一种用于微生物燃料电池产电收集的电能管理系统

技术领域

本发明涉及一种微生物燃料电池。特别是涉及一种用于微生物燃料电池产电收集的电能管理系统。

背景技术

环境污染和能源短缺是当今人类面对的重大挑战和危机。全国每天生活污水和工业废水的排放量近1.64亿立方米，污水中有机物经过生物氧化处理后，排到大气中，造成了温室效应，处理污水还消耗了大量电能。

微生物燃料电池(MFC)是一种清洁能源技术，是利用产电微生物将有机物中蕴藏的化学能转化为电能的装置，可以实现处理污水和回收能量的双重效果。

目前大多数研究集中在提高MFC处理污水效果和功率密度等方面，然而MFC的电压和电流低，难于直接利用。MFC理论开路电压最高约为1.2V，实际开路电压最高约为0.8V；MFC外接1K电阻时，电路最大输出电流约为0.6mA，实际输出功率低于1mW。因此，MFC输出电压和电流低于用电器需求(如DHT11温湿度传感器的供电电压3V至5.5V，供电电流0.5mA至2.5mA)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现微生物燃料电池的污水处理的微生物燃料电池产电收集的电能管理系统。

本发明所采用的技术方案是：一种用于微生物燃料电池产电收集的电能管理系统，是由与微生物燃料电池相连的升压储能电路以及与升压储能电路输出相连的用于控制升压储能电路放电和连接负载的开关电路构成，其中，所述的升压储能电路包括有升压变压器、电荷泵储能芯片和接口，其中，所述升压变压器初级线圈的一端连接微生物燃料电池的正极，升压变压器初级线圈的该端还通过第四电容接地，微生物燃料电池的负极接地，升压变压器初级线圈的另一端连接电荷泵储能芯片的SW端，所述升压变压器的次级线圈的一端接地，另一端分别通过第五电容连接电荷泵储能芯片的一个输入端，以及通过第六电容连接电荷泵储能芯片的另一个输入端，所述电荷泵储能芯片的电压输出端连接第三电容的一端，用于给第三电容充电，第三电容的另一端接地，所述电荷泵储能芯片的充放电端连接第二电容的一端，用于所述第二电容的充电和放电，第二电容的另一端接地，所述电荷泵储能芯片的输出端通过接口连接超级电容的一端，用于给超级电容充电，所述超级电容的另一端接地，所述超级电容的放电端还通过接口构成升压储能电路的输出端连接开关电路，将超级电容所放的电输出到开关电路。

所述的开关电路包括有比较器和MOS管，其中所述比较器的负向输入端以及MOS管的源极均连接升压储能电路的输出端，所述比较器的比较电压输入端连接2.2V模拟直流电压输入端，所述比较器的正向输入端分别通过第二电阻连接2.2V模拟直流电压输入端，以及通过第三电阻接地，所述比较器的输出端依次通过第四电阻和第二电阻连接2.2V模拟直流电压输入端，所述比较器的输出端还连接MOS管的栅极，所述MOS管的漏极连接构成负载的第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端接地。

本发明的一种用于微生物燃料电池产电收集的电能管理系统，实现了微生物燃料电池产能的收集和储能电容的间歇高功率放电，可以实现微生物燃料电池的污水处理和能源回收双重目标。本发明使用电能管理系统收集MFC的产电，通过开关电路控制放电水平。放电电压范围为1.60～2.00V,放电功率范围2.56～4.00mW，可以使产电满足环境中温湿度传感器的工作。放电电压控制在1.60～2.00V，可以为MFC取代传统的化学电池做准备，减少化学电池的使用，MFC的使用对环境无害，节省人力、资源成本，使用寿命长。

附图说明

图1是发明中微生物燃料电池的结构示意图；

图中

1：进水箱2：蠕动泵

3：阳极室4：进水孔

5：出水孔6：取样孔

7：阳极8：空气阴极

9：电能管理系统10：产水箱

图2是本发明中电池启动期电压图；

图3是本发明的用于微生物燃料电池产电收集的电能管理系统的电路原理图；

图4是本发明中充电过程中超级电容的电压随时间变化图；

图5是本发明中放电过程中超级电容(负载1KΩ)的电压随时间变化图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种用于微生物燃料电池产电收集的电能管理系统做出详细说明。

