JP2005513722A - Control of hybrid fuel cell system - Google Patents
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Abstract
バッテリを有する燃料電池はバッテリ充電電流エラー、バッテリ電圧エラー、およびスタック電流エラーのうちの大きい値に応答して、直列通過素子を通る電流を調整する第一ステージを利用する。燃料電池システムは直列通過素子の両端間の電圧偏差に基づいて、またはバッテリ状態に基づいて、燃料電池スタックへの反応物質の流れの分圧を制御する第二ステージを利用する。燃料電池システムはいずれかのステージ、または双方のステージを使用してよい。個々の燃料電池を直列および/または並列に結合して、所望の出力電圧および電流を有する複合燃料電池システムを製造できる。 A fuel cell with a battery utilizes a first stage that regulates the current through the series pass element in response to a large value of battery charge current error, battery voltage error, and stack current error. The fuel cell system utilizes a second stage that controls the partial pressure of the reactant flow to the fuel cell stack based on the voltage deviation across the series pass element or based on the battery condition. The fuel cell system may use either stage or both stages. Individual fuel cells can be combined in series and / or in parallel to produce a composite fuel cell system having the desired output voltage and current.
Description
本発明は一般に燃料電池システムに関し、特に燃料電池システムの出力電圧の制御に関する。 The present invention relates generally to fuel cell systems, and more particularly to control of the output voltage of a fuel cell system.
電気機械式燃料電池は燃料およびオキシダントを電気に変換する。固体ポリマー電気機械式燃料電池は一般に膜電極アセンブリ(“MEA”)を使用しており、これは標準的には炭素繊維紙、またはカーボン・クロスのような多孔質の、導電性シート材料層を備えた2個の電極間に配置されたイオン交換膜または固体ポリマー電界質を含んでいる。MEAは所望の電気化学反応を誘発するために各々の膜電極で、標準的には微粉砕されたプラチナの形態の触媒層を含んでいる。動作時には、電極は外部回路を経て電極間に電子を導通させるために電気的に結合される。標準的には、幾つかのMEAが電気的に直列に結合されて、所望の電力出力を有する燃料電池スタックを形成する。 Electromechanical fuel cells convert fuel and oxidants to electricity. Solid polymer electromechanical fuel cells typically use a membrane electrode assembly (“MEA”), which typically comprises a porous, conductive sheet material layer such as carbon fiber paper or carbon cloth. It includes an ion exchange membrane or solid polymer electrolyte disposed between two provided electrodes. The MEA includes a catalyst layer, typically in the form of finely divided platinum, at each membrane electrode to induce the desired electrochemical reaction. In operation, the electrodes are electrically coupled to conduct electrons between the electrodes via an external circuit. Typically, several MEAs are electrically coupled in series to form a fuel cell stack with the desired power output.
標準的な燃料電池の場合、MEAは2枚の導電性液体フローフィールドプレートの間に配置されている。液体フローフィールドプレートは燃料とオキシダントとを電極、すなわち陽極と陰極にそれぞれ送るための流路を有している。液体フローフィールドプレートは集電装置として機能し、電極をサポートし、燃料およびオキシダント用のアクセス・チャネルを提供し、燃料電池の動作中に生成された水などの反応生成物を除去するためのチャネルを提供する。燃料電池システムは反応を維持する際に反応生成物を利用してもよい。例えば、イオン交換膜を水和させ、および/または燃料電池スタックの温度を維持するために反応水を利用できる。 In the case of a standard fuel cell, the MEA is placed between two conductive liquid flow field plates. The liquid flow field plate has flow paths for sending fuel and oxidant to the electrodes, ie the anode and cathode, respectively. Liquid flow field plates function as current collectors, support electrodes, provide access channels for fuel and oxidants, and channels for removing reaction products such as water generated during fuel cell operation I will provide a. The fuel cell system may utilize a reaction product in maintaining the reaction. For example, reaction water can be utilized to hydrate the ion exchange membrane and / or maintain the temperature of the fuel cell stack.
スタック電流は反応物質の流れの一次関数であり、スタック電流は反応物質の流れの増大と共に増加する。スタック電圧は非線形の数学的関係でスタック電流とは逆に変化する。反応物質の所定の流れでのスタック電圧とスタック電流との関係は、標準的には燃料電池スタックに関する分極曲線として表される。1組、または1群の分極曲線が反応物質の多様な流量でのスタック電圧とスタック電流との関係を表すことができる。 Stack current is a linear function of reactant flow, and stack current increases with increasing reactant flow. The stack voltage is a non-linear mathematical relationship and changes inversely with the stack current. The relationship between stack voltage and stack current at a given flow of reactant is typically expressed as a polarization curve for the fuel cell stack. A set or group of polarization curves can represent the relationship between stack voltage and stack current at various flow rates of reactants.
ほとんどの用途では、燃料電池スタックからの電圧出力をほぼ一定に保つことが望ましい。1つのアプローチは、負荷の需要が燃料電池スタックの出力を超えると追加の電流を供給するために、燃料電池システムでバッテリを使用することである。このアプローチはバッテリの充電量を保持するために別個のバッテリ充電電源を必要とすることが多く、システムに不要なコストと複雑さをもたらす。別個のバッテリ充電電源の必要性をなくすために燃料電池スタックと並列にバッテリを配置する試みによってその他の課題が生ずる。これらの課題には例えば、バッテリの過充電の防止、効率の向上、並びに燃料電池スタック、バッテリ、および/または負荷間での電圧、電流、または電力変換または整合コンポーネントの必要性が含まれる。コストがより低く、複雑さが少なく、および/またはより効率的なアプローチが望ましい。 In most applications, it is desirable to keep the voltage output from the fuel cell stack nearly constant. One approach is to use a battery in the fuel cell system to supply additional current when the load demand exceeds the output of the fuel cell stack. This approach often requires a separate battery charging power source to maintain the battery charge, resulting in unnecessary cost and complexity for the system. Other challenges arise from attempts to place the battery in parallel with the fuel cell stack to eliminate the need for a separate battery charging power source. These challenges include, for example, prevention of battery overcharging, increased efficiency, and the need for voltage, current, or power conversion or matching components between the fuel cell stack, battery, and / or load. A lower cost, less complex and / or more efficient approach is desirable.
1つの態様では、燃料電池システムは燃料電池スタックと、バッテリと、燃料電池スタックの少なくとも一部とバッテリの一部との間に電気的に結合された直列通過素子と、バッテリ充電電流エラー、バッテリ電圧エラー、およびスタック電流エラーのうちの大きい値に応答して、直列通過素子を通る電流を調整する調整回路とを含んでいる。 In one aspect, a fuel cell system includes a fuel cell stack, a battery, a series pass element electrically coupled between at least a portion of the fuel cell stack and a portion of the battery, a battery charging current error, a battery And a regulation circuit for regulating the current through the series pass element in response to a large value of the voltage error and the stack current error.
別の態様では、燃料電池システムは燃料電池に反応物質を供給するための反応物質供給システムを含んでおり、この反応物質供給システムは少なくとも幾つかの燃料電池への反応物質の流れの分圧を制御するように調整可能な少なくとも第一の制御素子と、この第一制御素子に結合された制御回路とを有している。制御回路は、直列通過素子の両端間の電圧の、例えば直列通過素子向けの飽和レベルの約75%および95%のようなある所望値からの偏差に基づいて第一制御素子を制御してもよい。その代わりに、またはそれに加えて、制御回路は、時間経過を経たバッテリへの、またはバッテリからの電流の流入および流出、バッテリ電圧、またはバッテリの充電状態のようなバッテリの所定の動作状態に基づいて、第一制御素子を制御してもよい。 In another aspect, the fuel cell system includes a reactant supply system for supplying a reactant to the fuel cell, wherein the reactant supply system reduces the partial pressure of the reactant flow to at least some of the fuel cells. At least a first control element adjustable to control and a control circuit coupled to the first control element. The control circuit may also control the first control element based on a deviation of the voltage across the series pass element from some desired value, such as about 75% and 95% of the saturation level for the series pass element. Good. Alternatively, or in addition, the control circuit may be based on a predetermined operating state of the battery, such as current inflow and outflow to or from the battery over time, battery voltage, or battery charge state. The first control element may be controlled.
別の態様では、燃料電池システムは第一ステージとして直列通過素子および調整回路を含み、また第二ステージとして反応物質供給システムおよび制御回路を含んでいてもよい。第一と第二ステージとは、バッテリを損傷から保護しつつ効率的かつ連続的な出力電圧の制御を達成するため、並列に結合されたバッテリと連携して協同して、また同時にさえ動作する。第一ステージは比較的迅速な反応ステージであり、一方、第二ステージは第一ステージと比較してより遅い反応ステージである。第一ステージによって、損傷なく効率的にバッテリが適切に充電および放電されることが確実にされる。第二ステージは燃料電池スタック動作の効率(すなわち燃料電池がそれに基づいて動作している特定の分極曲線として表される効率)を制御する。このようにして、第二ステージは燃料電池スタックを介して(すなわち効率が低い動作を介して)より多くのエネルギを散逸させることによって、直列通過素子によって散逸される熱量を制限する。 In another aspect, the fuel cell system may include a series pass element and a regulator circuit as the first stage, and a reactant supply system and a control circuit as the second stage. The first and second stages work in concert and even at the same time with parallel coupled batteries to achieve efficient and continuous output voltage control while protecting the battery from damage . The first stage is a relatively quick reaction stage, while the second stage is a slower reaction stage compared to the first stage. The first stage ensures that the battery is properly charged and discharged efficiently without damage. The second stage controls the efficiency of the fuel cell stack operation (i.e., the efficiency expressed as a specific polarization curve on which the fuel cell is operating). In this way, the second stage limits the amount of heat dissipated by the series pass element by dissipating more energy through the fuel cell stack (ie, through less efficient operation).
さらに別の態様では、複合燃料電池システムは、所望の電圧の所望の電流を発生するために、直列および/または並列の組合せで電気的に結合された2つ以上の個々の燃料電池システムを含んでいる。 In yet another aspect, a composite fuel cell system includes two or more individual fuel cell systems electrically coupled in series and / or in parallel to generate a desired current at a desired voltage. It is out.
