JP2009518000A - ハイブリッド電源のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

燃料の電気化学的な変換を介してＤＣ電圧を生成するように構成された燃料電池プラントと、該燃料電池プラントに燃料を供給するためにこの燃料電池プラントに装着された燃料容器と、燃料電池プラントと電気的に接続された再充電可能電池とを一般に含む装置において利用されるハイブリッド電源装置を提供する。再充電可能電池が装置の動作の結果生じる負荷変動に対応する間、燃料電池プラントは再充電可能電池をほぼ充電された状態に保つ。このようにして、ハイブリッド電源装置は、燃料容器が取り外された時でも装置の動作を保持することになる。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に電源に関し、より具体的には燃料電池技術を組み入れた改良型電源装置に関する。

通常の動作過程において、例えば、移動端末、携帯情報端末（ＰＤＡ）等の移動通信装置はその主電源を使い果たすことがある。このような装置は、通常、ユーザデータ、設定値、及び状態情報などの、何らかのメモリの形で記憶された重要な情報を含むため、この情報の記憶を途絶させることなく主電源をスワップアウトできるようにすることが望ましい。

記憶を保持するために、従来型の移動通信装置は、一般に、電池又は（「スーパーキャップ」とも呼ばれる）ウルトラキャパシタなどの何らかの形の専用電源を内蔵している。これらの種類の電源は、バックアップ電源を充電し、その電源の出力を調整するように構成されたサポート回路と共に使用される場合が多い。このサポート回路は追加の基板スペースを要し、また莫大な費用を装置に追加する可能性がある。

さらに、このような公知の電源は一般に低電力レベルで動作する。すなわち、このようなシステムにおける電池は、装置の様々なメモリコンポーネントに記憶された或る情報をただ保持するだけのために設計されており、十分な電力を供給して、装置を通常の動作モードで使用できるように設計されたものではない。それどころか、主電源を取り外すためには、通常装置の電源を切るか、或いは待機モードに設定することになる。このことは生産性の不都合及び損失につながるものである。

従って、従来技術の上記の及びその他の制限を克服するシステム及び方法に対する要望が存在する。

本発明によるハイブリッド電源装置は、一般に、燃料の電気化学的な変換を介してＤＣ電圧を生成するように構成された容器を備えた燃料電池プラント（例えば、メタノールで満たされた容器を備えた直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）など）を含む。（リチウムイオン電池などの）再充電可能電池が、上記燃料電池プラントと電気的に結合される。この燃料電池プラントは、再充電可能電池が装置の動作の結果生じる負荷変動に対応している間、この再充電可能電池をほぼ充電された状態に保つものである。このようにして、上記ハイブリッド電源装置は、容器が取り外されたときでも装置の動作を保持することになる。

以下の図面と共に考察するとき、詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することにより、本発明をさらに完全に理解することができるが、図面を通じて同じ参照番号は同様の要素を意味するものとする。

以下の詳細な説明は、事実上単なる例示であるにすぎず、本発明又は本出願、及び本発明の用途を限定することを意図するものではない。さらに、上述の技術分野、背景技術、概要、又は以下の詳細な説明に示した任意の明示的な又は暗示的な理論により限定されることを意図するものでもない。

詳細な説明はまた、機能ブロックコンポーネント及び／又は論理ブロックコンポーネント、及び様々な処理ステップを含むこともできる。このようなブロックコンポーネントは、特定の機能を実行するように構成された任意の数のハードウェアコンポーネント、ソフトウェアコンポーネント、及び／又はファームウェアコンポーネントにより実現することができると理解すべきである。

図１を参照すると、本発明の１つの実施形態によるハイブリッド電源装置を組み込んだ装置１００が、一般的には燃料容器（又は「容器」）１３０と連通し、そこから燃料を受け取っている燃料電池プラント（又は単純に「プラント」）１２０を含む。再充電可能電池（又は「電池」）１１０が燃料電池プラント１２０と電気的に接続される。再充電可能電池１１０、燃料容器１３０、及び燃料電池プラント１２０を、本明細書ではまとめて「電源装置」及び／又は「ハイブリッド電源装置」と呼ぶ。

