CN100449863C - 燃料电池混合电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池混合电源。该混合电源包括从燃料电池接收能量且被配置为向可充电电池输送能量的开关型DC/DC升压型转换器，该DC/DC转换器被设置为提供比可充电电池的完全充电电压低的固定输出电压。该混合电源包括含有燃料电池电流控制的电路，该燃料电池电流控制检测燃料电池电流，并部分地控制转换器的工作以在混合电源的燃料电池侧上提供恒定电流放电。

Description

燃料电池混合电源

技术领域

本发明涉及便携式电子器件的供电。

背景技术

便携式电子器件一般由一次电池或可充电电池供电。便携式电子器件市场的增长以及使用模式的变化为向电子器件供电的可充电电源提供了机会。一次电池具有较大的能量密度，但其内阻较大，并且一次电池不太适于大电流(＞0.2C放电率)的电子器件。可充电电池可应付较大的负载，但对于许多应用不具有足够的能量容量。

发明内容

根据本发明的一个方面，混合电源包括从燃料电池接收能量并被配置为将该能量输送到可充电电池的开关型DC/DC升压型转换器，该开关型DC/DC升压型转换器被设置为提供比可充电电池的完全充电电压低的固定输出电压。

根据本发明的另一方面，混合电源包括：从燃料电池接收能量并被配置为将该能量输送到可充电电池的开关型DC/DC升压型转换器；和被设置为控制开关型DC/DC转换器的电路。该电路包含与转换器的反馈输入耦合的电阻分压器，该电阻分压器被选择为提供比可充电电池的完全充电电压小的固定输出电压。

根据本发明的另一方面，混合电源的操作方法包括以下步骤：以比可充电电池的完全充电电压小的固定电压、通过开关型DC/DC升压型转换器将能量从一次电池输送到可充电电池。

本发明的一个或更多个方面可以包含以下优点的一个或更多个。

该配置包括燃料电池并提供具有高能量密度的电源。该优点是以例如使得燃料电池以峰值效率工作的几种方式得到的。可充电电池和混合电路对一般将燃料电池带离其峰值工作点的负载变化进行处理。因此，由于燃料电池可以以更接近峰值效率的方式工作，因此通过调节影响到燃料电池的负载变化，该配置提供更高燃料使用效率的燃料电池。另外，放电循环的末端(即，燃料盒寿命的末端)附近的混合电路的脉动工作允许从各燃料盒中吸取附加的能量。在深度放电时出现的电流脉动工作可被修改为使得可以进行催化剂再活化。如果混合电路将高电压脉冲输送到燃料电池，那么在从燃料电池输送各电流脉冲后，可以使用再活化机制，以从燃料电池中的阳极催化剂去除CO累积。这会为燃料电池提供功率提升，并进一步提高其有效能量密度。一般而言，典型燃料电池所需的短暂启动时间被可充电电池的工作掩盖。这也允许为了燃料效率而不是启动的速度优化燃料电池启动次序。混合构造将在运行器件时典型燃料电池可以处理“热换入(hot swap)”燃料盒交换的时间从几秒延长到几分钟。对于具有高容量可充电电池的燃料电池的构造，高度可变功率应用(例如，电信、膝上型计算机等)中的负载对于燃料电池将变成现实。

其它优点在于，如果DC/DC转换器被操作为从燃料电池提供恒定电流消耗，那么燃料电池将不大可能释放例如甲醛的有毒的废化学品，而直接甲醇燃料电池的变化负载工作会出现这种释放。

在以下的附图和说明中阐述本发明的一个或更多个实施例的细节。本发明的其它特征、目的和优点通过详述、附图和权利要求书将变得更加明显。

附图说明

图1是基于燃料电池的混合DC电源的框图。

图2和图3是示出典型燃料电池的工作特性的图。

图4是用于混合DC电源的控制电路的示意图。

图5是用于混合DC电源的替代控制电路的示意图。

图6是说明用于再生燃料电池的电路的示意图。

具体实施方式

参照图1，混合电源10包含从一次电池12接收能量并将能量输送到例如可充电的二次电池16的开关型DC/DC升压型转换器14。在一个实施例中，一次电池12是燃料电池并具有向燃料电池12供给燃料(以氢的形式)源的燃料盒11。

可充电电池16根据需要向器件20输送电力。器件20可以是任意类型的电子器件，特别是例如手机的无线器件、个人数字助理、数字照相机等的便携式器件。开关型DC/DC升压型转换器12构成为提供比可充电电池16的充电电压小的固定输出电压，且电流被限制为可充电电池的充电电流的一部分。在这种构造中，开关型DC/DC升压型转换器12也用作用于可充电电池16的充电器。可充电电池16可以是可充电Li离子类型。优选的例子包含Li离子或Li聚合物可充电电池。与其它可用的可充电电池相比，这些可充电电池可以向器件18提供电力更长的时间周期，并且可以在连续使用的较长周期内有效。

