具有很高的场强，当场强达到气体的击穿场强时，就会产生微波打火，将混合气体点燃。反应腔1011设计成圆环形的柱体形状，圆环截面与矩形波导截面相同，有利于微波1032在反应腔中的传播，并产生较高的场强，持续不断的为反应提供能量，保持反应处于等离子体状态。通过对电调反射器1023的控制使整个系统具备自启动功能。
本发明的目的是为解决上述的技术问题，提供一种新型、高效、启动快、结构紧凑的车载燃料的微波等离子在线制氢系统。
本发明的上述目的提供以下技术方案实现，结合附图说明如下。
一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，包括管路部分、微波部分和控制部分，所述微波部分主要由磁控管电源调控装置、磁控管1019、磁控管座1020、环行器1021、电调反射器1023和谐振腔组成，所述磁控管1019通过磁控管座1020与环行器1021连接，所述磁控管电源调控装置用来调节磁控管1019电源电压，使磁控管1019输出功率连续可调，所述谐振腔包括点火腔1010和反应腔1011，点火腔1010与反应腔1011相连接，并分别连接在环行器1021的两个输出端，环行器1021通过2根弯波导1025分别与点火腔1010和反应腔1011连接，在环行器1021与点火腔1010之间的弯波导1025上装有一个电调反射器1023；所述的控制部分主要由工控机1044、温度压力传感器和流量计组成，通过对各信号采集点信息的采集并进行分析，控制整个系统在规定的进程上工作。
所述管路部分主要由2个蠕动泵1003、空气泵1004、汽化器1007、预混腔1009、真空泵1015、冷凝器1012、磁控管1019、干燥器1014和流量计1006组成，所述2个蠕动泵1003分别控制水和乙醇液体流量，空气泵1004控制空气流量，汽化器1007设计成三进三出的圆盘结构，用于将反应原料汽化并加热到相同温度，气化后的气体进入预混腔1009充分混合，真空泵1015装在反应腔1011后面的管路上，用于提供系统的负压环境，降低反应物的沸点和击穿场强，使反应更容易进行，在汽化器1007与2个蠕动泵1003和空气泵1004之间的管路上分别装有真空电磁阀1005，用于协同真空泵1015对系统抽取负压，并在紧急情况下切断原料的供应来终止整个系统的反应，冷凝器1012和干燥器1014分别依次装在反应腔1011与真空泵1015之间的管路上，冷凝器1012采用冷却水循环方式，并与磁控管1019的冷却水循环管路串联在一起，通过一个水泵管路循环完成冷却，用于将高温产物冷却，分离出未反应的水和乙醇，提高原料的利用率，干燥器1014用于对产物气体进行干燥处理，流量计1006分别装在空气泵1004与汽化器1007之间和干燥器1014与真空泵1015之间，用于测量空气的流量和经冷凝干燥后的产物气体流量。
所述磁控管1019用于把电能转化成微波1032输出，并采用水冷方式冷却，微波1032通过磁控管座1020改变传输方向进入环行器1021，所述环行器1021具有单向传输特性，入射信号能顺利通过，反射信号由于被电阻吸收而不能通过，所述电调反射器1023用于调节点火腔1010和反应腔1011中的微波1032能量分配，当点火腔1010中完成点火后通过电调反射器1023使微波1032全部进入反应腔1011。
所述点火腔1010用于点燃等离子体，点火腔1010几何形状为锥形，反应腔1011为圆环形的柱体形状，圆环截面与矩形波导截面相同，有利于微波1032在反应腔1011中的传播，持续不断的为反应提供能量，保持反应处于等离子体状态，混合气体通过石英管1027进入点火腔1010和反应腔1011，利于保温和观察，在石英管1027垂直穿过点火腔1010产生的两个直径与石英管直径相同的圆孔1057周边加几个耦合小孔1028，阻止微波1032通过圆孔1057向外辐射，减少微波1032溢出，点火腔1010和反应腔1011中加入销钉，通过调节销钉插入深度来调节阻抗匹配。
所述点火腔1010为一个逐渐变小的锥形腔体，截面积为长方形，在锥形腔体处，上下间距逐渐变小，由一条弧线平滑过渡，其作用是在此处形成大的场强，当达到一定击穿场强时，反应气体经过点火腔1010时就会打火。
所述反应腔1011为圆环形柱体，石英管1027在反应腔1011中绕着圆柱形腔体的中心轴成栅栏形式排列一圈，以增加反应气体在反应腔1011中的路程，提高反应率。
