JP2003530667A - 燃料電池電力システム、直流電圧コンバータ、燃料電池電力発生方法、及び電力調整方法 - Google Patents

燃料電池電力システム、直流電圧コンバータ、燃料電池電力発生方法、及び電力調整方法

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ウィリアム, エイ. ファグルヴァンド,
ジョナサン ダッジ,
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アヴィスタ ラボラトリーズ, インク.
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Abstract

(57)【要約】 燃料電池電力システム、直流電圧コンバータ、燃料電池電力発生方法及び電力調整方法が提供される。本発明の一態様によれば、燃料電池電力システム(10)は、負荷(22)に接続されるようになった複数の端子と、燃料電池カートリッジ(14)からなり且つ化学エネルギを変動電位の直流電気エネルギに変換するように構成された燃料電池ストックと、燃料電池からの電気エネルギをほぼ一定電圧電位の直流電気エネルギに変換するように構成されたコンバータを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池電力システム、直流電圧コンバータ、燃料電池電力発生方
法、電力調整方法、及び直流電力調整方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は従来技術として知られている。燃料電池は、通常空気から供給され
る酸素と水素が反応し、電気と水を生成する電気化学装置である。基本的な処理
は非常に効率が高く、水素によって直接燃焼される燃料電池であり、公害の無い
ものである。さらに、燃料電池は複数個をスタック状にして、異なる大きさに組
み上げることができるので、広範囲の出力レベルを提供する電力システムが開発
されており、従って、数多くの産業上の適用性がある。
【0003】 全ての燃料電池に必要な基本的な電気化学手法は良く知られているが、ある特
定の燃料電池タイプの信頼性、及び他の経済性に対する工学的な解決手段は難し
かった。高分子電解質膜(PEM)燃料電池電力システムの信頼性に関しては、
今日まではあまり関心が高くなく、むしろ発電容量のワットに対する投入された
コストの関心の方が高かった。
【0004】 ワットに対するPEM燃料電池のコストを更に低くするために、多くの注意が
その出力電力の増大に向けられていた。歴史的には、これは、高PEM燃料電池
電力出力を最適化し、且つ維持するために必要な、更に洗練されたバランス−オ
ブ−プラントシステムという結果をもたらした。より複雑なバランス−オブ−プ
ラントシステムの結果、低容量への適用のための縮小は容易ではなかった。その
結果、コスト、効率、信頼性、及び保守費用は、低出力への使用には全て逆に影
響した。
【0005】 単一のPEM燃料電池は、負荷時にセル毎に僅か約0.45から約0.7ボル
トの実用的な直流の電圧を生成することは良く知られている。実際のPEM燃料
電池設備は、それらが直列に電気的に接続されるように、互いにスタック状にさ
れた多数の電池から組み立てられていた。PEM燃料電池は、追加的な加湿が陽
子交換薄膜(電解質)に利用できれば、より高い出力電圧で動作可能なことも良
く知られている。
【0006】 この点について、加湿は、陽子の流れに対する陽子交換薄膜の抵抗力を下げ
る。この加湿の増加を達成するために、種々の方法により、即ち、例えば芯によ
る毛細管現象のような周知の物理的な現象の手段により陽子交換薄膜へより直接
的に、追加的な水が水素や酸素流へ導入される。
【0007】 しかしながら近年における研究の焦点は、追加的な加湿をせずに動作した場合
に更に改良された出力電力を有する膜電極接合体(MEA)の開発に向けられて
いた。関連するコストと共にバランス−オブ−プラントの複雑さを減少させるの
で、それが自己的に加湿するときにMEAを動作させることが可能であることは
、有利である。しかしながら、これまでの自己加湿は、燃料電池が低電流密度で
動作する結果となっており、そのために、所定の電力量を発生するためには、よ
り多くのこれらの燃料電池を必要とすることになっていた。
【0008】 種々の設計のPEM燃料電池が、様々な程度に成功して動作していたのに対し
て、他方では、それは有用性を損なう欠点も有していた。例えば、PEM燃料電
池電力システムは、電力システムが増加した出力電圧を得られるように、典型的
には互いに直列に電気的に接続された(スタック状にされた)個々の燃料電池を
数多く有している。このような構成において、スタック状の燃料電池の一つが故
障した場合、電圧及び電力を提供しなくなる。
【0009】 このようなPEM燃料電池のより普通の故障の一つは、ある一つの膜電極接合
体(MEA)が、同じ燃料電池のスタックの中で他のMEAに比べて水和されな
くなることである。このような膜水和物の減少は、有効な燃料電池の電気抵抗を
増し、その結果、より多くの消費熱が生じてしまう。それに伴い、この追加され
た熱が膜電極接合体を乾かす。この状態は、負水和スパイラルを生み出す。燃料
電池の連続的な過熱は、そのうち、スタックの内の残りの燃料電池から電力を浪
費し始めるように、有効な燃料電池の極性を反転させる原因となる。この状態が
修正されないと、故障した燃料電池により発生した過度な熱が膜電極接合体に穴
を明ける原因となり、そのため水素が漏れる。この穴が開くと、燃料電池のスタ
ックは、完全に分解されてから修理されなければならない。採用される燃料電池
のスタックの設計にもよるが、この修理又は交換は、コストがかかり、時間を消
費する。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の開示は、アメリカ合衆国特許法の立法目的である「科学及び有用な技
術の進歩を振興する」(第1条第8項)ことに即して行われる。
【0011】 本発明の一態様によれば、燃料電池電力システムは、負荷に接続されるように
なった複数の端子と、化学エネルギを変動電圧電位の直流電気エネルギに変換す
るように構成された燃料電池と、該燃料電池と端子との間に結合されたコンバー
タとを有し、該コンバータは変動電圧電位の前記直流電気エネルギをほぼ一定電
圧電位の直流電気エネルギに変換するように構成されている。
【0012】 本発明の第2の態様によれば、燃料電池電力システムは、負荷に接続されるよ
うになった複数の端子と、化学エネルギを直流電気エネルギに変換するように構
成された燃料電池と、該燃料電池と端子との間に結合されたインバータとを有し
、該インバータは、前記直流電気エネルギを交流電気エネルギに変換するように
構成されている。
【0013】 本発明の他の態様により提供される直流電圧コンバータは、変動電圧電位の直
流電気エネルギを受けるようになった入力と、前記入力に接続され、前記変動電
圧電位の直流電気エネルギをほぼ一定電圧電位の直流電気エネルギに変換するよ
うに構成されたコンバータ回路と、該コンバータ回路に接続され、前記ほぼ一定
電圧の直流電気エネルギを受けるように構成された出力とを具備する。
【0014】 他の態様により提供される燃料電池電力システムは、ハウジングと、複数の出
力端子と、前記ハウジング内に収容されるようにようになった少なくとも一つの
カートリッジであり、該カートリッジが化学エネルギを電気エネルギに変換する
ように構成された燃料電池と該電気エネルギを電気的に調整するよう構成された
電力調整回路を有するカートリッジと、前記電力調整回路を前記出力端子と接続
するように構成された電気的接続とを具備する。
【0015】 本発明の他の態様によれば、燃料電池電力システムは、化学エネルギを電気エ
ネルギに変換するようになった燃料電池と、前記燃料電池に接続され、前記電気
エネルギを電気的に調整するようになった電力調整回路とを有し、そして、前記
電力調整回路は、前記燃料電池電力システムの動作パラメータを監視し、該監視
に応じて電気エネルギの調整を制御するようになったコントローラを有する。
【0016】 本発明の他の態様による燃料電池電力システムは、負荷に接続されるようにな
った複数の端子と、化学エネルギを電気エネルギに変換し、前記端子に電気エネ
ルギを提供するように構成された複数の燃料電池と、前記燃料電池の少なくとも
一つと電気的に接続され、前記少なくとも一つの燃料電池からの電気エネルギの
電圧を増加させるように構成された少なくとも一つの電力調整回路とを有する。
【0017】 本発明の他の態様による燃料電池電力システムは、負荷に接続されるようにな
った電力バスと、化学エネルギを電気エネルギに変換するようになった複数の燃
料電池と、前記電力バスと燃料電池との間に電気的に接続された複数の電力調整
回路とを有し、該電力調整回路は、各燃料電池からの電気エネルギを調整するよ
うに構成されている。
【0018】 本発明の他の態様による燃料電池電力システムは、負荷に接続されるようにな
った複数の端子と、化学エネルギを電気エネルギに変換し、前記端子に電気エネ
ルギを提供するように構成された複数の燃料電池と、前記各燃料電池に電気的に
接続され、各燃料電池からの電気エネルギを調整するように構成された複数の電
力調整回路とを有する。
【0019】 本発明の他の態様による燃料電池電力システムは、負荷に接続されるようにな
った複数の端子と、化学エネルギを電気エネルギに変換するようになった少なく
とも一つの燃料電池を個々に有する複数の燃料電池カートリッジとを具備し、前
記複数の燃料電池カートリッジは端子に対して並列に接続されている。
【0020】 本発明の他の態様によれば、燃料電池電力発生方法が提供され、該方法は、燃
料電池を提供する過程と、最初に該燃料電池を用いて化学エネルギから変動電圧
電位の直流電気エネルギに変換する過程と、第2に、変動電圧電位の直流電気エ
ネルギをほぼ一定電圧電位の直流電気エネルギに変換する過程と、ほぼ一定電圧
電位の直流電気エネルギを出力する過程とを具備する。
【0021】 本発明の他の態様による燃料電池電力発生方法は、複数の端子を有した燃料電
池を提供する過程と、最初に前記燃料電池を用いて化学エネルギを直流電気エネ
ルギに変換する過程と、第2に、前記直流電気エネルギを交流電気エネルギに変
換する過程と、前記交流電気エネルギを前記端子に提供する過程とを具備する。
【0022】 本発明の他の態様によれば、電力調整方法が提供され、該方法は、変動電圧電
位の直流電気エネルギを直流コンバータ内に受け入れる過程と、該直流コンバー
タを用いて変動電圧電位の前記直流電気エネルギをほぼ一定電圧電位の直流電気
エネルギに変換する過程と、ほぼ一定電圧電位の前記直流電気エネルギを出力す
る過程とを具備する。
【0023】 本発明の他の態様は燃料電池電力発生方法を含み、該方法は、ハウジングを提
供する過程と、少なくとも一つの燃料電池と電力調整回路を有するカートリッジ
を前記ハウジングに結合する過程と、前記カートリッジの燃料電池を用いて化学
エネルギを電気エネルギに変換する過程と、前記電力調整回路を用いて前記電気
エネルギを調整する過程と、前記電気エネルギを複数の端子に供給する過程とを
具備する。
【0024】 本発明の他の態様は燃料電池電力発生方法を提供し、該方法は、ハウジングを
提供する過程と、少なくとも一つの燃料電池と電力調整回路を有するカートリッ
ジを前記ハウジングに結合する過程と、前記カートリッジの燃料電池を用いて化
学エネルギを電気エネルギに変換する過程と、前記電力調整回路を用いて前記電
気エネルギを調整する過程と、前記電気エネルギを複数の端子に供給する過程と
を具備する。
【0025】 本発明の更に他の態様は直流電力調整方法を提供し、該方法は、変動電圧電位
の直流電気エネルギを受ける過程と、ほぼ一定電圧電位の直流電気エネルギを複
数の端子に供給する過程と、前記端子の電圧電位を監視する過程と、前記監視に
応答して、変動電圧電位の直流電気エネルギを用いて、前記端子に接続された電
気エネルギ蓄積装置を充電する過程とを具備する。
【0026】 本発明の他の態様による燃料電池電力発生方法は、複数の燃料電池を提供する
過程と、前記燃料電池を用いて化学エネルギを電気エネルギに変換する過程と、
少なくとも一つの電力調整回路を用いて少なくとも一つの燃料電池からの電気エ
ネルギの電圧電位を上昇させる過程と、前記電圧上昇の後、負荷に接続されるお
うになった複数の端子に電気エネルギを供給する過程とを具備する。
【0027】 本発明の他の態様による燃料電池発生方法は、複数の燃料電池を提供する過程
と、前記燃料電池を用いて化学エネルギを電気エネルギに変換する過程と、前記
各燃料電池に対応した複数の電力調整回路を用いて電気エネルギを調整する過程
と、前記調整過程の後、負荷に接続されるようになった複数の端子に電気エネル
ギを供給する過程とを具備する。
【0028】 本発明の更に他の態様による燃料電池電力発生方法は、少なくとも一つの燃料
電池をそれぞれ有した複数の燃料電池カートリッジを提供する過程と、前記燃料
電池を用いて化学エネルギを電気エネルギに変換する過程と、負荷に接続される
ようになった複数の端子に並列に接続された燃料電池カートリッジを用いて電気
エネルギを供給する過程とを具備する。
【0029】 図1は燃料電池電力システムの一実施例を示す。図示の燃料電池電力システム
は一実施例に過ぎず、他の構成も可能である。図示の通り、燃料電池システム1
0は、複数の燃料電池カートリッジ14の周囲に設けられたハウジング12を有
する。このハウジング12は、本実施例において、サブラックアセンブリを画定
する。
【0030】 燃料電池電力システム10は、一つ又はそれ以上の燃料電池カートリッジ14
を用いるように構成されている。本明細書で説明する燃料電池システム10では
、そのような燃料電池カートリッジ14が12個用いられている。本実施例では
、各燃料電池カートリッジ14は、複数の燃料電池を有している。例えば、それ
ぞれの燃料電池カートリッジ14は4個の燃料電池を有している。
【0031】 そのような燃料電池は、高分子電解質膜(PEM)燃料電池で構成することが
できる。本実施例では、そのような燃料電池は、燃料電池は、膜電極接合体(M
EA)燃料電池、又は膜電極拡散接合体(MEDA)燃料電池からなる。燃料電
池及び燃料電池カートリッジ14の一形態の更なる詳細は、同時に係属中である
1997年11月20日付出願の米国特許出願番号第08/979,853号、
発明の名称「陽子交換薄膜燃料電池電力システム」に説明されている。米国特許
出願番号第08/979,853号の発明者は,ウィリアム エイ. ファグル
ヴァンド、シブリハンナ アイ. ベイヤック博士、グレッグ エイ. ロイド
、ピーター ディー. デブリーズ、デビット アール. ロット、ジョン ピ
ー. スカルトジー、グレゴリー エム. ソマーズ、及びロナルド ジー.