一次电源12可以包含但不限于碱性电池、锌-空气电池、燃料电池。在本实施例中将讨论燃料电池。燃料电池12的工作类似电池。燃料电池通过使供给电池的燃料(例如氢)与氧反应产生电和热。燃料电池包含两个电极。一个电极被供氢，而另一个电极被供氧。氢原子在催化剂存在的情况下分裂成质子和电子。质子和电子采取不同的路径到达阴极。电子穿过外部电路，由此产生电的流动。质子通过电解质迁移到阴极，并在阴极中与氧和电子重新结合以产生水和热。已提出将燃料电池用于各种应用，例如电力车辆或为建筑物提供电和热。正在为各种便携式应用开发各种燃料电池。

不同类型的燃料电池技术正处于开发之中，它们在电解质材料和电极的构造方面有所不同。燃料电池的类型包含：用磷酸作为电解质的磷酸燃料电池、用基于氟化磺酸的聚合物膜片作为电解质的质子交换膜片燃料电池、和用氧化锆的薄层作为固态陶瓷电解质的固态氧化物燃料电池。其它燃料电池类型包含用聚合物膜片作为电解质的直接甲醇燃料电池。直接甲醇燃料电池通过液态甲醇的直接氧化而工作，因此不需要燃料转化器。另一种类型的燃料电池是用溶融碳酸盐作为电解质的溶融碳酸盐燃料电池。碱性燃料电池使用例如氢氧化钾的碱性电解质。其它类型包含再生燃料电池或可逆燃料电池，该再生燃料电池或可逆燃料电池从氢或氧产生电，但可以被电逆转和得到供电，以产生氢和氧。

燃料电池的有效能量密度由其工作点决定。作为例子，图2示出直接甲醇燃料电池的极化曲线。该燃料电池在300mA下工作时提供约1.45V的叠层电压(stack voltage)和约0.14瓦的峰值功率输出。典型地，燃料电池在不同的工作点上具有不同的净燃料效率。例如，在直接甲醇燃料电池中，由于例如甲醇渗透(导致消耗燃料但不产生电力的非法拉第反应)的寄生过程程度较低，因此较高的电流输出(currentdraw)导致较高的能量效率。在图2中所示的例子中，输出300mA的燃料电池的工作产生20％的净燃料效率。即，甲醇的1M/L溶液，应产生240Wh/l(瓦时/升)的理论能量密度，将会产生仅48Wh/l的实际能量密度。具有这种效率时，1M/L甲醇的100cc燃料盒(2个“D”单元)对于5W的电子器件将提供约1小时的运行时间。这种类型的燃料电池在偏离其峰值工作点的工作点上可具有低至10％的净燃料效率。因此，当与在其最佳点的工作相比时，如果燃料电池在非最佳放电条件下工作，将会损失一半的燃料电池运行时间。

参照图3，图中示出氢燃料电池的典型工作特性。商业上可得到的吸气(air breathing)式氢燃料电池的15W的工作特性表明，在1500mA时工作提供约15W的峰值功率输出。与直接甲醇燃料电池一样，氢燃料电池在不同的工作点具有不同的净燃料效率。在这种情况下，较低的电流导致氢的更多泄漏，导致燃料效率在峰值功率和峰值功率以下之间发生变化。在氢燃料电池中，输出1A的工作产生约70％的净燃料效率，而在250mA时工作提供仅40％的燃料效率。因此，具有3克氢(36升，经由化学或物理装置储存在燃料盒中)的100cc燃料盒(2个“D”单元)将具有105Whr的理论容量。对于15W笔记本微型计算机，在峰值效率的工作将提供约5小时的工作，而在1/4峰值工作电流下的运行将产生3小时以下的工作。与在最佳工作点相比，如果工作偏离峰值足够多，燃料盒将会损失几乎一半的运行时间。

