基于鎂基氫化物水解的新型氫燃料移動電源

楊　東，雷　勇，劉佩佩

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

基于鎂基氫化物水解的新型氫燃料移動電源

楊東1，雷勇1，劉佩佩2

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

主要針對傳統移動電源需要在有電的條件下進行充電和在使用過程中有一定機率產生爆炸以及使用過后副產品對環境的危害等不足，自主研發了一種采用鎂基氫化物水解供氫，具有反應過程和供氫過程可控、可持續發電、便攜性好、原料成本低、輸出電壓穩定、適用于長期戶外工作者等優點的新型氫燃料移動電源。

移動電源；氫燃料電池；鎂基氫化物；水解

0　引言

利用化石能源所產生的環境污染問題日益嚴重，尤其是化石能源所帶來的霧霾和氣候變暖問題已經十分突出,嚴重影響了人類的生活和發展[1]。因此，尋找一種清潔高效可再生的新能源迫在眉睫。氫作為一種來源廣泛、應用方便、無污染的可再生能源，是一種理想的新能源。

如今，數碼產品功能日益多樣化，使用更加頻繁，隨之而來的是其能耗越來越大，提高數碼產品的單次充電使用時間，尤其是長時間不能在固定電源上充電的情況時如何對其進行電量補充顯得尤為重要[2]。因此，移動電源也就逐漸出現在人們的生活中。目前市場上的移動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、對其再充電的時間長、不能滿足長時間野外工作的缺點[3-8]。

傳統移動電源具有電容量有限、充電時間長、循環壽命短等弊端，而現有水解供氫式燃料電池充電器雖然具有節能環保和可持續充電的優勢，但其普遍存在水解反應過程不可控、氫氣利用率低、輸出電壓不穩定等問題[9-10]。針對現有問題，本文在現有的氫燃料電池的基礎上，設計了一種綠色新型的移動電源——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電源不僅突破了傳統移動電源的局限，而且對現有的新能源充電器進行了優化。

1　硬件設計

1.1電源總電路設計

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微型穩壓電路設計

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，且輸出電流時大時小，電壓時高時低。因此，在燃料電池的輸出口搭建了一個以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：

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94%。

(2)輸入0.9 V～5 V任意直流電壓，均可穩定輸出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，輸出功率就會降低)。

(3)增加了鋰電池識別電路，可以直接給鋰電池充電。

1.3電路板模塊設計

按照整個裝置的功能需要，設計電路板的結構及連接如圖3所示。

圖3　電路板的功能部件及連接示意圖

DC-DC電源模塊是直流轉換模塊，也是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應器，有降壓和升壓兩種，其特點是可為專用集成電路 （ASIC）、數字信號處理器(DSP)、微處理器、存儲器、現場可編程門陣列 (FPGA)及其他數字或模擬負載供電。

1.4電路板特點

以MCU為核心構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和當前電量，還具有涓流充電以及自動待機功能。具備 5 V/1 A和 5 V/2.1 A雙通道電能輸出，同時內置鋰電池保護IC，有過壓保護、過流保護、欠壓保護等，且具有智能判定是否充滿電的功能，其電氣、物理參數如表1所示。

圖4　核心電路

特點：

(1)此電路板內置鋰電池保護IC，有過壓保護、過流保護、欠壓保護等，所以接入電池不用再連電池保護板就可以工作，如果另接了小功率的電池保護板（如手機電池的過流保護才4 A左右）有時會引起電池保護而不能正常升壓。

(2)移動電源由待機進入工作狀態時，藍色背光源即被點亮，15 s后熄滅；按輕觸開關ON/OFF一次，藍色背光源再次被點亮15 s，方便查看LCD顯示屏。

(3)電路板采用市場主流的同步整流BOOST開關電源電路方案，當電池電壓3.7 V，輸出端5 V/2.1 A時，效率不低于85%；當電池電壓降為3.0 V時(此時已接近過放電壓保護值)，輸出端 5 V/2.1 A時，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，電池充電最后一個區間為恒壓充電，此時充電電流會變得越來越小。當電池容量變為 0.05 C時，電池電量檢測模塊判定充電完成。

表1　電路板電氣、物理參數特性表

2　性能對比

2.1自動化、效率高

目前已有的氫氣燃料電池在移動電源應用上的弊端之一就是在啟動后仍然需要手動干預。本裝置自主研發了機械式的控制閥門，通過控制倉可以實現對發電過程的自動控制。另外，通過控制水解制氫反應的過程，使其產氫量與燃料電池發電的消耗量接近，從而避免多余氫氣排出造成的浪費。

控制原理：根據燃料電池的功率大小，在氫氣的出口端增加了一個節流閥來控制氫氣的流量。在反應倉中，通過壓力和彈簧的共同作用，水流下來與試劑產生反應，當氫氣的消耗量低于氫氣的產量時，反應倉的壓力會逐漸增大；當倉內壓力增大到一定時，壓力推動閥門，這時水流通道關閉，制氫反應逐漸暫停；當氫氣消耗殆盡時，反應倉內壓強減小，閥門打開，重新形成水流通道。

2.2方便快捷

傳統的充電寶在電量消耗完了之后必須充電才能再次使用，但是對于那些長期在野外工作的人群或者旅游愛好者在戶外充電難度較大。另外，傳統的燃料電池的一個最基本的難題就是氫氣的儲存。而本裝置針對上述問題，利用水解反應獲取氫氣并且對水質要求低，可以為自來水、河水、雨水、海水等，甚至是尿液即可繼續高效工作。

2.3綠色環保

傳統移動電源由鋰電芯作為主要材料制成的電池在廢棄處理時會對環境造成一定污染，且回收率較低。本裝置所用水解原料為四川大學材料學院自主開發的高性能鎂基氫化物材料，具有產氫量大(不算水達 13.6wt%)、反應過程可控、對水質要求低、副產物對環境友好等優點。此處就主要性能及指標把傳統移動電源、現有的新能源燃料電池與本裝置作簡要比較，如表2所示。

表2　本裝置與現有同類裝置性能參數對比

3　結論

本文利用川大材料學院自主研發的化學產品設計出一款新型燃料電池，實現了新型電源即時、高效的特點而且其工作溫度范圍大，啟動速度快；通過設計機械裝置實現了對產氫量的控制，使氫氣利用率達到最優，保證了資源的合理利用；本設計裝置使用后副產品對環境友好，做到了真正的綠色環保。

[1]劉鳳君.高效環保的燃料電池發電系統及其應用[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2](英)詹姆斯·拉米尼，安德魯·迪克斯.燃料電池系統——原理、設計、應用[M].朱紅，譯.北京：科學出版社，2006.

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[8]李楊，魏敦崧，潘衛國.燃料電池發展現狀與應用前景[J].能源技術，2001，22(4)：158-161.

[9]Dr.Mike Hugh.2008年便攜式燃料電池調查報告[R].中國國際氫能大會，2008.

[10]謝銳.氫燃料電池發電 DC-DC電能變換研究[D].北京：北京化工大學，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：智能測試及智能控制、機器人、信號與信息處理。

劉佩佩（1987-），男，碩士，主要研究方向：新能源材料與節能新技術。