楊　東，雷　勇，劉佩佩

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都610065；2.四川大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都610065)

基于鎂基氫化物水解的新型氫燃料移動(dòng)電源

楊東1，雷勇1，劉佩佩2

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都610065；2.四川大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都610065)

主要針對(duì)傳統(tǒng)移動(dòng)電源需要在有電的條件下進(jìn)行充電和在使用過(guò)程中有一定機(jī)率產(chǎn)生爆炸以及使用過(guò)后副產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的危害等不足，自主研發(fā)了一種采用鎂基氫化物水解供氫，具有反應(yīng)過(guò)程和供氫過(guò)程可控、可持續(xù)發(fā)電、便攜性好、原料成本低、輸出電壓穩(wěn)定、適用于長(zhǎng)期戶外工作者等優(yōu)點(diǎn)的新型氫燃料移動(dòng)電源。

移動(dòng)電源；氫燃料電池；鎂基氫化物；水解

0　引言

利用化石能源所產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，尤其是化石能源所帶來(lái)的霧霾和氣候變暖問(wèn)題已經(jīng)十分突出,嚴(yán)重影響了人類的生活和發(fā)展[1]。因此，尋找一種清潔高效可再生的新能源迫在眉睫。氫作為一種來(lái)源廣泛、應(yīng)用方便、無(wú)污染的可再生能源，是一種理想的新能源。

如今，數(shù)碼產(chǎn)品功能日益多樣化，使用更加頻繁，隨之而來(lái)的是其能耗越來(lái)越大，提高數(shù)碼產(chǎn)品的單次充電使用時(shí)間，尤其是長(zhǎng)時(shí)間不能在固定電源上充電的情況時(shí)如何對(duì)其進(jìn)行電量補(bǔ)充顯得尤為重要[2]。因此，移動(dòng)電源也就逐漸出現(xiàn)在人們的生活中。目前市場(chǎng)上的移動(dòng)電源多是用大容量的鋰離子電池多為備用電源，存在容量有限、對(duì)其再充電的時(shí)間長(zhǎng)、不能滿足長(zhǎng)時(shí)間野外工作的缺點(diǎn)[3-8]。

傳統(tǒng)移動(dòng)電源具有電容量有限、充電時(shí)間長(zhǎng)、循環(huán)壽命短等弊端，而現(xiàn)有水解供氫式燃料電池充電器雖然具有節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)充電的優(yōu)勢(shì)，但其普遍存在水解反應(yīng)過(guò)程不可控、氫氣利用率低、輸出電壓不穩(wěn)定等問(wèn)題[9-10]。針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，本文在現(xiàn)有的氫燃料電池的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種綠色新型的移動(dòng)電源——基于鎂基氫化物水解供氫的燃料電池充電器。這款新型氫燃料電池移動(dòng)電源不僅突破了傳統(tǒng)移動(dòng)電源的局限，而且對(duì)現(xiàn)有的新能源充電器進(jìn)行了優(yōu)化。

1　硬件設(shè)計(jì)

1.1電源總電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，電源總電路由氫燃料電池、0.9 V～5 V升壓電路、電路板以及電能儲(chǔ)存模塊（鋰電池）依次連接組成。

1.2直流0.9 V～5 V升5 V微型穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

鋰電池充電的最低電壓是 3.7 V。燃料電池塊輸出是2.5 V、2.0 A，且輸出電流時(shí)大時(shí)小，電壓時(shí)高時(shí)低。因此，在燃料電池的輸出口搭建了一個(gè)以NCP1450ASN50為核心、最低輸入電壓為0.9 V、最大輸出電流為1 000 mA的直流0.9 V～5 V升5 V微型升壓電路，以確保電路的輸出電壓穩(wěn)定在5.0 V。

