燃料電池安定化システム及び方法
本発明は、ＤＣパワーサプライ（１０８）、及び、前記ＤＣパワーサプライ（１０８）がＤＣバス（１０４）に電力を供給することができるように構成されているコントロール部（１１２）を含む、燃料電池スタック（１０１）からＤＣバス（１０４）への電力の供給を安定化するための、燃料電池安定化システムに、関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックからの電力の供給を安定化するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学プロセスを介して水素、天然ガス及び石炭ガスなどの気体燃料を電気に変換する。燃料電池は、燃料、酸素及び空気を供給されると、連続的に電力を生成する。通常の燃料電池は、アノード及びカソード電極（主として電子伝導体）と接触する電解質から成る。動作の間、電解質の一つの側からもう一つの側にイオンとして移動され得る種類の電解質を渡って、大きい圧力差が存在する。移動するイオンは電極における触媒作用により充電／放電され、このイオン移動は、電極の充電の蓄積とは逆となる。外部回路を閉じることにより、電解質を介して電流が流れる。
【０００３】
燃料電池システムは通常、燃料電池スタック内に複数の燃料電池を含み、更に、燃料フロー及び精製される電力を調整するサブシステムを含む。
【０００４】
燃料電池システムの動作の間、燃料電池から電気負荷に供給される電流の不安定性を、特に、極端な不足電流及び過電流動作状況を、回避することが望ましい。これらの状況は、燃料電池システムが供給し得る最大限電流と、システムに課される実際の電気負荷需要との間の不均衡により、生じ得る。
【０００５】
燃料電池システムの通常の動作の間、システムに配置された電流需要が、支配的な動作状況下でシステムから引き出され得る最大限電流を超えるとき、過電流は発生する。過電流状況は、例えば、システムの外部電気負荷の増加の結果として、若しくは、燃料電池システムが電気をＡＣ電力網に供給し電力網の需要が劇的にサージするときの、ＡＣインバータの過渡応答により、又は、燃料電池がＤＣ負荷を、例えば、遠隔通信システムに供給するときの、ＤＣ／ＤＣコンバータの過渡応答により、発生し得る。一方で、過電流状況は、外部インピーダンス負荷が一定を維持しているが電気を供給する燃料電池システムの瞬間的なキャパシティが、例えば、燃料電池の電極に供給される反応種の濃度の突然の低下により減少するときに、発生し得る。アノード部材の酸化による燃料電池の損傷に繋がり得るので、原因に拘り無く、過電流状況は望ましくない。理論上、アノードの酸化は可逆性であるが、酸化に係る容積変化は、実際には重大な問題を提起することがある。
【０００６】
不安定性及び過電流状況から燃料電池を保護する現存のシステム及び方法は、安全接触を含む。安全接触は、過大な電流を引き出す電気システムから、燃料電池スタックを電気的に分離できる。“安全接触”という用語は、接続するデバイスと共に、物理的若しくは半導体分離デバイスの機能を、論理的に接続を断つ方法を意味する。しかしながら、安全接触を利用する現存のシステム及び方法は、電気的効率の減少に繋がり得る。更に、現存のシステム及び方法は遅く、若しくは、過渡電圧及び電流レベルの原因となることがあり、このことにより、燃料電池スタック及び付属サポートシステムを損傷する可能性がある。燃料電池コントロールシステムは複雑でもあり、よって実装するのに高価である。
【０００７】
燃料電池システムから引き出し可能な瞬間的電流が、ある外部の負荷により引き出される実際の電流を超えるとき、不足電流状況が生じる。例えば、電気負荷内の開回路により、燃料電池システムから引き出される電流に急縮小があるとき、前記状況は発生し得る。インバータを介してＡＣ電力網に接続する燃料電池システムに対しては、例えば、ＡＣ電力の状態の変動により、インバータが切断するならば、開回路が発生し得る。一方で、電気生成反応のために燃料電池スタックに供給される反応種の濃度が、スタックアウトプットへの電気負荷に適うのに要求される濃度を超えるとき、不足電流状況が発生し得る。
【０００８】
不足電流状況は、特に、“バランスオブプラント”と一般に称される非電気電力生産セクションにて、燃料電池システムの動作効率及び温度管理を損ない得るので、望ましいものではない。固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のためのバランスオブプラントは、熱処理装置（例えば、リフォーマ）、（冷気及び燃料、並びに高温排気の間で熱を運ぶための）熱交換器、残余の未燃燃料電池燃料のための酸化剤、及び、システム加熱バーナを、含む。コントロールシステムは、燃料電池システムの動作特性を調整するために、用いられ得る。過電流状況に応じて、これらは実効的になり得る。しかしながら、そのような救済的な応答は遅くなる傾向があり、特に不足電流状況が過渡的であるならば、無効になる可能性がある。上述のように、コントロールシステムは複雑でもあり、従って実装するのに高価である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の困難の一つ若しくはそれ以上を克服すること若しくは改善すること、又は、少なくとも有用な代替手段を設けることが、概略望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従って、本発明に係る一つの実施形態は、
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための燃料電池安定化システムであって、
ＤＣパワーサプライと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、ＤＣパワーサプライが電力をＤＣバスに供給できるように構成されているコントロール部と
を含む燃料電池安定化システムを、提供するものである。
【００１１】
ＤＣバスは、ある外部負荷により燃料電池スタックから電流を引き出せる。スタックの優勢な作動状況下で、外部負荷に関連する電流電力需要がスタックの瞬間的な電気アウトプットを超過するならば、燃料電池スタックからの電力の供給が、燃料電池システムのパラメータに従って選択された作動範囲の外にあることを意味する、過電流が発生する。しかしながら、この実施形態によると、コントロール部の支配下でＤＣバスへ電気を供給するように構成されている独立のＤＣパワーサプライを利用することにより、過電流は回避される。よって、電気のこの予備の供給は、独立のＤＣパワーサプライが添付するＡＣパワーグリッドから発生する。
【００１２】
安定化システムは、ＤＣバスの電圧（若しくは等価な電圧）を計測することにより電圧制御されても良いし、燃料電池からの電流のフロー（若しくは等価な電流）を計測することにより電流制御されても良い。
【００１３】
電圧制御の安定化システムでは、
前記コントロール部が、
電力の供給を現す、ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するように構成されているバス電圧センサと、
ＤＣバス電圧を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電圧と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む。
【００１４】
そのようなシステムにより、ＤＣパワーサプライから電気がいつ供給されるべきかに関する決定は、バス電圧センサを用いて、瞬間的なバス電圧とターンオン設定点電圧とを比較することにより行なわれる。設定点電圧は、選択された作動範囲に関連し、燃料電池安定化システムの特性及び作動状況、特に燃料電池内の過電流に対応するバス電圧のレベルに依存して、予め決定される。バス電圧が予め決定された設定点より低くなると、このことは過電流が発生する危険があることを示し、ＤＣパワーサプライは続いてＤＣバスに接続され別の電気源となる。この追加の電気を与えることはＤＣバスの電圧を安定化することにもなる。スタックが十分な電力を再び供給できる後の時点では、電気負荷の変化若しくはスタックへの燃料フローの変化により、ＤＣバスの電圧が再び、ＤＣパワーサプライのための選択されたターンオン設定点より上に上昇し（即ち、選択された作動範囲に戻り）、ＤＣパワーサプライは続いて電力をＤＣバスに供給するのを止める。ＤＣバスへのＤＣパワーサプライの接続は、ＤＣバスに供給される電力を実質的に線形状に増加し減少し得る（可変コンタクトとしても知られる）可変コントロール部を介する。このことはパルス幅コントローラによるものであり得る。
【００１５】
本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣパワーサプライからＤＣバスへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法も提供する。
【００１６】
電流制御の安定化システムでは、前記コントロール部が、
燃料電池スタックにより供給され、電力の供給を現す、燃料電池電流を検知するように構成されている燃料電池電流センサと、
燃料電池電流を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電流と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む。
【００１７】
本発明の電流制御の実施形態では、ＤＣバスの電圧を検知することの代わりに、燃料電池スタックから引き出される電流が電流センサにより計測される。結果として、独立したＤＣパワーサプライの選択された作動範囲に関連するターンオン及びターンオフ設定点は、電圧設定点ではなく、電流設定点となる。電流センサは、過電流状況の開始を直接検知できる。過電流状況が発生するとき、即ち、燃料電池スタックから引き出される電流が増加して過電流状況に接近し始めるとき、独立したＤＣパワーサプライがターンオンし、これによりＤＣバスへの別の電力源が設けられ、燃料電池への電流負荷を減少する。ＤＣパワーサプライのためのターンオン設定点電流は、燃料電池システムの特性及び作動状況を参照して決定される。
【００１８】
本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバスにより燃料電池スタックから引き出される燃料電池電流を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣパワーサプライからＤＣバスへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法も、提供する。
【００１９】
独立したＤＣパワーサプライによりＤＣバスに供給される電気の量は、可変コントロール部により制御され、該可変コントロール部は、ＤＣパワーサプライとＤＣバスを接続する。通常、ＤＣパワーサプライはパワーグリッドにより始動にて電力供給される。パワーグリッドは、燃料電池システムの外部の電力源である。通常、直流交流インバータは、燃料電池スタックから電力をエクスポートするためにＤＣバスに電気的に接続される。ＥＭＣフィルタは、ＤＣバス上の電磁ノイズ及び過渡電圧を減少するために、ＥＭＣフィルタがＤＣバスに電気的に接続されるのが好ましい。
【００２０】
燃料電池システムから引き出される過電流の問題は、別途の電流源、例えば、上述のＤＣパワーサプライを設けることにより、若しくは、ＤＣバスそれ自身の上の電気負荷を減少することにより、解決され得る。ＤＣバス上の電気負荷のうちには、燃料電池システムに関連する付属部品の作動のための電力を要求する“寄生”若しくはハウスキーピングエレメントと記載され得るものもある。これらのエレメントは、燃料電池システムの通常作動の間に、ＤＣバスからハウスキーピングサプライを介して供給される。過電流（即ち、選択された作動範囲の外）がＤＣバス上の種々の負荷により燃料電池スタックから引き出される状況が発生すると、ハウスキーピングエレメントにより引き出される電力の量は、それらをＤＣバスから切断することにより減少し得る。この切断は、ＤＣバスからハウスキーピングサプライ内への電流の供給を制限する可変ハウスキーピングコントロール部により、有効となる。通常の作動状況下では、ハウスキーピングコントロール部により、ハウスキーピングサプライへの全出力が可能である。しかしながら、あまりに多くの電流が燃料電池から引き出されているケースが発生するとき、ハウスキーピングサプライのアウトプットは、少なくとも部分的に制約される。
【００２１】
本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための燃料電池安定化システムであって、
ハウスキーピングサプライによりＤＣバスから引き出される電力を制限するように構成されているコントロール部を含み、
前記コントロール部は、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、一つ若しくはそれ以上のハウスキーピングエレメントに電力を供給するように構成されている
ことを特徴とする燃料電池安定化システムも、提供する。
【００２２】
電圧制御の安定化システムでは、前記コントロール部が、
電力の供給を現す、ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するように構成されているバス電圧センサと、
ＤＣバス電圧を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電圧と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ハウスキーピングサプライにより、ＤＣバスから引き出される電力を制限するように構成されている可変コントロール部と
を含む。
【００２３】
ハウスキーピング接続コントローラは、ＤＣバスの電圧が、選択された作動範囲に係る選択された設定点より下になるときにあまりに多くの電力が引き出されていることを、検知する。このハウスキーピング設定点は、予め選択され、燃料電池システム及び安定化システムの特性及び作動状況に、依存する。ＤＣバス電圧がこの設定点値より下になると、ハウスキーピングパワーサプライはＤＣバスから少なくとも部分的に切断され、これによりＤＣバス上の負荷を減少し、よって燃料電池上の電流負荷を要求される程度に減少する。ＤＣバスから引き出される電流を減少させることにより、電圧は安定化し得る。更に、作動状況は変化し、よって燃料電池スタックは十分な電力を供給できるので、ＤＣバス上の電圧はハウスキーピング設定点より上昇し、ハウスキーピングエレメントはＤＣバスから電力を再び引き出し始める。ＤＣバスへのハウスキーピングの接続は、ＤＣバスから引き出される電力を実質的に線形状に増加し減少し得る可変コントロール部を介する。