ストークスであり、本出願の譲受人と同じ出願人であり、代理人の件番号がWA
23−002であり、その開示内容は、本出願明細書に援用されるものとする。
【0032】 ハウジング12は更に、オペレータインターフェース16を含む。本実施例で
は、オペレータインターフェース16は、表示部18とインターフェーススイッ
チ20を含む。オペレータインターフェース16は、燃料電池電力システム10
の作動状態を表示するように構成されるとともに、ユーザに燃料電池電力システ
ム10の種々の機能を操作できるように構成されている。
【0033】 オペレータインターフェース16の表示部18は、燃料電池電力システム10
の作動状態を表示するために、可視信号等の人間が知覚できる信号を発するよう
に構成されている。図示実施例では、表示部18は、それぞれの燃料電池カート
リッジ14の作動状態を表わすための、複数の発光ダイオード(LED)の棒グ
ラフアレイからなる。一形態では、表示部18の個々のバーグラフアレイは、対
応する燃料電池カートリッジ14の燃料電池の電圧の高低を表示する。
【0034】 インターフェーススイッチ20は、ユーザに燃料電池電力システム10の操作
を制御することを可能とする。例えば、一つのインターフェーススイッチ20は
、ユーザが燃料電池電力システム10の電源をオンにできるように設けられてい
る。更に、別のインターフェーススイッチ20は、ユーザが燃料電池電力システ
ム10から燃料電池電力システム10に結合された負荷22へ電力を選択的に供
給することを可能とするような、負荷イネーブルスイッチを含む。別のインター
フェーススイッチ20は、以下に説明する、カートリッジをリセットする機能を
制御することが可能である。
【0035】 図2を参照すると、燃料電池電力システム10を構成する幾つかの構成部品が
示されている。構成部品は、燃料電池電力システム10のハウジング12の内部
及び外部の構成部品である。内部の構成要素としては、3個の燃料電池カートリ
ッジ14だけがここでの説明の目的のために示されている。典型的な構成では、
より多くの燃料電池カートリッジ14が設けられる。
【0036】 燃料電池電力システム10は、遠隔装置24に結合された状態で示されている
。燃料電池電力システム10は、遠隔装置24と連絡又は通信するように構成さ
れることが好ましい。典型的な遠隔装置24は、離れた場所からの制御及び監視
ステーションからなる。燃料電池電力システム10は、遠隔装置24からのデー
タ及び命令からなる情報を受ける。燃料電池電力システム10は、遠隔装置24
に対してデータや要求等を出力するようにも構成される。
【0037】 図示された構成部品には、上述の燃料電池カートリッジ14及びオペレータイ
ンターフェース16が含まれる。更に、燃料電池電力システム10は、制御シス
テム30を含む。制御システム30の一形態を以下に詳細に説明する。図示され
た制御システム30は、電源供給部32に関連した電源供給センサ31と、充電
回路34とに接続される。制御システム30は、更に燃料電池カートリッジ14
とオペレータインターフェース16にも結合される。更に、制御システム30は
、通信ポート36、スイッチング装置38及び電流センサ40に結合される。制
御システム30は、ブリードバルブ43に関連したブリードソレノイド42にも
結合される。
【0038】 図示された燃料電池電力システム10は、燃料送出システム28を含む。燃料
送出システム28は、燃料電池カートリッジ14へ燃料を供給するために、燃料
供給部23と結合される。詳説する実施例において、典型的な燃料は水素ガスで
ある。他の燃料であっても勿論構わない。
【0039】 図示された燃料送出システム28には、主バルブ47と、各々の燃料電池カー
トリッジ14に関連した複数の補助バルブ45とが含まれる。主バルブ47は、
燃料供給部23から燃料電池電力システム10への燃料の流れを制御する。補助
バルブ45は、各々の燃料電池カートリッジ14への燃料の流れを制御する。制
御システム30は、関連した補助バルブ45の複数の補助ソレノイド44に結合
される。制御システム30は、関連した主バルブ47の主ソレノイド46に更に
結合される。
【0040】 図示された燃料電池電力システム10には、空気温度制御部50が含まれる。
図示された空気温度制御部50には、燃料電池カートリッジ14に対応する、関
連した出入口52を有するプレナム51が含まれる。空気温度制御部50のプレ
ナム51内には、温度変更素子53、ファン54、温度センサ55及び燃料セン
サ61が設けられる。
【0041】 制御可能な空気流装置すなわち空気路56は、プレナム51をハウジング12
の外側の外部周囲空気へ連絡する。空気路56は、プレナム51からの空気の放
出だけでなく、プレナム51への空気の取入も許容する。制御システム30は、
温度変更素子53の制御回路41、ファン54の制御回路48及び監視回路49
、温度センサ55に関連した温度回路68、空気路56の制御回路57、及び燃
料センサ61のヒータ75に結合される。
【0042】 図示のように、第1燃料センサ58は、ハウジング15内で、しかもプレナム
51の外側に設けられる。第1燃料センサ58は、ハウジング12内の燃料の有
無を監視するように動作する。第2燃料センサ61は、プレナム51内の燃料の
有無を監視するためにプレナム51内に設けられる。制御システム30は、燃料
センサ58,61に関連した燃料検出回路64と結合されるように構成される。
燃料検出回路64は、センサ58,61から得られる測定を調整することができ
る。
【0043】 ヒータ74,75は、制御システム30からの制御に応じて、燃料センサ58
,61を選択的に加熱するために、各々の燃料センサ58,61に結合される。
ヒータ74,75は、ある構成においては燃料センサ58,61と一体物となっ
ている。一体的なヒータを有する典型的な燃料センサ構造体としては、フィガロ
エンジニアリング, インク.から入手可能な品名TGS813が挙げられる
。このようなヒータは、適切な動作を確保するために、予め決められた温度範囲
内で動作が可能なように提供されることが望ましい。センサ58,61の構成は
、他のものであっても構わない。
【0044】 一つの実施例では、ハウジング12の外側に外部温度センサ59が設けられる
。制御システム30は、外部温度を監視するために、温度センサ59に関連した
温度回路67とも結合される。温度回路67は、温度センサ59から受けた信号
を調整する。
【0045】 制御システム30は、燃料電池電力システム10の少なくとも一つの動作を少
なくとも制御又は監視するように構成される。動作中、燃料供給部23からの燃
料が主バルブ47に供給される。主バルブ47は、図示のように補助バルブ45
に結合される。制御システム30からの制御に応じて、主バルブ47及び補助バ
ルブ45は各々の燃料電池カートリッジ14に燃料を供給する。燃料の供給に応
じて、及び酸素の存在下で、燃料電池カートリッジ14は電力を発生する。
【0046】 電力バス60は、燃料電池カートリッジ14を直列に結合する。電力バス60
は、外部負荷22(図1参照)に接続される外部端子62,63に結合される電
気接続を提供する。端子62は、燃料電池電力システム10の陽極端子を提供し
、端子63は陰極端子を提供する。
【0047】 空気温度制御部50は、出入口52を介して各々の燃料電池カートリッジ14
へ酸素を供給する。燃料電池カートリッジ14はそれぞれ、化学エネルギを電気
に変換するように動作する。以下に説明するように、燃料カートリッジ14はそ
れぞれ、陽極側及び陰極側を個々に有する複数の燃料電池を含む。補助バルブ4
5は、燃料電池の陽極側に燃料を供給する。プレナム51は、燃料電池の陰極側
内に空気を導入する。
【0048】 空気温度制御部50は、所定の温度範囲内の循環空気を供給することが望まし
い。そのような循環空気は、外部空気及び/又は再循環空気である。好適実施例
においては、空気温度制御部50は、約25℃−80℃の温度範囲内の空気をプ
レナム51内に提供する。
【0049】 燃料電池電力システム10の始動状態が完了したら、プレナム51内に存在す
る空気の温度を上昇又は下降させるために、素子制御回路41を用いて制御シス
テム30により温度変更素子53が制御されても良い。ファン54は、プレナム
51内の空気を各々の燃料電池カートリッジ14へ循環させるように動作する。
ファン制御回路48及びファン監視回路49が、ファン54に結合されて示され
ている。制御システム30からの制御に応じて、ファン制御回路48は、ファン
54の空気流量(例えば回転速度)を制御するように動作する。ファン監視回路
49は、ファン54によって誘起される実際の空気流量を監視するように動作す
る(例えば回路49は回転ファン構造の流速計からなる)。
【0050】 制御システム30は、温度センサ55を用いてプレナム51内の空気の温度を
監視する。動作中、燃料電池カートリッジ14から熱が発生・放出される。従っ
て、燃料電池電力システム10の能率的な動作を提供するためには、プレナム5
1内の空気の温度を下げる必要があるかも知れない。制御システム30からの制
御に応じて、空気路56は、外部空気をプレナム51へ導入し、そしてプレナム
51から周囲へ空気を排出するために利用することができる。
【0051】 制御システム30は、空気路56を制御するために制御回路57と連絡し合う
。一つの実施例では、空気路56には、複数の翼板と、外部空気をプレナム51
内へ選択的に導入するために空気路56の翼板の位置を制御するように動作する
制御回路57とが含まれる。空気路56の翼板は、制御システム30からの制御
に応じて、プレナム51へ導入される外部の新鮮な空気の量、又はプレナム51
から排出される空気の量を変化させるために、開位置及び閉位置間で複数の方向
に好ましくは設けられる。プレナム51内を循環する空気は、再循環及び/又は
新鮮な周囲の空気からなる。
【0052】 温度センサ59を利用することにより、制御システム30は、ハウジング12
の周辺の外気空気の温度も監視することができる。制御システム30は、温度セ
ンサ59からのこのような外部温度情報を、空気路56の動作を制御するのに利
用することができる。好適実施例では、温度センサ59は、空気路56の近傍に
配置される。
【0053】 以下に更に詳細に説明されるように、制御システム30は、ファン制御回路4
8を用いてファン54の空気流量を制御する。ファン監視回路49は、制御シス
テム30に空気流量情報を提供する。制御システム30は、個々の電池の電圧を
合計することで、電力バス60を介して送出される全体のシステム電圧の監視を
行なうことができる。制御システム30は、電流センサ40を用いて、電力バス
60を介して送出される電気的負荷の量も監視する。制御システム30は、シス
テムバス電圧及び負荷量の情報を得ることで、消費熱電力を計算し、所望の冷却
空気流を提供することが可能となる。
【0054】 更に詳しくは、一つ又はそれ以上の燃料電池の効率は、各々の燃料電池の発生
電圧を1.23(単一の燃料電池の理論上の最大電圧)で割ることにより決定さ
れる。平均効率は、燃料電池電力システム10の全ての燃料電池90に対して決
定される。効率計算から決まった残りのエネルギ(電気に関係しないエネルギ)
は、消費熱電力である。決定された消費熱電力は、所望の冷却空気流を提供する
のに利用してもよい。制御システム30は、所望の燃料電池電力システム10の
一態様にしたがって、消費熱電力に応じてファン54の空気流量を制御する。
【0055】 燃料電池カートリッジ14の動作中、陰極側の水のような非燃料希釈剤及び大
気構成要素は、燃料電池の膜電極接合体を介して燃料電池の陰極側から放出され
、燃料電池の陽極側に蓄積される。更に、燃料電池の陽極側に直接送出された燃
料供給における不純物も蓄積される。これらの希釈剤は、性能を悪化させるのに
十分なくらい燃料を希釈する。したがって、個々の燃料電池の陽極側は、ブリー
ドマニフォルド65に接続される。ブリードマニフォルド65は、更にブリード
バルブ43に結合される。
【0056】 ハウジング12内のブリード排出部66を介して、同伴希釈剤やおそらくいく
らかの燃料のようなものを排出するのを可能とするブリードバルブ43を選択的
に開閉するように、制御システム30は、ブリードソレノイド42を選択的に動
作させる。制御システム30は、ブリードバルブ43を周期的に開閉するように
