CN101051695A - 燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

如果用恒定电流控制或恒定功率控制连续地运转燃料电池，则可看到电压逐渐地下降的现象，结果存在输出特性下降这样的课题。本发明的目的在于提出可恢复燃料电池的输出特性的电源装置及其控制方法。本发明是具备至少2种电源即燃料电池和辅助电源并对装置供电的电源装置的控制方法，其特征在于：通过使上述燃料电池电压上升以使上述燃料电池特性恢复。

Description

燃料电池装置
技术领域
本发明涉及使用了燃料电池的电源装置及其控制方法。
背景技术
随着近年的电子技术的进步，便携式电话机、笔记本PC、视听装置或可移动终端设备等便携式电子设备的普及快速地得到了进展。这样的便携式电子设备是利用二次电池驱动的系统，随着新型二次电池的出现、小型轻量化和高能量密度化，从密封铅电池发展到Ni/Cd电池、Ni氢电池、进而是Li离子电池。在任一种二次电池中为了提高能量密度，都进行了电池活性物质的开发或高容量电池结构的开发，都付出了实现使用时间更长的电源的努力。
但是，虽然在便携式电子设备中对各个功能进行了朝向进一步的低功耗化的努力，但今后由于用户需求的提高而有必要附加新的功能，故预期便携式装置整体的功耗存在增加的趋势。因此，就朝向必须有更高密度的电源、即连续使用时间长的电源的方向发展。
在二次电池中实现上述那样的连续使用时间长的电源的情况下，其充电时间长成为问题。因此，不需要充电的小型发电机的必要性提高了，作为其解决对策，可考虑燃料电池电源。关于燃料电池，一般已知进行改质等将氢作为燃料使用的类型。这些类型的工作温度主要在80度以上，而即使在室温下也能工作的燃料电池中，有在燃料极中直接氧化液体燃料的类型，在代表性的类型中，可举出直接氧化甲醇的类型的燃料电池(DMFC：直接甲醇燃料电池)。关于DMFC，主要关于温度的安全性高，故已知应用于便携式用途的装置的例子(专利文献1)。
【专利文献1】特开2002-32154号公报
如果用恒定电流控制或恒定功率控制连续地运转燃料电池，则可看到电压逐渐地下降的现象，结果存在输出特性下降这样的课题。
发明内容
本发明的目的在于提出可恢复燃料电池的输出特性的电源装置及其控制方法。
具备至少2种电源即燃料电池和辅助电源，并对装置供电的电源装置的控制方法，其特征在于：通过使上述燃料电池电压上升以使上述燃料电池特性恢复。
按照本发明，可实现因连续运转而下降了的燃料电池的输出特性恢复。
附图说明
图1是一实施例有关的结构。
图2是说明通过进行DMFC的电压上升恢复了输出特性的情况的图。
图3是表示了DMFC的空气极与障碍物的距离与DMFC的输出的关系的图。
图4是说明一实施例的控制的流程图。
图5是说明一实施例的控制的流程图。
图6是说明一实施例的控制的流程图。
图7是说明一实施例的控制的流程图。
图8是在便携式电话上安装了燃料电池的情况的外观图的一例。
图9是在便携式电话上安装了燃料电池的情况的结构的一例。
图10是在便携式电话上安装了燃料电池的情况的外观图的一例。
图11是在便携式电话上安装了燃料电池的情况的结构的一例。
图12是一实施例中的结构图。
图13是表示了一实施例中的结构的细节的图。
图14是说明一实施例的控制的流程图。
图15是说明一实施例的控制的流程图。
图16是说明一实施例的控制的流程图。
图17是说明一实施例的电源装置的图。
图18是说明一实施例的电源装置的图。
图19是说明实施例1中的限制控制与DMFC特性的关系的图。
图20是一实施例的控制IC的功能图。
具体实施方式