【００２４】
電流制御のシステムでは、前記コントロール部が、
燃料電池スタックにより供給され、電力の供給を現す、燃料電池電流を検知するように構成されている燃料電池電流センサと、
燃料電池電流を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電流と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ハウスキーピングサプライにより、ＤＣバスから引き出される電力の供給を制限するように構成されている可変コントロール部と
を含む。
【００２５】
本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
燃料電池スタックに接続されたＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからハウスキーピングパワーサプライへの電力のフローを減少するステップと
を含む方法も、提供する。
【００２６】
本発明の電流制御の実施形態では、ＤＣバスの電圧を検知することの代わりに、燃料電池スタックから引き出される電流が電流センサにより計測される。結果として、ハウスキーピングコネクタのターンオン及びターンオフ設定点は、電圧設定点ではなく、電流設定点となる。過電流状況が発生するとき、即ち、燃料電池スタックから引き出される電流が増加して過電流状況に接近し始めるとき、ハウスキーピングパワーサプライが切断されて、更に燃料電池スタック上の電流負荷を減少する。ハウスキーピングサプライのための切断設定点電流は、燃料電池システムの特定の特性及び作動状況を参照して決定される。
【００２７】
本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバスにより燃料電池スタックから引き出される燃料電池電流を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからハウスキーピングパワーサプライへの電力のフローを減少するステップと
を含む方法も、提供する。
【００２８】
ハウスキーピングサプライによりＤＣバスから引き出される電力が前記コントロール部により制限されるとき、通常、ハウスキーピングエレメントは、バックアップ電力を他のハウスキーピングエレメントに供給する再充電可能バッテリバンクを、含む。
【００２９】
ハウスキーピングエレメントがＤＣバスから少なくとも部分的に切断される期間には、それにもかかわらず、燃料電池システムの重要なエレメントが作動し続けることが重要である。ＤＣバスから切断されると、ハウスキーピングエレメントは、ハウスキーピングエレメント間に含まれる再充電可能バッテリバンクからの電力を用いて、作動し続け得る。バッテリバンクは、ハウスキーピングエレメントがＤＣバスに再接続されるまで、ハウスキーピングエレメントを一時的に作動でき、その後、再充電可能バッテリバンクは再充電する。ハウスキーピングエレメントは、一時的にＤＣバスから切断されるに過ぎない。例えば、システム内の他の部品によりＤＣバス上の短期間の一時的効果のバランスを取る短期間の切断である。
【００３０】
不足電流状況が発生するとき、即ち、燃料電池スタックに供給される反応種の量が燃料電池システム上の電気負荷により要求される量よりも多いとき、燃料電池システムは次善の作動を行ない得る。熱電気複合（ＣＨＰ）生産アプライアンスでは、燃料電池を介して利用されないまま通過する気体燃料が、システムの下流セクションで、即ち、プラントのバランスの部分で燃焼し、熱を生成する。一時的電気的効果により、燃料電池スタック上の電気負荷が劇的に減少するならば、それに対応して、燃料電池システムの下流セクション内を通過する利用されない燃料の量において、突然の増加が生じる。利用されない燃料の下流におけるこの突然の大きな増加は、燃料電池システムの全体の効率性及び安定性に影響する、望ましくない突然の温度変化を生じることがある。従って、電気レベルにおける電気負荷内のこの劇的減少の影響を弱めることが好ましい。本発明のこの実施形態では、電気システムの電力を引き出す部品の一つ若しくはそれ以上が、ＤＣバス上のそれらの電気負荷を突然に減少させるならば、ロードバンクの形式の、別途の電気負荷が即座にＤＣバスに接続され、これにより、電気的要件における他の変化を補償する。ロードバンクの目的は、他の部品がそれらの引き出す電流を減少させるときに、燃料電池上により安定した電気負荷を設けることにある。
【００３１】
従って、本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を安定化するための燃料電池安定化システムであって、
ロードバンクがＤＣバスから電力を引き出せるように構成されているコントロール部を含む、燃料電池安定化システムも、提供する。
【００３２】
本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
燃料電池スタックに接続されたＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからロードバンクへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法も、提供する。
【００３３】
電圧制御のシステムでは、前記コントロール部が、
電力の供給を現す、ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するように構成されているバス電圧センサと、
ＤＣバス電圧を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電圧と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスからロードバンクへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む。
【００３４】
ＤＣバスの電圧が、選択された作動範囲に係る設定レベルより上昇するとき、ロードバンクは、通常、閉じた（即ち、接続した）可変コンタクトを介してＤＣバスに接続する。燃料電池スタックにより供給される電流の量が、ＤＣバス上の通常の負荷部品により引き出される電流の量よりも大きいとき、ＤＣバスの電圧が上昇する。ロードバンクのための接続設定点は、予め決められており、燃料電池システムの特性及び作動状況に依存する。ＤＣバスからロードバンク内に流れる電流の量は、ＤＣバスの電圧がロードバンク設定点より下に反落するとき、結果として自動的に減少する。通常の作動部品が定格電力を再び引き出し始めるとき、若しくは、燃料電池スタックに配布される燃料が新しい要求レベルにまで減少するとき、このことが発生する。ＤＣバスへのロードバンクの接続は、ＤＣバスから引き出される電力を実質的に比例状に変動し得る可変コントロール部を介する。この可変は、線形状でも階段状でもよい。
【００３５】
本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバスにより燃料電池スタックから引き出される燃料電池電流を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからロードバンクへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法も、提供する。
【００３６】
電流制御の実施形態では、前記コントロール部が、
燃料電池スタックにより供給され、電力の供給を現す、燃料電池電流を検知するように構成されている燃料電池電流センサと、
燃料電池電流を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電流と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスからロードバンクへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む。
【００３７】
電流制御の実施形態では、燃料電池から引き出される電流が、選択された作動範囲に係る定格の作動値より下に減少するとき、ロードバンクが起動する。該定格の作動値は、燃料電池システムの特性及び作動状況を参照して決定される。このように、ロードバンクは、概略一定の電流の量が、所与の定格の作動状況のために燃料電池から引き出されることを保証できる。
【００３８】
本発明は、燃料電池スタックと、ＤＣバスと、本明細書に記載の燃料電池安定化システムとを含む燃料電池システムも、提供する。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の利点は、電流及び電圧の悪条件から、燃料電池１０１の、若しくは燃料電池スタック１０２内の燃料電池の、アウトプット電圧及び電流を安定化する迅速な手段を含む。ここでの電流及び電圧の悪条件は、電気システムにより引き出されているより多くの電流を燃料電池が生成している場合の過電圧、及び、燃料電池１０１が不十分な電流しか生成していない場合の不足電圧を、含む。燃料電池コンポーネント若しくは関連の燃料処理システムの、過剰加熱、酸化若しくは還元を介して、これらの悪条件は、燃料電池に直接的に若しくは間接的に損傷を与え、又は、不安定化及び非効率作動を生じる、可能性がある。
【００４０】
燃料電池安定化システムの利点は、ＤＣバス１０４の負荷の迅速な変化のバッファリングである。迅速な負荷の変化を実質的に補償することで、燃料電池安定化システムにより、全体のコントロールシステムは、より遅いより安定な時間応答特性を伴って、簡素化され得る。燃料電池システムへの負荷の変化の効果を減少することにより、燃料電池システム内で発生する熱応力の周波数及び振幅は減少し、このことにより、燃料電池システムの長寿化が促進される。更に、燃料電池安定化システムにより、燃料電池システムの全体の複雑さ及びコストは減少する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】電圧制御燃料電池安定化システムの模式的レイアウトである。
【図２】図１のパワーサプライ接続コントローラ内の電圧制御安定化の方法を示すフローチャートである。
【図３】図１のハウスキーピング接続コントローラ内の電圧制御燃料電池安定化の方法を示すフローチャートである。
【図４】図１のロードバンク接続コントローラ内の電圧制御燃料電池安定化の方法を示すフローチャートである。
【図５】図１のハウスキーピングエレメントの模式的レイアウトである。
【図６】デジタルコントロールボードを含む、図１の電圧制御燃料電池安定化システムの模式図である。
【図７】電流制御燃料電池安定化システムの模式的レイアウトである。
【図８】デジタルコントロールボードを含む、図７の電流制御燃料電池安定化システムの模式図である。
【図９】図７のパワーサプライ接続コントローラ内の電流制御安定化の方法を示すフローチャートである。
【図１０】図７のハウスキーピング接続コントローラ内の電圧制御燃料電池安定化の方法を示すフローチャートである。
【図１１】図７のロードバンク接続コントローラ内の電圧制御燃料電池安定化の方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明に係る実施形態は、不足電圧及び／又は過電圧、過電流及び／又は不足電流、又は過剰の不使用の燃料が燃料電池スタックを通過すること、などを含む、所望されない電気的負荷や動作状況による、燃料電池システムへの不安定性及び／又はダメージを回避する若しくは少なくとも減少するための、システムを提供するものである。
【００４３】
燃料電池安定化システム１００は、図１に示す燃料電池システム１０３内で用いられ、該燃料電池安定化システム１００は、高電圧ＤＣバス１０４、及び、（可変スタックコンタクト１０６を介して）ＤＣバス１０４に電力を供給するための燃料電池１０１を含む燃料電池スタック１０２を、含む。電力は、ハウスキーピングサプライ１２０、グリッド接続インバータ１３２、及びロードバンク２０２によって、ＤＣバス１０４から、引き出され得る。燃料電池システム１０３は、例えば、セラミックフューエルセルズリミテッド（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ）（１７０ ブラウン ロード、ノーブルパーク、オーストリア）により供給される一般型の熱電気複合（ＣＨＰ）アプライアンスの主要動作部であればよい。
【００４４】
ＤＣ電力も、ＤＣパワーサプライ１０８からＤＣバス１０４に供給可能であり、該ＤＣパワーサプライ１０８は、ＡＣグリッドインポートコネクタ１１０を介してＡＣ電力網から電力を引き出すことができる。ＤＣパワーサプライ１０８は、燃料電池スタック１０２の電流及び電圧レベルを所望の選択された動作範囲内に安定化するために、利用され得る。ＤＣパワーサプライ１０８は、パワーサプライ接続コントローラ１１２を介してＤＣバス１０４に接続されるが、該パワーサプライ接続コントローラ１１２は、電力の供給が選択された動作範囲の外にあることを示す安定化信号を生成することにより、燃料電池安定化をもたらすものである。
【００４５】
電圧制御の実施形態では、パワーサプライ接続コントローラ１１２は、ＤＣバス１０４の電圧を連続してモニタするパワーサプライのためのバス電圧センサ１１４を含む。パワーサプライのための設定点コンパレータ１１６は、センサ１１４により検知されるＤＣバス電圧を、電圧の内部格納設定点値と比較する。この設定点は、中央コントロールシステムにより選択され、ＤＣパワーサプライ１０８のためのターンオン値を表す。検知されたＤＣバス電圧が設定点値以下であれば、設定点値コンパレータ１１６は、可変パワーサプライコンタクト１１８を作動させ、ＤＣパワーサプライ１０８はＤＣバス１０４に電力を供給し始める。検知されたＤＣバス電圧が設定点値より大きければ、可変パワーサプライコンタクト１１８は停止され、ＤＣパワーサプライ１０８はＤＣバス１０４か切り離される。設定点値は、選択された動作範囲を規定する。
【００４６】
ＤＣパワーサプライ１０８は、ユニティパワーファクタフロントエンド、及び、内部中間ＨＶバス、並びに、概略５００ワット定格の、（２０アンペアで）２４Ｖ ＤＣアウトプットのための二次的フォワードコンバータを有する、Ｍｅａｎｗｅｌｌ ＳＰ ５００パワーサプライである。ＤＣパワーサプライ１０８は、縮小した電流限度を有し、約４００Ｗの最大限インプットパワーを提示し、よって、高圧ＤＣ成分のためのインピーダンスリミットを示すように、構成されている。更に、ＤＣパワーサプライ１０８内のセットダウントランスフォーマは、通常のスタック動作電圧範囲（即ち、１８０〜３２０Ｖ ＤＣ）を示すように構成されている。
【００４７】
可変パワーサプライコンタクト１１８は、高速オン／オフスイッチと、ブロックのスイッチング周波数に比例して電流を線形化するフィルタとを含む、線形コントロールブロックの形態である。
