CN101056005B - 混合电源装置 - Google Patents

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Abstract

一种混合电源装置，包括：燃料电池；蓄电设备，其经由开关与所述燃料电池并联连接；及控制电路，通过控制所述开关的接通/断开，控制所述燃料电池和所述蓄电设备的输出端子之间的连接状态。所述控制电路，基于所述燃料电池的输出电流控制所述连接状态，在将所述输出端子间连接的状态下，所述燃料电池的输出电流为规定的下限电流以下时，切断所述输出端子间的连接。

Description

混合电源装置
技术领域
本发明涉及将燃料电池和二次电池等蓄电设备一起使用的混合电源装置。
背景技术
在将燃料电池和二次电池一起使用的混合电源装置中，通常，在燃料电池和二次电池之间为了保护燃料电池，设置作为防止逆流电路的二极管。但是设置二极管时，当然在二极管中消耗无用的功率，妨碍电源装置的高效率化。
考虑上述问题，现有以下方案：将燃料电池通过开关与二次电池并联连接。这种构成记载于日本国特开2004-342551号公报和日本国特开平8-163711号公报等文献中。通过将燃料电池经开关与二次电池并联连接，可以削减二极管中的消耗功率，同时可以抑制燃料电池的输出电压降低二极管中的压降大小。
导致燃料电池在不稳定的工作区域工作和特性恶化等。因此，在将燃料电池通过开关与二次电池并联连接的情况下，也需要防止燃料电池在不稳定的工作区域内工作的技术。
专利文献1：日本国特开2004-342551号公报；
专利文献2：日本国特开平8-163711号公报。
发明内容
本发明方案一的混合电源装置，其特征在于，包括：燃料电池；蓄电设备，其经由开关与所述燃料电池并联连接；及控制电路，通过所述开关的接通/断开控制，控制所述燃料电池和所述蓄电设备的输出端子之间的连接状态，所述控制电路，基于所述燃料电池的输出电流控制所述连接状态，在将所述输出端子间连接的状态下，所述燃料电池的输出电流为规定的下限电流以下时，判断为所述燃料电池的燃料浓度为下限浓度以下，切断所述输出端子间的连接。
另外，混合电源装置，还包括例如电压检测器，其检测所述蓄电设备的输出电压，所述下限电流，根据检测出的所述蓄电设备的输出电压而变化。
另外，混合电源装置，还包括例如补充检测部，其用于检测对所述燃料电池是否补充燃料，所述控制电路，在由于所述燃料电池的输出电流为所述下限电流以下而切断所述输出端子间的连接之后，检测到补充所述燃料时，恢复所述输出端子间的连接。
另外例如，该混合电源装置构成为，所述燃料电池和所述燃料电池的燃料构成的燃料电池单元可以更换，该混合电源装置具备更换检测部，该更换检测部用于检测所述燃料电池单元是否更换，所述控制电路，在所述燃料电池的输出电流变为所述下限电流以下而切断所述输出端子间的连接之后，在检测到所述燃料电池单元的更换时，恢复所述输出端子间的连接。
此外例如，所述混合电源装置还具备电压检测器，该电压检测器检测所述蓄电设备的输出电压，所述控制电路，在所述输出端子间连接的状态下检测到的所述输出电压达到规定的第一电压以上时，切断所述输出端子间的连接。
此外例如，该混合电源装置还具备电压检测器，该电压检测器检测所述蓄电设备的输出电压，所述控制电路，在所述输出端子间连接的状态下检测到的所述输出电压达到规定的第一电压以上时，切断所述输出端子间的连接，然后，检测到的所述输出电压达到比所述第一电压小的规定的第二电压以下时，恢复所述输出端子间的连接。