通过使用Li离子或Li聚合物可充电(二次电池)电池16，混合电源10可以利用这种可充电电池的充电电压特性。例如，Li离子电池的充电电压一般在较宽的范围内与它们的充电状态有关。这使得混合电源10可以在与所需的充电状态对应的值从DC/DC转换器14产生输出电压。例如，在约4V的电压时，该值为充电电压的约90％。DC/DC转换器14没有对可充电电池16完全充电，因此损失了器件18的10％的最长连续运行时间。但这种非完全充电配置提供以下优点。混合电源10为可充电电池16提供较高的能量效率工作。在可充电电池16的充电的末端，产生热损失。通过避免最大限度的充电，避免了这种损失。可充电电池16还具有较低的自放电率(由于较低的充电电压)。另外，使由于长时存储造成的损伤最小化。如果在完全充电状态下存储可充电电池16，那么Li离子电池将永久损失其容量的一部分。DC/DC转换器14还使对于充电控制器和保护电路的需求最小化。

混合电源10还放宽了对于DC/DC转换器电路14的精度需求。Li离子充电器的输出电压一般具有优于0.5％的精度。这一般在DC/DC转换器后面需要第二充电器件。没有对Li离子电池完全充电是考虑到3.9V～4.1V的+/-2.5％电压容限，这是简易且便宜的DC/DC转换器14的典型输出电压精度。DC/DC转换器14消除了对Li离子电池过度充电的可能性，从而导致简化的保护电路(未示出)。DC/DC转换器14考虑到器件电源端子上的较窄的电压范围(这使得器件内部电压调节更加有效)。DC/DC转换器14自动为从可充电电池16使用的能量的量进行补偿，并提供具有非常低的静态电流特性的电路。DC/DC转换器14有效地使用燃料电池能量，具有较低的EMI电平，并可以被集成到存在的Li离子供电器件中。

对Li离子电池的一个充电要求是限制充电电流。转换器本身可以限制充电电流。这样，逐步上升(step-up)电压转换器也用作对Li+电池进行充电的充电器，在可充电电池电压达到转换器输出电压前用作恒流源，并在此点后用作恒压源。在达到输出电压后，电流将很快按指数规律下降到实际上的零点。这种状态中的系统可忽略地放泄(drain)很低的静态电流(几十μA)。

典型的转换器控制二次(充电)电流并将该充电电流保持在恒定的值；其它转换器不提供电流控制。二次侧上的恒定电流导致燃料电池上的变化电流，并随燃料电池上的电压减少而增加。这是恒定功率类型的放电，且对燃料电池最为不利。为了避免这种情况，电路包含检测燃料电池电流的燃料电池电流控制，并参与DC/DC转换器的闭合反馈回路，以保证一次侧上的较低的恒流放电，由此大大提高燃料电池效率。

一个缺点是Li离子电池为了操作器件而进行充分充电所需要的起始延迟，尤其是在更换燃料电池后。较好的解决方案是在器件中监视燃料电池电压(通过燃料表、低燃料报警和截止)并防止二次电池的进一步放电。这样，当燃料电池被放电并且可充电电池仍接近完全充电状态时，器件将向用户提示并最终截止，并在更换燃料盒后立即处于待用状态。可将可充电电池加入器件中，且用户无法接近它。

参照图4，图中示出控制逐步上升(升压)DC/DC转换器14的工作为燃料电池提供最佳工作的电路30。电路30包含用于DC/DC转换器14的偏压和控制电路32、一次电流传感放大器和电源关断(shutdown)34和充电截止开关36。另外，提供熔丝保护38。电路30构成为从燃料电池吸取恒定量的电流，使得燃料电池可以在其最佳工作点工作。在工作中，燃料电池向DC/DC转换器14输送恒定电流。DC/DC转换器14向可充电电池输送电压，该可充电电池用于对电池进行再充电或向负载器件18输送电力。

逐步上升(升压)DC/DC转换器14可以是例如从LinearTechnology公司得到的LTC3400(U1)。可以使用许多其它器件，例如从Maxim公司得到的MAX1765。与大多数其它DC/DC转换器的约80％或更低的效率相比，LTC3400(U1)在低电流值时具有优异的效率(＞90％)。用于转换器12的偏压电路32包含跨越转换器12耦合的电感器L1(例如6.8uh)，该转换器被优化为提高转换效率。本例子中的逐步上升(升压)DC/DC转换器14的输入电压范围是0.7～5.5V。可通过两个外部电阻器R1和R2对输出电压进行调整。输出电压在转换器12的反馈输入(FB)上被调整为等于内部电压基准(例如，1.25V)，此时输出电压在输出(Vout)上是4V。为了正常工作，输出电压应保持比用于转换器12的输入电压高。将输出电压电平限制到4.0伏特由此将该特定实施中的输入电压范围限制到适用于串联的两至四个燃料电池的0.7～3.3V。如果输入电压超过输出0.7V以上，那么DC/DC转换器器件内的体二极管(body diode)将被向前加偏压(bias)，并且电流将从一次侧转移到二次侧，仅由两电池的内阻和两个系统之间的电压差限制，由此导致较高的浪涌电流(inrushcurrent)。

