[發明專利]一種融合開關電容網絡的微生物燃料電池能量收集電路及其工作方法

在審

• 申請號: 202110558227.8
• 申請日: 2021-05-21
• 公開（公告）號: CN113162405A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 羅志聰;王帥;周志斌;張展榜;肖泉水;王兆金
• 申請（專利權）人: 福建農林大學
• 主分類號: H02M3/156
• 分類號: H02M3/156;H02J7/32;G05F1/67
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 陳明鑫;蔡學俊

本發明涉及一種融合開關電容網絡的微生物燃料電池能量收集電路及其工作方法，以微生物燃料電池作為能量源，該種形式的電池最大的優點是原料來源廣泛，清潔環保，在改善生態環境的同時能夠提供源源不斷的電能；依據微生物燃料電池極化曲線和功率密度曲線，利用遲滯比較電路可將微生物燃料電池的工作點控制在一定的范圍之內，實現對微生物燃料電池的主動能量收集；融合開關電容網絡的升壓電路利用輸入電感將微生物燃料電池輸出電壓進行升壓，達到負載所需電壓值，同時開關電容網絡結構替代傳統升壓變換器中的二極管，減少電路能量損耗，提升微生物燃料電池能量轉換效率。

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，特別是一種融合開關電容網絡的微生物燃料電池能量收集電路及其工作方法。

背景技術

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）是利用微生物作為生物催化劑將碳水化合物轉化為電能的裝置，生活和工業污、廢水中含有的豐富有機物就可以作為其原料來源，從中直接獲取電能，是一種極具開發前景的綠色可再生能源利用技術。MFC具有其他新能源開發技術無法比擬的優點：①原料來源廣泛，可利用儲量豐富的生物質能；②原料可直接轉化為電能，電能轉化效率高，最高可達90%；③常溫、常壓環境條件下即可運行，成本低，安全性好；④清潔環保，不產生有害氣體，無需廢氣處理等。

近些年來，由于人們對于傳統化石能源的消耗快速增加，導致了氣候環境極度惡化，對于新型能源的開發與應用十分迫切，使得微生物燃料電池研究又成為新能源領域的熱點。

通過單個微生物燃料電池結構及產電機制的研究，對影響微生物燃料電池輸出功率的陰陽極材料、底物濃度、結構優化等方面有了一定的研究成果，但都對提高MFC輸出功率影響有限，如何通過能量收集電路取代外部電阻來收集能量以及合理利用MFC系統的低能量輸出，成為了對MFC開發利用的新研究思路。

最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，簡稱 MPPT）方法被廣泛應用在MFC能量收集電路中，目前實現MFC最大功率點跟蹤功能主要有擾動觀察法、增量電導法、電流掃描法和定電壓法（開路電壓法）等方法。如下圖1（a）所示是目前行之有效的一種能量收集電路，該能量收集電路由一個遲滯比較器和電感型升壓電路構成，并認為當MFC的輸出電壓等于開路電壓一半時，輸出功率最大。在實際的電路測試中，該電路結構中的二極管在能量轉換過程占有較大的能量損耗，導致整個電路能量轉換效率降低，為了解決這個問題，圖1（b）將二極管用同步開關管代替，通過復雜的控制電路控制開關管S1、S2按照一定規律交替導通，有效提升了電路的轉換效率，但該種方式需要設計復雜的控制電路，控制電路本身在電能轉換過程中占有很大的能量消耗，所以并不完全符合MFC能量收集系統的要求。

針對能量收集電路中二極管能量損耗較大的問題，如何尋找一種結構簡單同時適合微生物燃料電池能量收集電路的解決方法仍需要進行深入研究。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是提供一種融合開關電容網絡的微生物燃料電池能量收集電路及其工作方法，克服現有微生物燃料電池能量收集電路中二極管消耗能量較大的問題。

本發明采用以下方案實現：一種融合開關電容網絡的微生物燃料電池能量收集電路及其工作方法，包括微生物燃料電池即MFC、遲滯比較電路、融合開關電容網絡升壓電路和負載；所述融合開關電容網絡升壓電路輸入端與所述微生物燃料電池連接，所述融合開關電容網絡升壓電路輸出端與所述負載連接；所述遲滯比較電路與所述融合開關電容網絡升壓電路連接。