[發明專利]一種用于低功率燃料電池的控制與電能采集系統

有效

• 申請號: 201610040693.6
• 申請日: 2016-01-21
• 公開（公告）號: CN105702984B
• 公開（公告）日: 2018-07-24
• 發明（設計）人: 嚴乙銘;薛亦飛;張旭;王朋輝
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M8/04537
• 分類號: H01M8/04537;H01M8/04992;H01M8/16
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王民盛

本發明涉及一種用于低功率燃料電池的控制與電能采集系統，屬于燃料電池領域。為了解決目前以微生物燃料電池為代表的低功率燃料電池輸出電壓低、功率低無法直接應用的問題。適用于該方法的系統包括控制模塊、通信模塊、產電模塊、電能采集模塊、供電模塊、上位機等部分組成。采用電能采集模塊和儲能模塊將反應器輸出的較低電壓升壓轉換并儲存起來。上位機與微控制單元通過通信模塊進行無線通信，由上位機向控制模塊傳達控制指令，由控制模塊向上位機反饋監測數據，并控制隔膜泵、電磁閥等執行器工作。能夠有效監測燃料電池反應器電壓等工作狀態，并對反應器進行底物原料補給。實現低功率燃料電池的持續運行。

技術領域

本發明涉及一種用于低功率燃料電池的控制與電能采集系統，屬于燃料電池領域。

背景技術

生物燃料電池(Biofuel cell,BFC)是一種利用酶、生物組織或生物體作為催化劑將底物的化學能轉化為電能的發電裝置，也泛指按照燃料電池原理，利用生物質能的裝置。包括酶生物燃料電池(Enzymatic Biofuel Cell)和微生物燃料電池(Microbial FuelCell)等。這類電池是一種新型綠色能源技術，在綠色發電、污水凈化、檢測等領域有很好的應用前景，為緩解能源危機，解決化石能源過度利用造成的環境污染問題提供了新方法和新思路。

雖然生物燃料電池產電過程綠色清潔，但普遍存在單體電池輸出電壓低、功率低的缺點。并且，生物燃料電池在運行過程中，隨著生物陽極底物的不斷消耗，需要重新注入新鮮的陽極液。這些問題嚴重限制了生物燃料電池的實際應用。

目前已有一些利用電子電路技術實現微生物燃料電池輸出電能采集的研究。公開號為CN104158248A的發明專利2014年11月19日公開了一種多個微生物燃料電池聯合輸出能量的裝置，該裝置通過電荷泵、超級電容、升壓電路等電子電路實現將微生物燃料電池輸出電能采集和利用。為微生物燃料電池在實際應用中電壓低功率低等問題提供了一個很好的解決思路。但是現有電能采集技術并不能解決微生物燃料電池在實際應用中隨著生物陽極底物的消耗反應器輸出功率下降的問題。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有技術存在隨著生物陽極底物的消耗反應器輸出功率下降的問題，提供一種用于低功率燃料電池的控制與電能采集系統，該系統可以在采集低功率燃料電池輸出電能的同時維持燃料電池反應器的運行。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

一種用于低功率燃料電池的控制與電能采集系統，包括：燃料電池控制系統、燃料電池產電系統、外部電源和負載。

其中燃料電池控制系統包括上位機、通信模塊、控制模塊、供電模塊；燃料電池產電系統包括產電模塊和電能采集模塊；連接關系：電能采集模塊和外部電源可以通過供電模塊為通信模塊、控制模塊、產電模塊提供電能；上位機和通信模塊之間通過無線網絡建立tcp連接，上位機發出的指令通過通信模塊傳輸給控制模塊；控制模塊控制產電模塊中的泵和閥等設備并檢測產電模塊中反應器的輸出電壓信號；當產電模塊工作時，其產生的電能通過電能采集模塊采集并傳送給供電模塊和負載；

所述通信模塊包括串口-無線網模塊、天線以及電平轉換電路；控制模塊由微控制單元、繼電器控制電路組成；供電模塊由穩壓電路和開關等輔助電路組成；產電模塊由燃料電池反應器、底物儲罐、驅動電路、隔膜泵、電磁閥組成；電能采集模塊由電能采集電路、儲能元件組成；天線、串口-無線網模塊、電平轉換電路、微控制單元依次連接；微控制單元的控制端口分別與驅動電路和繼電器電路連接，微控制單元的AD采集端口通過繼電器電路與燃料電池反應器的輸出端連接；微控制單元與穩壓電路連接，由供電模塊供電；驅動電路用于給隔膜泵、電磁閥提供電能，并控制隔膜泵、電磁閥運行；隔膜泵將底物儲罐中的物料帶入燃料電池反應器中進行反應，反應后的溶液重新流入底物儲罐或者排出；燃料電池反應器的輸出端與電能采集電路連接，并通過繼電器電路與微控制單元的AD采集端口連接；電能采集電路與外部電源、負載和儲能元件連接；