図面では、同一の参照番号は同類の素子または動作を特定するものである。図面における素子のサイズと相対位置は必ずしも縮尺どおりではない。例えば、さまざまな素子の形状および角度は縮尺どおりではなく、図面の明解さを高めるため、これらの素子の幾つかは任意に拡大され、配置されている。さらに、図示されている素子の特定の形状は特定の素子の実際の形状に関する何らかの情報伝達を意図するものではなく、単に図面中の認識を容易にするために選択されたに過ぎない。 In the drawings, identical reference numbers identify similar elements or operations. The element sizes and relative positions in the drawings are not necessarily to scale. For example, the shapes and angles of the various elements are not to scale, and some of these elements are arbitrarily enlarged and arranged to increase the clarity of the drawing. Furthermore, the particular shapes of elements shown are not intended to convey any information about the actual shapes of particular elements, but are merely selected to facilitate recognition in the drawings.
以下の説明では、本発明のさまざまな実施形態を完全に理解するためにある特定の細部が開示される。しかし、本発明をこれらの細部なしでも実施できることが当業者には理解されよう。別の例では、本発明の実施形態の説明を不要に不明瞭にしないために、燃料電池、燃料電池スタック、バッテリ、および燃料電池システムに関する公知の構造は詳細には図示、または説明していない。 In the following description, certain specific details are disclosed in order to provide a thorough understanding of various embodiments of the invention. However, those skilled in the art will appreciate that the invention may be practiced without these details. In other instances, well-known structures for fuel cells, fuel cell stacks, batteries, and fuel cell systems have not been shown or described in detail to avoid unnecessarily obscuring the description of the embodiments of the invention. .
文脈上、別途必要がない場合は、以下の明細書および特許請求の範囲を通して“comprise”(備える)という用語、および“comprises”および“comprising”のようなその変形は“含んでいるが、それに限定されるものではない”という開かれた包括的な意味であると解釈されるべきものとする。
(燃料電池システムの概要)
図1は本発明の図示した実施形態による負荷12に電力を供給する燃料電池システム10を示している。負荷12は標準的には車両、機器、コンピュータ、および/または関連の周辺機器のような、燃料電池システム10のよって給電されるデバイスを構成する。燃料電池システム10は標準的には負荷12の一部であるとは見なされないが、制御用電子素子のような燃料電池システム10の一部は、考えられるある実施形態では負荷12の一部または全部を構成することがある。
Unless the context requires otherwise, the term “comprise” and its variants, such as “comprises” and “comprising”, include and include throughout the following specification and claims. It should be construed to have an open and comprehensive meaning of “not limited”.
(Overview of fuel cell system)
FIG. 1 illustrates a
燃料電池システム10は電気的に直列に結合された幾つかの個別燃料電池からなる燃料電池スタック14を含んでいる。燃料電池スタック14は反応物質供給システム16を経て水素および空気のような、矢印9で示された反応物質を受ける。反応物質供給システム16は1つ以上の反応物質供給タンクまたは供給源11、リフォーマ(図示せず)、および/または1つ以上のコンプレッサ、ポンプ、および/またはバルブ18、またはその他の反応物質調整素子のような1つ以上の制御素子を含んでいてもよい。燃料電池スタック14の動作で、標準的には水を含む矢印20で示された反応生成物が生成される。燃料電池システム10は反応生成物の一部または残部を再利用してもよい。例えば、矢印22で示されるように、水素および空気を適正温度で湿らせ、および/またはイオン交換膜(図示せず)を水和させ、または燃料電池スタック14の温度を制御するために水の一部または全部を燃料電池スタック14に戻してもよい。
The
燃料電池スタック14は開回路電圧および直列抵抗Rsと等価の電圧を有する最適なバッテリとしてモデル化できる。直列抵抗Rsは特定の燃料電池スタック14向けの分極曲線に従って変化する。直列抵抗Rsは所定の任意の電流について所望の電圧を降下するように反応物質の利用可能性を制御することによって調整でき、それによってスタック電流Isの範囲全域でほぼ均一なスタック電圧Vsが可能になる。反応物質の流れと直列抵抗Rsとの関係は図1に破線矢印13で示されている。しかし、燃料電池システム10内で反応物質全体の圧力と反応圧とを単に低減するだけで、システム動作全体が、例えばイオン交換膜の水和および/または燃料電池スタックの温度制御が妨害されることがある。このような好ましくない結果を回避するため、燃料電池システム10は後に詳述するように反応物質の分圧を調整できる。
The
燃料電池スタック14は正と負の電圧レール19a、19bによって形成された高圧バスの両端間にスタック電圧Vsを発生する。スタック電流Isは燃料電池スタック14から高圧バスを経て負荷12へと流れる。ここで用いられる“高圧”とは従来の燃料電池スタック14によって発生される電力負荷12への電圧(例えば5V)のことであり、制御および/または通信用に燃料電池システム10によって利用される他の電圧と区別するために用いられる。したがって、高圧は他の電気系統に対して必ずしも“高い”わけではない。
The
燃料電池システム10は付加12に給電するために高圧バスのレール19a、19bの両端間に電気的に燃料電池スタック14と並列に結合されたバッテリ24を含んでいる。バッテリ24の開回路電圧は燃料電池スタック14の全負荷電圧と同じになるように選択される。バッテリ24の内部抵抗RBは燃料電池スタック14の内部抵抗よりも大幅に低くなるように選択される。このようにしてバッテリ24は、負荷12が必要とする以上の電流を燃料電池スタック14が生成すると過剰電流を吸収し、負荷12が必要とするより少なの電流を燃料電池スタック14が生成すると負荷12に電流を供給するバッファとして機能する。高圧バス19a、19bの両端間の電圧24は開回路電圧からバッテリ放電電流を減算し、バッテリ24の内部抵抗RBの値を乗算した値である。バッテリ24の内部抵抗RBが小さいほど、バス電圧の変動がすくなくなる。
The
電流がバッテリ24から燃料電池スタック14に流れることを防止するため、オプションの逆電流阻止ダイオードD1を燃料電池スタック14とバッテリ24との間に電気的に結合することができる。逆電流阻止ダイオードD1の欠点は、これに関連するダイオードの電圧降下である。燃料電池システム10はさらに他のダイオード、並びにヒューズまたは短絡および/またはサージを防止するためのその他のサージ防護素子を含んでいてもよい。
(ステージ)
図1に示すように、燃料電池システム10は2つの制御ステージを備えている。すなわち、直列通過素子32と、直列通過素子を通る電流を調整する調整回路34とを使用する第一ステージと、燃料電池スタック14への直列抵抗Rsを制御するために反応物質の流れの分圧を制御する第二ステージとである。第一と第二ステージとは、バッテリ24を損傷から保護しつつ効率的かつ連続的な出力電圧の制御を達成するため、並列に結合されたバッテリ24と連携して協同して、また同時にさえ動作する。実施形態によっては、燃料電池システム10は第一ステージだけを、または第二ステージだけを含んでいて、簡単で低コストの代替実施形態を提供するものもある。
An optional reverse current
(stage)
As shown in FIG. 1, the
第一ステージは比較的迅速な反応ステージであり、一方、第二ステージは第一ステージと比較してより遅い反応ステージである。前述のとおり、バッテリ24は負荷の要求の変化に極めて迅速に応答して、需要が燃料電池スタック14の出力以上である場合は電流を負荷12に供給し、燃料電池スタック14の出力が負荷12の需要を超える場合は冗長電流を低下させる。直列通過素子32を通る電流の流れを制御することによって、第一ステージは、損傷なく効率的にバッテリが適切に充電および放電されることを確実にする。反応物質の分圧、ひいては直列抵抗Rsを制御することによって、第二ステージは燃料電池スタック14の動作の効率(すなわち燃料電池がそれに基づいて動作している特定の分極曲線として表される効率)を制御する。このようにして、第二ステージは燃料電池スタック14を介して(すなわち効率が低い動作を介して)より多くのエネルギを散逸させることによって、直列通過素子32によって散逸される熱量を制限する。
The first stage is a relatively quick reaction stage, while the second stage is a slower reaction stage compared to the first stage. As described above, the
燃料電池スタック14がエネルギを熱として散逸させる場合は、このエネルギは燃料電池システムのさまざまな部分で再生可能であり、ひいては燃料電池システムの他の部分で再利用できる(すなわちコージェネレーション)。例えば、熱として散逸されたエネルギは気流、スタック冷媒を介して、または反応物質を介して燃料電池スタック14へとリサイクルできる。付加的に、または代替として、熱として散逸されたエネルギはリフをマ(図示せず)、燃料電池システム10の他の部分、または何らかの外部システムへとリサイクルしてもよい。加えて、直列通過素子32が散逸しなければならないエネルギ量を制限することによって、直列通過素子32およびいずれかの関連ヒートシンクのサイズおよび関連コストを縮減することができる。
If the
第一および第二ステージの詳細は後に詳述する。
(第一ステージの概要、直列通過素子レギュレータ)
図1を引き続き参照すると、燃料電池システム10の第一ステージは燃料電池スタック14からバッテリ24および負荷12への電流Isの流れを制御するために燃料電池スタック14とバッテリ24との間に電気的に結合された直列通過素子32を含んでいる。燃料電池システム10の第一ステージはさらに燃料電池システム10のさまざまな動作パラメータに基づいて直列通過素子32を調整するために結合された調整回路34をも含んでいる。直列通過素子32は燃料電池スタック14とバッテリ24との間に電気的に結合されたドレンおよびソースを有し、かつ調整回路34の出力に電気的に結合されたゲートを有する電界効果トランジスタ(“FET”)の形式をとることができる。
Details of the first and second stages will be described later.
