本发明涉及一种用于低功率燃料电池的控制与电能采集系统，属于燃料电池领域。
背景技术：
生物燃料电池(Biofuel cell,BFC)是一种利用酶、生物组织或生物体作为催化剂将底物的化学能转化为电能的发电装置，也泛指按照燃料电池原理，利用生物质能的装置。包括酶生物燃料电池(Enzymatic Biofuel Cell)和微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell)等。这类电池是一种新型绿色能源技术，在绿色发电、污水净化、检测等领域有很好的应用前景，为缓解能源危机，解决化石能源过度利用造成的环境污染问题提供了新方法和新思路。
虽然生物燃料电池产电过程绿色清洁，但普遍存在单体电池输出电压低、功率低的缺点。并且，生物燃料电池在运行过程中，随着生物阳极底物的不断消耗，需要重新注入新鲜的阳极液。这些问题严重限制了生物燃料电池的实际应用。
目前已有一些利用电子电路技术实现微生物燃料电池输出电能采集的研究。公开号为CN104158248A的发明专利2014年11月19日公开了一种多个微生物燃料电池联合输出能量的装置，该装置通过电荷泵、超级电容、升压电路等电子电路实现将微生物燃料电池输出电能采集和利用。为微生物燃料电池在实际应用中电压低功率低等问题提供了一个很好的解决思路。但是现有电能采集技术并不能解决微生物燃料电池在实际应用中随着生物阳极底物的消耗反应器输出功率下降的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有技术存在随着生物阳极底物的消耗反应器输出功率下降的问题，提供一种用于低功率燃料电池的控制与电能采集系统，该系统可以在采集低功率燃料电池输出电能的同时维持燃料电池反应器的运行。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种用于低功率燃料电池的控制与电能采集系统，包括：燃料电池控制系统、燃料电池产电系统、外部电源和负载。
其中燃料电池控制系统包括上位机、通信模块、控制模块、供电模块；燃料电池产电系统包括产电模块和电能采集模块；连接关系：电能采集模块和外部电源可以通过供电模块为通信模块、控制模块、产电模块提供电能；上位机和通信模块之间通过无线网络建立tcp连接，上位机发出的指令通过通信模块传输给控制模块；控制模块控制产电模块中的泵和阀等设备并检测产电模块中反应器的输出电压信号；当产电模块工作时，其产生的电能通过电能采集模块采集并传送给供电模块和负载；
所述通信模块包括串口-无线网模块、天线以及电平转换电路；控制模块由微控制单元、继电器控制电路组成；供电模块由稳压电路和开关等辅助电路组成；产电模块由燃料电池反应器、底物储罐、驱动电路、隔膜泵、电磁阀组成；电能采集模块由电能采集电路、储能元件组成；天线、串口-无线网模块、电平转换电路、微控制单元依次连接；微控制单元的控制端口分别与驱动电路和继电器电路连接，微控制单元的AD采集端口通过继电器电路与燃料电池反应器的输出端连接；微控制单元与稳压电路连接，由供电模块供电；驱动电路用于给隔膜泵、电磁阀提供电能，并控制隔膜泵、电磁阀运行；隔膜泵将底物储罐中的物料带入燃料电池反应器中进行反应，反应后的溶液重新流入底物储罐或者排出；燃料电池反应器的输出端与电能采集电路连接，并通过继电器电路与微控制单元的AD采集端口连接；电能采集电路与外部电源、负载和储能元件连接；
优选的，所述微控制单元为Taxas Instrument Inc.的msp430F5529单片机。
优选的，所述电能采集电路采用Texas Instrument Inc.的bq25504超低功率升压转换芯片。
优选的，所述储能元件为超级电容器。
有益效果
本发明通过电能采集模块实现燃料电池输出电能的采集、升压转换，存入超级电容器中以供使用，同时，通过控制系统可以实现反应器输出电压检测以及溶液更新等操作，使产电系统可以持续运行；此外通过采用无线网络通信以及上位机控制界面，使得系统的控制更灵活方便。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于生物燃料电池的控制与电能采集系统组成方框图；
图2为本发明提供的一种用于生物燃料电池的控制与电能采集系具体结构示意图；
图3为微藻生物燃料电池反应器开路电压检测具体实施过程中上位机控制界面工作过程截图；
图4为多酸生物质燃料电池反应器开路电压检测数据图；
图5为微藻生物燃料电池反应器工作原理示意图；
图6为多酸生物质燃料电池反应器工作原理示意图。
其中，1—燃料电池控制系统、2—燃料电池产电系统、3—上位机、4—通信模块、5—控制模块、6—供电模块、7—产电模块、8—电能采集模块、9—燃料电池反应器、10—底物储罐、11—驱动电路、12—隔膜泵、13—电磁阀、14—电能采集电路、15—储能元件、16—微控制单元、17—继电器电路、18—串口-无线网模块、19—天线、20—电平转换电路、21—外部电源、22—负载。
