(57)【要約】燃料電池電力システム（１０）は、動作中ＤＣ電圧を発生する燃料電池（１６）と；動作中、電気的に負荷（５８）に結合され、電圧状態を有するウルトラキャパシタ（１４）と；動作中、ウルトラキャパシタの電圧状態に基づき、燃料電池をウルトラキャパシタに電気的に結合又は非結合する回路（２２）とを具備する。
2004530274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池電力システムであって、該システムは、
動作中、ＤＣ電圧を発生する燃料電池と、
動作中、電気的に負荷に結合され、電圧状態を有するウルトラキャパシタと、
動作中、ウルトラキャパシタの電圧状態に基づき、燃料電池をウルトラキャパシタに電気的に結合又は非結合する回路と、
を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記ウルトラキャパシタは動作中異なる電圧に充電及び放電され、前記回路は、前記ウルトラキャパシタの電圧が第１所定電圧以下になることに応じて、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタに電気的に結合し、前記ウルトラキャパシタの電圧が第２所定電圧以上になることに応じて、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタから非結合することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記ウルトラキャパシタは最大定格電圧を有し、前記燃料電池は互いに直列に結合される多数の燃料電池サブシステムによって画定され、前記多数の燃料電池サブシステムの合計電圧は前記ウルトラキャパシタの最大定格電圧よりも大きくないことを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池電力システムであって、該システムは更に、
前記ウルトラキャパシタに並列に結合される、最大電圧を有するバッテリーを具備し、前記多数の燃料電池サブシステムの合計電圧は前記バッテリーの最大電圧よりも大きくないことを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記バッテリーは単セルバッテリーであることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記ウルトラキャパシタは動作電圧範囲を有し、前記燃料電池は互いに直列に結合され且つ前記ウルトラキャパシタの前記動作電圧範囲内の電圧を発生する複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項７】
請求項４に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記回路は、前記ウルトラキャパシタを直流約１．８Ｖから約２．２Ｖの動作電圧で動作させるように構成され、前記燃料電池は互いに直列に結合され、それぞれが約０．６Ｖの電圧を発生する複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記燃料電池は、それぞれがイオン交換膜からなる複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項９】
請求項６に記載の燃料電池電力システムであって、該システムは更に、
互いに直列に結合され、前記第１の複数の燃料電池サブシステムと並列な第２の複数の燃料電池サブシステムを具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１０】
燃料電池電力システムであって、該システムは、
水素を直流電圧に電気化学的に変換する手段と、
負荷に選択的且つ電気的に結合され、電圧状態を有する、１ファラッド以上のキャパシタンスを画定する手段と、
前記キャパシタンス手段と並列に結合され、エネルギーを蓄積する電気化学手段と、
前記キャパシタンス手段の電圧状態に基づき、水素を電気化学的に変換する前記手段を前記キャパシタンス手段に選択的且つ電気的に結合及び非結合する手段と、
を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池電力システムにおいて、水素を電気化学的に変換する前記手段は、陽子交換膜、固体酸化物、リン酸、アルカリ、溶融カーボンからなる群から選択された形式の燃料電池からなることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１２】
請求項１０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記キャパシタンス手段は、動作中、水素を電気化学的に変換する前記手段によって異なる電圧に充電及び放電され、前記結合及び非結合手段は、前記キャパシタンス手段が第１所定電圧以下になったことに応じて、水素を電気化学的に変換する前記手段を前記キャパシタンス手段に電気的に結合し、前記キャパシタンス手段が第２所定電圧以上になったことに応じて、水素を電気化学的に変換する前記手段を前記キャパシタンス手段に電気的に非結合することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記キャパシタンス手段は最大定格電圧を有し、水素を電気化学的に変換する前記手段は、互いに直列に結合される多数の燃料電池サブシステムによって画定され、前記多数の燃料電池サブシステムの合計電圧は前記キャパシタンス手段の最大定格電圧よりも大きくないことを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記電気化学手段は最大電圧を有し、前記多数の燃料電池サブシステムの合計電圧は前記電気化学手段の最大電圧よりも大きくないことを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１５】
請求項１０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記電気化学手段は単セルバッテリーからなることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１６】
請求項１０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記キャパシタンス手段は動作電圧範囲を有し、水素を電気化学的に変換する手段は、前記キャパシタンス手段の動作電圧範囲内の電圧を発生する、互いに直列に結合される複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１７】
請求項１０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記結合及び非結合手段は、前記キャパシタンス手段を直流約１．８Ｖから約２．２Ｖの動作電圧で動作させるように構成され、水素を電気化学的に変換するための前記手段は、それぞれが約０．６Ｖの電圧を発生する互いに直列に結合される複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１８】
請求項１０に記載の燃料電池電力システムにおいて、水素を電気化学的に変換するための前記手段は、それぞれがイオン交換手段からなる複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１９】
請求項１６に記載の燃料電池電力システムであって、該システムは更に、
互いに直列に結合され、前記第１の複数の燃料電池サブシステムと並列な第２の複数の燃料電池サブシステムを具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２０】
燃料電池電力システムであって、該システムは、
動作中、直流電圧を発生する燃料電池と、
少なくとも１ファラッド以上の容量を有し、負荷に電気的に結合され、電圧状態を有するキャパシタと、
前記キャパシタの電圧状態に基づき、前記燃料電池を前記キャパシタに選択的且つ電気的に結合及び非結合する回路と、
を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２１】
請求項２０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記キャパシタは動作中異なる電圧に充電及び放電され、前記回路は、前記キャパシタの電圧が第１所定電圧以下になることに応じて前記燃料電池を前記キャパシタに電気的に結合し、前記キャパシタの電圧が第２所定電圧以上になることに応じて前記燃料電池を前記キャパシタから非結合することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２２】
請求項２１に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記キャパシタは最大定格電圧を有し、前記燃料電池は互いに直列に結合される多数の燃料電池サブシステムによって画定され、前記多数の燃料電池サブシステムの合計電圧は、前記キャパシタの最大定格電圧よりも大きくないことを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２３】
請求項２２に記載の燃料電池電力システムであって、該システムは更に、
前記キャパシタと並列に結合され、最大電圧を有する単セルバッテリーを具備し、前記多数の燃料電池サブシステムの合計電圧は前記バッテリーの最大電圧よりも大きくないことを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２４】
請求項２０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記キャパシタは動作電圧範囲を有し、前記燃料電池は、互いに直列に結合され、それぞれが前記キャパシタの動作電圧範囲内の電圧を発生する複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２５】
請求項２０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記キャパシタは直流約１．８Ｖから約２．２Ｖの動作電圧を有し、前記燃料電池は、それぞれが約０．６Ｖの電圧を発生する互いに直列に結合される複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２６】
請求項２０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記燃料電池は、それぞれがイオン交換膜からなる複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２７】
請求項２４に記載の燃料電池電力システムであって、該システムは更に、
互いに直列に結合され、前記第１の複数の燃料電池サブシステムに並列な第２の複数の燃料電池サブシステムを具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２８】
燃料電池電力システムであって、該システムは、
負荷に電気的に結合され、異なる電圧に充電及び放電されるウルトラキャパシタと、
互いに電気的に直列に結合され、直流電気エネルギーを発生する複数の燃料電池サブシステムと、
前記複数の燃料電池サブグループを前記ウルトラキャパシタに選択的且つ電気的に結合するために、前記複数の燃料電池サブシステムに電気的に結合されるスイッチと、
前記スイッチを、前記ウルトラキャパシタの電圧が第１所定電圧以下になることに応じて、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタに電気的に結合し、前記ウルトラキャパシタの電圧が第２所定電圧以上になることに応じて、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタから非結合させる制御回路と、