用于本转换器的内部输出电流极限是600mA。需要20～400mA的较低的电流极限，以进一步提高效率并减少尺寸和成本。在理想情况下，电路14可以是加入大部分的外部部件(可能除了可用于在外部对用于特定应用的一次电流进行编程的电感器L1和电流传感电阻器)的ASIC。电容C₁、C₂和C₃用于过滤转换器12的输入和输出中的切换脉冲并防止振荡。C4用于转换器的“软启动”并用于提高稳定性。

电路30具有具有功率关断部分34的一次电流传感器/放大器，该功率关断部分34包含运算放大器U2，具有电阻器R₄和R₅以提供一次电流传感电阻器。电阻器R₄和R₅的值是非常低的值，以提供最小的跨过电阻器R₅(例如，100mA时为0.25欧姆)的电压降(或IR损失)。通过增益由R₂/R₃比值设定的运算放大器U2将该非常低(平均25mV)IR降放大50倍，以在与转换器12反馈输入FB连接的二极管D₁的输出上达到1.25V。这样，在“只最大(largest-only)”基础上将其间没有干扰的跨过R1的输出电压信号和经过二极管D₁的输入电流信号在转换器的反馈输入上相加，并将其与内部基准电压比较。该系统对最先达到1.25V的任一信号作出反应，并停止转换器切换，由此降低输出电压。这提供了同时具有恒定输出电压/恒定输入电流的类型的电池充电源。

输出电压被限制到4V，输出电流也被限制到：I_out＝I_in×V_in/V_out，这将该电压转换器变成需要CV/CC(恒压/恒流)输出的Li离子充电器。一般Li离子化学要求V＝4.1V或4.2V，且I＜1C放电率(rate)。在混合电源10中，V＝4V且I＜＜1C放电率，这非常安全，不需要另外的保护板。如果考虑非正常条件，应使用冗余保护。例如，对于上述系统，在燃料电池端子上施加较高的电压例如大于3.3V的加载电压或大于4.3V的开路电压是不安全的。

由于运算放大器U₂在被供电时放泄几十个微安的电流，因此，为了通过使用运算放大器U₂的关断针降低系统的静态电流，实施省电关闭机制。当转换器12是活动的且正在切换(active and switching)，穿过二极管D₂的脉冲将充分降低运算放大器U₂的关断针上的电压，以启用运算放大器U2，并且，当空闲时，穿过上拉电阻器R₈的电流将对电容C5充电并截止对运作放大器U2的供电。

电路30还包含开关电路36。Li离子电池通过MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)开关Q₁与DC/DC转换器14的输出连接。当燃料电池持续放电达到DC/DC转换器14输入侧上的截止电压时，开关电路36防止Li离子电池通过DC/DC转换器14的输出放电(几个毫安)。对于所选类型的串联的2～4个燃料电池，开关电路36也可用于将系统一次截止电压调整到所需的电平。充电开关电路36在达到转换器12输入截止电压前截止。示出的例子用于二至四个甲醇燃料电池的叠层结构。通过双极型晶体管Q₂的发射极-集电极结对MOSFET Q1加偏压，并且从燃料电池通过R₇对最后的基极-发射极(base-emitter)结加偏压。当一次电压降到小于约0.7V时，Q₂为关并且关闭Q₁，由此停止充电。电阻器R₆在打开时使穿过Q₂的泄漏电流下降，以防止其对Q₂的高阻抗栅极加偏压。随着“关”闭充电从转换器输出Vout并由此从燃料电池去除负载，最后的电压增加，且充电重新开始，从而，电路36被重新激活，由此直到所选截止电压可得到的燃料电池的所有能量都被转移到可充电电池16之后进行切换。该方法与其它方法不同，因为在一般情况下，器件将在第一次达到其电源的截止电压时截止，并且一些能量将在燃料电池中保持未使用。现在的方法使得燃料电池可以在终止前输送其所有能量。Li离子电池具有备有为了安全而使用的熔丝(F₁)的熔丝电路38，该熔丝同时与充电路径和输出串联，以在短路条件的情况下永久打开。

当设计混合电源系统时，要对几个参数进行优化。例如，燃料电池12的能量被优化为覆盖器件的所需总运行时间。可充电电池16的能量被优化为覆盖器件的所需连续运行时间1个循环。可充电电池的功率被选择为对于器件峰值功率来说是足够的，并且充电率被优化为近完全燃料电池应用，以满足器件的所需间歇性能。

