专利名称：具有燃料电池的电池单元、具有燃料电池的电子设备、和有效工作的以多步方式操作燃料 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于产生电功率的燃料电池，以及一种电子设备，如包含燃料电池的便携式计算机。
背景技术：
近年来，多种可被电池驱动的电子设备，例如被称为个人数字助理(下文称为PDA)的移动信息终端、个人(移动)电脑、和数码相机，已经被开发和广泛应用。
同时，近年来，环境问题已经被给予特别关注，并且不妨害生态环境的电池已经被积极开发。直接甲醇燃料电池(下文称为DMFC)是为大家所熟知的这种电池的一种。
在DMFC中，作为燃料成分提供的甲醇和氧经历化学反应，并通过化学反应获得电能。DMFC具有一种结构，其中电解液被插入由多孔金属或碳形成的两电极之间。参见通过引用被结合入本文中的Hironosuke IKEDA于2001年8月20发表在Kabushiki-Kaisha NihonJitsugyo Shuppansha第216-217页的“NENRYO DENCHI NOSUBETE”(“ALL ABOUT FUEL CELLS”)。对于DMFC的实际应用有着强烈需求，因为它不产生有害废物。
为增加单位体积的DMFC的输出功率，通过泵供给甲醇溶液和空气(氧)。因此，在DMFC中，作为辅助装置(下文称为辅件)的泵消耗电功率。因此，在所需总功耗较小的情况下，辅件所需的功耗与总功耗的比率变大。这可以损害燃料消耗效率。
发明内容
本发明的实施方式提供一种包括供应电功率的燃料电池单元的电子设备。
根据本发明的实施方式，电子设备包括具有反应部分和用以将燃料供应至反应部分以产生电功率的辅助装置的燃料电池、使用由燃料电池提供的电功率工作的电子装置、和被耦合至辅助装置的用于以多步方式控制由辅助装置供应的燃料量的控制单元。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明中提出，并且部分将从说明书中明显可见，或者可以通过本发明的实践理解。通过下文特别指出的手段和组合可以实现和获得本发明的优点。
结合并构成说明书一部分的附图表示本发明的实施方式，并且与以上给出的概述和下文给出的实施方式的详述一起，起到解释本发明原理的作用。
图1的透视图表示根据本发明的第一实施方式的便携式个人电脑；图2的框图表示根据第一实施方式的便携式个人电脑中的燃料电池单元的示意结构；图3的框图表示根据第一实施方式的燃料电池单元中辅助型DMFC的示意结构；图4表示根据第一实施方式的燃料电池单元输出状态的转变；图5表示由根据第一实施方式的燃料电池单元所实施的多步控制的效果；图6的框图表示根据本发明第二实施方式的燃料电池单元的示意结构；图7的框图表示根据本发明第三实施方式的燃料电池单元的示意结构；图8的框图表示根据本发明第四实施方式的燃料电池单元的示意结构；图9表示由第四实施方式所实施的多步控制的效果；和图10表示由根据第四实施方式的燃料电池单元设置的作为DMFC电池组电压的报警电压和危险电压。
具体实施例方式
下文将参照
如本发明的优选实施方式。
图1表示如本发明第一实施方式的一种电子设备的外观。
如图1所示，这种实施方式的电子设备1为便携式个人电脑。燃料电池单元2被容纳入电子设备1的主体内。燃料电池单元2为电子设备1供应电功率，并且使用电功率操作电子设备1。燃料电池单元2被设计为容易分离并且可使用新燃料电池或在再充填燃料之后的相同燃料电池替换。
图2表示燃料电池单元2的示意结构。
如图2所示，燃料电池单元2包括辅助型DMFC20和微计算机21。辅助型DMFC20具有供液泵22、供气泵23和DMFC电池组24。燃料电池单元2也包括检流电阻25、风扇26和电容器27。
