专利名称：安装有使用燃料电池的电源装置的电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及安装有使用了燃料电池的电源装置的电子设备。
背景技术：
由于近年电子技术的进步，手机、笔记本电脑、视听设备，或者移动终端设备等便携电子设备迅速普及。这样的便携电子设备是用二次电池驱动的系统，随着新型二次电池的出现、小型轻量化以及高能量密度化，从密封铅酸蓄电池向Ni/Cd电池、Ni氢电池，进而向Li离子电池发展。无论在哪种二次电池中为了提高能量密度，都进行电池活性物质的开发和高容量电池结构的开发，努力实现使用时间更长久的电源。
但是，在便携电子设备中各个功能虽然在向进一步降低消耗电力的方向努力，但因为今后还需要迎合用户需求追加新的功能，所以预想便携设备总的消耗电力有增加的趋势。因此，会倾向于需要更高密度的电源，即连续使用时间长的电源。
为了确保使用者使用便携设备更长的时间，期待集中在安装有燃料电池的电源装置上。在上述的便携设备用的燃料电池中，直接甲醇型燃料电池(以下称为DMFC)因为可在室温下发电，所以看到了希望，和现有的二次电池不同，已瞄准通过用燃料盒等进行燃料补给而能够连续发电的方式。
而且，为了可靠地进行连续发电，需要调整甲醇的浓度。
日本特表2004-537150号公报如果进行使用了DMFC的电源装置的连续使用，则可在DMFC的发电部附近储存必要量燃料的保液机构(以下，称为发电部燃料箱)中的燃料浓度产生变化。DMFC的发电部如果接触的燃料的甲醇浓度偏离规定的范围，则输出将大幅度降低。
发明内容
本发明的目的在于通过控制发电燃料箱内的燃料浓度不偏离规定的范围，谋求电源装置输出的稳定。
一种电源装置，具有氧化燃料的阳极；还原氧的阴极；形成在上述阳极和上述阴极之间的具有固体高分子电解质膜的发电部；把上述燃料作为水溶液提供给阳极的发电部燃料箱；检测上述燃料相对上述水溶液的浓度的浓度检测单元。
通过检测燃料的浓度，能够进行燃料的浓度的控制，其结果，能够谋求电源装置输出的稳定化。
图1是在本发明中的第1实施例的构成。
图2是把本发明的构成应用到充电器时的外观图。
图3是把本发明的构成应用到手机用电池时的外观图。
图4是本发明中的第2实施例的构成。
图5是本发明中的第3实施例的构成。
图6表示在本发明的第1实施例中，起动后的各燃料箱的状态。
图7是把蓄电器连接在DC/DC变换器的输入一侧的例子。
图8是追加了保护电路的例子。
图9是把蓄电器连接在DC/DC变换器的输出一侧的例子。
图10是用另一DC/DC变换器控制DMFC和蓄电器的构成。
具体实施例方式
以下使用实施例和附图详细说明本发明的电源装置的构成及其控制方法。
(实施例1)用图1说明本发明的第1实施例。
本实施例的电源装置以DMFC5为中心构成，该DMFC5具备氧化甲醇的阳极1；还原氧的阴极2；用形成在上述阳极和上述阴极之间的由固体高分子电解质膜3构成的膜电极接合体(以下，称为MEA)、从MEA中取出电流的集电板(未图示)、压接MEA和集电板的端板(未图示)构成的发电部11；和与MEA的阳极一侧接触可保存甲醇水溶液的发电燃料箱4，包含辅助燃料箱8、控制系统14，其构成根据需要包含在以后说明的蓄电器、保护电路、DC/DC变换器。
构成是，燃料从可装卸的燃料盒6通过制止燃料向燃料盒6一侧漏出的燃料盒逆止阀7，临时存放在辅助燃料箱8中，提供给发电燃料箱4。在燃料盒6的内部配备活塞9，得到来自弹簧10的反作用力压出燃料。
有关电气系统的构成是，把阳极1和阴极2分别和控制系统14电气连接，向控制系统14输入发电燃料箱4的浓度信息。
下面说明控制机构，该控制机构用于调整浓度，使DMFC在连续使用时不偏离能够良好发电的范围。在不使用辅助设备的无源型DMFC中，因为不能主动地使燃料流动来调整浓度，所以必然需要和燃料流动不同的调整阳极附近的燃料浓度的机构，而且即使在使用了辅助设备的有源型DMFC中，该机构也是调整阳极附近的浓度的必要机构。
