專利名稱：具有兩種類型燃料電池的電池單元、具有燃料電池的電子設(shè)備和電功率的提供方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生電功率的燃料電池，以及一種電子設(shè)備，例如一種包含該燃料電池的便攜式計(jì)算機(jī)。
背景技術(shù)：
近年來，多種可被電池驅(qū)動(dòng)的電子裝置，例如被稱為個(gè)人數(shù)字助理(下文稱為PDA)的移動(dòng)信息終端、個(gè)人(移動(dòng))電腦、和數(shù)碼相機(jī)，已經(jīng)被開發(fā)和廣泛應(yīng)用。
另一方面，近年來，環(huán)境問題已經(jīng)被給予特別關(guān)注，并且不妨害生態(tài)環(huán)境的電池已經(jīng)被積極開發(fā)。直接甲醇燃料電池(下文稱為DMFC)是為大家所熟知的這種電池的一種。
在DMFC中，作為燃料成分提供的甲醇和氧經(jīng)歷化學(xué)反應(yīng)，通過化學(xué)反應(yīng)獲得電能。一種電解液被插入由多孔金屬或碳形成的兩電極之間。參見通過引用結(jié)合入本文中的Hironosuke IKEDA于2001年8月20發(fā)表在Kabushiki-Kaisha Nihon Jitsugyo Shuppansha第216-217頁的“NENRYO DENCHI NO SUBETE”(“ALL ABOUTFUEL CELLS”)。對(duì)于DMFC的實(shí)際應(yīng)用有著強(qiáng)烈需求，因?yàn)樗划a(chǎn)生有害廢物。
為增加單位體積的DMFC的輸出功率，需要一種輔助裝置(下文稱為輔件)，例如泵。在本說明書中，使用輔件的DMFC被稱為“輔助型DMFC”，而不使用輔件的DMFC被稱為“汽化型DMFC”。
同時(shí)，大部分移動(dòng)信息終端(例如便攜式計(jì)算機(jī))具有一種在關(guān)閉之前立即有效地保持操作狀態(tài)參數(shù)的掛起(suspend)功能或模式。該操作狀態(tài)參數(shù)通常被保持在非易失性存儲(chǔ)器(例如個(gè)人電腦的硬盤)中，并可被用于當(dāng)通電時(shí)快速恢復(fù)操作狀態(tài)。這使得當(dāng)通電時(shí)能夠快速恢復(fù)以前的工作。
假定輔助型DMFC被應(yīng)用于具有掛起功能的移動(dòng)信息終端，并且該掛起功能被激活。在一種通常移動(dòng)信息終端中，在掛起模式下消耗約200-300mW的功率以在關(guān)閉時(shí)保持操作狀態(tài)。另一方面，輔助型DMFC通常消耗約1W的功率用以輔件的操作。簡(jiǎn)言之，為施加約200-300mW的功率激活而消耗約1W功率的輔件按照燃料消耗效率是不理想的。
此外，在某些設(shè)備中，即使當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，也需要為例如微計(jì)算機(jī)之類的內(nèi)部電路施加約60-70mW的功率。在這種情況下，燃料消耗效率進(jìn)一步惡化。并且，例如泵之類的輔件產(chǎn)生某種噪音，并且優(yōu)選地在掛起模式或當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)不運(yùn)行輔件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方式提供一種包括供應(yīng)電功率的燃料電池單元的電子設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，電子設(shè)備包括產(chǎn)生第一電功率的第一燃料電池、產(chǎn)生小于第一電功率的第二電功率的第二燃料電池、被耦合至第一燃料電池和第二燃料電池用以選擇第一和第二燃料電池之一的切換電路、被耦合至切換電路的電子裝置、和響應(yīng)來自電子裝置指示功率需要量的信號(hào)用以控制切換電路的控制電路。響應(yīng)電子裝置的電功率需要量，該電子裝置使用第一電功率和第二電功率之一工作。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，電子設(shè)備包括采用燃料供應(yīng)輔助裝置產(chǎn)生電功率的第一燃料電池、不使用輔助裝置產(chǎn)生電功率的第二燃料電池、被耦合至第一燃料電池和第二燃料電池用以選擇第一和第二燃料電池之一的切換電路、和被耦合至切換電路的電子裝置。