[发明专利]带有燃料电池的直流电源

说明书

本申请是申请日为2001年10月2日、申请号为01816902.3、发明名称为“带有燃料电池的直流电源”的在先申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及采用燃料电池的直流电源。

背景技术

近几年，作为具有良好运行效率和环保特性的电源，燃料电池正在引起人们更多的注意。燃料电池是一种通过氢和氧的电化学反应发电的设备。燃料电池通过控制燃料气体的供给量来输出所需的电能。有时，由于气体供给量的响应延迟，输出电能的响应变弱。作为避免该问题的一个装置，提供了一种其中燃料电池和电池并联连接构成电源的技术。例如，公开号2000-12059的日本专利申请公开了一种技术，其中燃料电池的输出电压通过一个直流-直流转换器被转换以便让电池和燃料电池组合起来使用。然而，在上面提到的结构中，电能输出效率有待于进一步提高。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种进一步提高采用燃料电池和电能存储设备二者的直流电源效率的技术。

在本发明中，在具有并联连接的燃料电池和电源存储设备的直流电源内，燃料电池和电源存储设备的最大输出根据下列条件设置。

在本发明的第一种结构中，燃料电池的最大输出和燃料电池与电源存储设备最大总输出之比(下文称作输出比)被设置在等于或大于0.4和等于或小于0.8的范围内。直流电源的能效受燃料电池和电能存储设备的输出比的影响。申请人通过努力发现能效在输出比处于上面提到的范围内时最佳。在上面提到的范围内，输出比最好是等于或大于0.5，而更好是等于或大于0.65，这时燃料电池可以被用作主要电源。

作为上面提到的结构的一个例子，图5表示了输出比和燃料效率或能效之间的相对关系。它表示，假设在电机驱动重2000kg的汽车且电机效率为80％的情况下，通过模拟燃料效率所获得的一种结果。在该图中，10-15模式的结果由实线表示而LA4模式的结果由虚线表示。LA4模式是一种用于美国的驱动模式以作为计算燃料效率的参考。燃料效率比是在各个输出比上通过以最大燃料效率标准化燃料效率所获得的值。如该图所示，燃料效率比在40％和80％的输出比范围内明显变高。

在本发明的第二种结构中，燃料电池的最大输出被设置为等于或大于在预定的周期内从一个端子连续输出的电能目标值的一个值。因此，相当于电能目标值的电能可以从具有较高运行效率的燃料电池连续输出，由此提高能效。在本发明的直流电源被用于电机驱动的汽车时，上面提到的电源目标值，比如，可以根据汽车的行驶性能来设置。燃料电池的最大输出可以通过输出与所需要的直流电源的电能之比来确定。

在本发明的第三种结构中，电能存储设备的容量被设置为等于或大于从一个外部设备向一个端子输入的电能的最大值。这使得从外部设备输入的电能能有效地充电并由此提高能效。在将本发明的直流电源用于电机驱动的汽车时，电能例如可以根据通过将电机用作发电机制动汽车时所恢复的还原电能来设定。电能存储设备的容量可以利用燃料电池的输出与所需要的直流电源电能的比值来确定。

在上面提到的第一至第三结构中所考虑的条件可以被适当组合，以设定燃料电池和电能存储设备的输出。在设定这些输出时，最好要考虑所有的条件。

在第一至第三结构中，燃料电池和电能存储设备的最大总输出最好等于或大于输出端子所需的最大电能。此外，提供能使连接于电源的负载设备容量被完全利用的电能是有可能的。如果最大总输出与所需要的最大电能相匹配，电源的容量可以被完全利用，它优化了能效和空间效率。

本发明的直流电源最好包括连接在电能存储设备和端子之间一个直流-直流转换器。在第一至第三结构中，使用燃料电池电能的频率高于电能存储设备的频率。在电压转换期间，在直流-直流转换器中产生的电能损耗可以通过将直流-直流转换器连接到具有相对较低的利用频率的电能存储设备侧来控制。

在本发明中，电能存储设备例如可以是一个蓄电池。也可以使用其它可充电设备如电容。

本发明除了被构成为直流电源外，还可以构成为使用这种电源的各种设备，比如由电机所驱动的汽车。此外，本发明可以构成为设计直流电源的方法，提供设定燃料电池和电能存储设备的输出的步骤，以便满足第一至第三结构所列举的条件。

附图说明

图1是装有作为本发明某一实施例的电源系统的汽车示意图；

图2是行驶时电能控制过程的流程图；

图3是表示燃料电池输出特性的示意图；

图4是表示用于设定燃料电池和电池输出比的方法的流程图；