一種基于太陽能的氫燃料電池汽車自產氫供應系統

馬梓璇，張昱曈，顏 勝，龔 江，李 好，鄭 檸

(1.南華大學電氣工程學院，衡陽 421001；2.南華大學核科學技術學院，衡陽 421001；3.南華大學土木工程學院，衡陽 421001；4.南華大學經濟管理與法學學院，衡陽 421001)

0 引 言

隨著能源成本的上升和全球變暖，能源需求迅速增長，能源密集型的現代生活方式和大量人口的工業化造成許多國家出現能源危機等一系列問題。目前化石燃料(煤、石油和天然氣)是整個世界的主要能源，它導致了不可避免的二氧化碳污染和人為的全球變暖。新能源只有具備能量密度上碾壓性優勢，才能顛覆傳統能源歷經數個世紀建立起來的龐大基礎設施和產業體系。氫氣是常見燃料中熱值最高的能量載體，其熱值為142 kJ/g，是汽油的3倍，煤炭的5倍，這一特性是實現汽車綠色、可持續發展的重要因素之一。氫燃料電池汽車被稱為“終極環保車”，其排放物為水，能有效解決汽車使用過程中產生的空氣污染問題，作為可再生資源，氫儲量豐富，也能解決能源貧乏的問題，氫燃料電池汽車有希望引導汽車、能源工業的變革。

作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧氣發生氧化還原化學反應，產生出電能驅動電動汽車前進。但在氫能源汽車工作過程中，氫燃料氧化反應產生大量的水，現有的氫能源汽車利用排水結構將水排出，當車輛怠速時會直接將水排至外面，且產生水漬，影響用戶體驗的同時浪費了水資源。

針對以上弊端，本項目研究了一種自產氫供應系統，滿足了利用廢棄資源制氫的要求，實現了節能減排的目的。

1 系統方案設計

1.1 本系統的整體結構

自產氫供應系統主要包括以下三個部分：氫氣發生器、太陽能供電模塊、及熱汽回收器。其基本工作原理如下：本篇所述車體的頂棚設有太陽能板，通過太陽能逆變器與蓄電池及氫氣發生器相連，氫氣發生器通過制冷壓縮機與液氫儲罐相連，將電解所得氫氣經-253 ℃制冷壓縮機液化后儲存在液氫罐中，供發動機使用。電動發電機運行時，部分能量會以水蒸氣或液體的形式排放到外界環境中，通過汽車排氣管帶出水汽，經熱汽回收裝置冷卻，將冷卻生成的水導至氫氣發生器中。當蓄電池中電量及氫氣發生器中水槽水量達到預設值，電解水系統開始工作，將產生氣體供至制冷壓縮機中，至此，實現了氫燃料電池汽車的無污染，零排放，充分運用了太陽能、溫差利用，能源利用率高，增加了續馳里程。圖1顯示的是本系統整體構架。

圖1 系統整體構架

1.2 本系統各部分工作原理及結構

1.2.1 熱汽回收器的設計：

尾氣排放管將燃料電池運行時生成的產物以水蒸汽形式排出，經過熱汽回收器的主導管傳至冷凝裝置中，用冷卻水進行換熱降溫，冷卻水與來自尾氣排放管中的熱汽進行熱交換，與其進行充分交換后，將其內部熱量帶走，變成冷凝水，通過管道進入氫氣發生器中的儲水裝置，待水位到達預設值時，產生氫氣。冷卻水和傳導氣體中的間隔材料壁裝有半導體制冷器，在電流的作用下對冷卻水進行多重冷卻，以確保熱汽以水的形式運輸到氫氣發生器。壓力閥門的設計，確保汽車在高速行駛狀態時，氣體未能及時冷卻狀態下能順暢排出到外界空氣中，保證熱汽回收器的正常運行。

本設計采用折返型排列的導熱盤管換熱設計，增加了換熱的接觸面積，結構簡單，流體可以得到較高流速，能適應較大的換熱需求。圖2和圖3分別顯示的是熱汽回收器的剖面模型圖和外觀模型圖，其中半導體制冷器貼附在冷卻水和熱汽之間的管壁上：

圖2 熱汽回收器剖面示意圖

圖3 熱汽回收器整體外觀示意圖

1.2.2 太陽能供電模塊的設計：

氫氣發生器的供能系統采用太陽能板與蓄電池相結合的方式為氫氣的產生提供能量來源。太陽能板在有陽光的時候為蓄電池充電，同時蓄電池為系統提供能量來源，本設計中太陽能板選用為開路電壓18 V，功率70 W的太陽能極板，蓄電池電壓選用12 V，容量為38 AH。

太陽能供電模塊主要由蓄電池，太陽能板，太陽能逆變器組成。太陽能板放置在氫能源汽車頂部。

由于太陽能板的輸出電壓需要通過一個BUCK變換器來間接為蓄電池充電。充電過程分為四個過程：涓流充電模式(PURL)、MPPT充電模式、過充電模式(OCP)與浮動充電模式(FLOAT)。

BUCK變換器也稱降壓式變換器，是一種輸出電壓小于輸進電壓的單管不隔離直流變換器。其基本特征是DC-DC轉換電路，輸入電流為脈動的，輸出電流為持續的。要改變輸出電壓，可采取下面兩個方法來實現：其一，改變系統的輸入電壓；第二，改變占空比。如果確保輸入電壓為固定值，那么改變占空比就能實現對電路輸出電壓的控制。

2 創新性及應用

本項目針對氫能源汽車運行時排水問題的弊端，提出了一種新型的自產氫供應模塊，可有效利用行駛過程中產生的水熱資源，其特色與創新之處如下：

(1)利用了氫能源汽車的唯一產物——水資源，真正實現了氫燃料電池汽車的無污染，零排放，并充分運用了太陽能資源，能源利用率高，增加了續馳里程。

(2)本設計中熱汽回收器采用折返型排列的導熱盤管換熱設計，增加了換熱的接觸面積，結構簡單，流體可以得到較高流速，能適應較大的換熱需求。

(3)加入半導體制冷片，實現對冷卻水一端的自冷卻，不需不間斷循環冷卻水。

(4)引入蓄電池模塊，可以存儲電能，為電解水系統提供能量的同時，消除在行駛中出現意外斷電的問題，加強了安全性。

3 可行性及應用分析

該設計主要應用于新能源汽車——氫燃料電池汽車，當前氫燃料汽車產業正處于高速發展階段，應用前景十分廣闊。由于本作品采用自產氫供應系統，能在充分利用資源的情況下提高續馳里程，同時增加了行駛的穩定性，自產氫氣達到自供應效果，該產品的推廣可以大大節省資源，這對目前投資成本較大、覆蓋城市極少的加氫站來說，能帶來較大的經濟效益。使氫能源汽車向節能降耗、降低成本的方向發展，應用前景十分廣闊。

4 結束語

這種應用于氫燃料電池汽車的自產氫系統，可使得其成為真正意義上的“環保終極車”，能帶來較大的經濟效益，同時解決氫燃料電池汽車行駛怠速狀態下產生的噴濺問題，緩解氫站建設投資過大，且存量少等一系列問題，對氫能源汽車的推廣起到了一定的促進作用。