該電子裝置使用由第一燃料電池和第二燃料電池之一提供的電功率工作。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，提供一種為電子設(shè)備提供來自燃料電池的電功率的方法。在一種實(shí)施方式中，該方法包括當(dāng)電子設(shè)備處于需要第一電功率的第一狀態(tài)時(shí)從第一燃料電池為電子設(shè)備提供電功率，第一燃料電池具有燃料供應(yīng)的輔助裝置，和當(dāng)電子設(shè)備處于需要低于第一電功率的第二電功率的第二狀態(tài)時(shí)從能夠產(chǎn)生比第一燃料電池低的電功率的第二燃料電池為電子設(shè)備提供電功率。
本發(fā)明實(shí)施方式的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明中提出，并且部分將從說明中明顯可見，或者可以通過本發(fā)明的實(shí)踐理解。
通過下文特別指出的手段和組合可以實(shí)現(xiàn)和獲得本發(fā)明的實(shí)施方式的特征和優(yōu)點(diǎn)。


被結(jié)合并構(gòu)成說明書一部分的附圖表示本發(fā)明的實(shí)施方式，并且與以上給出的概述和下文給出的實(shí)施方式的詳述一起，起到解釋本發(fā)明原理的作用。
圖1的透視圖表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的便攜式個(gè)人電腦；圖2的框圖表示根據(jù)第一實(shí)施方式的便攜式個(gè)人電腦中的燃料電池單元的硬件配置；圖3的流程圖表示根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池單元的操作控制程序；和圖4的框圖表示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的燃料電池單元的硬件配置。
具體實(shí)施例方式
下文將參照

如本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
圖1表示如本發(fā)明第一實(shí)施方式的一種電子設(shè)備的外觀。
如圖1所示，這種實(shí)施方式的電子設(shè)備1為便攜式個(gè)人電腦。燃料電池單元2被容納入電子設(shè)備1的主體內(nèi)。燃料電池單元2為電子設(shè)備1供應(yīng)電功率，并且電子設(shè)備1使用電功率工作。燃料電池單元2被設(shè)計(jì)為容易分離并且可使用新燃料電池或在再充填燃料之后的相同燃料電池替換。
電子設(shè)備1具有在關(guān)閉電源開關(guān)之前立即發(fā)生的用以保持操作狀態(tài)參數(shù)的掛起功能。因此，當(dāng)開啟電源開關(guān)時(shí)，已被掛起的以前工作被顯示并可以被快速恢復(fù)。因此，即使在掛起模式中，燃料電池單元2也為電子設(shè)備1供應(yīng)電功率。此外，為保持微計(jì)算機(jī)等的內(nèi)部電路的操作，即使當(dāng)電源開關(guān)被關(guān)閉時(shí)燃料電池單元2也為電子設(shè)備1提供電功率。在本實(shí)施方式中電子設(shè)備1的功耗在加電狀態(tài)下約為3-20W，在掛起狀態(tài)下約為200-300mW，而在斷電狀態(tài)下約為60-70mW。
圖2表示燃料電池單元2的示意結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，燃料電池單元2包括燃料罐21、汽化型DMFC22、輔助型DMFC23、切換電路24和微計(jì)算機(jī)25。
燃料罐21為包含將被汽化型DMFC22和輔助型DMFC23用作燃料的甲醇的一種筒型容器。燃料罐21被可分離地放置在燃料電池單元2內(nèi)以允許它的替換和/或加燃料。
