基于镁基氢化物水解的新型氢燃料移动电源

杨　东，雷　勇，刘佩佩

(四川大学 电气信息学院，四川 成都610065；2.四川大学 材料科学与工程学院，四川 成都610065)

基于镁基氢化物水解的新型氢燃料移动电源

杨东1，雷勇1，刘佩佩2

(四川大学 电气信息学院，四川 成都610065；2.四川大学 材料科学与工程学院，四川 成都610065)

主要针对传统移动电源需要在有电的条件下进行充电和在使用过程中有一定机率产生爆炸以及使用过后副产品对环境的危害等不足，自主研发了一种采用镁基氢化物水解供氢，具有反应过程和供氢过程可控、可持续发电、便携性好、原料成本低、输出电压稳定、适用于长期户外工作者等优点的新型氢燃料移动电源。

移动电源；氢燃料电池；镁基氢化物；水解

0　引言

利用化石能源所产生的环境污染问题日益严重，尤其是化石能源所带来的雾霾和气候变暖问题已经十分突出,严重影响了人类的生活和发展[1]。因此，寻找一种清洁高效可再生的新能源迫在眉睫。氢作为一种来源广泛、应用方便、无污染的可再生能源，是一种理想的新能源。

如今，数码产品功能日益多样化，使用更加频繁，随之而来的是其能耗越来越大，提高数码产品的单次充电使用时间，尤其是长时间不能在固定电源上充电的情况时如何对其进行电量补充显得尤为重要[2]。因此，移动电源也就逐渐出现在人们的生活中。目前市场上的移动电源多是用大容量的锂离子电池多为备用电源，存在容量有限、对其再充电的时间长、不能满足长时间野外工作的缺点[3-8]。

传统移动电源具有电容量有限、充电时间长、循环寿命短等弊端，而现有水解供氢式燃料电池充电器虽然具有节能环保和可持续充电的优势，但其普遍存在水解反应过程不可控、氢气利用率低、输出电压不稳定等问题[9-10]。针对现有问题，本文在现有的氢燃料电池的基础上，设计了一种绿色新型的移动电源——基于镁基氢化物水解供氢的燃料电池充电器。这款新型氢燃料电池移动电源不仅突破了传统移动电源的局限，而且对现有的新能源充电器进行了优化。

1　硬件设计

1.1电源总电路设计

如图1所示，电源总电路由氢燃料电池、0.9 V～5 V升压电路、电路板以及电能储存模块（锂电池）依次连接组成。

1.2直流0.9 V～5 V升5 V微型稳压电路设计

锂电池充电的最低电压是 3.7 V。燃料电池块输出是2.5 V、2.0 A，且输出电流时大时小，电压时高时低。因此，在燃料电池的输出口搭建了一个以NCP1450ASN50为核心、最低输入电压为0.9 V、最大输出电流为1 000 mA的直流0.9 V～5 V升5 V微型升压电路，以确保电路的输出电压稳定在5.0 V。

图2是直流0.9 V～5 V升5 V微型升压电路原理图，其具有以下特点：

图1　电路组成示意图

图2　直流0.9 V～5 V升5 V微型升压电路原理图

(1)电路体积小，功率大，输出电流为1 000 mA，并带欠压指示功能，平均效率达94%。

(2)输入0.9 V～5 V任意直流电压，均可稳定输出5 V直流电压（总功率不超5 W，输出电压越高，输入电压越低，输出功率就会降低)。

(3)增加了锂电池识别电路，可以直接给锂电池充电。

1.3电路板模块设计

按照整个装置的功能需要，设计电路板的结构及连接如图3所示。

图3　电路板的功能部件及连接示意图

DC-DC电源模块是直流转换模块，也是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，有降压和升压两种，其特点是可为专用集成电路 （ASIC）、数字信号处理器(DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (FPGA)及其他数字或模拟负载供电。

1.4电路板特点

以MCU为核心构建锂电池充放电电路，核心电路如图4所示。MCU能够智能判断充放电状态和当前电量，还具有涓流充电以及自动待机功能。具备 5 V/1 A和 5 V/2.1 A双通道电能输出，同时内置锂电池保护IC，有过压保护、过流保护、欠压保护等，且具有智能判定是否充满电的功能，其电气、物理参数如表1所示。

图4　核心电路

特点：

(1)此电路板内置锂电池保护IC，有过压保护、过流保护、欠压保护等，所以接入电池不用再连电池保护板就可以工作，如果另接了小功率的电池保护板（如手机电池的过流保护才4 A左右）有时会引起电池保护而不能正常升压。