本实施形态中说明的DMFC通过对燃料极(负极)供给甲醇水溶液、对空气极(正极)供给氧(空气)而发电。将控制泵、风扇那样的装置以供给甲醇水溶液和氧(空气)中的至少一方的方式称为有源方式。此外，将不使用上述的那样的装置而是利用自然扩散等供给的方式称为无源方式。关于有源方式，为了消除发电能力的下降的主要原因，通过用泵、风扇等注入甲醇水溶液、空气，进行强制性地使附着于电极上的气泡或水滴流失、除去的处理。
随着连续运转电压逐渐地下降的现象可认为是由于电极中的CO或过氧化氢的发生而引起的，可认为会影响燃料电池的寿命。
而且，上述的电压下降产生使DMFC的电压转变极性等的不良影响，如果电压极度地下降，则可认为寿命也下降。
按照以下的实施例，可实现DMFC的长寿命化，可在比以往长的时间内连续地使用电子设备。此外，按照与本实施例有关的电源装置，利用燃料电池的高输出化可实现DMFC的发电面积和/或辅助的蓄电器的小型化，于是也可实现电子设备的小型化。
以下，使用图说明本发明的电源装置及其控制方法的实施例。
【实施例1】
以下叙述本实施例的控制方法。
在发电中的电压下降的主要原因中，有电极催化剂的中毒(CO、过氧化氢等)、因反应生成物(燃料极的二氧化碳、空气极的水)引起的供给的阻碍、空气极的堵塞、燃料中断这样的原因。
首先，可认为因电极的中毒引起的DMFC的输出特性的下降主要由于DMFC的阴极(空气极)电位的下降而发生的。试验了在恒定功率负载的条件下通过减小从电压下降了的DMFC取出的电流值以降低负载功率、通过使DMFC的电压一度上升(恢复)来除区电极的中毒。在该操作后，再次使负载功率与电压下降时相同，结果，如图2中所示，未看到DMFC的输出电压下降到与操作前同样的水准，可知输出特性恢复了。
在产生因反应生成物导致的供给的阻碍为原因的DMFC的输出特性的下降的情况下，可看到DMFC电压急剧地下降的现象。由于反应生成物量与DMFC电流成比例，故利用DMFC电流的下降可防止恶化，利用二氧化碳、水的自然扩散，特性得到恢复。
空气极的堵塞为原因的情况与上述反应生成物的情况类似，但可确认特性随堵塞的情况而变化。在本原因的情况下，不能实现通过控制DMFC的恢复，必须采用减小DMFC输出的方法以免转移到空气极的水蒸气液化了的状态。
在燃料中断为原因的情况下，在DMFC燃料极的燃料下降到一定的浓度时，因DMFC的开放电压的减少，输出下降。在本原因的情况下，不能实现通过控制DMFC的恢复，必须采用停止来自DMFC的负载控制的对策。
根据以上所述，以下划分DMFC输出特性下降的主要原因，叙述用于使特性恢复的方法和结构的细节。
在图1中表示与本实施例有关的结构。若大体上划分本实施例的结构，具备燃料电池1、作为蓄电单元的Li系列二次电池50、DC/DC变换器5和判别控制单元3。以下叙述各自的细节。
在本实施例中，使用了Li后备电池作为蓄电单元，但如图1中所示，可适用于用1个单元驱动了Li电池、用2个单元驱了NiMH的装置(例如，便携式电话、PDA、数码相机、多媒体播放器等)。此外，在Li电池为多个单元的应用的情况(例如，笔记本PC等)下，用与应用相符的单元数构成Li电池即可。当然，也可使用电双电层电容器作为代替Li后备电池50的蓄电单元。如图1中所示，通过设置蓄电单元，在负载的要求功率比从燃料电池1取出的最大功率大的情况下可提供不足部分的功率。例如，可考虑燃料电池的暂时的状态恶化、负载的要求功率是便携式电话等的那样的脉冲负载的情况。再有，在脉冲负载多的应用的情况下，使用电双电层电容器那样放电特性优良的蓄电单元以改善效率是所希望的。
在本实施例中，设想了使用DMFC作为燃料电池1，但可使用其它的种类的燃料电池。此外，也可考虑DC/DC变换器5的效率来增减单元数。
DC/DC变换器5成为使用N沟道功率MOS FET和P沟道功率MOS FET的同步整流升压方式的升压变换器结构，当然，除了电双电层电容器2以外，也可设置平滑用的电容器。
