多个微生物燃料电池联合输出能量的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种多个微生物燃料电池联合输出能量的装置，包括：n个一级能量调控支路、控制器、电子开关、DC-DC变换电路和一个二级储能元件；n个一级能量调控支路为并联联接方式，均包括微生物燃料电池单体、电能采集电路、一级储能元件和隔离二极管；各个隔离二极管的负极连接到二级管公共负极结点；该二级管公共负极结点分别与电子开关的一端和控制器的输入端连接，控制器的输出端与电子开关连接；电子开关的另一端通过DC-DC变换电路和二级储能元件连接。能够有效收集和利用每个微生物燃料电池的输出能量，还同时能够避免微生物燃料电池串联造成的反极等问题，延长每个微生物燃料电池的使用寿命。
【专利说明】多个微生物燃料电池联合输出能量的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于电子电路【技术领域】，具体涉及一种多个微生物燃料电池联合输出能量的装置。
【背景技术】
[0002]微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)是一种利用微生物将有机物化学能直接转化为电能的装置，作为一种新兴的技术，在新能源、污水处理、水质检测等方面得到了研究和应用。尤其在污水处理领域，微生物燃料电池采用可生物降解的废水为燃料，在产生电能的同时治理环境污染，实现废物的资源化利用，促进经济、社会与环境的协调发展。因此，微生物燃料电池为缓解和解决能源与环境问题提供了一种切实有效的新思路。
[0003]由于单个微生物燃料电池的输出电压和输出功率较低,为有效利用微生物燃料电池输出的电能，需要将多个微生物燃料电池进行联接，组成电池组，以输出足够负载使用的电能。常用的联接方式为串联、并联或混联。但在研究和应用中发现，对于多个微生物燃料电池串联形成的电池组，当工作电流较大时，电池组中的某些微生物燃料电池会出现反极现象，即单个微生物燃料电池的正负极极性发生反转。在此情况下，整个电池组的输出电压降低，发生极性反转的微生物燃料电池也容易损坏。而对于多个微生物燃料电池并联形成的电池组，虽然不会发生反极现象，但并联形成的电池组不能提高微生物燃料电池输出电压，无法为需要较高电压的负载供电；同时，由于各个微生物燃料电池内阻的差异性，当各个微生物燃料电池并联输出时，对微生物燃料电池也不利。由此可见，现有技术中的多个微生物燃料电池联合输出方案，无论采用多个微生物燃料电池串联、并联或混联，均存在以上弊端，不利于微生物燃料电池的推广和使用。
实用新型内容
[0004]针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种多个微生物燃料电池联合输出能量的装置，用以解决上述问题。
[0005]本实用新型采用的技术方案如下:
[0006]本实用新型提供一种多个微生物燃料电池联合输出能量的装置，包括:n个一级能量调控支路、控制器、电子开关、DC-DC变换电路和一个二级储能元件；
[0007]其中，η个所述一级能量调控支路为并联联接方式；每一个一级能量调控支路均包括微生物燃料电池单体、电能采集电路、一级储能元件和隔离二极管；所述电能采集电路用于采集所述微生物燃料电池输出的电能，并存储到所述一级储能元件，所述一级储能元件的输出端与隔离二极管的正极连接；
[0008]各个隔离二极管的负极连接到二级管公共负极结点；然后，该二级管公共负极结点分别与所述电子开关的一端和所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与所述电子开关连接，用于根据所述二级管公共负极结点的电压值而控制所述电子开关是否导通；所述电子开关的另一端通过所述DC-DC变换电路和所述二级储能元件连接，通过所述DC-DC变换电路，将一级储能元件所存储的电能传输到所述二级储能元件中。
[0009]优选的，所述电能采集电路为电荷泵；所述一级储能元件为第一电容；所述DC-DC变换电路为具有升压功能的DC-DC变换电路；所述二级储能元件为第二电容或蓄电池。
[0010]优选的,所述电荷泵采用Seiko Instruments Inc.的S-882Z系列芯片；所述第一电容为超级电容；所述第二电容为超级电容；所述DC-DC变换电路为升压式DC-DC变换电路或升压降压式DC-DC变换电路。
[0011 ] 优选的，所述控制器为电压比较器。
[0012]优选的，所述电子开关为MOSFET电子开关。