本发明相关的第二混合电源装置，包括：燃料电池；蓄电设备，其通过开关与所述燃料电池并联连接；控制电路，其通过控制开关的接通/断开，控制所述燃料电池和所述蓄电设备的输出端子间的连接状态；及电压检测器，其检测所述蓄电设备的输出电压，所述控制电路，在所述输出端子间连接的状态下检测到的所述输出电压达到规定的第一电压以上时，切断所述输出端子间的连接，然后，在检测到的所述输出电压达到比所述第一电压小的规定的第二电压以下时，恢复所述输出端子间的连接。
附图说明：
图1是本发明的实施方式相关的混合电源装置(电源装置)的方框构成图。
图2是构成图1的燃料电池的一个基本单位电池的概略构成图。
图3是表示图1的燃料电池的输出特性的图。
图4是表示图1的燃料电池的稳定工作区域和不稳定工作区域的图。
图5是表示随着燃料浓度的变化，图1的燃料电池的输出特性变化的图。
图6是用于说明图1的控制电路的工作的图。
图7是表示图2的燃料盒更换的情况的概略图。
图8是表示图1的控制电路的内部构成例的图。
图9是用于说明图1的控制电路的工作的图。
图10是表示图1的控制电路的内部构成例的图。
图11是用于说明恢复图1的燃料电池的燃料浓度的方法的图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式，参照附图进行具体地说明。在各个附图中，对于同一部件赋予同一符号。图1表示本发明的实施方式相关的混合电源装置1(以下简单地称为“电源装置1”)的方框构成图。
电源装置1包括：燃料电池2；作为蓄电设备的二次电池3；控制电路4；电流检测器5；开关6；电压检测器7；及补充/更换检测电路8。在电源装置1中连接有负载9。
燃料电池2，是以甲醇作为直接燃料进行发电的直接甲醇型燃料电池。但是，作为燃料电池2也可以采用直接甲醇型的燃料电池以外的燃料电池。
燃料电池2，由多个基本单位电池串联连接构成。图2表示构成燃料电池2的一个基本单位电池的概略构成图。一个基本单位电池，包括：载置了用于促进甲醇氧化的电极催化剂的燃料极21；载置了用于促进氧的还原反应的电极催化剂的空气极22；夹持在燃料极21和空气极22之间的固体高分子电解质膜23。
燃料盒20中，蓄积用水稀释后的作为燃料的甲醇。燃料盒20内的甲醇直接被供给燃料极21。空气极22与空气接触。
燃料极21中，甲醇与水反应变为二氧化碳、氢离子、电子(CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-)。氢离子通过固体高分子电解质膜23达到空气极22，电子通过外部电路(负载等)达到空气极22。在空气极22，氢离子和空气中的氧相遇，经过从电极表面夺取电子的反应而变为水(3/2·O2+6H++6e-→3H2O)。另外，在燃料极21所产生二氧化碳和空气极22所产生的水，经过图中未示出的排出孔排到外部。
通过将图2的基本单位电池串联连接构成电池组，形成燃料电池2。最低电压侧的基本单位电池的负极(燃料极21)与具有基准电位(0V)的地线GND连接。最高电压侧的基本单位电池的正极(空气极22)的电压作为燃料电池2的输出电压输出到负载9侧。以下，称燃料电池2的输出电压为电压VFC，燃料电池2的输出电流为电流IFC。
呈现电压VFC的燃料电池2的正侧输出端子2a，通过电流检测器5与开关6的一端连接。开关6的另一端与二次电池3的正侧的输出端子(正极)3a连接，并且与负载9连接。二次电池3的负侧的输出端子(负极)与地线GND连接。
电流检测器5，检测电流IFC的电流值。将电流IFC(严格地说是电流IFC的电流值)的检测结果，发送到控制电路4。电压检测器7检测二次电池3的输出电压(以下称为电压VD)的电压值。将电压VB(严格地说是电压VB的电压值)的检测结果发送到控制电路4。
