一种基于太阳能的氢燃料电池汽车自产氢供应系统

马梓璇，张昱曈，颜 胜，龚 江，李 好，郑 柠

(1.南华大学电气工程学院，衡阳 421001；2.南华大学核科学技术学院，衡阳 421001；3.南华大学土木工程学院，衡阳 421001；4.南华大学经济管理与法学学院，衡阳 421001)

0 引 言

随着能源成本的上升和全球变暖，能源需求迅速增长，能源密集型的现代生活方式和大量人口的工业化造成许多国家出现能源危机等一系列问题。目前化石燃料(煤、石油和天然气)是整个世界的主要能源，它导致了不可避免的二氧化碳污染和人为的全球变暖。新能源只有具备能量密度上碾压性优势，才能颠覆传统能源历经数个世纪建立起来的庞大基础设施和产业体系。氢气是常见燃料中热值最高的能量载体，其热值为142 kJ/g，是汽油的3倍，煤炭的5倍，这一特性是实现汽车绿色、可持续发展的重要因素之一。氢燃料电池汽车被称为“终极环保车”，其排放物为水，能有效解决汽车使用过程中产生的空气污染问题，作为可再生资源，氢储量丰富，也能解决能源贫乏的问题，氢燃料电池汽车有希望引导汽车、能源工业的变革。

作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧气发生氧化还原化学反应，产生出电能驱动电动汽车前进。但在氢能源汽车工作过程中，氢燃料氧化反应产生大量的水，现有的氢能源汽车利用排水结构将水排出，当车辆怠速时会直接将水排至外面，且产生水渍，影响用户体验的同时浪费了水资源。

针对以上弊端，本项目研究了一种自产氢供应系统，满足了利用废弃资源制氢的要求，实现了节能减排的目的。

1 系统方案设计

1.1 本系统的整体结构

自产氢供应系统主要包括以下三个部分：氢气发生器、太阳能供电模块、及热汽回收器。其基本工作原理如下：本篇所述车体的顶棚设有太阳能板，通过太阳能逆变器与蓄电池及氢气发生器相连，氢气发生器通过制冷压缩机与液氢储罐相连，将电解所得氢气经-253 ℃制冷压缩机液化后储存在液氢罐中，供发动机使用。电动发电机运行时，部分能量会以水蒸气或液体的形式排放到外界环境中，通过汽车排气管带出水汽，经热汽回收装置冷却，将冷却生成的水导至氢气发生器中。当蓄电池中电量及氢气发生器中水槽水量达到预设值，电解水系统开始工作，将产生气体供至制冷压缩机中，至此，实现了氢燃料电池汽车的无污染，零排放，充分运用了太阳能、温差利用，能源利用率高，增加了续驰里程。图1显示的是本系统整体构架。

图1 系统整体构架

1.2 本系统各部分工作原理及结构

1.2.1 热汽回收器的设计：

尾气排放管将燃料电池运行时生成的产物以水蒸汽形式排出，经过热汽回收器的主导管传至冷凝装置中，用冷却水进行换热降温，冷却水与来自尾气排放管中的热汽进行热交换，与其进行充分交换后，将其内部热量带走，变成冷凝水，通过管道进入氢气发生器中的储水装置，待水位到达预设值时，产生氢气。冷却水和传导气体中的间隔材料壁装有半导体制冷器，在电流的作用下对冷却水进行多重冷却，以确保热汽以水的形式运输到氢气发生器。压力阀门的设计，确保汽车在高速行驶状态时，气体未能及时冷却状态下能顺畅排出到外界空气中，保证热汽回收器的正常运行。

本设计采用折返型排列的导热盘管换热设计，增加了换热的接触面积，结构简单，流体可以得到较高流速，能适应较大的换热需求。图2和图3分别显示的是热汽回收器的剖面模型图和外观模型图，其中半导体制冷器贴附在冷却水和热汽之间的管壁上：

图2 热汽回收器剖面示意图

图3 热汽回收器整体外观示意图

1.2.2 太阳能供电模块的设计：

氢气发生器的供能系统采用太阳能板与蓄电池相结合的方式为氢气的产生提供能量来源。太阳能板在有阳光的时候为蓄电池充电，同时蓄电池为系统提供能量来源，本设计中太阳能板选用为开路电压18 V，功率70 W的太阳能极板，蓄电池电压选用12 V，容量为38 AH。

太阳能供电模块主要由蓄电池，太阳能板，太阳能逆变器组成。太阳能板放置在氢能源汽车顶部。

由于太阳能板的输出电压需要通过一个BUCK变换器来间接为蓄电池充电。充电过程分为四个过程：涓流充电模式(PURL)、MPPT充电模式、过充电模式(OCP)与浮动充电模式(FLOAT)。

BUCK变换器也称降压式变换器，是一种输出电压小于输进电压的单管不隔离直流变换器。其基本特征是DC-DC转换电路，输入电流为脉动的，输出电流为持续的。要改变输出电压，可采取下面两个方法来实现：其一，改变系统的输入电压；第二，改变占空比。如果确保输入电压为固定值，那么改变占空比就能实现对电路输出电压的控制。

2 创新性及应用

本项目针对氢能源汽车运行时排水问题的弊端，提出了一种新型的自产氢供应模块，可有效利用行驶过程中产生的水热资源，其特色与创新之处如下：

(1)利用了氢能源汽车的唯一产物——水资源，真正实现了氢燃料电池汽车的无污染，零排放，并充分运用了太阳能资源，能源利用率高，增加了续驰里程。

(2)本设计中热汽回收器采用折返型排列的导热盘管换热设计，增加了换热的接触面积，结构简单，流体可以得到较高流速，能适应较大的换热需求。

(3)加入半导体制冷片，实现对冷却水一端的自冷却，不需不间断循环冷却水。

(4)引入蓄电池模块，可以存储电能，为电解水系统提供能量的同时，消除在行驶中出现意外断电的问题，加强了安全性。

3 可行性及应用分析

该设计主要应用于新能源汽车——氢燃料电池汽车，当前氢燃料汽车产业正处于高速发展阶段，应用前景十分广阔。由于本作品采用自产氢供应系统，能在充分利用资源的情况下提高续驰里程，同时增加了行驶的稳定性，自产氢气达到自供应效果，该产品的推广可以大大节省资源，这对目前投资成本较大、覆盖城市极少的加氢站来说，能带来较大的经济效益。使氢能源汽车向节能降耗、降低成本的方向发展，应用前景十分广阔。

4 结束语

这种应用于氢燃料电池汽车的自产氢系统，可使得其成为真正意义上的“环保终极车”，能带来较大的经济效益，同时解决氢燃料电池汽车行驶怠速状态下产生的喷溅问题，缓解氢站建设投资过大，且存量少等一系列问题，对氢能源汽车的推广起到了一定的促进作用。