汽化型DMFC22為這樣一種類型的DMFC，其中由燃料罐21所供應(yīng)的甲醇被在其中汽化并導(dǎo)致與空氣中的氧反應(yīng)。雖然在汽化型DMFC22中單位體積的輸出功率較小，但沒有例如一個(gè)或更多泵之類的輔件的功耗。另一方面，輔助型DMFC23為這樣一種類型的DMFC，其中燃料罐21中的甲醇和空氣被例如一個(gè)或更多泵之類的輔件正吸入。雖然輔助型DMFC23的單位體積的輸出功率較大，但發(fā)生由輔件引起的功耗。在這種實(shí)施方式中，汽化型DMFC22的輸出功率約為300mW，輔助型DMFC23的輸出功率約為20W，并且輔助型DMFC23中所用的輔件的功耗約為1W。
輔助型DMFC23具有燃料泵231、混合罐232、供液泵233、DMFC電池組(cell stack)234和供氣泵235。輔件(或輔助裝置)包括一個(gè)或更多泵231、233和235。
燃料罐21中的甲醇被燃料泵231供應(yīng)至混合罐232中并被在其中汽化。被汽化的甲醇被供液泵233供應(yīng)至DMFC電池組234?？諝獗还獗?35供應(yīng)至DMFC電池組234?？諝庵械难跖c汽化甲醇互相反應(yīng)產(chǎn)生電功率。具體說來，上述約1W的輔件的功耗為燃料泵231、供液泵233、和供氣泵235的功耗。
切換電路24為選擇器，用以選擇供應(yīng)或者來自汽化型DMFC22的輸出功率或者來自輔助型DMFC23的輸出功率至電子設(shè)備1。微計(jì)算機(jī)25控制燃料電池單元2的所有操作，包括切換電路24的操作。微計(jì)算機(jī)25執(zhí)行與電子設(shè)備1的各種信號(hào)的傳送/接收。
參照?qǐng)D3，現(xiàn)在將說明燃料電池單元2的操作控制的原理。
微計(jì)算機(jī)25一直監(jiān)控由電子設(shè)備1所發(fā)出的信號(hào)的接收(步驟A1)。如果微計(jì)算機(jī)25已經(jīng)接收信號(hào)(在步驟A1為“是”)，它確定是否所接收的信號(hào)為指示轉(zhuǎn)換為掛起模式的信號(hào)或者指示轉(zhuǎn)換為斷電的信號(hào)(步驟A2)。如果該信號(hào)為轉(zhuǎn)換至掛起模式或者斷電的指示(在步驟A2為“是”)，微計(jì)算機(jī)25關(guān)閉輔助型DMFC23的相應(yīng)泵以停止來自燃料罐21的燃料供應(yīng)(步驟A3)。然后，微計(jì)算機(jī)25操作切換電路24以從汽化型DMFC22供應(yīng)輸出功率至電子設(shè)備1(步驟A4)。
另一方面，如果來自電子設(shè)備1的所接收信號(hào)不指示掛起模式或斷電模式(即為加電模式)(步驟A2中為“否”)，微計(jì)算機(jī)25檢測(cè)電子設(shè)備為加電狀態(tài)，并開啟輔助型DMFC23的相應(yīng)泵(步驟A5)。因此，電子設(shè)備1傳送信號(hào)至微計(jì)算機(jī)25指示電子設(shè)備1的功率需求。微計(jì)算機(jī)25待命(stand by)直至輔助型DMFC23已經(jīng)準(zhǔn)備好供應(yīng)功率(步驟A6)。如果輔助型DMFC 23已經(jīng)準(zhǔn)備好供應(yīng)功率(步驟A6中為“是”)，微計(jì)算機(jī)25操作切換電路24以從輔助型DMFC23供應(yīng)輸出功率至電子設(shè)備1(步驟A7)并通知電子設(shè)備1加電的準(zhǔn)備完成(步驟A8)。
如上所述，在燃料電池單元2中，具有約20W的輸出功率的輔助型DMFC23被用在功耗約為3-20W的加電狀態(tài)中。另一方面，在功耗約為60-70mW的斷電狀態(tài)中或在功耗約為200-300mW的掛起模式中，使用輸出功率約為300mW的汽化型DMFC22。由于在掛起模式或斷電狀態(tài)中的輔件，該操作控制實(shí)現(xiàn)燃料消耗效率的改進(jìn)和防止噪音發(fā)生。
當(dāng)輔助型DMFC23被激活時(shí)，微計(jì)算機(jī)25首先使用來自汽化型DMFC22的約300mW的輸出功率操作燃料泵231、供液泵233和供氣泵235。在輔助型DMFC23已經(jīng)開始產(chǎn)生例如1W或更多的功率之后，那么微計(jì)算機(jī)25使用來自輔助型DMFC23的輸出功率操作燃料泵231、供液泵233和供氣泵235。在斷電狀態(tài)或在掛起模式中，使用來自汽化型DMFC22的功率供應(yīng)微計(jì)算機(jī)25。