本发明的一种用于微生物燃料电池产电收集的电能管理系统，利用微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)处理污水，产能用电能管理系统(Power Management System,PMS)收集，所述微生物燃料电池是单室空气阴极MFC，阴极电子受体来源于氧气，两极极距5cm；阳极室接种的是实验室培养的厌氧活性产电菌。MFC采用蠕动泵进水，人工配置的生活污水进入阳极室后，阳极产电菌氧化有机物产生电子，电子经过外电路传递到阴极，与氧气结合生成水，溶液中的质子向阴极移动，形成回路。电能管理系统主要包括DC/DC升压储能电路、开关电路。MFC的产电与PMS中的DC/DC升压电路相连，升压后储存在超级电容中，比较器CMP和P型MOSFET管协同控制超级电容的充放电，实现充放电过程隔离的目标，提高MFC产电回收效率。

如图1所示，本发明实施例的微生物燃料电池是采用单室空气阴极MFC，包括阳极室3为有机玻璃制作。进水箱1内装有生活污水，采用蠕动泵2抽吸进水，蠕动泵2泵出水通过孔4进入阳极室3。阳极室内部尺寸为10.00cm*10.00cm*10.00cm(长*宽*高)，有效体积为864cm³，设置3个并联碳毡制作的阳极7，单个碳毡尺寸为8.00cm*0.50cm*8.00cm(长*宽*高)，用铜丝连接固定并引出阳极室与电能管理系统9的负端相连。阳极室上端设有出水孔5和取样孔6空气阴极8尺寸为10.00cm*10.00cm，四周密封，用铜丝连接固定并导出阳极室3与电能管理系统9的正端相连。碳布制作的空气阴极8位于进水孔4侧面。空气阴极8面向阳极室内一侧附有铂炭催化剂(0.5mgPt/cm²)，面向空气一侧附有四层PTFE(0.4mgPTFE/cm²)空气扩散层涂层。

阳极液：阳极液采用人工配水，主要成分为葡萄糖(272.00mg/l)，淀粉(272.00mg/l)，NaHCO₃(305.00mg/l),(NH₄)₂SO₄(145.00mg/l),K₂HPO₄(23.50mg/l),MgSO₄.7H₂O(23.50mg/l),FeS>4.7H₂O(18.00mg/l),MnSO₄.4H₂O(40.00mg/l),CaCl₂(14.40mg/l)，尿素(40.00mg/l)，以及KH₂PO₄(18.50mg/l))。

接种微生物：阳极接种微生物为实验室微生物燃料电池长期驯化的产电菌。

启动时，MFC外接1KΩ电阻，蠕动泵连续进水，水力停留时间12h，电压达到最大值0.60V并稳定一定时间后，表明MFC启动成功，启动电压见图2。

数据采集系统：采用数据采集器(34972A，Keysight，美国)每隔30min记录电压值，并将数据传输保存在电脑中。

如图3所示，本发明的一种用于微生物燃料电池产电收集的电能管理系统，是由与微生物燃料电池MFC相连的升压储能电路以及与升压储能电路输出相连的用于控制升压储能电路放电和连接负载的开关电路构成，其中，所述的升压储能电路包括有升压变压器T₁、电荷泵储能芯片U₁和接口P1，其中，所述升压变压器T₁初级线圈的一端连接微生物燃料电池MFC的正极，升压变压器T₁初级线圈的该端还通过第四电容C4接地，微生物燃料电池MFC的负极接地，升压变压器T₁初级线圈的另一端连接电荷泵储能芯片U₁的SW端，所述升压变压器T₁的次级线圈的一端接地，另一端分别通过第五电容C5连接电荷泵储能芯片U₁的一个输入端，以及通过第六电容C6连接电荷泵储能芯片U₁的另一个输入端，所述电荷泵储能芯片U₁的电压输出端VAUX连接第三电容C3的一端，用于给第三电容C3充电，第三电容C3的另一端接地，所述电荷泵储能芯片U₁的充放电端LDO连接第二电容C2的一端，用于所述第二电容C2的充电和放电，第二电容C2的另一端接地，所述电荷泵储能芯片U₁的输出端通过接口P1连接超级电容C1的一端，用于给超级电容C1充电，所述超级电容C1的另一端接地，所述超级电容C1的放电端还通过接口P1构成升压储能电路的输出端OUT连接开关电路，将超级电容C1所储存的电输出到开关电路。