(Outline of the first stage, series pass element regulator)
With continued reference to FIG. 1, the first stage of the
燃料電池システム10の第一ステージは燃料電池システム10のさまざまな動作パラメータを判定するための幾つかのセンサを含んでいる。例えば、燃料電池システム10はバッテリ電流IBを判定するために結合されたバッテリ充電電流センサ36を含んでいる。さらに例えば、燃料電池システム10はスタック電流Isを判定するために結合された燃料電池スタック電流センサ38を含んでいる。さらに例えば、燃料電池システム10はバッテリ24の両端間の電圧VBを判定するためのバッテリ電流センサ40を含んでいる。加えて、燃料電池システム10はバッテリ24、またはバッテリ24の近傍の温度を判定するために配置されたバッテリ温度センサ42を含んでいてもよい。センサ36−42は調整回路34から離散しているものとして示されているが、実施形態によっては1つ以上のセンサ36−42を調整回路34の一部として一体に形成してもよい。
The first stage of the
燃料電池システム10の第一ステージは燃料電池システム10の始動中に電圧をゆっくりと引き上げるためのソフト・スタート回路15を含んでいてもよい。燃料電池システム10はさらに、例えば負荷がない場合、または負荷12が電力を消費しない場合に、バッテリ24の損傷を防止するため迅速に電源を切断するための迅速遮断回路17を含んでいてもよい。
(第二ステージの概要、反応物質の分圧コントローラ)
燃料電池システム10の第二ステージはコントローラ28、アクチュエータ30、およびバルブ18のような反応物質の流れレギュレータを含んでいる。コントローラ28は直列通過素子32の入力側からの第一電圧値V1と、直列通過素子32の出力側からの第二電圧値V2とを受ける。コントローラ28は、バルブ18またはその他の反応物質の流れ調整素子を介して燃料電池スタック14への反応物質の流れを調整するため、第一電圧V1と第二電圧V2との差に基づいて制御信号をアクチュエータ30に供給する。
The first stage of the
(Outline of the second stage, reactant partial pressure controller)
The second stage of the
バッテリ24は利用できる反応物資と消費された反応物質との何らかの短期的な不整合をカバーするので、燃料電池の反応物資供給システム16に必要な反応速度は電気的な負荷の変化速度よりも大幅に遅くてよい。燃料電池の反応物資供給システム16に必要な反応速度は主としてバッテリ24の充電/放電サイクルの深さ、および直列通過素子32を経たエネルギ散逸に影響を及ぼす。
(第一ステージの説明、直列通過素子調整)
図2はバッテリ充電電流エラー、スタック電流エラー、およびバッテリ電圧エラーを判定し、かつ判定されたエラーのうちの大きい値に対応して直列通過素子32への出力を生成するためのコンポーネントを含む調整回路34の一実施形態を示す。
Since the
(Explanation of the first stage, series pass element adjustment)
FIG. 2 illustrates an adjustment including components for determining battery charge current error, stack current error, and battery voltage error, and generating an output to
調整回路34はバッテリ充電電流エラーを判定するためのバッテリ充電電流エラー積分回路44と、バッテリ充電電流制限回路46とを含んでいる。バッテリ充電電流制限回路46はバッテリ充電電流エラー積分回路44の反転端子にバッテリ充電電流制限値を供給し、一方、バッテリ充電電流センサ36は非反転端子にバッテリ充電電流値を供給する。コンデンサC9がバッテリ充電電流エラー積分回路44の反転端子と出力端子との間に結合されている。バッテリ充電電流制限エラー積分回路44はバッテリ充電電流値とバッテリ充電電流制限値との差を積分する。
The
調整回路34はスタック電流エラーを判定するためのスタック電流エラー積分回路50と、スタック電流制限回路52とを含んでいる。スタック電流制限回路52はスタック電流エラー積分回路50の反転端子にスタック電流制限値を供給し、一方、スタック電流センサ38は非反転端子にスタック電流値を供給する。コンデンサC8がスタック電流エラー積分回路50の反転端子と出力端子との間に結合されている。スタック電流制限エラー積分回路50はスタック電流値とスタック電流制限値との差を積分する。スタック電流制限に対する第二ステージの制限効果は破線矢印53によって示されている。
The
調整回路34はバッテリ電圧エラー積分回路56と、バッテリ電圧設定回路58とを含んでいる。バッテリ電圧設定回路58はバッテリ電圧エラー積分回路56の反転端子にバッテリ電圧制限値を供給し、一方、バッテリ電圧センサ40は非反転端子にバッテリ電圧値を供給する。コンデンサC7がバッテリ電圧エラー積分回路56の反転端子と出力端子との間に電気的に結合されている。バッテリ電圧エラー積分回路56はバッテリ電圧値とバッテリ電圧設定値との差を積分する。
The
調整回路34はさらにバッテリ温度検出器42によるバッテリ温度測定を利用して補償値を生成する温度補償回路62を含んでいてもよい。バッテリ電圧設定回路58はバッテリ電圧設定値を判定するために補償値を利用する。
The
調整回路34はさらにエラー積分器44,50,56の出力値のうちの大きい値を選択するためのOR回路64を含んでいる。OR回路64は共通に結合された陰極を有する3個のダイオード(図示せず)の形態をとることができる。各ダイオードの陽極はエラー積分回路44,50,56のそれぞれ1つに電気的に結合されている。
The
調整回路34はさらに、反転レベルシフタ68のようなレベルシフタによって直列通過素子32の制御端子(例えばゲート)に電圧を印加するためのチャージポンプ66を含んでいる。反転レベルシフタ68は入力値から反転された線形出力値を供給する。
The
図3は調整回路としてマイクロプロセッサ70を使用している燃料電池システム10の第一ステージの代替実施形態を示している。この代替実施形態および本明細書に記載するその他の代替例および代替実施形態は前述の実施形態とほぼ同様であり、共通の動作および構造は同じ参照番号で特定されている。動作と構造の重要な相違だけを以下に説明する。
FIG. 3 shows an alternative embodiment of the first stage of the
マイクロプロセッサ70は調整回路34(図1)の機能を実行するようにプログラムされ、または構成されている。例えば、マイクロプロセッサ70はバッテリ充電電流、スタック電流、およびバッテリ電圧の値の一部または全部のエラー積分を実行できる。マイクロプロセッサ70はバッテリ充電電流制限値、スタック電流制限値および/またはバッテリ電圧制限値の一部または全部を記憶することができる。マイクロプロセッサ70はさらに、バッテリ温度検出器42によって判定されたバッテリ温度に基づいて温度補償を決定することができる。さらに、マイクロプロセッサ70はエラー値のうちの大きい値を選択して、直列通過素子32の制御端子に適宜の信号を供給することができる。
図4は図1,2、および3の燃料電池システム10の第一ステージの動作方法100の例を示している。この方法100は動作中、燃料電池システム10の動作パラメータの継続的な調整を繰り返す。
FIG. 4 shows an example of a first
ステップ102で、バッテリ充電電流センサ36(図1−3)はバッテリ充電電流IBの値を判定する。ステップ104で、バッテリ充電電流エラー積分回路44(図2)、またはマイクロプロセッサ70(図3)がバッテリ充電電流エラーの値を判定する。
In
ステップ106で、スタック電流センサ38(図1−8)スタック電流の値を判定する。ステップ108で、スタック電流エラー積分回路50(図20)またはマイクロプロセッサ70(図2)がスタック電流エラーの値を判定する。
In
ステップ110で、バッテリ電圧センサ40(図1−3)がバッテリ24の両端間の電圧VBを判定する。動作ステップ112で、バッテリ温度センサ42がバッテリ24、またはバッテリ24の近傍空間の温度を判定する。動作ステップ114で、温度補償回路62(図2)またはマイクロプロセッサ70(図3)が判定されたバッテリ温度に基づいてバッテリ電流の制限値を判定する。ステップ116で、バッテリ電流エラー積分回路56(図2)またはマイクロプロセッサ70(図3)がバッテリ電圧エラー値を判定する。
In
燃料電池システム10は、例えばステップ102の前にステップ106を実行し、またはステップ102および/またはステップ106の前にステップ110を実行するというように、上記とは異なる順序でステップ102、106、および110を実行してもよい。センサ36,38,40,42は並行して動作しているように見えるように、同時に、またはほぼ同時にステップ102,106,110,112を実行してもよい。このように、上記の動作の列挙は何らかの特定のシーケンス、すなわち順序を特定するものではない。
The
ステップ118で、OR回路64(図2)、またはマイクロプロセッサ70(図3)内に構成されたOR回路が判定された値のうちの大きい値を判定する。OR回路はマイクロプロセッサ70内に配線で接続されてもよく、または実行可能な命令の形態をとってもよい。ステップ120で、チャージポンプ66(図2)は電荷を生成する。図示はされていないが、図3の実施形態はさらにチャージポンプを含んでいてもよく、またはマイクロプロセッサ70が適宜の信号値を生成することができる。ステップ122で、レベルシフタ68(図2)またはマイクロプロセッサ70(図3)が判定されたエラー値のうちの大きい値に比例して、入力電圧として直列通過素子32(図1−3)に電荷を印加する。
In
このように、燃料電池システム10の第一ステージは基本的に3つのモードで動作する。すなわち、バッテリ電圧制限モード、スタック電流制限モード、およびバッテリ充電電流制限モードである。例えば、バッテリ24が排電されると、燃料電池システム10はバッテリ24への損傷を防止するためにバッテリ充電電流モードに入って、バッテリ充電電流を制限する。バッテリ24が再充電されると、燃料電池システム10はバッテリ24を硫酸化させずにバッテリの浮動電圧((例えばフル充電の約75−95%)を保持するために電圧制限モードに入って、バッテリ24にトリクル充電を行う。燃料電池スタック14が供給できる以上の電流を負荷12が引き込むと、燃料電池システム10はスタック電流制限モードに入る。加えて、第四の“飽和”モードがあってもよく、このモードでは負荷12がさらに多くの電流を引き込むと、スタック電圧VSがバッテリ電圧VB未満に降下する。この“飽和”モードではバッテリ24は放電し、バッテリ24が前述のように充分に排流されていれば、場合によってはバッテリ充電電流制限モードに入る。
(第二ステージの説明、反応物質の分圧制御)
図5Aは動作条件として直列通過素子32の両端間の電圧差を利用する燃料電池システム10の第二ステージをさらに詳細に示している。
Thus, the first stage of the
(Explanation of the second stage, partial pressure control of reactants)
FIG. 5A shows the second stage of the
より具体的には、コントローラ28は直列通過素子32の入力側からの第一電圧値V1と、直列通過素子32の出力側からの第二電圧値V2とを受ける第一比較器90Aを含んでいる。第一比較器90Aは第一および第二の電圧V1、V2の差に対応する処理変数△Vを生成する。
More specifically, the
コントローラ28はさらに第一比較器90Aから処理変数△Vおよび設定値を受ける第二比較器92を含んでいる。比較器92は処理変数△Vと設定値とを比較し、かつ第一制御電圧CV1を生成する。設定値は直列通過素子32の所望の最高動作レベルを反映したものであり、標準的には直列通過素子32用の飽和直列通過素子の約75%と約95%の間にある。飽和値の80%の設定値は特に好適であり、燃料電池スタック14が部分負荷の下で動作している場合でも回路にある種の解決をもたらす。
The