を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２９】
請求項２８に記載の燃料電池電力システムであって、更に、前記ウルトラキャパシタに電気的に並列に結合されるバッテリーを具備し、前記バッテリーは最大電圧を有し、前記ウルトラキャパシタは動作電圧範囲を有し、前記複数の燃料電池サブシステムの累積電圧は前記ウルトラキャパシタの動作電圧範囲内であり、且つ前記バッテリーの最大電圧よりも小さいことを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３０】
請求項２８に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記複数の燃料電池サブシステムはそれぞれおよそ同一の電圧を発生することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３１】
請求項２８に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記ウルトラキャパシタは動作電圧範囲を有し、前記複数の燃料電池サブシステムによって提供される累積パワーは前記ウルトラキャパシタの動作電圧範囲内であることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３２】
請求項２８に記載の燃料電池電力システムであって、該システムは更に、
互いに直列に結合され、前記第１の複数の燃料電池サブシステムに並列な第２の複数の燃料電池サブシステムを具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３３】
請求項２９に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記制御回路は、前記ウルトラキャパシタを直流約１．８Ｖから約２．２Ｖの動作電圧で動作させるように構成され、前記燃料電池は、それぞれが約０．６Ｖの電圧を発生する、互いに直列に結合される複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３４】
請求項２８に記載の燃料電池電力システムにおいて、各燃料電池サブシステムはイオン交換膜からなることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３５】
請求項２８に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記制御回路は埋め込みコントローラであることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３６】
燃料電池電力システムを動作させる方法であって、該方法は、
動作中、電圧状態を有するウルトラキャパシタを提供する過程と、
直流電気エネルギーを発生する燃料電池を提供する過程と、
前記ウルトラキャパシタの電圧状態に基づき、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタに電気的に結合及び非結合する過程と、
を具備することを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項３７】
請求項３６に記載の燃料電池電力システムを動作させる方法において、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタに電気的に結合及び非結合する過程は、前記ウルトラキャパシタの電圧が第１所定電圧以下となったとき、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタに電気的に結合し、前記ウルトラキャパシタの電圧が第２所定電圧以上となったとき、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタから電気的に非結合にする過程であることを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項３８】
請求項３６に記載の燃料電池電力システムを動作させる方法であって、該方法は更に、バッテリーを前記ウルトラキャパシタに並列に電気的に結合する過程を具備することを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項３９】
請求項３６に記載の燃料電池電力システムを動作させる方法であって、該方法は更に、前記燃料電池を画定するために、複数の燃料電池サブシステムを互いに直列に電気的に結合する過程を具備することを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項４０】
請求項３６に記載の燃料電池電力システムの動作させる方法であって、更に、最大電圧を有するバッテリーを前記ウルトラキャパシタに並列に電気的に結合する過程を具備し、電気的に直列に結合された前記燃料電池サブシステムは、前記バッテリーの最大電圧よりも小さい電圧を発生することを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項４１】
請求項４０に記載の燃料電池電力システムを動作させる方法において、前記バッテリーは単セルバッテリーであることを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項４２】
請求項４０に記載の燃料電池電力システムを動作させる方法において、前記ウルトラキャパシタは動作電圧範囲を有し、互いに直列に電気的に結合された前記燃料電池サブシステムは、前記ウルトラキャパシタの動作電圧範囲内の電圧を発生することを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項４３】
請求項３６に記載の燃料電池電力システムを動作させる方法であって、更に、前記ウルトラキャパシタの両端に負荷を電気的に結合する過程を有することを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項４４】
請求項３６に記載の燃料電池電力システムの動作させる方法において、動作中、前記ウルトラキャパシタは、直流約１．８Ｖから約２．２Ｖの動作電圧で動作し、該方法は更に、
それぞれが約０．６Ｖの電圧を発生する互いに直列に電気的に結合される複数の燃料電池サブシステムを用いることによって前記燃料電池を画定する過程を具備することを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項４５】
燃料電池電力システムを動作させる方法であって、該方法は、
１ファラッドよりも大きいキャパシタンスを有し、動作中負荷に電気的に結合され、動作中異なる電圧に充電及び放電されるキャパシタを提供する過程と、
動作中直流電気エネルギーを発生する燃料電池を提供する過程と、
前記キャパシタの電圧に依存して、前記燃料電池を前記キャパシタに電気的に結合及び非結合する過程と、
を具備することを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項４６】
請求項４５に記載の燃料電池電力システムを動作させる方法において、前記燃料電池を前記キャパシタに結合及び非結合する過程は、前記キャパシタの電圧が第１所定電圧以下になったとき、前記燃料電池を前記キャパシタに電気的に結合し、前記キャパシタの電圧が第２所定電圧以上になったとき、前記燃料電池を前記キャパシタから非結合にする過程からなることを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項４７】
請求項４５に記載の燃料電池電力システムを動作させる方法であって、更に、前記キャパシタにバッテリーを並列に電気的に結合する過程を具備することを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項４８】
請求項４５に記載の燃料電池電力システムを動作させる方法であって、更に、前記燃料電池を画定するために、複数の燃料電池サブシステムを互いに直列に電気的に結合する過程を具備することを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項４９】
請求項４５に記載の燃料電池電力システムを動作させる方法であって、更に、過程を具備し、電気的に直列に結合された前記燃料電池サブシステムは前記バッテリーの最大電圧よりも小さい電圧を発生することを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項５０】
最大電圧を有する単セルバッテリーを前記キャパシタに並列に電気的に結合する
請求項４９に記載の燃料電池電力システムを動作させる方法において、前記キャパシタは動作電圧範囲を有し、互いに直列に電気的に結合された前記燃料電池サブシステムは、前記キャパシタの動作電圧範囲内の電圧を発生することを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項５１】
請求項５０に記載の燃料電池電力システムを動作させる方法であって、更に、前記キャパシタの両端に負荷を結合する過程を具備することを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項５２】
請求項４５に記載の燃料電池電力システムを動作させる方法において、前記キャパシタは直流約１．８Ｖから約２．２Ｖの動作電圧を有し、前記方法は更に、
それぞれが約０．６Ｖの電圧を発生する互いに直列に電気的に結合される複数の燃料電池サブシステムを用いることによって前記燃料電池を画定する過程を具備することを特徴とする燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項５３】
燃料電池によって発生した電力の負荷への配電方法であって、該方法は、
動作中異なる電圧に充電及び放電されるウルトラキャパシタを負荷に電気的に結合する過程と、
複数の燃料電池サブシステムを互いに直列に電気的に結合する過程と、
前記複数の燃料電池サブシステムと前記ウルトラキャパシタの両方に電気的に結合されるスイッチを提供する過程と、
前記ウルトラキャパシタの電圧が第１所定電圧以下になったとき、前記燃料電池サブシステムを前記ウルトラキャパシタに電気的に結合し、前記ウルトラキャパシタの電圧が第２所定電圧以上になったとき、前記燃料電池サブシステムを前記ウルトラキャパシタから電気的に非結合するように、前記スイッチを選択的に制御する過程と、
を具備することを特徴とする負荷への電力配電方法。
【請求項５４】
請求項５３に記載の燃料電池によって発生した電力の負荷への配電方法において、前記複数の燃料電池サブシステムはそれぞれおよそ同一の電圧を発生することを特徴とする負荷への電力配電方法。
【請求項５５】
請求項５３に記載の燃料電池によって発生した電力の負荷への配電方法において、前記選択的にスイッチを制御する過程は、同スイッチを選択的に制御するためプロセッサを用いて行われることを特徴とする負荷への電力配電方法。
【請求項５６】
請求項５３に記載の燃料電池によって発生した電力の負荷への配電方法であって、該方法は更に、互いに直列に電気的に結合され、その互いに直列となったものが前記ウルトラキャパシタの最大電圧よりも小さい電圧を発生する複数の燃料電池サブシステムによって前記燃料電池を画定する過程を具備することを特徴とする負荷への電力配電方法。
【請求項５７】
請求項５３に記載の燃料電池によって発生した電力の負荷への配電方法において、前記ウルトラキャパシタは、動作中、直流約１．８Ｖから約２．２Ｖの電圧範囲で動作することを特徴とする負荷への電力配電方法。
【請求項５８】
