CN101606261B - 电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电源系统，其包括燃料电池作为其能源并且不仅具有高能量密度而且还具有高功率密度并且可以以简单方式对功率消耗的急剧变化进行响应。在电源系统(10)中，燃料电池(1)连接至DC/DC转换器的输入端，而锂离子二次电池和负载(4)并联连接至输出端。设置测量二次电池(3)的端电压的电压测量装置(6)以及设置转换器(2)的目标输出电压的控制微型计算机(5)，并且将目标输出电压设置成稍微高于端电压。燃料电池(1)在提高最高燃料转换效率的发电条件下工作。由于这种构造，由燃料电池(1)和转换器(2)构成的系统所起的作用同以等于二次电池(3)的端电压的电压输出由燃料电池(1)产生的功率的恒定电压/电流源一样。该输出电流相对于用于驱动负载(4)的驱动电流的过量/不足自动地通过二次电池(3)的充电或放电来调整。

Description

电源系统
技术领域
本发明涉及一种包括燃料电池作为其能源并且不仅具有高能量密度而且具有高功率密度的电源系统。
背景技术
近年来，诸如便携式电话、笔记本式个人计算机、数字照相机、和摄像机的便携式电子装置具有随着其功能增强和其功能数量增加其功率消耗增加的趋势。作为这些便携式电子装置的电源，通常使用小型的原电池和二次电池。
显示电池特性的参数包括能量密度和功率密度。能量密度是指每单位质量或单位体积的电池可以供应的电能。功率密度是指每单位质量或单位体积的电池输出的功率。用于便携式电子装置中的电池要求具有增强的能量密度和功率密度使得电池可以与电子装置的功能的进一步增强以及电子装置的功能数的进一步增加相适应。
例如，目前广泛用作便携式电子装置的电源的锂离子二次电池具有高功率密度的优良特性。此外，其能量密度也相当高，并且其体积能量密度达到400Wh/L以上。然而，除非大大改变其材料，否则不能期待锂离子二次电池的能量密度的进一步大幅提高。
因此，期待燃料电池作为下一代用于便携式电子装置的电源，以便保持与便携式电子装置的相容性，期待将来推进功能数和功率消耗的进一步增加。
在燃料电池中，将燃料供应至阳极侧并且使燃料氧化，而将空气或氧气供应至阴极侧并使氧气还原。在整个燃料电池中，发生了通过氧气引起的燃料的氧化反应。结果，燃料的化学能被有效地转化成电能并且被提取(获得)。因此，如果持续补给燃料，则除非发生燃料电池的故障，否则可以在不充电的情况下持续使用燃料电池作为电源。
已经进行了各种燃料电池的实验制造，并且一部分燃料电池已经投入实际使用中。在这些燃料电池中，具有用作用于便携式电子装置的电源的最高可能性的燃料电池是具有质子传导性高分子膜作为其电解质的高分子电解质燃料电池(PEFC)。在PEFC中，其中甲醇无需进行改质(reform)而被供应至阳极作为燃料的直接甲醇型燃料电池(DMFC)具有最高的可能性。
在DMFC中，作为燃料的甲醇通常以低浓度或高浓度水溶液被供应至阳极侧，并且如以下方程式(1)所示在阳极侧的催化剂层中被氧化成二氧化碳。
阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-    ·····(1)
此时生成的氢离子穿过夹在阳极与阴极之间的质子传导性高分子电解质膜并且移动至阴极侧。如由以下方程式(2)所示，氢离子在阴极侧的催化剂层中与氧气反应，从而产生水。
阴极：6H++(3/2)O2+6e-→3H2O    ····(2)
在整个DMFC中发生的反应由合并方程式(1)和方程式(2)获得的以下反应方程式(3)表示。
整个DMFC：CH3OH+(3/2)O2→CO2+2H2O    …(3)
可以期待，DMFC的体积能量密度可以达到比锂离子二次电池的体积能量密度大数倍。然而，作为DMFC的问题之一，可以列举低功率密度。因此，如果对于操作便携式电子装置，尝试单独通过燃料电池来产生功率，则存在这样的担忧，即，燃料电池的尺寸变得太大并且结果燃料电池不能一体化到便携式电子装置中。
此外，虽然理论上燃料电池期待具有高能量密度，但燃料转化效率(实际可以从燃料获得的电能与理论值的比率)和功率输出受发电电流和发电电压的影响。因此，存在这样的担忧，即，当负载实际被驱动时可以实现的能量密度(在下文中，称作有效能量密度)显著降低。这点将在下面描述。
图5的(a)是示出了在DMFC发电时的一般电流-电压特性的曲线图。如图5的(a)所示，由于在DMFC中极化较大，因此随着发电电流增加，发电电压逐渐降低。
图5的(b)是示出了DMFC的功率输出、燃料转化效率以及发电电压之间的相互关系的曲线图。由DMFC输出的功率取决于发电电压和发电电流的乘积。因此，在其中发电电压高但发电电流小的区域中、以及在其中发电电流太大并因此发电电压由于极化而降低的区域中，功率输出低。功率输出在这些区域间的中间的区域中获得最大值。此外，在其中发电电流小的区域中由于甲醇渗透(crossover)等，DMFC的燃料转化效率降低，并且在其中发电电流大的区域中由于极化导致的发热引起的能量损失，DMFC的燃料转化效率降低。因此，燃料转化效率在这些区域间的中间的区域中最高。甲醇渗透是指甲醇穿过电解质膜从阳极侧移动至阴极侧的现象。
为了提高DMFC的有效能量密度，期望使DMFC的发电在燃料转化效率最高的区域(在由图5的(b)中的虚线表示的发电电压周围)中进行，并且将燃料的化学能有效地转化成电能。然而，作为负载的便携式电子装置等的功率消耗随时间而急剧变化，因此燃料电池的功率输出也相应地大幅增减。因此，如果DMFC和负载简单连接，则几乎不存在使DMFC的发电在燃料转化效率为最高的区域进行的时间带。因此，DMFC的燃料转化效率显著降低，并且实际可从DMFC获得的电能显著减少。结果，存在这样的担忧，即，DMFC的有效能量密度被降低至等于或低于现有锂离子电池的水平。
因此，为了将DMFC的有效能量密度提高至接近理论值的值，有必要提供不管负载的功率消耗变化，使DMFC总是在其中燃料转化效率最高的区域中执行发电的设计(contrivance)，诸如用于产生其中DMFC可以以这样的方式操作使得保持恒定的发电电压、恒定的发电电流或恒定的发电输出状况的设计。
为了解决这些问题，日本专利公开第Hei 10-40931号(第2和第7页，图1和图4)等提出了混合型电源系统，其中燃料电池和二次电池并联连接至负载，并且燃料电池和二次电池中的至少一个向负载供电。日本专利公开第Hei 10-40931号包括以下描述。具体地说，如果采用这样的构造，当负载小于预定量，并且燃料电池的功率输出具有余量(margin，裕度)时，负载的驱动和二次电池的充电可以通过燃料电池来执行。此外，当负载增加时，负载可以通过燃料电池和二次电池来驱动。因此，可以抑制各个电池的各自容量，因此可以抑制电源系统的尺寸增加。