比較器92は結果として生じた制御変数CV1をアクチュエータ30に供給し、このアクチュエータはそれに従ってコンプレッサまたはバルブ18を調整する。バルブ18は、燃料電池システム10用の第二の制御変数CV2の役割を果たす燃料電池スタック14への反応物質の分圧を調整する。前述のように、反応物質の分圧の制御によって燃料電池スタック14の内部抵抗RSが調整され、同時に燃料電池スタック14の電力出力が調整される。第一および第二の比較器90a、92は離散型のコンポーネントでもよく、またはマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、またはその他の集積回路として実装されてもよい。
コントローラ28はさらにバッテリ24を燃料電池14と並列に電気的に結合する第一スイッチ96、および負荷12を燃料電池スタック14およびバッテリ24と並列に電気的に結合する第二スイッチ98のような、さまざまなスイッチを制御するための論理94を含んでいてもよい。
The
図6Aは図1および5Aの燃料電池システム10も第二ステージの動作方法200の例を示している。ステップ102で、バッテリ24は燃料電池スタック14と並列に電気的に結合される。ステップ204で、負荷12がバッテリ24および燃料電池スタック14と電気的に結合される。ステップ206で、バッテリ24および燃料電池スタック14の少なくとも一方が負荷12に電流を供給する。燃料電池スタック14が負荷12の需要を満たすのに充分な電流を生成している場合は、燃料電池スタック12は電流を負荷12に供給する。燃料電池スタック14からの冗長電流はバッテリ24を再充電する。燃料電池スタック14が需要を満たすのに充分な電流を生成していない場合は、バッテリ24は電力の一部、または全部をも負荷12に供給してもよい。
FIG. 6A shows an example of a second
ステップ208で、燃料電池システム10の第二ステージは直列通過素子32の入力側の第一電圧V1を判定する。ステップ210で、燃料電池システム10の第二ステージは直列通過素子32の出力側の第二電圧V2を判定する。ステップ208と210の順序は重要ではなく、どの順序でも、または同時にさえも実行できる。
In
ステップ212で、第一比較器90Aは第一および第二の電圧V1、V2の差を比較する。ステップ214で第二比較器92が判定された差△Vを設定値と比較する。ステップ216で、燃料電池システム10の第二ステージは判定された偏差量に基づいて、アクチュエータ30とバルブ18とを経た燃料電池スタック14への少なくとも1つの反応物質の流れの分圧を調整する。例えば、燃料電池システム10は水素の分圧、オキシダント(例えば空気)の分圧、または水素と酸素の双方の分圧を調整できる。前述のように、所定の任意のスタック出力電流で降下する電圧を制御するために、燃料および/またはオキシダントの分圧を変更することによって、燃料電池スタック14に固有の内部直列抵抗RSを変更することができる。このようにして分圧を変更することによって、直列通過素子32の両端間の最大の電圧効果を低減することができる。
In
図5Bは動作条件としてバッテリ電流を利用する燃料電池システム10の第二ステージの別の実施形態をさらに詳細に示している。この特定の実施形態および本明細書に記載するその他の特定の実施形態は前述の実施形態とほぼ同様であり、共通の動作および構造は同じ参照番号で特定されている。動作と構造の重要な相違だけを以下に説明する。図5Bに示されている実施形態は第二ステージを形成する調整回路(図1−4)と共に燃料電池システム10に実装してもよく、または第一ステージの調整回路なしで独立して使用してもよい。
FIG. 5B illustrates in further detail another embodiment of the second stage of the
図5Bの実施形態では、バッテリ状態センサはバッテリ24への、またそこからの電流を検出するように結合された電流センサ26bの形態をとっている。コントローラ28はバッテリ充電電流積分器90を含んでいる。積分器90は離散型のコンポーネントでもよく、またはマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ内に実装されてもよい。積分器90はバッテリ24のおおよその全体的な充電を判定するためにバッテリ充電電流を積分する。積分器90には動作開始実施形態に適正な初期バッテリ充電量が供給され、また時々有理化される必要がある。その結果生じた処理変数(“PV”)は比較器92に送られる。
In the embodiment of FIG. 5B, the battery condition sensor takes the form of a current sensor 26b coupled to detect current to and from the
比較器92は離散型の比較器でもよく、またはマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ内に実装されてもよい。比較器92はPVを設定値と比較し、第一制御電圧(“CV1”)を生成する。設定値は動作開始時の所望の公称バッテリ充電量を反映し、標準的にはバッテリのフル充電の約75%と約95%の間にあってよい。比較器92は結果として生じたCV1をアクチュエータ30に供給し、アクチュエータはそれに従ってコンプレッサまたはバルブ18を調整する。バルブ18は燃料電池システム14用の第二の制御変数(“CV2”)としての役割を果たす、燃料電池スタックへの反応物質の分圧を調整する。前述のとおり、反応物質の分圧を制御することで、燃料電池スタック14の内部抵抗RSが調整され、同時に燃料電池スタック14の電力出力が調整される。
コントローラ28はさらにバッテリ24を燃料電池14と並列に電気的に結合する第一スイッチ96、および負荷12を燃料電池スタック14およびバッテリ24と並列に電気的に結合する第二スイッチ98のような、さまざまなスイッチを制御するための論理94を含んでいてもよい。
The
図6Bは図5Bの燃料電池システム10も第二ステージの動作方法300の例を示している。ステップ302で、バッテリ24は燃料電池スタック14と並列に電気的に結合される。ステップ304で、センサ26bがバッテリ24への、またそこからの電流の流れを判定する。ステップ306で、積分器90bはバッテリ24の全充電量を判定するためにバッテリ電流の流れを積分する。
FIG. 6B shows an example of a second
ステップ308で、比較器92は積分されたバッテリ電流も流れを設定値と比較する。この設定値はバッテリ24を適宜の浮動電圧に保持することによって、例えば硫酸化によるバッテリ24への損傷を防止するために、バッテリにトリクル充電を行うように選択される。そのための適切な範囲は所望のバッテリ充電量の約75%から95%の間でよく、所望の公称バッテリ充電量の約80%が特に適している。
At
ステップ310で、燃料電池システム10は所望のバッテリ充電を保持するために燃料電池スタック14への燃料の流れの分圧を調整する。例えば、アクチュエータ30は1つ以上のバルブ18を介して水素の分圧を調整できる。あるいは、アクチュエータ30は1つ以上のコンプレッサ(図示せず)の速度を調整できる。ステップ312で、燃料電池システム10は所望のバッテリ充電を保持するため、燃料電池スタックへのオキシダント(例えば空気)の流れの分圧を調整する。この場合も、燃料電池システム10はオキシダントの分圧を調整するため、1つ以上の数値18、および/または1つ以上のコンプレッサ(図示せず)を使用できる。コントローラ28は燃料とオキシダントとの適切な化学量論的関係を保持する試みを行ってもよい。
At
図5Cは動作条件としてバッテリ24の両端間の電圧VBを利用した、燃料電池システム10の第二ステージの別な実施形態をさらに詳細に示している。図5Cに示されている実施形態は第二ステージを形成する調整回路(図1−4)と共に燃料電池システム10に実装してもよく、または第一ステージの調整回路なしで独立して使用されてもよい。
FIG. 5C shows another embodiment of the second stage of the
図5Cの実施形態では、バッテリ状態センサはバッテリ24の両端間の電圧VBを検出する電圧センサ26cの形態をとっている。コントローラ28はフィールド・コントローラ90cの形態をとっている。フィールド・コントローラは自動車系統、並びにその他の電気系統に一般的に見られるものである。フィールド・コントローラ90cは燃料電池スタック14への反応物質の分圧を制御するため、アクチュエータ30に出力CV1を供給する。
In the embodiment of FIG. 5C, the battery condition sensor takes the form of a
図6Cは図5Cの燃料電池システム10の動作方法400を示している。ステップ402で、電圧センサ26cはバッテリ24の両端間の電圧VBを判定する。ステップ404で、フィールド・コントローラ90cはバッテリ電圧VBの所望のバッテリ電圧からの偏差量を判定する。ステップ406で、コントローラ28は所望のバッテリ電圧を保持するために、燃料電池スタック14への燃料の流れの分圧を調整する。ステップ408で、コントローラ28は所望のバッテリ電圧を保持するために、燃料電池スタック14へのオキシダントの流れの分圧を調整する。前述のとおり、燃料電池システム10は燃料および/またはオキシダントの分圧を調整するため、1つ以上のバルブ、コンプレッサ、ポンプおよび/または調整手段を使用してもよい。
FIG. 6C shows a
図7は異なる5つの反応物質の分圧に対応する、燃料電池スタック14用の分極曲線の例を示している。スタック電圧VSは縦軸に沿って示され、スタック電流ISは横軸に沿って示されている。第一の曲線59は反応物質の分圧が低い場合の分極を示している。曲線61、62、63、および65は反応物資の分圧が連続的に上昇する際の分極を示している。破線69は24ボルトの一定の公称出力電圧を示している。縦の破線71、723、75、77、79はそれぞれの分圧曲線59,61,63,65,67での電圧出力に対応するスタック電流を示している。
(バッテリ部分/燃料電池部分と相互接続された燃料電池システムの実施形態)
図8はバッテリ24の一部が燃料電池スタック14の一部と相互接続された燃料電池システム10のさらに別の実施形態を示している。
FIG. 7 shows an example of a polarization curve for the
(Embodiment of Fuel Cell System Interconnected with Battery Part / Fuel Cell Part)
FIG. 8 illustrates yet another embodiment of the
具体的には、燃料電池スタック14は各群の、または各部分のバッテリ24a、24b、…24nと相互接続された幾つかの群、または部分14a、14b、…14nを含むことができる。各燃料電池のセット14a、14b、…14nに1つのバッテリ電池24a、24b、…24nとして示されているが、燃料電池システム10はその他の比率のバッテリ電池と燃料電池とを使用することができる。
Specifically, the
燃料電池システム10は負荷12の両端間に電気的に並列に結合されたスーパーコンデンサ140のようなコンデンサを含むことができる。図8の燃料電池システム10は図4および図6Aの方法100および200に従って動作できる。
The
図8には図示されていないが、バルブ18、コントローラ28および/またはアクチュエータ30のような別個の制御素子を燃料電池のセット14a、14b、...14nのそれぞれ1つに連結することができる。
(燃料電池システムおよび負荷の電流、電圧、および抵抗)
図9A−9Fは、バッテリの排流または再充電なしで燃料電池スタックが負荷に対して充分に給電している場合の、単相AC動作における燃料電池システムのさまざまな電流、電圧、および抵抗の関係を示した一連のグラフである。図9A−9Fのさまざまなグラフは共通の水平の時間軸を共用している。
Although not shown in FIG. 8, separate control elements such as
(Fuel cell system and load current, voltage, and resistance)
FIGS. 9A-9F illustrate various currents, voltages, and resistances of the fuel cell system in single-phase AC operation when the fuel cell stack is sufficiently powering the load without draining or recharging the battery. It is a series of graphs showing the relationship. The various graphs of FIGS. 9A-9F share a common horizontal time axis.