一般的な電池の利用可能なエネルギーは、比較的短時間（およそ８時間）で損なわれるが、燃料電池の利用可能なエネルギーは、大幅に長く（２０時間よりも長く）持続する。一方、燃料電池には負荷変動の処理における難点、すなわち一般の電池が共有することのない難点がある。従って、本発明によるハイブリッド電源は、これら２つの技術を組み合わせることで、燃料電池プラント１２０が、電池１１０を充電するＤＣ電圧を生成し、同時に、電池１１０が、装置１００に供給される負荷電流の変動に対応するようにする。この結果、本発明のハイブリッド電源装置は、処理能力を大きく犠牲にすることなく容器１３０を装置１０２から取り外すことができるようになる。

１つの実施形態では、例えば、容器１３０内の燃料が消耗した時に、容器の交換を単純化するために、燃料容器１３０をハウジング１０２から取り外すことができる。このような実施形態を図２に概略的に示しており、この図は、容器１３０をハウジング１０２から取り外した状態の装置１００を示している。容器１３０のハウジング１０２への取付けは、任意の便利な方法によって行うことができる。１つの実施形態では、キー／ロックシステム又はその他のセキュリティ構成を用いて、偶然の又は不正による容器１３０の取り外しを防止することができる。

このように、本発明によるハイブリッド電源装置の概観を示してきたが、次に様々なコンポーネントについて詳細な説明を行うことにする。

燃料電池プラント１２０は、通常液体である燃料の電気化学的な変換を介して電気的エネルギを生成することができる任意のコンポーネントを含む。この点については、本発明に関連して多くの種類の燃料電池を使用することができる。１つの実施形態では、燃料電池プラント１２０は直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）とする。

ＤＭＦＣは、電解質として高分子膜を用いる陽子交換型の燃料電池であり、触媒層におけるメタノールの酸化作用に依拠して二酸化炭素を生成するものである。図３を参照すると、ＤＭＦＣ１２０は、一般に、陽極電極３０４、陰極電極３０２、及びそれぞれの端子３０８と３１０を含む。陰極３０２及び陽極３０４は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）３０６などの膜３０６により隔離されている。動作中、陽極３０４にメタノールと水とが供給されて二酸化炭素を生成する一方、陰極３０２に酸素が供給されて水を生成し、この結果、膜３０６を横切って陽子（Ｈ＋）の輸送が行われる。詳細には、ＤＭＦＣ１２０内における半反応は次のようになる。
陽極：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-
陰極：１．５Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ
また、正味の反応は次のようになる。
ＣＨ₃ＯＨ＋１．５Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ

従って、ＤＭＦＣ１２０は、燃料としてメタノールを使用し、電気的エネルギーと、二酸化炭素と、水とを生成することになる。この点に関して、例示の実施形態はＤＭＦＣに関して説明しているが、本発明は、例えば、アルカリ型燃料電池、融解炭酸塩燃料電池、リン酸型燃料電池、直接ホウ化水素燃料電池、固体電解質型燃料電池、亜鉛燃料電池等を含むその他の種類の燃料電池の利用も企図するものである。

燃料電池１２０の端子３０８及び３１０は電池外部の負荷に接続される。本発明の１つの実施形態によれば、端子３０８及び３１０は、（図１の電池１１０などの）再充電可能電池のみならず、装置１００に関連する内部の電気的負荷にも結合される。すなわち、容器１３０が装置１００から取り外された場合、電池１１０が引き継いで、燃料電池１２０と共に所望のＤＣ電力を供給する。電池１１０の正の端子と負の端子とは、燃料電池１２０の陽極と陰極とに直接的に或いは間接的に結合されることが望ましい。

電池１１０の充電中に、その端子の両端にわたって電圧が印加され、この電圧が、一般に電池の通常動作中（すなわち、電池が標準的なボルタ電池として動作する場合）に起こるであろう化学反応を逆転させる。電池１１０は、燃料電池プラント１２０（及び図示してはいないが、その他の任意の電子制御回路）と電気的に接続されることにより、燃料電池プラント１２０が電池１１０をほぼ充電された状態に保つようにすることが望ましい。本発明の１つの実施形態では、燃料電池１２０の出力が当業で公知の種類の電池充電回路に給電し、次に、この回路は電池１１０に給電することになる。

電池１１０は、現在知られている、或いは将来開発される任意の好適な種類の再充電可能電池である。１つの実施形態では、例えば、電池１１０は再充電可能リチウムイオン電池とする。しかしながら、様々なニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムポリマー電池等を含むその他の種類の電池を使用することもできる。さらに、電池１１０は、適用分野の電力要件に依存して並列に又は直列に構成される２又はそれ以上の電池を含むこともできる。