图6是基于日本专利公开第Hei 10-40931号所示出的燃料电池和二次电池的电流-电压特性，用于说明上述电源系统的操作的一部分的曲线图。图6所示的燃料电池和二次电池的操作电压均不是单个电池的操作电压，而是通过串联连接多个电池而获得的电池堆叠体的操作电压。
在燃料电池中，通过采取DMFC作为实例，如上所述发电电压随发电电流的增加由于极化而降低。另一方面，在诸如锂离子二次电池的二次电池中，在相当大的范围内存在其中虽然放电电流变化但放电电压并没有如此大的变化的区域。此时放电电压Vc的大小根据充电状态而变化。为了驱动负载，燃料电池和二次电池需要在其中可以保持等于或高于负载的最小驱动电压的驱动电压的区域中操作。
如果将当负载较小时的驱动电压定义为V1(＞Vc)，则此时由燃料电池和二次电池供应的电流分别作为图6中的If1和Ir1而获得。因为If1＞＞Ir1，所以此时大部分功率由燃料电池供应。另一方面，如果将当负载较大时的驱动电压定义为V2(＜Vc)时，则此时由燃料电池和二次电池供应的电流分别作为图6中的If2和Ir2而获得。因为If2＜Ir2，所以在这种情况下由二次电池供应的功率高于由燃料电池供应的功率。
虽然负载增加并且驱动电压从V1越过Vc减小到V2，但来自燃料电池的发电电流仅从If1增加到If2。相反，来自二次电池的放电电流从Ir1大幅增加至Ir2。这表明在该时间段中增加的大部分功率消耗由二次电池供应。此外，如果功率消耗的这种增加仅由燃料电池负担，则如从图6中所显而易见地，燃料电池的发电电压被降低至低于负载的最小驱动电压的水平。这表明，如果电源仅由燃料电池形成，则需要燃料电池的尺寸增加，使得可以保持等于或高于最小驱动电压的发电电压，并且将功率密度优异的二次电池并联连接至燃料电池允许燃料电池的尺寸减小，因此整个电源系统尺寸减小。
此外，日本专利公开第2003-333708号(第3～5页，图1～2，表1)提出了一种混合型能量系统。在该能量系统中，诸如DC/DC转换器的转换器(电压转换器)串联连接至燃料电池，并且允许转换器的输出电压与诸如二次电池的能量存储装置的电压之间的平衡。此外，燃料电池和转换器整体并联连接至能量存储装置和负载。
表1示出了在该混合型能量系统中的主要操作模式1～4的总结。在该表中，SOC表示能量存储装置的能量积累状态。SOCU表示预定的高积累状态。SOCL表示预定的低积累状态。例如，SOCU是其中积累了最大积累量的约70％～90％的能量的状态。SOCL是其中积累了约20％～50％的能量的状态。PFCOPT表示当燃料电池以最佳效率操作时的功率输出。PREQ表示负载所需要的功率输出量。此外，E存储装置是能量存储装置的缩写。
表1
Figure G2008800043809D00061
上述混合型能量系统基于多个操作原理来操作。首先，只要能量存储装置的能量积累状态SOC大于高积累状态SOCU(SOC＞SOCU)，能量存储装置就将所有功率(电力)供应至负载而燃料电池不操作(操作模式1)。其次，如果SOC小于高积累状态SOCU但大于低积累状态SOCL(SOCU＞SOC＞SOCL)，则燃料电池以最佳效率操作并产生功率PFCOPT。如果负载需要的功率输出量PREQ超过PFCOPT(PREQ＞PFCOPT)，则能量存储装置供应功率不足(操作模式2)。另一方面，如果PREQ小于PFCOPT(PREQ＜PFCOPT)，则过多的功率积累在能量存储装置中(操作模式3)。第三，如果SOC小于低积累状态SOCL(SOCL＞SOC)，则燃料电池执行高功率输出的发电，从而将所有功率(电力)供应至负载并且以最大速度将功率积累在能量存储装置中(操作模式4)。
该系统的特征在于，如从操作模式1中所看到的，能量存储装置尽可能保持在高积累状态，并且只要在能量存储装置中积累足够的能量，则不是燃料电池而是能量存储装置对负载所需要的能量进行响应。日本专利公开第2003-333708号包括以下描述。具体地，如果采用这样的构造，则不管负载的变化如何，燃料电池都可以以最佳效率操作，并且燃料电池的尺寸得以减小。此外，允许对于负载的能量需求的变化的比较快速的响应。
如从图6的描述中所显而易见的是，在日本专利公开第10-40931号的电源系统中，系统的特性完全取决于使用的燃料电池和二次电池的特性。例如，来自二次电池的放电电流在驱动电压降低至Vc以下的点周围大幅增加，并且该Vc取决于二次电池的电流-电压特性。Vc的大小根据二次电池的充电状态而变化，因此对应于来自二次电池的放电电流的增加开始的电压根据二次电池的充电状态而变化。
此外，为了使燃料电池和二次电池在该电源系统中有效地发挥各自的功能，如图6所示，各电池的电流-电压曲线需要在适当的区域中彼此交叉。此外，为了通过燃料电池的功率输出对二次电池进行充电，燃料电池的发电电压必须等于或高于二次电池的充电电压。二次电池的充电电压高于其开路端电压Vro，并且燃料电池的发电电压低于其开路端电压Vfo。因此，燃料电池的开路端电压Vfo必须至少高于二次电池的开路端电压Vro。
如上所述，如同日本专利公开第Hei 10-40931号的电源系统，在其中燃料电池堆叠体和二次电池堆叠体仅并联连接的简单电源系统中，燃料电池的特性和二次电池的特性相互制约，这导致限制了系统性能和稳定性的提高。
关于日本专利公开第2003-333708号的能量系统，因为燃料电池经由诸如DC/DC转换器的转换器(电压转换器)连接至能量存储装置和负载，因此存在足够的提高系统性能的余地。然而，如在日本专利公开第2003-333708号中从图2中所显而易见的是，控制步骤复杂，并且控制系统的尺寸变得更大，这导致更高的成本。
为了解决上述问题提出了本发明，并且本发明的一个目的是提供一种电源系统，该电源系统包括燃料电池作为其能源并且不仅具有高能量密度而且还具有高功率密度，并且可以以简单的方式对功率消耗的急剧变化进行响应。
发明内容
具体地，本发明涉及一种电源系统，其中燃料电池连接至直流电压转换器的输入端，并且将负载和电能存储装置并联连接至直流电压转换器的输出端，该电源系统的特征在于，具有：
测量装置，其测量电能存储装置的端电压；以及控制装置，其基于端电压设置直流电压转换器的目标输出电压，其中，
目标输出电压被设置为高于端电压，
燃料电池在预定的发电条件内工作，
如果由燃料电池产生并经由直流电压转换器输出的功率高于负载的功率消耗，则自动执行通过直流电压转换器进行的电能存储装置的充电，并且将直流电压转换器的输出电压保持在电能存储装置的充电电压，以及
如果由燃料电池产生的并经由直流电压转换器输出的功率低于负载的功率消耗，则自动执行从直流电压转换器向负载放电，并且将直流电压转换器的输出电压保持在电能存储装置的放电电压。