請求項５３に記載の燃料電池によって発生した電力の負荷への配電方法において、前記ウルトラキャパシタは直流約１．８Ｖから約２．２Ｖの動作電圧と、直流約２．２Ｖよりも大きい最大電圧を有し、該方法は更に、前記燃料電池を画定するために、複数の燃料電池サブシステムを直列に電気的に結合する過程を具備し、各前記燃料電池サブシステムは約０．６Ｖよりも小さい電圧を発生することを特徴とする負荷への電力配電方法。
【請求項５９】
請求項５３に記載の燃料電池によって発生した電力の負荷への配電方法であって、更に、それぞれがイオン交換膜からなる複数の燃料電池サブシステムを用いて燃料電池を画定する過程を具備することを特徴とする負荷への電力配電方法。
【請求項６０】
請求項５３に記載の燃料電池によって発生した電力の負荷への配電方法であって、更に、前記ウルトラキャパシタに並列にバッテリーを電気的に結合する過程を具備し、前記バッテリーは直流約２Ｖの電圧を有した単セルバッテリーであることを特徴とする負荷への電力配電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池電力発生システムに関する。本発明はまた燃料電池電力システムから異なる電圧で、単一の負荷または複数の負荷に電力を供給する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は従来技術として良く知られている。燃料電池は、燃料と酸化剤とを反応させて電気と水を生成する電気化学装置である。燃料電池に供給される代表的燃料は水素であり、燃料電池に供給される代表的酸化剤は酸素（または周囲空気）である。動作条件によっては、他の燃料または酸化剤を用いることもできる。
【０００３】
燃料電池内での基本的処理過程は高効率であり、そして水素が直接供給される燃料電池は無公害である。さらに、燃料電池はいろいろなサイズの積層体に組み上げることができるので、広範囲の電力出力を発生することができ、且つ多くの産業適用例に採用することができる電力システムが既に開発されている。先行技術特許である米国特許番号第５，２４２，７６４号、第６，０３０，７１８号及び第６，０９６，４４９号の技術は、本明細書に援用されるものである。
【０００４】
燃料電池は、電解液を共有する各電極境界部分のところで、燃料と酸化剤とを反応させることによって起電力を発生する。例えば、ＰＥＭ燃料電池では、その構造として、電解質としてだけでなく、水素と酸素の混合を防ぐバリアとして機能する陽子交換膜が含まれる。一つの市販品として入手可能な陽子交換膜は、デュポン（Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ）社から商標Ｎａｆｉｏｎの名称で販売されている物から製造される。陽子交換膜は、他の市販品から求めることもできる。陽子交換膜は、燃料電池のアノードとカソードを形成する二つの電極の間に、これらと接触した状態で配置される。
【０００５】
陽子交換膜（ＰＥＭ）形式の燃料電池の場合、水素ガスが第１電極（アノード）の所に導入され、そこで、電解液の存在の下、電子と陽子を生成するように電気化学的に反応する。電子は、第１電極と第２電極（アノード）を結合する電気回路を介して、第１電極から第２電極（アノード）に循環される。さらに、陽子は固体重合電極の膜（陽子交換膜またはＰＥＭ）を通過して第２電極（カソード）に至る。同時に、酸素ガス（または空気）等の酸化剤が第２電極に導入される。この第２電極では、酸化剤は触媒の存在の下で電気化学的に反応し、電気回路からの電子と（陽子交換膜を通過してきた）陽子と結合し、水を生成する。この反応は更に電気回路を完結させる。
【０００６】
セルの半分づつで以下の反応が起こる。
（１）  Ｈ２−−＞  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−
（２）  （１／２）Ｏ２  ＋２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−−−＞  Ｈ２Ｏ
【０００７】
上で記した通り、燃料側電極はアノードであり、また酸素側電極はカソードとして識別される。外部電気回路は発生した電流を伝達し、その結果燃料電池から電力を供給される。ＰＥＭ燃料電池全体での反応は、燃料電池内での別々のセル半分づつでの反応から内部損失を除いた総和としての電気エネルギーを発生する。
【０００８】
単一のＰＥＭ燃料電池は、負荷時において、高々約０．４５から約０．７Ｖの使用可能な電圧を発生することが経験的に分かっている。このことから、実際のＰＥＭ燃料電池プラントは、多数のセルを電気的に直列に接続したスタック構造として組み上げられていた。従来の燃料電池は典型的にはスタックとして構成され、導電板の形状の電極を有している。導電板は互いに接触されるので、燃料電池の電圧は直列に電気的に加算されることになる。当然に予想できる通り、スタックに加えられる燃料電池の数が多くなればなるほど、出力電圧が大きくなる。
【０００９】
典型的な燃料電池電力プラントは、燃料プロセッサ、燃料電池スタック、及び電力調整器の三つの大きな構成要素からなる。電力調整器は、例えば、ＤＣを６０ＨｚのＡＣ波形に変換するためのインバータ、またはＤＣ−ＤＣコンバータ等の多くの構成要素を含むものである。
【００１０】
過去に用いられた従来技術の方法及び装置での欠点は、個々の設計に起因したものである。例えば、燃料電池はこれまでスタック状に構成されていたため、そのスタックは、スタックの状態に置かれた燃料電池の数に基づく所定の出力を有していた。この構成では、各燃料電池に供給される燃料と酸化剤を制御することにより、スタック内の個々の燃料電池の出力を正確且つ都合良く制御する以外には、都合の良い方法はかつて無かった。
【００１１】
更に、上記設計による燃料電池は、負荷の増加要求に対する反応がかなり遅い。例えば、燃料電池が電力配電装置に用いられる場合、負荷は時間と共に変動するものである。ある時には、負荷に所謂“スパイク”と呼ばれる増加の要求がある。燃料電池スタックを始動させるにはある程度の時間が通常要求されるため、追加の燃料電池スタック又は燃料電池サブシステムは、負荷のこれらほぼ瞬間的なスパイクに対応するための十分な電力に即座に対応することができない。同時に、接続中の燃料電池容量を超える負荷のスパイクは、燃料電池の構成要素に損傷を与える可能性がある。したがって、負荷の短時間のスパイクに対応するために、従来のシステムでは、燃料電池過剰容量の機能が設けられている。この種の設計は、明確な理由によって非効率的であり且つ無駄の多いことである。
【００１２】
燃料電池は時々、ある種の要求において、より瞬間的な電力を供給することができるバッテリー等の電荷蓄積装置と一緒に用いられてきた。大抵の場合、燃料電池電力システムが発生する直流（ＤＣ）電力は、多くのものに適用されるために、交流（ＡＣ）に変換されなければならない。この点、燃料電池ＤＣ電力をＡＣに変換するために、インバータが通常用いられる。いくつかの従来例では、燃料電池と電荷蓄積装置は、燃料電池又は電荷蓄積装置の何れかの最適電圧で動作するインバータに結合されていた。この構成では、燃料電池の電圧は、システムを最適動作させるために、適当に上昇または下降された。さらに、電圧を変更することは、変換過程における熱損失による効率の低下があることが経験的に分かっている。
【００１３】
燃料電池電力プラントの異なる電力需要者又は使用者は、異なる電圧又は異なる電力レベルでの広い範囲の電力を要求するものである。この要求には、従来のＤＣ−ＤＣコンバータ、変圧器、または他の電力調整回路によって対処することができる。しかしながら、これらの解決策は、その設計において本来的に避けられない損失及び効率の低下を生じる。
【００１４】
【特許文献１】
米国特許第５，２４２，７６４号
【特許文献２】
米国特許第６，０３０，７１８号
【特許文献３】
米国特許第６，０９６，４４９号
【特許文献４】
米国特許出願番号第０９／５７７，４０７号
【特許文献５】
米国特許第５，３１８，８６３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、従来技術に関連した多くの欠点に鑑みてなされたものである。例えば、上で説明した構成における燃料電池と電荷蓄積装置の両方を有した従来のものは、構造が複雑になると共に、燃料電池の電圧を電荷蓄積装置の電圧容量に可能な限り一致させるために、燃料電池で発生した電圧を変換することによって生じる熱損失によって効率が低下するこが経験的に分かっている。
【００１６】
２０００年５月１７日付で出願され、本願明細書に援用される、同一出願人による米国特許出願番号第０９／５７７，４０７号に注目すべきである。この出願は、燃料電池サブシステムと、以下に説明する好適実施例で使用することができるコントローラを有したイオン交換膜燃料電池電力システムの一つの形式の詳細を開示するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本願発明は燃料電池電力システムに関するものであり、該システムは、動作中ＤＣ電圧を発生する燃料電池と；動作中電気的に負荷に結合され、電圧状態を有するウルトラキャパシタと；動作中、ウルトラキャパシタの電圧状態に基づき、燃料電池をウルトラキャパシタに電気的に結合又は非結合する回路とを具備する。
【００１８】
本発明の他の態様による燃料電池電力システムは、水素をＤＣ電圧に電気化学的に変換する手段と；負荷に選択的に電気的に結合され、電圧状態を有する、１ファラッド以上のキャパシタンスを画定する手段と；前記キャパシタンス手段と並列に結合されるエネルギーを蓄積する電気化学手段と；前記キャパシタンス手段の電圧状態に基づき、水素を電気化学的に変換する前記手段を前記キャパシタンス手段に選択的且つ電気的に結合及び非結合する手段とを具備する。
【００１９】
本発明の他の態様による燃料電池電力システムは、動作中、ＤＣ電圧を発生する燃料電池と；少なくとも１ファラッド以上の容量を有し、負荷に電気的に結合され、電圧状態を有するキャパシタと；前記キャパシタの電圧状態に基づき、前記燃料電池を前記キャパシタに選択的且つ電気的に結合及び非結合する回路とを具備する。
【００２０】
本発明の他の態様による燃料電池電力システムは、負荷に電気的に結合され、異なる電圧に充電及び放電されるウルトラキャパシタと；互いに電気的に直列に結合され、直流電気エネルギーを発生する複数の燃料電池サブシステムと；前記複数の燃料電池サブシステムを前記ウルトラキャパシタに選択的且つ電気的に結合するために、前記複数の燃料電池サブシステムに電気的に結合されるスイッチと；前記ウルトラキャパシタの電圧が第１所定電圧以下となることに応じて、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタに電気的に結合させ、前記ウルトラキャパシタの電圧が第２所定電圧以上となることに応じて、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタから非結合にするように前記スイッチにさせる制御回路とを具備する。
【００２１】
本発明の他の態様は燃料電池電力システムを動作させる方法に関するものであり、その方法は、動作中、電圧状態を有するウルトラキャパシタを提供する過程と；直流電気エネルギーを発生する燃料電池を提供する過程と；前記ウルトラキャパシタの電圧状態に基づき、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタに電気的に結合及び非結合する過程とを具備する。
【００２２】
本発明の他の態様は燃料電池によって発生した電力を負荷に配分する方法に関するものであり、その方法は、動作中異なる電圧に充電及び放電されるウルトラキャパシタを負荷に電気的に結合する過程と；複数の燃料電池サブシステムを互いに直列に電気的に結合する過程と；前記複数の燃料電池サブシステムと前記ウルトラキャパシタの両方に電気的に結合されるスイッチを提供する過程と；前記ウルトラキャパシタの電圧が第１所定電圧以下となったとき、前記燃料電池サブシステムを前記ウルトラキャパシタに電気的に結合させ、前記ウルトラキャパシタの電圧が第２所定電圧以上になったとき、前記燃料電池サブシステムを前記ウルトラキャパシタから電気的に非結合するように、前記スイッチを選択的に制御する過程とを具備する。
