JP7115835B2 - 高度ハイブリッド電力システム向け燃料電池スタック - Google Patents
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Description
・バッテリは、現実的に全ての電圧でより高い電流を生成することができ、反対に、燃料電池が最大電流を伝達するとき、電圧はほぼ半分に減る。
・バッテリの電圧は残存容量に依存して減少するが、燃料電池の電圧は幾つかの因子に依存する。
・バッテリの出力インピーダンスは燃料電池の出力インピーダンスより低い規模のオーダであり、したがって、当該バッテリは理想的な電圧ソースに対してより類似的に振る舞う。
・当該ハイブリッド化の電圧は当該バッテリの充電の現在状態に依存するだけでなく、負荷電力需要に依存して動的に変化する(高電流放電で、当該バッテリの電圧は高速に低下し、ついで電力が要求されないときに回復する)。
・リチウムベースのバッテリの電圧範囲はセルごとにおおまかに3から4ボルトにわたり、電圧と電流の間の依存性は相対的に低い。燃料電池は、電流が増大すると電圧は静的放電に対して降下するので、様々に振る舞う。したがって、これらの2つの完全に異なるエネルギ源のマッチングはそれらの一方に圧力を与えることとなる。
・可変のステップアップ・コンバータの効率は出力電圧設定に依存し、通常は90%より下である。
・電力アプリケーションで使用されるステップアップ・コンバータは大量の熱を消失し、大型のヒートシンクおよびしばしば強制的な換気を必要とする。強制的な換気は通常、余分な重量、余分な空間および余分な電力消費を意味する。
・バッテリが電力を伝達する間に、燃料電池はアイドルである。このように、バッテリはより多くの電流を伝達し、図4で示すように放電率Cを増大させ、したがって、その容量をより高い速度で減少させる。この図は、使用される特定の放電率C(5C、10C、15C、20C)に依存して、5000mAhバッテリセルに対する放電曲線の例を示す。当該容量は最終的に放電率Cに依存する。例えば、バッテリが5Cの速度(25A)で放電する場合、取得される最終的な容量はおよそ4820Whであり、20Cのより高い放電率(100A)に関して、同一のバッテリに対して取得される容量はおよそ4750Whである。
・燃料電池がアイドルになると、その温度が低下する。このように、温度限界内に留まるように実装された低電力モードを有する必要があり、そうでなければ、燃料電池が作動すべきとき、燃料電池により生ずる遅延があり、その内部温度が、要求された電力を提供できるその名目点まで上昇する。
-第1のスイッチ80のみを起動することで、燃料電池スタック全体。
-バッテリ・スイッチ86のみを起動することで、バッテリ50。
-中間プレート(6、6’)に関連付けられたスイッチを起動することで、中間プレート(6、6’)の電圧に対応する削減された燃料電池スタック。このように、第1の中間プレート・スイッチ82を起動して、第1の中間プレート6の電圧を選択する。同様に、第2の中間プレート・スイッチ84を起動して、第2の中間プレート6’の電圧を選択する。
-燃料電池スタック1のスイッチ(第1のスイッチ80または任意の中間プレート・スイッチ(82、84)のいずれか)に沿ってバッテリ・スイッチ86を起動することで、バッテリ50および燃料電池スタック1。
22 45セルPEMFC
30 50セルPEMFC
32 45セルPEMFC
34 40セルPEMFC
Claims (12)
- ハイブリッド電力システムであって、
バッテリ(50)と、
燃料電池スタック(1)であって、
接触端子(4)を有する第1の導電性端プレート(2)および第2の導電性端プレート(3)と、
直列に接続され、前記第1の導電性端プレート(2)と前記第2の導電性端プレート(3)との間で積層されるように構成された複数の燃料電池(7)と、
少なくとも1つの接触端子(11、11’)を有する少なくとも1つの導電性中間プレート(6、6’)であって、各導電性中間プレート(6、6’)は隣接する燃料電池(7)の間で積層されるように構成される、少なくとも1つの導電性中間プレート(6、6’)と、
を備える、燃料電池スタックと、
前記ハイブリッド電力システム(90)が負荷(60)に供給しているとき前記燃料電池スタック(1)の動作電圧を選択するように構成された制御ユニット(70)と、
前記負荷(60)を、前記燃料電池スタックの導電性中間プレート(6、6’)の前記少なくとも1つの接触端子(11、11’)及び前記第1の導電性端プレート(2)の前記接触端子(4)と選択的に接続する複数のスイッチ(80、82、84)と、を備え、
前記動作電圧は、前記導電性中間プレート(6、6’)並びに前記第1の導電性端プレート(2)および前記第2の導電性端プレート(3)の前記接触端子(4、11、11’)から取得され、