在许多器件20中，比初始规定尺寸小的Li离子电池可以提供所需的峰值功率，并且由于永久充电，因此足可以具有满意的连续性能。

所述的充电技术基于当输入电压比输出电压低时工作的电压升压转换器。内部开关晶体管(在DC/DC转换器中)具有被向前加偏压的二极管，并且，如果输入电压超过输出电压0.2～0.4V，那么内部开关晶体管从输入到输出直接开始导通(没有电流限制)。Li离子可充电电池具有从4.2V下降到3.2V的典型放电电压范围。在电池中加入在2.4V截止的保护电路，以防止Li离子电池的退化。如果将电路设计为使得负载(器件)在3.2V截止，那么输入负载电压将永远不会超过3.3V(串联的2～4个燃料电池)。

可以通过用逐步下降(降压)DC/DC转换器替换逐步上升(升压)转换器，设计输入电压比输出电压高的混合电源。与具有相同体积的一个或两个较大的电池相比，串联的多个电池具有更低能量密度，因此是不优选的。串联的多个电池会存在电池电压平衡的问题，且加燃料会更困难且更昂贵。对于多燃料电池应用，逐步下降的变化(step-down variation)会需要8～20个电池。

参照图5，示出逐步上升(升压)DC/DC转换器的配置。电路60包含用于DC/DC转换器14的偏压和控制电路，一次电流传感比较器64和与电力关断电路62连接的充电截止比较器66。另外，提供熔丝保护68。电路60构成为从燃料电池吸取恒定量的电流，使得燃料电池可以在其最佳工作点工作。在工作中，燃料电池向DC/DC转换器15输送恒定电流。DC/DC转换器14的输出与用于对电池进行再充电或用于向负载器件18输送电力的可充电电池连接。

逐步上升(升压)DC/DC转换器14可以是例如从LinearTechnology公司得到的LTC3400(U1)。如上所述，可以使用许多其它器件，例如从Maxim公司得到的MAX1765。用于转换器14的外部部件包含为最佳转换效率选择的跨过转换器12耦合的电感器L₁₁(例如6.8μh)。本例子中的逐步上升(升压)DC/DC转换器14的输入电压范围是0.7～5.5V。可经由两个外部电阻器R₁₁和R₁₂对输出电压进行调整。输出电压在转换器14的反馈输入(FB)上被调整为等于内部电压基准(例如，1.25V)，此时输出电压在输出(Vout)上是4.0V。为了正常工作，输出电压应保持比用于转换器14的输入电压高。3.2伏特的最低输出电压由此将该特定实施中的输入电压范围限制到适用于串联的两至四个燃料电池的0.7～3.3V。如果输入电压超过输出，电流将从一次侧直接转移到二次侧，仅由燃料电池和Li离子电池的内阻限制，由此导致较高的浪涌电流(inrush current)。

如上所述，需要20～400mA范围内的DC/DC转换器14的较低的内部输出电流限制，以进一步提高效率，并减少尺寸和成本。这可以由加入大部分外部部件(可能除了可用于对用于特定应用的一次电流值进行编程的电感器L1和电流传感电阻器)的ASIC提供。电容C₁₁、C₁₂和C₁₃用于过滤转换器的输入和输出中的开关脉冲并防止振荡。电容C₁₈用于保证DC/DC转换器的“软启动”。

电路64包含一次电流传感器/比较器和具有运算放大器U5-A(双套运算放大器对的一个运算放大器)的功率关断部分62，该功率关断部分62具有电阻器R₁₄和R₁₅以提供一次电流传感电阻器，该一次电流传感电阻器为了跨过电阻器R₁₅(例如，100mA时为0.25欧姆)的最小电压降(或IR损失)应具有非常低的值。当一次电流超过预设限制时，该非常低(平均25mV)IR降通过其输出将走高并截止转换器的运算放大器U2与基准电压(由基准电压源D2和分压器R₁₉/R₁₃产生)相比较。在运算放大器U5-A的负反馈回路中连接的电阻器R₂₀和电容C₁₆形成积分器，以引入延迟并由此稳定比较器的响应。二极管D1防止电压控制电路和电流控制电路之间的干扰。这样，在“只最大”基础上，经过R₁₁的输出电压信号和经过二极管D1的输入电流信号在其间没有干扰的情况下在转换器的反馈输入上相加，并与内部基准电压相比较。系统对任何首先达到1.25V的信号做出反应，并停止转换器12切换，由此降低输出电压。