DC/DC变换器驱动器6至少具有燃料电池电压限制端子(Vlim)、输出电压值取得用端子(F Bout)、输出电压值和电源取得用端子(Vout)、开关电流取得用端子(SENSE)、P沟道功率MOS FET控制端子(TG)、N沟道功率MOS FET控制端子(BG)、GND端子(GND)的合计7个端子。当然，除了上述的端子外，也可根据需要设置DC/DC变换器驱动器6的ON/OFF端子、环路补偿用的端子等。
在图20中表示DC/DC变换器驱动器6的功能图的一例。
本结构的第1特征在于Vlim的处理的部分。由于本结构为升压型的结构，故微小的恒定电流Ilin从Vout通过恒定电流电路到达Vlim端子。具备与Vout-Vlin的电压值成比例地进行占空因数的限制的功能和若Vlin小于等于某恒定电压则完全停止PWM开关工作的功能。通过在本结构中安装上述功能，如果将上述完全停止的电压定为Vstop，则通过Vstop＝Ilin×Rin+Vin并通过将Vin设置于燃料电池1的最大功率点电压，能可靠地限制于至最大功率点的电流范围内。此外，在燃料电池1的电压Vin因燃料中断、氧不足等比Vstop低的情况下，也能完全地停止开关工作。在图19中表示DMFC特性与上述限制的关系。在DMFC特性与上述限制值的交点处进行实际的开关工作，可防止电压进一步下降。此外，在DMFC特性不成为图19的那样的特性、DMFC电压小于等于上述限制电压时，停止开关工作。
如果控制成在DMFC的电压小于等于规定的电压的情况下使DMFC的电压恢复，则可保持大于等于规定的电压来运转DMFC。作为规定的电压，可任意地选择，但通过定为除了燃料电池的电流0附近的范围的上述燃料电池的输出电压特性相对于输出电流的斜率的延长线与输出电流0的轴相交的值的电压值(图19的E)，对于低的电流值可得到高的电压值，为了延长燃料电池的寿命是有效的。
本结构的第2特征在于F Bout的处理的部分。是与一般的DC/DC变换器的输出电压反馈同样的结构。在输出功率＜＜燃料电池最大功率的情况下，输出电压成为恒定控制，与一般的DC/DC变换器无特别的不同。在输出功率在一定程度以上接近于燃料电池的最大功率(输出功率＜燃料电池最大功率)的情况下，成为进行PWM的占空因数的限制的控制。在输出功率≥燃料电池功率的情况下，利用在上述输出端设置了的蓄电单元进行不足部分的输出，根据蓄电单元的充电状态也决定输出电压。于是，该情况的控制成为以PWM的占空因数限制的最大值继续工作而下降的状态。
其次，使用图1和图4、图5、图6、图7的流程图说明判别控制单元3的工作。
首先，如图4中所示，通过将Vlim2定为LOW(低值)，停止DC/DC变换器5的工作，用V_DMFC测定燃料电池1的电压。在开放电压不充分的情况下，判断为燃料中断，用LED通知用户，进入睡眠模式。在不是燃料中断的情况下，使Vlim2成为输入端子(电阻大)，以用Rin进行限制的工作使DC/DC变换器5工作。再有，此时OUTPUT_SW定为进行了来自OFF(关断)了的原有状态的Li后备电池50一侧的逆流防止的状态。
其次，如图5中所示，在使判别控制单元3成为睡眠模式使其进行了一定时间的待机后判定限制了的DC/DC变换器5的工作中的燃料电池1的电压。如果此时燃料电池1的电压小于等于下限电压，则判别为燃料中断、空气极堵塞、因生成物引起的阻碍中的某一种，将Vlim2定为LOW(低值)，停止输出。如果燃料电池1的电压大于等于一定值，则将Vlim2定为HIGH(高值)，取消输出限制，将OUTPUT_SW也定为ON(接通)，使其工作。在不是以上的任何一种情况下，如图6中所示，在Vlim2受到限制的原有状态下将OUTPUT_SW定为ON(接通)，利用判别控制单元3的睡眠功能，使其在一定时间内工作。