(2)移动电源由待机进入工作状态时，蓝色背光源即被点亮，15 s后熄灭；按轻触开关ON/OFF一次，蓝色背光源再次被点亮15 s，方便查看LCD显示屏。

(3)电路板采用市场主流的同步整流BOOST开关电源电路方案，当电池电压3.7 V，输出端5 V/2.1 A时，效率不低于85%；当电池电压降为3.0 V时(此时已接近过放电压保护值)，输出端 5 V/2.1 A时，效率不低于72%。平均效率不低于78.5%。

(4)电路板具有智能判定充满电的功能，电池充电最后一个区间为恒压充电，此时充电电流会变得越来越小。当电池容量变为 0.05 C时，电池电量检测模块判定充电完成。

表1　电路板电气、物理参数特性表

2　性能对比

2.1自动化、效率高

目前已有的氢气燃料电池在移动电源应用上的弊端之一就是在启动后仍然需要手动干预。本装置自主研发了机械式的控制阀门，通过控制仓可以实现对发电过程的自动控制。另外，通过控制水解制氢反应的过程，使其产氢量与燃料电池发电的消耗量接近，从而避免多余氢气排出造成的浪费。

控制原理：根据燃料电池的功率大小，在氢气的出口端增加了一个节流阀来控制氢气的流量。在反应仓中，通过压力和弹簧的共同作用，水流下来与试剂产生反应，当氢气的消耗量低于氢气的产量时，反应仓的压力会逐渐增大；当仓内压力增大到一定时，压力推动阀门，这时水流通道关闭，制氢反应逐渐暂停；当氢气消耗殆尽时，反应仓内压强减小，阀门打开，重新形成水流通道。

2.2方便快捷

传统的充电宝在电量消耗完了之后必须充电才能再次使用，但是对于那些长期在野外工作的人群或者旅游爱好者在户外充电难度较大。另外，传统的燃料电池的一个最基本的难题就是氢气的储存。而本装置针对上述问题，利用水解反应获取氢气并且对水质要求低，可以为自来水、河水、雨水、海水等，甚至是尿液即可继续高效工作。

2.3绿色环保

传统移动电源由锂电芯作为主要材料制成的电池在废弃处理时会对环境造成一定污染，且回收率较低。本装置所用水解原料为四川大学材料学院自主开发的高性能镁基氢化物材料，具有产氢量大(不算水达 13.6wt%)、反应过程可控、对水质要求低、副产物对环境友好等优点。此处就主要性能及指标把传统移动电源、现有的新能源燃料电池与本装置作简要比较，如表2所示。

表2　本装置与现有同类装置性能参数对比

3　结论

本文利用川大材料学院自主研发的化学产品设计出一款新型燃料电池，实现了新型电源即时、高效的特点而且其工作温度范围大，启动速度快；通过设计机械装置实现了对产氢量的控制，使氢气利用率达到最优，保证了资源的合理利用；本设计装置使用后副产品对环境友好，做到了真正的绿色环保。

[1]刘凤君.高效环保的燃料电池发电系统及其应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2](英)詹姆斯·拉米尼，安德鲁·迪克斯.燃料电池系统——原理、设计、应用[M].朱红，译.北京：科学出版社，2006.

[3]ZÜTTEL A，BORGSCHULTE A，SCHLAPBACH L.Hydrogen as a future energy carrier[M].Wiley-VCH Verlag GmbH& Co.KGaA，2008.

[4]SHKOLNIKOV E，VLASKIN M，ILJUKHIN A，et al.2 W power source based on air-hydrogen polymer electrolyte membrane fuel cells and water-aluminum hydrogen microgenerator[J].Journal of Power Sources，2008，185(2)：967-972.

[5]AGUIRRE M，COUTO H，VALLA M I.Analysis and simulation of a hydrogen based electric system to improve power quality in distributed grids[J].International journal of hydrogen energy，2012，37(19)：14959-14965.

[6]ZHU L，LIN K Y，MORGAN R D，et al.Integrated micropower source based on a micro-silicon fuel cell and a micro electromechanical system hydrogen generator[J].Journal of Power Sources，2008，185(2)：1334-1339.

[7]GUREVICH S A，TERUKOV E I，KON′KOV O I，et al. Portable power source based on air-hydrogen fuel cells with free-breathing cathodes[J].Technical Physics Letters，2011，37(5)：412-416.

[8]李杨，魏敦崧，潘卫国.燃料电池发展现状与应用前景[J].能源技术，2001，22(4)：158-161.

[9]Dr.Mike Hugh.2008年便携式燃料电池调查报告[R].中国国际氢能大会，2008.

[10]谢锐.氢燃料电池发电 DC-DC电能变换研究[D].北京：北京化工大学，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)

杨东（1988-），男，工程硕士，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：智能测试及智能控制、机器人、信号与信息处理。

刘佩佩（1987-），男，硕士，主要研究方向：新能源材料与节能新技术。