微计算机21控制燃料电池单元2的所有操作。更具体地说，微计算机21监测从DMFC电池组24至电子设备1的输出电压和输出电流并检测此时的输出功率。基于检测结果，微计算机21控制供液泵22、供气泵23和风扇26的操作。
如图3所示，辅助型DMFC20包括燃料罐22a、燃料泵22b、混合罐22c、供液泵22d、供气泵23和DMFC电池组24。燃料罐22a为包含将被辅助型DMFC23用作燃料的甲醇的一种筒型容器。燃料罐22a被可分离地放置在燃料电池单元2内以允许对它替换和/或加燃料。辅助型DMFC20为一种如下类型的DMFC，其中燃料罐22a中的甲醇和空气被例如燃料泵22b、供液泵22d和供气泵23之类的辅件正吸入。根据由微计算机21所传送的控制信号，控制通过同在供液泵22中的燃料泵22b和供液泵22d的甲醇供液量和通过供气泵23的供气量。
燃料罐22a中的甲醇通过燃料泵22b经燃料液路被供应至混合罐22c中并在其中被汽化。汽化甲醇被供液泵22d经供液路径被供应至DMFC电池组24。通过供供气泵23将空气供应至DMFC电池组24。空气中的氧与汽化甲醇互相反应产生电功率。
DMFC电池组24导致由燃料泵22b和供液泵22d供应的甲醇与由供气泵23供应的空气(氧)互相反应并输出由化学反应所产生的电功率。通过从燃料泵22b、供液泵22d和供气泵23的输出量确定输出功率。
此外，水作为化学反应的结果被产生，并被通过返回液路返回至混合罐22c。
为微计算机21提供检流电阻25以检测从DMFC电池组24至电子设备1的输出电流。
接下来，现在将参照图4说明具有上述结构的燃料电池单元2的工作控制的原理。
微计算机21控制燃料电池单元2的输出功率，更具体地说，供液泵22，即燃料泵22b和供液泵22d的燃料供应量，和供气泵23的空气供应量和风扇26的转速。微计算机21以如下的多步执行这些输出量的控制(X1)在工作开始时，当所需功率仍未知，设备被以最大输出操作。
(X2)在当前的输出功率适合于电子设备1的要求时，当前输出被保持。
(X3)在当前的输出功率超过电子设备1的要求时，当前输出被降低至低于当前输出一级的级别。
(X4)在当前的输出功率低于电子设备1的要求时，当前输出被增加至高于当前输出一级的级别。
利用上述程序，辅件，即供液泵23、供气泵23和风扇26的功耗被适当控制，从而使得燃料消耗有效。
应该注意，在上述程序例中，每次输出级被增加或减小一级。但是也可能按照输出功率的超过或缺少量通过跳过某些步骤在一个步骤中将输出级增加或减小至所需级别。
图5表示多步控制的效果。在本图中，横轴表示电子设备的功耗，而纵轴指示燃料的能耗。此外，图5中，线(a)指示当实施多步控制时辅件的燃料消耗量，而线(b)指示当不实施多步控制时辅件的燃料消耗量。此外，线(c)指示辅件的功耗为零的假设情况下的燃料消耗量。最后，线(d)指示当实施多步控制时整个设备的燃料消耗量，而线(e)指示当不实施多步控制时的燃料消耗量。
如图5所示，当未实施多步控制时，辅件的燃料消耗量保持不变且较高，如线(b)所示。相反，使用本实施方式的多步控制，当电子设备1的功耗较低时可以较低燃料消耗操作辅件，如线(a)所示。
线(c)指示辅件的燃料消耗为零的假设情况。这里，在不实施多步控制的情况下，总消耗量为线(c)所示的量与线(b)所示的量的加和，并且线(e)指示这种特殊情况。
相反，在实施本实施方式的多步控制的情况下，总消耗量仅为线(c)所示的量与线(a)所示的量的总和，如线(d)所示。