如上所述，如在日本专利公开第Hei 10-40931号中提出的电源系统，在其中燃料电池和二次电池直接并联连接的电源系统中，燃料电池的特性和二次电池的特性相互制约，其导致限制系统性能和稳定性的提高。相反，在本发明的电源系统中，燃料电池经由直流电压转换器连接至电能存储装置和负载。如所公知的，诸如DC/DC转换器的直流电压转换器可以设置输出端侧上的输出电压，而无需取决于输入端侧上的输入电压。因此，在本发明的电源系统中，燃料电池的特性和电能存储装置的特性较少地相互制约。因此，可以选择最佳部件作为燃料电池和电能存储装置中的每一个，并且可以在它们各自的最佳操作条件下几乎独立地操作它们。
结果，在直流电压转换器的输入端侧上，不管输出端侧上的负载大小和电能存储装置的充电状态如何，燃料电池都可以在预定的发电条件内工作。该预定的发电条件例如是以提供燃料电池的最高燃料转换效率的燃料供应率来供应燃料并且产生具有一定大小的功率的条件。这可以实现具有高能量密度的电源系统。
另一方面，在直流电压转换器的输出端侧上，将目标输出电压设置为高于电能存储装置的端电压。然而，电能存储装置在短路状态下或者在经由电流测量装置等接近于短路状态的状态下连接至直流电压转换器的输出端。此外，在输入端侧上，燃料电池在预定的发电条件下工作。作为它们的结果，直流电压转换器的输出电压并没有达到目标输出电压。
具体地，如果电能存储装置没有连接至输出端，则当由燃料电池产生的可以经由直流电压转换器输出的功率高于功率消耗时，直流电压转换器的输出电压应达到目标输出电压。然而，实际上电能存储装置连接至输出端。因此，当输出电压即将超过电能存储装置的充电电压时，自动开始通过直流电压转换器进行的电能存储装置的充电，使得由燃料电池产生的过多功率被快速地捕获到电能存储装置中。结果，直流电压转换器的输出电压保持在等于电能存储装置的充电电压的大小。在下文中，该操作模式将被称作充电驱动模式。
此外，如果电能存储装置没有连接至输出端，则当由燃料电池产生的并经由直流电压转换器输出的功率低于功率消耗时，产生的功率(产生的电能)无法完全供给功率消耗，并且直流电压转换器的输出电压应显著降低至0V附近。然而，实际上电能存储装置连接至输出端。因此，当输出电压即将变得低于电能存储装置的放电电压时，自动开始从电能存储装置放电至负载，使得由燃料电池产生的功率的不足通过由电能存储装置的放电来补偿。结果，直流电压转换器的输出电压保持在等于电能存储装置的放电电压的大小。在下文中，这种操作模式称作放电模式。在该放电模式中，由燃料电池产生的功率的不足通过由电能存储装置的放电来补偿。因此，如果使用具有高功率密度的锂离子二次电池等作为电能存储装置，则可以实现具有高功率密度的电源系统。
此外，如果在充电驱动模式与放电模式之间由燃料电池产生的并经由直流电压转换器输出的功率几乎等于负载的功率消耗，则不进行充电或放电，而仅仅进行由燃料电池产生的功率来驱动负载。在下文中，该操作模式将称作驱动模式。并且在该驱动模式中，直流电压转换器的输出电压并没有达到目标输出电压，而是大约保持在电能存储装置的充电电压与放电电压中间(intermediate)的开路端电压。
在日本专利公开第2003-333708号中提出的混合型能量系统中，控制器需要指定采用操作模式1～4中的哪一个操作模式作为系统操作的操作模式，因此使控制系统复杂化。不仅日本专利公开第2003-333708号的能量系统具有控制系统复杂的问题，而且大多数传统的混合型能量系统也具有控制系统复杂的问题。相反，在本发明的电源系统中，虽然为了方便将它们称作充电驱动模式、驱动模式以及放电模式以便简要地表达系统操作的特性，但是在这些操作模式之间不存在电路差异。取决于由燃料电池产生的并经由直流电压转换器输出的功率与负载的功率消耗之间的大小关系，可以自动且连续地切换这些模式。因此，可以利用简单的控制方式(means)来形成具有高能量效率的混合型能量系统。
在本发明的电源系统中可以进行简单且提供高能量效率的控制，原因之一在于，虽然对直流电压转换器设置目标输出电压，但是如上所述，直流电压转换器实际上并没有达到该目标输出电压。将在下面补充该特征的主要要点。
因为电能存储装置在短路状态或接近短路状态的状态下连接至直流电压转换器的输出端，因此直流电压转换器的输出电压等于或几乎等于电能存储装置的端电压。因此，当输出电压即将超过电能存储装置的充电电压时，电能存储装置自动开始充电，从而将输出电压保持在等于或几乎等于充电电压的大小。此外，当输出电压即将变成低于电能存储装置的放电电压时，电能存储装置自动开始放电，从而将输出电压保持在等于或几乎等于放电电压的大小。以这种方式，输出电压是处于通过电能存储装置进行的有效支配下，并且保持在等于或几乎等于电能存储装置的端电压的大小。
另一方面，如果设置高于电能存储装置的端电压的目标输出电压，则为了达到目标输出电压，直流电压转换器通过输入端吸取(take in)由燃料电池产生的功率，并且将该功率输出至输出端。然而，因为输出电压保持在等于或几乎等于端电压的大小，因此直流电压转换器实际上无法达到目标输出电压。直流电压转换器试图通过输入端尽可能多地吸收由燃料电池产生的功率并将该功率输出至输出端，因此该直流电压转换器在输出电压由于功率不足而开始降低的下降区域(fall-off region)进行操作。结果，由燃料电池和直流电压转换器构成的系统所起的作用与以等于电能存储装置的端电压的电压输出由燃料电池所产生的功率的恒定电压/电流源一样。
在其中直流电压转换器的输出电压完全被电能存储装置的端电压支配的情况(诸如其中具有低功率输出但具有高能量密度的诸如燃料电池的能源提供给以脉冲方式间歇地发生高功率消耗的负载和具有高功率输出并能对脉冲方式功率消耗进行响应的诸如锂离子二次电池的电能存储装置的情况)下，这样的电源系统的特性被最大程度地发挥。这种情况也是最有效地应用混合型能量系统的情况。因此，本发明的电源系统可以有效地应用于其中需要混合型能量系统的许多情况。
附图说明
图1是示出了基于本发明的实施方式的电源系统的构造的说明图。
图2是示出了基于本发明的该实施方式的电源系统的操作的说明图。
图3是示出了包括在基于本发明的实施方式的电源系统中的燃料电池的结构的截面图(a)以及膜-电极装配体(MEA)的放大截面图(b)。
图4是示出了在本发明的实施例中电源系统的负载变化和操作模式的说明图。
图5是示出了在DMFC的发电时的一般电压-电流特性的曲线图(a)以及示出了在DMFC的功率输出、燃料转化效率和发电电压之间的相互关系的曲线图(b)。
图6是示出了燃料电池和二次电池的电压-电流特性的曲线图，用于说明在日本专利公开第Hei 10-40931号中描述的电源系统的操作的一部分。