動作する。ブリードバルブ43の開閉の周期又は頻度は、端子62,63に結合
される電気負荷量等の多くの要素により決定することができる。図示はしていな
いが、再利用や他の使用のために、使用していない燃料を回収するための燃料回
収システムをブリード排出部66に結合しても良い。
【0057】 インターフェースを介して、又は遠隔装置24から入力された始動条件に従っ
て、制御システム30は、電力バス60を陽極端子62に結合するために、スイ
ッチング装置38を選択的に制御する。スイッチング装置38は、電力バス60
を外部負荷22へ選択的に結合するための、並列MOSFETスイッチからなる
【0058】 例えば、制御システム30は、温度センサ55を利用して、プレナム51内の
温度がいつ適当な動作になったかを確認しても良い。更に、制御システム30は
、関連した負荷22に電力バス60を結合するためのスイッチング装置38を閉
じる前に、各々の燃料電池カートリッジ14の電圧及び/又は電流のような少な
くとも一つの電気的特性が動作可能状態であるか否かを確認することができる。
こうすることにより、バス60を外部負荷22へ結合する前に、燃料電池電力シ
ステム10を正しい動作状態とすることができる。
【0059】 詳説する実施例では、電源供給部32は異なる電圧電位を有する電源を含む。
例えば、電源供給部32は、燃料電池電力システム10の制御システム30のよ
うなデジタル回路を動作させるための、5ボルトの供給電圧を提供することがで
きる。電源供給部32は、燃料電池電力システム10内のファン54のような構
成部品の動作のための±12ボルトのような、より高い電位も与えることができ
る。
【0060】 更に、電源供給部32は、始動手順の間、各種部品要素に電力を供給するため
のバッテリを含むこともできる。始動手順の後は、電源供給部32は電力バス6
0に結合することができ、燃料電池電力システム10によって利用される内部電
力は、燃料電池カートリッジ14から発生した電力から得ることができる。充電
回路34は、電力バス60からの電力を利用して電力供給部32のバッテリを選
択的に充電するために設けられる。制御システム30は、電源供給センサ31を
用いて、バッテリの電気状態と電源供給部32の供給電圧を監視するように構成
される。制御システム30は、このような監視動作に基づき、充電回路34に電
源供給部32のバッテリを充電させるように動作する。
【0061】 制御システム30は、遠隔装置24のような外部装置との通信を提供する通信
ポート36にも結合される。典型的な遠隔装置24は、燃料電池電力システム1
0から離れた場所の外部制御システム又は監視システムからなる。制御システム
30は、通信ポート36を用いて、燃料電池電力システム10の要求、命令、動
作状態等を含むデータを出力することができる。更に、制御システム30は、通
信ポート36を用いて、遠隔装置24からの命令、要求等を含むデータを受信す
ることができる。制御装置30の更に詳細な説明は、1999年5月28日付出
願の米国特許出願番号第09/322,666号、発明の名称「燃料電池電力シ
ステム及び燃料電池電力システムの制御方法」にある。米国特許出願番号第09
/322,666号の発明者は,ウィリアム エイ. ファグルヴァンド、シブ
リハンナ アイ. ベイヤック博士、グレッグ エイ. ロイド、ピーター デ
ィー. デブリーズ、デビット アール. ロット、及びジョン ピー. スカ
ルトジーであり、本出願の譲受人と同じ出願人であり、その開示内容は、本出願
明細書に援用されるものとする。
【0062】 図2に示される構成では、電力調整回路100は電力バス60と結合されて示
されている。電力調整回路100は、カートリッジ14内の燃料電池から直流電
気エネルギを受け、それを調整するように構成されている。そのような電気エネ
ルギの調整は、以下に詳細に説明される。電力調整回路100は、ある構成例(
例えば、図3及び図4のカートリッジ)では、バス60に与えられる電気エネル
ギを調整するために、それぞれのカートリッジ14内に設けられる。これに代え
て、電力調整回路100は、燃料電池カートリッジ14の外側に設けられる。
【0063】 図3を参照すると、典型的な燃料電池カートリッジ14が示されている。図示
の燃料電池カートリッジ14は、燃料供給フレーム70と、該燃料供給フレーム
70内に、膜電極接合体(MEA)又は膜電極拡散接合体(MEDA)を収容す
る各々の窪みを部分的に塞ぐ複数の陰極カバー71を含む加圧アセンブリとを含
む。図示の燃料電池カートリッジ14は、4個の燃料電池90を含む。他の構成
であっても勿論構わない。各燃料電池90及びカートリッジ14の更なる詳細は
、本明細書に援用されるべきものである、米国特許出願第08/979,853
号明細書に記載されている。
【0064】 各々の陰極カバー71は、互いに、又は燃料供給フレーム70と各々協調する
か、又は一緒になる。陰極カバーによって画定される個々の開口72は、空気を
プレナム51から、燃料供給フレーム70内に包含される膜電極拡散接合体の陰
極側へ循環させる通路73を画定する。燃料電池カートリッジ14を通しての空
気の循環に関しては、本出願明細書に援用される上記米国特許出願番号第08/
979,853号明細書に十分詳細に開示されている。
【0065】 導電性部材63が、燃料電池カートリッジ14内の個々の燃料電池の主要本体
から外側に延びている。導電性部材63は、燃料供給フレーム70内に設けられ
る各々の間隙や開口を通って延び出るように設計されている。それぞれの導電性
部材63は、以下により詳細に説明するサブラックの背面壁上に配置された導電
性接点対の間に受け入れられ、そしてその後これと電気的に結合される。
【0066】 燃料電池カートリッジ14は、参照符号76で示されるサブラックの手段によ
り、複数の他の燃料電池カートリッジ14と電気的に直列又は並列に結合されて
動作する。サブラック76は、上端部分78及び下端部分79をそれぞれ有する
主要本体77を有する。上端部分及び下端部分は、背面壁80により互いに結合
されている。細長い溝81がそれぞれ上端及び下端部分78,79に形成され、
これらは燃料供給フレーム70に形成される各々の突起74をスライド状に受け
入れるように機能する。
【0067】 サブラック76は、互いに結合されたときにサブラック76の主要本体77を
形成する、多数のミラーイメージ部分85からなる。これらのミラーイメージ部
分85は、成型絶縁基板から製造される。電力バス60は、サブラック90の背
面壁80上に取り付けられる。導電性接点84の8個の対の繰返しパターンが背
面壁80に取り付けられ、これらに電力バス60が結合される。詳説する実施例
では、燃料電池カートリッジ14内の燃料電池と電力バス60との電気的結合は
、接点84を用いて行われる。
【0068】 第1及び第2導管86,87も、背面壁80に設けられ、これらは、燃料供給
フレーム70に対して流体移動可能な関係に合致して結合されるようになってい
る。各第1及び第2導管86,87は、背面壁80を通って延出し、そして適当
な外部導管(図示せず)に接続される。第1導管86は、燃料供給部23(図1
参照)と内部燃料電池の陽極側に流体移動可能に結合される。更に、第2導管8
7は、燃料電池の陽極側からブリードマニフォルド65(図2参照)へ延び出て
いる。
【0069】 個々の燃料電池カートリッジ14は、選択的に非活性化されても構わない。例
えば、燃料電池カートリッジ14は、燃料電池電力システム10から個々に物理
的に取り外すことができる。一つ又はそれ以上の数の燃料電池カートリッジ14
を取り外すことが、燃料電池カートリッジ14の保守、交換等のために望まれる
かもしれない。残りの燃料電池カートリッジ14及びその内部燃料電池は、必要
により、一つ又はそれ以上の数の燃料電池カートリッジ14が非活性化された状
態(例えば、取り外された状態)のままでも、接続されている負荷22への電力
の供給を継続することができる。
【0070】 接点84はそれぞれ、関連したサブラック76から燃料電池カートリッジ14
を物理的に除去しても、バス60への電気的な接続状態を維持するように構成し
ても良い。図示のように、個々の接点84は、それぞれが燃料電池カートリッジ
14の関連した接点69を受け入れるように構成された複数のメークビフォーブ
レーク接点からなる。個々の接点69は、突き出た先端、即ちナイフのようなも
のからなる。燃料電池カートリッジ14及び対応する端子69の物理的な除去に
よって、接点84の導電性部材は、端子62,63間のバス60内で閉回路を維
持するように互いに機械的に結合される。これにより、燃料電池電力システム1
0から一つ又はそれ以上の数の燃料電池カートリッジ14が除去されている間も
、端子62,63に結合された負荷22への電力の供給が維持される。
【0071】 図4を参照すると、燃料電池カートリッジ14は、電力調整回路100に結合
された一つ又はそれ以上の数の燃料電池を有する。図示実施例では、4個の燃料
電池90が示されている。燃料電池90は、電力調整回路100と直列又は並列
の何れかに接続されればよい。電力調整回路100は、燃料電池90をバス60
と電気的に結合するために、接点69と結合されている。典型的な電力調整回路
は、以下に説明する通り、コントローラとメモリを有する。他の構成も可能であ
る。
【0072】 図示燃料電池カートリッジ14は、図4に示す通り、本発明の一態様による内
部電力調整回路を有する。これに代えて、電力調整回路100は、燃料電池カー
トリッジ14の外部であって、且つ燃料電池電力システム100のハウジング1
2の内側又は外側に設けられる。燃料電池カートリッジ14の外側の電力調整回
路は、例えば、図2に示されている。ある実施例では、電力調整回路100は、
それぞれの燃料電池カートリッジ14の内部と燃料電池カートリッジの外側の双
方に設けられ、端子62,63に接続される。
【0073】 ハウジング12内に設けられた外部電力調整回路100は、端子62,63と
結合したバス60内の電気エネルギを調整する。燃料電池カートリッジ14内の
内部電力調整回路100は、各燃料電池カートリッジ14からバス60に供給さ
れる電気エネルギを調整するように動作する。燃料電池電力システム10の構成
を具体的にどうするかは、具体的な用途と、ユーザ又は設計者の設計上の選択な
どによる。
【0074】 図4Aを参照すると、一つの例示的電力システムが示されている。燃料電池電
力システムは、一つ又はそれ以上の燃料電池(図4Aには図示せず)をそれぞれ
有する複数のカートリッジ14と、複数の電力調回路100と、電力バス60と
を有する。図示の通り、電力調整回路100は、電力バス60と各燃料電池カー
トリッジ14(燃料電池を有する)との間にあるものとして示されている。図示
の電力調整回路100は、図示実施例では、各燃料電池カートリッジに対応して
いる。
【0075】 電力調整回路100は、各燃料電池カートリッジ14からの電気エネルギを調
整するようになっている。例えば、電力調整回路100は、電圧電位を上昇、電
圧電位を降下、又は所定のほぼ一定出力電圧電位を提供するように構成される。
【0076】 電力調整回路100と電力バス60の接続は、一つの構成例として、電力調整
回路100を端子62,63と並列にする。そうすることにより、燃料電池カー
トリッジ14は端子62,63と並列に接続される。これに代えて、電力調整回
路100と電力バス60の接続は、燃料電池カートリッジを端子62,63に直
列にすることもできる。
【0077】 図5を参照すると、図2の構成に対応した燃料電池電力システム10の例示的
構成が示されている。具体的には、図示の燃料電池カートリッジ14は、バス6
0を通して直列に接続されたものとして示されている。バス60は更に、燃料電
池カートリッジ14の外側の電力調整回路100に接続されている。より具体的
には、電力調整回路100は、図示の構成では、燃料電池カートリッジ14と端
子62,63の間に設けられている。
【0078】 図示実施例の電力調整回路100は、メモリ103に接続された内部コントロ
ーラ102を有する。適当なコントローラ102は、モトローラ社から製品記号
68HC912B32を有するマイクロプロセッサとして購入可能である。その
ようなコントローラ102は、本発明の特徴にしたがって、制御信号をパルス幅