对于补充/更换检测电路8的检测内容在后面进行叙述。控制电路4，根据电流IFC的检测结果、电压VB的检测结果、补充/更换检测电路8的检测结果，控制开关6的导通。
开关6例如由FET(Field Effect Transistor)构成，一方的导通电极(例如漏极)通过电流检测器5与燃料电池2的输出端子2a连接，另一方的导通电极(例如源极)与二次电池3的输出端子3a连接。而且，开关6在控制电路4的控制下，使输出端子2a和输出端子3a之间导通(连接)，或，切断输出端子2a和输出端子3a之间的导通(不连接)。以下，使输出端子2a和输出端子3a之间导通的开关6的状态称为“导通”，切断其间的导通的开关6的状态称为“断开”。
二次电池3具体为如锂离子二次电池。但是，也可以采用除此之外的任意的二次电池作为二次电池3。
在开关6导通时，电压VFC和电压VB必然相等。因此，需要使燃料电池2的开路输出电压达到电压VB以上。优选，在燃料电池2的期望的工作点，以电压VFC与电压VB相等的方式(或大致相当的方式)决定构成燃料电池2的基本单位电池的串联数目即可。例如，在每个基本单位电池的发生电压为0.4V时，因为锂离子二次电池的输出电压是4V左右，所以理想地将基本单位电池串联数目设为10。
负载9，例如是便携电话机或便携信息终端等便携机器等。也可以认为将负载9和电源装置1合并后的机器是便携机器。在开关6导通时，燃料电池2和二次电池3协调动作对负载9供电，在开关6断开时，由二次电池3单独对负载9供电。
另外，通常在使用燃料电池和二次电池的混合电源装置中，燃料电池和二次电池中任一方为主另一方为从，驱动负载。在图1的电源装置1中，可以按照负载9任意地变更燃料电池2和二次电池3之间的主从关系。
图3表示燃料电池2的输出特性。曲线61表示在某燃料浓度条件下电流IFC和电压VFC之间的关系。曲线62表示在某燃料浓度条件下电流IFC和燃料电池2的输出功率PFC之间的关系。在本实施方式中，所谓燃料浓度，表示供给到燃料电池2的燃料极21的燃料的浓度。
由曲线61可知，在同一燃料浓度下，如果电流IFC增加则电压VFC减少。另一方面，由曲线62可知，在同一燃料浓度下，如果电流IFC增加则输出功率PFC增大。但是，在某个电流IFC中，输出功率PFC取极大值，进而增加电流IFC时，输出功率PFC急剧降低。
在开关6接通的状态下(即，VFC＝VB状态)下，二次电池3的容量减少电压VB比较低时，燃料电池2的输出功率PFC变为比较大(参照图3的符号63和64)，在二次电池3的容量大电压VB比较高时，燃料电池2的输出功率PFC变得比较小(参照图3的符号65和66)。如此，不必存在DC/DC变换器等，如图1所示如果将燃料电池2和二次电池3直接连接，则无需特别的控制，从燃料电池2得到合理的输出。
但是，在使用燃料电池2时，需要使燃料电池2在不稳定的区域不工作。图4表示燃料电池2的稳定工作区域67和不稳定工作区域68。存在随着电流IFC的增加、输出功率PFC急剧减少的工作区域(参照图3)，该工作区域与不稳定工作区域68对应。
燃料电池2在不稳定的工作区域68工作时，促使各个基本单位电池中的性能恶化，并且在将基本单位电池串联连接的情况下，各个基本单位电池的发生电压存在偏差，有时也会产生极性反转(电位反转)。因此，电源装置1中，为了使燃料电池2不在不稳定的区域68中工作，需要进行适当的控制。
图5的曲线61、71和73，分别表示燃料浓度为D1、D2和D3的情况下，电流IFC、电压VFC之间的关系。这里，不等式：设“D1＞D2＞D3”成立。