電池１１０は、例えば、必要な電力、必要な電圧、予想される充電サイクル等に依存する公知の基準に基づいて選択される。例えば、一般に装置１００は、通常負荷、ピーク負荷、及び或る最低限のレベルの記憶を保持するために（すなわち、装置に常駐する設定値及びデータを保持するために）必要な負荷に対して公知の動作電力要件を有することになる。この点に関して、電池１１０及び燃料プラント１２０は、これらの組み合わせにより、装置の動作電力要件にほぼ等しい電力を供給することができるように選択されることが望ましい。すなわち、装置は、容器が取り外されたときでさえ十分に動作できることが望ましい。

１つの実施形態では、電池１１０は、約４００ｍＡ×ｈｒから５００ｍＡ×ｈｒまでの公称容量と、約３．０ボルトから５．０ボルトまでの供給電圧を有する。このような電池は、入力部と、ＬＣＤスクリーンと、外部電源を利用できない場所に持ち歩く必要があるようなその他のコンポーネントとを有するタイプの移動通信装置において利用価値がある。

上記の詳細な説明では少なくとも１つの実施形態例を示したが、多数の変形例が存在すると理解すべきである。本明細書で説明した１又は複数の実施形態例は、本発明の範囲、適用性、又は構成を限定することを全く意図するものではないということも理解すべきである。むしろ、上述の詳細な説明は、説明した１又は複数の実施形態を実現するための便利な手引きを当業者に提供するものである。添付の特許請求の範囲及びその法的同等物に記載した本発明の範囲から逸脱することなく、要素の機能及び構成に様々な変更を行うことができることを理解されたい。

本発明の１つの実施形態によるハイブリッド電源装置を備えた装置の概観図である。 図１の装置から燃料容器を取り外した状態を示す概観図である。 典型的な直接メタノール型燃料電池の概観図である。

符号の説明

１００ 装置
１０２ ハウジング
１１０ 再充電可能電池
１２０ 燃料電池プラント
１３０ 燃料容器

Claims (15)

1. 移動通信装置のための電源であって、
   燃料の電気化学的な変換を介してＤＣ電圧を生成するように構成された燃料電池プラントと、
   前記燃料電池プラントに結合されて、該燃料電池プラントに前記燃料を供給する燃料容器と、
   前記燃料電池プラントに結合された再充電可能電池と、
   を備えることを特徴とする電源。
2. 前記燃料電池プラントは直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）であり、前記燃料容器はメタノールを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源。
3. 前記燃料電池プラントは陽子交換型の燃料電池である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源。
4. 前記再充電可能電池はリチウムイオン電池である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源。
5. 前記燃料電池プラント及び前記再充電可能電池は、該再充電可能電池が、前記移動通信装置に供給される負荷電流の変動に対応するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源。
6. 前記移動通信装置は動作電力要件を有し、前記電源は、前記動作電力要件にほぼ等しい電力を供給することができる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源。
7. 前記移動通信装置は、１．０ワットから２５．０ワットの間の動作電力要件を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源。
8. 前記再充電可能電池は、ほぼ３．０ボルトから５．０ボルトまでの公称電圧を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源。
9. 前記再充電可能電池は、ほぼ１００ｍＡ×ｈｒから４４００ｍＡ×ｈｒまでの公称容量を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源。
10. 前記移動通信装置はハウジングを備え、前記取り外し可能な燃料容器は、前記ハウジングに取り外し可能に装着されると共に、前記燃料容器から前記燃料電池プラントに燃料を供給するための燃料経路を含むように構成される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の電源。
11. ハウジングと、
    前記ハウジング内に設けられた電源と、
    を備え、
    前記電源は、陽極及び陰極を有する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）プラントと、前記燃料電池プラントに取り外し可能に装着されて、前記燃料電池プラントに前記燃料を供給する燃料容器と、充電回路を介して前記燃料電池プラントの前記陽極及び陰極に結合された再充電可能電池と、を備える、
    ことを特徴とする移動通信装置。
12. 前記再充電可能電池はリチウムイオン電池である、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の移動通信装置。
13. 前記燃料電池プラント及び前記再充電可能電池は、該再充電可能電池が、前記移動通信装置に供給される負荷電流の変動に対応するように構成される、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の移動通信装置。
14. 前記移動通信装置は動作電力要件を有し、前記電源は、前記動作電力要件にほぼ等しい電力を供給することができる、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の移動通信装置。
15. 前記燃料電池プラント及び前記再充電可能電池に結合された電池充電回路をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の移動通信装置。

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