【００４８】
熱電気複合（ＣＨＰ）燃料電池システムは、ハウスキーピングエレメント１２２を含む、高い信頼性且つ高い費用効率性の動作のための燃料電池スタック１０２に加えて、更なる支持コンポーネントを必要とする。図１のハウスキーピングサプライ１２０は、ハウスキーピングエレメント１２２に電力を与え、ハウスキーピング接続コントローラ１２４を介してＤＣバス１０４に接続する。このことにより燃料電池が安定化する。寄生エレメントとしても知られるハウスキーピングエレメント１２２は、燃料ポンプや冷却ファンを含む、燃料電池パワーシステムの動作を指示するデバイスを、含む。
【００４９】
ハウスキーピング接続コントローラ１２４は、燃料電池スタック１０２の電流及び電圧レベルを安定化するのに利用され得る。電圧制御の形態では、ハウスキーピング接続コントローラ１２４は、ＤＣバス１０４の電圧を連続的にモニタするハウスキーピングのためのバス電圧センサ１２６を含む。ハウスキーピングのための設定点コンパレータ１２８は、（センサ１２６により検知される）ＤＣバス電圧を、電圧の内部格納設定点値と比較する。この設定点は、中央コントロールシステムにより選択され、ハウスキーピングサプライ１２４のためのターンオフ値を表す。検知されたＤＣバス電圧が設定点値以下であれば、設定点コンパレータ１２８は、可変ハウスキーピングコンタクト１２８を停止させ、ハウスキーピングサプライ１２０がＤＣバス１０４から切り離される。検知されたＤＣバス電圧がコンパレータ１２８の設定点値より大きければ、可変ハウスキーピングコンタクト１３０は再作動し、ハウスキーピングサプライ１２０はＤＣバス１０４から電力を引き出すことを再開する。
【００５０】
ロードバンク２０２は、冷却レジスタバンクを介して過剰なＤＣ電力を消散することができ、ロードバス接続コントローラ２０３を介してＤＣバスに接続する。このことにより、燃料電池が安定化する。
【００５１】
ロードバンク接続コントローラ１２４は、燃料電池スタック１０２の電流及び電圧レベルを安定化するのに利用され得る。電圧制御の形態では、ロードバンク接続コントローラ２０４は、ＤＣバス１０４の電圧を連続的にモニタするロードバンクのためのバス電圧センサ２０６を含む。ロードバンクのための設定点コンパレータ２０８は、センサ２０６により検知されるＤＣバス電圧を、電圧の内部格納設定点値と比較する。この設定点は、中央コントロールシステムにより選択され、ＤＣロードバンク２０２のためのターンオン値を表す。検知されたＤＣバス電圧が設定点値以上であれば、設定点コンパレータ２０８は、可変ロードバンクコンタクト２１０を作動させ、ＤＣロードバンク２０２はＤＣバス１０４から電力を引き出し始める。検知されたＤＣバス電圧がコンパレータ２０８の設定点値より小さければ、可変ロードバンクコンタクト２１０は停止され、ＤＣロードバンク２０２はＤＣバス１０４か切り離される。
【００５２】
図１のグリッド接続インバータ１３２は、ＡＣグリッドエクスポートコネクタ１３４をかいして電力をＡＣグリッドにエクスポートすることができ、インバータ接続コントローラ１３６を介してＤＣバス１０４に接続する。このことにより燃料電池の安定化がもたらされる。インバータ接続コントローラ１３６は、ＤＣバス１０４の電圧を連続的にモニタするインバータのためのバス電圧センサ１３８を含む。インバータのためのＰＩＤコントローラ１４０は、センサ１３８で検知されるＤＣバス電圧を電圧の内部格納設定点値と比較する。この設定点は、中央コントロールシステムにより選択され、ＤＣバス１０４上の電圧のためのターゲット値を表す。検知されたＤＣバス電圧がこの設定点値以下であれば、ＰＩＤコントローラ１４０はインバータコンタクト１４２を介する電流フローを減少させ、よってグリッド接続インバータ１３２がＤＣバス１０４から引き出す電流が少なくなる。検知されたＤＣバス電圧がＰＩＤコントローラ１４０の設定点値より大きければ、インバータコンタクト１４２は電流フローを増大させ、よってグリッド接続インバータ１３２がＤＣバス１０４からより多くの電力を引き出す。
【００５３】
インバータ接続コントローラ１３６はシリアル通信により制御され、有効な通信は通常のシャットダウンを実行するのに数秒掛かり得る。更に、インバータ接続コントローラ１３６は、或る時間の掛かるシャットダウンプロトコルが観察されることを要求することがある。ＤＣバス電圧が下がると、インバータ１３２は更に、無視できない期間、ＤＣバスから電力を引き出し続け得る。
【００５４】
定常状態動作では、ＤＣバス１０４の電圧は定常動作レベルで維持し、電圧制御の実施形態では、コンタクトの接続は以下のようになる。
【００５５】
可変スタックコンタクト１０６：
・接続
・（スタック１０２は電力をＤＣバス１０４に供給する）
可変パワーサプライコンタクト１１８：
・切断
・（ＤＣパワーサプライ１０８は電力を供給しない）
可変ハウスキーピングコンタクト１３０：
・接続
・（ハウスキーピングサプライ１２０はＤＣバス１０４から電力を引き出す）
可変ロードバンクコンタクト２１０：
・切断
・（）ロードバンク２０２は電力を引き出さない）
【００５６】
ＤＣバスの電圧が予測外のシステムイベントのためにその定常動作から変動するとき、
接続コントローラ（１１２、１２４、１３６、２０４）は動作するように設定される。異なる可変コントロール、即ち可変コンタクト１０６、１１８、１３０、２１０は、コンパレータ１１６、１２８、１４０、２０８内の異なる設定点に従って、作動／停止する。設定点は、秀雄システムにより決定される。例示のシステムでは、約２４２．５Ｖ ＤＣの定常状態動作電圧において、ＤＣバス電圧のための設定点値は概略、以下の通りとなる。
【００５７】
【表１】
【００５８】
例示のシステムは、概略１８０〜３２０Ｖ ＤＣで変動し得る定常状態動作電圧を有する。しかしながら、動作電圧は、悪影響を及ぼす電気イベントからの、燃料電池の安定化及び保護のために、要求される速度よりもずっと遅い速度でのみ、この範囲で変動し得る。定常状態動作電圧の選択、及び対応する設定点は、中央コントロールシステム９０４により与えられる。
【００５９】
図２は、パワーサプライ接続コントローラ１１２により実行される電圧制御燃料電池安定化の方法のフローチャートである。システムは定常動作状況で開始するが、このとき、電力は燃料電池スタック１０２からＤＣバス１０４に供給されており、また電力はハウスキーピングサプライ１２０及びグリッド接続インバータ１３２により引き出され、またＤＣパワーサプライ１０８によって供給される電力は無く、ロードバンク２０２によって引き出される電力も無い。ステップ３０２では、システムのエラーにより、過剰電流が燃料電池スタック１０２から引き出されることとなる。このエラーは、スタックに供給される燃料の低下、若しくは電気負荷の１つの短絡、若しくはＡＣパワーグリッドの変化を含み得る。ステップ３０４では、過剰電流により、ＤＣバス１０４の電圧が低下することとなり、このことはステップ３０６にてバス電圧センサ１１４により検知される。ステップ３０８では、設定点コンパレータ１１６は、ＤＣバス上の計測された電圧をパワーサプライ設定点と比較する。ＤＣ電圧がパワーサプライ設定点以下にまで落ちていれば、ステップ３１０にてコンパレータ１１６は可変パワーサプライコンタクト１１８を作動させ、ステップ３１２にてＤＣパワーサプライ１０８は電力をＤＣバス１０４に供給することを開始し、これによりステップ３１４にて電圧を安定化する。図３の方法は急速に（即ち、数ミリ秒以下で）生じるものであり、このとき設定点コンパレータ１１６は数キロヘルツのオーダの周波数で作動する。ＤＣパワーサプライ１０８は、大抵の状況でＤＣバス電圧を安定化できる。例えば、外部ＡＣパワーグリッドが崩壊したら、このことは可能ではなく、この場合ＤＣパワーサプライ１０８のための電力源は無くなる。
【００６０】
図３は、ハウスキーピング接続コントローラ１２４により実行される電圧制御燃料電池安定化の方法のフローチャートである。システムは定常動作状況で開始するが、このとき、電力は燃料電池スタック１０２からＤＣバス１０４に供給されており、また電力はハウスキーピングサプライ１２０及びグリッド接続インバータ１３２により引き出され、またＤＣパワーサプライ１０８によって供給される電力は無く、ロードバンク２０２によって引き出される電力も無い。ステップ４０２では、システムのエラーにより、過剰電流が燃料電池スタック１０２から引き出されることとなる。このエラーは、燃料電池スタックに供給される燃料の低下、若しくは電気負荷の１つの短絡、若しくはＡＣパワーグリッドの変化を含み得る。ステップ４０４では、過剰電流により、ＤＣバス１０４の電圧が低下することとなり、このことはステップ４０６にてバス電圧センサ１２６により検知される。ステップ４０８では、設定点コンパレータ１２８は、ＤＣバス上の計測された電圧をハウスキーピング設定点と比較する。ＤＣ電圧がハウスキーピング設定点以下にまで落ちていれば、ステップ４１０にてコンパレータ１２８は可変ハウスキーピングコンタクト１３０を作動させ、ハウスキーピングサプライ１２０はＤＣバス１０４から切断される。この切断はＤＣバス１０４から引き出される電力を減少させ、これによりステップ３１４にてＤＣバス電圧を安定化できる。ステップ４１２にてＤＣバス１０４から引き出される電力が制限されると、ハウスキーピングエレメント１２２は、ハウスキーピングエレメント内に含まれる再充電可能バッテリバンク７０４により供給される電力から作動し続け得る。
【００６１】
図４は、ロードバンク接続コントローラ２０４により実行される電圧制御燃料電池安定化の方法のフローチャートである。システムは定常動作状況で開始するが、このとき、電力は燃料電池スタック１０２からＤＣバス１０４に供給されており、また電力はロードバンクサプライ１２０及びグリッド接続インバータ１３２により引き出され、またＤＣパワーサプライ１０８によって供給される電力は無く、ロードバンク２０２によって引き出される電力も無い。ステップ６０２では、システムのエラーにより、過少電流がＤＣバス１０４から引き出されることとなり、このことにより燃料電池スタック１０２は要求されるよりもより多くの燃料を“燃やして”いる。このエラーは、スタックに供給される燃料の突然の増加、若しくは電気負荷の１つの開回路（ＤＣバスからの突然の切断）、若しくはＡＣパワーグリッドの崩壊（よってＡＣグリッドへの電力のエクスポートの遮断）を含み得る。ステップ６０４では、供給される電流の低下により、ＤＣバス１０４の電圧が上昇することとなり、このことはステップ６０６にてバス電圧センサ２０６により検知される。ステップ６０８では、設定点コンパレータ２０８は、ＤＣバス上の計測された電圧をロードバンク設定点と比較する。ＤＣ電圧がロードバンク設定点以上にまで上昇すれば、ステップ６１０にてコンパレータ２０８は可変ロードバンクコンタクト２１０を作動させ、ロードバンク２０２はＤＣバス１０４に接続される。この接続はＤＣバス１０４から電力を引き出し、これによりステップ６１４にてＤＣバス電圧を安定化する。図４の方法は可及的速やかに、通常数ミリ秒内で生じるものである。
【００６２】
一つ若しくはそれ以上の、例えば、接続コントローラ１１２、１２４、１３６、２０４により、安定性、並びに不足電圧及び過電圧保護をもたらすことにより、燃料電池スタック１０２とＤＣバス１０４との間にセンサ及び保護システムが無くても、システムを構築できる。このような付加的な保護システムは損失源となる。そのような付加的な保護システムが無くても、燃料電池スタック１０２をＤＣバス１０４に直接接続し、更に該ＤＣバス１０４を電気負荷に直接接続し、このことによりシステムの効率性を増加することができる。
【００６３】
図５に示す、ハウスキーピングエレメント１２２は、ハウスキーピングバス７０２から電力供給され、該ハウスキーピングバス７０２はハウスキーピングサプライ７０２から電力を導出する。ハウスキーピングエレメント１２２はバッテリバンク７０４を含み、該バッテリバンク７０４は、ハウスキーピングサプライ３０８からの電力の変動にかかわらず、ハウスキーピングバス上への着実なパワーサプライを維持するための、再充電可能のバッテリを含む。ハウスキーピングエレメント３０２は、（電磁妨害を生じ得る過渡電圧を減少させるための）キャパシタであってもよいＥＣＭフィルタ７０６、コントロール電子システム７０８のための電力、エアブロア７１０、ウオータポンプシステム７１２、及び、燃料電池フローシステム７１４も、含む。他のハウスキーピングエレメント１２２は、ガスセーフティシステム、中央コントロールシステムプロセッサ、センサ、バルブ及びプロセスコントロールエレメントを、含み得る。
【００６４】
図６及び図７は共に、図１及び図２についてのより詳細な模式図を含み、更に、デジタルコントロールボード９０２及び中央コントロールシステム９０４を含む。中央コントロールシステム９０４は、燃料電池スタック１０２の作動電圧、よってＤＣバス１０４の作動電圧を選択する。コントロールシステム９０４は、コンパレータ１１６、１２８、１４０、２０８の設定点も選択し、デジタルコントローラボード９０２を介してこれらの値を設定する。例示のシステムでは、接続コントローラ（１１２、１２４、１３６、２０４）は、ＰＩＤ（比例積分微分）コントロールユニットを用いて実現される。
【００６５】
上述の電圧制御燃料電池安定化システムでは、共通ＤＣバス１０４の不足電圧及び過電圧は、個々のＤＣバスエレメント（ＤＣパワーサプライ１０８、ハウスキーピングサプライ１２０、インバータ１３２及びロードバンク２０２）を個別に同期化する共通手段として用いられる。高リニア電気抵抗が燃料電池１０１を支配するとき、コントロールの電圧モードが特に有用であり得る。しかしながら、燃料電池スタック１０２が低電気抵抗を有するならば、若しくは電気抵抗を有さないならば、電流制御燃料電池安定化システムは好ましくない。
【００６６】
図７及び図８に示すように、電流制御燃料電池安定化システムでは、スタック電流センサ２２０が、燃料電池スタック１０２を介して流れる電流をモニタする。スタック電流センサ２２０は、アンメータの形態である。ＤＣパワーサプライ１０８、ハウスキーピングサプライ１２０及びロードバンク２０２により引き出される電流は、予め決定された電流設定点値を検知可能である個々のコンパレータ１１６、１２８、２０８により制御される。燃料電池システムの特定の作動状況に基づく、電流設定点の例は以下の通りである。
・（スタック電流センサ２２０からの）スタック電流が５．０アンペアより上昇するときＤＣパワーサプライ１０８を接続する。
・（スタック電流センサ２２０からの）スタック電流が５．５アンペアより上昇するときハウスキーピングサプライ１２０を切断する。
・（スタック電流センサ２２０からの）スタック電流が４．０アンペアより下降するときロードバンク２０２を接続する。