【００２３】
本発明の更に他の態様によれば、複数の燃料電池を有し、従来の分離したパワーコンディショナーを必要としない電力システムを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明のこれら及び他の態様を、以下に説明する。
【００２５】
図１は本発明の一態様による燃料電池電力システム又なプラント１０の回路概略図である。燃料電池電力システム１０は、複数のモジュール１２，１３及び追加的モジュール（図１には図示せず）を含む。簡単化のために、一つのモジュール１２だけを説明する。他のモジュールは、一つの実施例では、同一の参照番号で同一の要素を示した同一の構成である。当業者には容易に理解される通り、モジュール間で幾つかの変更を加えることが可能である。
【００２６】
本発明の燃料電池電力システム１０は、モジュール１２と関連付けられたウルトラキャパシタ１４を含む。このウルトラキャパシタというものは比較的新しいものである。ソーダカンサイズの従来の大型キャパシタはミリファラッドの容量を有するものであるが、同じサイズのウルトラキャパシタは、数千ファラッドの定格容量を有するものである。図示実施例では、ウルトラキャパシタ１４は、カリフォルニア州  ９２１２３，サンディエゴ，バルボアアベニュー９２４４所在のマクセルテクノロジー，インク．電子部品グループから商業的に入手可能なパワーキャッシュモデルＰＣ２５００である。
【００２７】
マクセルによると、ウルトラキャパシタ又はスーパーキャパシタは、電解質溶液の分極によってエネルギーを静電的に蓄積するものである。ウルトラキャパシタは、二重層キャパシタとしても知られている。ウルトラキャパシタは、エネルギーの蓄積に化学反応を用いない。ウルトラキャパシタは、電解質の中に二つの非反応多孔性板を有し、板と板の間に電圧が印加されるようになっている。板の一方は陽極板であり、他方は陰極板である。陽極板上の電圧は電解質中の陰イオンを引きつけ、陰極板上の電圧は陽イオンを引きつけ、これにより容量性蓄積の二つの層を形成する。
【００２８】
ウルトラキャパシタは、バッテリーが可逆的化学反応でエネルギーを化学的に蓄積するのに対して、ウルトラキャパシタが異符号の電荷を物理的に蓄積及び分離することによって電気エネルギーを蓄積するものであることを除いて、高パワー、低容量のバッテリーと同じように振舞うものである。ウルトラキャパシタは高パワーを提供することができ、また充電中は高パワーを受け入れることができる。ウルトラキャパシタは、商業的に入手可能な化学バッテリーに比して、高いサイクルライフと高いサイクル効率とを有する。ウルトラキャパシタの電圧は、その電荷状態に正比例する。したがって、最良動作のために、ウルトラキャパシタの製造者は、その動作範囲を高い電荷状態領域に限定、または広く変動する電圧を補償するために制御電子機器を設けることを薦める。本明細書及び特許請求の範囲で使用される用語“ウルトラキャパシタ”は、静電式マルチレイヤーキャパシタ（単一又は並列及び／又は直列との組合わせ）、または容量が１ファラッド以上のキャパシタ（単一キャパシタ又は並列及び／又は直列のキャパシタの組合せ）として定義される。
【００２９】
上で説明したウルトラキャパシタ１４は、最大定格電圧と動作電圧範囲とを有する。例えば、図示実施例では、ウルトラキャパシタ１４は直流２．７Ｖの最大定格電圧と、２５００ファラッドの容量を有する。
【００３０】
モジュール１２は更に、動作中、化学エネルギーを直流電気エネルギーに変換する少なくとも一つの燃料電池１６を有する。燃料電池１６は、関連したウルトラキャパシタ１４の両端に電気的に結合されている。モジュール１２の燃料電池１６は、互いに電気的に直列に結合される多数の燃料電池サブシステム又はＭＥＤＡ（膜電極拡散アセンブリ）サブグループ１８によって画定される。各燃料電池サブグループ１８は、少なくとも一つのイオン交換膜（陽子交換膜）を含む。
【００３１】
各燃料電池サブグループでは、水素ガスが第１電極（アノード）のところに導入され、ここで、水素ガスは触媒の存在の下で、電子と陽子を生成するために電気化学的に反応する。電子は、電極間に接続された電気回路を介して、第１電極から第２電極（アノード）に移動する。さらに、陽子は、固体重合電解質の膜（陽子交換膜またはＰＥＭ）を通って、第２電極まで通過する。同時に、酸素ガス（又は空気）等の酸化剤が第２電極に導入され、ここで、酸化剤は、触媒の存在の下で電気化学的に反応し、電気回路からの電子と（陽子交換膜を通過してきた）陽子と結合し、これにより水を生成すると共に、電気的回路を完成する。本明細書に援用される米国特許第５，２４２，７６４号、第５，３１８，８６３号、第６，
０３０，７１８号及び第６，０９６，４４９号を参照されたい。
【００３２】
各燃料電池サブグループ１８は、隣接する燃料電池サブグループの出力電圧とは必ずしも同一ではない電圧を出力する。一つの実施例では、燃料電池サブグループ１８のそれぞれは、約０．５−０．８Ｖの電圧を出力する。
【００３３】
燃料電子電力システム１０は更に、燃料電池サブグループ１８のそれぞれのアノード側と流体移動可能に設けられた燃料供給装置（図示せず）と、燃料電池サブグループ１８のそれぞれのカソード側と流体移動可能に設けられた酸化剤装置（図示せず）とを有する。一つの実施例では、燃料は水素であり、酸化剤は酸素（または周囲空気）である。他の燃料または酸化剤形式も本発明に採用することができ、それを用いても同様に上手くいく。
【００３４】
直列に接続される燃料電池サブグループ１８の数は、燃料電池サブグループ１８の結合加算電圧がウルトラキャパシタ１４の最大定格電圧を超えないように選択される。本発明の一つの実施例では、燃料電池サブグループ１８は、それぞれほぼ同一電圧を発生する。
【００３５】
燃料電池によって発生された直流電気は、燃料電池膜が直列に幾つ設けられているかによって、規制又は上昇されなければならない。大抵の燃料電池の設計では、負荷に要求されるレベルの固定直流出力を発生するために、電圧調整機能を具えたＤＣ−ＤＣコンバータが組み込まれる。従来のＤＣ−ＤＣコンバータは通常、１０〜１５％の効率低下、損失がある。
【００３６】
一つの実施例では、一つ又はすべてのウルトラキャパシタ１４は、高容量（例えば、１ファラッド以上）の従来のキャパシタに置き換えられる。
【００３７】
燃料電池電力システム１０は更に、特定に適用例において長期間蓄積能力が要求される場合には、各ウルトラキャパシタ１４に電気的に並列に結合されるバッテリー２０を有することもできる。一つの実施例では、モジュール１２と関連するバッテリー２０は単セルバッテリーである。例えば船舶産業で市販されているある種のバッテリーは単セルバッテリーであり、図示実施例に用いることができるものである。他方、自動車用バッテリリーは複数セルバッテッリーである。各バッテリー２０は最大電圧を有する。バッテリーとウルトラキャパシタの両方が含まれているとき、バッテリー２０の方は長時間要求されるピークを扱い、長時間蓄積能力を提供し、他方、ウルトラキャパシタの方は素早い過渡的なものを取扱う。
【００３８】
各モジュール１２，１３で、ウルトラキャパシタ１４の両端に直列に結合される燃料電池サブグループ１８の個数は、これら燃料電池サブグループ１８の組合合計電圧が、関連するバッテリー２０の最大電圧より低いか又はこれを超えないように選択される。さらに、直列に結合される燃料電池サブグループ１８は、各モジュールにおいて、ウルトラキャパシタの作動電圧範囲内の電圧を発生する。したがって、図示実施例では、モジュール１２において、燃料電池１６は、それぞれが約０．６Ｖの電圧を発生する互いに直列に結合された三つの燃料電池サブグループ１８によって画定される。これら直列の燃料電池サブグループ１８は、モジュール１２に関連したウルトラキャパシタ１４の動作範囲である直流約１．８Ｖの電圧を発生する。直流１．８Ｖは、モジュール１２に関連したウルトラキャパシタ１４の最大電圧より低く、またモジュール１２に関連したバッテリー２０の最大電圧よりも低い。他の値がバッテリー、ウルトラキャパシタ及び燃料電池サブシステムに用いられても構わない。しかしながら、好ましい実施例では、互いに直列に結合されるサブシステムの電圧は、ウルトラキャパシタの動作範囲内で、ウルトラキャパシタの最大電圧より低く、且つ、モジュールのウルトラキャパシタに並列に結合されたバッテリーの最大電圧より低い。さらに、バッテリー及びウルトラキャパシタに対する燃料電池サブシステムの比は適当に選択される。例えば、一つの実施例では、燃料電池１６が、バッテリーの電圧蓄積容量の最も高い値と考えられる２．２Ｖであれば、ウルトラキャパシタ１４の最大電圧は２．７Ｖである。
【００３９】
ウルトラキャパシタ１４が高い容量レベルを有することは、バッテリー２０又は燃料電池１６等の複数のＤＣ源から制御され且つ同一化されたＤＣ出力を提供するために、その高反応エネルギー蓄積装置を利用することができる電力電子回路（以下に説明するもの）を、従来の回路設計よりもより効率的に設計するための機会を提供する。
【００４０】
燃料電池電力システム１０は更に、ウルトラキャパシタ１４の電圧が第１所定電圧（例えば、直流１．８Ｖ）より低くなったことに応じて、モジュール１２の燃料電池１６をモジュール１２に関連したウルトラキャパシタ１４に選択的に且つ電気的に結合するように構成された回路を有する。さらに、この回路は、ウルトラキャパシタの電圧が第２所定電圧（例えば、直流２．２Ｖ）を超えたことに応じて、モジュール１２の燃料電池１６をウルトラキャパシタ１４から電気的に非結合にする。
【００４１】
回路２２は、燃料電池サブグループ１８からなる燃料電池１６に電気的に結合されるスイッチ２６を有し、このスイッチ２６は、燃料電池１６をモジュール１２に関連したウルトラキャパシタ１４に選択的且つ電気的に結合させるように構成される。一つの実施例では、スイッチ２６は一つのＭＯＳＦＥＴからなるか、または、インピーダンスを減らすために互いに並列に電気的に結合された複数のＭＯＳＦＥＴからなる。モジュール１２は、全体として、インピーダンスのことが考慮されて設計される。この点、一つの実施例では、インピーダンスは可能な限り低くされる。回路２２は更に、図示実施例では、互いに並列に電気的に結合され且つ更にＭＯＳＦＥＴ２６のゲートとＭＯＳＦＥＴ２６のウルトラキャパシタ側との間に電気的に結合されたツェナーダイオード２８、抵抗３０及びキャパシタ３２とを有する。ダイオード２８はＭＯＳＦＥＴ２６のウルトラキャパシタ側のアノードと、ＭＯＳＦＥＴ２６のゲートに結合されたカソードを有する。回路２２は更に、互いに直列に接続された抵抗３０とダイオード３２を有する。
【００４２】
燃料電池電力システム１０は更に、各モジュール１２又は複数のモジュール１２のために設けられた、測定及び調整のための制御回路３４を有する。各モジュール１２のために、制御回路３４は各種電圧（例えば、燃料電池１６及び各燃料電池サブシステム１８両端の電圧、モジュールのウルトラキャパシタ両端の電圧）を検知するように構成される。各モジュール１２において、制御回路３４はまた、スイッチ２６に対して、ウルトラキャパシタ１４の電圧が第１所定電圧（例えば、直流１．８Ｖ）より低くなったことに応じて、モジュール１２の直列に結合された燃料電池サブグループ１８をモジュール１２に関連したウルトラキャパシタ１４に選択的且つ電気的に結合させるように構成される。さらに、この制御回路は、ウルトラキャパシタ１４の電圧が第２所定電圧（例えば、直流２．２Ｖ）を超えたことに応じて、モジュール１２の直列に結合された燃料電池サブグループ１８をモジュール１２に関連したウルトラキャパシタ１４から非結合にする。本発明の一態様によれば、制御回路は、モジュール１２，１３のそれぞれに電気的に結合されるコントローラ又はプロセッサ３４を有する。コントローラ３４は、モジュール１２，１３の個々の電圧を測定し、各モジュールにおいて適当な時に、それぞれの燃料電池１６をそれぞれのウルトラキャパシタ１４に電気的に切り換える。各モジュールのためのコントローラ３４による前記切換動作は、他のモジュールで起こる切換とは独立して起こる。この点、コントローラは好ましくはデジタルコントローラであり、プログラム可能なコントローラ、コンピュータ、プロセッサ、又は埋込マイクロプロセッサからなる。