具体实施方式
在本发明的电源系统中，优选直流电压转换器的目标输出电压设置为稍微高于电能存储装置的端电压。如果目标输出电压设置为高于端电压，则本发明的电源系统可以工作。然而，如果目标输出电压设置得无谓的高，则在背离预定的发电条件的条件下进行燃料电池的发电，并且通过直流电压转换器进行的电压转换的能量效率(在下文中，简称为电压转换效率)降低。因此，作为电源系统的能量效率降低。
上面描述的原因如下。如上所述，直流电压转换器的输出电压等于或几乎等于电能存储装置的端电压。因此，目标输出电压与端电压之间的差等于或几乎等于目标输出电压与实际上在直流电压转换器中实现的输出电压之间的差。该差异较大的状态相当于直流电压转换器以相当深地进入下降区域(fall-off region)的方式操作的状态。因此，为了减小该差异，直流电压转换器试图在背离预定的发电条件的条件下提取由燃料电池产生的功率，并且使直流电压转换器本身在具有低电压转换效率的条件下工作。因此，作为电源系统的能量效率降低。
在这种情况下，优选调整目标输出电压，并且基于目标输出电压与端电压之间的差来控制通过燃料电池进行的发电。如上所述，通过改变该差的大小，可以改变直流电压转换器的操作状态以及在提取由燃料电池产生的功率时的条件。
在这种场合下，优选通过改变目标输出电压与端电压之间的差，将燃料电池的发电电压控制为落在预定的范围内，将燃料电池的发电电流控制为落在预定的范围内，或者将由燃料电池产生的功率控制为落在预定的范围内。
例如，优选设置目标输出电压，使得直流电压转换器的输入电压，即燃料电池的发电电压等于或高于预定值a并且等于或低于预定值b。直流电压转换器的输入电压的预定值a是允许通过直流电压转换器进行的高效率电压转换的足够大的电压值。燃料电池的从预定值a至预定值b的发电电压是使燃料电池以高燃料转化效率发电的电压值。
可选地，优选设置目标输出电压，使得直流电压转换器的输入电流，即燃料电池的发电电流等于或大于预定值c并且等于或小于预定值d。从预定值c到预定值d的电流值是允许通过直流电压转换器进行的高效率电压转换的足够大的电流值，并且是使燃料电池以高燃料转化效率发电的电流值。
可选地，优选设置目标输出电压，使得直流电压转换器的输入功率，即由燃料电池产生的功率等于或高于预定值e并且等于或低于预定值f。从预定值e到预定值f的功率值是可以提供允许通过直流电压转换器进行的高效率电压转换的足够高的燃料电池电压的功率值，并且是使燃料电池以高燃料转化效率发电的功率值。
可选地，在这种场合下，优选通过改变目标输出电压与端电压之间的差，将直流电压转换器的输出电流控制为落在预定的范围内，或将直流电压转换器的输出功率控制为落在预定的范围内。
例如，优选设置目标输出电压使得直流电压转换器的输出电流等于或大于预定值g且等于或小于预定值h。从预定值g到预定值h的直流电压转换器的输出电流是允许燃料电池保持足够高的发电电压(允许通过直流电压转换器进行的高效率电压转换)的电流值，并且是使燃料电池以高燃料转化效率发电的电流值。
可选地，优选设置目标输出电压使得直流电压转换器的输出功率等于或高于预定值i且等于或低于预定值j。从预定值i到预定值j的功率值是允许燃料电池保持足够高发电电压(其允许通过直流电压转换器进行的高效率电压转换)的功率值，并且是使燃料电池以高燃料转化效率发电的功率值。
此外，优选通过由燃料电池产生并经由直流电压转换器输出的功率来执行：
其中仅执行电能存储装置的充电的充电模式；
其中执行电能存储装置的充电和对负载的电力供应的充电驱动模式；
以及其中仅执行对负载的电力供应的驱动模式，以及
通过由燃料电池产生并经由直流电压转换器输出的功率和电能存储装置的放电输出来执行：
其中执行对负载的供电的放电模式。充电模式是在没有使用如负载的电子装置等的期间用于在空闲时间带(spare time zone)对电能存储装置进行充电的模式等。由于具有专门用于充电的该模式，所以本发明的电源系统可以通过使用具有较低功率输出的燃料电池作为燃料电池来形成。
此外，优选控制装置由微型计算机形成。为了简单地进行控制，较好地是，利用现有的微型计算机。然而，控制装置并不限于此，而是可以由另一逻辑电路、开关装置等形成。
此外，优选燃料电池是直接甲醇型燃料电池(DMFC)。高分子电解质燃料电池(PEFC)采用固体高分子质子导电膜作为电解质，因此具有极好的在其他燃料电池中未发现的特性，诸如没有电解质散布、抗振动的坚固性、尺寸和重量的降低的可能性以及高功率密度。在PEFC中，DMFC具有这样的优点，即因为其不需要改质器(reformer)，因此可以减小装置尺寸。
然而，燃料电池并不限于此，而是可以包括诸如其他高分子电解质燃料电池(PEFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)以及碱性燃料电池(AFC)的燃料电池中的一种或多种。还可以以串联或并联使用多个燃料电池。
此外，优选电能存储装置是锂离子二次电池。因为锂离子二次电池具有高功率密度，因此其可以有效地补偿具有低功率密度的燃料电池的弱点，并且在不增加燃料电池的尺寸的情况下，可以对负载的高功率的需求进行响应。即，可以实现不仅具有高能量密度而且具有高功率密度的电源系统。
然而，电能存储装置并不限于此，而是可以包括诸如锂电池、锂离子聚合物电池、镍-氢电池、镍-镉电池以及超级电容器的电能存储装置中的一种或多种。还可以以串联或并联使用多个电能存储装置。
下面将参照附图详细地描述基于本发明的实施方式的电源系统。该电源系统是这样的实例，其中上述的燃料电池为直接甲醇型燃料电池(DMFC)1、上述的直流电压转换器是DC/DC转换器2、上述的电能存储装置是锂离子二次电池3，并且上述的控制装置是控制微型计算机5。
图1是示出了基于本发明的实施方式的电源系统10的构造的说明图。电源系统10主要由燃料电池1、DC/DC转换器2、锂离子二次电池3以及控制微型计算机5构成。燃料电池1的输出连接至DC/DC转换器2的输入端。锂离子二次电池3和负载4并联连接至DC/DC转换器2的输出端。作为燃料电池1和锂离子二次电池3的每一个，通常不是使用单个电池而是使用通过串联连接多个电池而获得的电池堆叠体。
DC/DC转换器2可以是通常的DC/DC转换器。然而，需要构造成使得对应于DC/DC转换器2的目标输出电压的基准电压可以施加至误差放大器的参考电压输入端。
负载4是诸如便携式电话、笔记本式个人计算机、数字相机或摄像机的便携式电子装置。被电源系统10中的测量装置和控制装置消耗的功率由负载4单独供应。