Li离子电池通过MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)开关Q₁₁与DC/DC转换器14的输出连接。当燃料电池持续放电达到DC/DC转换器输入侧上的截止电压(在本例子中，对于串联的四至六个燃料电池是1.4V)时，关断控制电路66防止Li离子电池通过DC/DC转换器14的输出放电(几个毫安)。对于所选的燃料电池类型，它还可用于将系统一次起始截止电压调整到所需的电平。在达到转换器输入截止电压前，经由Q₁₁的关断电路66截止。通过运算放大器U5-B的输出向MOSFET Q₁₁加偏压，该运算放大器U5-B被用作比较器，以经由电阻器R₂₄检测对于DC-DC转换器12的输入电压何时低于一定的阈值。由电阻器R₁₇、R₂₃和齐纳二极管D2决定该阈值电压。在本例子中，通过使用U5-B负反馈回路中的R₁₈，引入滞后。如果V是1.40伏特或更低，则通过由晶体管Q₁₂形成的反相电路62关断转换器，并经由Q₁₁截止充电，由此防止Li离子电池通过转换器输出放电。如果V是1.45伏特或更高，则DC/DC转换器是“开”，且电路正在充电。当输入电压低于1.4V并被用于驱动Q₁₁和Q₁₂时，指示信号“更换燃料盒”。当一次电压降至低于约1.4V时，Q₂为关并关闭U₁，由此停止充电。电阻器R₁₆在打开时在Q₁₁的高阻抗栅极上的泄漏电流下降，以防止出现偏压。“关闭”充电从转换器输出Vout并由此从燃料电池去除负载，并且燃料电池的电压恢复，由此重新“打开”充电。如上述的那样，切换以及充电将在衰减的工作循环中继续，直到对于所选截止电压来说燃料电池的所有可用能量都被转移。

Li离子电池16具有备有为安全使用的熔丝(F1)的熔丝电路68该熔丝与充电路径和输出同时串联，以在短路条件的情况下永久打开。

与仅有燃料电池的电源相比，深度放电时的脉冲充电，和允许阳极催化剂重新激活的电压脉冲将同时有助于进一步扩展混合电源10构造的优点。

参照图6，增加运行时间的另一方面必须与实现燃料电池12中催化剂再激活的配置的能力有关。如图6所示，混合电源100包含具有耦合在DC/DC转换器102的输入端子和输出端子之间的开关晶体管109的“可逆DC/DC转换器”102。从低电压检测比较器104控制开关晶体管(这里是FET，但可以使用其它器件)。开关晶体管允许DC/DC转换器的输出和输入端子的重构，使得可以根据由比较器104决定的燃料电池103上的电压的状态向燃料电池103供给电流脉冲。燃料电池103与检测燃料电池电压何时降至低于预定值的低电压检测比较器104耦合。电流传感旁路(shunt)电阻器108(例如0.1欧姆的低值)被耦合为检测燃料电池103放电电流，并被耦合在燃料电池103和例如Li离子电池的可充电电池116的负端子之间。当燃料电池103的电压降至低于预定值时，比较器104产生供给开关晶体管109的输入(栅极)的信号，以打开晶体管109，并使得电流脉冲从Li离子可充电电池向后到达燃料电池电极，导致燃料电池103的再生。即，当燃料电池电压降至低于预定值时，DC/DC转换器102脉动地从可充电电池向后向燃料电池103输送电流。升压DC/DC转换器102将在一定的最低输入电压例如7V停止工作，此时，控制电路将激活用于燃料电池103的再生脉冲。在再生后，燃料电池电压将恢复，且升压转换器将重新开始对可充电电池116进行充电。低电压比较器104可以是升压DC/DC转换器104的一部分，但为清楚起见被分开表示。

燃料电池中的催化剂再激活的现象可被解释如下：例如直接甲醇燃料电池的某些类型的燃料电池具有这样一种独特特性，即，在铂/钌(Pt/Ru)催化剂存在的情况下，甲醇的氧化是多步骤的过程。整个反应是：

CH₃OH+3/2O₂ H2O+CO2 G＝-702kJ/mol

Pt是提供甲醇的电氧化中的大部分重要中间步骤的电催化剂，在吸收步骤中通过破坏C-H键使分子分解。但是，这种分解同时导致形成CO，这会对整个甲醇反应中的后面的步骤有害。可以在这样一种电位上氧化吸收的CO，即，在该电位上氧化的各类物质存在于电极表面上。系统由此需要高度吸收OH(通过经由较小的粒子增加Pt的分散度而实现)或添加更易于在较低电位被氧化的第二金属(Ru或其它元素)，以驱动甲醇反应的完成。CO在Pt-Ru合金电极上的氧化的发生比在纯Pt电极上低170～200mV，导致在Pt-Ru合金上CO氧化活度增加。这导致水在Ru原子上的择优吸收，由此产生Ru-OH并使CO被吸收在Pt原子上以通过以下的反应物对机制氧化邻近的Ru-OH：