圖2是直流0.9 V～5 V升5 V微型升壓電路原理圖，其具有以下特點(diǎn)：

圖1　電路組成示意圖

圖2　直流0.9 V～5 V升5 V微型升壓電路原理圖

(1)電路體積小，功率大，輸出電流為1 000 mA，并帶欠壓指示功能，平均效率達(dá)94%。

(2)輸入0.9 V～5 V任意直流電壓，均可穩(wěn)定輸出5 V直流電壓（總功率不超5 W，輸出電壓越高，輸入電壓越低，輸出功率就會(huì)降低)。

(3)增加了鋰電池識(shí)別電路，可以直接給鋰電池充電。

1.3電路板模塊設(shè)計(jì)

按照整個(gè)裝置的功能需要，設(shè)計(jì)電路板的結(jié)構(gòu)及連接如圖3所示。

圖3　電路板的功能部件及連接示意圖

DC-DC電源模塊是直流轉(zhuǎn)換模塊，也是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器，有降壓和升壓兩種，其特點(diǎn)是可為專用集成電路 （ASIC）、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、微處理器、存儲(chǔ)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)及其他數(shù)字或模擬負(fù)載供電。

1.4電路板特點(diǎn)

以MCU為核心構(gòu)建鋰電池充放電電路，核心電路如圖4所示。MCU能夠智能判斷充放電狀態(tài)和當(dāng)前電量，還具有涓流充電以及自動(dòng)待機(jī)功能。具備 5 V/1 A和 5 V/2.1 A雙通道電能輸出，同時(shí)內(nèi)置鋰電池保護(hù)IC，有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)等，且具有智能判定是否充滿電的功能，其電氣、物理參數(shù)如表1所示。

圖4　核心電路

特點(diǎn)：

(1)此電路板內(nèi)置鋰電池保護(hù)IC，有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)等，所以接入電池不用再連電池保護(hù)板就可以工作，如果另接了小功率的電池保護(hù)板（如手機(jī)電池的過(guò)流保護(hù)才4 A左右）有時(shí)會(huì)引起電池保護(hù)而不能正常升壓。

(2)移動(dòng)電源由待機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，藍(lán)色背光源即被點(diǎn)亮，15 s后熄滅；按輕觸開(kāi)關(guān)ON/OFF一次，藍(lán)色背光源再次被點(diǎn)亮15 s，方便查看LCD顯示屏。

(3)電路板采用市場(chǎng)主流的同步整流BOOST開(kāi)關(guān)電源電路方案，當(dāng)電池電壓3.7 V，輸出端5 V/2.1 A時(shí)，效率不低于85%；當(dāng)電池電壓降為3.0 V時(shí)(此時(shí)已接近過(guò)放電壓保護(hù)值)，輸出端 5 V/2.1 A時(shí)，效率不低于72%。平均效率不低于78.5%。

(4)電路板具有智能判定充滿電的功能，電池充電最后一個(gè)區(qū)間為恒壓充電，此時(shí)充電電流會(huì)變得越來(lái)越小。當(dāng)電池容量變?yōu)?0.05 C時(shí)，電池電量檢測(cè)模塊判定充電完成。

表1　電路板電氣、物理參數(shù)特性表

2　性能對(duì)比

2.1自動(dòng)化、效率高

目前已有的氫氣燃料電池在移動(dòng)電源應(yīng)用上的弊端之一就是在啟動(dòng)后仍然需要手動(dòng)干預(yù)。本裝置自主研發(fā)了機(jī)械式的控制閥門，通過(guò)控制倉(cāng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電過(guò)程的自動(dòng)控制。另外，通過(guò)控制水解制氫反應(yīng)的過(guò)程，使其產(chǎn)氫量與燃料電池發(fā)電的消耗量接近，從而避免多余氫氣排出造成的浪費(fèi)。