在电源系统10中，设置电压测量装置6作为用于锂离子二次电池3的端电压的测量装置，并且设置用于在充电模式下使锂离子二次电池3与负载4分开的开关7。此外，作为用于测量燃料电池1的工作状态的装置，根据需要可以设置用于测量发电电流的电流测量装置11和用于测量发电电压的电压测量装置12。此外，可以设置用于测量DC/DC转换器2的输出电流的电流测量装置13和用于测量流入负载中的驱动电流的电流测量装置14。虽然可以单独提供用于测量电流的电流测量装置，但是可以获得从锂离子二次电池3流出的放电电流或流入至锂离子二次电池3的充电电流，作为上述两种电流的电流值之间的差。这些装置11～14使电源系统10的操作在实验上更清楚，并且所有装置11～14在实际使用阶段在电源系统中不是都需要的。
将由这些装置获得的测量数据输入至控制微型计算机5。控制计算机5基于预定的控制方法控制DC/DC转换器2的操作以及开关7的接通和断开。取决于负载4中的功率消耗的存在/不存在和大小的不同，电源系统10具有四种操作模式。这示于表2中。在该表中，“电源系统中的功率消耗”是指用于操作电源系统而消耗的功率，并且是在控制装置和测量装置中消耗的功率、在DC/DC转换器中消耗的功率以及在用于对燃料电池1的燃料供应的装置中消耗的功率的总和。
表2
模式   负载中的功率消耗   功率消耗与燃料电池输出之间的关系 锂离子二次电池
充电模式 不存在   电源系统中的功率消耗＜燃料电池输出 充电
  充电驱动模式   低   (负载+电源系统)中的功率消耗＜燃料电池输出   充电
驱动模式 稍高   (负载+电源系统)中的功率消耗＝燃料电池输出 没有充电和放电
放电模式 高   (负载+电源系统)中的功率消耗＞燃料电池输出 放电
充电模式是在负载4中不存在功率消耗的情况。在这种模式中，由燃料电池1产生的功率被用作经由DC/DC转换器2对锂离子二次电池3进行充电以及在电源系统10中消耗的功率。仅在这种模式的情况下，开关7设置成断开状态，以将负载4与锂离子二次电池3分开。在其他模式的情况下，开关7设置成接通状态。充电模式是在没有使用如负载4的电子装置等的空闲时间带中用于对锂离子二次电池3进行充电的模式。由于具有该模式，所以电源系统10可以形成有具有更低功率输出的燃料电池。
充电驱动模式是负载4中的功率消耗低的情况。在这种模式中，由燃料电池1产生的功率被用作经由DC/DC转换器2对锂离子二次电池3进行充电的功率，以及在负载4和电源系统10中消耗的功率。
驱动模式是负载4中的功率消耗稍高的情况。在这种模式中，由燃料电池1产生的功率被用作经由DC/DC转换器2在负载4和电源系统10中消耗的功率，并且没有进行锂离子二次电池3的充电和放电。
放电模式是负载4中的功率消耗高的情况。在这种模式中，燃料电池1经由DC/DC转换器2的发电输出和锂离子二次电池3的放电输出被用作在负载4和电源系统10中消耗的功率。在这种操作模式中，由燃料电池1产生的功率的不足通过锂离子二次电池3补偿。这允许以短时间脉冲方式与由负载4引起的高功率消耗相容，而不会增大燃料电池1的尺寸，因此可以实现具有高功率密度的电源系统10。
图2是示出了电源系统10的操作的说明图。基于本发明的电源系统10的特性在于根据由燃料电池1产生的功率与负载4中的功率消耗之间的大小关系自动且连续地切换充电驱动模式、驱动模式和放电模式这三种操作模式。下面将利用图2来描述电源系统10的操作。
图2的(a)是示出了当由以恒定功率输出发电的燃料电池1和DC/DC转换器2构成的系统单独地驱动负载4而没有连接至锂离子二次电池3时的电流-电压特性的曲线图。DC/DC转换器2的目标输出电压Vs假定设置为高于锂离子二次电池3的开路端电压Vro。
当输出电流较小时，即，当负载4的功率消耗低且由燃料电池1产生的功率高于该功率消耗时，DC/DC转换器2的输出电压达到目标输出电压Vs，如在图2的(a)的左侧所示。另一方面，当输出电流较大时，即，当负载4的功率消耗较高且由燃料电池1产生的功率低于该功率消耗因此不足时，DC/DC转换器2的输出电压不能达到目标输出电压Vs，而是进入下降区域，以随着输出电流的增加而快速降低至0V附近，如在图2的(a)的右侧所示。
图2的(b)是示出了在由以恒定功率输出来发电的燃料电池1和DC/DC转换器2构成的系统并联连接至锂离子二次电池3并驱动负载4的电源系统10的情况下的电流-电压特性的曲线图。DC/DC转换器2的目标输出电压Vs假定设置为高于锂离子二次电池3的开路端电压Vro。
当电源系统10在图2的(b)的左侧所示的充电驱动模式下工作时，即，当负载4的功率消耗低且由燃料电池1产生的功率高于该功率消耗时，如果锂离子二次电池3没有连接至输出端，则如在图2的(a)中所示，DC/DC转换器2的输出电压将达到目标输出电压。然而，实际上锂离子二次电池3经由电流测量装置13以基本上短路的状态连接至DC/DC转换器2的输出端。因此，当DC/DC转换器2的输出电压即将超过锂离子二次电池3的充电电压Vrr时，自动开始通过DC/DC转换器2进行锂离子二次电池3的充电，使得燃料电池1过多的发电电流快速地被捕获到锂离子二次电池3中。结果，DC/DC转换器2的输出电压保持在等于锂离子二次电池3的充电电压Vrr的大小，并且由燃料电池1和DC/DC转换器2构成的系统起的作用同以等于充电电压Vrr的电压输出由燃料电池1产生的功率的恒定电压/电流源一样。在这种情况下，满足以下关系。
(DC/DC转换器2的输出电流)＝(用于驱动负载4的驱动电流)+(用于对锂离子二次电池3进行充电的充电电流)。
当电源系统10在图2的(b)的右侧所示的放电模式下工作时，即，当负载4的功率消耗高且由燃料电池1产生的功率低于该功率消耗时，如果锂离子二次电池3没有连接至输出端，则如在图2的(a)中所示，DC/DC转换器2的输出电压将随着输出电流的增加而快速降低至0V附近。然而，实际上锂离子二次电池3以基本上短路的状态连接至DC/DC转换器2的输出端。因此，当DC/DC转换器2的输出电压即将变得低于锂离子二次电池3的放电电压Vrd时，自动开始从锂离子二次电池3至负载4的放电，使得由燃料电池1产生的功率的不足通过锂离子二次电池3补偿。结果，DC/DC转换器2的输出电压保持在等于锂离子二次电池3的放电电压Vrd的大小，并且由燃料电池1和DC/DC转换器2构成的系统起的作用同以等于放电电压Vrd的电压输出由燃料电池1产生的功率的恒定电压/电流源一样。在这种情况下，满足以下关系。
(用于驱动负载4的驱动电流)＝(DC/DC转换器2的输出电流)+(来自锂离子二次电池3的放电电流)。在放电模式下，由燃料电池1产生的功率的不足通过锂离子二次电池3的放电来补偿。因此，可以实现具有高功率密度的电源系统。