在以上的工作之后未成为输出停止的情况下，如图7中所示，将Vlim2定为LOW(低值)，停止DC/DC变换器5的工作，通过使燃料电池1的电压恢复，进入使输出特性恢复的工作。
通过进行以上的控制，可根据上述的课题分别来解决。此外，在本实施例中，即使在正常工作时也在一定时间后进入使燃料电池1的电压恢复的工作，但也可省略本工作，设定成只在检测出燃料电池的下限电压时进入燃料电池1的输出特性的恢复工作。
【实施例2】
在图12中表示在充电器型中使用了使燃料电池1的电压上升以使输出特性恢复的控制。在本实施例中，其特征在于：在上述电压上升时进行从燃料电池1对电双电层电容器2的充电。以下叙述细节。
本实施例的结构具备燃料电池1和电双电层电容器(EDLC)2这2个电源。在本实施例中，使用燃料电池1作为高能量密度的电源，使用电双电层电容器2作为高功率密度的电源。为了结构的简化，希望燃料电池1是直接甲醇型燃料电池(DMFC)。此外，在图12中，将电双电层电容器2作成1个串联来使用，但从为了输出所必要的燃料电池的串联单元数计算的最大电压最好不超过电双电层电容器2的耐压。从燃料电池的单个单元的最大电压(约1.2～0.8V)来考虑，对于1个电双电层电容器单元，设计为燃料电池2～4单元的范围是合适的。
在使用了以上的2个单元的电路部分中，具备：将上述2个电源电压变换为恒定的输出电压(Vout、GND间电压)的DC/DC变换器5；控制对负载的供给和切断的负载切断开关4；以及控制上述负载切断开关4的ON、OFF的判别控制单元3。在图13中表示DC/DC变换器5的一例。DC/DC变换器5使用绝缘性(正向、回授、推挽等)、斩波型的升压变换器这一点在降低上述2种电源的单元数方面是有效的，但当然根据负载电压也可使用降压型变换器或升降压型变换器。在图1中使用了N沟道功率MOS FET作为负载切断开关4，但也可通过在DC/DC变换器5的Vout一侧使用P沟道功率MOS FET来实现。也可使用其它的开关元件。
【实施例3】
使用图17、图18分别说明本电源装置的例子。
图17是对象装置是笔记本PC的情况的例子。电源装置与作为对象装置的笔记本PC用的AC适配器互换。作为对负载的连接端子的图13中的V+和V-成为可连接到笔记本PC的AC适配器上的结构，在V+和V-之间利用DC/DC变换器5输出与AC适配器互换的电压(16V、19V、20V等)。
图18是在对象装置上安装了的电池是以便携式电话、PDA、MOS播放器、便携式型多媒体、播放器等为代表的1个单元的Li系列二次电池情况的例子。此外，如图18中所示，通过将电源装置一侧的端子定为USB端子等的共同端子，作成可根据对象装置来变更连接软线的结构。在作为对负载的连接端子的图12中的V+和V-之间利用DC/DC变换器5输出作为与USB互换的电压的5V。当然，不仅可作为电源插座来利用，也可利用USB端子将燃料剩余量、电源装置代码等的电源装置一侧各种信息发送到便携式装置一侧。
其次说明控制单元和控制方法。
作为判别控制单元3，使用单片微机、专用IC、比较器等。判别控制单元3具备A/D端子、输入输出端子。作为输入信号，有电双电层电容器2的电压信息、各种状态判别信号等，作为输出信号，有对负载切断开关4的ON/OFF控制信号和DC/DC变换器的ON/OFF控制信号等。
关于电源装置10的起动，虽然在图中未表示，但是在具备用户控制装置的ON/OFF并可用判别控制单元3检测该状态的主开关、用判别控制单元3检测由用户进行的燃料或燃料座的调换、利用用户的燃料调换直接对燃料电池1供给燃料的结构的情况下，可以通过用判别控制单元3的输入端子或A/D端子检测燃料电池1的电压上升等来实现。
使用图14、图15、图16说明判别控制单元3的正常工作。