【００４３】
図面（図１）に示されているとおり、コントローラ３４とＭＯＳＦＥＴ２６のゲートの間には、直列に結合された抵抗３０とダイオード32が結合されている。さらに、ダイオード３２は、ＭＯＳＦＥＴ２６のゲート、したがってダイオード２８のカソードにも結合されるカソードを有する。
【００４４】
システム１０は更に、各モジュール１２，１３に対して、コントローラ３４に結合された一つ又はそれ以上の燃料電池分路受動ダイオード保護回路３６を有する。一つの実施例では、回路３６は各燃料電池サブグループ１８毎に設けられる。これに代わる実施例では、複数のサブグループ１８がそれぞれの回路に関連付けられる。一つの実施例では、コントローラ３６は各回路３６にそれぞれの燃料電池サブグループ１８のアノードとカソードの間に電流を周期的に分流させる。図１に示される特定の回路３６は、アノードが燃料電池１６の陰極ターミナル３６に結合され、カソードが燃料電池１６の陽極ターミナル４０に結合されたダイオード３８を有する。図示実施例では、第２ダイオード４４が第１ダイオード３８に並列に結合されている。回路３６は更に、スイッチ４６、例えば、そのドレインが燃料電池サブグループ１８の陽極ターミナル４２に結合され、そのソースが燃料電池サブグループ１８の陰極ターミナル４０に結合され、さらにそのゲートがダイオード４８及び抵抗５０を介してコントローラ３４に結合された単一のＭＯＳＦＥＴ（又は複数の並列ＭＯＳＦＥＴ）を有する。回路３６はまた、ＭＯＳＦＥＴ４６のゲートとダイオード３８のアノードとの間に互いに並列に結合されたキャパシタ５２、抵抗５４及びツェナーダイオード５６を有する。回路３６及びコントローラ３４は、一つの実施例では、本願明細書に援用されるファグルヴァンドに付与された米国特許第６，０９６，４４９号に開示されているのとほぼ同様に設計され且つ動作する。
【００４５】
一つの実施例では、モジュール１２は更に、ウルトラキャパシタ１４の反転の可能性に対する保護のためのダイオード９を有する。
【００４６】
図２は、上述したシステム１０に類似した、互いに電気的に直列に結合された複数のモジュール１２ａ−ｉを具えた燃料電池電力システム６０を示す。ある数のモジュールが直列に示されているが、所望とされる出力電圧如何によって、異なる数とすることも可能である。モジュール１２ａ−ｉのそれぞれは、図１に示されるモジュール１２とほぼ同様のものである。
【００４７】
従来の燃料電池の設計、より具体的にはモジュール毎により少ない数の膜を具えたモジュール式燃料電池の設計では、膜の電圧出力を負荷又はインバータによって使用可能な電圧まで上昇させるためのＤＣ−ＤＣコンバータの使用が要求されていた。効率の低下の原因となるこのコンバータは、直列接続の複数のモジュール１２ａ−１２ｉに置き換えることにより無くすことができる。もし各モジュールが例えば公称電圧２．０Ｖであれば、それらを直列にすることにより、例えば、全体の出力電圧が２４Ｖ，４８Ｖまたは１２０Ｖの電圧を、従来のＤＣ−ＤＣコンバータを必要とすることなく発生させることができる。
【００４８】
システム６０は更に、一つ又はそれ以上の負荷６４，６６に所望の電圧を発生させるための、多数のモジュールを切り換えるための切換回路６２を有する。なお、二つの負荷が示されているが、多数の異なる負荷にも都合良く対応することができる。
【００４９】
システム６０の使用者は、複数の直流電圧レベルを要求することがある。例えば、バッテリーの充電用の直流６Ｖであったり、何らかの電子回路のための直流２４Ｖであったり、インバータへの入力等の他の負荷への直流４８Ｖであったり、如何なる他の形式の負荷のためのその他の電圧であったりする。ここで説明する、直列に接続された複数のモジュール１２ａ−ｉを具えた図２に示される設計のものによれば、要求された負荷に合致する電力を、直列のモジュールから引き出すためのタップをモジュールとモジュールの間に挿入することができる。各モジュールは自分自身に関連したエネルギー蓄積装置（ウルトラキャパシタ２０）とＤＣ発生器（燃料電池１６）を有しているので、コントローラは、たとえ各モジュールへの負荷が変動しても、電圧が各モジュール１２ａ−ｉ内で維持されることを確実とすることができる。
【００５０】
燃料電池サブグループ１８上の負荷が変化すると、出力電圧は各膜の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）曲線にしたがって変化するであろう。図１及び図２に示される回路設計では、コントローラ３４及び切換回路６２を用いることにより、いろいろなモジュール１２ａ−ｉを入れたり外したり切り換えることによってリアルタイムな電圧補償が行われる。多数のタップ及び多数のモジュール１２ａ−ｉを用いることにより、電圧は、単一モジュールの電圧（例えば、２Ｖ）範囲内に規制することがきる。さらに、もし一つ又は複数のモジュールが故障し、又はもし電圧が降下したら、コントローラ３４は、一つの実施例では、他のモジュールに切り換えることによって、電圧を自動的に維持する。このようなことは、通常のバッテリーとキャパシタではできない。なぜならば、バッテリーは充電が遅すぎ、また従来のキャパシタは、要求される電流を供給するための容量が小さ過ぎる。
【００５１】
従来の回路では、多数のＤＣ源が直列に設けられているとき、各ＤＣ源の両端の電圧は、ある一つのＤＣ源への偏った負荷を避けるために、同一化されなければならない。この同一化は通常、回路両端にブリーダ抵抗を設けることにより、または電圧を保持するための損失を伴う他の手段を設けることによってなされる。図１及び図２に示される回路は、そのような手段の必要性を無くすものであり、各回路内でウルトラキャパシタを切換制御することによって同一化がなされる。多数のモジュールが負荷に合わせて切り換えられるので、各ＤＣ源の両端の電圧は、たとえ負荷が変化しても、固定電圧に駆動することができる。
【００５２】
一つの他の実施例（図２参照）では、燃料電池電力システム６０は更に、一つ又はそれ以上のモジュール（例えば、モジュール１２ｈ及び１２ｉ）のために、互いに直列に結合された複数の第２燃料電池サブシステムを有する。第２燃料電池サブシステムは、第１燃料電池サブシステム１６に対して並列に設けられる。より具体的には、燃料電池電力システム６０は、モジュール１２ｈに対して並列なモジュール１２ｊ、１２ｋと、モジュール１２ｉに対して並列なモジュール１２ｌ、１２ｍとを有する。モジュール１２ａ−ｍは、一つの実施例では、図１に示すモジュール１２とほぼ同一であり、それぞれが、燃料電池１６（直列に結合された燃料電池サブグループ１８からなる）を有する。
【００５３】
例えば、ある電圧（例えば、直流３．６Ｖ）を要求する負荷６４が、他の電圧での負荷より大きくなろうとする（例えば、より大きな電流の要求）、その負荷に適する複数の並列モジュールが提供される（例えば、モジュール１２ｊ及び１２ｋがモジュール１２ｈに対して並列に提供され、モジュール１２ｌ及び１２ｍがモジュール１２ｉに並列に提供される）。もう一つの例では、直列に接続された燃料電池サブグループからなる５個の追加モジュール（例えば、全体が６個までのモジュール）が、一つのウルトラキャパシタ（例えば、モジュール１２ｈに関連したウルトラキャパシタ）に結合される。発明者は、ウルトラキャパシタがそのような数を取扱うことができるものと決めた。例えば、ウルトラキャパシタの形式及び燃料電池サブシステムの構成によって、他の数も可能である。
【００５４】
図３に示す他の実施例では、燃料電池電力システム２００は、並列燃料電池とウルトラキャパシタの複数のグループから構成されたシステムではなく、燃料電池サブグループ１８の単一セット２１０と、所望の電圧を発生させるために、直列に設けられた複数の切り換えられるウルトラキャパシタ（又はウルトラキャパシタの並列グループ）２２６，２２８及び２３０を含む。システム２００は、コントローラ３４に結合され、燃料電池サブグループのセット２１０から選択されたウルトラキャパシタ２２６，２２８又は２３０を選択的に結合又は非結合させるために用いられるスイッチ２１２，２１４，２１６，２１８，２２４を有する。ウルトラキャパシタに対する燃料電池サブシステムの他の比率も採用することができる。
【００５５】
スイッチ２１２はウルトラキャパシタ２２６への供給ラインを制御し、スイッチ２１８はウルトラキャパシタ２２６からの戻りラインを制御する。スイッチ２１４はウルトラキャパシタ２２８への供給ラインを制御し、スイッチ２２０はウルトラキャパシタ２２８からの戻りラインを制御する。スイッチ２１６はウルトラキャパシタ２３０への供給ラインを制御し、スイッチ２２４はウルトラキャパシタ２３０からの戻りラインを制御する。一つの実施例では、スイッチ２１２，２１４，２１６，２１８，２２０，２４０は、それぞれ図１に示す構成２２とほぼ同じである。しかしながら、スイッチ２１２，２１４，２１６，２１８，２２４又はスイッチ２２には、いろいろな他の構成も用いることができる。さらに、システム内のすべてのスイッチは必ずしも同一又は類似のものではない。システム２００は更に、ダイオード又はダイオード対２３２，２３４，２３６，２３８，２４０，２４２等の電流の流れる方向を制御するための回路を有しても良い。これに代えて、この機能を、スイッチ２１２，２１４，２１６，２１８，２２０，２２４が有するようにすることもできる。回路２００は更に、コントローラ３４に結合され、燃料電池分流受動ダイオード保護回路を画定する回路２４４，２４６を有する。回路２４４及び２４６は、図１に示される回路３６の詳細な設計に類似したものとすることができる。二つだけの回路２４４，２４６に代えて、燃料電池サブグループ１８のそれぞれに個別の燃料電池分流受動ダイオード保護回路を設けることもできる。回路２４４又は２４６は、一つの実施例として、本願明細書に援用され、ファグルヴァンドに付与された米国特許第６，０９６，４４９号に開示されたものとほぼ同様に設計され且つ動作する。この分流機能は、本発明の一つの他の実施例では省略することもできる。
【００５６】
図３に示す構成では、ウルトラキャパシタ１４は、燃料電池セット２１０のＤＣ出力電圧をより高いＤＣ電圧に上げるためのＤＣブーストコンバータとして機能する。動作中、燃料電池セット２１０は、ウルトラキャパシタ２２６（又は、ウルトラキャパシタ２２６が示されている場所に設けられた並列接続されたウルトラキャパシタ群）を所定時間（例えば、切換周波数に依存する一秒台、数百ミリ秒台、又はその他の時間）充電し、そしてその後、コントローラ３４は燃料電池セット２１０をウルトラキャパシタ２２８（又は、ウルトラキャパシタ２２８が示されている場所に設けられた並列接続されたウルトラキャパシタ群）に対して並列になるように切り換え、そのウルトラキャパシタ群を充電する。他のウルトラキャパシタも同様である。その結果、各ウルトラキャパシタ又はウルトラキャパシタ群２２６，２２８，２３０は、燃料電池セット２１０によって周期的且つ規則的に充電される。ウルトラキャパシタ（又はウルトラキャパシタ群）２２６，２２８，２３０は、出力が直列に設けられるウルトラキャパシタ（又は群）２２６，２２８，２３０の数によって決まる電圧で負荷に電流を供給するように直列に構成される。一つの実施例では、二つの４膜燃料電池カートリッジが、六つのウルトラキャパシタ群を充電するように構成される。例えば、公称出力電圧が約２．０Ｖの二つの４膜燃料電池は、バッテリーの充電又は他の１２Ｖの適用例に用いることができる１２Ｖ直流出力を提供するために、六つのウルトラキャパシタ群を充電するように構成される。コントローラ３４はまた、いろいろなノード間の電圧を検知する。