此外，还当电源系统10在充电驱动模式与放电模式之间的中间的驱动模式下工作时，即，还当由燃料电池1产生的并经由DC/DC转换器2输出的功率几乎等于负载4的功率消耗时，DC/DC转换器2的输出电压没有达到目标输出电压。这是因为以下原因。具体地，即使DC/DC转换器2的输出电压试图变得高于充电电压Vrr，也发生锂离子二次电池3的充电。此外，即使输出电压试图变得低于放电电压Vrd，也发生锂离子二次电池3的放电。结果，DC/DC转换器2的输出电压大约保持在锂离子二次电池3的充电电压Vrr与放电电压Vrd之间中间的开路端电压Vro。在这种情况下，不执行充电或放电，而仅仅执行通过由燃料电池1产生的功率进行的负载4的驱动。即，满足以下关系。
(DC/DC转换器2的输出电流)＝(用于驱动负载4的驱动电流)
以上描述的总结如下。在电源系统10的充电驱动模式、驱动模式和放电模式的所有三种操作模式中，由产生恒定功率的燃料电池1和DC/DC转换器2构成的系统所起的作用同以几乎恒定的输出电压给出几乎恒定输出电流的恒压恒流电源一样。该输出电流相对于用于驱动负载的驱动电流的过量/不足通过锂离子二次电池3的充电或放电来自动地调整。
图3是示出了形成为DMFC的燃料电池1的结构的示意性剖视图(a)和膜电极装配体(MEA)34的放大剖视图(b)。
在燃料电池1中，膜电极装配体(MEA)34通过将燃料电极(阳极)32和氧气电极(阴极)33结合至Nafion(R)等的质子导电高分子电解质膜31的两个表面上而形成。如图3的(b)中所示，在燃料电极32中，由作为催化剂的铂、铂合金等与诸如Nafion(R)的质子导体的混合物构成的氧化催化剂层32b形成在诸如碳薄板或碳布的导电性多孔支持体32a的表面上。此外，在氧气电极33中，由作为催化剂的铂、铂合金等与诸如Nafion(R)的质子导体的混合物构成的还原催化剂层33b形成在诸如碳薄板或碳布的导电性多孔支持体33a的表面上。
膜电极装配体(MEA)34夹在电池上半部37与电池下半部38之间并且整合到燃料电池1中。分别为电池上半部37与电池下半部38提供燃料供给管39和氧气(空气)供给管40。从燃料供给管39供应甲醇水溶液，并且从氧气(空气)供给管40供应氧气或空气。
甲醇水溶液和氧气(或空气)穿过均具有通气孔(未示出)的燃料供应部35和氧气供应部36，并且分别被供应至燃料电极32和氧气电极33。燃料供应部35还用来将燃料电极32电连接至电池上半部37，并且氧气供应部36还用来将氧气电极33电连接至电池下半部38。
在燃料电池1中，作为燃料的甲醇通常作为低浓度或高浓度水溶液供应至燃料电极(阳极)32，并且如以下方程式(1)所示，在阳极侧上的氧化催化剂层32b上被氧化成二氧化碳。
阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-    ·····(1)
此时生成的氢离子穿过将阳极32与阴极33分开的质子导电高分子电解质膜31，并且移动至阴极侧。如以下方程式(2)所示，在氧气电极(阴极)33的还原催化剂层中，氢离子与氧反应，从而生成水。
阴极：6H++(3/2)O2+6e-→3H2O    ·····(2)
在整个燃料电池1中发生的反应通过以下方程式(3)表示，其是方程式(1)和方程式(2)的加和。
整个DMFC：CH3OH+(3/2)O2→CO2+2H2O    ·····(3)
通常，在采用有机液体燃料的燃料电池中，使用由固体高分子离子交换树脂构成的固体高分子电解质膜作为电解质。为了使燃料电池起作用，氢离子需要在该膜中从燃料电极(阳极)32移动至氧气电极(阴极)33。已知氢离子的这种移动通过水的移动来实现，并且需要在该膜中包含至少一定量的水。
然而，如果使用对水具有高亲和性的诸如甲醇的有机液体燃料，则燃料电池具有需要克服的问题，即，有机液体燃料在包含水的固体高分子电解质膜中显示出扩散移动并且进一步到达氧气电极(阴极)33(渗透)的问题。因为原本应该在燃料电极(阳极)32中提供电子的有机液体燃料在氧气电极(阴极)33上被氧化，从而这种渗透导致电压、功率输出以及燃料转化效率的降低，因此不能有效地用作燃料。因此，重要的是，控制燃料电池的发电状态并且使燃料电极(阳极)32的燃料消耗的速度最优化。
实施例
下面将基于实施例来进一步详细地描述本发明。然而，应当明了，本发明并不限于下面描述的实施例。
<燃料电池的制造>
作为用于形成燃料电池1的单个电池，制造了图3所示的DMFC。
以以下方式来制造燃料电极(阳极)32。具体地，首先，将其中由铂Pt和钌Ru以预定比率构成的合金催化剂承载在碳上的催化剂(由Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K.制备)和Nafion(注册商标，由杜邦公司Dupont Corporation制备)-分散的水溶液(由WakoChemical Ltd.制备)以7∶3的质量比相互混合。随后，将离子交换水加入到混合物中从而将混合物的粘度调节至适当的粘度，使得制造糊状混合物。通过刮刀法将该糊状混合物涂覆在作为导电性多孔支持体32a的碳纸(由Toray Industries，Inc.制备)上，然后干燥，使得形成氧化催化剂层32b。将其切成10mm×10mm的方形，从而获得为燃料电极(阳极)32。
此外，氧气电极(阴极)33也以类似方式制造。具体地，首先，将其中铂催化剂承载在碳上的催化剂(由Tanaka Kikinzoku KogyoK.K.制备)和Nafion-分散的水溶液(由Wako Chemical Ltd.制备)以7∶3的质量比相互混合。随后，将离子交换水加入到混合物中从而将混合物的粘度调节至适当的粘度，使得制造糊状混合物。通过刮刀法将该糊状混合物涂覆在作为导电性多孔支持体33a的碳纸(由Toray Industries，Inc.制备)上，然后干燥，使得形成还原催化剂层33b。将其切成10mm×10mm的方形，从而获得为氧气电极(阴极)33。
作为质子导电高分子电解质膜31，将Nafion 112(商品名)膜(由杜邦公司制备)切成12mm×12mm的方形。将其夹在燃料电极(阳极)32与氧气电极(阴极)33之间并在150℃的温度和1MPa的压力的条件下进行热压接合10分钟。从而，制造了其中燃料电极(阳极)32和氧气电极(阴极)33的整个表面通过之间的质子导电高分子电解质膜31隔开而彼此相对的膜电极装配体(MEA)34。
膜电极装配体(MEA)34夹在具有燃料供应口并用作燃料供应部35的镀金的不锈钢压制板与具有空气入口并作用氧气供应部36的镀金的不锈钢压制板之间。从而，获得了用于燃料电池1的单个电池。此时，通过特氟隆(Teflon)(注册商标)膜来防止燃料电极(阳极)32与氧气电极(阴极)33之间的短路。
<电源系统10的制备>