図9Aは時間の関数としての実際のスタック電流ISと平均スタック電流IS−AVGを示したグラフ150である。図9Bは時間の関数としての実際のバッテリ電流IBを示したグラフ152である。図9Cは時間の関数としての実際のバッテリ電圧VBと平均バッテリ電圧VB−AVGを示したグラフ154である。図9Dは時間の関数としての負荷を導通する実際の電流ILと平均負荷電流IL−AVGを示したグラフ156である。図9Eは時間の関数としての実際の負荷抵抗RLを示したグラフ158である。図9Fは時間の関数としての負荷12の両端間のAC電圧Vacを示したグラフ160である。
FIG. 9A is a
図10A−10Cは、燃料電池スタックからの不足分をカバーするためにバッテリが負荷に電流を供給し、その後バッテリを再充電する、単相AC動作における燃料電池システムのさまざまな電流、電圧、および抵抗の関係を示した一連のグラフである。図10A−10Cのさまざまなグラフは共通の水平の時間軸を共用している。 FIGS. 10A-10C illustrate various currents, voltages, and currents of the fuel cell system in single-phase AC operation, where the battery supplies current to the load to cover the shortage from the fuel cell stack and then recharges the battery. It is a series of graphs showing the relationship of resistance. The various graphs of FIGS. 10A-10C share a common horizontal time axis.
図10Aは時間の関数としてのスタック電流ISを示したグラフ162である。図10Bは時間の関数としてのバッテリ電流IBを示したグラフ164である。図10Cは時間の関数としての負荷電流ILを示したグラフ166である。図10A−10Cから分かるように、負荷12の需要が増大すると、バッテリ24は燃料電池スタック14からの不足分を補うために電流を供給する。負荷12の需要が低減すると、燃料電池スタック14はバッテリ24が浮動電圧に戻るまでバッテリ24を再充電する。
(複合燃料電池システムのコンポーネント・ブロックとしての燃料電池システム)
図11は負荷12に所望の電圧と電流で給電するため、電気的に結合された複合燃料電池システム10gを形成する幾つかの燃料電池システム10a−10fを示している。燃料電池システム10a−10fは前述のように、例えば図1および2に示された燃料電池システム10のような任意の燃料電池システム10の形態をとることができる。
Figure 10A is a
(Fuel cell system as a component block of a composite fuel cell system)
FIG. 11 shows several fuel cell systems 10a-10f that form an electrically coupled composite fuel cell system 10g for powering the
複合燃料電池システム10は燃料電池スタック14とそれぞれのバッテリ24との間の分極曲線の整合を利用している。分極曲線の整合を達成するための1つのアプローチは、上記に一般的に説明した第一ステージの調整方式を含んでいる。別のアプローチはバッテリ24の両端間の電圧の、バッテリ24の両端間の所望の電圧からの偏差に基づいて単数または複数の反応物質の流れの分圧をコントロールすることを含んでいる。さらに別のアプローチは、バッテリ充電量の、所望のバッテリ充電からの偏差に基づいて単数または複数の反応物質の流れの分圧をコントロールすることを含んでいる。バッテリ充電はバッテリ24からの、またはバッテリ24への電荷の流れを積分することによって判定できる。別のアプローチには、位相、またはパルス切換え調整または制御方式が含まれる。
The composite
一例として、各燃料電池システム10a−10fは24Vで50Aの電流を供給する能力がある。第一対の燃料電池システム10a、10bを電気的に直列に結合すると48Vで50Aが供給される。同様に、第二対の燃料電池システム10c、10dを電気的に直列に結合すると48Vで50Aが供給される。これらの2対の燃料電池システム10a、10b、および10c、10dを電気的に直列に結合すると48Vで100Aが供給される。第三対の燃料電池システム10e、10fを電気的に直列に結合すると48Vで50Aが供給される。第三対の燃料電池システム10e、10fを第一対の燃料電池システム10a、10bおよび第二対の燃料電池システム10c、10dと電気的に並列に結合すると48Vで150Aが供給される。 As an example, each fuel cell system 10a-10f is capable of supplying a current of 50A at 24V. When the first pair of fuel cell systems 10a and 10b are electrically coupled in series, 50A is supplied at 48V. Similarly, when the second pair of fuel cell systems 10c and 10d are electrically connected in series, 50A is supplied at 48V. When these two pairs of fuel cell systems 10a, 10b, and 10c, 10d are electrically coupled in series, 100A is supplied at 48V. When the third pair of fuel cell systems 10e and 10f are electrically connected in series, 50A is supplied at 48V. When the third pair of fuel cell systems 10e and 10f are electrically connected in parallel with the first pair of fuel cell systems 10a and 10b and the second pair of fuel cell systems 10c and 10d, 150A is supplied at 48V.
図11は可能な構成を1つだけ示している。所望の電圧および電流を達成するためにほかの構成も可能であることを当業者は理解するであろう。複合燃料電池システム10gは図11に示したよりも少数の、または多数の燃料電池システム10a−10fを含んでいてもよい。その他の所望の電圧および電流で電力を供給するために、個々の燃料電池システム10のその他の数の電気的結合の組合せを利用できる。例えば、1つ以上の追加の燃料電池システム(図示せず)を1つ以上の燃料電池システム10a−10bと電気的に並列に結合することができる。加えて、または補足的に、1つ以上の追加の燃料電池システム(図示せず)を図示したいずれかの対の燃料電池システム10a:10b、10c:10d、10e:10fと電気的に直列に結合することができる。さらに、燃料電池システム10a−10fは異なる電圧および/または電流定格を有していてもよい。個々の燃料電池システム10a−10fを複合して、“n+1”のアレイを作成し、所望量の冗長度および高い信頼性を得ることができる。
(電力供給システム)
図11はまとめて10で示されている、燃料電池システムの一次元アレイ552を含む電力供給システム550の一実施形態を示しており、これは負荷12に電力を供給するための電力バス556を形成する正と負の電圧レール556a、556bにそれぞれ電気的に直列に結合可能である。まとめて558で示されているそれぞれのダイオードは、各燃料電池システム10の正と負の出力の間に電気的に結合されている。図示されている電力供給システム550は個々に10(1)−10(M+1)で示されているM+1個の燃料電池システムを含んでおり、カッコ内の数字はアレイ10内の燃料電池システム10の位置を示している。図11の楕円は電力供給システム550が第三の燃料電池システム10(3)とM番目の燃料電池システム10(M)との間に追加の燃料電池システム(明示的には図示せず)を含んでいてもよいことを示している。1つ以上の燃料電池システム(例えば10(M+1))は例えば、他の燃料電池システム10(1)−10(M)の1つが故障したり、負荷12が追加の電力または電圧を要求した場合に必要である、電力バス556に電気的に直列に結合された“冗長”燃料電池システムとして機能できる。
FIG. 11 shows only one possible configuration. Those skilled in the art will appreciate that other configurations are possible to achieve the desired voltage and current. The composite fuel cell system 10g may include a smaller number or a larger number of fuel cell systems 10a-10f than shown in FIG. Other numbers of electrical coupling combinations of individual
(Power supply system)
FIG. 11 illustrates one embodiment of a
電力供給システム550は、欠陥または故障の場合にそれぞれの燃料電池システム10を自動的に遮断できる接触器またはトランジスタ560のような1つ以上の故障時スイッチを使用してもよい。例えば、故障時トランジスタ560は燃料電池システム10自体の動作状態の欠陥、または故障時、または電力供給システム550の動作状態の欠陥、または故障時に開くことができる。
The
電力供給システム550は、燃料電池システム10(M+1)自体の動作状態以外の状態に基づいて、それぞれの燃料電池システム10(M+1)を手動的、または自動的に電力バス556に電気的に結合できる接触器またはトランジスタ562のような1つ以上の冗長スイッチを使用してもよい。例えば、別の燃料電池システム10が故障の場合、負荷12への電力、電圧、および電流を保持するために、冗長トランジスタ562が閉じて、冗長燃料電池システム10(M+1)を電力バス556に電気的に結合できる。さらに例えば、より高い出力電力が望ましい場合は、負荷12への電力、電圧、および電流を調整するために、冗長トランジスタ562が閉じて、冗長燃料電池システム10(M+1)を電力バス556に電気的に結合できる。
The
手動動作も可能であるが、電力供給システム550は冗長スイッチ(例えばトランジスタ562)も動作を自動的に制御するために制御論理564を含んでいてもよい。
Although manual operation is possible, the
制御論理564はそれぞれの燃料電池システム10(1)−10(M+1)の動作状態に関する入力(すなわち“ユニット1からMの故障時に接続”)を1つ以上の他の燃料電池システム10(1)−10(M)から受けることができる。例えば、制御論理564は燃料電池システム10の燃料電池スタック14および/または蓄電池24に関する電圧、電流、および/または電力の測定値を受けることができる。このような測定値は、それらに限定されるものではないが、スタック電流IS、スタック電圧VIS、および/または温度を含んでいてもよい。さらに例えば、制御論理564は、それらに限定されるものではないが、周囲の水素レベル、周囲のオキシダント・レベル、および反応物質の流れを含む燃料電池システム10のさまざまな系統の動作状態に関する論理値を受けることができる。これに関しては、共通の出願人に譲渡されている、2001年6月25日に出願された米国特許出願第09/916、240号“燃料電池システムの方法、装置、およびスケジューリング”(代理人整理番号第130109.409号)を参照されたい。
The
それに加えて、またはその代わりに、制御論理564は、電力バス556のさまざまなポイントで電圧または電流を判定するために結合された電圧センサおよび電流センサのような電力供給システム550のその他のコンポーネントから入力を受けることができる。例えば、制御論理564は一次元アレイ552の“上部”で測定された電力バスの両端間の電圧に対応する電圧の測定値を受けることができ、それによって制御論理564は予測閾値未満の測定値を検出することによって(すなわち、VX<M×24V”の場合接続する)、1つ以上の燃料電池システム10の故障を間接的に検知することができる。故障状態を検知するための閾値は制御論理564内であらかじめ規定してもよく、または専用、または汎用コンピュータのアナログまたはデジタル制御、またはグラフィック・ユーザー・インターフェース566のようなユーザー・インターフェースを介してユーザーまたはオペレータによって設定されてもよい。
In addition, or alternatively,
それに加えて、またはその代わりに、制御論理564はユーザー・インターフェース566を介してユーザーまたはオペレータからの入力を受けることができ、それには電力、電圧、および/または電流の閾値のような動作パラメータを設定し、また所望の電力、所望の電圧、または所望の電流の公称値のような所望のパラメータを設定し、電気的な構成情報を供給し、および/または制御論理564の自動動作の側面を乗り越えるためのユーザー制御のセットが含まれる。ユーザー・インターフェース566は電力供給システム550の残りの部分から離れていてもよい。制御論理564は配線で接続された回路、ファームウエア、マイクロコントローラ、特定アプリケーション用プロセッサ、プログラムされた汎用プロセッサ、および/またはコンピュータによる読み出し可能な媒体への命令の1つ、または複数で実施できる。
Additionally or alternatively, the