圖4表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式。第二實(shí)施方式的燃料電池單元2不同于第一實(shí)施方式，在于二次電池26(例如蓄電池、電容器)和用以對(duì)二次電池充電的充電電路27被添加至燃料電池單元2。切換電路24實(shí)施在汽化型DMFC22、輔助型DMFC23、和二次電池26之間的切換。
在第二實(shí)施方式中，切換電路24不排他地選擇這三種電源的其中之一。在必要的情況下，二次電池26的功率被添加至輔助型DMFC23(例如，切換電路24同時(shí)選擇二次電池26和輔助型DMFC23)。
第二實(shí)施方式的燃料電池單元2被有利地采用在功耗可迅速被增加的電子設(shè)備1中。二次電池26可供應(yīng)電子設(shè)備中所需要但不能完全被從輔助型DMFC23供應(yīng)的或者電子設(shè)備中瞬時(shí)需要的功率。
此外，在斷電狀態(tài)中充電電路27使用汽化型DMFC22的過量功率對(duì)二次電池26充電。因此，燃料消耗效率被改進(jìn)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地想到其它優(yōu)點(diǎn)和修改。因此，本發(fā)明在其更廣泛的方面并不限于本文所述的具體細(xì)節(jié)和實(shí)施例。因此，在不偏離由權(quán)利要求書及其等價(jià)物限定的通常發(fā)明概念的精神或領(lǐng)域的前提下，可以做出多種修改。
權(quán)利要求
1.一種電子設(shè)備，該設(shè)備包括采用燃料供應(yīng)輔助裝置產(chǎn)生電功率的第一燃料電池；不使用輔助裝置而產(chǎn)生電功率的第二燃料電池；被耦合至所述第一燃料電池和所述第二燃料電池用以選擇所述第一和第二燃料電池之一的切換電路；和被耦合至所述切換電路的電子裝置，該電子裝置使用由所述第一燃料電池和所述第二燃料電池中選定的一個(gè)提供的電功率工作。
2.如權(quán)利要求1的電子設(shè)備，其中所述電子裝置的工作用以在斷電操作之前立即將模式改變?yōu)橛糜诒３侄x操作狀態(tài)的參數(shù)的掛起模式，并且所述切換電路當(dāng)所述電子裝置處于掛起模式和消耗低于掛起模式的功率的狀態(tài)之一時(shí)為所述電子裝置提供由所述第二燃料電池提供的電功率。
3.如權(quán)利要求2的電子設(shè)備，其中當(dāng)所述第二燃料電池為所述電子裝置供應(yīng)電功率時(shí)輔助裝置停止所述第一燃料電池內(nèi)的燃料供應(yīng)。
4.如權(quán)利要求2的電子設(shè)備，該設(shè)備還包括被耦合至所述電子裝置和所述切換電路的微計(jì)算機(jī)，其中當(dāng)所述微計(jì)算機(jī)接收來自所述電子裝置指示所述電子裝置的加電狀態(tài)的信號(hào)時(shí)，所述微計(jì)算機(jī)控制所述切換電路從而為所述電子裝置提供由所述第一燃料電池提供的電功率。
5.如權(quán)利要求4的電子設(shè)備，其中在微計(jì)算機(jī)已經(jīng)接收信號(hào)之后，當(dāng)?shù)谝蝗剂想姵販?zhǔn)備好供應(yīng)電功率時(shí)該微計(jì)算機(jī)的工作用于通知電子裝置來自第一燃料電池的功率供應(yīng)的可用性。
6.如權(quán)利要求1的電子設(shè)備，其中輔助裝置在所述第一燃料電池的最初使用時(shí)采用來自第二燃料電池的電功率工作，并隨后當(dāng)所述第一燃料電池為所述電子裝置提供電功率時(shí)采用來自所述第一燃料電池的電功率工作。
7.如權(quán)利要求1的電子設(shè)備，該設(shè)備還包括耦合至所述切換電路用以控制選擇所述第一燃料電池和所述第二燃料電池的控制電路，所述控制電路響應(yīng)從所述電子裝置接收的信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7的電子設(shè)備，該設(shè)備還包括被耦合至所述切換電路的二次電池，并且當(dāng)由電子裝置所消耗的電功率超過由所述第一燃料電池和所述第二燃料電池中選定的一個(gè)所能供應(yīng)的電功率時(shí)控制電路通過使用二次電池補(bǔ)充電功率。
9.如權(quán)利要求8的電子設(shè)備，該設(shè)備還包括用以使用來自第一燃料電池和第二燃料電池中的至少一個(gè)的電功率對(duì)所述二次電池充電的裝置。