通过串联连接6个上述燃料电池来形成燃料电池1。燃料电池1的最佳发电电压为约1.8V。作为锂离子二次电池3，使用了250mAh级电池。锂离子二次电池3的放电电压为约3.0V～4.2V。在该实验中，使用进行以下处理(工艺)的二次电池：预先对电池满充电至4.2V，然后以50mA的恒定电流从该满充电状态放电，并且在放电电压达到3.5V时结束放电。将燃料电池1的输出端连接至DC/DC转换器2的输入端，并将锂离子二次电池3和电子负载4并联连接至DC/DC转换器2的输出端。从而，形成了电源系统10的主要部分。
此外，将20mΩ的电流检测电阻器设置为电流测量装置11、13和14，并且流过各单元的电流值通过检测越过电流检测电阻器的电压降来测量。
在室温下以这样的方式执行通过燃料电池1进行的发电，使具有80wt％浓度的甲醇水溶液以恒定速度被供应至阳极32。此外，对于电子负载4的功率消耗，如图4所示，重复其中使100mW的低功率消耗周期持续55秒，之后使1W的高功率消耗周期存在5秒的模式。在低功率消耗周期期间，电源系统10在充电驱动模式下工作，而在高功率消耗周期期间，电源系统10在放电模式下工作。
<电源系统10的性能评价>
实施例1
利用微型计算机5这样的控制来操作电源系统10，使得改变DC/DC转换器2的目标输出电压与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输入电压即燃料电池1的发电电压为1.80±0.15V。
结果，可以证实，在低功率消耗周期期间内，锂离子二次电池3被来自燃料电池1的过多功率(没有被电子负载4消耗)充电，并且电源系统10在充电驱动模式下工作。此外，可以证实，在高功率消耗周期期间内，由燃料电池1产生的功率和由锂离子二次电池3放电的功率供应至电子负载，并且电源系统10在放电模式下工作。此外，还可以证实，在低功率消耗周期期间内和高功率消耗周期期间内，来自燃料电池1的功率均被不变地供应至电子负载4。然而，可以利用1mL的80质量％浓度的甲醇水溶液来产生504mWh的电能，并将该电能供应至电子负载4。
在测试中，还在用于燃料电池1的燃料已被耗尽、由此从燃料电池1向电子负载4的电力供应消失之后，继续从锂离子二次电池3向电子负载4的电力供应。在锂离子二次电池3的电压最后达到3.5V时终止测试。这一点同样适用于后面将描述的实施例2～5以及比较例2～11。
实施例2
利用微型计算机5这样的控制来操作电源系统10，使得改变DC/DC转换器2的目标输出电压与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输入电流即燃料电池1的发电电流为195±15mA。结果，可以利用1mL的80质量％浓度的甲醇水溶液来产生443mWh的电能，并将该电能供应至电子负载4。
实施例3
利用微型计算机5这样的控制来操作电源系统10，使得改变DC/DC转换器2的目标输出电压与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输入功率即由燃料电池1产生的功率为350±55mW。结果，可以利用1mL的80质量％浓度的甲醇水溶液来产生487mWh的电能，并将该电能供应至电子负载4。
实施例4
利用微型计算机5这样的控制来操作电源系统10，使得改变DC/DC转换器2的目标输出电压与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输出电流为90±5mA。结果，可以利用1mL的80质量％浓度的甲醇水溶液来产生452mWh的电能，并将该电能供应至电子负载4。
实施例5
利用微型计算机5这样的控制来操作电源系统10，使得改变DC/DC转换器2的目标输出电压与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输出功率为330±10mW。结果，可以利用1mL的80质量％浓度的甲醇水溶液来产生496mWh的电能，并将该电能供应至电子负载4。
比较例1
将在实施例1～5中使用的燃料电池1直接连接至电子负载4，并试图利用与实施例1中相同的电子负载4进行测试。然而，因为在高功率消耗时所需要的1W的功率输出并不能从燃料电池1中提取，因此测试不能继续。
比较例2
利用微型计算机5这样的控制来操作电源系统10，使得改变DC/DC转换器2的目标输出电压与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输入电压即燃料电池1的发电电压为1.20±0.15V。结果，利用1mL的80质量％浓度的甲醇水溶液仅可以将184mWh的电能供应至电子负载4。这种情况的原因在于，在燃料电池1中不能执行具有高燃料转化效率的发电，以及DC/DC转换器2的输入电压低且DC/DC转换器2中的能量损失较大。
比较例3
利用微型计算机5这样的控制来操作电源系统10，使得改变DC/DC转换器2的目标输出电压与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输入电压即燃料电池1的发电电压为2.20±0.15V。结果，利用1mL的80质量％浓度的甲醇水溶液仅可以将207mWh的电能供应至电子负载4。这种情况的原因在于，在燃料电池1中不能执行具有高燃料转化效率的发电。
比较例4
利用微型计算机5这样的控制来操作电源系统10，使得改变DC/DC转换器2的目标输出电压与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输入电流即燃料电池1的发电电流为90±20mA。结果，利用1mL的80质量％浓度的甲醇水溶液仅可以将260mWh的电能供应至电子负载4。这种情况的原因在于，在燃料电池1中不能执行具有高燃料转化效率的发电。
比较例5
利用微型计算机5这样的控制来操作电源系统10，使得改变DC/DC转换器2的目标输出电压与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输入电流即燃料电池1的发电电流为250±20mA。结果，利用1mL的80质量％浓度的甲醇水溶液仅可以将216mWh的电能供应至电子负载4。这种情况的原因在于，在燃料电池1中不能执行具有高燃料转化效率的发电，并且DC/DC转换器2的输入电压低且DC/DC转换器2中的能量损失较大。
比较例6
利用微型计算机5这样的控制来操作电源系统10，使得改变DC/DC转换器2的目标输出电压与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输入功率即由燃料电池1产生的功率为220±20mW。结果，利用1mL的80质量％浓度的甲醇水溶液仅可以将222mWh的电能供应至电子负载4。这种情况的原因在于，在燃料电池1中不能执行具有高燃料转化效率的发电。