所述预混腔1009与点火腔1010的连接的连接方式为：
石英管1027插在点火腔1010内部的管槽1036中，预混腔1009通过点火腔1010外壁上的螺栓1035固定在一起，预混后的气体通过点火腔1010侧壁上设置的通气孔1034从预混腔1009进入点火腔1010中的石英管1027内；
石英管1027穿过点火腔1010粘贴在预混腔1009的内壁上，预混后的气体通过支架1043固定在石英管1027内部的带通气孔1034的圆盘进入石英管1027。
在初始激发微波等离子体时，用来点燃微波低温等离子体，通过调节电调反射器1023的反射比例来调节点火腔1010中的微波功率，直至自动启动完成点火。
所述微波等离子在线制氢系统工作点是低温、低压环境，在此环境下气体的分子浓度低，分子间的平均碰撞频率低，因而微波击穿场强也会降低，提高微波点火的成功率以及反应的速率。
所述工控机1044通过采集蠕动泵1003和流量计1006的水流量信号1050、乙醇流量信号1048和空气流量信号1046，调节蠕动泵1003和空气泵1004的转速来调节乙醇蒸汽、水蒸汽和空气的流量；
工控机1044通过采集管路中的温度压力信号1053，对汽化器1007发送一个汽化器1007输出功率调节信号1052，使水和乙醇完全汽化，避免能源浪费；
实验启动时，工控机1044给真空电磁阀1005发送一个电磁阀开关控制信号1051，当系统压力稳定在预定的负压范围内时，打开真空电磁阀1005开关，与真空泵1015协同控制整个回路的压强，并当遇到紧急情况也需通过关闭真空电磁阀1005来调节；
工控机1044采集管路中温度压力信号1053，通过分析压力调节真空泵1015的转速，使系统压力稳定在预定的负压范围内；
根据反应的进行程度，工控机1044向磁控管电源调控装置发送调节磁控管1019电源供应信号，改变磁控管1019的输出功率；
开始工作时，使微波1032全部进入点火腔1010，通过针孔摄像机或光敏传感器观察点火腔1010，当点火成功后，通过工控机1044发送给电调反射器1023一个挡板深度调节信号，使微波1032全部/部分反射到反应腔1011当中。
与现有技术相比，本发明有以下效果：
(一)体积小型化、重量轻便化、控制智能化。
(二)微波输出功率连续可调，通过对磁控管电源的调节，来得到连续可调的功率输出。
(三)低温、低压环境下运行。
(四)自动点火。通过电调反射器调节点火腔的功率，使点火腔达到足够的能量完成点火。
(五)实现点火腔与反应腔中微波功率的合理分配。
(六)可以进行连续稳定的等离子体重整。
附图说明
图1车载燃料的微波等离子在线制氢系统的管路部分概要示意图
图2车载燃料的微波等离子在线制氢系统的微波部分正视图
图3车载燃料的微波等离子在线制氢系统的微波部分侧视图
图4点火腔正视图
图5点火腔俯视图
图6反应器中微波传播示意图
图7预混腔与点火腔的连接设计(方案一)正视图
图8预混腔与点火腔的连接设计(方案一)侧视图
图9预混腔与点火腔的连接设计(方案二)正视图
图10控制系统示意图
图中：
1001：水原料箱 1002：乙醇原料箱 1003：蠕动泵 1004：空气泵
1005：真空电磁阀 1006：流量计 1007：汽化器 1008：温度、压力传感器
1009：预混腔 1010：点火腔 1011：反应腔 1012：冷凝器
1013：冷液罐 1014：干燥器 1015：真空泵 1016：三通阀
1017：点燃 1018：储气罐 1019：磁控管 1020：磁控管座
1021：环行器
1022：端口2 1023：电调反射器
1024：法兰盘 1025：弯波导 1026：端口3 1027：石英管
1028：耦合小孔 1029：内壁 1030：外壁 1031：中线
1032：微波 1033：三路气体 1034：通气孔 1035：螺栓
1036：管槽 1037：乙醇蒸汽 1038：水蒸气
1039：空气 1040：预混腔壁 1041：点火腔侧壁 1042：石英管槽
1043：支架 1044：工控机 1045：空气流量控制信号
1046：空气流量信号 1047：乙醇流量控制信号 1048：乙醇流量信号
1049：水流量控制信号 1050：水流量信号 1051：电磁阀开关控制信号
1052：汽化器输出功率调节信号 1053：温度压力信号
1054：微波功率反射调节信号 1055：干燥冷凝后产物流量信号
1056：系统真空度调节信号 1057：石英管通过点火腔的圆孔
