0 引言

　　利用化石能源所產(chǎn)生的環(huán)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(jīng)十分突出,嚴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(xiàn)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(tǒng)移動電源具有電容量有限、充電時間長、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，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(tǒng)移動電源的局限，而且對現(xiàn)有的新能源充電器進行了優(yōu)化。

1 硬件設(shè)計

　　1.1 電源總電路設(shè)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(wěn)壓電路設(shè)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(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：

　　(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(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(shè)計

　　按照整個裝置的功能需要，設(shè)計電路板的結(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，其特點是可為專用集成電路（ASIC）、數(shù)字信號處理器(DSP)、微處理器、存儲器、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負載供電。

　　1.4 電路板特點

　　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(nèi)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(shù)如表1所示。

　　特點：

　　(1)此電路板內(nèi)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(tài)時，藍色背光源即被點亮，15 s后熄滅；按輕觸開關(guān)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(guān)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(qū)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?yōu)?.05 C時，電池電量檢測模塊判定充電完成。

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(yīng)用上的弊端之一就是在啟動后仍然需要手動干預(yù)。本裝置自主研發(fā)了機械式的控制閥門，通過控制倉可以實現(xiàn)對發(fā)電過程的自動控制。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。

　　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)，當氫氣的消耗量低于氫氣的產(chǎn)量時，反應(yīng)倉的壓力會逐漸增大；當倉內(nèi)壓力增大到一定時，壓力推動閥門，這時水流通道關(guān)閉，制氫反應(yīng)逐漸暫停；當氫氣消耗殆盡時，反應(yīng)倉內(nèi)壓強減小，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(yīng)獲取氫氣并且對水質(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(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13.6wt%)、反應(yīng)過程可控、對水質(zhì)要求低、副產(chǎn)物對環(huán)境友好等優(yōu)點。此處就主要性能及指標把傳統(tǒng)移動電源、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)計出一款新型燃料電池，實現(xiàn)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(shè)計機械裝置實現(xiàn)了對產(chǎn)氫量的控制，使氫氣利用率達到最優(yōu)，保證了資源的合理利用；本設(shè)計裝置使用后副產(chǎn)品對環(huán)境友好，做到了真正的綠色環(huán)保。

參考文獻

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