首先，如图16中所示，通过判别控制单元3用A/D端口检测出了电双电层电容器2(EDLC)的电压大于等于设定上限电压的情况，转移到放电控制。判别控制单元3将负载切断开关4接通，开始对上述的对象装置的供电。在该状态下，在电源部分中燃料电池1与电双电层电容器2的电位大致相同，成为可并列地供电的状态。在对象装置的要求功率比燃料电池1的供给功率大的情况下，燃料电池1和电双电层电容器2的电压伴随放电时间的经过而下降。
其次，通过判别控制单元3用A/D端口检测出了电双电层电容器2的电压小于等于设定下限电压的情况，转移到充电控制。判别控制单元3将负载切断开关4关断，切断对对象装置的供电，使DC/DC变换器5关断。在该状态下，在电源部分中成为从燃料电池1对电双电层电容器2的充电工作，电双电层电容器2的电压伴随充电时间的经过而上升。其后，如果电双电层电容器2的电压大于等于设定上限电压，则成为上述的控制方法，以后重复该例行工作。
利用以上的例行工作的重复，正像由用户从对象装置一侧识别AC适配器被拔出、插入，进行与其对应的转换工作。因此，进行上述的例行工作成为充分地长的时间(例如大于等于5秒等)的控制程序或电双电层电容器电容的选定，以免对对象装置颤动地高速地输入AC适配器的接通脱离信号而引起异常工作。
以上举出了2个实施例，但当然可根据用途将在上述实施例中记述了的内容组合起来使用。

Claims (15)

1.一种电源装置，其特征在于：
具有燃料电池和辅助电源，上述燃料电池在规定的恒定功率负载运转下在上述燃料电池的电压值下降到低于初期的电压值的情况下，减小从上述燃料电池取出的电流值以减小负载功率，使电压上升。
2.如权利要求1中所述的电源装置，其特征在于：
在电压值上升以后，使电流值增加。
3.一种电源装置，其特征在于：
在上述燃料电池的电压值小于等于规定的电压值的情况下，减小从上述燃料电池取出的电流值以减小负载功率。
4.如权利要求1中所述的电源装置，其特征在于：
每隔规定的时间减小从上述燃料电池取出的电流值以减小负载功率，使电压上升。
5.如权利要求1中所述的电源装置，其特征在于：
上述燃料电池是直接甲醇型燃料电池。
6.如权利要求1中所述的电源装置，其特征在于：
使用了Li系列二次电池作为上述辅助电源。
7.如权利要求1中所述的电源装置，其特征在于：
使用了电双电层电容器作为上述辅助电源。
8.一种电子设备，其特征在于：
安装了权利要求1中所述的电源装置。
9.一种具有燃料电池和辅助电源的电源装置的控制方法，其特征在于：
在规定的恒定功率负载运转下在上述燃料电池的电压值下降了的情况下，减小从上述燃料电池取出的电流值以减小负载功率，使电压上升。
10.一种控制方法，其特征在于：
上述电源装置在上述燃料电池电压小于等于规定的电压值的情况下，进行权利要求1中所述的控制方法。
11.一种控制方法，其特征在于：
上述电源装置每隔规定的时间进行权利要求1中所述的控制方法。
12.如权利要求3中所述的电源装置，其特征在于：
上述规定的电压值大于等于除了上述燃料电池的电流0附近的范围的上述燃料电池的输出电压特性相对于输出电流的斜率的延长线与输出电流0的轴相交的值的电压值。
13.如权利要求1中所述的电源装置，其特征在于：
上述辅助电源是二次电池，控制成在上述燃料电池的电压上升时从上述二次电池对装置放电。
14.如权利要求1中所述的电源装置，其特征在于：
上述辅助电源是电双电层电容器，在上述燃料电池的电压上升时，具有从上述燃料电池对上述电双电层电容器进行充电的期间。
15.如权利要求1中所述的电源装置，其特征在于：
具备可控制从上述电源装置对上述设备的供电的通电和切断的开关机构，通过控制上述开关机构，使上述燃料电池的电压上升。
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