因为在本实施方式中的燃料使用甲醇水溶液，所以所谓燃料浓度是关于甲醇水溶液的甲醇浓度。发电燃料箱内的甲醇浓度变化存在4大原因。第一个是因伴随燃料电池发电的化学反应，燃料消耗引起的浓度变化，第二个是由甲醇以及水透过电解质膜达到阴极的渗透现象引起的浓度变化，第三个是由甲醇和水的挥发引起的浓度变化，第四个是因随着发电的化学反应产生的质子(H+)到达阴极时，由伴随着到达阴极的伴随水引起的浓度变化。
说明伴随发电反应的燃料消耗。
以下表示DMFC的化学反应式。
阳极
阴极理论上说，在发电燃料箱中的甲醇和水在1∶1的摩尔比下反应。按甲醇浓度来算是约64w％。
在渗透现象的情况下，甲醇以及水通过电解质膜从阳极一侧向阴极一侧移动。阳极的甲醇浓度越高，每单位时间的甲醇的渗透量越增加，当然，经过时间越长，甲醇的渗透量越增加。水的情况也一样。由渗透引起的甲醇的减少与阳极的甲醇浓度和时间成比例增多。这些值由MEA的物理参数决定。
如果发电燃料箱密闭则不会发生甲醇和水的挥发现象，而当密闭了发电燃料箱的情况下，因为伴随燃料电池的发电反应产生的二氧化碳蓄积在发电燃料箱内，二氧化碳的气泡覆盖阳极，所以致使发电停止。因而，在本实施方式中，取在发电燃料箱中设置气液分离孔(未图示)，从发电燃料箱中排除二氧化碳的结构。
在此，气液分离孔是具有使气体通过而截断液体的功能(气液分离功能)的孔，在本实施例中，在设置于发电燃料箱上的孔中设置多孔质材料，通过在该孔的内壁上实施防水处理实现气液分离功能。
通过该气液分离孔，甲醇和水挥发，使甲醇浓度变化。
如上所述，伴随水因为伴随质子脱离到阴极一侧而被消耗，所以其增减与电子(e-)的量即电流量和其时间成比例。
即，如果减小电流量，则因为伴随质子移动的水的量减少，滞留在发电燃料箱中的水量增加，所以甲醇浓度向下降的方向移动。相反，如果增大电流量，因为伴随质子透过电解质膜的水量增加，滞留在发电燃料箱中的水的量减少，所以甲醇浓度向上升的方向移动。
因渗透、伴随水、挥发引起的甲醇和水的消耗，甲醇和水反应的质量平衡变化，在发电部附近需要的甲醇和水的比与理论值相比需要更多的水。考虑该值按甲醇浓度是在10到40w％附近是最佳的浓度。在此，虽然把由MEA的物理性质决定的最佳的浓度称为规定的浓度，但广义上是指根据各种因素预先决定的燃料的浓度。在各种因素中，有MEA的渗透量、多少甲醇水溶液从气液分离膜中挥发等。
在本实施例中，可利用伴随水的量依赖电流量这种现象，相对规定的浓度，发电燃料箱4内的甲醇浓度高的情况下，通过减少从DMFC中取出的电流量来减少伴随水，使发电燃料箱内的浓度下降，相反，当相对规定的浓度，发电燃料箱4内的甲醇浓度低的情况下，通过增大从DMFC中取出的电流量，增加伴随水以接近规定的浓度。
发电燃料箱内的甲醇浓度并不一定均匀。另一方面，发电燃料箱内的甲醇浓度在发电反应中有效的部分是发电部附近的浓度。因而，在控制甲醇浓度时，最好检测发电部附近的浓度。但是，也有在浓度检测单元中使用什么样的单元，和根据电源装置的结构测量发电部附近的浓度方面困难的时候。这种情况下，不一定在附近，也可通过校正检测出的浓度来推测发电部附近的浓度。
说明浓度检测单元。
也可在发电燃料箱4内设置两块平板，根据上述平板间的介电常数进行浓度检测。因为相对水的相对介电常数是88.15，甲醇的相对介电常数是32.6，所以通过计算可从平板间的介电常数检测平板间的甲醇浓度。
另外，也可使用利用了音速变化、光的折射率变化等的甲醇传感器。
进而，也可使用不直接测量甲醇浓度而推测甲醇浓度的方法。例如，DMFC在燃料箱内浓度升高时，虽然DMFC温度高但DMFC输出下降，温度上升增大，因此能够容易进行推测。另外，如果DMFC的燃料箱内浓度降低，则相对DMFC的温度的DMFC输出在正常范围，但因为温度下降增大所以能够容易进行推测。
当使用者长期不使用安装有燃料电池的电源装置的情况下，因为DMFC的发电部的膜电极接合体(MEA)变为半透膜，所以阳极的燃料向阴极透过而干燥，发电部燃料箱有可能出现变成空的状态。其后，如果在再使用时用燃料盒补给燃料，则发电部燃料箱的浓度变成和燃料盒的燃料浓度相等。一般来说，DMFC可良好发电的燃料浓度的范围(一般是不足20wt％左右)比连续工作所需要的燃料盒浓度(理论值是因为需要甲醇和水是相等的摩尔所以是64wt％)低。因而，在使用开始时，除了因提供高浓度燃料引起的输出降低和因甲醇渗透引起的异常发热外，还可引起DMFC的发电部的寿命劣化。因而，需要想办法在使用开始时，使发电燃料箱不变为高浓度状态。