比较例7
利用微型计算机5这样的控制来操作电源系统10，使得改变DC/DC转换器2的目标输出电压与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输入功率即燃料电池1的输出功率为400±15mW。结果，利用1mL的80质量％浓度的甲醇水溶液仅可以将193mWh的电能供应至电子负载4。这种情况的原因在于，在燃料电池1中不能执行具有高燃料转化效率的发电。
比较例8
利用微型计算机5这样的控制来操作电源系统10，使得改变DC/DC转换器2的目标输出电压与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输出电流为40±10mA。结果，利用1mL的80质量％浓度的甲醇水溶液仅可以将236mWh的电能供应至电子负载4。这种情况的原因在于，在燃料电池1中不能执行具有高燃料转化效率的发电。
比较例9
利用微型计算机5这样的控制来操作电源系统10，使得改变DC/DC转换器2的目标输出电压与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输出电流为120±10mA。结果，利用1mL的80质量％浓度的甲醇水溶液仅可以将163mWh的电能供应至电子负载4。这种情况的原因在于，在燃料电池1中不能执行具有高燃料转化效率的发电，并且DC/DC转换器2的输入电压低且DC/DC转换器2中的能量损失较大。
比较例10
利用微型计算机5这样的控制来操作电源系统10，使得改变DC/DC转换器2的目标输出电压与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输出功率为200±10mW。结果，利用1mL的80质量％浓度的甲醇水溶液仅可以将216mWh的电能供应至电子负载4。这种情况的原因在于，在燃料电池1中不能执行具有高燃料转化效率的发电。
比较例11
执行具有与实施例1中相同的电子负载4的测试，该测试是通过这样的控制来操作由实施例1的燃料电池1和锂离子二次电池3组成的电能供应系统而执行的，该控制使得改变DC/DC转换器2的输出端电压的设置值与锂离子二次电池3的端电压之间的差，从而可以保持DC/DC转换器2的输出功率为370±10mW。结果，利用1mL的80wt％浓度的甲醇水溶液仅可以将182mWh供应至电子负载4。这种情况的原因将在于，在燃料电池1中不能执行具有高燃料转化效率的发电，并且DC/DC转换器2的输入电压低且DC/DC转换器2中的能量损失较大。
如从上面的描述所显而易见的是，通过将燃料电池连接至DC/DC转换器的输入端以及将负载和电能存储装置并联连接至DC/DC转换器的输出端，从而使由燃料电池产生的电能输入至DC/DC转换器并使由DC/DC转换器输出的电能同时供应至负载和电能存储装置，可以从燃料电池中提取高能量并且可以从电能存储装置中提取高功率输出。因此，可以实现具有高能量密度和高功率密度的电源系统。此外，通过适当地控制DC/DC转换器的输出端电压的设置值与电能存储装置的端电压之间的差，从而控制燃料电池的发电状况，可以进一步提高能量密度。因此，可以延长作为供电对象的电子装置等的电池寿命。
以上，已经基于实施方式和实施例描述了本发明。然而，基于本发明的技术构思，可以对上述实施例进行各种改变。
工业实用性
本发明提供了一种电源系统，该电源系统包括燃料电池并且不仅具有高能量密度还具有高功率密度，而且作为电力供应有助于便携式电子装置的功能提高以及便携式电子装置的功能数目的增加。

Claims (11)

1.一种电源系统，其中，燃料电池连接至直流电压转换器的输入端并且负载和电能存储装置并联连接至所述直流电压转换器的输出端，所述电源系统包括：
测量装置，其测量所述电能存储装置的端电压；以及控制装置，其基于所述端电压设置所述直流电压转换器的目标输出电压，其中，
所述目标输出电压被设置为高于所述端电压，
所述燃料电池在预定的发电条件下工作，
如果由所述燃料电池产生并经由所述直流电压转换器输出的功率高于所述负载的功率消耗，则自动执行通过所述直流电压转换器进行的所述电能存储装置的充电，并且将所述直流电压转换器的输出电压保持在所述电能存储装置的充电电压，以及
如果由所述燃料电池产生并经由所述直流电压转换器输出的功率低于所述负载的功率消耗，则自动执行从所述直流电压转换器至所述负载的放电，并且将所述直流电压转换器的输出电压保持在所述电能存储装置的放电电压。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其中，所述目标输出电压被调整，并且通过所述燃料电池进行的发电基于所述目标输出电压与所述端电压之间的差来控制。
3.根据权利要求2所述的电源系统，其中，通过改变所述目标输出电压与所述端电压之间的差，控制所述燃料电池的发电电压，使其落在预定的范围内。
4.根据权利要求2所述的电源系统，其中，通过改变所述目标输出电压与所述端电压之间的差，控制所述燃料电池的发电电流，使其落在预定的范围内。
5.根据权利要求2所述的电源系统，其中，通过改变所述目标输出电压与所述端电压之间的差，控制由所述燃料电池产生的功率，使其落在预定的范围内。
6.根据权利要求2所述的电源系统，其中，通过改变所述目标输出电压与所述端电压之间的差，控制所述直流电压转换器的输出电流，使其落在预定的范围内。
7.根据权利要求2所述的电源系统，其中，通过改变所述目标输出电压与所述端电压之间的差，控制所述直流电压转换器的输出功率，使其落在预定的范围内。
8.根据权利要求1所述的电源系统，其中，
通过由所述燃料电池产生并经由所述直流电压转换器输出的电力来执行充电模式、充电驱动模式以及驱动模式，
其中，所述充电模式为仅执行所述电能存储装置的充电的模式，
所述充电驱动模式为执行所述电能存储装置的充电和对所述负载的供电的模式，以及
所述驱动模式为仅执行对所述负载的供电的模式，并且
通过由所述燃料电池产生并经由所述直流电压转换器输出的电力和所述电能存储装置的放电输出来执行放电模式，
其中，所述放电模式是执行对所述负载的供电的模式。
9.根据权利要求1所述的电源系统，其中，所述控制装置由微型计算机构成。
10.根据权利要求1所述的电源系统，其中，所述燃料电池是直接甲醇型燃料电池。
11.根据权利要求1所述的电源系统，其中，所述电能存储装置是锂离子二次电池。
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