余热分解含氢化合物的燃氢发动机
阅读说明：本技术 余热分解含氢化合物的燃氢发动机 (Hydrogen-burning engine capable of decomposing hydrogen-containing compound by waste heat ) 是由 张志坚 于 2021-01-06 设计创作，主要内容包括：余热分解含氢化合物的燃氢发动机,其特征是在传统发动机技术基础上增加三个技术系统；车载液氨的储存系统、车载分解制氢系统、燃氢发动机启动及燃料切换控制系统。发动机依靠传统燃料启动后既可以分解制取的氢混合气作为燃料,又可特殊需要时以传统燃料模式工作,发动机工作方式具有很好的灵活性与适应性。本发明相对于现有氢燃料电池技术,是一种大幅度降低氢能源使用成本,减少稀贵金属资源消耗,降低氢能源应用基础设施投入,提高加氢站及车载储氢的安全性,实现传统发动机氢能化,大幅减少二氧化碳排放,对传统发动机产业技术进行改造与升级的可行技术方案。(A hydrogen-burning engine capable of decomposing hydrogen-containing compounds by waste heat is characterized in that three technical systems are added on the basis of the traditional engine technology; the system comprises a vehicle-mounted liquid ammonia storage system, a vehicle-mounted decomposition hydrogen production system and a hydrogen-burning engine starting and fuel switching control system. The engine can be started by the traditional fuel, the prepared hydrogen mixed gas can be decomposed to serve as the fuel, the engine can work in the traditional fuel mode when in special needs, and the working mode of the engine has good flexibility and adaptability. Compared with the prior hydrogen fuel cell technology, the invention is a feasible technical scheme which greatly reduces the use cost of hydrogen energy, reduces the consumption of rare and precious metal resources, reduces the investment of hydrogen energy application infrastructure, improves the safety of a hydrogen filling station and vehicle-mounted hydrogen storage, realizes the hydrogen energy of the traditional engine, greatly reduces the emission of carbon dioxide and improves the traditional engine industrial technology.)
所属技术领域
本专利涉及一种燃氢发动机,其主要特征是基于传统内燃发动机，使用余热分解含氢化合物作为燃料的燃氢发动机，属于氢能源、燃氢发动机、环保低排放技术领域。
技术背景
氢能源是完全清洁的二次能源，氢能源成为全球应对气候变化、实现碳减排目标、保护生态与环境、促进经济可持续发展的希望所在。随着氢能源技术发展，基于氢能的新能源汽车技术研究探索方兴未艾。
已知的氢能源汽车发动机目前主要有二种氢的利用技术途径:一是以氢燃料电池为动力源电动驱动模式，二是以直接燃烧氢的发动机模式，无论哪一种方式，都涉及氢的储存、运输、加注、车载供氢及使用安全等技术问题。
尽管氢能源是清洁的二次能源，但是氢的储存运输并不容易，氢是一种易燃易爆物危化品，而且储存、运输、车载供氢及使用过程中容易泄漏，泄漏后不容易察觉的特点，因此氢气的存储运输问题困扰着氢能源的应用发展，目前仍然没有完美解决方案，氢的储存运输是亟待解决问题。根据有关统计；当前氢能源技术投入研究经费的50%用于氢储存技术研究。目前主要的技术方案有：高压容器储氢、液氢储存、金属合金储氢、化合物液态储氢等。