変調(PWM)するように構成されている。本発明の他の実施例では、他の制御
方法による構成とすることもできる。
【0079】 以下に説明する通り、本発明の特徴によれば、コントローラ102は、燃料電
池電力システム10の動作パラメータを監視し、その監視に応じて、電力調整回
路100を制御するように構成されている。例えば、コントローラ102は、各
燃料電池カートリッジに結合され、それの少なくとも一つの動作パラメータを監
視するように構成されている。本実施例では、コントローラ102は、その監視
に応じて電力調整回路100を制御する。
【0080】 本発明の特徴によれば、コントローラ102は、燃料電池カートリッジ内の電
圧と電流を監視するように構成される。本発明の他の特徴によれば、コントロー
ラ102は、温度センサ(例えば、図2のセンサ55を参照)を用いて、ハウジ
ング12内の温度または各燃料電池カートリッジ14内の温度などの燃料電池電
力システム10の他の動作パラメータを監視するように構成される。さらにその
他のパラメータを監視しても構わない。
【0081】 メモリ103は、コントローラ102内で使用される実行コードを記憶するよ
うに構成される。コントローラ102は、燃料電池電力システム10の動作履歴
またはその他の所望のデータを記憶するようにメモリ102を利用する。本実施
例では、メモリ103は、例えば、読出専用メモリ(ROM)及び書込可能メモ
リ(RAM)の両方からなる。
【0082】 本実施例では、コントローラ102は制御装置30と通信ができるように結合
されている。これに代えて、本発明の他の実施例では、コントローラ102は制
御装置30内に設けられ、該制御装置30が電力調整動作を制御するように構成
される。更に他の実施例では、他の電力調整機構が設けられてもよい。
【0083】 図6には、参照符号10aとして燃料電池電力システムの他の実施例が示され
ている。図示の燃料電池電力システム10aでは、複数の燃料電池カートリッジ
14が、バス60を用いて端子62,63と並列に接続されている。図示実施例
では、電力調整回路100は、バス60と端子62,63の間にある。燃料電池
電力システム10または10aの何れを利用するかは、電力システムの具体的な
適用、使用方法、及びユーザ、設計者等の設計上の選択による。典型的には、図
5の燃料電池電力システム10は電流を増加させる場合に、他方、燃料電池電力
システム10aは電圧を増加させる場合に利用される。
【0084】 図7には、典型的燃料電池電力システムの特性曲線が示されている。図示のグ
ラフは、バス60内の出力電流に対する燃料電池電力システム10(即ち、燃料
電池カートリッジ14が直列に接続された場合)の出力電圧を示すものである。
電流の大きさは、使用する負荷の大小に応じ又は依存する。
【0085】 例えば、それぞれが4個の燃料電池90からなる12個の燃料電池カートリッ
ジ14からなる燃料電池電力システム10では、最大電圧は約44ボルトである
。負荷22へのバス60を通る電流が増加すると、図7のグラフに示す通り、燃
料電池電力システム10の電圧は降下する。図示の燃料電池電力システム10の
構成での最大出力電流は、約85アンペアである。
【0086】 多くの場合、燃料電池カートリッジ14の出力部分及び/又は燃料電池電力シ
ステム10の端子62,63のところには、ほぼ一定電圧電位が提供されること
が望まれる。本発明の特徴によれば、電力調整回路100は、変動電圧電位(例
えば、一つ又はそれ以上の燃料電池90の出力が調整されていない場合に生じる
)の直流電気エネルギを受けて、ほぼ一定電圧電位の電気エネルギを提供するよ
うに構成される。以下に説明する通り、電力調整回路100は、本発明の他の特
徴により、他の動作を実行するように構成される。例えば、電力調整回路100
は、インバータ機能だけを、又は直流電圧変換動作に加えてインバータ機能を提
供するように構成される。
【0087】 図8−図13を参照して、電力調整回路100の典型的な構成とその制御方法
を説明する。図示の電力調整回路100の構成は例示であり、本発明の他の実施
例では他の構成が提供される。
【0088】 図8を参照すると、図示の電圧調整回路100は、DC−DCステップダウン
コンバータ又は電圧プリレギュレータとして構成されている。図示のDC−DC
コンバータ電力調整回路100は、入力端子120,122からなる入力部と、
コンバータ回路108と、出力端子121,123とを含む。入力端子120、
122はバス60を用いて燃料電池カートリッジ14と接続するように構成され
る。端子120は正極性のDC端子、端子122は接地端子である。
【0089】 コンバータ回路108は、燃料電池カートリッジ14と出力端子121,12
3の間を結合するように構成される。出力端子121,123は、ある実施例で
は、燃料電池電力システム10の端子62,63からなる。コンバータ回路10
8は、受け入れた変動電圧電位の直流電気エネルギを、ほぼ一定電圧電位の直流
電気エネルギに変換し、これを端子121,123からなる出力部に提供するよ
うに構成されている。
【0090】 図示のコンバータ回路108は、電気蓄積デバイス112とスイッチ114を
有する。電気蓄積デバイス112はキャパシタからなり、またスイッチ114は
酸化金属型半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)からなる。スイッチ1
14は、一つ又はそれ以上の燃料電池90を電気エネルギ蓄積デバイス112に
選択的に接続するように構成される。
【0091】 実施例では、コントローラ102は、燃料電池電力システム10の少なくとも
一つの動作パラメータを監視し、その監視に応じて、スイッチ114を制御する
ように構成される。例えば、コントローラ102は、電気蓄積デバイス112の
電圧電位をノード116のところで監視する。この監視に応じて、コントローラ
102は、電気エネルギ蓄積デバイス112を充電するために、端子120をノ
ード116に選択的に結合するようにスイッチ114を動作させる。
【0092】 典型的な例では、出力端子121,123に、26ボルトのほぼ一定直流電圧
を提供することが望まれる。したがって、ダイオード118両端での電圧降下を
考慮に入れて、電気エネルギ蓄積デバイス112の両端には約27ボルトの直流
電圧電位を提供することが望まれる。
【0093】 一つの動作方法によれば、コントローラ102がノード116の電圧電位が2
7ボルト以下となる電圧降下を検出すると、コントローラ102は、端子120
を介して燃料電池90から受けた電力を用いて、電気エネルギ蓄積デバイス11
2を充電するためにスイッチ114をターンオンする。より具体的には、コント
ローラ102は、電気エネルギ蓄積デバイス112両端の直流電圧電位を所定の
閾値より高く維持するようにスイッチ114を制御するように構成される。した
がって、コンバータ回路108は、出力端子121,123の間に、ほぼ一定直
流電圧電位を提供するように構成される。
【0094】 60ボルトの電圧供給を提供するために、チャージポンプ(図示せず)がコン
バータ回路108に接続される。ノード119には、ノード120に印加される
燃料電池カートリッジ14からの可能性がある最も高い電圧電位よりも約20ボ
ルト高い電圧電位が提供されることが望まれる。図示実施例では、コントローラ
102は、スイッチ114の動作を制御するために、ノード117に制御信号を
提供する。
【0095】 図9のフローチャートには、DC−DCコンバータ回路108を制御するため
の例示的な方法が示されている。図示の方法は、実施例では、コントローラ10
2によって使用される実行コードとして記憶される。そのようなコードは、コン
トローラ102の内部メモリ又はコントローラ102によってアクセスされるメ
モリ103内に記憶される。図9の方法により、電力調整回路100の出力電圧
は、閾値電圧以上に維持される。他の実施例では、他の方法が用いられる。
【0096】 最初に、コントローラ102は、初期設定のためにステップS10に進む。例
えば、所望する出力電圧電位が、許容量の偏差と共に設定される。設定電圧はノ
ード116のところに望まれる所望電圧であり、以下の説明ではVと記する。
所望設定電圧からの許容偏差は、Wと記するウィンドウパラメータである。
【0097】 ステップS12で、コントローラ102は、端子120の電圧(電圧Vと記
す)がノード116での実際の測定電圧(電圧Vと記す)より低いか否かを決
定する。コントローラ102に結合される典型的電圧監視回路が図15に示され
ている。
【0098】 コントローラ102は、もし端子120の電圧がノード116の電圧より低け
れば、ステップS14に進む。ステップS14では、コントローラ102は、燃
料電池電力システム10がオフに相当するアイドル状態とされる。その後、コン
トローラ102はステップS12に進み、端子120とノード116の電圧電位
の比較を継続する。
【0099】 端子120の電圧がノード116の電圧より高ければ、コントローラ102は
ステップS16に進む。ステップS16では、コントローラ102は、ノード1
16の電圧Vが所望の設定電圧Vからウィンドウ変動パラメータWを引いた
電圧より低いか否かを決定する。
【0100】 コントローラ102は、ステップS16での判定が否定的であることに応じて
、ステップ18に進む。ステップS18では、コントローラ102は、出力端子
121,123に接続された負荷に確実に適当な電力を与えるように、ダイオー
ドの動作を監視する。その後、コントローラ102はステップS12に復帰する
【0101】 ステップS16での判定が肯定的であれば、コントローラ102はスイッチ1
14をターンオンするためにステップS20に進む。スイッチ114がステップ
S20でオンに設定されることに応じて、電気エネルギ蓄積デバイス112が充
電される。
【0102】 コントローラ102は、ノード116の電圧Vが設定電圧Vに変動パラメ
ータWを加えた電圧より高いか否かを決定するためにステップS22に進む。
【0103】 ステップS22での判定が肯定的であれば、コントローラ102は、スイッチ
S114をターンオフするためにステップS24に進む。コントローラ102は
次にステップS12に復帰する。
【0104】 ステップS22での判定が否定であることに応じて、コントローラ102は、
スイッチ114の動作を確認するためにステップS26に進む。具体的には、コ
ントローラ102は、端子120の電圧Vがノード116の電圧Vとほぼ等
しいか否かを判定する。スイッチ114の誤動作に応じて、警告又は他の条件を
発するようにしてもよい。
【0105】 その後、コントローラ102はステップS28に進む。コントローラ102は
、端子120の電圧Vが0に等しいか否かがステップS28で判定される。も
しそうであれば、コントローラ102は、スイッチ114をオンにするためにス
テップS24に進む。
【0106】 ステップS28での判定結果が否定であれば、コントローラ102は、ノード
116の電圧Vを定電圧Vに許容変動Wを加えた電圧と比較するために、再
びステップS22に進む。
【0107】 図10−図12には、参照符号100a−100cとしてそれぞれ示された他
の例示的電力調整回路が示されている。図示の電力調整回路100aは、バック
又はステップダウンDC−DCコンバータからなる。図示の電力調整回路100
bは、ブースト又はステップアップDC−DCコンバータからなる。図示の電力
調整回路100cは、インバータからなる。電力調整回路100a−100cは
それぞれ、入力端子120,122と出力端子121,123とを有する。
【0108】 前に述べた通り、電力調整回路100a−100cは、ある実施例では、モジ
ュラーベース(即ち、燃料電池カートリッジ14ごと)で電力調整を行なうため
に、複数の燃料電池カートリッジのそれぞれ内に設けられる。そのような構成で
は、入力端子120,122は燃料電池90に結合され、出力端子121,12
3はバス60に結合される。
【0109】 本発明の他の態様によれば、電力調整回路100a−100cは、システムの
電力調整を実行する。そのような構成の場合、電力調整回路100a−100c
の入力端子120,122はバスに結合され、その出力端子121,123は、
燃料電池電力システム10の端子62,63に結合されるか又は有する。