【００５７】
本発明の上記実施例の動作は容易に理解できると思われるが、以下にその要点を述べる。
【００５８】
発明者は、燃料電池において、適当な切換回路と共にウルトラキャパシタを用いれば、負荷状態での急激な変化と、損傷を与えることなく急激な電気充電を吸収できることに気付いた。これは、電気的不均衡になることなく、負荷が直列に結合されたモジュール１２ａ−ｉの間のタップに電気的に結合されることを許容する。
【００５９】
本発明の他の実施例（図４を参照）では、モジュール１２ａ−ｉが切換回路６２の外側で直列には結合されておらず、その代わりにそれぞれが直接切換回路６２に結合されている。本発明のこの実施例では、切換回路６２は、負荷の要求に応じて、所望数のモジュールを互いに直列（及び／又は並列）に結合する。
【００６０】
他の実施例では、連続的時間間隔（例えば、ミリ秒毎）で、コントローラ３４は、その時に負荷６４又は６６の電力要求に合うように、多数のモジュール１２ａ−ｉを負荷６４又は６６に電気的に接続する。したがって、切換回路６２は高速切換動作が可能であり、且つ燃料電池１６の出力を取扱うための切換速度を有する。
【００６１】
もし必要であれば、図５に示すとおり、デジタルコントローラ３４は、連続的時間間隔で多数のモジュール１２ａ−ｉを接続又は非接続するように切換回路６２を制御することによって正弦波を生成することもできる。交流波形がＤＣモジュールの制御された切換によって生成される。回路は、別途ＤＣ−ＡＣインバータを必要とすることなく、複数の燃料電池／ウルトラキャパシタ列又は回路７０，７４，７８，８２を素早く切り換えることにより、ＡＣ波形を直接生成する。これが有利な点は、従来のインバータに固有な損失を減らせることと、ウルトラキャパシタからＡＣ負荷への有効及び無効電力の両方に対応できる能力を有することである。
【００６２】
図５に示すように、正弦波の部分６８は、図２のシステム６０の列７０を所定時間の間オンすることによって形成される。さらに、正弦波の部分７２は、列７０をオンの状態にしたままで、列７４を遅れてオンにすることによって形成される。さらに、正弦波の部分７６は、列７０と７４をオンにしたままの状態で、列７８を遅れてオンにすることによって形成される。さらに、正弦波の部分８０は、列７０，７４，７８をオンにしたままの状態で、後から列８２をオンにすることによって形成される。正弦波の他の部分も同様な過程により形成される。正弦波のピーク電圧は、用いられるモジュール１２ａ−ｉの数によって決まる。正弦波の正部分の下降スロープ８４を形成するためには、これらの列が、互い違いの時間で非接続にされる。例えば、列８２は列７８がオフにされる前にオフにされ、列７８は列７４がオフにされる前にオフにされ、列７４は列７０がオフにされる前にオフにされ、そしてその後、列７０がゼロポイント８６を形成するためにオフにされる。
【００６３】
次に、正弦波の負の部分８８を形成するために、極性は反転される点で前とは異なるが、列７０，７４，７８，８２が上で述べたように、互い違いの間隔でオンにされる（その後、最低ポイント９０に至った後、互い違いの間隔でオフにされる）。
【００６４】
例えば、図６に示すように、負荷６４は、入力端子９４，９６と、パワーグリッド又はＡＣ負荷に電気的に結合される出力端子９８，１００とを具えたトランス９２を有する。トランス９２は、所望のＡＣ電圧レベル（例えば、交流１２０Ｖ）に合わせるために用いられる。負荷６４はまた波形を平滑にするためのフィルターを有していても良い。切換回路６２（又は、もし切換回路がコントローラ３４に組み込まれている場合には、コントローラ３４）は、列７０，７４，７８，８２等の選択された数１０４の出力の極性を反転させるためのスイッチ１０２を有する。直列に結合された列１０４の出力は、スイッチ１０２を介して入力端子９４，９６に提供される。ゼロポイント８６に達したとき、トランス９２の入力端子９４，９６に電気的に結合されたスイッチ１０２を付勢又は作動させることにより極性が反転される。列７０，７４，７８，８２は、次に、正弦波を形成するために、適当なタイミングで上で説明したように順次オンにされる。次のゼロポイント１０６に達したとき、スイッチ１０２は再び極性を反転させるために付勢される。波形カーブの滑らかさは、用いられるモジュール１２ａ−ｉの列の数によって決まる。カーブを滑らかにするために非常に多くの数のモジュールとなり過大な電圧発生となった場合には、その電圧は、トランス９２によって降圧することができる。これとは反対に、より大きい電圧が望まれるのであれば、トランス９２に昇圧トランスを採用することができる。
【００６５】
一つの実施例では、モジュール１２ａ−ｍ（図２参照）を効率的に利用するために、正弦波のピークを発生するために用いられるモジュールの数よりも正弦波のベースを発生するために用いられるモジュールの数がより多くなるようにモジュール１２ａ−ｍが割り当てられる（例えば、より多くの数のモジュールが上部列よりも下部列に含まれる）。こうする理由は、波形のベース部分に関与する燃料電池は、より長い時間スイッチオンされなければならず、またより多くの容量を提供しなければならないからである。これに代えて、コントローラ３４を、負荷を最も効率的に配分するために、波形のいろいろな部分の負担を、いろいろな列又はモジュールの間で割り当てるために用いることができる。したがって、例えば図４に示される実施例では、モジュール１２ａ−１２ｍは、ウルトラキャパシタ１４、バッテリー２０と同じように、切換回路６２に直接且つ独立して結合されている。図４の実施例では、コントローラ３４は、切換回路６２を用いて、適切且つ効率的負荷配分による所望の波形を形成するために、選択されたモジュール（又は複数のモジュール）の選択されたウルトラキャパシタ及びバッテリーへの結合及び選択されたウルトラキャパシタ及びバッテリーからの非結合を行う。
【００６６】
切換回路６２及びデジタルコントローラ３４はまた、例えば矩形波などの他の如何なる所望の波形をも生成することができる。一つの他の実施例では、切換回路６２の機能は、コントローラ３４内に組み込まれている。図２の実施例では、タップはモジュール１２ｉとモジュール１２ａの中間から取り出すことができるので、正弦波又は出力波形を形成するためにターンオン又はオフされるように選択される列は、必ずしも最下部列７０からである必要はない。
【００６７】
他の実施例では、コントローラ３４はメモリを有し、また電力システム１０は更に、それぞれがそれぞれの燃料電池１６又はサブグループ１８に電気的に結合され、それぞれの電圧及び電流出力を検知するためのセンサー（図示せず）を有する。センサーはコントローラに対して信号を伝達することが可能に結合される。コントローラは、各燃料電池又は燃料電池サブシステムのための動作履歴を提供するために、各燃料電池又は燃料電池サブシステムの情報を、メモリ内に周期的に記憶させる。さらに、動作履歴は、それが他の同様の燃料電池に関連した情報と比較されたとき、個々の燃料電池がその寿命に至ったとき又は保守が必要になったときに、又は燃料電池内の動作状態が理想状態より低下してきたとき、そのことを早めに知らせる予告機能を提供するものである。
【００６８】
例えば、燃料電池の性能は、一つ又は両方の反応ガスソースの残留、燃料電池内での過剰熱等の要素、及びより一般的な問題として、燃料電池又は燃料電池サブシステムにおける製造上の欠陥等によって影響を受ける。各燃料電池サブシステムの特性は、それぞれ監視することができる。たとえ燃料電池の集合体としての全体性能が通常の動作パラメータ内に入っている場合でも、個々の燃料電池又は燃料電池サブシステムの特性上の問題を検出することができる。さらに、個々の燃料電池又は燃料電池サブシステム（例えば、個々の燃料電池１６又は燃料電池サブグループ１８、及び関連したウルトラキャパシタ１４及びバッテリー２０が直接切換回路６２に結合されている図４の実施例）の選択的切換は、コントローラ３４が、個々の燃料電池によって生成される電圧及び電流、負荷の電圧及び電流要件及び各燃料電池の特性履歴に基づき、選択された燃料電池１６又は燃料電池サブグループ１８を結合することにより、燃料電池の寿命及び燃料電池の特性を最大とすることに有利である。
【００６９】
したがって、任意の電圧、負荷の電流要求及び特定の波形によって決まる特定の所定出力の場合には、個々の燃料電池は、負荷又は上で述べた要素によって、ごく短い時間だけ又は連続して負荷に接続されれば良い。
【００７０】
一つの実施例では、正弦波の生成が望まれる場合には、キャパシタの正弦的配置が提供される。例えば、一つの実施例では、ある特定のウルトラキャパシタに並列に結合されるモジュールの数が、正弦波のピークに近いところよりも、正弦波のベースを画定するところにより多くのモジュールが提供されるように変化される。正弦波以外の他の波形でも、それに合う同様なキャパシタ配置を行うことができる。
【００７１】
他の実施例では、実行される工程のタイミングが制御されるので、電圧波形と負荷の電流波形の間のタイミングを、電流波形が電圧波形よりも遅れたり又は進むように調整されることが望ましい。大容量のエネルギーを短時間の間蓄積できるウルトラキャパシタの機能との組合わせで、このように波形を制御できることは、システムが無効電力を供給することを許容するものである。この無効電力の供給は、ＡＣインバータを具えた従来のＤＣソースでは効率的にできなかった。一つの実施例では、システム１０は、１以外の力率を許容する同期コンデンサ又はシステムとして機能する。
【００７２】
さらに他の実施例では、燃料電池電力システム１０は更に、コントローラ３４に帰還を与えるべく、切換回路６２の出力又は個々の燃料電池１６又は燃料電池サブグループ１８に対して、電圧サンプリング関係に結合された誤差処理回路（図示せず）を有する。より具体的には、電力システム１０は、燃料電池１６又は燃料電池サブグループ１８の実際の出力又は切換回路６２の出力を検知する電圧及び電流センサーを有する。誤差処理回路は、電圧蓄積アセンブリの実際の出力を所望の出力と比較し、必要により、適当な調節を行う。誤差処回路はコントローラ３４内に組み込むことができ、一つの実施例では、デジタル動作又はアナログ動作が可能である。
【００７３】
タップは、バッテリー間の均一化の事を心配することなく、直列に結合されたバッテリーセットの中間位置から取り出せるシステムが提供された。複雑なインバータの必要性なく、ＡＣ変換と同様に、ＤＣからＤＣへの変換も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】図１は、本発明による燃料電池電力システムを示す概略回路図である。
【図２】図２は、本発明の他の態様による燃料電池電力システムの概略回路図である。
【図３】図３は、本発明の更に他の態様による燃料電池電力システムの概略回路図である。
【図４】図４は、本発明の更に他の態様による燃料電池電力システムの概略回路図である。
【図５】図５は、インバータの機能を提供すべく、図２のシステムを用いて如何にして正弦波を発生させるかを示した、電圧−時間のプロット図である。
【図６】図６は、図５の正弦波の下部部分を画定するために、図２のシステムに含めることができる回路を示した図である。
【図１】
2004530274.tif 000003
【図２】
2004530274.tif 000004
【図３】
2004530274.tif 000005
【図４】
2004530274.tif 000006
【図５】
2004530274.tif 000007
【図６】
2004530274.tif 000008
【国際公開パンフレット】
2004530274.tif 000009
2004530274.tif 000010
2004530274.tif 000011
2004530274.tif 000012
2004530274.tif 000013
2004530274.tif 000014
2004530274.tif 000015