自图5可知，在电压VFC维持为一定的状态下，随着燃料电池2的发电燃料浓度降低时，电流IFC降低。另一方面，在将开关6导通的状态下，电压VFC自动地与电压VB相同。因此，如果许可电流IFC无条件地减少，则燃料电池2的工作点有可能进入不稳定工作区域。
考虑上述情况，控制电路4，在开关6接通的状态下，在检测到的电流IFC(严格地说是电流IFC的电流值)在规定的下限电流ILL(严格地说是下限电流值ILL)以下时，将开关6断开，切断输出端子2a-3a之间的连接。
例如，考虑燃料电池2中的燃料浓度为D1或D2，且燃料电池2的工作点在图6的工作点75的情况。该工作点75，可以认为为电源装置1中的燃料电池2的通常工作点，工作点75在燃料电池的稳定工作区域内。随着发电燃料浓度下降到D3时，燃料电池2的工作点随着电流IFC的降低同时从工作点75过渡到下限工作点76。在该下限工作点76中，电流IFC和下限电流ILL一致。下限工作点76是稳定工作区域和不稳定工作区域(在图6中赋予符号77的区域)的边界附近的工作点。但是下限工作点76是燃料电池2的稳定工作区域内的工作点。
控制电路4，在电流IFC达到下限电流ILL以下时，判断为燃料浓度达到规定的下限浓度以下(或没有燃料)，断开开关6。由此，不必特别设置浓度传感器可以检测浓度降低(或燃料用尽)，对燃料电池2工作于不稳定的区域可以防患于未然。
下限电流ILL的值，例如为预先设定的一定值。二次电池3的电压VB以某种程度的宽度变动，也考虑该变动燃料电池2设定上述一定值，以使燃料电池2工作于稳定工作区域。
另外，也可以按照检测出的电压VB改变下限电流ILL的值。如果电压VFC(＝VB)降低则燃料电池2的工作点也以比较大的电流进入不稳定工作区域。因此，检测出的电压VB如果比较低，则下限电流ILL设定在比较大的值，检测出的电压VB如果比较高，则下限电流ILL设定在比较小的值。
接着，对电流IFC达到下限电流ILL以下而断开开关6之后的恢复动作进行说明。如上所述，电流IFC达到下限电流ILL以下时，可以判断为燃料浓度降低到下限浓度。因此，应该断开开关6直至确认燃料补充为止。
补充/更换检测输出电路8，检测对燃料电池2是否补充燃料。其检测结果，发送到控制电路4。在电流IFC达到下限电流ILL以下而断开开关6的状态下，表示“对燃料电池2补充燃料”的检测信号从补充/更换检测电路8发送到控制电路4时，控制电路4，使开关6导通，恢复输出端子2a-3a之间的连接。
换言之，维持输出端子2a-3a之间的持续断开直至燃料补充为止。因此，可以保护燃料电池2的安全。
图7是使用图1的电源装置1进行驱动的便携机器的一部分剖面图。该便携机器的壳体31中设置用于容纳燃料盒20的空间32。通过将燃料盒20收纳在该空间32中，燃料盒20内的燃料供给到燃料电池2的燃料极21。通过开关部8a和信号发生器8b构成补充/更换检测电路8。
例如，电流IFC达到下限电流ILL以下而断开开关6时，表示该状况的信息通过便携机器的显示部(未图示)中的显示等通知使用者。使用者，收到该通知时，从空间32取出使用的燃料盒20，将新的燃料盒20插入空间32。燃料盒20纳入空间32时，通过燃料盒20的前端对固定在空间32的端面的开关部8a施加压力，开关部8a的状态从断开转移为接通。与此同时(或大致同时)，燃料从重新收纳在空间32中的燃料盒20补充到燃料极21。
信号发生器8b，检测开关8a接通瞬间的边沿(edge)。信号发生器8b在检测到该边沿时，生成仅在一定时间电位为高电平的脉冲。该脉冲与表示“对燃料电池2补充燃料”的情况的上述检测信号相当，发送到控制电路4。另外，信号发生器8b的输出信号，通常维持在低电平。如上所述，通过构成补充/更换检测电路8，可以仅在更换燃料盒20时发生上述检测信号。