首先，在本构成中，在燃料盒6中具有燃料压出机构(活塞9和弹簧10)，提供与使用部分相同的量的辅助燃料箱8和发电燃料箱4的燃料。在不使用时用户卸下燃料盒6。在保管时，即使DMFC输出大致是0，也因渗透而消耗甲醇，因此如果经过长时间，则辅助燃料箱8和发电燃料箱4的甲醇浓度几乎变为0％。其后水从DMFC发电部11的电解质膜脱离，发电燃料箱4变空，而因为辅助燃料箱8的燃料不与电解质膜接触，所以能够防止干燥。另外，为了实现这种效果，优选是发电燃料箱4和辅助燃料箱8之间的燃料流路尽可能细。这是因为如果流路细，则辅助燃料箱8内的燃料难以被消耗的缘故。另外，如果在再使用时安装燃料盒6，因为暂且向发电燃料箱4提供用辅助燃料箱8稀释的燃料，所以能够防止由高浓度的燃料引起的发热。
图6表示用于实现的设计的一例。在燃料燃料盒浓度40％、发电燃料箱上限浓度20％、发电燃料箱容量1cc的条件下，需要把辅助燃料箱容量设置在大于等于1cc。另外，发电燃料箱最佳浓度是10％，当想使初始值与该浓度一致的情况下，需要设置在大于等于3cc。在长期保存后在发电燃料箱4内没有燃料的状态下，如果打开燃料盒逆止阀7，则在辅助燃料箱8中燃料暂且得到稀释，在浓度降低后导入到发电燃料箱4，因此不会引起由高浓度燃料引起的异常发热等的问题。
图2表示在充电器中使用了本构成时的外观图。是在安装着燃料燃料盒6的状态下使用的形态。其结构是通过阴极一侧网格结构13把空气(氧)取入到阴极。
其构成是通过设置辅助燃料箱剩余确认窗12，用户能够确认辅助燃料箱8是否变空。通过设置成这种构成，可防止尽管辅助燃料箱8空，但用户仍安装一般的燃料盒6，致使DMFC5异常发热等的事故。而且，为了辅助燃料箱8从空状态向正常状态恢复，除了一般的燃料燃料盒之外，另外准备封入了最佳浓度的燃料的恢复用燃料盒。在恢复用燃料盒中，装入比一般的燃料燃料盒浓度低的燃料，减少了引起异常发热等的问题的发生几率。
另外，图3表示在手机用电池中使用了本构成的情况下的外观图。假设只在补充时使用燃料燃料盒6这种形态，其构成是可在补充燃料盒卡口17上安装燃料燃料盒6。通过设置成这种构成，能够实现平常用户使用时的小型化。另外，变成这样的结构，通过设置辅助燃料箱剩余确认窗12，用户能够确认是否需要补充。
用附图详细说明控制系统14。
在本控制中，是在进行浓度调整时增减从DMFC取出的电力，但因为和这种情况下负荷的需求不一致，所以设置辅助针对负荷的DMFC的电力的过量或不足部分的蓄电器15。
图7是把蓄电器15连接到DC/DC变换器的输入一侧的例子。当DC/DC变换器是升压型的情况下，能够降低蓄电器15的耐压。
图8是图7的另一构成。在蓄电器15是Li电池等的情况下，需要进行充放电的保护，其构成是追加了保护电路。
图9是把蓄电器15连接到DC/DC变换器的输出一侧的例子。和图7和图8的构成相比，其构成是容易与蓄电器15独立地控制DMFC的输出。
图10的构成是用另一DC/DC变换器控制DMFC和蓄电器15。通过把蓄电器一侧的DC/DC变换器设置成充放电型，其构成是在降低蓄电器的耐压的同时，能够容易独立控制DMFC的输出和蓄电器15的输出。
(实施例2)用图4说明本发明的实施例2。
本实施例的特征是在第1实施例的基础上进一步具备辅助燃料箱逆止阀16。
辅助燃料箱逆止阀16的构成是，在安装燃料燃料盒6时打开，在卸下燃料燃料盒6时关闭。假设在用户不使用时，卸下燃料燃料盒6的形态，因为其构成是在卸下长期保管的情况下，辅助燃料箱8也用燃料盒逆止阀7和辅助燃料箱逆止阀16完全密封，所以与实施例1的构成相比更容易防止辅助燃料箱8的燃料的自然干燥。
(实施例3)用图5说明本发明的实施例3。
本实施例的特征是把实施例2的辅助燃料箱逆止阀16设置成另一控制方式。
在本构成中具备用户可选择电源装置是否可使用的操作开关，辅助燃料箱逆止阀16的构成是在上述操作开关处于ON时打开，在OFF时关闭。如实施例2的构成那样，可在安装着燃料燃料盒6的状态下长期保管。当然也可用上述操作开关关闭辅助燃料箱逆止阀16。另外，和实施方式2一样，其构成是在长期保管时也容易防止辅助燃料箱8的燃料的自然干燥。