2004530274.tif 000016
2004530274.tif 000017
2004530274.tif 000018
2004530274.tif 000019
2004530274.tif 000020
2004530274.tif 000021
2004530274.tif 000022
2004530274.tif 000023
2004530274.tif 000024
2004530274.tif 000025
2004530274.tif 000026
2004530274.tif 000027
2004530274.tif 000028
2004530274.tif 000029
2004530274.tif 000030
2004530274.tif 000031
2004530274.tif 000032
2004530274.tif 000033
2004530274.tif 000034
2004530274.tif 000035
2004530274.tif 000036
2004530274.tif 000037
2004530274.tif 000038
2004530274.tif 000039
2004530274.tif 000040
2004530274.tif 000041
2004530274.tif 000042
2004530274.tif 000043
2004530274.tif 000044
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月27日(2003.3.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池電力システムであって、該システムは、
動作中ＤＣ電圧を発生し、可変電圧要求を有した負荷に電気的に結合される燃料電池と、
動作中、前記負荷に選択的且つ電気的に結合され、電圧状態を有するウルトラキャパシタと、
動作中、前記ウルトラキャパシタの電圧状態に基づき、ほぼ同時に選択的且つ電気的に燃料電池をウルトラキャパシタに結合又は非結合し、さらに、前記負荷の電圧要求が前記燃料電池の直流電圧出力を超過したとき、前記ウルトラキャパシタを前記負荷に電気的に結合する回路と、
を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記ウルトラキャパシタは動作中異なる電圧に充電及び放電され、前記回路は、前記ウルトラキャパシタの電圧が第１電圧以下になることに応じて、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタに電気的に結合し、前記ウルトラキャパシタの電圧が第２電圧以上になることに応じて、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタから非結合することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記ウルトラキャパシタは最大定格電圧を有し、そして前記燃料電池は互いに直列に結合される多数の燃料電池サブシステムによって画定され、前記多数の燃料電池サブシステムの合計電圧は前記ウルトラキャパシタの最大定格電圧よりも大きくないことを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池電力システムであって、該システムは更に、
前記ウルトラキャパシタに並列に結合される、最大電圧を有するバッテリーを具備し、前記多数の燃料電池サブシステムの合計電圧は前記バッテリーの最大電圧よりも大きくなく、前記バッテリーは、前記負荷の電圧要求が前記燃料電池の直流電圧出力を超過したとき、前記負荷に選択的且つ電気的に結合されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記バッテリーは単セルバッテリーであることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記ウルトラキャパシタは動作電圧範囲を有し、前記燃料電池は互いに直列に結合され且つ前記ウルトラキャパシタの前記動作電圧範囲内の電圧を発生する複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項７】
請求項４に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記回路は、前記ウルトラキャパシタを直流約１．８Ｖから約２．２Ｖの動作電圧で動作させるように構成され、前記燃料電池は互いに直列に結合され、それぞれが約０．６Ｖの電圧を発生する複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記燃料電池は、それぞれがイオン交換膜からなる複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項９】
請求項６に記載の燃料電池電力システムであって、該システムは更に、
互いに直列に結合され、前記第１の複数の燃料電池サブシステムと並列な第２の複数の燃料電池サブシステムを具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１０】
燃料電池電力システムであって、該システムは、
水素を直流電圧に電気化学的に変換し、可変電圧要求を有する負荷に選択的且つ電気的に結合される手段と、
負荷に選択的且つ電気的に結合され、電圧状態を有する、１ファラッド以上のキャパシタンスを画定する手段と、
前記キャパシタンス手段と前記負荷に並列に選択的且つ電気的に結合され、エネルギーを蓄積する電気化学手段と、
前記キャパシタンス手段とエネルギーを蓄積する前記電気化学手段の電圧状態に基づき、水素を電気化学的に変換する前記手段を前記キャパシタンス手段とエネルギーを蓄積する前記電気化学手段に選択的且つ電気的に結合及び非結合し、さらに、前記負荷の可変電圧要求が水素を電気化学的に変換するための前記手段によって提供される直流電圧を超過したとき、前記キャパシタンス手段及びエネルギーを蓄積する前記電気化学手段を前記負荷に選択的且つ電気的に結合する手段と、
を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池電力システムにおいて、水素を電気化学的に変換する前記手段は、陽子交換膜、固体酸化物、リン酸、アルカリ、溶融カーボンからなる群から選択される燃料電池からなることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１２】
請求項１０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記キャパシタンス手段は、動作中、水素を電気化学的に変換する前記手段によって異なる電圧に充電及び放電され、前記結合及び非結合手段は、前記キャパシタンス手段が第１電圧以下になったことに応じて、水素を電気化学的に変換する前記手段を前記キャパシタンス手段に電気的に結合し、前記キャパシタンス手段が第２電圧以上になったことに応じて、水素を電気化学的に変換する前記手段を前記キャパシタンス手段に電気的に非結合することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記キャパシタンス手段は最大定格電圧を有し、水素を電気化学的に変換する前記手段は、互いに直列に結合される多数の燃料電池サブシステムによって画定され、前記多数の燃料電池サブシステムの合計電圧は前記キャパシタンス手段の最大定格電圧よりも大きくないことを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記電気化学手段は最大電圧を有し、前記多数の燃料電池サブシステムの合計電圧は前記電気化学手段の最大電圧よりも大きくないことを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１５】
請求項１０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記電気化学手段は単セルバッテリーからなることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１６】
請求項１０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記キャパシタンス手段は動作電圧範囲を有し、水素を電気化学的に変換する手段は、前記キャパシタンス手段の動作電圧範囲内の電圧を発生する、互いに直列に結合される複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１７】
請求項１０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記結合及び非結合手段は、前記キャパシタンス手段を直流約１．８Ｖから約２．２Ｖの動作電圧で動作させるように構成され、水素を電気化学的に変換するための前記手段は、それぞれが約０．６Ｖの電圧を発生する互いに直列に結合される複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１８】
請求項１０に記載の燃料電池電力システムにおいて、水素を電気化学的に変換するための前記手段は、それぞれがイオン交換手段からなる複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項１９】
請求項１６に記載の燃料電池電力システムであって、該システムは更に、
互いに直列に結合され、前記第１の複数の燃料電池サブシステムと並列な第２の複数の燃料電池サブシステムを具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２０】
燃料電池電力システムであって、該システムは、
動作中、直流電圧を発生する燃料電池と、
少なくとも１ファラッド以上の容量を有し、可変電圧要求を有した負荷に電気的に結合され、さらに可変電圧状態を有するキャパシタと、
前記キャパシタの電圧状態に基づき、前記燃料電池を前記キャパシタに選択的且つ電気的に結合及び非結合する回路とを具備し、
前記燃料電池は、該燃料電池の直流電圧出力が前記負荷の電圧要求よりも小さいとき、前記負荷に直流電圧出力を供給することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２１】
請求項２０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記キャパシタは動作中異なる電圧に充電及び放電され、前記回路は、前記キャパシタの電圧が第１電圧以下になることに応じて前記燃料電池を前記キャパシタに電気的に結合し、前記キャパシタの電圧が第２電圧以上になることに応じて前記燃料電池を前記キャパシタから非結合することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２２】
請求項２１に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記キャパシタは最大定格電圧を有し、前記燃料電池は互いに直列に結合される多数の燃料電池サブシステムによって画定され、前記多数の燃料電池サブシステムの合計電圧は、前記キャパシタの最大定格電圧よりも大きくないことを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２３】
請求項２２に記載の燃料電池電力システムであって、該システムは更に、
前記キャパシタと並列に結合され、最大電圧を有する単セルバッテリーを具備し、前記多数の燃料電池サブシステムの合計電圧は前記バッテリーの最大電圧よりも大きくなく、前記回路は、前記電圧要求が前記燃料電池の電圧出力を超過したとき、前記バッテリーを前記負荷に電気的に結合することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２４】