具体实施方式
下文参考附图详细描述本发明实施方式。然而，本发明不限于以下实施方式。
实施例1
一种用于低功率燃料电池的控制与电能采集系统，包括：燃料电池控制系统1、燃料电池产电系统2、外部电源21和负载22，如图1所示。
其中燃料电池控制系统1包括上位机3、通信模块4、控制模块5、供电模块6；燃料电池产电系统2包括产电模块7和电能采集模块8；连接关系：电能采集模块8和外部电源21可以通过供电模块6为通信模块4、控制模块5、产电模块7提供电能；上位机3和通信模块4之间通过无线网络建立tcp连接，上位机3发出的指令通过通信模块4传输给控制模块5；控制模块5控制产电模块7中的泵和阀等设备并检测产电模块7中反应器的输出电压信号；当产电模块7工作时，其产生的电能通过电能采集模块8采集并传送给供电模块6和负载22；
所述通信模块4包括串口-无线网模块18、天线19以及电平转换电路20；控制模块5由微控制单元16、继电器控制电路17组成；供电模块6由稳压电路和开关等辅助电路组成；产电模块7由燃料电池反应器9、底物储罐10、驱动电路11、隔膜泵12、电磁阀13组成；电能采集模块8由电能采集电路14、储能元件15组成；天线19、串口-无线网模块18、电平转换电路20、微控制单元16依次连接；微控制单元16的控制端口分别与驱动电路11和继电器电路17连接，微控制单元16的AD采集端口通过继电器电路17与燃料电池反应器9的输出端连接；微控制单元16与稳压电路连接，由供电模块6供电；驱动电路11用于给隔膜泵12、电磁阀13提供电能，并控制隔膜泵12、电磁阀13运行；隔膜泵12将底物储罐10中的物料带入燃料电池反应器9中进行反应，反应后的溶液重新流入底物储罐10或者排出；燃料电池反应器9的输出端与电能采集电路14连接，并通过继电器电路17与微控制单元16的AD采集端口连接；电能采集电路14与外部电源21、负载22和储能元件15连接，如图2所示；
所述的燃料电池反应器9为微藻生物燃料电池；
所述串口-无线网模块18为深圳市海凌科电子有限公司的HLK-RM04模块。
所述微控制单元16为Taxas Instrument Inc.的msp430F5529单片机。
所述电能采集电路14采用Texas Instrument Inc.的bq25504超低功率升压转换芯片。
所述储能元件15为超级电容器。
工作过程：
应用于海水小球藻微生物燃料电池产电的实例
微藻生物燃料电池启动：系统启动时，由外部电路通过供电模块为各个部分供电。首先在底物储罐中进行微藻培养，将上位机连接串口-无线网模块发出的无线网络，运行上位机控制界面。在界面上调节隔膜泵转速并点击“隔膜泵运行”，上位机交互界面通过无线网络将指令发出，由通信模块传达给控制模块。微控制单元接收指令后，向驱动电路输出PWM控制信号，控制隔膜泵以一定速率工作，将藻液从读物储罐由注液口泵入燃料电池反应器。当注液完成后，点击上位机控制界面中“隔膜泵停止”按键，即可发出停止指令完成注液操作。当反应器内注入溶液，经过一定时间后即可输出稳定电压。其发电过程如图5所示。
微藻生物燃料电池电压检测：
当燃料电池反应器正常工作时，可通过上位机界面选择开路电压测量。控制模块接收到测量指令后，会打开继电器电路，并由AD采集端口读入燃料电池反应器输出电压信号，并将测量结果反馈给上位机，在上位机界面上显示燃料电池反应器电压检测曲线。如图3所示为单个微藻生物燃料电池启动后的开路电压检测值，为0.16V。测量结束后，控制模块断开继电器电路。
将两节上述微藻生物燃料电池反应器串联即可得到0.3～0.5V的开路电压，当燃料电池反应器输出电压高于300mV时，可使电能采集电路启动，并在反应器输出电压不低于80mV的前提下将反应器输出电能升压转换并储存到储能元件中，并可供给外部负载使用。当储能元件中存入足够电能时，也可以作为供电模块的电能来源。
微藻生物燃料电池阳极液更新：
随着微藻生物燃料电池的不断运行，阳极液中底物藻体的消耗，藻体活性下降，反应器输出电压不断降低。当检测到反应器输出电压衰减至80mV时可以由上位机界面发出指令打开排液口电磁阀将反应器中阳极液排出，并泵入新鲜藻液继续发电，实现微生物燃料电池反应器的持续工作。
实施例2
应用于多酸生物质燃料电池产电的实例
向底物培养罐中放入秸秆、枯叶等生物质，注入磷钼酸溶液，待磷钼酸充分还原后开始运行系统，操作、测试过程与实施例一相同，可以测得由磷钼酸溶液组成的生物燃料电池其反应过程如图6所示。测得开路电压曲线如图4所示。反应器正常工作后电能采集模块可以输出稳定的电压。
如上所述即可较好实施本发明。