换句话说，使用燃料电池单元2，可以节省图5所示的画有交叉阴影线的区域(线e与线d之间的阴影区)所指示的燃料，从而实现燃料消耗效率的改善。
图6表示根据本发明第二实施方式的燃料电池单元的示意结构。
第二实施方式的燃料电池单元102在以下方面不同于第一实施方式的燃料电池单元。增加从电子设备1输入多种信号至微计算机121的功能。另一方面，省略检测从DMFC电池组24输出输出电压和输出电流至电子设备1的功能。此外，根据功能的省略，也未提供检流电阻25。
根据第二实施方式，如果微计算机121已接收指示它降低电子设备1的输出的信号，微计算机121通过供燃料泵22和供气泵23减少至DMFC电池组24的燃料供应量和供气量，从而将输出降低至低于当前输出一级的级。如果微计算机121已接收指示它增加电子设备1的输出的信号，那么微计算机121通过供燃料泵22和供气泵23增加至DMFC电池组的燃料供应量和供气量，从而将输出增加至高于当前输出一级的级。
来自电子设备1的指令示例是由插入和去除扩展设备、修正节能设定和修正CPU的处理速度所导致的功率变化的通知。
使用上述结构，可以如第一实施方式那样适当控制包括供气泵23和风扇26的辅件的功耗。
图7表示根据本发明第三实施方式的燃料电池单元的示意结构。
第三实施方式的燃料电池单元202不同于第一实施方式的燃料电池单元的方面在于从电子设备1输入多种信号至微计算机221的功能被增加至第三实施方式。此外，第三实施方式的燃料电池单元202不同于第二实施方式的燃料电池单元的方面在于检测从DMFC电池组24至电子设备1的输出电压和输出电流功能未被省略，而是该功能也被使用。
根据第三实施方式，微计算机221基本上按照由微计算机221自身所检测到的DMFC电池组24至电子设备1的输出电压和输出电流，起到增加和减少辅件的输出的作用，并且，在过载(overriding)方式中，当被电子设备1指示时，微计算机221根据指令执行辅件的输出的增加和减少。
使用上述结构，可以在不导致电子设备1的过载的条件下适当控制包括供燃料泵22、供气泵23和风扇26的辅件的功耗。
图8表示根据本发明第四实施方式的燃料电池单元的示意结构。
第四实施方式的燃料电池单元302不同于第一实施方式的燃料电池单元的方面在于可以使用DMFC电池组24的输出功率反复地对二次电池28充电/放电。此外，燃料电池单元302具有替代电容器的供应控制电路29。不需要电容器，因为不需要瞬时增加功率。
在第四实施方式的燃料电池单元302中，微计算机321以多步方式控制供液泵22和供气泵23的输出。在前述实施方式中，输出被控制成使DMFC电池组24的输出功率总是等于或高于电子设备1的功率需要量。在本第四实施方式中，输出被控制成使预定部分的缺少量被二次电池28补偿。换句话说，微计算机321控制来自DMFC电池组24和二次电池28的总输出电功率以使它等于或超过电子设备1的功率需要量。
考虑充电效率，随着二次电池28的放电功率变高，燃料的利用效率被损害。鉴于二次电池的充电效率和辅件的不必要功耗，第四实施方式的燃料电池单元302增加或减少DMFC电池组24的输出。更具体地说，以如下方式控制输出(1)当二次电池28在一定时间周期内的平均电功率不小于第一预定值时，微计算机321增加燃料供应量和供气量，从而将DMFC电池组24的输出增加至高于当前输出一级的级。
(2)当二次电池28在一定时间周期内的平均电功率小于第二预定值时，微计算机321减少燃料供应量和供气量，从而将DMFC电池组24的输出降低至低于当前输出一级的级。
第一和第二预定值(参考值)可以相同。
应该注意供应控制电路29为由二极管OR电路组成的控制电路，该供应控制电路被设计为从二次电池28自动供应DMFC电池组24的功率缺少量。