【0110】 ある実施例では、DC−DCコンバータ回路とインバータ回路の両方が、単一
の電力調整回路構成内に用いられる。したがって、図示の電力調整回路100,
100a,100b,100cの一つ又はそれ以上が、任意の燃料電池カートリ
ッジ14又は燃料電池電力システム10内に用いられても構わない。例えば、D
C−DCコンバータを有する電力調整回路100,100a,100bは、燃料
電池90からのあるDC電圧電位を他の異なるDC電圧電位に変換するために先
ず最初に用いられてもよい。その後、電力調整回路100cが、DCに変換され
た電気エネルギを交流の電気エネルギに変換するために用いられてもよい。本発
明の他の特徴では、他の構成が設けられる。
【0111】 図10−図12の電力調整回路100a−100cは、スイッチモードの電力
調整回路を利用したものである。回路内のエネルギを少なくとも一つのエネルギ
蓄積デバイス(例えば、インダクタ、トランス、キャパシタ)に転換するために
スイッチングデバイスが用いられている。そのスイッチは、典型的には電気的に
制御されるスイッチからなる。
【0112】 コントローラ102は、ゲート制御信号を用いてスイッチ124の動作を制御
するように構成されている。後に更に詳細に説明する通り、本実施例では、図示
の電力調整回路100a−100cの制御は、コントローラ102を用いたパル
ス幅変調(PWM)によって達成される。スイッチングデバイスは、所定の間隔
又は周波数でスイッチオンされる。なお、スイッチのオン継続時間は変えられる
(即ち、デューティサイクルは変えることができる)。実施例では、コントロー
ラ102は、パルス幅変調スイッチング制御信号を提供する。これ以降でも説明
する通り、コントローラ102は、適当なパルス幅変調デューティサイクルを決
定するために、電圧、電流、温度等の燃料電池電力システム10の動作パラメー
タを監視する。コントローラ102は、望ましい動作とするために、制御信号の
デューティサイクルを変更できるように構成されている。
【0113】 具体的には図10を参照すると、電力調整回路100aは、複数のスイッチ1
24と、インダクタからなる電気エネルギ蓄積デバイス128とを含む。スイッ
チ124はコントローラ102と結合される。例示的構成のスイッチ124は、
MOSFET、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)、バイポーラ
接合型トランジスタ(BJT)、サイリスタ、酸化金属半導体制御サイリスタ(
MCT)、又はゲートターンオフサイリスタ(GTO)等で構成できる。
【0114】 一般的には、ステップダウンコンバータとして実現される電力調整回路100
aは、端子120,122を通して受け入れた入力電圧よりも低い出力電圧を端
子121,123に提供する。電力調整回路100aは、受け入れた入力電流よ
りも大きい出力電流を提供する。
【0115】 図11を参照すると、電力調整回路100bは、スイッチ124と、エネルギ
蓄積デバイス128としてのインダクタを含む。スイッチ124はコントローラ
102に結合される。一般的には、ステップアップコンバータとして実現された
電力調整回路100bは、端子120,122を通して受け入れた入力電圧より
も高い出力電圧を端子121,123に提供する。電力調整回路100bは、受
け入れた入力電流よりも小さい出力電流を提供する。
【0116】 図12を参照すると、インバータとして構成された電力調整回路が参照符号1
00cとして示されている。図示のインバータ電力調整回路100cは、DC電
圧及び電流を、AC電圧及び電流に変換するように構成されている。典型的には
、交流電圧波形の振幅と周波数は、負荷が電流波形に影響を与えている間、調整
される。実施例では、50Hz又は60Hzの電圧波形が出力される。
【0117】 前に説明した通り、出力端子121,123は、直接公共電力網に結合されて
もよく、又はこれに代えて、燃料電池電力システム10のバスに結合されてもよ
い。インバータ電力調整回路100cを公共電力網に結合する場合には、そのよ
うな接続の前に、電圧波形は典型的には電力網の電圧波形に同期される。そのよ
うな同期は、適当なデジタル及び/又はアナログ回路を用いて達成されても構わ
ない。
【0118】 開示された構成のインバータ電力調整回路100cは、スイッチ124、イン
ダクタ128及びトランス130を含む。実施例では、コントローラ102は、
トランス130に接続された出力端子121,123に交流電力を発生するため
に、パルス幅変調制御信号を用いてスイッチ124を制御するように動作する。
【0119】 他の構成では、電力調整回路100は、例えばバック・ブースト、カック及び
フルブリッジ等のDC−DC変換機能の非絶縁型コンバータトポロジからなる。
各種の絶縁型DC−DCコンバータ構成もまた可能である。例えば、フライバッ
ク式、フォワード式、プッシュプル式、ハーフ又はフルブリッジ式などである。
【0120】 図13を参照して、電力調整回路100a−100cの制御のための、コント
ローラ102内で発生するパルス幅変調制御信号の適当なデューティサイクルを
決めるための例示的方法を説明する。そのような方法は、メモリ103内に記憶
された実行コードによって実行されてもよい。これに代えて、他の実施例では、
そのような方法は、ハードウェアによって実行されても構わない。図示の方法は
、燃料電池電力システム10の電圧を、例えば、燃料電池電力システム10から
の出力電圧の約26ボルトである所定の設定値に制御するために用いられる。他
の実施例では、他の方法が利用されてもよい。
【0121】 最初、50%等のデューティサイクルデフォルト値がスタートアップ条件とし
て用いられる。その後、以下の方法に従ってデフォルトデューティサイクルは変
更される。
【0122】 ステップS40において、コントローラ102は、燃料電池電力システム10
の動作に関するデータを受ける。例えば、コントローラ102は、各燃料電池カ
ートリッジ14の電圧電位、燃料電池電力システム10の端子62,63の両端
の電圧電位、燃料電池電力システム10に接続された負荷に供給される出力電流
、燃料電池電力システム10のハウジング10内の温度情報、及び/又は一つ又
はそれ以上の燃料電池カートリッジ14内の温度に関するデータを受ける。
【0123】 その後、コントローラ102は、燃料電池カートリッジ電圧が許容値であるか
否かを判定するためにステップS42に進む。そのような許容電圧は、任意燃料
電池カートリッジ14内の燃料電池90の数に依存する。説明する構成例では、
任意燃料電池カートリッジ14の許容電圧は、燃料電池毎に、約0.6−0.6
5ボルトより高い電圧である。
【0124】 もし判定された燃料電池カートリッジ14のカートリッジ電圧が許容値外であ
れば、コントローラ102は、デューティサイクルを減らすために、ステップS
44に進む。ステップS44では、コントローラ102は、約1%のステップで
デューティサイクルを減らす。その後、コントローラ102はステップS40に
復帰する。
【0125】 他方、ステップS42で電圧が許容値と判定されれば、コントローラ102は
ステップS46に進み、ここで、燃料電池電力システムの電圧が許容値であるか
否かが判定される。個々の燃料電池カートリッジ14がそれぞれカートリッジ毎
に4個の燃料電池90を有する12個の燃料電池カートリッジ14が直列に接続
された構成では、燃料電池電力システム10の許容電圧電位は、例えば、約30
ボルト以下である。
【0126】 もし燃料電池電力システムの電圧が高ければ、コントローラ102は、再びデ
ューティサイクルを減らすために、ステップS48に進む。一つの実施例では、
コントローラ102は、デューティサイクルを約1%だけ減らすように構成され
ている。その後、コントローラ102は、追加のデータを収集するためにステッ
プS40に復帰する。
【0127】 他方、もしステップS46での判定が許容値であるならば、コントローラ10
2は、燃料電池電力システム10の出力電流が許容値であるか否かを判定するた
めに、ステップS50に進む。例えば、個々の燃料電池カートリッジ14がそれ
ぞれ4個の燃料電池からなる12個の燃料電池カートリッジが12個直列に接続
された構成の燃料電池電力システム10は、その最大許容電流が約85アンペア
となる。
【0128】 もしステップS50での判定結果が許容範囲外であれば、コントローラ102
は、デューティサイクルを例えば1%のステップで減らすように、ステップS5
2に進み、そしてその後、ステップS40に復帰する。
【0129】 もしステップS50での判定結果が許容値であれば、コントローラ102は、
燃料電池電力システム10の出力電圧に基づき、デューティサイクルを計算する
ためにステップS54に進む。本実施例では、比例推移の原理が、燃料電池電力
システム10の出力電圧に基づき、デューティサイクルを計算するために用いる
ことができる。
【0130】 その後、コントローラ102は、燃料電池電力システム10のハウジング12
内又はそれぞれの燃料電池カートリッジ14内の監視温度に基づき、計算された
デューティサイクルを調整するためにステップS56に進む。例えば、40℃以
上では1℃毎にデューティサイクルを1%減らすようにしてもよい。
【0131】 図14には、燃料電池電力システム10から負荷22に供給される電流を監視
するための例示的回路が示されている。図示の回路140は、シャント回路14
2と増幅器144からなる。
【0132】 シャント回路142は、燃料電池電力システム10の接地端子63に接続され
た電気的接続内に設けられる。シャント回路142は、例示的構成では、電流に
比例した小さい電圧を提供する50mV/400アンペア精度のシャント回路か
らなる。増幅器144は、シャント回路142両端の電圧電位を測定するように
構成されている。その後、増幅器144はコントローラ102に表示信号を出力
する。増幅器144から出力された信号は、アナログ/デジタル(A/D)コン
バータに提供される。ある構成では、コントローラ102は、アナログ/デジタ
ルコンバータ回路を有する。これに代えて、アナログ/デジタルコンバータ回路
は、コントローラ102とは分離して設けられても構わない。
【0133】 図15には、燃料電池電力システム10の出力電圧電位を監視するための例示
的回路150が示されている。図示の回路150は、出力端子62,63に接続
された抵抗分圧回路網153を有する。回路150は更に、出力電圧電位に対応
した表示信号をコントローラ102に出力するように構成された増幅器152を
有する。例示的な負荷パラメータは、約26ボルト及び200アンペアである。
増幅器構成の抵抗器は、好ましくは、小型低電力精密抵抗器である。増幅器15
2から出力される信号は、アナログ/デジタルコンバータに提供される。コント
ローラ102は、ある構成では、アナログ/デジタルコンバータ回路を有する。
これに代えて、アナログ/デジタルコンバータ回路はコントローラ102とは別
に設けることもできる。
【0134】 図16を参照には、燃料電池カートリッジ14の電圧を監視する例示的回路1
60が示されている。図示回路160は、燃料電池カートリッジ14に結合され
た抵抗分圧回路網163を有する。図示回路160は更に、燃料電池カートリッ
ジ14の電圧に応じた信号をコントローラ102に出力するように構成された増
幅器162を有する。
【0135】 燃料電池カートリッジ14の回路160とコントローラ102の間を結合する
ために、マルチプレクサ(図示せず)が用いられてもよい。増幅器162から出
力される信号は、アナログ/デジタルコンバータに提供される。コントローラ1
02は、ある実施構成例では、アナログ/デジタルコンバータ回路を有する。こ
れに代えて、アナログ/デジタルコンバータ回路はコントローラ102とは別に
設けることもできる。
【0136】 以上の通り、本発明の構造および方法の特徴について説明した。しかしながら
、上記説明は、特定の好適実施例について述べたものであり、本発明はこれらの
実施例に限定されるものではないことを理解すべきである。したがって、本発明
は、特許請求の範囲に記載の範囲内でいろいろな改変又は変更が可能であり、そ