高压容器储氢；高压气态储氢技术是指在高压下，将氢气压缩，以高密度气态形式储存，是目前发展较成熟的储氢技术。然而，储氢密度受压力影响较大，压力又受储氢罐材质限制。目前研究热点在于储氢罐材质与结构的改进。研究发现储氢量及密度随压力增加而增加，在30～40 MPa时，密度增加较快，当压力大于70 MPa时密度变化趋于平缓，因此储罐工作压力一般在35～70 MPa。目前高压储氢储罐主要包括金属储罐、金属内衬纤维缠绕储罐和全复合轻质纤维缠绕储罐。金属储罐储氢罐多采用高强度钢，钢材存在氢脆的敏感性问题，使用寿命周期内存在一定的安全风险因素。
低温液氢储存；低温液氢需要在温度-252.87℃，压力100MPa以上将氢气液化，液化后体积密度为气态时的845倍，低温液氢储存其储存密度、输送效率高于高压容器储氢。但液氢对储存容器的绝热和安全性设计要求很高。将气态氢经高压低温冷却变成液态氢需要大量耗能，储氢成本高。因此出于安全、保温绝热效率、蒸发损失及与使用成本考虑，低温液氢难以在大规模商业化储氢及车载储氢应用。
金属合金储氢；金属合金储氢是利用特定金属合金吸附氢的特性储氢，金属合金储氢的特点是氢以原子状态吸附储存于合金中，安全性较高。但这类材金属合金料的氢化物过于稳定，脱氢需在一定加热条件下进行，由于体材料比热大，热交换效率等问题导致脱氢困难。同时储氢金属合金成本高、资源有限，且储氢合金的多空结构多因时效而导致存储能力降低，目前该技术仍然没有达到实用化。
化合物液态储氢；其技术是利用储氢介质在一定条件下能与氢气反应生成较稳定化合物，以便于氢的存储运输，使用时通过一定条件实现释放氢的技术，主要包括有机液体储氢、液氨储氢、配位氢化物储氢、无机物储氢与甲醇储氢等。化合物液态储氢虽保证了一定相对安全性，但其释放氢时易发生副反应，氢气浓度相对较低。如甲醇蒸汽重整工艺虽然比较成熟，但释放氢的工艺条件要求高，设备体积不容易小型化，车载供氢难以商业化，且有碳排放。
液氨储氢技术将氢气与氮气反应生成液氨作为氢能的载体。研究表明液氨储氢技术不适合氢燃料电池，因为微量未被分解的氨混入氢气中，会造成氢燃料电池催化剂钝化致电池转化效率严重降低甚至失效，故液氨储氢技术不能用于氢燃料电池。
氢燃料电池驱动汽车；氢燃料电池汽车是当前热门的应用研究领域，对比锂二次电池的纯电动汽车，氢能源汽车具有加氢快；加氢便捷性与燃油车加油类似，无需锂二次电池长时间充电等待，符合汽车消费者使用习惯，续航里程与燃油车相当，相对锂二次电池放电容量随充放电次数衰减特性，氢燃料电池基本无衰减。
但是氢燃料电池目前主要的问题是；一是氢气的运输存储与加注、车载使用安全使用问题，目前小规模投入市场运行的氢燃料电池车，较多的是使用压缩储氢技术，车载容器罐内压达到70MPa，高压容器罐储存易泄漏、燃爆等安全风险较大，加氢站的技术要求较高、基础设施投资较大，商业运行成本不菲。二是氢燃料电池成本昂贵，氢燃料电池持电化学反应使用贵金属铂等作为催化剂，全球贵金属资源不敷氢燃料电池汽车的普及大规模应用。因此氢燃料电池方式的电动驱动汽车在未来较长一段时间内，在相应储氢技术与氢燃料电池技术突破前，很难做到经济方便实用。
发明内容
本专利余热分解含氢化合物的燃氢发动机；针对氢燃料电池成本高、氢燃料电池催化需要消耗贵金属，贵金属资源不敷普及大规模应用、压缩氢和液氢存储难度大的问题，提供一种相对安全储氢，以含氢化合物作为燃料的混合式燃氢发动机。本发明是基于传统发动机技术基础上集成增加三个方面的系统；车载液氨的储存系统、车载分解制氢系统、燃氢发动机启动及燃料切换控制系统。本发明相对于氢燃料电池技术，可降低氢能源技术使用成本，减少氢能源应用基础设施投入，提高加氢站及车载储氢的安全性。对传统发动机实现氢能源化、大幅减少二氧化碳排放，改造与升级发动机产业技术，提供一种可行技术方案。
本专利车载液氨的储存系统，由液氨存储压力容器、加注控制阀、减压阀、电磁控制阀、压力传感器及温度传感器、燃料及气体管路等组成。液氨是世界上产量最大的无机化合物之一，生产资源丰富。液氨相对压缩氢和液氢气价格便宜、液氨的储存条件要求远远低于液氢和高压容器储氢，液氨易燃易爆危险性低于汽油、甲烷、压缩氢、液氢等，是相对安全，技术难度相对较低的储氢技术。液氨安全性能与液化石油气相当，通常与液化石油气一样被储存在压力容器罐中（远低于压缩氢气的压力，通常≤2MPa），加注液氨便捷性与液化石油气类似，大大降低氢载体储存技术要求和设备投入，有良好技术和产业兼容性。
本专利的车载分解制氢系统；由发动机缸外预热套、催化分解发生器、压力传感器及温度传感器、电磁控制阀、止回火器、燃料及气体管路等组成。液氨在常压及催化、一定温度条件下即可分解得到氢混合气。本发明利用发动机尾气余热，提供车载分解制氢系统需要热量，分解液氨得到氢混合气。发动机缸外预热套在发动机气缸外，围绕气缸体形成热交换，液氨从管道送入进行预热，然后进入催化分解发生器。催化分解发生器串接在排气管上近发动机端，催化分解发生器空间填充催化剂，催化剂呈多孔结构，兼顾导热与增加活性表面积，催化剂包括但不限于钌系、铁系、钴系与镍系等。催化分解发生器金属外部有辅助加热燃烧室、电子点火塞、燃油喷嘴、进气、排气等构成催化分解发生器辅助加热设施，辅助加热器使用燃料加热，但不限燃料加热方式，辅助加热也可使用电加热方式。