10.一種電子設(shè)備，該設(shè)備包括產(chǎn)生第一電功率的第一燃料電池；產(chǎn)生小于第一電功率的第二電功率的第二燃料電池；被耦合至所述第一燃料電池和所述第二燃料電池的切換電路；被耦合至切換電路的電子裝置，響應(yīng)所述電子裝置的電功率需要量，所述電子裝置使用第一電功率和第二電功率之一工作；和響應(yīng)來自所述電子裝置指示功率需要量的信號(hào)用以控制切換電路的控制電路。
11.如權(quán)利要求10的電子設(shè)備，其中所述第一燃料電池為輔助型直接甲醇燃料電池。
12.如權(quán)利要求10的電子設(shè)備，其中所述第二燃料電池為汽化型直接甲醇燃料電池。
13.一種電子設(shè)備，該設(shè)備包括產(chǎn)生第一電功率的第一燃料電池，所述第一燃料電池在其工作中消耗預(yù)定的電功率；產(chǎn)生小于第一電功率的第二電功率的第二燃料電池；被耦合至所述第一燃料電池和所述第二燃料電池的切換電路；和被耦合至所述切換電路的電子裝置，根據(jù)所述電子裝置的電功率需要量，所述電子裝置使用第一電功率和第二電功率之一工作。
14.如權(quán)利要求13的電子設(shè)備，其中當(dāng)電子裝置消耗大于預(yù)定的電功率時(shí)該電子裝置使用第一電功率工作。
15.如權(quán)利要求13的電子設(shè)備，其中當(dāng)電子裝置消耗小于預(yù)定的電功率時(shí)該電子裝置使用第二電功率工作。
16.一種電池單元，該電池單元包括使用燃料供應(yīng)輔助裝置產(chǎn)生電功率的第一燃料電池；不使用輔助裝置而產(chǎn)生電功率的第二燃料電池；和被耦合至所述第一燃料電池和所述第二燃料電池的切換電路，所述切換電路輸出由所述第一燃料電池和所述第二燃料電池之一提供的電功率。
17.如權(quán)利要求16的電池單元，其中在開始使用所述第一燃料電池時(shí)輔助裝置使用來自所述第二燃料電池的電功率操作。
18.如權(quán)利要求16的電池單元，該電池單元還包括補(bǔ)充供應(yīng)電功率的二次電池。
19.如權(quán)利要求18的電池單元，該電池單元還包括使用來自所述第一燃料電池和所述第二燃料電池中的至少一個(gè)的電功率對(duì)二次電池充電的裝置。
20.一種為電子設(shè)備提供使用來自燃料電池的電功率的方法，該方法包括以下步驟當(dāng)電子設(shè)備處于需要第一電功率的第一狀態(tài)時(shí)從第一燃料電池為電子設(shè)備提供電功率，第一燃料電池具有燃料供應(yīng)輔助裝置；和當(dāng)電子設(shè)備處于需要低于第一電功率的第二電功率的第二狀態(tài)時(shí)從能夠產(chǎn)生比第一燃料電池低的電功率的第二燃料電池為電子設(shè)備提供電功率。
21.如權(quán)利要求20的方法，其中第二狀態(tài)為電子設(shè)備的掛起模式。
22.如權(quán)利要求20的方法，其中第二狀態(tài)為斷電狀態(tài)。
23.如權(quán)利要求20的方法，該方法還包括檢測(cè)電子設(shè)備處于加電狀態(tài)；和將電功率的提供從第二燃料電池切換至第一燃料電池。
24.如權(quán)利要求23的方法，該方法還包括通知電子設(shè)備第一燃料電池可被用于供應(yīng)第一功率。
全文摘要
一種電子設(shè)備，具有能夠產(chǎn)生第一電功率的第一燃料電池、能夠產(chǎn)生小于第一電功率的第二電功率的第二燃料電池、被耦合至第一燃料電池和第二燃料電池的切換電路、和被耦合至切換電路的電子裝置。根據(jù)電子裝置的電功率需要量，該電子裝置使用第一電功率和第二電功率之一工作。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1703796SQ0380180
公開日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2003年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月30日
發(fā)明者尾關(guān)明弘 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