の範囲は均等の原則をもって解釈すべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明による例示的燃料電池電力システムの斜視図である。
【図2】 図2は、燃料電池電力システムの構成要素を示す図である。
【図3】 図3は、燃料電池電力システムの燃料電池カートリッジアセンブリの例示的構
成を示す分解図である。
【図4】 図4は、例示的燃料電池カートリッジの機能的ブロック図である。
【図4A】 図4Aは、本発明の特徴によるモジュラー概念を示した例示的燃料電池電力シ
ステムの機能的ブロック図である。
【図5】 図5は、電力調整回路に直列に接続された複数の燃料電池カートリッジを示し
た機能的ブロック図である。
【図6】 図6は、電力調整回路に並列に接続された複数の燃料電池カートリッジを示し
た機能的ブロック図である。
【図7】 図7は、図示燃料電池電力システムの電圧/電流特性図である。
【図8】 図8は、DC−DCコンバータ回路からなる電力調整回路の例示的構成を示す
図である。
【図9】 図9は、図8の電力調整回路の例示的制御動作のフローチャートである。
【図10】 図10は、DC−DCコンバータ回路からなる電力調整回路の第2の例示的構
成を示す図である。
【図11】 図11は、DC−DCコンバータ回路からなる電力調整回路の更に他の例示的
構成を示す図である。
【図12】 図12は、インバータ回路からなる電力調整回路の第2の例示的構成を示す図
である。
【図13】 図13は、図10及び図11の電力調整回路の例示的制御動作のフローチャー
トである。
【図14】 図14は、例示的電流検出回路を示す図である。
【図15】 図15は、例示的電圧検出回路を示す図である。
【図16】 図16は、他の例示的電圧検出回路を示す図である。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成14年4月29日(2002.4.29)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM, AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,B Z,CA,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK ,DM,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,GE, GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,J P,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR ,LS,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK, MN,MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,R O,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG,UZ,VN, YU,ZA,ZW (72)発明者 ダッジ, ジョナサン アメリカ合衆国, ワシントン州 99223, スポーケイン, サウス ナパ 5912 Fターム(参考) 5H026 AA06 CX10 5H027 AA06 KK54 MM26

Claims (110)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料電池電力システムであって、該システムは、 負荷に接続されるようになった複数の端子と、 化学エネルギを変動電圧電位の直流電気エネルギに変換するように構成された
    燃料電池と、 前記燃料電池と端子との間に結合され、変動電圧電位の前記直流電気エネルギ
    をほぼ一定電圧電位の直流電気エネルギに変換するように構成されたコンバータ
    と、 を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のシステムにおいて、前記コンバータはブー
    ストコンバータからなることを特徴とする燃料電池電力システム。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載のシステムにおいて、前記コンバータはバッ
    クコンバータからなることを特徴とする燃料電池電力システム。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載のシステムであって、更に、燃料電池に結合
    され、直流電気エネルギを交流電気エネルギに変換するように構成されたインバ
    ータを具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
  5. 【請求項5】 請求項1に記載のシステムにおいて、前記コンバータは、 電気エネルギ蓄積デバイスと、 前記燃料電池を前記電気エネルギ蓄積デバイスに結合するように構成されたス
    イッチと、 を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
  6. 【請求項6】 請求項5に記載のシステムであって、更に、前記電気エネル
    ギ蓄積デバイスの電圧電位を監視し、その監視に応じて、前記スイッチを制御す
    るように構成されたコントローラを有することを特徴とする燃料電池電力システ
    ム。
  7. 【請求項7】 請求項5に記載のシステムであって、更に、前記電気エネル
    ギ蓄積デバイスの電圧電位を所定の閾値以上に維持させるために前記スイッチを
    制御するように構成されたコントローラを有することを特徴とする燃料電池電力
    システム。
  8. 【請求項8】 請求項5に記載のシステムであって、更に、前記燃料電池電
    力システムの少なくとも一つの動作パラメータを監視し、該監視に応じて、前記
    スイッチを制御するように構成されたコントローラを有することを特徴とする燃
    料電池電力システム。
  9. 【請求項9】 請求項8に記載のシステムにおいて、前記コントローラは、
    前記燃料電池の電圧、電流、温度の少なくとも一つを監視するように構成される
    ことを特徴とする燃料電池電力システム。
  10. 【請求項10】 請求項5に記載のシステムであって、前記コントローラは
    、前記スイッチに与えられる制御信号をパルス幅変調するように構成されること
    を特徴とする燃料電池電力システム。
  11. 【請求項11】 請求項1に記載のシステムであって、更に、 前記燃料電池を収容するように構成されたカートリッジと、 前記カートリッジを受容するように構成されたハウジングと、 を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
  12. 【請求項12】 請求項11に記載のシステムにおいて、前記カートリッジ
    は前記ハウジングに脱着自在に結合されることを特徴とする燃料電池電力システ
    ム。
  13. 【請求項13】 請求項11に記載のシステムにおいて、前記カートリッジ
    はコンバータを有することを特徴とする燃料電池電力システム。
  14. 【請求項14】 燃料電池電力システムであって、該システムは、 負荷に接続されるようになった複数の端子と、 化学エネルギを変動電圧電位の直流電気エネルギに変換するように構成された
    燃料電池と、 前記燃料電池と端子との間に結合され、直流電気エネルギを交流電気エネルギ
    に変換するように構成されたインバータと、 を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
  15. 【請求項15】 請求項14に記載のシステムであって、更に、前記燃料電
    池とインバータに接続され、前記直流電気エネルギをほぼ一定電圧電位の直流電
    気エネルギに変換するように構成されたコンバータを具備することを特徴とする
    燃料電池電力システム。
  16. 【請求項16】 変動電圧電位の直流電気エネルギを受けるようになった入
    力と、 前記入力に接続され、変動電圧電位の前記直流電気エネルギをほぼ一定電圧電
    位の直流電気エネルギに変換するように構成されたコンバータ回路と、 前記コンバータ回路に接続され、ほぼ一定電圧の直流電気エネルギを受けるよ
    うに構成された出力と、 を具備することを特徴とする直流電圧コンバータ。
  17. 【請求項17】 請求項16に記載のコンバータにおいて、前記コンバータ
    回路は、 電気エネルギ蓄積デバイスと、 前記入力を前記電気エネルギ蓄積デバイスに結合するように構成されたスイッ
    チと、 を有することを特徴とする直流コンバータ。
  18. 【請求項18】 請求項17に記載のコンバータであって、更に、前記電気
    エネルギ蓄積デバイスの電圧電位を監視し、その監視に応じて、前記スイッチを
    制御するように構成されたコントローラを有することを特徴とする直流コンバー
    タ。
  19. 【請求項19】 請求項17に記載のコンバータであって、更に、前記電気
    エネルギ蓄積デバイスの電圧電位を所定の閾値以上に維持させるために前記スイ
    ッチを制御するように構成されたコントローラを有することを特徴とする直流コ
    ンバータ。
  20. 【請求項20】 燃料電池電力システムであって、該システムは、 ハウジングと、 複数の出力端子と、 前記ハウジング内に収容されるように構成され、化学エネルギを電気エネルギ
    に変換するように構成された燃料電池と、前記電気エネルギを電気的に調整する
    ように構成された電力調整回路とを有する、少なくとも一つのカートリッジと、 前記電力調整回路を前記出力端子に結合するように構成された電気接続と、 を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
  21. 【請求項21】 請求項20に記載のシステムにおいて、前記カートリッジ
    は前記ハウジングに取外し可能に結合されることを特徴とする燃料電池電力シス
    テム。
  22. 【請求項22】 請求項20に記載のシステムにおいて、前記少なくとも一
    つのカートリッジは複数のカートリッジからなることを特徴とする燃料電池電力
    システム。
  23. 【請求項23】 請求項20に記載のシステムにおいて、前記電力調整回路
    は、DC−DCコンバータ回路であることを特徴とする燃料電池電力システム。
  24. 【請求項24】 請求項20に記載のシステムにおいて、前記電力調整回路
    は、インバータ回路であることを特徴とする燃料電池電力システム。
  25. 【請求項25】 請求項20に記載のシステムにおいて、前記電力調整回路
    は、 電気エネルギ蓄積デバイスと、 前記入力を前記電気エネルギ蓄積デバイスに結合するように構成されたスイッ
    チと、 を有することを特徴とする燃料電池電力システム。
  26. 【請求項26】 請求項25に記載のシステムであって、更に、前記燃料電
    池電力システムの少なくとも一つの動作パラメータを監視し、該監視に応じて、
    前記スイッチを制御するように構成されたコントローラを有することを特徴とす
    る燃料電池電力システム。
  27. 【請求項27】 請求項26に記載のシステムにおいて、前記コントローラ
    は、前記燃料電池の電圧、電流、温度の少なくとも一つを監視するように構成さ
    れることを特徴とする燃料電池電力システム。
  28. 【請求項28】 請求項25に記載のシステムであって、前記コントローラ
    は、前記スイッチに与えられる制御信号をパルス幅変調するように構成されるこ
    とを特徴とする燃料電池電力システム。
  29. 【請求項29】 燃料電池電力システムであって、該システムは、 化学エネルギを電気エネルギに変換するように構成された燃料電池と、 前記燃料電池に接続され、前記電気エネルギを電気的に調整するように構成さ
    れた電力調整回路であり、前記燃料電池電力システムの動作パラメータを監視し
    、該監視に応じて、前記電気エネルギの調整を制御するように構成された電力調
    整回路と、 を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