具体实施方式
(一)微波等离子体重整系统及其实验方案设计的管路部分
车载燃料的微波等离子在线制氢系统的管路部分发明如图1所示。本专利采用乙醇的水蒸气重整或自热重整两种形式来制取富氢气体。采用水蒸气重整制氢方式，产物中氢气的含量较高，助燃能力强，它是一个吸热反应，需要微波提供给反应热。采用自热重整方式，产物中氢气含量较低，助燃能力稍弱，而且增加一个空气回路，增加了系统的复杂性，但它是一个既不吸热也不放热反应，不需要微波提供反应热。两种方式各有优缺点，根据实际需求，合理选取。乙醇、水和空气的流量按照他们化学反应当量的比值来确定。
化学方程式为：
A：CH3CH2OH + H2O → 4H2 + 2CO
质量 46g 18g 8g 56g
能量或形成条件
-234.6kJ -241.83kJ 0kJ -221.08kJ
这个反应是吸热反应，每反应46g的乙醇和18g水需要吸入254.82kJ的能量完成反应。
B：CH3CH2OH+1.5O2→3H2+2CO2
这个反应是放热反应，每摩尔的乙醇反应放出554KJ的能量。
水原料箱1001和乙醇原料箱1002的设计采取一箱两室设计，两室顶部各开一个通气孔，用于平衡内外压强，两室内各加一个微型过滤器，保证液体原料的畅通流动。
水和乙醇液体流量通过蠕动泵1003控制，空气流量通过空气泵1004来控制，对于泵的要求是体积小、精度高、输出流量连续可调等。
通过蠕动泵1003和空气泵1004的燃料液体和气体通过真空电磁阀1005，真空电磁阀1005分别装在蠕动泵1003(空气泵1004)与汽化器1007之间，用于协同真空泵1015对系统抽取负压，并在紧急情况下切断原料的供应来终止整个系统的反应。系统开始工作时关闭1005，用1015抽取负压，避免将1007中的原料抽到管路当中。1005的选取应该注意工作温度、流体温度、体积等因素。
通过真空电磁阀1005后燃料直接进入汽化器1007，汽化器1007用于将水和乙醇液体汽化，并同时对水蒸汽、乙醇蒸汽和空气进行加热，使三路气体1033具有相同的温度。汽化器1007的设计采用三进三出的设计方案(非标)，这样可以降低成本并能够减小汽化器1007的体积和质量。汽化器1007通过加入一个温度采集模块，采集温度信号，通过工控机1044的分析计算，调节汽化器1007的输出功率，节约能源。
经汽化器1007汽化后，燃料气体进入预混腔1009，通过对预混腔1009的设计，使气体沿腔壁切线方向进入，这样可使气体充分混合。
燃料气体经预混后先后进入点火腔1010和反应腔1011，并发生等离子体重整，重整气体从反应腔1011中出来后直接进入冷凝器1012，冷凝器1012装在反应腔1011与真空泵1015之间的管路上，用于将高温产物冷却，分离出未反应的水和乙醇，提高原料的利用率。冷凝器1012采用冷却水循环方式，并与磁控管1019的冷却水循环管路串联在一起，通过一个水泵管路循环完成冷却，降低了系统的复杂性。
重整气体经冷凝后进入干燥器1014，干燥器1014装在冷凝器1012与流量计1006之间，用于对产物气体进行干燥处理，避免用气相色谱仪分析气体成分时腐蚀色谱柱。
流量计1006分别装在空气泵1004与汽化器1007之间和干燥器1014与真空泵1015之间，用于测量空气的流量和经冷凝干燥后的产物气体流量。
重整气体经过冷凝干燥后进入真空泵1015，真空泵1015装在反应腔1011后面的管路上，用于提供系统的负压环境，选择负压环境的原因是：①降低水和乙醇的沸点，使液体原料更容易汽化。②降低体系内气体分子的密度，因而降低原料气体的微波击穿场强。
温度压力传感器1008分别装在汽化器1007与预混腔1009之间和干燥器1014与真空泵1015之间，用于测量系统中各点的温度、压力、流量。
最后对重整气体进行处理，通过三通管储存在储气罐中或者直接燃烧，进行燃烧处理时要防止回火。
(二)微波等离子体重整系统及其实验方案设计的微波部分