【００６７】
電流制御燃料電池安定化システムは、図９〜図１１に示されるように作動する。例えば、グリッド接続インバータ１３２は、電流引き込みの４．５Ａに設定され得る。ＤＣパワーサプライ１０８はオフであり、ハウスキーピングサプライ１２０はオンであり、ロードバンク２０２はオフ（即ち、切断）である。燃料電池スタック１０２から引き出される電流が、（あるいはグリッド接続インバータ１３２によって）負荷が増加することで、５．０Ａより高く上昇すると、パワーサプライコンパレータ１１６は、ＤＣパワーサプライ１０８を接続する。燃料電池スタック１０２から引き出される電流が、５．５Ａより高く上昇すると、ハウスキーピングサプライ１２０は、ハウスキーピングコンパレータ１２８を介して切断される。インバータ１３２が作動することを停止するならば、即ち、何らかの別の理由でスタック負荷電流が４．０Ａより低く低下するならば、ロードバンクコンパレータ２０８は、燃料電池スタック１０２から引き出される電流を４．０Ａに維持するように、ロードバンク２０２を接続する。
【００６８】
電流制御燃料電池安定化システムは、組み合わされた電流及び電圧の特徴を考慮する。スタック電圧が低下すると、コンパレータ１１６、１２８、２０８の作動電流設定点が（この例で記載される、Ｉ２Ｒ損失などの）スタック抵抗パラメータの変化を補償するように、中央コントロールシステム９０４により調整される。
【００６９】
本発明の利点は、電流及び電圧の悪条件から、燃料電池１０１の、若しくは燃料電池スタック１０２内の燃料電池の、アウトプット電圧及び電流を安定化する迅速な手段を含む。ここでの電流及び電圧の悪条件は、電気システムにより引き出されているより多くの電流を燃料電池が生成している場合の過電圧、及び、燃料電池１０１が不十分な電流しか生成していない場合の不足電圧を、含む。燃料電池コンポーネント若しくは関連の燃料処理システムの、過剰加熱、酸化若しくは還元を介して、これらの悪条件は、燃料電池に直接的に若しくは間接的に損傷を与え、又は、不安定化及び非効率作動を生じる、可能性がある。
【００７０】
燃料電池安定化システムの利点は、ＤＣバス１０４の負荷の迅速な変化のバッファリングである。迅速な負荷の変化を実質的に補償することで、燃料電池安定化システムにより、全体のコントロールシステムは、より遅いより安定な時間応答特性を伴って、簡素化され得る。燃料電池システムへの負荷の変化の効果を減少することにより、燃料電池システム内で発生する熱応力の周波数及び振幅は減少し、このことにより、燃料電池システムの長寿化が促進される。更に、燃料電池安定化システムにより、燃料電池システムの全体の複雑さ及びコストは減少する。
【００７１】
当然のことながら、添付の図面を参照して記載した本発明の実施形態は、例示として示したものに過ぎず、装置のパフォーマンスを向上させるために、改良、及び追加の要素は加えられ得る。
【００７２】
この明細書における、先行文献（若しくはそこから導出される情報）又は周知事項に対する参照は、先行文献（若しくはそこから導出される情報）又は周知事項は、この明細書が関連する努力傾注分野の一般的知識の一部を形成するという、知識、了承、若しくは示唆の形態ではなく、更に、知識、了承、若しくは示唆の形態として、捉えられるべきではない。
【符号の説明】
【００７３】
１００・・・燃料電池安定化システム、
１０１・・・燃料電池、
１０２・・・燃料電池スタック、
１０３・・・燃料電池システム、
１０４・・・ＤＣバス、
１０６・・・可変スタックコンタクト、
１０８・・・ＤＣパワーサプライ、
１１０・・・ＡＣグリッドインポートコネクタ、
１１２・・・パワーサプライ接続コントローラ、
１１４・・・バス電圧センサ、
１１６・・・設定点コンパレータ、
１１８・・・可変パワーサプライコンタクト、
１２０・・・ハウスキーピングサプライ、
１２２・・・パワーハウスキーピングエレメント、
１２４・・・ハウスキーピング接続コントローラ、
１２６・・・バス電圧センサ、
１２８・・・設定点コンパレータ、
１３０・・・可変ハウスキーピングコンタクト、
１３２・・・グリッド接続インバータ、
１３４・・・ＡＣグリッドエクスポートコネクタ、
１３６・・・インバータ接続コントローラ、
１３８・・・バス電圧センサ、
１４０・・・ＰＩＤコントローラ、
１４２・・・インバータコンタクト、
２０２・・・ロードバンク、
２０４・・・ロードバンク接続コントローラ、
２０６・・・バス電圧センサ、
２０８・・・設定点コンパレータ、
２１０・・・可変ロードバンクコンタクト、
７０２・・・ハウスキーピングバス、
７０４・・・バッテリバンク、
３０８・・・ハウスキーピングサプライ、
３０２・・・ハウスキーピングエレメント、
７０６・・・ＥＣＭフィルタ、
７０８・・・コントロール電子システム、
７１０・・・エアブロア、
７１２・・・ウオータポンプシステム、
７１４・・・燃料フローシステム、
９０２・・・デジタルコントロールボード、
９０４・・・中央コントロールシステム。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックからの電力の供給を安定化するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学プロセスを介して水素、天然ガス及び石炭ガスなどの気体燃料を電気に変換する。燃料電池は、燃料、酸素及び空気を供給されると、連続的に電力を生成する。通常の燃料電池は、アノード及びカソード電極（主として電子伝導体）と接触する電解質から成る。動作の間、電解質の一つの側からもう一つの側にイオンとして移動され得る種類の電解質を渡って、大きい圧力差が存在する。移動するイオンは電極における触媒作用により充電／放電され、このイオン移動は、電極の充電の蓄積とは逆となる。外部回路を閉じることにより、電解質を介して電流が流れる。
【０００３】
燃料電池システムは通常、燃料電池スタック内に複数の燃料電池を含み、更に、燃料フロー及び精製される電力を調整するサブシステムを含む。
【０００４】
燃料電池システムの動作の間、燃料電池から電気負荷に供給される電流の不安定性を、特に、極端な不足電流及び過電流動作状況を、回避することが望ましい。これらの状況は、燃料電池システムが供給し得る最大限電流と、システムに課される実際の電気負荷需要との間の不均衡により、生じ得る。
【０００５】
燃料電池システムの通常の動作の間、システムに配置された電流需要が、支配的な動作状況下でシステムから引き出され得る最大限電流を超えるとき、過電流は発生する。過電流状況は、例えば、システムの外部電気負荷の増加の結果として、若しくは、燃料電池システムが電気をＡＣ電力網に供給し電力網の需要が劇的にサージするときの、ＡＣインバータの過渡応答により、又は、燃料電池がＤＣ負荷を、例えば、遠隔通信システムに供給するときの、ＤＣ／ＤＣコンバータの過渡応答により、発生し得る。一方で、過電流状況は、外部インピーダンス負荷が一定を維持しているが電気を供給する燃料電池システムの瞬間的なキャパシティが、例えば、燃料電池の電極に供給される反応種の濃度の突然の低下により減少するときに、発生し得る。アノード部材の酸化による燃料電池の損傷に繋がり得るので、原因に拘り無く、過電流状況は望ましくない。理論上、アノードの酸化は可逆性であるが、酸化に係る容積変化は、実際には重大な問題を提起することがある。
【０００６】
不安定性及び過電流状況から燃料電池を保護する現存のシステム及び方法は、安全接触を含む。安全接触は、過大な電流を引き出す電気システムから、燃料電池スタックを電気的に分離できる。“安全接触”という用語は、接続するデバイスと共に、物理的若しくは半導体分離デバイスの機能を、論理的に接続を断つ方法を意味する。しかしながら、安全接触を利用する現存のシステム及び方法は、電気的効率の減少に繋がり得る。更に、現存のシステム及び方法は遅く、若しくは、過渡電圧及び電流レベルの原因となることがあり、このことにより、燃料電池スタック及び付属サポートシステムを損傷する可能性がある。燃料電池コントロールシステムは複雑でもあり、よって実装するのに高価である。
【０００７】
燃料電池システムから引き出し可能な瞬間的電流が、ある外部の負荷により引き出される実際の電流を超えるとき、不足電流状況が生じる。例えば、電気負荷内の開回路により、燃料電池システムから引き出される電流に急縮小があるとき、前記状況は発生し得る。インバータを介してＡＣ電力網に接続する燃料電池システムに対しては、例えば、ＡＣ電力の状態の変動により、インバータが切断するならば、開回路が発生し得る。一方で、電気生成反応のために燃料電池スタックに供給される反応種の濃度が、スタックアウトプットへの電気負荷に適うのに要求される濃度を超えるとき、不足電流状況が発生し得る。
【０００８】
不足電流状況は、特に、“バランスオブプラント”と一般に称される非電気電力生産セクションにて、燃料電池システムの動作効率及び温度管理を損ない得るので、望ましいものではない。固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のためのバランスオブプラントは、熱処理装置（例えば、リフォーマ）、（冷気及び燃料、並びに高温排気の間で熱を運ぶための）熱交換器、残余の未燃燃料電池燃料のための酸化剤、及び、システム加熱バーナを、含む。コントロールシステムは、燃料電池システムの動作特性を調整するために、用いられ得る。過電流状況に応じて、これらは実効的になり得る。しかしながら、そのような救済的な応答は遅くなる傾向があり、特に不足電流状況が過渡的であるならば、無効になる可能性がある。上述のように、コントロールシステムは複雑でもあり、従って実装するのに高価である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の困難の一つ若しくはそれ以上を克服すること若しくは改善すること、又は、少なくとも有用な代替手段を設けることが、概略望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従って、本発明に係る一つの実施形態は、
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための燃料電池安定化システムであって、
ＤＣパワーサプライと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、ＤＣパワーサプライが電力をＤＣバスに供給できるように構成されているコントロール部と
を含む燃料電池安定化システムを、提供するものである。
【００１１】
ＤＣバスは、ある外部負荷により燃料電池スタックから電流を引き出せる。スタックの優勢な作動状況下で、外部負荷に関連する電流電力需要がスタックの瞬間的な電気アウトプットを超過するならば、燃料電池スタックからの電力の供給が、燃料電池システムのパラメータに従って選択された作動範囲の外にあることを意味する、過電流が発生する。しかしながら、この実施形態によると、コントロール部の支配下でＤＣバスへ電気を供給するように構成されている独立のＤＣパワーサプライを利用することにより、過電流は回避される。よって、電気のこの予備の供給は、独立のＤＣパワーサプライが添付するＡＣパワーグリッドから発生する。
【００１２】
安定化システムは、ＤＣバスの電圧（若しくは等価な電圧）を計測することにより電圧制御されても良いし、燃料電池からの電流のフロー（若しくは等価な電流）を計測することにより電流制御されても良い。
【００１３】
電圧制御の安定化システムでは、
前記コントロール部が、
電力の供給を現す、ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するように構成されているバス電圧センサと、
ＤＣバス電圧を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電圧と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む。
【００１４】
そのようなシステムにより、ＤＣパワーサプライから電気がいつ供給されるべきかに関する決定は、バス電圧センサを用いて、瞬間的なバス電圧とターンオン設定点電圧とを比較することにより行なわれる。設定点電圧は、選択された作動範囲に関連し、燃料電池安定化システムの特性及び作動状況、特に燃料電池内の過電流に対応するバス電圧のレベルに依存して、予め決定される。バス電圧が予め決定された設定点より低くなると、このことは過電流が発生する危険があることを示し、ＤＣパワーサプライは続いてＤＣバスに接続され別の電気源となる。この追加の電気を与えることはＤＣバスの電圧を安定化することにもなる。スタックが十分な電力を再び供給できる後の時点では、電気負荷の変化若しくはスタックへの燃料フローの変化により、ＤＣバスの電圧が再び、ＤＣパワーサプライのための選択されたターンオン設定点より上に上昇し（即ち、選択された作動範囲に戻り）、ＤＣパワーサプライは続いて電力をＤＣバスに供給するのを止める。ＤＣバスへのＤＣパワーサプライの接続は、ＤＣバスに供給される電力を実質的に線形状に増加し減少し得る（可変コンタクトとしても知られる）可変コントロール部を介する。このことはパルス幅コントローラによるものであり得る。
【００１５】
本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣパワーサプライからＤＣバスへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法も提供する。
【００１６】
電流制御の安定化システムでは、前記コントロール部が、
燃料電池スタックにより供給され、電力の供給を現す、燃料電池電流を検知するように構成されている燃料電池電流センサと、
燃料電池電流を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電流と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む。
【００１７】
本発明の電流制御の実施形態では、ＤＣバスの電圧を検知することの代わりに、燃料電池スタックから引き出される電流が電流センサにより計測される。結果として、独立したＤＣパワーサプライの選択された作動範囲に関連するターンオン及びターンオフ設定点は、電圧設定点ではなく、電流設定点となる。電流センサは、過電流状況の開始を直接検知できる。過電流状況が発生するとき、即ち、燃料電池スタックから引き出される電流が増加して過電流状況に接近し始めるとき、独立したＤＣパワーサプライがターンオンし、これによりＤＣバスへの別の電力源が設けられ、燃料電池への電流負荷を減少する。ＤＣパワーサプライのためのターンオン設定点電流は、燃料電池システムの特性及び作動状況を参照して決定される。
【００１８】
