0 引言

　　利用化石能源所產(chǎn)生的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，尤其是化石能源所帶來的霧霾和氣候變暖問題已經(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。氫作為一種來源廣泛、應(yīng)用方便、無污染的可再生能源，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，隨之而來的是其能耗越來越大，提高數(shù)碼產(chǎn)品的單次充電使用時(shí)間，尤其是長時(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、不能滿足長時(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、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)過程不可控、氫氣利用率低、輸出電壓不穩(wěn)定等問題[9-10]。針對(duì)現(xiàn)有問題，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)：

　　(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。

　　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，有過壓保護(hù)、過流保護(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。

　　特點(diǎn)：

　　(1)此電路板內(nèi)置鋰電池保護(hù)IC，有過壓保護(hù)、過流保護(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)變得越來越小。當(dāng)電池容量變?yōu)?.05 C時(shí)，電池電量檢測(cè)模塊判定充電完成。

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，通過控制倉可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電過程的自動(dòng)控制。另外，通過控制水解制氫反應(yīng)的過程，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)流閥來控制氫氣的流量。在反應(yīng)倉中，通過壓力和彈簧的共同作用，水流下來與試劑產(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)倉的壓力會(huì)逐漸增大；當(dāng)倉內(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)倉內(nèi)壓強(qiáng)減小，閥門打開，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(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要比較，如表2所示。

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。

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