Ru-OH+Pt-CO Ru+Pt+CO2+H++e-

O中毒是一缓慢但可逆的过程，其中CO可被氧化为CO₂。可以通过几种方法减轻CO污染，例如通过向燃料电池施加电压脉冲，以将阳极电位增加到CO被氧化为CO₂的电平。文献中的实验例子说明了通过向燃料电池施加阳极脉冲在给定电流恢复电池电压的能力(由此说明了升压/恢复功率能力)。这种方案应具有提高直接甲醇燃料电池中的燃料电池盒的功率性能和延长其有效寿命的有益效果。

燃料电池一般在开始电力产生过程的“开”信号和得到所需的操作功率的时间之间具有较短的延迟。对于较小的系统(氢或直接甲醇氧化燃料电池)，该时间一般是几十秒至几分钟。在该时间内，得到一些电力，但是，实现反应物的最佳物质输送，和加热膜片(membrane)电极组件(一般到室温以上的某一低温值，30～40℃较为典型)以提高导电性和反应度并实现额定性能，都存在一定的滞后时间。混合电源10构造使得可以由可充电电池16提供起始功率，同时燃料电池12达到其额定性能。然后，燃料电池将电力输送到DC/DC转换器14，由此对可充电电池16充电并将电力输送到负载20。

回到图1，以这种方式使用燃料电池的优点之一是，通过将用完的燃料盒11换成新的，可以“即刻”对燃料电池12进行添加燃料。这种配置与可充电电池供电的用户器件的等待基于AC插座的充电大不相同。反应物的有限物质输送将使得，即使在例如燃料盒11用干/用空的燃料输送的短暂中断期间，燃料电池也能连续产生电力，因此还可以设想进行“热换入”。这是燃料电池的“启动”特性的有利方面，即，物质输送延迟性能使得电池在燃料源用空后的短时间内对可以工作。但是，为了对器件进行连续操作，必须迅速更换燃料盒11，否则反应物将会被消耗，燃料电池会被耗尽，使得没有足够的燃料继续下去。如果器件用户迅速看到燃料盒11“用干”，并迅速用用户手边的常规方法得到的一个将其替换，则能实现热换入。但是，如果这些条件中的任何一个都不存在，则器件将会在可实现热换入之前断电。

混合电源10构造使得可以通过可充电电池16提供电力；同时更换燃料盒11，由此至少在可充电电池16达到其额定性能之前避免断电。然后，燃料电池12将电力输送到DC/DC转换器14，导致可充电电池16的再充电，并将电力输送到负载20。

对于可具有相对恒定功率需求的应用(DVD播放器等)，混合电源10构造可以在燃料盒互连13中为用户提供基本的方便。以下对一个例子进行说明。对于DVD播放器(假定是10W器件)，作为燃料电池系统的一部分以紧凑配置(未示出)构造“互连电子设备”(例如，小型可充电电池加基于ASIC的DC/DC转换器14电路)。盒11具有使得用户可以很容易地更换盒11的互连13(例如，很象更换一次电池)。互连允许将燃料(例如，氢或甲烷)供给燃料电池，并且，当盒11构成为具有这种互连时提供对电源10进行“即时”再充电的简易方法。

燃料电池/可充电电池混合电源10的一般特征是可以将燃料电池设计为提供刚好大于平均功率，并允许可充电电池可以在该点之上提供峰值功率(并使得在平均功率时段期间对其进行缓慢再充电)。可以通过向可充电电池提供足以使得可以由燃料电池和可充电电池的组合对峰值功率进行操作的容量，提供这个特征。

对于可在峰值功率和平均功率之间具有较大差异的应用(电信、膝上型电脑等)，混合电池10构造可比由通过对燃料电池定尺度(scale)以由其本身处理峰值功率实现的电源具有更高的成本效率和能量密度。例如膝上型电脑(假定平均功率20W，峰值功率35W)的供电的应用中的优点可解释如下：

假定可充电电池的功率密度是300W/l，直接甲醇燃料电池为200W/l，具有80Wh燃料盒11的20W电源将需要100cc的燃料，100cc的燃料电池，50cc的15W可充电电池(总体积＝250cc)，并且假定对于平均功率净运行时间是4小时，对于峰值功率是2.5小时。如果将燃料电池定尺度为提供所有的输出功率，它将需要175cc的燃料电池，仅为燃料留下75cc。这将减少25％的运行时间，由于燃料电池将改变其工作点以响应负载变化，因此还有可能进一步减少。混合电源10构造避免了这些问题。混合电源10构造使得燃料电池可以以峰值燃料效率工作，并使得可充电电池可以操作负载变化。