本专利的燃氢发动机启动及燃料切换控制系统；由压力传感器及温度传感器、总控制器、燃料切换电磁三通阀、燃料及气体管路，辅助燃料箱、燃料泵、气体滤清器、电控调压器、副燃料箱等组成。发动机冷车状态下依靠传统燃料启动，发动机启动后，发动机余热和辅助加热开始加热催化分解发生器，当传温度感器检测到催化分解发生器达到正常工况温度时，总控制器启动电磁阀切换混合氢气燃料供给发动机工作，同时关闭传统燃料供给。启动系统使用传统汽、柴油燃料，但不限于汽、柴油燃料，也可使用其它石化清洁燃料如CNG压缩天燃气等。
技术方案；本专利余热分解含氢化合物的燃氢发动机，使用传统燃料启动工作一段时间后，尾气余热和辅助加热使车载液氨制氢系统达到工作温度，总控制器打开电磁控制阀，将车载液氨储存容器中的液氨经过电磁控制阀、减压阀、燃料及气体管路送入发动机缸外预热套进行预热，再经催化分解发生器制取氢混合气，氢混合气经过止回火器、气体滤清器、电控调压器、电子喷射系统与空气混合进入发动机气缸燃烧工作。制取氢混合气及其燃烧反应化学方程如下；
2NH3 （催化，加热）⇌ N2+3H2 （1）
2N2+6H2 +3O2 = 2N2+6H2O （2）
当氢混合气进入气缸燃烧工作，总控制器启动燃料切换电磁三通阀，切断传统燃料供给并调整点火提前角（压燃式发动机无需调整点火提前角），同时总控制器检测氧传感器信号，由电控调压器控制氢混合气流量达到最佳空气与氢混合气的混合比，使发动机正常工作。
正常情况，发动机启动后几分钟（时间长短视环境条件），车载分解制氢系统即可达到正常压力与温度，发动机即可进入燃氢发动机工作模式。特殊情况下，如液氨燃料短缺或者无液氨加注站地区，则可关闭燃氢系统依靠传统燃料模式工作，发动机工作方式具有很大灵活性。
有益效果；余热分解含氢化合物的燃氢发动机基于现有发动机技术生产，只需对现有发动机生产工艺、技术加以改动和增加即可实施，混合式燃氢发动机生产新增投入成本较少。
其次使用相对安全的液氨储氢，比较氢燃料电池使用压缩氢和液氢技术有较高安全性，而且液氨储氢与运输成本也低得多，加注方便性与传统燃油加注基本等同。
相对于昂贵的氢燃料电池，本发明燃氢发动机具备较大成本优势，而且不消耗燃料电池所需要的稀贵金属。
特殊情况下，如液氨燃料短缺或者无加注站，则可进入传统燃料工作模式，发动机工作方式具有很大灵活性，可以最大限度适应不同工作环境。
与传统燃油发动机相比较，余热分解含氢化合物的燃氢发动机可以大大降低二氧化碳排放，长途行驶可达到准零排放。
附图说明；图1余热分解含氢化合物的燃氢发动机结构原理示意图；
1.尾气排气管，2.压力及温度传感器，3.催化分解发生器，4.止回火器，5.辅助加热器，6.气体滤清器，7.电控调压器，8.燃料及气体管路，9.燃料电磁三通阀，10.总控制器，11.辅助燃料箱，12.加注控制阀，13.进气管路，14.减压阀，15.电磁控制阀，16.液氨存储压力容器，17.燃料泵，18.发动机缸外预热套，19.发动机气缸，20.辅助加热器燃油喷嘴，21.辅助加热器电子点火塞。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明进一步说明；实施例仅用于说明本发明而不是对本发明专利进行限制，在本发明专利公开后，对本专利的各种等价形式的修改均属于本专利申请所附权利要求的范围。
图1.是余热分解含氢化合物的燃氢发动机结构安置实施例示意；
液氨通过加注控制阀12，存储在液氨存储压力容器16中（通常压力≤2MPa），发动机依靠传统燃料启动后，总控制器10打开液氨电磁控制阀15，液氨经减压阀14，由于液氨汽化是一个吸热过程，减压阀设置有电热防冻除霜，减压到合适压力后，经燃料及气体管路8，进入发动机缸外预热套18进行预热，发动机缸外预热套18位于发动机缸套外侧，发动机缸体内，围绕发动机气缸19形成热交换器。经预热的氨气送入催化分解发生器3，催化分解发生器3连接在发动机尾气排气管1的近发动机端，吸收发动机工作尾气排气管1余热和辅助加热器5热量，当催化分解发生器达到正常工况，在催化作用下氨分解为氮氢混合气。总控制器10通过切换燃料切换燃料电磁三通阀9，氮氢混合气经止回火器4、气体滤清器6、电控调压器7、喷射系统进入发动机气缸19工作。同时切断传统燃料和关闭辅助加热器5，发动机进入燃氢工作模式。电控调压器7由总控制器10通过氧传感器和节气门信号调节氮氢混合气流量，以达到最佳空燃混合比。
辅助加热器5在发动机进入燃氢工作模式后处于关闭状态，在外部环境温度极低，发动机尾气排气管1余热不足以维持催化分解发生器3正常工作温度时，总控制器10检测压力及温度传感器2信号，控制辅助加热器5启动加热。
特殊情况下，如液氨燃料短缺或者无液氨加注站地区，则可通过总控制器10关闭燃氢系统，发动机完全依靠辅助燃料箱11的传统燃料工作，进入传统燃料发动机工作模式。
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