本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバスにより燃料電池スタックから引き出される燃料電池電流を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣパワーサプライからＤＣバスへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法も、提供する。
【００１９】
独立したＤＣパワーサプライによりＤＣバスに供給される電気の量は、可変コントロール部により制御され、該可変コントロール部は、ＤＣパワーサプライとＤＣバスを接続する。通常、ＤＣパワーサプライはパワーグリッドにより始動にて電力供給される。パワーグリッドは、燃料電池システムの外部の電力源である。通常、直流交流インバータは、燃料電池スタックから電力をエクスポートするためにＤＣバスに電気的に接続される。ＥＭＣフィルタは、ＤＣバス上の電磁ノイズ及び過渡電圧を減少するために、ＥＭＣフィルタがＤＣバスに電気的に接続されるのが好ましい。
【００２０】
燃料電池システムから引き出される過電流の問題は、別途の電流源、例えば、上述のＤＣパワーサプライを設けることにより、若しくは、ＤＣバスそれ自身の上の電気負荷を減少することにより、解決され得る。ＤＣバス上の電気負荷のうちには、燃料電池システムに関連する付属部品の作動のための電力を要求する“寄生”若しくはハウスキーピングエレメントと記載され得るものもある。これらのエレメントは、燃料電池システムの通常作動の間に、ＤＣバスからハウスキーピングサプライを介して供給される。過電流（即ち、選択された作動範囲の外）がＤＣバス上の種々の負荷により燃料電池スタックから引き出される状況が発生すると、ハウスキーピングエレメントにより引き出される電力の量は、それらをＤＣバスから切断することにより減少し得る。この切断は、ＤＣバスからハウスキーピングサプライ内への電流の供給を制限する可変ハウスキーピングコントロール部により、有効となる。通常の作動状況下では、ハウスキーピングコントロール部により、ハウスキーピングサプライへの全出力が可能である。しかしながら、あまりに多くの電流が燃料電池から引き出されているケースが発生するとき、ハウスキーピングサプライのアウトプットは、少なくとも部分的に制約される。
【００２１】
本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための燃料電池安定化システムであって、
ハウスキーピングサプライによりＤＣバスから引き出される電力を制限するように構成されているコントロール部を含み、
前記コントロール部は、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、一つ若しくはそれ以上のハウスキーピングエレメントに電力を供給するように構成されている
ことを特徴とする燃料電池安定化システムも、提供する。
【００２２】
電圧制御の安定化システムでは、前記コントロール部が、
電力の供給を現す、ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するように構成されているバス電圧センサと、
ＤＣバス電圧を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電圧と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ハウスキーピングサプライにより、ＤＣバスから引き出される電力を制限するように構成されている可変コントロール部と
を含む。
【００２３】
ハウスキーピング接続コントローラは、ＤＣバスの電圧が、選択された作動範囲に係る選択された設定点より下になるときにあまりに多くの電力が引き出されていることを、検知する。このハウスキーピング設定点は、予め選択され、燃料電池システム及び安定化システムの特性及び作動状況に、依存する。ＤＣバス電圧がこの設定点値より下になると、ハウスキーピングパワーサプライはＤＣバスから少なくとも部分的に切断され、これによりＤＣバス上の負荷を減少し、よって燃料電池上の電流負荷を要求される程度に減少する。ＤＣバスから引き出される電流を減少させることにより、電圧は安定化し得る。更に、作動状況は変化し、よって燃料電池スタックは十分な電力を供給できるので、ＤＣバス上の電圧はハウスキーピング設定点より上昇し、ハウスキーピングエレメントはＤＣバスから電力を再び引き出し始める。ＤＣバスへのハウスキーピングの接続は、ＤＣバスから引き出される電力を実質的に線形状に増加し減少し得る可変コントロール部を介する。
【００２４】
電流制御のシステムでは、前記コントロール部が、
燃料電池スタックにより供給され、電力の供給を現す、燃料電池電流を検知するように構成されている燃料電池電流センサと、
燃料電池電流を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電流と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ハウスキーピングサプライにより、ＤＣバスから引き出される電力の供給を制限するように構成されている可変コントロール部と
を含む。
【００２５】
本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
燃料電池スタックに接続されたＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからハウスキーピングパワーサプライへの電力のフローを減少するステップと
を含む方法も、提供する。
【００２６】
本発明の電流制御の実施形態では、ＤＣバスの電圧を検知することの代わりに、燃料電池スタックから引き出される電流が電流センサにより計測される。結果として、ハウスキーピングコネクタのターンオン及びターンオフ設定点は、電圧設定点ではなく、電流設定点となる。過電流状況が発生するとき、即ち、燃料電池スタックから引き出される電流が増加して過電流状況に接近し始めるとき、ハウスキーピングパワーサプライが切断されて、更に燃料電池スタック上の電流負荷を減少する。ハウスキーピングサプライのための切断設定点電流は、燃料電池システムの特定の特性及び作動状況を参照して決定される。
【００２７】
本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバスにより燃料電池スタックから引き出される燃料電池電流を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからハウスキーピングパワーサプライへの電力のフローを減少するステップと
を含む方法も、提供する。
【００２８】
ハウスキーピングサプライによりＤＣバスから引き出される電力が前記コントロール部により制限されるとき、通常、ハウスキーピングエレメントは、バックアップ電力を他のハウスキーピングエレメントに供給する再充電可能バッテリバンクを、含む。
【００２９】
ハウスキーピングエレメントがＤＣバスから少なくとも部分的に切断される期間には、それにもかかわらず、燃料電池システムの重要なエレメントが作動し続けることが重要である。ＤＣバスから切断されると、ハウスキーピングエレメントは、ハウスキーピングエレメント間に含まれる再充電可能バッテリバンクからの電力を用いて、作動し続け得る。バッテリバンクは、ハウスキーピングエレメントがＤＣバスに再接続されるまで、ハウスキーピングエレメントを一時的に作動でき、その後、再充電可能バッテリバンクは再充電する。ハウスキーピングエレメントは、一時的にＤＣバスから切断されるに過ぎない。例えば、システム内の他の部品によりＤＣバス上の短期間の一時的効果のバランスを取る短期間の切断である。
【００３０】
不足電流状況が発生するとき、即ち、燃料電池スタックに供給される反応種の量が燃料電池システム上の電気負荷により要求される量よりも多いとき、燃料電池システムは次善の作動を行ない得る。熱電気複合（ＣＨＰ）生産アプライアンスでは、燃料電池を介して利用されないまま通過する気体燃料が、システムの下流セクションで、即ち、プラントのバランスの部分で燃焼し、熱を生成する。一時的電気的効果により、燃料電池スタック上の電気負荷が劇的に減少するならば、それに対応して、燃料電池システムの下流セクション内を通過する利用されない燃料の量において、突然の増加が生じる。利用されない燃料の下流におけるこの突然の大きな増加は、燃料電池システムの全体の効率性及び安定性に影響する、望ましくない突然の温度変化を生じることがある。従って、電気レベルにおける電気負荷内のこの劇的減少の影響を弱めることが好ましい。本発明のこの実施形態では、電気システムの電力を引き出す部品の一つ若しくはそれ以上が、ＤＣバス上のそれらの電気負荷を突然に減少させるならば、ロードバンクの形式の、別途の電気負荷が即座にＤＣバスに接続され、これにより、電気的要件における他の変化を補償する。ロードバンクの目的は、他の部品がそれらの引き出す電流を減少させるときに、燃料電池上により安定した電気負荷を設けることにある。
【００３１】
従って、本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を安定化するための燃料電池安定化システムであって、
ロードバンクがＤＣバスから電力を引き出せるように構成されているコントロール部を含む、燃料電池安定化システムも、提供する。
【００３２】
本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
燃料電池スタックに接続されたＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからロードバンクへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法も、提供する。
【００３３】
電圧制御のシステムでは、前記コントロール部が、
電力の供給を現す、ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するように構成されているバス電圧センサと、
ＤＣバス電圧を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電圧と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスからロードバンクへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む。
【００３４】
ＤＣバスの電圧が、選択された作動範囲に係る設定レベルより上昇するとき、ロードバンクは、通常、閉じた（即ち、接続した）可変コンタクトを介してＤＣバスに接続する。燃料電池スタックにより供給される電流の量が、ＤＣバス上の通常の負荷部品により引き出される電流の量よりも大きいとき、ＤＣバスの電圧が上昇する。ロードバンクのための接続設定点は、予め決められており、燃料電池システムの特性及び作動状況に依存する。ＤＣバスからロードバンク内に流れる電流の量は、ＤＣバスの電圧がロードバンク設定点より下に反落するとき、結果として自動的に減少する。通常の作動部品が定格電力を再び引き出し始めるとき、若しくは、燃料電池スタックに配布される燃料が新しい要求レベルにまで減少するとき、このことが発生する。ＤＣバスへのロードバンクの接続は、ＤＣバスから引き出される電力を実質的に比例状に変動し得る可変コントロール部を介する。この可変は、線形状でも階段状でもよい。
【００３５】
本発明は、燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバスにより燃料電池スタックから引き出される燃料電池電流を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからロードバンクへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法も、提供する。
【００３６】
電流制御の実施形態では、前記コントロール部が、
燃料電池スタックにより供給され、電力の供給を現す、燃料電池電流を検知するように構成されている燃料電池電流センサと、
燃料電池電流を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電流と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスからロードバンクへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む。
【００３７】
電流制御の実施形態では、燃料電池から引き出される電流が、選択された作動範囲に係る定格の作動値より下に減少するとき、ロードバンクが起動する。該定格の作動値は、燃料電池システムの特性及び作動状況を参照して決定される。このように、ロードバンクは、概略一定の電流の量が、所与の定格の作動状況のために燃料電池から引き出されることを保証できる。
【００３８】
本発明は、燃料電池スタックと、ＤＣバスと、本明細書に記載の燃料電池安定化システムとを含む燃料電池システムも、提供する。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の利点は、電流及び電圧の悪条件から、燃料電池１０１の、若しくは燃料電池スタック１０２内の燃料電池の、アウトプット電圧及び電流を安定化する迅速な手段を含む。ここでの電流及び電圧の悪条件は、電気システムにより引き出されているより多くの電流を燃料電池が生成している場合の過電圧、及び、燃料電池１０１が不十分な電流しか生成していない場合の不足電圧を、含む。燃料電池コンポーネント若しくは関連の燃料処理システムの、過剰加熱、酸化若しくは還元を介して、これらの悪条件は、燃料電池に直接的に若しくは間接的に損傷を与え、又は、不安定化及び非効率作動を生じる、可能性がある。
【００４０】
燃料電池安定化システムの利点は、ＤＣバス１０４の負荷の迅速な変化のバッファリングである。迅速な負荷の変化を実質的に補償することで、燃料電池安定化システムにより、全体のコントロールシステムは、より遅いより安定な時間応答特性を伴って、簡素化され得る。燃料電池システムへの負荷の変化の効果を減少することにより、燃料電池システム内で発生する熱応力の周波数及び振幅は減少し、このことにより、燃料電池システムの長寿化が促進される。更に、燃料電池安定化システムにより、燃料電池システムの全体の複雑さ及びコストは減少する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】電圧制御燃料電池安定化システムの模式的レイアウトである。
【図２】図１のパワーサプライ接続コントローラ内の電圧制御安定化の方法を示すフローチャートである。