[0013]本实用新型的有益效果如下:
[0014]本实用新型提供的多个微生物燃料电池联合输出能量的装置，一方面，能够有效收集和利用每个微生物燃料电池的输出能量，从而为负载提供较大的能量，可应用于需要较高电压或电流的负载，扩大了微生物燃料电池的应用领域；另一方面，还同时能够避免微生物燃料电池串联造成的反极等问题，延长每个微生物燃料电池的使用寿命。整个电路结构还具有电路结构简单、控制简单和成本低的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本实用新型提供的多个微生物燃料电池联合输出能量的装置的结构示意图；
[0016]图2为本实用新型提供的一种具体的多个微生物燃料电池联合输出能量的装置的电路不意图。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图对本实用新型进行详细说明:
[0018]如图1所示，本实用新型提供一种多个微生物燃料电池联合输出能量的装置，包括:n个一级能量调控支路、控制器、电子开关、DC-DC变换电路和一个二级储能元件；
[0019]其中，η个一级能量调控支路为并联联接方式；每一个一级能量调控支路均包括微生物燃料电池单体、电能采集电路、一级储能元件和隔离二极管；电能采集电路用于采集微生物燃料电池输出的电能，并存储到一级储能元件，一级储能元件的输出端与隔离二极管的正极连接；参考图1，共有η个一级能量调控支路，第I个一级能量调控支路为MFCl、i能采集电路1、一级储能元件I和隔离二极管Dl ;第2个一级能量调控支路为串联的MFC2、电能采集电路2、一级储能元件2和隔离二极管D2…第η个一级能量调控支路为串联的MFCl、电能采集电路1、一级储能元件η和隔离二极管Dn ；
[0020]各个隔离二极管的负极连接到二级管公共负极结点，即图1中的M结点；然后，该二级管公共负极结点分别与电子开关的一端和控制器的输入端连接，控制器的输出端与电子开关连接，用于根据二级管公共负极结点的电压值而控制电子开关是否导通；电子开关的另一端通过DC-DC变换电路和二级储能元件连接，通过DC-DC变换电路，将一级储能元件所存储的电能传输到二级储能元件中；最终通过二级储能元件为负载供电。
[0021]实际应用中，电能采集电路可以采用电荷泵；该电荷泵在超低输入电压下即能工作，通常为输入0.3V左右即能工作，以尽量收集微生物燃料电池输出的微弱电能。如SeikoInstruments Inc.的 S-882Z 系列芯片。
[0022]一级储能元件为电容，优选为超级电容；
[0023]DC-DC变换电路为具有升压功能的DC-DC变换电路，例如，升压式(Boost) DC-DC变换电路、升压降压式(Buck-Boost)DC-DC变换电路。
[0024]二级储能元件为电容或蓄电池，其中，电容优选为超级电容。
[0025]控制器可以采用电压比较器。电子开关采用MOSFET电子开关。
[0026]上述多个微生物燃料电池联合输出能量的装置进行能量输出的方法为:
[0027]SI，对于每一个一级能量调控支路，微生物燃料电池输出的电能经电能采集电路升压后，不断储存在一级储能元件中；
[0028]S2，同时，控制器预设放电开始电压Vl以及放电终止电压V2，其中，Vl >V2 ;实际应用中，Vl可设定为2.4V，V2可设定为1.6V ；
[0029]控制器连续检测二级管公共负极结点的当前电压值VO ；
[0030]当检测到VO大于Vl时，控制器控制电子开关导通，一级储能元件开始放电，DC-DC变换电路将一级储能元件储存的电能进行升压后存储到二级储能元件中；通过二级储能元件向负载供电；随着放电的进行，二级管公共负极结点的当前电压值逐渐减小，当二级管公共负极结点的当前电压值小于V2时，控制器控制电子开关断开，微生物燃料电池继续向对应的一级储能元件充电，直到当二级管公共负极结点的当前电压值大于Vl时再导通电子开关；循环上述过程，实现多个微生物燃料电池联合输出能量。
[0031]以η = 3为例，介绍一种具体的能量输出过程:
[0032]控制器设定Vl = 2.4V, V2 = 1.6V ；
[0033]假设在某一时刻，一级储能元件I的端电压为3V，一级储能元件2的端电压为