MFC的开路电压约为0.64V，当MFC两端直接外接1KΩ电阻时，MFC两端输出电压约为0.60V，输出电流约为0.60mA。而采用本发明的电能管理系统，MFC的电压经过升压变压器T₁升压后输入电荷泵储能芯片U₁。电荷泵储能芯片U₁采用的是一款低功耗DC/DC升压芯片，最低输入电压约为20mV，芯片内部集成电荷泵，对电荷进行累积储存，适合微生物燃料电池能量储存。电荷泵的原理：输入电荷泵储能芯片U₁的电能经过电荷泵能量储存，通过VOUT引脚对超级电容C1充电，电荷泵储能芯片U₁的VOUT引脚电压可调。

所述的开关电路包括有比较器U₂和MOS管U₃，其中所述比较器U₂的负向输入端-IN以及MOS管U₃的源极均连接升压储能电路的输出端OUT，所述比较器U₂的比较电压输入端V+连接2.2V模拟直流电压输入端Power，所述比较器U₂的正向输入端+IN分别通过第二电阻R2连接2.2V模拟直流电压输入端Power，以及通过第三电阻R3接地，所述比较器U₂的输出端依次通过第四电阻R4和第二电阻R2连接2.2V模拟直流电压输入端Power，所述比较器U₂的输出端VOUT还连接MOS管U₃的栅极，所述MOS管U₃的漏极连接构成负载的第一电阻R1的一端，所述第一电阻R1的另一端接地。

开关闭合时，超级电容C1作为能源给负载(1K的第一电阻R1)放电。放电过程由比较器U₂和MOS管U₃协同控制。

比较器U₂采用轨至轨，工作电压范围1.8V～5V之间，输入引脚的输入电压范围-5.5V～5.5V。Power端连接2.2V模拟直流电压，模拟直流电压为比较器U₂工作提供电源。当比较器U₂负端(-IN)<V_L，比较器U₂的VOUT输出高电平，由等效电路图计算V_L(V_L＝1.60V)；当比较器U₂负端(-IN)>V_H,比较器U₂的VOUT输出低电平，由等效电路图计算V_H(V_H＝2.00V)。

MOS管U₃是多漏极的P-MOSFET场效应管。MOS管U₃阈值电压-0.6V～0V,由场效应管的手册可知，其工作的阈值电压随温度变化而变化，在室温25度时阈值电压约为-0.6V。U₂负端(-IN)>V_H时，比较器U₂的VOUT端输出低电平，MOS管U₃的栅极2和源极3的压降之差小于阈值，P型MOSFET管导通，超级电容C1对外放电；比较器U₂负端(-IN)<V_L时，比较器U₂的VOUT端输出高电平，MOS管U₃的栅极2和源极3的压降之差大于阈值，P型MOSFET管断开，超级电容C1不再对负载放电，MFC重新给超级电容C1充电。

本发明的一种用于微生物燃料电池产电收集的电能管理系统，在微生物燃料电池处理污水过程中，产电菌降解有机物，将有机物中的化学能转化为电能。产电通过电能管理系统进行收集储存：充电时，产电经升压电路先储存在超级电容中，超级电容两端的电压大于V_H(2.00V)时，控制开关闭合，超级电容对负载放电，最高输出功率达到4.00mW；超级电容电压降到V_L(1.60V)时，控制开关断开，超级电容不再对负载放电，MFC给超级电容重新充电，最低输出功率2.56mW。如此反复，电能管理系统使MFC的充放电交替进行，实现了MFC产能的收集和储能电容的间歇高功率放电。

充电效果如图4所示，充电7.52小时后，超级电容端的电压达到V_H，P-MOSFET导通，超级电容给负载(1KΩ电阻)放电；电容电压降到V_L，P-MOSFET断开，超级电容不再放电，MFC重新给超级电容充电，记录超级电容端电压随时间的变化。实验进行了3个周期的充放电测试，电压变化趋势类似。由图4可以看出，周期内，充电时，超级电压由1.60V升高到2.00V大约需要3.05小时。

单周期内放电效果如图5所示，超级电容电压由V_H(2.00V)降低到V_L(1.60V)时，持续放电时间260s，放电电压范围为V_L～V_H，输出功率范围2.56mW～4.00mW，说明MFC的产能储存到了超级电容中，超级电容间歇高功率放电可以扩大MFC的实际应用范围。

在本发明的实施例中，所述升压变压器T₁可选型号为LPR6235-253PML或LPR6235-123PML或LPR6235-752PML的升压变压器；所述电荷泵储能芯片U₁可选型号为LTC3108或LTC3108-1或LTC3429的芯片；所述比较器U₂可选型号为LMV7291的比较器；所述MOS管U₃为P型MOSFET管，可选型号为Si3460BDV或Si3499DV或ALD110800的PMOS。