【図３】図１のハウスキーピング接続コントローラ内の電圧制御燃料電池安定化の方法を示すフローチャートである。
【図４】図１のロードバンク接続コントローラ内の電圧制御燃料電池安定化の方法を示すフローチャートである。
【図５】図１のハウスキーピングエレメントの模式的レイアウトである。
【図６】デジタルコントロールボードを含む、図１の電圧制御燃料電池安定化システムの模式図である。
【図７】電流制御燃料電池安定化システムの模式的レイアウトである。
【図８】デジタルコントロールボードを含む、図７の電流制御燃料電池安定化システムの模式図である。
【図９】図７のパワーサプライ接続コントローラ内の電流制御安定化の方法を示すフローチャートである。
【図１０】図７のハウスキーピング接続コントローラ内の電圧制御燃料電池安定化の方法を示すフローチャートである。
【図１１】図７のロードバンク接続コントローラ内の電圧制御燃料電池安定化の方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明に係る実施形態は、不足電圧及び／又は過電圧、過電流及び／又は不足電流、又は過剰の不使用の燃料が燃料電池スタックを通過すること、などを含む、所望されない電気的負荷や動作状況による、燃料電池システムへの不安定性及び／又はダメージを回避する若しくは少なくとも減少するための、システムを提供するものである。
【００４３】
燃料電池安定化システム１００は、図１に示す燃料電池システム１０３内で用いられ、該燃料電池安定化システム１００は、高電圧ＤＣバス１０４、及び、（可変スタックコンタクト１０６を介して）ＤＣバス１０４に電力を供給するための燃料電池１０１を含む燃料電池スタック１０２を、含む。電力は、ハウスキーピングサプライ１２０、グリッド接続インバータ１３２、及びロードバンク２０２によって、ＤＣバス１０４から、引き出され得る。燃料電池システム１０３は、例えば、セラミックフューエルセルズリミテッド（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ）（１７０ ブラウン ロード、ノーブルパーク、オーストリア）により供給される一般型の熱電気複合（ＣＨＰ）アプライアンスの主要動作部であればよい。
【００４４】
ＤＣ電力も、ＤＣパワーサプライ１０８からＤＣバス１０４に供給可能であり、該ＤＣパワーサプライ１０８は、ＡＣグリッドインポートコネクタ１１０を介してＡＣ電力網から電力を引き出すことができる。ＤＣパワーサプライ１０８は、燃料電池スタック１０２の電流及び電圧レベルを所望の選択された動作範囲内に安定化するために、利用され得る。ＤＣパワーサプライ１０８は、パワーサプライ接続コントローラ１１２を介してＤＣバス１０４に接続されるが、該パワーサプライ接続コントローラ１１２は、電力の供給が選択された動作範囲の外にあることを示す安定化信号を生成することにより、燃料電池安定化をもたらすものである。
【００４５】
電圧制御の実施形態では、パワーサプライ接続コントローラ１１２は、ＤＣバス１０４の電圧を連続してモニタするパワーサプライのためのバス電圧センサ１１４を含む。パワーサプライのための設定点コンパレータ１１６は、センサ１１４により検知されるＤＣバス電圧を、電圧の内部格納設定点値と比較する。この設定点は、中央コントロールシステムにより選択され、ＤＣパワーサプライ１０８のためのターンオン値を表す。検知されたＤＣバス電圧が設定点値以下であれば、設定点値コンパレータ１１６は、可変パワーサプライコンタクト１１８を作動させ、ＤＣパワーサプライ１０８はＤＣバス１０４に電力を供給し始める。検知されたＤＣバス電圧が設定点値より大きければ、可変パワーサプライコンタクト１１８は停止され、ＤＣパワーサプライ１０８はＤＣバス１０４か切り離される。設定点値は、選択された動作範囲を規定する。
【００４６】
ＤＣパワーサプライ１０８は、ユニティパワーファクタフロントエンド、及び、内部中間ＨＶバス、並びに、概略５００ワット定格の、（２０アンペアで）２４Ｖ ＤＣアウトプットのための二次的フォワードコンバータを有する、Ｍｅａｎｗｅｌｌ ＳＰ ５００パワーサプライである。ＤＣパワーサプライ１０８は、縮小した電流限度を有し、約４００Ｗの最大限インプットパワーを提示し、よって、高圧ＤＣ成分のためのインピーダンスリミットを示すように、構成されている。更に、ＤＣパワーサプライ１０８内のセットダウントランスフォーマは、通常のスタック動作電圧範囲（即ち、１８０〜３２０Ｖ ＤＣ）を示すように構成されている。
【００４７】
可変パワーサプライコンタクト１１８は、高速オン／オフスイッチと、ブロックのスイッチング周波数に比例して電流を線形化するフィルタとを含む、線形コントロールブロックの形態である。
【００４８】
熱電気複合（ＣＨＰ）燃料電池システムは、ハウスキーピングエレメント１２２を含む、高い信頼性且つ高い費用効率性の動作のための燃料電池スタック１０２に加えて、更なる支持コンポーネントを必要とする。図１のハウスキーピングサプライ１２０は、ハウスキーピングエレメント１２２に電力を与え、ハウスキーピング接続コントローラ１２４を介してＤＣバス１０４に接続する。このことにより燃料電池が安定化する。寄生エレメントとしても知られるハウスキーピングエレメント１２２は、燃料ポンプや冷却ファンを含む、燃料電池パワーシステムの動作を指示するデバイスを、含む。
【００４９】
ハウスキーピング接続コントローラ１２４は、燃料電池スタック１０２の電流及び電圧レベルを安定化するのに利用され得る。電圧制御の形態では、ハウスキーピング接続コントローラ１２４は、ＤＣバス１０４の電圧を連続的にモニタするハウスキーピングのためのバス電圧センサ１２６を含む。ハウスキーピングのための設定点コンパレータ１２８は、（センサ１２６により検知される）ＤＣバス電圧を、電圧の内部格納設定点値と比較する。この設定点は、中央コントロールシステムにより選択され、ハウスキーピングサプライ１２４のためのターンオフ値を表す。検知されたＤＣバス電圧が設定点値以下であれば、設定点コンパレータ１２８は、可変ハウスキーピングコンタクト１２８を停止させ、ハウスキーピングサプライ１２０がＤＣバス１０４から切り離される。検知されたＤＣバス電圧がコンパレータ１２８の設定点値より大きければ、可変ハウスキーピングコンタクト１３０は再作動し、ハウスキーピングサプライ１２０はＤＣバス１０４から電力を引き出すことを再開する。
【００５０】
ロードバンク２０２は、冷却レジスタバンクを介して過剰なＤＣ電力を消散することができ、ロードバス接続コントローラ２０３を介してＤＣバスに接続する。このことにより、燃料電池が安定化する。
【００５１】
ロードバンク接続コントローラ１２４は、燃料電池スタック１０２の電流及び電圧レベルを安定化するのに利用され得る。電圧制御の形態では、ロードバンク接続コントローラ２０４は、ＤＣバス１０４の電圧を連続的にモニタするロードバンクのためのバス電圧センサ２０６を含む。ロードバンクのための設定点コンパレータ２０８は、センサ２０６により検知されるＤＣバス電圧を、電圧の内部格納設定点値と比較する。この設定点は、中央コントロールシステムにより選択され、ＤＣロードバンク２０２のためのターンオン値を表す。検知されたＤＣバス電圧が設定点値以上であれば、設定点コンパレータ２０８は、可変ロードバンクコンタクト２１０を作動させ、ＤＣロードバンク２０２はＤＣバス１０４から電力を引き出し始める。検知されたＤＣバス電圧がコンパレータ２０８の設定点値より小さければ、可変ロードバンクコンタクト２１０は停止され、ＤＣロードバンク２０２はＤＣバス１０４か切り離される。
【００５２】
図１のグリッド接続インバータ１３２は、ＡＣグリッドエクスポートコネクタ１３４をかいして電力をＡＣグリッドにエクスポートすることができ、インバータ接続コントローラ１３６を介してＤＣバス１０４に接続する。このことにより燃料電池の安定化がもたらされる。インバータ接続コントローラ１３６は、ＤＣバス１０４の電圧を連続的にモニタするインバータのためのバス電圧センサ１３８を含む。インバータのためのＰＩＤコントローラ１４０は、センサ１３８で検知されるＤＣバス電圧を電圧の内部格納設定点値と比較する。この設定点は、中央コントロールシステムにより選択され、ＤＣバス１０４上の電圧のためのターゲット値を表す。検知されたＤＣバス電圧がこの設定点値以下であれば、ＰＩＤコントローラ１４０はインバータコンタクト１４２を介する電流フローを減少させ、よってグリッド接続インバータ１３２がＤＣバス１０４から引き出す電流が少なくなる。検知されたＤＣバス電圧がＰＩＤコントローラ１４０の設定点値より大きければ、インバータコンタクト１４２は電流フローを増大させ、よってグリッド接続インバータ１３２がＤＣバス１０４からより多くの電力を引き出す。
【００５３】
インバータ接続コントローラ１３６はシリアル通信により制御され、有効な通信は通常のシャットダウンを実行するのに数秒掛かり得る。更に、インバータ接続コントローラ１３６は、或る時間の掛かるシャットダウンプロトコルが観察されることを要求することがある。ＤＣバス電圧が下がると、インバータ１３２は更に、無視できない期間、ＤＣバスから電力を引き出し続け得る。
【００５４】
定常状態動作では、ＤＣバス１０４の電圧は定常動作レベルで維持し、電圧制御の実施形態では、コンタクトの接続は以下のようになる。
【００５５】
可変スタックコンタクト１０６：
・接続
・（スタック１０２は電力をＤＣバス１０４に供給する）
可変パワーサプライコンタクト１１８：
・切断
・（ＤＣパワーサプライ１０８は電力を供給しない）
可変ハウスキーピングコンタクト１３０：
・接続
・（ハウスキーピングサプライ１２０はＤＣバス１０４から電力を引き出す）
可変ロードバンクコンタクト２１０：
・切断
・（）ロードバンク２０２は電力を引き出さない）
【００５６】
ＤＣバスの電圧が予測外のシステムイベントのためにその定常動作から変動するとき、
接続コントローラ（１１２、１２４、１３６、２０４）は動作するように設定される。異なる可変コントロール、即ち可変コンタクト１０６、１１８、１３０、２１０は、コンパレータ１１６、１２８、１４０、２０８内の異なる設定点に従って、作動／停止する。設定点は、秀雄システムにより決定される。例示のシステムでは、約２４２．５Ｖ ＤＣの定常状態動作電圧において、ＤＣバス電圧のための設定点値は概略、以下の通りとなる。
【００５７】
【表１】
【００５８】
例示のシステムは、概略１８０〜３２０Ｖ ＤＣで変動し得る定常状態動作電圧を有する。しかしながら、動作電圧は、悪影響を及ぼす電気イベントからの、燃料電池の安定化及び保護のために、要求される速度よりもずっと遅い速度でのみ、この範囲で変動し得る。定常状態動作電圧の選択、及び対応する設定点は、中央コントロールシステム９０４により与えられる。
【００５９】
図２は、パワーサプライ接続コントローラ１１２により実行される電圧制御燃料電池安定化の方法のフローチャートである。システムは定常動作状況で開始するが、このとき、電力は燃料電池スタック１０２からＤＣバス１０４に供給されており、また電力はハウスキーピングサプライ１２０及びグリッド接続インバータ１３２により引き出され、またＤＣパワーサプライ１０８によって供給される電力は無く、ロードバンク２０２によって引き出される電力も無い。ステップ３０２では、システムのエラーにより、過剰電流が燃料電池スタック１０２から引き出されることとなる。このエラーは、スタックに供給される燃料の低下、若しくは電気負荷の１つの短絡、若しくはＡＣパワーグリッドの変化を含み得る。ステップ３０４では、過剰電流により、ＤＣバス１０４の電圧が低下することとなり、このことはステップ３０６にてバス電圧センサ１１４により検知される。ステップ３０８では、設定点コンパレータ１１６は、ＤＣバス上の計測された電圧をパワーサプライ設定点と比較する。ＤＣ電圧がパワーサプライ設定点以下にまで落ちていれば、ステップ３１０にてコンパレータ１１６は可変パワーサプライコンタクト１１８を作動させ、ステップ３１２にてＤＣパワーサプライ１０８は電力をＤＣバス１０４に供給することを開始し、これによりステップ３１４にて電圧を安定化する。図３の方法は急速に（即ち、数ミリ秒以下で）生じるものであり、このとき設定点コンパレータ１１６は数キロヘルツのオーダの周波数で作動する。ＤＣパワーサプライ１０８は、大抵の状況でＤＣバス電圧を安定化できる。例えば、外部ＡＣパワーグリッドが崩壊したら、このことは可能ではなく、この場合ＤＣパワーサプライ１０８のための電力源は無くなる。
【００６０】
図３は、ハウスキーピング接続コントローラ１２４により実行される電圧制御燃料電池安定化の方法のフローチャートである。システムは定常動作状況で開始するが、このとき、電力は燃料電池スタック１０２からＤＣバス１０４に供給されており、また電力はハウスキーピングサプライ１２０及びグリッド接続インバータ１３２により引き出され、またＤＣパワーサプライ１０８によって供給される電力は無く、ロードバンク２０２によって引き出される電力も無い。ステップ４０２では、システムのエラーにより、過剰電流が燃料電池スタック１０２から引き出されることとなる。このエラーは、燃料電池スタックに供給される燃料の低下、若しくは電気負荷の１つの短絡、若しくはＡＣパワーグリッドの変化を含み得る。ステップ４０４では、過剰電流により、ＤＣバス１０４の電圧が低下することとなり、このことはステップ４０６にてバス電圧センサ１２６により検知される。ステップ４０８では、設定点コンパレータ１２８は、ＤＣバス上の計測された電圧をハウスキーピング設定点と比較する。ＤＣ電圧がハウスキーピング設定点以下にまで落ちていれば、ステップ４１０にてコンパレータ１２８は可変ハウスキーピングコンタクト１３０を作動させ、ハウスキーピングサプライ１２０はＤＣバス１０４から切断される。この切断はＤＣバス１０４から引き出される電力を減少させ、これによりステップ３１４にてＤＣバス電圧を安定化できる。ステップ４１２にてＤＣバス１０４から引き出される電力が制限されると、ハウスキーピングエレメント１２２は、ハウスキーピングエレメント内に含まれる再充電可能バッテリバンク７０４により供給される電力から作動し続け得る。
【００６１】