2.5V，一级储能元件3的端电压为2V ;则此时，Dl为导通状态，D2和D3均为截止状态，在忽略二极管正向压降的前提下，二级管公共负极结点M的电压为3V ;也就是说，控制器检测二级管公共负极结点的当前电压值VO = 3V > VI，控制器控制电子开关导通，一级储能元件I向二级储能元件放电；随着放电的进行，一级储能元件I的端电压逐渐减小，当其减小到2.5V时，D2也变为导通状态，此时，二级管公共负极结点的当前电压值为2.5V > VI，一级储能元件I和一级储能元件2同时放电；当放电到2V时,一级储能元件1、一级储能元件2和一级储能元件3同时放电，当放电到1.6V时，二级管公共负极结点的当前电压值即为
1.6V，因此，控制器控制电子开关断开，一级储能元件1、一级储能元件2和一级储能元件3均停止放电。至此完成一个能量输出过程。
[0034]如图2所示，以η = 2为例，介绍了一种电路结构简单的微生物燃料电池联合输出能量的装置:
[0035]MFCU MFC2为两路微生物燃料电池，其输出电压为0.3-1V，输出电流为mA数量级。PUMPl、PUMP2为S882Z(Seiko Instruments Inc.)组成的电荷泵电路，超低输入电压下(彡0.3V)即能工作。Cl、C2为储能电解电容器，D1、D2为隔离二极管，OPl为电压比较器，Sffl为MOSFET电子开关，B00ST1为S-835X组成的BOOST变换电路，D3为隔离二极管，BATl为蓄电池。
[0036]工作过程为:MFC1、MFC2输出的电能分别经PUMP1、PUMP2电荷泵升压后，储存在C1、C2中。当Dl、D2负极公共点电压大于Vl (约2.4V)时，OPl控制SWl导通，如果Cl和C2的端电压均大于VI，则C1、C2开始放电，BOOSTl将C1、C2储存的电能进行升压，经D3向BATl充电。当D1、D2负极公共点电压小于V2(约1.6V)时，OPl控制SWl断开，C1、C2停止放电，MFC1、MFC2分别向Cl和C2充电，待D1、D2负极公共点电压大于Vl时再导通SWl。如此循环，MFCU MFC2输出的电能源源不断的转移至BATl中，待BATl充电到一定程度后，即可为负载供电。
[0037]综上，本实用新型提供的多个微生物燃料电池联合输出能量的装置和方法，一方面，能够有效收集和利用每个微生物燃料电池的输出能量，从而为负载提供较大的能量，可应用于需要较高电压或电流的负载，扩大了微生物燃料电池的应用领域；另一方面，还同时能够避免微生物燃料电池串联造成的反极等问题，延长每个微生物燃料电池的使用寿命。整个电路结构还具有电路结构简单、控制简单和成本低的优点。
[0038]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种多个微生物燃料电池联合输出能量的装置，其特征在于，包括:n个一级能量调控支路、控制器、电子开关、DC-DC变换电路和一个二级储能元件； 其中，η个所述一级能量调控支路为并联联接方式；每一个一级能量调控支路均包括微生物燃料电池单体、电能采集电路、一级储能元件和隔离二极管；所述电能采集电路用于采集所述微生物燃料电池输出的电能，并存储到所述一级储能元件，所述一级储能元件的输出端与隔离二极管的正极连接； 各个隔离二极管的负极连接到二级管公共负极结点；然后，该二级管公共负极结点分别与所述电子开关的一端和所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与所述电子开关连接，用于根据所述二级管公共负极结点的电压值而控制所述电子开关是否导通；所述电子开关的另一端通过所述DC-DC变换电路和所述二级储能元件连接，通过所述DC-DC变换电路，将一级储能元件所存储的电能传输到所述二级储能元件中。
2.根据权利要求1所述的多个微生物燃料电池联合输出能量的装置，其特征在于，所述电能采集电路为电荷泵；所述一级储能元件为第一电容；所述DC-DC变换电路为具有升压功能的DC-DC变换电路；所述二级储能元件为第二电容或蓄电池。
3.根据权利要求2所述的多个微生物燃料电池联合输出能量的装置，其特征在于，所述电荷泵采用Seiko Instruments Inc.的S-882Z系列芯片；所述第一电容为超级电容；所述第二电容为超级电容；所述DC-DC变换电路为升压式DC-DC变换电路或升压降压式DC-DC变换电路。
4.根据权利要求1所述的多个微生物燃料电池联合输出能量的装置，其特征在于，所述控制器为电压比较器。
5.根据权利要求1所述的多个微生物燃料电池联合输出能量的装置，其特征在于，所述电子开关为MOSFET电子开关。
【文档编号】H01M8/16GK204012858SQ201420458865
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】徐劲草, 刘锐, 姚新, 谢涛 申请人:中科宇图天下科技有限公司