图9表示多步控制的优点。线(a′)指示在采用多步控制的情况下辅件的输出。线(d′)指示在采用多步控制的情况下的燃料消耗。由辅件所使用的DMFC电池组所产生的不必要功耗，可在An和Bn之间所限定的各区域内被抑制。在这种节能工作中产生的缺少量被二次电池28补偿。简言之，相比第一实施方式的燃料供应单元2，图9中阴影区所指示的燃料供应量可被进一步节省。因此，燃料电池单元302获得燃料利用效率的进一步改善。
同时，如果微计算机321检测到二次电池28的电池电量降至低于预定值，由DMFC电池组24的输出功率开始对二次电池28充电。在二次电池28的充电过程中微计算机321使得二次电池28停止输出电功率。因此，此时由于仅DMFC电池组24对电子设备1提供电功率，DMFC电池组24的输出电功率等于电子设备1的电需求量和再充电电功率的总和，或更多。
对二次电池28的输出短缺及其充电而言，微计算机321控制辅件以使DMFC电池组的输出电功率被增加至高于当前输出一级的级。
在再充电条件下，在这种情况下控制辅件可能是必需的，以使输出电功率当电子设备1的电需求量增加时将足够。
如图10所示，当DMFC电池组24的输出电流增加时，DMFC电池组24的输出功率增加至某点，称为危险点D。但是，在危险点D之后，DMFC电池组24的输出功率开始减少。这意味着在危险点D之后燃料产生电功率的效率被损害。
微计算机321监测DMFC电池组24的电压，因为DMFC电池组24的电压根据DMFC电池组24的输出功率而定，如图10所示。
危险电压B是对应于危险点D的电压电平。此外，报警电压A被设置为对应于用以警告接近危险点D的报警点C的电压电平。
如果微计算机321检测到报警电压A，那么至二次电池28的充电电流被降低。如果微计算机321检测到危险电压B，那么充电被立即停止，因为辅件的燃料供应量到达上限。另一方面，如果微计算机321检测到输出电压高于报警电压A，那么充电电流被增加。
使用该结构，DMFC电池组24至二次电池28的充电可以不被频繁断开。
本领域的技术人员将容易地想到其它优点和修改。因此，本发明在其更广泛的方面并不限于本文所述的具体细节和实施例。因此，在不偏离由所附权利要求书及其等价物限定的通常发明概念的精神或领域的前提下，可以做出多种修改。
权利要求
1.一种电子设备，该设备包括用于产生电功率的燃料电池，该燃料电池具有反应部分；供应燃料至反应部分的辅助装置；使用由所述燃料电池提供的电功率工作的电子装置；和被耦合至辅助装置的用于以多步方式控制由辅助装置供应的燃料量的控制单元。
2.如权利要求1的电子设备，其中辅助装置包括液体燃料罐，被耦合在液体燃料罐与反应部分之间的供液泵，和供气泵。
3.如权利要求2的电子设备，该设备还包括用于检测反应部分的输出电功率的装置，并且所述控制单元的工作用于控制所述供液泵和所述供气泵的操作，以根据由所述检测装置检测的输出电功率调整燃料供应。
4.如权利要求1的电子设备，其中所述控制单元包括用于从所述电子装置接收输入信号的装置，当所述接收装置接收到指示所述电子装置的加电状态时，所述控制单元的工作用于控制辅助装置最大化燃料供应量。
5.如权利要求1的电子设备，该设备还包括防止由所述燃料电池的发电和化学反应导致的蒸汽凝聚的风扇。
6.如权利要求5的电子设备，其中所述控制单元的工作用于按照所述燃料电池的输出电功率控制所述风扇的转速。
7.一种电池单元，该电池单元包括电池组；供应燃料至所述电池组的辅助装置；和被耦合至辅助装置的用于以多步方式控制由辅助装置供应的燃料量的控制单元。
8.如权利要求7的电池单元，其中辅助装置包括液体燃料罐，被耦合在液体燃料罐与反应部分之间的供液泵，和供气泵。