図４は、ロードバンク接続コントローラ２０４により実行される電圧制御燃料電池安定化の方法のフローチャートである。システムは定常動作状況で開始するが、このとき、電力は燃料電池スタック１０２からＤＣバス１０４に供給されており、また電力はロードバンクサプライ１２０及びグリッド接続インバータ１３２により引き出され、またＤＣパワーサプライ１０８によって供給される電力は無く、ロードバンク２０２によって引き出される電力も無い。ステップ６０２では、システムのエラーにより、過少電流がＤＣバス１０４から引き出されることとなり、このことにより燃料電池スタック１０２は要求されるよりもより多くの燃料を“燃やして”いる。このエラーは、スタックに供給される燃料の突然の増加、若しくは電気負荷の１つの開回路（ＤＣバスからの突然の切断）、若しくはＡＣパワーグリッドの崩壊（よってＡＣグリッドへの電力のエクスポートの遮断）を含み得る。ステップ６０４では、供給される電流の低下により、ＤＣバス１０４の電圧が上昇することとなり、このことはステップ６０６にてバス電圧センサ２０６により検知される。ステップ６０８では、設定点コンパレータ２０８は、ＤＣバス上の計測された電圧をロードバンク設定点と比較する。ＤＣ電圧がロードバンク設定点以上にまで上昇すれば、ステップ６１０にてコンパレータ２０８は可変ロードバンクコンタクト２１０を作動させ、ロードバンク２０２はＤＣバス１０４に接続される。この接続はＤＣバス１０４から電力を引き出し、これによりステップ６１４にてＤＣバス電圧を安定化する。図４の方法は可及的速やかに、通常数ミリ秒内で生じるものである。
【００６２】
一つ若しくはそれ以上の、例えば、接続コントローラ１１２、１２４、１３６、２０４により、安定性、並びに不足電圧及び過電圧保護をもたらすことにより、燃料電池スタック１０２とＤＣバス１０４との間にセンサ及び保護システムが無くても、システムを構築できる。このような付加的な保護システムは損失源となる。そのような付加的な保護システムが無くても、燃料電池スタック１０２をＤＣバス１０４に直接接続し、更に該ＤＣバス１０４を電気負荷に直接接続し、このことによりシステムの効率性を増加することができる。
【００６３】
図５に示す、ハウスキーピングエレメント１２２は、ハウスキーピングバス７０２から電力供給され、該ハウスキーピングバス７０２はハウスキーピングサプライ７０２から電力を導出する。ハウスキーピングエレメント１２２はバッテリバンク７０４を含み、該バッテリバンク７０４は、ハウスキーピングサプライ３０８からの電力の変動にかかわらず、ハウスキーピングバス上への着実なパワーサプライを維持するための、再充電可能のバッテリを含む。ハウスキーピングエレメント３０２は、（電磁妨害を生じ得る過渡電圧を減少させるための）キャパシタであってもよいＥＣＭフィルタ７０６、コントロール電子システム７０８のための電力、エアブロア７１０、ウオータポンプシステム７１２、及び、燃料電池フローシステム７１４も、含む。他のハウスキーピングエレメント１２２は、ガスセーフティシステム、中央コントロールシステムプロセッサ、センサ、バルブ及びプロセスコントロールエレメントを、含み得る。
【００６４】
図６及び図７は共に、図１及び図２についてのより詳細な模式図を含み、更に、デジタルコントロールボード９０２及び中央コントロールシステム９０４を含む。中央コントロールシステム９０４は、燃料電池スタック１０２の作動電圧、よってＤＣバス１０４の作動電圧を選択する。コントロールシステム９０４は、コンパレータ１１６、１２８、１４０、２０８の設定点も選択し、デジタルコントローラボード９０２を介してこれらの値を設定する。例示のシステムでは、接続コントローラ（１１２、１２４、１３６、２０４）は、ＰＩＤ（比例積分微分）コントロールユニットを用いて実現される。
【００６５】
上述の電圧制御燃料電池安定化システムでは、共通ＤＣバス１０４の不足電圧及び過電圧は、個々のＤＣバスエレメント（ＤＣパワーサプライ１０８、ハウスキーピングサプライ１２０、インバータ１３２及びロードバンク２０２）を個別に同期化する共通手段として用いられる。高リニア電気抵抗が燃料電池１０１を支配するとき、コントロールの電圧モードが特に有用であり得る。しかしながら、燃料電池スタック１０２が低電気抵抗を有するならば、若しくは電気抵抗を有さないならば、電流制御燃料電池安定化システムは好ましくない。
【００６６】
図７及び図８に示すように、電流制御燃料電池安定化システムでは、スタック電流センサ２２０が、燃料電池スタック１０２を介して流れる電流をモニタする。スタック電流センサ２２０は、アンメータの形態である。ＤＣパワーサプライ１０８、ハウスキーピングサプライ１２０及びロードバンク２０２により引き出される電流は、予め決定された電流設定点値を検知可能である個々のコンパレータ１１６、１２８、２０８により制御される。燃料電池システムの特定の作動状況に基づく、電流設定点の例は以下の通りである。
・（スタック電流センサ２２０からの）スタック電流が５．０アンペアより上昇するときＤＣパワーサプライ１０８を接続する。
・（スタック電流センサ２２０からの）スタック電流が５．５アンペアより上昇するときハウスキーピングサプライ１２０を切断する。
・（スタック電流センサ２２０からの）スタック電流が４．０アンペアより下降するときロードバンク２０２を接続する。
【００６７】
電流制御燃料電池安定化システムは、図９〜図１１に示されるように作動する。例えば、グリッド接続インバータ１３２は、電流引き込みの４．５Ａに設定され得る。ＤＣパワーサプライ１０８はオフであり、ハウスキーピングサプライ１２０はオンであり、ロードバンク２０２はオフ（即ち、切断）である。燃料電池スタック１０２から引き出される電流が、（あるいはグリッド接続インバータ１３２によって）負荷が増加することで、５．０Ａより高く上昇すると、パワーサプライコンパレータ１１６は、ＤＣパワーサプライ１０８を接続する。燃料電池スタック１０２から引き出される電流が、５．５Ａより高く上昇すると、ハウスキーピングサプライ１２０は、ハウスキーピングコンパレータ１２８を介して切断される。インバータ１３２が作動することを停止するならば、即ち、何らかの別の理由でスタック負荷電流が４．０Ａより低く低下するならば、ロードバンクコンパレータ２０８は、燃料電池スタック１０２から引き出される電流を４．０Ａに維持するように、ロードバンク２０２を接続する。
【００６８】
電流制御燃料電池安定化システムは、組み合わされた電流及び電圧の特徴を考慮する。スタック電圧が低下すると、コンパレータ１１６、１２８、２０８の作動電流設定点が（この例で記載される、Ｉ２Ｒ損失などの）スタック抵抗パラメータの変化を補償するように、中央コントロールシステム９０４により調整される。
【００６９】
本発明の利点は、電流及び電圧の悪条件から、燃料電池１０１の、若しくは燃料電池スタック１０２内の燃料電池の、アウトプット電圧及び電流を安定化する迅速な手段を含む。ここでの電流及び電圧の悪条件は、電気システムにより引き出されているより多くの電流を燃料電池が生成している場合の過電圧、及び、燃料電池１０１が不十分な電流しか生成していない場合の不足電圧を、含む。燃料電池コンポーネント若しくは関連の燃料処理システムの、過剰加熱、酸化若しくは還元を介して、これらの悪条件は、燃料電池に直接的に若しくは間接的に損傷を与え、又は、不安定化及び非効率作動を生じる、可能性がある。
【００７０】
燃料電池安定化システムの利点は、ＤＣバス１０４の負荷の迅速な変化のバッファリングである。迅速な負荷の変化を実質的に補償することで、燃料電池安定化システムにより、全体のコントロールシステムは、より遅いより安定な時間応答特性を伴って、簡素化され得る。燃料電池システムへの負荷の変化の効果を減少することにより、燃料電池システム内で発生する熱応力の周波数及び振幅は減少し、このことにより、燃料電池システムの長寿化が促進される。更に、燃料電池安定化システムにより、燃料電池システムの全体の複雑さ及びコストは減少する。
【００７１】
当然のことながら、添付の図面を参照して記載した本発明の実施形態は、例示として示したものに過ぎず、装置のパフォーマンスを向上させるために、改良、及び追加の要素は加えられ得る。
【００７２】
この明細書における、先行文献（若しくはそこから導出される情報）又は周知事項に対する参照は、先行文献（若しくはそこから導出される情報）又は周知事項は、この明細書が関連する努力傾注分野の一般的知識の一部を形成するという、知識、了承、若しくは示唆の形態ではなく、更に、知識、了承、若しくは示唆の形態として、捉えられるべきではない。
【符号の説明】
【００７３】
１００・・・燃料電池安定化システム、
１０１・・・燃料電池、
１０２・・・燃料電池スタック、
１０３・・・燃料電池システム、
１０４・・・ＤＣバス、
１０６・・・可変スタックコンタクト、
１０８・・・ＤＣパワーサプライ、
１１０・・・ＡＣグリッドインポートコネクタ、
１１２・・・パワーサプライ接続コントローラ、
１１４・・・バス電圧センサ、
１１６・・・設定点コンパレータ、
１１８・・・可変パワーサプライコンタクト、
１２０・・・ハウスキーピングサプライ、
１２２・・・パワーハウスキーピングエレメント、
１２４・・・ハウスキーピング接続コントローラ、
１２６・・・バス電圧センサ、
１２８・・・設定点コンパレータ、
１３０・・・可変ハウスキーピングコンタクト、
１３２・・・グリッド接続インバータ、
１３４・・・ＡＣグリッドエクスポートコネクタ、
１３６・・・インバータ接続コントローラ、
１３８・・・バス電圧センサ、
１４０・・・ＰＩＤコントローラ、
１４２・・・インバータコンタクト、
２０２・・・ロードバンク、
２０４・・・ロードバンク接続コントローラ、
２０６・・・バス電圧センサ、
２０８・・・設定点コンパレータ、
２１０・・・可変ロードバンクコンタクト、
７０２・・・ハウスキーピングバス、
７０４・・・バッテリバンク、
３０８・・・ハウスキーピングサプライ、
３０２・・・ハウスキーピングエレメント、
７０６・・・ＥＣＭフィルタ、
７０８・・・コントロール電子システム、
７１０・・・エアブロア、
７１２・・・ウオータポンプシステム、
７１４・・・燃料フローシステム、
９０２・・・デジタルコントロールボード、
９０４・・・中央コントロールシステム。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための燃料電池安定化システムであって、
ＤＣパワーサプライと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、ＤＣパワーサプライが電力をＤＣバスに供給できるように構成されているコントロール部と
を含む燃料電池安定化システム。
【請求項２】
前記コントロール部が、
電力の供給を現す、ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するように構成されているバス電圧センサと、
ＤＣバス電圧を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電圧と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む、請求項１に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項３】
前記コントロール部が、
燃料電池スタックにより供給され、電力の供給を現す、燃料電池電流を検知するように構成されている燃料電池電流センサと、
燃料電池電流を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電流と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む、請求項１に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項４】
前記ＤＣパワーサプライが、パワーグリッドにより起動時に電力供給されることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか一に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項５】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための燃料電池安定化システムであって、
ハウスキーピングサプライによりＤＣバスから引き出される電力を制限するように構成されているコントロール部を含み、
前記コントロール部は、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、一つ若しくはそれ以上のハウスキーピングエレメントに電力を供給するように構成されている
ことを特徴とする燃料電池安定化システム。
【請求項６】
前記コントロール部が、
電力の供給を現す、ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するように構成されているバス電圧センサと、
ＤＣバス電圧を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電圧と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ハウスキーピングサプライにより、ＤＣバスから引き出される電力を制限するように構成されている可変コントロール部と
を含む、請求項５に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項７】
前記コントロール部が、
燃料電池スタックにより供給され、電力の供給を現す、燃料電池電流を検知するように構成されている燃料電池電流センサと、
燃料電池電流を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電流と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ハウスキーピングサプライにより、ＤＣバスから引き出される電力の供給を制限するように構成されている可変コントロール部と
を含む、請求項５に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項８】
ハウスキーピングサプライによりＤＣバスから引き出される電力が前記コントロール部により制限されるとき、バックアップ電力を他のハウスキーピングエレメントに供給するように構成されている再充電可能バッテリバンクを、更に含む、請求項５〜７のうちのいずれか一に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項９】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を安定化するための燃料電池安定化システムであって、
ロードバンクがＤＣバスから電力を引き出せるように構成されているコントロール部を含む、燃料電池安定化システム。
【請求項１０】
前記コントロール部が、
電力の供給を現す、ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するように構成されているバス電圧センサと、
ＤＣバス電圧を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電圧と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスからロードバンクへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む、請求項９に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項１１】