图8表示控制电路4的构成的一例。控制电路4具备图8的触发器(锁存电路)34。触发器34的复位端子(S)被施加信号发生器8b的输出信号。触发器34的复位端子(R)被施加与电流检测器5的检测结果相应的信号。通常，低电平信号供给到复位端子(R)，在IFC≤ILL时，将仅一定时间为高电平的信号供给到复位端子(R)。
置位端子(S)被施加高电平信号时，来自触发器34的输出端子(Q)的输出信号为高电平。该输出信号的高电平，维持到下一次对复位端子(R)施加高电平信号为止。复位端子(R)被施加高电平信号时，来自触发器34的输出端子(Q)的输出信号为低电平。该输出信号中的低电平，维持到下一次对置位端子(S)施加高电平信号为止。来自触发器34的输出端子(Q)的输出信号，作为用于控制开关6的接通/断开的信号，被供给到开关6(例如FET)的驱动器(例如FET驱动器)。
来自输出端子(Q)的输出信号为高电平时，开关6接通，来自输出端子(Q)的输出信号为低电平时，开关6断开(其中，也存在例外。关于例外参照图10在后面进行说明)。
另外，在电源装置1内或使用电源装置1驱动的便携机器中也可以预先设置确认开关等(未图示)。此时，通过该确认开关构成补充/更换检测电路8。使用者，在更换燃料盒20时，对上述开关实施规定的操作。根据按照该操作所产生的信号，控制电路4确认“对燃料电池2补充燃料”，开关6的状态从断开转变为接通。
另外，在将开关6接通时，根据负载9的大小，用燃料电池2对二次电池3进行充电。另一方面，需要对二次电池3过充电进行保护。因此，控制电路4在开关6接通的状态下，电压VB达到规定的上限电压V1(例如4.1V)以上时(严格地说是电压VB的电压值达到规定的上限电压值V1时)，使开关6断开，保护二次电池3过充电。
另外，二次电池3(例如，锂离子二次电池)，在满充电附近重复充放电，及具有降低寿命的特性。考虑该问题，如图9所示，在电压VB达到上限电压V1以上而使开关6断开之后，控制电路4维持开关6的断开直至电压VB达到下限电压V2(例如3.8V)以下为止(严格地说是电压VB的电压值达到下限电压值V2以下为止)。而且，在电压VB达到下限电压V2以下的时刻，将开关6从断开切换为接通。由此，重新开始燃料电池2对二次电池3的充电。开关6的接通状态，维持到下一次电压VB达到上限电压V1以上为止。另外，V1＞V2成立。
如上所述，通过使二次电池3的充电控制存在迟滞，降低在满充电附近的充放电的重复频度，因此实现二次电池3的长寿命。另外，电压VB降低时，自动地将开关6接通，因此电源装置1可以供给稳定的功率。
图10表示了附加按照电压VB控制开关6接通/断开的控制电路4的构成例。迟滞电路35，按照电压VB，在开关6应该接通的状态下，输出高电平的输出信号，另一方面，在开关6应该断开的状态下，输出低电平的输出信号。与电路36，仅在触发器34的输出端子(Q)的输出信号和迟滞电路35的输出信号二者为高电平时，控制开关6(例如FET)的驱动器(例如FET驱动器)，以使开关6接通。来自触发器34的输出端子(Q)的输出信号和来自迟滞电路35的输出信号至少一方为低电平时，使开关6断开。
(变形例等)
另外，以上机构中，将燃料盒20制成相对于燃料电池2拆卸安装自如，在燃料浓度降低时更换燃料盒20。但是，只要能恢复燃料浓度，还可以采用各种其他的方法。
例如，也可以将燃料盒和燃料电池(燃料电池本体)做成一体，构成一个燃料电池单元，在燃料浓度降低时更换燃料电池单元整体。此时，燃料电池单元(以下称为燃料电池单元40)，包括：由图2的燃料极21、空气极22和固体高分子电解质膜23构成的燃料电池2(燃料电池本体)；和燃料盒20。