請求項２０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記キャパシタは動作電圧範囲を有し、前記燃料電池は、互いに直列に結合され、それぞれが前記キャパシタの動作電圧範囲内の電圧を発生する複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２５】
請求項２０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記キャパシタは直流約１．８Ｖから約２．２Ｖの動作電圧を有し、前記燃料電池は、それぞれが約０．６Ｖの電圧を発生する互いに直列に結合される複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２６】
請求項２０に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記燃料電池は、それぞれがイオン交換膜からなる複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２７】
請求項２４に記載の燃料電池電力システムであって、該システムは更に、
互いに直列に結合され、前記第１の複数の燃料電池サブシステムに並列な第２の複数の燃料電池サブシステムを具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２８】
燃料電池電力システムであって、該システムは、
可変電圧要求を有する負荷に選択的且つ電気的に結合され、異なる電圧に充電及び放電されるウルトラキャパシタと、
可変電圧要求を有する前記負荷に供給される直流電気エネルギーを発生する互いに電気的に直列に結合される複数の燃料電池サブシステムと、
前記複数の燃料電池サブグループを前記ウルトラキャパシタに選択的且つ電気的に結合するために、前記複数の燃料電池サブシステムに電気的に結合されるスイッチと、
前記スイッチを、前記ウルトラキャパシタの電圧が第１電圧以下になることに応じて、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタに電気的に結合し、前記ウルトラキャパシタの電圧が第２電圧以上になることに応じて、前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタから非結合させる制御回路とを具備し、
前記ウルトラキャパシタは、前記負荷の要求電圧がある電圧値に達したとき、前記負荷に電気的に結合されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項２９】
請求項２８に記載の燃料電池電力システムであって、更に、前記ウルトラキャパシタに電気的に並列に結合されるバッテリーを具備し、前記バッテリーは最大電圧を有し、前記ウルトラキャパシタは動作電圧範囲を有し、前記複数の燃料電池サブシステムの累積電圧は前記ウルトラキャパシタの動作電圧範囲内であり、且つ前記バッテリーの最大電圧よりも小さいことを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３０】
請求項２８に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記複数の燃料電池サブシステムはそれぞれおよそ同一の電圧を発生することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３１】
請求項２８に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記ウルトラキャパシタは動作電圧範囲を有し、前記複数の燃料電池サブシステムによって提供される累積パワーは前記ウルトラキャパシタの動作電圧範囲内であり、前記電圧値は前記燃料電池によって発生する直流電流量よりも大きくないことを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３２】
請求項２８に記載の燃料電池電力システムであって、該システムは更に、
互いに直列に結合され、前記第１の複数の燃料電池サブシステムに並列な第２の複数の燃料電池サブシステムを具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３３】
請求項２９に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記制御回路は、前記ウルトラキャパシタを直流約１．８Ｖから約２．２Ｖの動作電圧で動作させるように構成され、前記燃料電池は、それぞれが約０．６Ｖの電圧を発生する、互いに直列に結合される複数の燃料電池サブシステムによって画定されることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３４】
請求項２８に記載の燃料電池電力システムにおいて、各燃料電池サブシステムはイオン交換膜からなることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３５】
請求項２８に記載の燃料電池電力システムにおいて、前記制御回路は埋め込みコントローラであることを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３６】
燃料電池電力システムであって、該システムは、
動作中、それぞれが電圧出力を発生し、それぞれが可変電圧要求を有する負荷に選択的且つ電気的に結合される複数の燃料電池と、
最大及び最低電圧充電状態を有するウルトラキャパシタであって、前記最大及び最低電圧充電状態の間の電圧充電状態に前記ウルトラキャパシタを実質的に維持するために、前記複数の燃料電池が選択的且つ電気的に結合又は非結合されるウルトラキャパシタと、
前記それぞれの燃料電池と前記ウルトラキャパシタに電気的に結合される切換回路であって、該切換回路は、（１）前記それぞれの燃料電池が前記ウルトラキャパシタに選択的且つ電気的に結合及び非結合されることと、（２）前記それぞれの燃料電池と前記ウルトラキャパシタが前記負荷に選択的且つ電気的に結合及び非結合されることとを、選択的に許容する切換回路と、
（１）前記それぞれの燃料電池の電圧出力、（２）前記ウルトラキャパシタの電圧充電状態、及び（３）前記負荷の電圧要求に関して検知可能な状態で設けられるコントローラであって、該コントローラは、前記ウルトラキャパシタが最小電圧充電状態のとき、それぞれの前記燃料電池をいろいろな組合せで前記ウルトラキャパシタに選択的且つ電気的に結合し、そして前記ウルトラキャパシタが最大電圧充電状態のとき、それぞれの前記燃料電池を前記ウルトラキャパシタから電気的に非結合するために、そして更に、前記ウルトラキャパシタが前記最大充電状態のとき、前記それぞれの燃料電池及びウルトラキャパシタによって前記負荷に供給される追加的組合わせ電力が前記負荷の電圧要求にほぼ合致するように、前記それぞれの燃料電池とウルトラキャパシタをいろいろな組合せで前記負荷に選択的且つ電気的に結合及び非結合するために、前記負荷の電圧要求に応じて、前記切換回路に電気的に制御可能に結合されるコントローラと、
を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３７】
燃料電池電力システムであって、該システムは、
動作中電力出力を有し、可変電圧要求を有した負荷に電気的に結合される燃料電池と、
それぞれが最大充電状態を有した複数のウルトラキャパシタと、
前記それぞれのウルトラキャパシタを前記負荷と前記燃料電池に選択的且つ電気的に結合及び非結合する切換回路と、
前記切換回路に対して制御可能関係に、そして（１）前記燃料電池の電力出力、（２）前記負荷の電圧要求、及び（３）前記それぞれのウルトラキャパシタの充電状態に対して検知可能関係に設けられるコントローラであって、第１の動作条件において、前記負荷の電圧要求が前記燃料電池の電力出力を超過したとき、前記コントローラは、前記選択回路に、前記燃料電池の電力出力に加算的に組合わされたときに前記負荷の電圧要求に合致した電力を提供するために、最大充電状態の個々のウルトラキャパシタを前記負荷に選択的に結合させ、他方、第２の動作条件において、前記燃料電池の電力出力を、個々のウルトラキャパシタを最大充電状態に維持するために、前記それぞれのウルトラキャパシタに選択的且つ電気的に結合及び非結合させ、そして前記第１及び第２動作条件がほぼ同時に実行されるコントローラと、
を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【請求項３８】
燃料電池電力システムであって、該システムは、
それぞれが動作中電圧出力を発生し、急激短時間の電圧上昇要求から長時間の電圧上昇要求の間で変動する電圧要求を有した負荷に選択的且つ電気的に結合される複数の燃料電池と、
それぞれが最大及び最小電圧充電状態を有する複数のウルトラキャパシタであって、該複数のウルトラキャパシタを前記最大及び最小充電状態の間の電圧充電状態に維持するために、前記複数の燃料電池は、前記それぞれのウルトラキャパシタにいろいろな組合せで、選択的且つ電気的に結合されるウルトラキャパシタと、
最小及び最大電圧充電状態を有するバッテリーであって、該バッテリーを前記最小及び最大電圧充電状態に維持するために、前記複数の燃料電池が、いろいろな組合せで、前記バッテリーに選択的且つ電気的に結合されるバッテリーと、
前記各燃料電池、前記個々のウルトラキャパシタ及び前記バッテリーに電気的に結合される切換回路であって、該切換回路は、（１）前記それぞれの燃料電池が前記それぞれのウルトラキャパシタ及び前記バッテリーに選択的且つ電気的に結合されること、及び（２）前記それぞれの燃料電池、前記個々のウルトラキャパシタ及び前記バッテリーが前記負荷に選択的且つ電気的に結合されることを許容する切換回路と、
（１）前記それぞれの燃料電池の電圧出力、（２）前記それぞれのウルトラキャパシタの電圧充電状態、（３）前記バッテリーの電圧充電状態、及び（４）前記負荷の可変電圧要求に対して検知可能状態に設けられるコントローラであって、該コントローラは前記切換回路に電気的に制御可能に結合されており、前記可変電圧要求が急激且つ短時間であり更に前記それぞれの燃料電池の電力出力を超過している第1動作条件において、前記コントローラは、前記切換回路に、負荷の急激且つ短時間の電圧要求に合致する前記負荷に電気的に結合された前記個々の燃料電池の電力出力に追加的に組合された電力を提供するために、前記最大及び最小充電状態間の充電状態を有する個々のウルトラキャパシタを前記負荷に選択的且つ電気的に結合させ、前記コントローラは、前記可変電圧要求が長時間であり且つ前記負荷に電気的に結合された前記個々の燃料電池の電力出力を超過した第２の動作条件において、前記切換回路に、負荷の長時間性の電圧要求に合致する前記負荷に電気的に結合された前記個々の燃料電池の電力出力に追加的に組合された電力を提供するために、それぞれが最大及び最小充電状態の間の充電状態を有する前記個々のウルトラキャパシタと前記バッテリーの組合せを前記負荷に選択的且つ電気的に結合させ、前記個々のウルトラキャパシタ及び／又は前記バッテリーがそれぞれ前記最大充電状態よりも低い電圧状態を有する第３動作条件において、前記コントローラは、前記切換回路に、前記それぞれのウルトラキャパシタ及び／又はバッテリーのそれぞれを最大及び最小電圧状態の間に維持するために、前記個々の燃料電池を前記それぞれのウルトラキャパシタ及び／又はバッテリーにいろいろな組合せで選択的且つ電気的に結合及び非結合させ、そして、前記第１、第２及び第３動作状態がほぼ同時に実行されるコントローラと、
を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
【国際調査報告】
2004530274.tif 000045
2004530274.tif 000046