图2和图3为车载燃料的微波等离子在线制氢系统的微波部分示意图，包含磁控管电源调控装置、磁控管1019、磁控管座1020、环行器1021、电调反射器1023、点火腔1010、反应腔1011等几部分。磁控管1019用于把电能转化成2.45GHz频率的微波1032输出，并采用水冷方式冷却。磁控管电源调控装置用来调节磁控管1019电源电压，使磁控管1019输出功率连续可调。微波1032通过磁控管1019直接进入磁控管座1020，磁控管座1020改变了微波1032的传输方向，并使微波1032进入环行器1021。环行器1021具有单向传输特性，入射信号从环行器的输入端1进入环行器1021，从输出端2进入点火腔1010最后从输出端3进入反应腔1011，反射信号由于被电阻吸收而不能通过。点火腔1010与反应腔1011相连接，被点火腔1010点燃的燃料直接进入反应腔1011，避免过多的热量通过热辐射方式消失，同时也避免了石英管1027穿出点火腔1010和进入反应腔1011留下圆孔1057，并带来不必要的微波辐射。点火腔1010与反应腔1011分别接在环行器1021的两个输出端，环行器1021与反应腔通过一个U型弯波导1025相连，U型弯波导1025为2根(见图3)，一根连接环行器1021与反应腔1011，另一根连接环行器1021与点火腔1010，在环行器1021与点火腔1010之间存在一个电调反射器1023，用于调节点火腔1010中与反应腔1011中的微波1032能量分配，当点火腔1010中完成点火后通过电调反射器1023使微波1032全部进入反应腔1011，这样的连接方式可以很好的实现点火、加热集成化的设计，并且减小了实验装置的体积。
图4和图5为点火腔1010的设计示意图，点火腔1010做成一个逐渐变小的锥形腔体，截面积为长方形。在锥形腔体处，上下间距逐渐变小，由一条弧线平滑过渡，因而此处的场强很大，当达到一定击穿场强时，反应气体经过点火腔1010时就会打火。石英管1027垂直穿过点火腔1010，会在与反应腔1011相连接处产生一个直径与石英管1027直径相同的圆孔1057，由于石英管1027不能阻挡微波1032，微波1032会通过圆孔1057向外辐射，因而需要在圆孔周边加几个耦合小孔1028，减少微波1032溢出。
图6为反应腔1011的设计示意图，反应腔1011的设计要使得腔体中的微波1032能量尽量高，所以将反应腔1011做成圆环行的柱体，这样在腔体中心会形成能量强点，同时可以减小反应腔1011的体积。等离子体重整发生在点火腔1010和反应腔1011中的石英管1027中，因此采取石英管1027在反应腔1011中沿着腔体的高度方向上下弯曲，尽量增加反应气体在反应腔1011中的路程，提高反应率。
图7-9为预混腔1009与点火腔1010的连接设计的两个方案的设计图，预混腔1009与点火腔1010的连接设计主要是考虑如何将预混腔1009中的反应气体送入点火腔1010中的石英管1027中，并且尽量减少微波能量1032的溢出，并将两个腔体安装牢固。方案一：如图7、8所示，石英管1027插在点火腔1010内部的管槽1036中，预混腔1009通过点火腔1010外壁上的螺栓1035固定在一起，预混后的气体通过通气孔1034从预混腔1009进入点火腔1010中的石英管1027内。方案二：如图9所示，石英管1027穿过点火腔1010粘贴在预混腔1009的内壁上，预混后的气体通过支架1043固定在石英管1027内部的带通气孔1034的圆盘进入石英管1027。本发明设计的两种不同的连接设计方案，都实现了气体从预混腔1009进入点火腔1010中的石英管1027以及尽量减小了点火腔1010中的微波1032泄漏，并且连接简单，便于加工。
(三)控制系统
图10为控制系统的示意图，控制系统对于整个系统具有至关重要的作用，通过对各信号采集点信息的采集并进行分析，控制整个系统在规定的进程上工作，如控制系统的压强、管路中汽液体的流量等等。
工控机1044通过采集蠕动泵1003和流量计1006的水流量信号1050、乙醇流量信号1048和空气流量信号1046，调节蠕动泵1003和空气泵1004的转速来调节乙醇蒸汽、水蒸汽和空气的流量。
工控机1044通过采集管路中的温度压力信号1053，对汽化器1007发送一个汽化器1007输出功率调节信号1052，使水和乙醇完全汽化，避免能源浪费。
实验启动时，工控机1044给真空电磁阀1005发送一个电磁阀开关控制信号1051，当系统压力稳定在预定的负压范围内时，打开真空电磁阀1005开关，与真空泵1015协同控制整个回路的压强。并当遇到紧急情况也需通过关闭真空电磁阀1005来调节。
工控机1044采集管路中温度压力信号1053，通过分析压力调节真空泵1015的转速，使系统压力稳定在预定的负压范围内。
根据反应的进行程度，工控机1044向磁控管电源调控装置发送调节磁控管1019电源供应信号，改变磁控管1019的输出功率。