  30. 【請求項30】 請求項29に記載のシステムにおいて、前記電力調整回路
    は、DC−DCコンバータ回路であることを特徴とする燃料電池電力システム。
  31. 【請求項31】 請求項29に記載のシステムにおいて、前記コントローラ
    は、前記燃料電池の電圧、電流、温度のうちの少なくとも一つを監視するように
    構成されていることを特徴とする燃料電池電力システム。
  32. 【請求項32】 請求項29に記載のシステムにおいて、前記電力調整回路
    は、 電気エネルギを蓄積するように構成された電気エネルギ蓄積デバイスと、 前記燃料電池を前記電気エネルギ蓄積デバイスに結合するように構成されたス
    イッチと、 を有することを特徴とする燃料電池電力システム。
  33. 【請求項33】 請求項32に記載のシステムにおいて、前記コントローラ
    は、前記監視に応じて、前記スイッチに与えられる制御信号をパルス幅変調する
    ように構成されることを特徴とする燃料電池電力システム。
  34. 【請求項34】 請求項32に記載のシステムにおいて、前記コントローラ
    は、前記監視に応じて、制御信号のデューティサイクルを変えるように構成され
    ることを特徴とする燃料電池電力システム。
  35. 【請求項35】 請求項29に記載のシステムであって、更に、 前記燃料電池を収容するように構成されたカートリッジと、 前記カートリッジを受容するように構成されたハウジングと、 を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
  36. 【請求項36】 請求項35に記載のシステムにおいて、前記カートリッジ
    は、取外し可能に前記ハウジングに結合されることを特徴とする燃料電池電力シ
    ステム。
  37. 【請求項37】 請求項35に記載のシステムにおいて、前記電力調整回路
    は、前記カートリッジ内に設けられることを特徴とする燃料電池電力システム。
  38. 【請求項38】 燃料電池電力システムであって、該システムは、 負荷に接続されるようになった複数の端子と、 化学エネルギを電気エネルギに変換し、該電気エネルギを前記端子に提供する
    ように構成された複数の燃料電池と、 前記燃料電池の少なくとも一つに電気的に結合され、前記少なくとも一つの燃
    料電池からの電気エネルギの電圧を増加させるように構成された少なくとも一つ
    の電力調整回路と、 を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
  39. 【請求項39】 請求項38に記載のシステムであって、更に、それぞれが
    前記燃料電池の少なくとも一つのを有する複数の燃料電池カートリッジを有する
    ことを特徴とする燃料電池電力システム。
  40. 【請求項40】 請求項39に記載のシステムにおいて、前記燃料電池カー
    トリッジはそれぞれ複数の燃料電池を有することを特徴とする燃料電池電力シス
    テム。
  41. 【請求項41】 請求項39に記載のシステムにおいて、前記少なくとも一
    つの電力調整回路は複数の電力調整回路からなり、前記燃料電池電力カートリッ
    ジはそれぞれの電力調整回路を収容することを特徴とする燃料電池電力システム
  42. 【請求項42】 請求項38に記載のシステムにおいて、前記少なくとも一
    つの電力調整回路は前記複数の燃料電池に電気的に接続され、前記燃料電池から
    の電気エネルギの電圧を増加させるように構成されることを特徴とする燃料電池
    電力システム。
  43. 【請求項43】 請求項38に記載のシステムにおいて、前記少なくとも一
    つの電力調整回路は、それぞれが少なくとも一つの各燃料電池に接続され、該少
    なくとも一つの各燃料電池からの電気エネルギの電圧を増加させるように構成さ
    れた複数の電力調整回路からなることを特徴とする燃料電池電力システム。
  44. 【請求項44】 請求項項38に記載のシステムにおいて、前記少なくとも
    一つの電力調整回路は、前記端子に並列に接続された複数の電力調整回路からな
    ることを特徴とする燃料電池電力システム。
  45. 【請求項45】 燃料電池電力システムであって、該システムは、 負荷に接続するようになった電力バスと、 化学エネルギを電気エネルギに変換するように構成された複数の燃料電池と、 前記電力バスと前記燃料電池との間に接続され、前記各燃料電池からの電気エ
    ネルギを調整するように構成された複数の電力調整回路と、 を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
  46. 【請求項46】 請求項45に記載のシステムであって、更に、それぞれが
    前記燃料電池の少なくとも一つを有する複数の燃料電池カートリッジを有するこ
    とを特徴とする燃料電池電力システム。
  47. 【請求項47】 請求項46に記載のシステムにおいて、前記燃料電池カー
    トリッジは、それぞれ複数の燃料電池を有することを特徴とする燃料電池電力シ
    ステム。
  48. 【請求項48】 請求項46に記載のシステムにおいて、前記燃料電池カー
    トリッジは各電力調整回路を収容することを特徴とする燃料電池電力システム。
  49. 【請求項49】 請求項45に記載のシステムにおいて、前記電力調整回路
    は、ブーストコンバータからなることを特徴とする燃料電池電力システム。
  50. 【請求項50】 請求項45に記載のシステムにおいて、前記電力調整回路
    は、バックコンバータからなることを特徴とする燃料電池電力システム。
  51. 【請求項51】 請求項45に記載のシステムにおいて、前記電力調整回路
    は、前記電力バスに並列に接続されることを特徴とする燃料電池電力システム。
  52. 【請求項52】 燃料電池電力システムであって、該システムは、 負荷に接続されるようになった複数の端子と、 化学エネルギを電気エネルギに変換し、該電気エネルギを前記端子に提供する
    ように構成された複数の燃料電池と、 各燃料電池に電気的に接続され、前記各燃料電池からの電気エネルギを調整す
    るように構成された複数の電力調整回路と、 を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
  53. 【請求項53】 請求項53に記載のシステムであって、更に、前記燃料電
    池の少なくとも一つをそれぞれが有する複数の燃料電池カートリッジを具備する
    ことを特徴とする燃料電池電力システム。
  54. 【請求項54】 請求項53に記載のシステムにおいて、前記燃料電池カー
    トリッジは、それぞれ複数の前記燃料電池を有することを特徴とする燃料電池電
    力システム。
  55. 【請求項55】 請求項53に記載のシステムにおいて、前記燃料電池カー
    トリッジは、各電力調整回路を収容することを特徴とする燃料電池電力システム
  56. 【請求項56】 請求項52に記載のシステムにおいて、前記電力調整回路
    は、ブーストコンバータからなることを特徴とする燃料電池電力システム。
  57. 【請求項57】 請求項52に記載のシステムにおいて、前記電力調整回路
    は、バックコンバータからなることを特徴とする燃料電池電力システム。
  58. 【請求項58】 請求項52に記載のシステムにおいて、前記電力調整回路
    は、前記端子に並列に接続されていることを特徴とする燃料電池電力システム。
  59. 【請求項59】 燃料電池電力システムであって、該システムは、 負荷に接続されるようになった複数の端子と、 化学エネルギを電気エネルギに変換するように構成された少なくとも一つの燃
    料電池をそれぞれが有する複数の燃料電池カートリッジであって、該燃料電池カ
    ートリッジが前記端子に並列に接続されている燃料電池カートリッジと、 を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
  60. 【請求項60】 請求項59に記載のシステムにおいて、前記燃料電池カー
    トリッジはそれぞれ複数の燃料電池を有することを特徴とする燃料電池電力シス
    テム。
  61. 【請求項61】 請求項59に記載のシステムであって、更に、前記燃料電
    池からの電気エネルギを調整するように構成された少なくとも一つの電力調整回
    路を具備することを特徴とする燃料電池電力システム。
  62. 【請求項62】 請求項61に記載のシステムにおいて、前記少なくとも一
    つの電力調整回路はブーストコンバータからなることを特徴とする燃料電池電力
    システム。
  63. 【請求項63】 請求項61に記載のシステムにおいて、前記少なくとも一
    つの電力調整回路は、各燃料電池カートリッジからの電気エネルギを調整するよ
    うに構成された複数の電力調整回路からなることを特徴とする燃料電池電力シス
    テム。
  64. 【請求項64】 燃料電池電力発生方法であって、該方法は、 燃料電池を提供する過程と、 前記燃料電池を用いて、化学エネルギを変動電圧電位の直流電気エネルギに変
    換する第1変換過程と、 前記変動電圧電位の直流電気エネルギをほぼ一定電圧電位の直流電気エネルギ
    に変換する第2変換過程と、 前記ほぼ一定電圧電位の直流電気エネルギを出力する過程と、 を具備することを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  65. 【請求項65】 請求項64に記載の方法において、前記第2変換過程は、
    ブーストコンバータを用いた変換であることを特徴とする燃料電池電力発生方法
  66. 【請求項66】 請求項64に記載の方法において、前記第2変換過程は、
    バックコンバータを用いた変換であることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  67. 【請求項67】 請求項64に記載の方法であって、更に、前記ほぼ一定電
    圧電位の直流電気エネルギを交流電気エネルギに変換する第3変換過程を具備す
    ることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  68. 【請求項68】 請求項64に記載の方法において、前記第2変換過程は、
    電気エネルギ蓄積デバイスを用いて、前記変動電圧電位の電気エネルギの少なく
    とも一部を蓄積する過程であることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  69. 【請求項69】 請求項68に記載の方法において、前記第2変換過程は、 電気エネルギ蓄積デバイスの電圧電位を監視する過程と、 前記監視に応じて、前記変動電圧電位の電気エネルギを前記電気エネルギ蓄積
    デバイスに印加する過程と、 を有することを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  70. 【請求項70】 請求項68に記載の方法において、前記印加過程は、前記
    電気エネルギ蓄積デバイスの電圧電位を所定閾値よりも高く維持することからな
    ることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  71. 【請求項71】 請求項68に記載の方法において、前記第2変換過程は、 前記燃料電池の動作パラメータを監視する過程と、 前記監視に基づき、印加を制御する過程と、 からなることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  72. 【請求項72】 請求項71に記載の方法において、前記監視過程は、前記
    燃料電池の電圧、電流、温度の内の少なくとも一つからなる動作パラメータの監
    視であることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  73. 【請求項73】 燃料電池電力発生方法であって、該方法は、 複数の端子を有する燃料電池を提供する過程と、 前記燃料電池を用いて、化学エネルギを直流電気エネルギに変換する第1変換