前述の第一ステージおよび/または第二ステージでの動作のように、燃料電池システム10の出力電圧を厳密に制御できる場合は、燃料電池システム10の直列の結合が可能である。このように、個々の燃料電池システム10の任意の整数倍の電圧出力を実現するために、所望の任意の数の燃料電池システム10を電気的に直列に結合できる。例えば、各燃料電池システム10がレール19a、19bの両端間に24ボルトを生成すると、3つの燃料電池システム10(1)−10(3)を電気的に結合して72ボルトを生成することができる。より一般的に述べると、燃料電池システム10の数Mは電気的に直列に結合して電力バス556の両端間に燃料電池システムの公称電圧のM倍の電圧を生成できる。加えて、直列結合によって一次元アレイ552内の冗長燃料電池システム10(M+1)の位置は重要ではなくなる。
When the output voltage of the
図12は電力バス556を経て負荷12に給電するための、Mの数の行とNの数の列に配列された燃料電池システム10の二次元アレイ568を示している。燃料電池システム10は個々に10(1、1)−10(M、N)で示され、カッコ内の最初の数字は行の位置を示し、カッコ内の二番目の数字は燃料電池システム10の列の位置を示している。図12の楕円は二次元アレイ568のさまざまな行と列とが追加の燃料電池システム(明示的には図示せず)を含んでもよいことを示している。ダイオード558、それぞれ故障時および冗長スイッチ560、562、制御論理564、およびユーザー・インターフェース566は図面を明解にするために省略されている。
FIG. 12 shows a two-
各燃料電池システム10(1,1)−10(M、N)は個々に電力バス556に結合されてさまざまな所望の出力電力を供給することができる。各列1−Mの燃料電池システム10(1−M、1)、10(1−M、2)、10(1−M、3)−10(1−M、N)は互いに電気的に直列に結合可能である。各行1−Nの燃料電池システム10(1、1−N)、10(2、1−N)、10(3、1−N)−10(M、1−N)は互いに電気的に並列に結合可能である。図12およびこの説明から、出力電圧の調整により電力供給システム550の出力電力を調整するために、二次元アレイ568によって燃料電池システム10の直列結合が可能になることが当業者には理解されよう。さらに、出力電流の調整により電力供給システム550の出力電力を調整するために、二次元アレイ568によって燃料電池システム10の並列結合が可能になることが当業者には理解されよう。さらに、出力電流と出力電圧の双方の調整により電力供給システム550の出力電力を調整するために、二次元アレイ568によって燃料電池システム10の直列および並列結合が可能になることが当業者には理解されよう。このように、各燃料電池システムが例えば24ボルトおよび40アンペアで1Kwを生成するような図示した時では、N×NkWの最高出力電力が可能である。さらに、ここに記載している一次元および二次元アレイ構造は電気的に結合可能な相互位置を示すものであり、燃料電池システム10が必ずしも行および/または列に物理的に配列される必要はないことが当業者には理解されよう。
(実施例)
図13−15は各燃料電池システム10が24ボルトおよび40アンペアで1Kwを生成可能である場合の、所望の出力電力、例えば4kWを生成するための、図12の二次元アレイ568の燃料電池システム10の異なる3つの電気的構成を示している。具体的には、図13は電気的に直列に結合されて96ボルトおよび40アンペアで4Kwを供給する、第一列の二次元アレイ568から4つの燃料電池システム10(1、1)−10(4、1)を使用した一実施例を示している。図14は電気的に並列に結合されて24ボルトおよび160アンペアで4Kwを供給する、第一行の二次元アレイ568の4つの燃料電池システム10(1、1)−10(1、4)を使用した一実施例を示している。図15は電気的に直列に結合された2対の燃料電池システム10(1、1)、10(2、1)および10(1、2)、10(2、2)が電気的に並列に結合されて48ボルトおよび80アンペアで4Kwを供給する、二次元アレイ568の4つの燃料電池システム10(1、1)、10(1、2)、10(2、1)、10(2、2)、を使用した一実施例を示している。これらの教示内容から二次元アレイ568の燃料電池システム10のその他の組み合わせおよび縦列が可能であることが当業者には理解されよう。
(電力供給システムの動作)
図16は図11を参照して説明された一実施形態による電力供給システム550の動作方法600を示している。この方法600は上記の制御論理564内で実施される。
Each fuel cell system 10 (1,1) -10 (M, N) can be individually coupled to a power bus 556 to provide various desired output powers. The fuel cell systems 10 (1-M, 1), 10 (1-M, 2), 10 (1-M, 3) -10 (1-M, N) in each row 1-M are electrically in series with each other. Can be combined. The fuel cell systems 10 (1, 1-N), 10 (2, 1-N), 10 (3, 1-N) -10 (M, 1-N) in each row 1-N are electrically parallel to each other. Can be combined. From FIG. 12 and this description, those skilled in the art will appreciate that the two-
(Example)
13-15 is a fuel cell system of the two-
(Operation of power supply system)
FIG. 16 illustrates a
ステップ602で、制御論理564はスイッチ560,562のうちの適宜の1つを選択的に作動させることによって、M個の燃料電池システム10(1)−10(M)を電力バス566上で電気的に直列に結合する。ステップ604で、制御論理564は故障があるか否かを判定する。例えば、制御論理564は燃料電池システム10(1)−10(M)の1つのいずれかのパラメータが許容範囲外にあるか否か、または許容できる閾値を超えるか、それ以下に降下しているか否かを判定する。前述のように、制御論理564は燃料電池システム10の燃料電池スタック14および/または蓄電池24に関する電圧、電流および/または電力の測定値を受けることができる。それに加えて、あるいはその代わりに、制御論理564は燃料電池システム10のさまざまなシステムも動作状態に関する論理値を受けることができる。それに加えて、またはその代わりに、制御論理564は電力バス556上のさまざまなポイントでの電圧または電流を判定するために結合された電圧センサまたは電流センサのような、電力供給システム550のその他のコンポーネントからの入力を受けることができる。制御論理564は、受信した数値を例えば規定範囲および/または閾値と比較するための比較器のような比較回路、または命令を含むことができ、電力バス556の両端間の総電圧が規定の閾値以上であり、または規定範囲内であることが確実にされる。その代わりに,またはそれに加えて制御論理564は、それぞれの燃料電池システム10(1)−10(M)の1つ以上の動作状態に対応する“1”または“0”のような個々の燃料電池システム10(1)−10(M)から戻された論理値のセットに依拠することができる。
At
故障がない場合は、方法600はステップ604に戻り、モニタ・ループを実行する。故障がある場合は、制御論理564はステップ606で、例えば対応する冗長スイッチに適宜の信号を送ることによって、例えば冗長トランジスタ562のゲートに信号を印加することによって、冗長燃料電池システム10(M+1)を電力バス556上で電気的に直列に結合する。燃料電池システム10(1)−10(M+1)は“ホット・スワップ可能”であるので、電力供給システム550は遮断される必要がない。
If there are no faults, the
動作ステップ608で、制御論理564は例えば対応する故障時スイッチに適宜の信号を送ることによって、例えば故障時トランジスタ560のゲートに信号を印加することによって故障の燃料電池システム、例えば10(3)を電力バス556から電気的に分断する。動作ステップ610で、ユーザーまたはサービス技術者は電力供給システム550のアレイ552内の故障した燃料電池システム10(3)を交換する。交換用燃料電池システム10は別の燃料電池システム10が場合によって故障した場合に備えて冗長燃料電池システムとしての役割を果たす。
In
図17は方法600に含められるオプションのステップ612を示している。ステップ612で、付加的な燃料電池システム10が電力バス550上で1つ以上の燃料電池システム10(1)−10(M)と電気的に直列に結合される。例えば、故障の燃料電池システム10(3)が交換された後、電力供給システム550の電力出力を増大させるために、交換用燃料電池システムを電気的に直列に結合してもよい。
FIG. 17 illustrates an
図18は方法600に含められるオプションのステップ614を示している。ステップ614で、付加的な燃料電池システム10が電力バス552上で1つ以上の燃料電池システム10(1)−10(M)と電気的に並列に結合される。この説明から、方法600はね10のさまざまな直列および/または並列の組合せのいずれを利用してもよいことが当業者には理解されよう。
FIG. 18 illustrates an
図19は図12の二次元アレイ568を参照して説明した追加の、または代替の図示した実施形態による電力供給システム550の動作方法630を示している。このように、電力供給システム550は方法600に加えて、またはその代わりに方法630を用いてもよい。
FIG. 19 illustrates a
ステップ632で、制御論理564は電力供給システム550からの所望の電力、電圧、および電流出力の少なくとも1つを判定する。所望値は制御論理564で規定されてもよく、または制御論理564がユーザー・インターフェース566を介してユーザーまたはオペレータから所望値(単数または複数)を受けてもよい。ステップ634で、制御論理564は所望の電力、電圧および/または電流を供給するために、幾つかの燃料電池システム10(1、1)−10(M、N)の直列および/または並列の組合せの電気的構成を決定する。ステップ636で、制御論理564はトランジスタ560のような幾つかの冗長スイッチ(図11には1つだけを示す)を作動させて、それぞれ1つの燃料電池システム10(1、1)−10(M、N)を決定された電気的構成へと電気的に結合する。
(結論)
これまでの説明で、任意の数の燃料電池システム50を電気的に直列および/または並列に結合して、負荷12に所望の電圧と電流で給電するための複合電力供給システム550を形成できることが示されている。
At
(Conclusion)
In the foregoing description, any number of
燃料電池システム10は例えば図1に示された燃料電池システム10のような前述の任意の燃料電池システムの形態をとることができる。前述のように、電力供給システム550は燃料電池システムの直列の結合が可能になるように燃料電池スタック14とそれぞれの蓄電池24との分極曲線の整合を利用している。分極曲線の整合を達成するアプローチの1つは一般的には前述した第一ステージの調整方式が含まれる。別のアプローチにはバッテリ24のような蓄電素子の両端間の電圧の、蓄電素子24の両端間の所望の電圧からの偏差に基づいて、1つ以上の反応物質の流れの分圧を制御することが含まれる。さらに別のアプローチには、蓄積充電量の、所望の蓄積充電量からの偏差に基づいて1つ以上の反応物質の流れの分圧を制御することが含まれる。蓄積充電量は蓄電池24への、およびそこからの電荷の流れを積分することによって判定できる。他のアプローチは位相またはパルス切換え調整または制御方式が含まれる。直列構造を利用する理由には、コスト上の利点、およびスタック電圧がそのポイントでバッテリの浮動電圧に等しければ、出力電力のフルポイントで最高の効率が得られる構造であることが含まれ、例えば、効率は24VシステムでR.Fノイズの問題なく97%を超えることができる。燃料電池システム10は2ステージを有するものとして説明されているが、電力供給システム550は実施形態によっては第一ステージ、または第二ステージのいずれかの単一のステージだけを有する1つ以上の燃料電池システム10を組入れてもよい。
The
開示されている実施形態は電力供給システムへの“構成ブロック“または”コンポーネント”のアプローチを提案し、メーカーがわずかな、またはそれどころか単一の基本タイプの燃料電池システム10からでも多様な電力供給システム550を製造できるようにするものである。このアプローチは設計、製造、および在庫コストが低く、また結果として生じるユーザー完成品(すなわち電力供給システム)の故障までの平均時間を延ばす冗長度をもたらすことができる。このアプローチはさらに、保守または修理を簡単にし、そのコストを低減できる。
The disclosed embodiment proposes a “building block” or “component” approach to the power supply system, and a variety of power supply systems, even from a single basic type of
ここに燃料電池システムおよび方法の特定の実施例を説明目的で記載してきたが、関連分野の当業者には理解されるように、本発明の趣旨と範囲を逸脱することなく、さまざまな等価の修正が可能である。例えば、ここに提示されている教示内容は必ずしも一般的に前述したポリマー交換膜燃料電池アセンブリではなくても、他の種類の燃料電池スタックまたは燃料電池アセンブリを含む燃料電池システムにも応用できる。それに加えて、またはそれに代わって、燃料電池システム10は燃料電池スタック14の一部をバッテリB1、B2の一部と相互に接続することができる。燃料電池システムは反応物質の分圧を調整するための他のさまざまなアプローチおよび要素を採用できる。上記のさまざまな実施形態を組合わせてさらに別の実施形態を提供することができる。