9.如权利要求8的电池单元，该电池单元还包括用于检测所述电池组的输出电功率的装置，和所述控制单元的工作用于控制所述供液泵和所述供气泵的操作，以根据由所述检测装置检测的输出电功率调整燃料供应。
10.如权利要求7的电池单元，其中所述控制单元的工作用于控制所述辅助装置从而在电池单元开始使用时最大化燃料供应量。
11.如权利要求7的电池单元，该电池单元还包括用于输出电功率至电子装置的输出部分，和用于接收指示电子设备的电需求量的信号的输入部分，并且所述控制单元的工作用于控制所述辅助装置以根据所述信号调整燃料供应。
12.如权利要求7的电池单元，该电池单元还包括防止由所述电池组的发电和化学反应导致的蒸汽凝聚的风扇。
13.如权利要求12的电池单元，其中所述控制单元的工作用于按照所述电池组的输出电功率控制所述风扇的转速。
14.一种电池单元，该电池单元包括包括反应部分和用于供应燃料至反应部分的辅助装置的燃料电池；用于补充所述燃料电池电功率输出的缺少量的二次电池；和被耦合至所述燃料电池和所述二次电池的电路，用于以多步方式输出一定量的燃料供应至辅助装置。
15.如权利要求14的电池单元，其中所述控制单元的工作用于当所述二次电池在预定时间周期内的平均输出电功率超过第一参考值时增加至所述辅助装置的燃料供应量，和用于当所述二次电池在预定时间周期内的平均输出电功率下降至低于第二参考值时减少至所述辅助装置的燃料供应量。
16.如权利要求14的电池单元，该电池单元还包括用于使用所述燃料电池的电功率对所述二次电池充电的装置，并且所述控制单元的工作用于当所述燃料电池的输出电压为第一值时减少至所述二次电池的充电电流，和用于当所述燃料电池的输出电压为低于第一值的第二值时停止对所述二次电池充电。
17.一种控制具有反应部分和用于供应燃料至反应部分的辅助装置的燃料电池的工作的方法，该方法包括以下步骤检测燃料电池的输出电特性；和根据所检测到的输出电特性通过辅助装置以多步方式控制燃料供应量。
18.一种控制具有反应部分和用于供应燃料至反应部分的辅助装置的燃料电池和二次电池的工作的方法，该方法包括以下步骤检测二次电池的输出电特性和燃料电池的输出电特性；和根据二次电池和燃料电池的输出电特性以多步方式控制至辅助装置的燃料供应量。
19.如权利要求18的方法，其中所述控制步骤包括当所述二次电池在预定时间周期内的平均输出电功率超过第一参考值时通过所述辅助装置增加燃料供应量，和当所述二次电池在预定时间周期内的平均输出电功率下降至低于第二参考值时通过所述辅助装置减少燃料供应量的步骤。
20.如权利要求18的方法，该方法还包括以下步骤使用所述燃料电池的电功率对二次电池充电，当燃料电池的输出电压为第一值时减少至二次电池的充电电流，和当所述燃料电池的输出电压为低于第一值的第二值时停止对二次电池充电。
21.一种从具有反应部分和用于供应燃料至反应部分的辅助装置的燃料电池供应电功率至电子设备的方法，该方法包括以下步骤向燃料电池提供指示电子装置的电需求量的信号；和响应所述信号控制辅助装置以控制至反应部分的燃料供应。
22.如权利要求21的方法，其中控制步骤包括选择多个燃料供应量之一的步骤。
全文摘要
一种电子设备，具有采用反应部分和用以将燃料供应至反应部分的辅助装置产生电功率的燃料电池、使用由燃料电池提供的电功率工作的电子装置和被耦合至辅助装置的控制单元。控制单元通过辅助装置以多步方式控制燃料供应量。
文档编号H01M16/00GK1618139SQ0380180
公开日2005年5月18日 申请日期2003年8月29日 优先权日2002年9月30日
发明者尾关明弘 申请人:株式会社东芝