    過程と、 前記直流電気エネルギを交流電気エネルギに変換する第2変換過程と、 前記端子に交流電気エネルギを提供する過程と、 を具備することを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  74. 【請求項74】 請求項73に記載の方法であって、更に、前記第2変換過
    程の前に、前記燃料電池からの直流電気エネルギをほぼ一定電圧電位の直流電気
    エネルギに変換する第3変換過程を具備することを特徴とする燃料電池電力発生
    方法。
  75. 【請求項75】 電力調整方法であって、該方法は、 直流コンバータ内に変動電圧電位を有する電気エネルギを受け入れる過程と、 前記直流コンバータを用いて、前記変動電圧電位の直流電気エネルギをほぼ一
    定電圧電位の直流電気エネルギに変換する過程と、 ほぼ一定電圧電位の直流電気エネルギを出力する過程と、 を具備することを特徴とする電力調整方法。
  76. 【請求項76】 請求項75に記載の方法において、前記変換過程は、電気
    エネルギ蓄積デバイスを用いて、前記変動電圧電位の電気エネルギの蓄積である
    ことを特徴とする電力調整方法。
  77. 【請求項77】 請求項75に記載の方法において、前記変換過程は、 電気エネルギ蓄積デバイスの電圧電位を監視する過程と、 前記監視に応じて、前記変動電圧電気の電気エネルギを前記電気エネルギ蓄積
    デバイスに印加する過程と、 を有することを特徴とする電力調整方法。
  78. 【請求項78】 請求項77に記載の方法において、前記印加過程は、前記
    電気エネルギ蓄積デバイスの電圧電位を所定閾値以上に維持することであること
    を特徴とする電力調整方法。
  79. 【請求項79】 燃料電池電力発生方法であって、該方法は、 ハウジングを提供する過程と、 燃料電池と電力調整回路を有するカートリッジを前記ハウジングに接続する過
    程と、 前記カートリッジの燃料電池を用いて化学エネルギを電気エネルギに変換する
    過程と、 前記電力調整回路を用いて電気エネルギを調整する過程と、 前記電気エネルギを複数の端子に供給する過程と、 を具備することを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  80. 【請求項80】 請求項79に記載の方法において、前記接続過程は複数の
    カートリッジを接続する過程であることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  81. 【請求項81】 請求項80に記載の方法であって、更に、 前記ハウジングからカートリッジの一つを除去する過程と、 前記除去の後、他のカートリッジを用いて電力供給を維持する過程と、 を有することを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  82. 【請求項82】 請求項79に記載の方法において、前記調整過程は、DC
    −DCコンバータ回路からなる電力調整回路を用いた調整であることを特徴とす
    る燃料電池電力発生方法。
  83. 【請求項83】 請求項79に記載の方法において、前記調整過程は、イン
    バータ回路からなる電力調整回路を用いた調整であることを特徴とする燃料電池
    電力発生方法。
  84. 【請求項84】 請求項79に記載の方法において、前記調整過程は、電気
    エネルギの電気エネルギ蓄積デバイスへの選択的供給であることを特徴とする燃
    料電池電力発生方法。
  85. 【請求項85】 請求項84に記載の方法であって、更に、 前記燃料電池の動作パラメータを監視する過程と、 前記監視に応じて、前記電気エネルギ蓄積デバイスへの電気エネルギの供給を
    制御する過程と、 を有することを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  86. 【請求項86】 請求項85に記載の方法において、前記監視過程は、前記
    燃料電池の電圧、電流、温度の内の少なくとも一つからなる動作パラメータの監
    視であることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  87. 【請求項87】 燃料電池電力発生方法であって、該方法は、 燃料電池を提供する過程と、 前記燃料電池を用いて化学エネルギを電気エネルギに変換する過程と、 前記電気エネルギを調整する過程と、 前記燃料電池の動作パラメータを監視する過程と、 前記監視に応じて、前記調整を制御する過程と、 を具備することを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  88. 【請求項88】 請求項87に記載の方法において、前記調整過程は、前記
    電気エネルギの電気エネルギ蓄積デバイスへの供給であることを特徴とする燃料
    電池電力発生方法。
  89. 【請求項89】 請求項88に記載の方法において、前記調整過程は、前記
    供給の制御であることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  90. 【請求項90】 請求項87に記載の方法において、前記監視過程は、前記
    燃料電池の電圧、電流、温度の内の少なくとも一つからなる動作パラメータの監
    視であることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  91. 【請求項91】 直流電力調整方法であって、該方法は、 変動電圧電位の直流電気エネルギを受け入れる過程と、 ほぼ一定電圧電位の直流電気エネルギを複数の端子に供給する過程と、 前記端子の電圧電位を監視する過程と、 前記監視に応じて、前記変動電圧電位の直流電気エネルギを用いて、前記端子
    に接続された電気エネルギ蓄積デバイスを充電する過程と、 を具備することを特徴とする直流電力調整方法。
  92. 【請求項92】 請求項91に記載の方法において、前記監視過程は、前記
    端子の電圧電位と所定電圧電位との比較であることを特徴とする直流電力調整方
    法。
  93. 【請求項93】 請求項91に記載の方法において、前記充電過程は、前記
    電気エネルギ蓄積デバイスの電圧電位の所定電圧閾値以上への維持であることを
    特徴とする直流電力調整方法。
  94. 【請求項94】 燃料電池電力発生方法であって、該方法は、 複数の燃料電池を提供する過程と、 前記燃料電池を用いて、化学エネルギを電気エネルギに変換する過程と、 少なくとも一つの電力調整回路を用いて、前記燃料電池の少なくとも一つから
    の電気エネルギの電圧電位を増加させる過程と、 前記増加過程の後、負荷に接続されるようになった複数の端子に前記電気エネ
    ルギを供給する過程と、 を具備することを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  95. 【請求項95】 請求項94に記載の方法において、前記提供過程は、それ
    ぞれが少なくとも一つ以上の燃料電池を有する複数の燃料電池カートリッジの提
    供であることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  96. 【請求項96】 請求項94に記載の方法において、それぞれが複数の燃料
    電池を有する複数の燃料電池カートリッジの提供であることを特徴とする燃料電
    池電力発生方法。
  97. 【請求項97】 請求項94に記載の方法において、前記増加過程は、前記
    端子に並列に接続された複数の電力調整回路からなる少なくとも一つの電力調整
    回路を用いて前記複数の燃料電池からの電気エネルギを増加させることであるこ
    とを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  98. 【請求項98】 請求項94に記載の方法において、前記増加過程は、前記
    各燃料電池カートリッジに対応した複数の電力調整回路からなる少なくとも一つ
    の電力調整回路を用いて前記複数の燃料電池からの電気エネルギを増加させるこ
    とであることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  99. 【請求項99】 請求項94に記載の方法において、前記増加過程は、少な
    くとも一つの電力調整回路を用いて、複数の燃料電池からの電気エネルギの電圧
    電位の増加であることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  100. 【請求項100】 燃料電池電力発生方法であって、該方法は、 複数の燃料電池を提供する過程と、 前記燃料電池を用いて、化学エネルギを電気エネルギに変換する過程と、 前記各燃料電池に対応した複数の電力調整回路を用いて、電気エネルギを調整
    する過程と、 前記調整過程の後、負荷に接続されるようになった複数の端子に前記電気エネ
    ルギを供給する過程と、 を具備することを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  101. 【請求項101】 請求項100に記載の方法において、前記提供過程は、
    それぞれが前記燃料電池の少なくとも一つを有する複数の燃料電池カートリッジ
    の提供であることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  102. 【請求項102】 請求項100に記載の方法において、前記提供過程は、
    それぞれが複数の燃料電池有する複数の燃料電池カートリッジの提供であること
    を特徴とする燃料電池電力発生方法。
  103. 【請求項103】 請求項100に記載の方法において、前記提供過程は、
    それぞれが前記燃料電池の少なくとも一つと少なくとも一つの電力調整回路とを
    有する複数の燃料電池カートリッジの提供であることを特徴とする燃料電池電力
    発生方法。
  104. 【請求項104】 請求項100に記載の方法において、前記供給過程は、
    前記端子に並列に接続された電力調整回路を用いての供給であることを特徴とす
    る燃料電池電力発生方法。
  105. 【請求項105】 請求項100に記載の方法において、前記調整過程は、
    前記電気エネルギの電圧電位の増加であることを特徴とする燃料電池電力発生方
    法。
  106. 【請求項106】 燃料電池電力発生方法であって、該方法は、 それぞれが少なくとも一つの燃料電池を有する複数の燃料電池カートリッジを
    提供する過程と、 前記燃料電池を用いて、化学エネルギを電気エネルギに変換する過程と、 負荷が接続されるようになった複数の端子に並列に接続された前記燃料電池カ
    ートリッジを用いて、電気エネルギを供給する過程と、 を具備することを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  107. 【請求項107】 請求項106に記載の方法であって、更に、少なくとも
    一つの電力調整回路を用いた電気エネルギの調整であることを特徴とする燃料電
    池電力発生方法。
  108. 【請求項108】 請求項107に記載の方法において、前記調整過程は、
    各燃料電池カートリッジに対応した複数の電力調整回路からなる少なくとも一つ
    の電力調整回路を用いての調整であることを特徴とする燃料電池電力発生方法。
  109. 【請求項109】 請求項106に記載の方法であって、更に、前記供給過
    程の間、前記電気エネルギの電圧を増加させる過程を具備することを特徴とする
    燃料電池電力発生方法。
  110. 【請求項110】 請求項106に記載の方法において、前記提供過程は、
    それぞれが複数の燃料電池を有する燃料電池カートリッジの提供であることを特
    徴とする燃料電池電力発生方法。
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