工作开始时，使微波1032全部进入点火腔1010，通过针孔摄像机或光敏传感器观察点火腔1010，当点火成功后，通过工控机1044发送给电调反射器1023一个挡板深度调节信号，使微波1032全部/部分反射到反应腔1011当中。
Claims (10)
1.一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，包括微波部分、控制部分和管路部分，其特征在于，所述微波部分主要由磁控管电源调控装置、磁控管(1019)、环行器(1021)、电调反射器(1023)和谐振腔组成，所述磁控管(1019)通过磁控管座(1020)与环行器(1021)连接，所述磁控管电源调控装置用来调节磁控管(1019)电源电压，使磁控管(1019)输出功率连续可调，所述谐振腔包括点火腔(1010)和反应腔(1011)，点火腔(1010)与反应腔(1011)相连接，所述环行器(1021)通过2根弯波导(1025)分别与点火腔(1010)和反应腔(1011)连接，在环行器(1021)与点火腔(1010)之间的弯波导(1025)上装有一个电调反射器(1023)；所述的控制部分主要由工控机(1044)、温度压力传感器和流量计组成，通过对各信号采集点信息的采集、分析，控制整个系统在规定的进程上工作。
2.根据权利要求1所述的一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，其特征在于，所述管路部分主要由2个蠕动泵(1003)、空气泵(1004)、汽化器(1007)、预混腔(1009)、真空泵(1015)、冷凝器(1012)、磁控管(1019)、干燥器(1014)和流量计(1006)组成，所述2个蠕动泵(1003)分别控制水和乙醇液体流量，空气泵(1004)控制空气流量，汽化器(1007)设计成三进三出的圆盘结构，用于将反应原料汽化并加热到相同温度，气化后的气体进入预混腔(1009)充分混合，真空泵(1015)装在反应腔(1011)后面的管路上，用于提供系统的负压环境，降低反应物的沸点和击穿场强，使反应更容易进行，在汽化器(1007)与2个蠕动泵(1003)和空气泵(1004)之间的管路上分别装有真空电磁阀(1005)，用于协同真空泵(1015)对系统抽取负压，并在紧急情况下切断原料的供应来终止整个系统的反应，冷凝器(1012)和干燥器(1014)分别依次装在反应腔(1011)与真空泵(1015)之间的管路上，冷凝器(1012)采用冷却水循环方式，并与磁控管(1019)的冷却水循环管路串联在一起，通过一个水泵管路循环完成冷却，用于将高温产物冷却，分离出未反应的水和乙醇，提高原料的利用率，干燥器(1014)用于对产物气体进行干燥处理，流量计(1006)分别装在空气泵(1004)与汽化器(1007)之间和干燥器(1014)与真空泵(1015)之间，用于测量空气的流量和经冷凝干燥后的产物气体流量。
3.根据权利要求1所述的一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，其特征在于，所述磁控管(1019)用于把电能转化成微波(1032)输出，并采用水冷方式冷却，微波(1032)通过磁控管座(1020)改变传输方向进入环行器(1021)，所述环行器(1021)具有单向传输特性，入射信号能顺利通过，反射信号由于被电阻吸收而不能通过，所述电调反射器(1023)用于调节点火腔(1010)和反应腔(1011)中的微波(1032)能量分配，当点火腔(1010)中完成点火后通过电调反射器(1023)使微波(1032)全部进入反应腔(1011)。
4.根据权利要求1所述的一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，其特征在于，所述点火腔(1010)用于点燃等离子体，点火腔(1010)几何形状为锥形，反应腔(1011)为圆环形的柱体形状，圆环截面与矩形波导截面相同，有利于微波(1032)在反应腔(1011)中的传播，持续不断的为反应提供能量，保持反应处于等离子体状态，混合气体通过石英管(1027)进入点火腔(1010)和反应腔(1011)，利于保温和观察，在石英管(1027)垂直穿过点火腔(1010)产生的两个直径与石英管直径相同的圆孔(1057)周边加几个耦合小孔(1028)，阻止微波(1032)通过圆孔(1057)向外辐射，减少微波(1032)溢出，点火腔(1010)和反应腔(1011)中加入销钉，通过调节销钉插入深度来调节阻抗匹配。