前記コントロール部が、
燃料電池スタックにより供給され、電力の供給を現す、燃料電池電流を検知するように構成されている燃料電池電流センサと、
燃料電池電流を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電流と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスからロードバンクへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む、請求項９に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項１２】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣパワーサプライからＤＣバスへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法。
【請求項１３】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバスにより燃料電池スタックから引き出される燃料電池電流を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣパワーサプライからＤＣバスへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法。
【請求項１４】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
燃料電池スタックに接続されたＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからハウスキーピングパワーサプライへの電力のフローを減少するステップと
を含む方法。
【請求項１５】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバスにより燃料電池スタックから引き出される燃料電池電流を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからハウスキーピングパワーサプライへの電力のフローを減少するステップと
を含む方法。
【請求項１６】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
燃料電池スタックに接続されたＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからロードバンクへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法。
【請求項１７】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバスにより燃料電池スタックから引き出される燃料電池電流を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからロードバンクへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法。
【請求項１８】
燃料電池スタックと、ＤＣバスと、請求項１〜１１のうちのいずれか一に記載の燃料電池安定化システムと
を含む燃料電池システム。
【請求項１９】
燃料電池スタックから電力をエクスポートするために、直流交流インバータがＤＣバスに電気的に接続されている請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
ＤＣバス上の電磁ノイズ及び過渡電圧を減少するために、ＤＣバスに電気的に接続されたＥＭＣフィルタを含む、請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための燃料電池安定化システムであって、
ＤＣパワーサプライと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、ＤＣパワーサプライが電力をＤＣバスに供給できるように構成されているコントロール部と
を含む燃料電池安定化システム。
【請求項２】
前記コントロール部が、
電力の供給を現す、ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するように構成されているバス電圧センサと、
ＤＣバス電圧を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電圧と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む、請求項１に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項３】
前記コントロール部が、
燃料電池スタックにより供給され、電力の供給を現す、燃料電池電流を検知するように構成されている燃料電池電流センサと、
燃料電池電流を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電流と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む、請求項１に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項４】
前記ＤＣパワーサプライが、パワーグリッドにより起動時に電力供給されることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか一に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項５】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための燃料電池安定化システムであって、
ハウスキーピングサプライによりＤＣバスから引き出される電力を制限するように構成されているコントロール部を含み、
前記コントロール部は、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、一つ若しくはそれ以上のハウスキーピングエレメントに電力を供給するように構成されている
ことを特徴とする燃料電池安定化システム。
【請求項６】
前記コントロール部が、
電力の供給を現す、ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するように構成されているバス電圧センサと、
ＤＣバス電圧を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電圧と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ハウスキーピングサプライにより、ＤＣバスから引き出される電力を制限するように構成されている可変コントロール部と
を含む、請求項５に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項７】
前記コントロール部が、
燃料電池スタックにより供給され、電力の供給を現す、燃料電池電流を検知するように構成されている燃料電池電流センサと、
燃料電池電流を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電流と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ハウスキーピングサプライにより、ＤＣバスから引き出される電力の供給を制限するように構成されている可変コントロール部と
を含む、請求項５に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項８】
ハウスキーピングサプライによりＤＣバスから引き出される電力が前記コントロール部により制限されるとき、バックアップ電力を他のハウスキーピングエレメントに供給するように構成されている再充電可能バッテリバンクを、更に含む、請求項５〜７のうちのいずれか一に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項９】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を安定化するための燃料電池安定化システムであって、
ロードバンクがＤＣバスから電力を引き出せるように構成されているコントロール部を含む、燃料電池安定化システム。
【請求項１０】
前記コントロール部が、
電力の供給を現す、ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するように構成されているバス電圧センサと、
ＤＣバス電圧を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電圧と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスからロードバンクへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む、請求項９に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項１１】
前記コントロール部が、
燃料電池スタックにより供給され、電力の供給を現す、燃料電池電流を検知するように構成されている燃料電池電流センサと、
燃料電池電流を、選択された作動範囲を規定する少なくとも１つの選択された設定点電流と比較し、安定化信号を生成するように構成されているコンパレータと、
前記コンパレータの安定化信号により制御され、ＤＣバスからロードバンクへの電力の供給を制御するように構成されている可変コントロール部と
を含む、請求項９に記載の燃料電池安定化システム。
【請求項１２】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣパワーサプライからＤＣバスへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法。
【請求項１３】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバスにより燃料電池スタックから引き出される燃料電池電流を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣパワーサプライからＤＣバスへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法。
【請求項１４】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
燃料電池スタックに接続されたＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからハウスキーピングパワーサプライへの電力のフローを減少するステップと
を含む方法。
【請求項１５】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバスにより燃料電池スタックから引き出される燃料電池電流を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからハウスキーピングパワーサプライへの電力のフローを減少するステップと
を含む方法。
【請求項１６】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
燃料電池スタックに接続されたＤＣバス上のＤＣバス電圧を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからロードバンクへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法。
【請求項１７】
燃料電池スタックからＤＣバスへの電力の供給を、選択された作動範囲内で安定化するための方法であって、
ＤＣバスにより燃料電池スタックから引き出される燃料電池電流を検知するステップと、
選択された作動範囲の外にある電力の供給を現す安定化信号に基づいて、要求に応じてＤＣバスからロードバンクへの電力のフローを増加するステップと
を含む方法。
【請求項１８】
燃料電池スタックと、ＤＣバスと、請求項１〜１１のうちのいずれか一に記載の燃料電池安定化システムと
を含む燃料電池システム。
【請求項１９】
燃料電池スタックから電力をエクスポートするために、直流交流インバータがＤＣバスに電気的に接続されている請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
ＤＣバス上の電磁ノイズ及び過渡電圧を減少するために、ＤＣバスに電気的に接続されたＥＭＣフィルタを含む、請求項１８に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２０１１−５２５１０１（Ｐ２０１１−５２５１０１Ａ）
【公表日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１２７８７（Ｐ２０１１−５１２７８７）
【出願日】平成２１年６月１２日（２００９．６．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＵ２００９／０００７４９
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１４９５１８
【国際公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【出願人】（５００１０１９８８）セラミック・フューエル・セルズ・リミテッド (12)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１２日（２００９．６．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＵ２００９／０００７４９
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１４９５１８
【国際公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【出願人】（５００１０１９８８）セラミック・フューエル・セルズ・リミテッド (12)
【Ｆターム（参考）】
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