While specific embodiments of the fuel cell system and method have been described herein for purposes of illustration, various equivalents may be used without departing from the spirit and scope of the invention, as will be appreciated by those skilled in the relevant art. Correction is possible. For example, the teachings presented herein may be applied to fuel cell systems including other types of fuel cell stacks or fuel cell assemblies, not necessarily the polymer exchange membrane fuel cell assemblies generally described above. In addition or alternatively, the
2001年12月14日に出願された、名称が“METHOD AND APPARATUS FOT CONTROLLING VOLTAGE FROM AFUEL CELL SYSTEM”(燃料電池システムからの電圧を制御する方法および装置)である米国特許出願第10/017470号(代理人整理番号第130109.436号)、2001年12月14日に出願された、名称が“METHOD AND APPARATUS FOR MULTIPLE MODE CONTROL OF VOLTAGE FROM A FUEL CELL SYSTEM”(燃料電池システムからの電圧を多重モードで制御する方法および装置)である米国特許出願第10/017462号(代理人整理番号第130109.442号)、2001年12月14日に出願された、名称が“FUEL CELL SYSTEM MULTIPLE STAGE VOLTAGE CONTROL METHOD AND APPARATUS”(燃料電池システムの多段電圧制御方法および装置)である米国特許出願第10/017461号(代理人整理番号第130109.446号)、および名称が“ADJUSTABLE ARRAY OF FUEL CELL SYSTEMS IN POWER SUPPLY”(電力供給における燃料電池システムの調整可能なアレイ)である米国特許出願第_____号(エクスプレス・メール番号第EV064990705US号、代理人整理番号第130109.449号)がすべて参照により本明細書に組込まれている。本発明のさらに別の実施形態を提供するために、本発明の態様は必要があればさまざまな特許、出願、および刊行物のシステム、回路、および概念を利用するように修正できる。例えば付加的に、または代替として、燃料電池システム10は米国特許出願第10/017470号で教示されているように、バッテリ電圧VB、バッテリ24への、またはバッテリからの電流の流れ、またはバッテリ充電量のいずれかの関数として反応物質の分圧を制御することができる。
US patent application Ser. No. 10/017470, filed Dec. 14, 2001, entitled “METHOD AND APPARATUS FOT CONTROLLING VOLTAGE FROM AFUEL CELL SYSTEM” (method and apparatus for controlling voltage from a fuel cell system). No. 130109.436), filed December 14, 2001, with the name “METHOD AND APPARATUS FOR MULTIPLE MODE CONTROL OF VOLTAGE FROM A FUEL CELL SYSTEM” (multiple voltage from fuel cell system) And US Patent Application No. 10/017462 (Attorney Docket No. 130109.442), December 14, 2001 U.S. Patent Application No. 10/017461 (Attorney Docket No. 130109.) filed on the same day and whose name is "FUEL CELL SYSTEM MULTIIPLE VOLTAGE CONTROL METHOD AND APPARATUS" (multi-stage voltage control method and apparatus for fuel cell system). 446), and US Patent Application No. _____ (Express Mail Number EV0649990705US), named “ADJUSTABLE ARRAY OF FUEL CELL SYSTEMS IN POWER SUPPLY” (adjustable array of fuel cell systems in power supply) No. 130109.449) are all incorporated herein by reference. In order to provide further embodiments of the present invention, aspects of the present invention can be modified to utilize various patent, application, and publication systems, circuits, and concepts as needed. For example, in addition or as an alternative, the
上記の説明にかんがみて、これらの、またはその他の変更を実施できる。一般に、以下の請求項では用語は本発明を本明細書に開示した特定の実施形態に限定するものと解釈されるものではなく、請求項に基づいて動作するすべての燃料電池システムを含めるものと解釈されるべきものである。したがって、本発明は開示内容によって限定されるのではなく、その範囲は全体が以下の請求項によって決定されるものである。 These or other changes can be made in light of the above description. In general, in the following claims, the terms are not to be construed as limiting the invention to the specific embodiments disclosed herein, but include all fuel cell systems operating according to the claims. It should be interpreted. Accordingly, the invention is not limited by the disclosure, but the scope of the invention is to be determined entirely by the following claims.
Claims (79)
幾つかの燃料電池を有する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの両端間に電気的に並列に結合可能である幾つかのバッテリセルを有するバッテリと、
前記燃料電池スタックの少なくとも一部と前記バッテリの一部との間に電気的に結合された直列通過素子と、
前記燃料電池の少なくとも幾つかへの反応物質の流れの分圧を制御するように調整可能な少なくとも第一制御素子を含む、反応物質を燃料電池に給送するための反応物質給送システムと、
判定された前記バッテリの動作状態、および前記直列通過素子の両端間の電圧の判定された偏差の少なくとも一方に基づいて前記少なくとも前記第一制御素子を制御するように結合された制御回路と、を備えた燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell stack having several fuel cells;
A battery having a number of battery cells that can be electrically coupled in parallel across the fuel cell stack;
A series pass element electrically coupled between at least a portion of the fuel cell stack and a portion of the battery;
A reactant delivery system for delivering reactant to the fuel cell, comprising at least a first control element adjustable to control a partial pressure of the reactant flow to at least some of the fuel cells;
A control circuit coupled to control the at least the first control element based on at least one of the determined operating state of the battery and the determined deviation of the voltage across the series pass element; Fuel cell system provided.
バッテリ充電電流信号を受信するように結合された第一入力と、バッテリ充電電流制限信号を受信するように結合された第二入力とを有するバッテリ充電電流エラー積分器と、
バッテリ電圧信号を受信するように結合された第一入力と、バッテリ電圧制限信号を受信するように結合された第二入力とを有するバッテリ電圧エラー積分器と、
スタック電流信号を受信するように結合された第一入力と、スタック電流制限信号を受信するように結合された第二入力とを有するスタック電流エラー積分器と、を備えた請求項1に記載の燃料電池システム。 The adjustment circuit
A battery charge current error integrator having a first input coupled to receive a battery charge current signal and a second input coupled to receive a battery charge current limit signal;
A battery voltage error integrator having a first input coupled to receive a battery voltage signal and a second input coupled to receive a battery voltage limit signal;
The stack current error integrator according to claim 1, comprising a stack current error integrator having a first input coupled to receive a stack current signal and a second input coupled to receive a stack current limit signal. Fuel cell system.
チャージポンプと、
該チャージポンプと前記直列通過素子との間に結合されたレベルシフタと、
を備えた請求項1に記載の燃料電池システム。 The adjustment circuit is
A charge pump,
A level shifter coupled between the charge pump and the series pass element;
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
入力側と出力側とを有し、前記入力側は前記バッテリ充電電流エラー積分器、慙愧バッテリ電圧エラー積分器、および前記スタック電流エラー積分器に結合されたOR回路を備えた請求項1、2、または3に記載の燃料電池システム。 The adjustment circuit is
2. An input side and an output side, the input side comprising an OR circuit coupled to the battery charge current error integrator, a battery voltage error integrator, and the stack current error integrator. Or 4. The fuel cell system according to 3.
前記燃料電池スタックと前記直列通過素子との間に電気的に結合された阻止ダイオードを備えた、請求項1に記載の燃料電池システム。 The series pass element comprises a field effect transistor;
The fuel cell system of claim 1, comprising a blocking diode electrically coupled between the fuel cell stack and the series pass element.