5.根据权利要求1所述的一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，其特征在于，所述点火腔(1010)为一个逐渐变小的锥形腔体，截面积为长方形，在锥形腔体处，上下间距逐渐变小，由一条弧线平滑过渡，其作用是在此处形成大的场强，当达到一定击穿场强时，反应气体经过点火腔(1010)时就会打火。
6.根据权利要求1所述的一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，其特征在于，所述反应腔(1011)为圆环形柱体，石英管(1027)在反应腔(1011)中绕着圆柱形腔体的中心轴成栅栏形式排列一圈，以增加反应气体在反应腔(1011)中的路程，提高反应率。
7.根据权利要求2所述的一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，其特征在于，所述预混腔(1009)与点火腔(1010)的连接的连接方式为：
石英管(1027)插在点火腔(1010)内部的管槽(1036)中，预混腔(1009)通过点火腔(1010)外壁上的螺栓(1035)固定在一起，预混后的气体通过点火腔(1010)侧壁上设置的通气孔(1034)从预混腔(1009)进入点火腔(1010)中的石英管(1027)内；
石英管(1027)穿过点火腔(1010)粘贴在预混腔(1009)的内壁上，预混后的气体通过支架(1043)固定在石英管(1027)内部的带通气孔(1034)的圆盘进入石英管(1027)。
8.根据权利要求1所述的一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，其特征在于，在初始激发微波等离子体时，用来点燃微波低温等离子体，通过调节电调反射器(1023)的反射比例来调节点火腔(1010)中的微波功率，直至自动启动完成点火。
9.根据权利要求1所述的一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，其特征在于，所述微波等离子在线制氢系统工作点是低温、低压环境，在此环境下气体的分子浓度低，分子间的平均碰撞频率低，因而微波击穿场强也会降低，提高微波点火的成功率以及反应的速率。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的一种车载燃料的微波等离子在线制氢系统，其特征在于，所述工控机(1044)通过采集蠕动泵(1003)和流量计(1006)的水流量信号(1050)、乙醇流量信号(1048)和空气流量信号(1046)，调节蠕动泵(1003)和空气泵(1004)的转速来调节乙醇蒸汽、水蒸汽和空气的流量；
工控机(1044)通过采集管路中的温度压力信号(1053)，对汽化器(1007)发送一个汽化器(1007)输出功率调节信号(1052)，使水和乙醇完全汽化，避免能源浪费；
实验启动时，工控机(1044)给真空电磁阀(1005)发送一个电磁阀开关控制信号(1051)，当系统压力稳定在预定的负压范围内时，打开真空电磁阀(1005)开关，与真空泵(1015)协同控制整个回路的压强，并当遇到紧急情况也需通过关闭真空电磁阀(1005)来调节；
工控机(1044)采集管路中温度压力信号(1053)，通过分析压力调节真空泵(1015)的转速，使系统压力稳定在预定的负压范围内；
根据反应的进行程度，工控机(1044)向磁控管电源调控装置发送调节磁控管(1019)电源供应信号，改变磁控管(1019)的输出功率；
开始工作时，使微波(1032)全部进入点火腔(1010)，通过针孔摄像机或光敏传感器观察点火腔(1010)，当点火成功后，通过工控机(1044)发送给电调反射器(1023)一个挡板深度调节信号，使微波(1032)全部/部分反射到反应腔(1011)当中。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20150603 Termination date: 20181128 |
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