已说明了本发明的许多实施例，其它实施例在以下的权利要求书的范围之内。

Claims (20)

1.一种提供固定输出电压的混合电源，包括：

从燃料电池接收能量并被配置为将所述能量输送到可充电电池的开关型DC/DC升压型转换器，所述开关型DC/DC升压型转换器构成为从所述燃料电池提供恒定的电流消耗；以及

设置为检测跨过所述燃料电池的电压、以在所述燃料电池的所述电压值低于阈值时使所述可充电电池向所述燃料电池供给再生电流的电路。

2.如权利要求1所述的混合电源，还包括：

提供燃料电池互连，该燃料电池互连允许用户热换入新的燃料盒，以在向器件输送能量时向所述燃料电池供给燃料。

3.如权利要求1所述的混合电源，还包括：

包含燃料电池电流控制的控制电路，该燃料电池电流控制检测燃料电池电流，并控制所述开关型DC/DC升压型转换器的工作以在所述混合电源的所述燃料电池侧上提供恒定电流放电。

4.如权利要求1所述的混合电源，其特征在于：

所述燃料电池是直接甲醇燃料电池。

5.如权利要求1所述的混合电源，其特征在于：

所述燃料电池是氢燃料电池。

6.如权利要求1所述的混合电源，其特征在于所述开关型DC/DC升压型转换器包含控制电路，所述控制电路具有：

串联且一端与所述开关型DC/DC升压型转换器的输出耦合的一对电阻器，所述一对电阻器的公共结点与所述开关型DC/DC升压型转换器的反馈输入耦合，以将所述固定输出电压调整到小于所述可充电电池的完全充电电压，所述一对电阻器的另一端与地耦合。

7.如权利要求1所述的混合电源，其特征在于：

所述可充电电池是锂离子或锂聚合物可充电电池。

8.如权利要求6所述的混合电源，其特征在于所述控制电路包含：

具有一对电阻器以提供一次电流传感电阻器的运算放大器。

9.如权利要求8所述的混合电源，其特征在于：

所述开关型DC/DC升压型转换器进一步构成为提供比所述可充电电池的完全充电电压低的固定输出电压。

10.如权利要求1所述的混合电源，其特征在于：

所述开关型DC/DC升压型转换器输送对应于所述可充电电池的90％电压的输出电压。

11.一种混合电源，包括：

燃料电池；

从所述燃料电池接收能量且被配置为向可充电电池输送能量的开关型DC/DC升压型转换器；

包括一次电流传感比较器的控制电路，控制所述开关型DC/DC升压型转换器的工作，以在所述混合电源的所述燃料电池侧提供恒定电流放电。

12.如权利要求11所述的混合电源，其中，

所述一次电流传感比较器取出等于从燃料电池取出的电流的最佳值的恒定电流以使燃料效率最大化。

13.如权利要求11所述的混合电源，其特征在于：

所述混合电源构成为使得所述燃料电池提供大于特定应用所期望的平均功率消耗，并且所述可充电电池提供峰值功率需求。

14.如权利要求13所述的混合电源，其特征在于：

所述可充电电池是锂离子或锂聚合物可充电电池。

15.如权利要求11所述的混合电源，其特征在于：

所述开关型DC/DC升压型转换器输送对应于所述可充电电池的90％电压的输出电压。

16.一种方法，包括以下步骤：

以低于可充电电池的完全充电电压的固定电压，通过开关型DC/DC升压型转换器从燃料电池向所述可充电电池输送能量，使得所述开关型DC/DC升压型转换器从所述燃料电池取出恒定电流，以使所述燃料电池以最大效率工作；以及

检测跨过所述燃料电池的电压，以在所述燃料电池的所述电压值低于阈值时，使所述可充电电池向所述燃料电池供给再生电流。

17.如权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：

控制用于检测燃料电池电流并控制所述开关型DC/DC升压型转换器的工作的电路，以从所述燃料电池侧提供恒定电流放电；和

从所述可充电电池向器件输送能量。

18.如权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：

提供燃料电池互连，该燃料电池互连允许用户热换入新的燃料盒，以在向器件输送能量时向所述燃料电池供给燃料。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于：

所述可充电电池是锂离子或锂聚合物可充电电池。

20.如权利要求16所述的方法，其特征在于：

所述开关型DC/DC升压型转换器输送对应于所述可充电电池的90％电压的输出电压。

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