控制原理：根據(jù)燃料電池的功率大小，在氫氣的出口端增加了一個(gè)節(jié)流閥來(lái)控制氫氣的流量。在反應(yīng)倉(cāng)中，通過(guò)壓力和彈簧的共同作用，水流下來(lái)與試劑產(chǎn)生反應(yīng)，當(dāng)氫氣的消耗量低于氫氣的產(chǎn)量時(shí)，反應(yīng)倉(cāng)的壓力會(huì)逐漸增大；當(dāng)倉(cāng)內(nèi)壓力增大到一定時(shí)，壓力推動(dòng)閥門，這時(shí)水流通道關(guān)閉，制氫反應(yīng)逐漸暫停；當(dāng)氫氣消耗殆盡時(shí)，反應(yīng)倉(cāng)內(nèi)壓強(qiáng)減小，閥門打開(kāi)，重新形成水流通道。

2.2方便快捷

傳統(tǒng)的充電寶在電量消耗完了之后必須充電才能再次使用，但是對(duì)于那些長(zhǎng)期在野外工作的人群或者旅游愛(ài)好者在戶外充電難度較大。另外，傳統(tǒng)的燃料電池的一個(gè)最基本的難題就是氫氣的儲(chǔ)存。而本裝置針對(duì)上述問(wèn)題，利用水解反應(yīng)獲取氫氣并且對(duì)水質(zhì)要求低，可以為自來(lái)水、河水、雨水、海水等，甚至是尿液即可繼續(xù)高效工作。

2.3綠色環(huán)保

傳統(tǒng)移動(dòng)電源由鋰電芯作為主要材料制成的電池在廢棄處理時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定污染，且回收率較低。本裝置所用水解原料為四川大學(xué)材料學(xué)院自主開(kāi)發(fā)的高性能鎂基氫化物材料，具有產(chǎn)氫量大(不算水達(dá) 13.6wt%)、反應(yīng)過(guò)程可控、對(duì)水質(zhì)要求低、副產(chǎn)物對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。此處就主要性能及指標(biāo)把傳統(tǒng)移動(dòng)電源、現(xiàn)有的新能源燃料電池與本裝置作簡(jiǎn)要比較，如表2所示。

表2　本裝置與現(xiàn)有同類裝置性能參數(shù)對(duì)比

3　結(jié)論

本文利用川大材料學(xué)院自主研發(fā)的化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)出一款新型燃料電池，實(shí)現(xiàn)了新型電源即時(shí)、高效的特點(diǎn)而且其工作溫度范圍大，啟動(dòng)速度快；通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)氫量的控制，使氫氣利用率達(dá)到最優(yōu)，保證了資源的合理利用；本設(shè)計(jì)裝置使用后副產(chǎn)品對(duì)環(huán)境友好，做到了真正的綠色環(huán)保。

[1]劉鳳君.高效環(huán)保的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

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[10]謝銳.氫燃料電池發(fā)電 DC-DC電能變換研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2012.

A new hydrogen fuel mobile power source based on the hydrolysis of Mg-based hydride

Yang Dong1，Lei Yong1，Liu Peipei2
(1.School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.College of Materials Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

Aiming at that the traditional mobile power needs charge by electric，has a certain probability to produce explosion during use，and products harmful to the environment after using，the research and development of a new hydrogen fuel mobile power supply are given for the Mg-based hydrides as hydrogen donor,with advantages of controlled hydrolysis reaction process and hydrogen supply process，sustainable power，good portability，low cost of raw materials，the output voltage stability and suiting long-term outdoor workers.

portable power source；hydrogen fuel cell；Mg-based hydride；hydrolysis

TM911.42

A

0258-7998(2015)01-0132-03

10.16157/j.cnki.0258-7998.2014090403240

2014-09-04)

楊東（1988-），男，工程碩士，主要研究方向：控制工程。

雷勇（1966-），男，博士，副教授，主要研究方向：智能測(cè)試及智能控制、機(jī)器人、信號(hào)與信息處理。

劉佩佩（1987-），男，碩士，主要研究方向：新能源材料與節(jié)能新技術(shù)。