以上，列举了3个实施例，但当然也可根据用途组合上述实施例的几个使用。
权利要求
1.一种电子设备，具备电源装置，上述电源装置具有氧化燃料的阳极；还原氧的阴极；形成在上述阳极和上述阴极之间的具有固体高分子电解质膜的发电部；把上述燃料作为水溶液提供给阳极的发电部燃料箱；检测上述燃料相对上述水溶液的浓度的浓度检测单元。
2.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于具有浓度调整功能，在上述浓度比规定值高时减少从上述燃料电池中取出的电流量。
3.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于具有浓度调整功能，在上述浓度比规定值低时增加从上述燃料电池中取出的电流量。
4.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于具有从上述浓度检测单元中取得信息而控制从燃料电池取出的电力的控制单元，上述控制单元具有浓度调整功能，在上述浓度比规定值高时减少从上述燃料电池中取出的电流量，在上述浓度比规定值低时增加从上述燃料电池中取出的电流量。
5.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于在上述燃料电池的基础上还具有蓄电器，在上述浓度调整中用上述蓄电器调整上述燃料电池的电力和负荷电力间的过量或不足。
6.如权利要求1或2所述的电子设备，其特征在于在上述燃料电池的发电部附近的浓度检测单元中至少使用上述燃料电池的发电部附近的温度信息和从上述燃料电池中取出的电力信息。
7.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于，具有可保存与燃料电池的发电部接触的燃料的发电燃料箱；可向发电部提供燃料的燃料盒，在从上述燃料盒到燃料箱的输送液体流路间具有可补充液体的另一辅助燃料箱。
8.如权利要求7所述的电子设备，其特征在于在上述辅助燃料箱中可保存的液体的容量相对在上述发电燃料箱中可保存的液体的容量，至少大于等于1倍。
9.如权利要求8所述的电子设备，其特征在于在上述辅助燃料箱中可保存的液体的容量相对在上述发电燃料箱中可保存的液体的容量，最大在3倍或者3倍以下。
10.如权利要求8所述的电子设备，其特征在于在上述辅助燃料箱中可保存的液体的容量和在上述发电燃料箱中可保存的液体的容量的比最大是上述燃料盒内的燃料浓度的十分之一。
11.如权利要求7所述的电子设备，其特征在于在从上述燃料盒到辅助燃料箱的输送液体流路之间，具有防止向上述燃料盒逆流的第一逆止阀，并且在从辅助燃料箱到发电燃料箱的输送液体流路之间具有防止向辅助燃料箱逆流的第二逆止阀。
12.如权利要求11所述的电子设备，其特征在于上述第二逆止阀通过上述燃料盒的安装而打开，通过上述燃料盒的卸下而关闭。
13.如权利要求12所述的电子设备，其特征在于是具有可选择发电与否的开关功能的电子设备，与上述开关输入联动地进行上述第二逆止阀的打开和关闭。
全文摘要
在使用无源型直接甲醇型燃料电池(DMFC)时，存在如下问题在连续使用时因DMFC发电部附近的甲醇浓度偏离最佳范围而引起输出降低等；在长期保管时DMFC内的燃料变干而变空，直接向DMFC发电部附近提供燃料燃料盒的燃料，因此DMFC发电部附近的甲醇浓度偏离最佳范围。通过在DMFC发电部附近的浓度比最佳值高时减小从DMFC取出的电流，比最佳值低时增大从DMFC中取出的电流，调整DMFC发电部附近的燃料浓度。在从燃料盒到DMFC发电部之间，设置因不直接与DMFC发电部接触而难以干燥的结构的、能够保存燃料的辅助燃料箱，由此降低在长期保管后起动时提供给DMFC发电部附近的甲醇浓度。
文档编号G06F1/26GK1933230SQ200610126690
公开日2007年3月21日 申请日期2006年9月1日 优先权日2005年9月14日
发明者乘松泰明, 叶田玲彦, 菊地睦 申请人:株式会社日立制作所