而且，如图11所示，燃料电池单元40整体对于壳体31的空间32可以拆卸安装自如。通过将燃料电池单元40收纳在该空间32中，燃料电池单元40的燃料电池2处于可发电状态，并且燃料电池单元40的燃料电池2，如上所述(参照图1)，电连接在地线GND和开关6之间。
例如，电流IFC处于下限电流ILL以下而断开开关6时，将表示该情况的信息，通过便携机器的显示部(未图示)中的显示等通知使用者。使用者接收到该通知时，从空间32取出使用的燃料电池单元40，将新的燃料电池单元40插入到空间32。燃料电池单元40纳入空间32中时，通过燃料电池单元40的前端对固定在空间32的端面的开关部8a施加压力，开关部8a的状态从断开转变为接通。与此同时(或大致同时)，重新纳入空间32中的燃料电池单元40处于可以发电状态。
控制电路4，经由开关部8a和信号发生器8b，确认燃料电池单元40被更换时，使开关6的状态从断开变为接通。另外，可以预先设置上述的确认开关(未图示)。使用者，在更换燃料电池单元40时，对上述确认开关实施规定的操作。按照该操作根据发生的信号，控制电路4确认“燃料电池单元40被更换了”，将开关6的状态从断开转变为接通。
另外，例举了二次电池作为与燃料电池并联连接的蓄电设备，但是也可以采用电容器作为蓄电设备。

Claims (6)

1.一种混合电源装置，其特征在于，包括：
燃料电池；
蓄电设备，其经由开关与所述燃料电池并联连接；及
控制电路，通过控制所述开关的接通/断开，控制所述燃料电池和所述蓄电设备的输出端子之间的连接状态，
所述控制电路，基于所述燃料电池的输出电流控制所述连接状态，在将所述输出端子间连接的状态下，所述燃料电池的输出电流为规定的下限电流以下时，判断为所述燃料电池的燃料浓度为下限浓度以下，切断所述输出端子间的连接。
2.根据权利要求1所述的混合电源装置，其特征在于，
还包括电压检测器，其检测所述蓄电设备的输出电压，
所述下限电流，根据检测出的所述蓄电设备的输出电压而变化。
3.根据权利要求1所述的混合电源装置，其特征在于，
还包括：
补充检测部，其用于检测对所述燃料电池是否补充燃料，
所述控制电路，在由于所述燃料电池的输出电流为所述下限电流以下而切断所述输出端子间的连接之后，检测到补充所述燃料时，恢复所述输出端子间的连接。
4.根据权利要求1所述的混合电源装置，其特征在于，
该混合电源装置被构成为：由所述燃料电池和所述燃料电池的燃料所构成的燃料电池单元可以更换，
该混合电源装置具备更换检测部，该更换检测部用于检测所述燃料电池单元是否被更换，
所述控制电路，在由于所述燃料电池的输出电流变为所述下限电流以下而切断所述输出端子间的连接之后，在检测到所述燃料电池单元的更换时，恢复所述输出端子间的连接。
5.根据权利要求1所述的混合电源装置，其特征在于，
所述混合电源装置还具备电压检测器，该电压检测器检测所述蓄电设备的输出电压，
所述控制电路，在所述输出端子间连接的状态下检测到的所述输出电压达到规定的第一电压以上时，切断所述输出端子间的连接。
6.根据权利要求1所述的混合电源装置，其特征在于，
还具备电压检测器，该电压检测器检测所述蓄电设备的输出电压，
所述控制电路，在所述输出端子间连接的状态下检测到的所述输出电压达到规定的第一电压以上时，切断所述输出端子间的连接，然后，检测到的所述输出电压达到比所述第一电压小的规定的第二电压以下时，恢复所述输出端子间的连接。
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