前記制御ユニットは、前記負荷(60)に供給するために使用される前記燃料電池スタックの前記動作電圧を選択するために前記スイッチ(80、82、84)を選択的に動作させるように構成され、
前記複数のスイッチ(80、82、84)のそれぞれは、ただ1つの入力端子及び前記負荷に接続されるただ1つの出力端子を備え、前記負荷に供給するのに使用される前記燃料電池の前記動作電圧を選択する際に、前記複数のスイッチ(80、82、84)のただ1つのみが動作され、
前記燃料電池スタック(1)の前記動作電圧は、前記燃料電池スタック(1)の前記接触端子(4、11、11’)の電圧(V1、V2、V3)の値に依存して選択され、
前記負荷(60)に供給する前記燃料電池スタック(1)の前記選択された動作電圧が安全な下限と比較され、
現在の動作電圧が前記安全な下限より下にある場合、前記負荷(60)に供給するように前記燃料電池スタック(1)の前記接触端子(4、11、11’)から取得された、より低い動作電圧を選択する、ハイブリッド電力システム。 - 前記燃料電池スタックは、直列に接続された複数の燃料電池サブスタック(5)を備え、各燃料電池サブスタック(5)は少なくとも1つの燃料電池(7)を備え、各導電性中間プレート(6、6’)は隣接する燃料電池サブスタック(5)のペアの間に積層されるように構成される、請求項1に記載のハイブリッド電力システム。
- 各燃料電池サブスタック(5)は複数のバイポーラ・プレート(12、12’)および少なくとも1つの燃料電池(7)を備え、各燃料電池(7)はバイポーラ・プレート(12、12’)のペアの間に積層される、請求項2に記載のハイブリッド電力システム。
- 前記燃料電池スタックは複数のバイポーラ・プレート(12)をさらに備え、各バイポーラ・プレート(12)は隣接する燃料電池(7)の間に配置され、各導電性中間プレート(6、6’)はバイポーラ・プレート(12)および燃料電池(7)のカソード(8)またはアノード(9)と接触するように積層されるように構成される、請求項1に記載のハイブリッド電力システム。
- 前記燃料電池スタックは複数のバイポーラ・プレート(12)をさらに備え、各バイポーラ・プレート(12)は隣接する燃料電池(7)の間に配置され、各導電性中間プレート(6、6’)は燃料電池(7)のカソード(8)および隣接する燃料電池(7)のアノード(9)と接触するように積層されるように構成される、請求項1に記載のハイブリッド電力システム。
- 各接触端子(11、11’)は、前記燃料電池スタック(1)から突出する1つまたは複数の導電タブ(11)を備える、請求項1乃至5の何れか1項に記載のハイブリッド電力システム。
- 前記導電性中間プレート(6、6’)は、バイポーラ・プレート(12)および前記バイポーラ・プレート(12)から突出する1つまたは複数の導電タブ(11、11’)を備える、請求項6に記載のハイブリッド電力システム。
- 前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタック(1)の各端に配置された端プレート(13、14)をさらに備える、請求項1乃至7の何れか1項に記載のハイブリッド電力システム。
- 前記制御ユニット(70)は、前記燃料電池スタック(1)の前記接触端子(4、11、11’)の電圧の値(V1、V2、V3)に依存して、前記燃料電池スタック(1)の前記動作電圧を選択するように構成される、請求項1から8のいずれか一項に記載のハイブリッド電力システム。
- 前記負荷(60)を前記バッテリ(50)に接続するバッテリ・スイッチ(86)をさらに備え、前記制御ユニット(70)は前記バッテリ(50)の電圧(Vbatt)および前記燃料電池スタック(1)の前記動作電圧の値に依存して前記バッテリ・スイッチ(86)を動作させるように構成される、請求項8または9に記載のハイブリッド電力システム。
- 請求項1から10のいずれか一項に記載のハイブリッド電力システムを制御するための方法であって、前記方法は、前記ハイブリッド電力システム(90)が負荷(60)に供給しているとき、前記燃料電池スタック(1)の動作電圧を選択するステップを含み、前記動作電圧は、前記導電性中間プレート(6、6’)並びに前記第1の導電性端プレート(2)および前記第2の導電性端プレート(3)から取得される、方法。
- 前記燃料電池スタック全体の前記電圧(V1)を前記バッテリの電圧(Vbatt)と比較するステップ(104)と、
前記燃料電池スタック全体の前記電圧(V1)が前記バッテリの電圧(Vbatt)より低い場合、前記負荷(60)に供給するためのバッテリ・スイッチ(86)を前記バッテリ(50)により提供されたエネルギで起動するステップ(106)と、
を含む、請求項11に記載の方法。
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