馬梓璇，張昱曈，顏 勝，龔 江，李 好，鄭 檸

(1.南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，衡陽 421001；2.南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，衡陽 421001；3.南華大學(xué)土木工程學(xué)院，衡陽 421001；4.南華大學(xué)經(jīng)濟管理與法學(xué)學(xué)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(xiàn)代生活方式和大量人口的工業(yè)化造成許多國家出現(xiàn)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(dǎo)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(yōu)勢，才能顛覆傳統(tǒng)能源歷經(jīng)數(shù)個世紀建立起來的龐大基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)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(xiàn)汽車綠色、可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。氫燃料電池汽車被稱為“終極環(huán)保車”，其排放物為水，能有效解決汽車使用過程中產(chǎn)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(dǎo)汽車、能源工業(yè)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(fā)生氧化還原化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生出電能驅(qū)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(yīng)產(chǎn)生大量的水，現(xiàn)有的氫能源汽車利用排水結(jié)構(gòu)將水排出，當車輛怠速時會直接將水排至外面，且產(chǎn)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(chǎn)氫供應(yīng)系統(tǒng)，滿足了利用廢棄資源制氫的要求，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

自產(chǎn)氫供應(yīng)系統(tǒng)主要包括以下三個部分：氫氣發(fā)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(shè)有太陽能板，通過太陽能逆變器與蓄電池及氫氣發(fā)生器相連，氫氣發(fā)生器通過制冷壓縮機與液氫儲罐相連，將電解所得氫氣經(jīng)-253 ℃制冷壓縮機液化后儲存在液氫罐中，供發(fā)動機使用。電動發(fā)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(huán)境中，通過汽車排氣管帶出水汽，經(jīng)熱汽回收裝置冷卻，將冷卻生成的水導(dǎo)至氫氣發(fā)生器中。當蓄電池中電量及氫氣發(fā)生器中水槽水量達到預(yù)設(shè)值，電解水系統(tǒng)開始工作，將產(chǎn)生氣體供至制冷壓縮機中，至此，實現(xiàn)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(xù)馳里程。圖1顯示的是本系統(tǒng)整體構(gòu)架。

圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)架

1.2 本系統(tǒng)各部分工作原理及結(jié)構(gòu)

1.2.1 熱汽回收器的設(shè)計：

尾氣排放管將燃料電池運行時生成的產(chǎn)物以水蒸汽形式排出，經(jīng)過熱汽回收器的主導(dǎo)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(nèi)部熱量帶走，變成冷凝水，通過管道進入氫氣發(fā)生器中的儲水裝置，待水位到達預(yù)設(shè)值時，產(chǎn)生氫氣。冷卻水和傳導(dǎo)氣體中的間隔材料壁裝有半導(dǎo)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?shù)綒錃獍l(fā)生器。壓力閥門的設(shè)計，確保汽車在高速行駛狀態(tài)時，氣體未能及時冷卻狀態(tài)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(shè)計采用折返型排列的導(dǎo)熱盤管換熱設(shè)計，增加了換熱的接觸面積，結(jié)構(gòu)簡單，流體可以得到較高流速，能適應(yīng)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(dǎo)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(shè)計：

氫氣發(fā)生器的供能系統(tǒng)采用太陽能板與蓄電池相結(jié)合的方式為氫氣的產(chǎn)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(tǒng)提供能量來源，本設(shè)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(zhuǎn)換電路，輸入電流為脈動的，輸出電流為持續(xù)的。要改變輸出電壓，可采取下面兩個方法來實現(xiàn)：其一，改變系統(tǒng)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(xiàn)對電路輸出電壓的控制。

2 創(chuàng)新性及應(yīng)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(chǎn)氫供應(yīng)模塊，可有效利用行駛過程中產(chǎn)生的水熱資源，其特色與創(chuàng)新之處如下：

(1)利用了氫能源汽車的唯一產(chǎn)物——水資源，真正實現(xiàn)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(xù)馳里程。

(2)本設(shè)計中熱汽回收器采用折返型排列的導(dǎo)熱盤管換熱設(shè)計，增加了換熱的接觸面積，結(jié)構(gòu)簡單，流體可以得到較高流速，能適應(yīng)較大的換熱需求。

(3)加入半導(dǎo)體制冷片，實現(xiàn)對冷卻水一端的自冷卻，不需不間斷循環(huán)冷卻水。

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

3 可行性及應(yīng)用分析

該設(shè)計主要應(yīng)用于新能源汽車——氫燃料電池汽車，當前氫燃料汽車產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展階段，應(yīng)用前景十分廣闊。由于本作品采用自產(chǎn)氫供應(yīng)系統(tǒng)，能在充分利用資源的情況下提高續(xù)馳里程，同時增加了行駛的穩(wěn)定性，自產(chǎn)氫氣達到自供應(yīng)效果，該產(chǎn)品的推廣可以大大節(jié)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(jīng)濟效益。使氫能源汽車向節(jié)能降耗、降低成本的方向發(fā)展，應(yīng)用前景十分廣闊。

4 結(jié)束語

這種應(yīng)用于氫燃料電池汽車的自產(chǎn)氫系統(tǒng)，可使得其成為真正意義上的“環(huán)保終極車”，能帶來較大的經(jīng)濟效益，同時解決氫燃料電池汽車行駛怠速狀態(tài)下產(chǎn)生的噴濺問題，緩解氫站建設(shè)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。