バッテリ電流とバッテリ電流制限値との差を積分するステップと、
バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差を積分するステップと、
スタック電流とスタック電流制限値との差を積分するステップと、
積分された差のうちの大きい値を選択するステップと、
積分された差のうちの大きい値に比例して制御信号を前記値に印加するステップと、によって前記直列通過素子を通る電流を調整するようにプログラムされたマイクロプロセッサを備えた、請求項1に記載の燃料電池システム。 The adjustment circuit is
Integrating the difference between the battery current and the battery current limit;
Integrating the difference between the battery voltage and the battery voltage limit;
Integrating the difference between the stack current and the stack current limit;
Selecting a larger value of the integrated differences;
Applying a control signal to said value in proportion to a large value of the integrated difference, and comprising a microprocessor programmed to adjust the current through said series pass element. The fuel cell system described.
バッテリ充電電流に比例するバッテリ充電電流信号を供給するバッテリ充電電流センサと、
バッテリ電圧に比例するバッテリ電圧信号を供給するバッテリ電圧センサと、
スタック電流に比例するスタック電流信号を供給するスタック電流センサと、を備えた請求項2、3、または4に記載の燃料電池システム。 The adjustment circuit is
A battery charge current sensor for supplying a battery charge current signal proportional to the battery charge current;
A battery voltage sensor for supplying a battery voltage signal proportional to the battery voltage;
The fuel cell system according to claim 2, 3 or 4, further comprising: a stack current sensor that supplies a stack current signal proportional to the stack current.
バッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差、バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差、およびスタック電流とスタック電流制限値との差のうちの大きい値を判定する手段と、
判定された大きい差に比例して阻止ダイオードを通るスタック電流の流れを調整する直列通過調整手段と、
判定された前記バッテリの動作状態と、前記直列通過素子の両端間の判定された電圧偏差も少なくとも一方に比例して、少なくとも1つの反応物質の流れの分圧を制御する手段と、を備えた回路。 A circuit for a fuel cell system having a fuel cell stack, a battery, and a series pass element,
Means for determining a larger value of the difference between the battery charge current and the battery charge current limit value, the difference between the battery voltage and the battery voltage limit value, and the difference between the stack current and the stack current limit value;
A series pass adjustment means for adjusting the flow of the stack current through the blocking diode in proportion to the determined large difference;
Means for controlling the partial pressure of the flow of the at least one reactant in proportion to at least one of the determined operating state of the battery and the determined voltage deviation between both ends of the series pass element; circuit.
バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差を判定するための積分手段と、
スタック電流とスタック電流制限値との差を判定するための積分手段と、を備えた請求項14に記載の回路。 Integrating means for determining the difference between the battery charging current and the battery charging current limit value;
Integrating means for determining the difference between the battery voltage and the battery voltage limit value;
15. The circuit of claim 14, further comprising integrating means for determining a difference between the stack current and the stack current limit value.
燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに電気的に並列に結合されたバッテリの少なくとも一方から幾つかの出力端子で電流を供給するステップと、
第一ステージで、バッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差、バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差、およびスタック電流とスタック電流制限値との差のうちの少なくとも大きい値に比例して直列通過素子を通る電流を調整するステップと、
第二ステージで、前記バッテリの動作状態と直列通過素子の所望の飽和レベルの少なくとも一方を維持するために、前記燃料電池スタックの少なくとも一部への反応物質の流れの分圧を調整するステップと、を含む方法。 A method for operating a fuel cell system, comprising:
Supplying current at several output terminals from at least one of a fuel cell stack and a battery electrically coupled in parallel to the fuel cell stack;
In the first stage, in proportion to at least a larger value of the difference between the battery charge current and the battery charge current limit value, the difference between the battery voltage and the battery voltage limit value, and the difference between the stack current and the stack current limit value Adjusting the current through the series pass element;
Adjusting a partial pressure of a reactant flow to at least a portion of the fuel cell stack in a second stage to maintain at least one of an operating state of the battery and a desired saturation level of the series pass element; , Including methods.
前記直列通過素子の出力側で第二電位を判定するステップと、
前記第一および第二電位から前記直列通過素子の両端間の電圧を判定するステップと、
前記直列通過素子の両端間の電圧の、前記所望の飽和レベルに対応する値からの偏差の数量を判定するステップと、を含むとともに、前記バッテリの動作状態と直列通過素子の所望の飽和レベルの少なくとも一方を維持するために前記燃料電池スタックの少なくとも一部への反応物質の流れの分圧を調整するステップは、前記判定された偏差の数量に基づいて反応物質の流れの分圧を調整するステップを含む請求項17または18に記載の方法。 Determining a first potential on the input side of the series pass element;
Determining a second potential on the output side of the series pass element;
Determining a voltage across the series pass element from the first and second potentials;
Determining a quantity of deviation of the voltage across the series pass element from a value corresponding to the desired saturation level, and including the operating state of the battery and the desired saturation level of the series pass element. Adjusting the reactant flow partial pressure to at least a portion of the fuel cell stack to maintain at least one adjusts the reactant flow partial pressure based on the determined quantity of deviations; The method according to claim 17 or 18, comprising a step.
時間を経たバッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差を積分することによって、バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差を判定するステップと、
時間を経たスタック電流とスタック電流制限値との差を積分することによって、タック電流とスタック電流制限値との差を判定するステップと、をさらに含む請求項17、18、または19に記載の方法。 Determining the difference between the battery charge current and the battery charge current limit value by integrating the difference between the battery charge current over time and the battery charge current limit value;
Determining the difference between the battery voltage and the battery voltage limit value by integrating the difference between the battery voltage over time and the battery voltage limit value;
The method of claim 17, 18, or 19, further comprising: determining a difference between the tack current and the stack current limit value by integrating a difference between the stack current over time and the stack current limit value. .
前記選択された差の1つをレベルシフトするステップと、
前記レベルシフトされた選択された差の1つを前記直列通過素子の制御端子に印加するステップと、をさらに含む請求項17,18、19、または20に記載の方法。 Selecting a larger value of the difference between the battery charge current and the battery charge current limit value, the difference between the battery voltage and the battery voltage limit value, and the difference between the stack current and the stack current limit value;
Level shifting one of the selected differences;
21. The method of claim 17, 18, 19, or 20, further comprising: applying one of the level shifted selected differences to a control terminal of the series pass element.
該判定された温度に少なくとも部分的に基づいてバッテリ電圧制限値を判定するステップと、
バッテリ電圧と判定されたバッテリ電圧制限値との時間を経た差を積分してバッテリ電圧エラーを判定するステップと、をさらに含む請求項17,18、または19に記載の方法。 Determining a neighboring temperature of the battery;
Determining a battery voltage limit value based at least in part on the determined temperature;
The method of claim 17, 18, or 19, further comprising: integrating a time-dependent difference between the battery voltage and the determined battery voltage limit value to determine a battery voltage error.
幾つかの燃料電池を有する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの両端間に電気的に並列に結合可能である幾つかのバッテリ.セルを有するバッテリと、
前記燃料電池スタックの少なくとも一部と前記バッテリの一部との間に電気的に結合された直列通過素子と、
バッテリ充電電流エラー、バッテリ電圧エラー、およびスタック電流エラーのうちの大きい値に応答して、前記直列通過素子を通る電流を調整するための調整回路と、を備えた燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell stack having several fuel cells;
Several batteries that can be electrically coupled in parallel across the fuel cell stack. A battery having a cell;
A series pass element electrically coupled between at least a portion of the fuel cell stack and a portion of the battery;
A fuel cell system comprising: an adjustment circuit for adjusting a current through the series pass element in response to a large value of a battery charging current error, a battery voltage error, and a stack current error.
バッテリ充電電流信号を受信するように結合された第一入力と、バッテリ充電電流制限信号を受信するように結合された第二入力とを有するバッテリ充電電流エラー積分器と、
バッテリ電圧信号を受信するように結合された第一入力と、バッテリ電圧制限信号を受信するように結合された第二入力とを有するバッテリ電圧エラー積分器と、
スタック電流信号を受信するように結合された第一入力と、スタック電流制限信号を受信するように結合された第二入力とを有するスタック電流エラー積分器と、を備えた請求項28に記載の燃料電池システム。 The adjustment circuit is
A battery charge current error integrator having a first input coupled to receive a battery charge current signal and a second input coupled to receive a battery charge current limit signal;
A battery voltage error integrator having a first input coupled to receive a battery voltage signal and a second input coupled to receive a battery voltage limit signal;
30. A stack current error integrator having a first input coupled to receive a stack current signal and a second input coupled to receive a stack current limit signal. Fuel cell system.
チャージポンプと、
該チャージポンプと前記直列通過素子との間に結合されたレベルシフタと、
OR回路と、を備えた請求項28または29に記載の燃料電池システム。 The adjustment circuit is
A charge pump,
A level shifter coupled between the charge pump and the series pass element;
30. The fuel cell system according to claim 28 or 29, further comprising an OR circuit.
バッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差、バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差、およびスタック電流とスタック電流制限値との差のうちの大きい値を判定する手段と、
判定された大きい差に比例して阻止ダイオードを通るスタック電流の流れを調整する直列通過調整手段と、を備えた回路。 A circuit for a fuel cell system,
Means for determining a larger value of the difference between the battery charge current and the battery charge current limit value, the difference between the battery voltage and the battery voltage limit value, and the difference between the stack current and the stack current limit value;
A series pass adjustment means for adjusting the flow of the stack current through the blocking diode in proportion to the determined large difference.
燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに電気的に並列に結合されたバッテリの少なくとも一方から幾つかの出力端子で電流を供給するステップと、
バッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差、バッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との差、およびスタック電流とスタック電流制限値との差のうちの少なくとも大きい値に比例して直列通過素子を通る電流を調整するステップと、を含む方法。 A method for operating a fuel cell system, comprising:
Supplying current at several output terminals from at least one of a fuel cell stack and a battery electrically coupled in parallel to the fuel cell stack;
Pass through the series pass element in proportion to at least the largest of the difference between the battery charge current and the battery charge current limit, the difference between the battery voltage and the battery voltage limit, and the difference between the stack current and the stack current limit. Adjusting the current.
前記選択された差の1つをレベルシフトするステップと、
前記レベルシフトされた選択された差の1つを前記直列通過素子の制御端子に印加するステップと、をさらに含む請求項32に記載の方法。 Selecting a larger value of the difference between the battery charge current and the battery charge current limit value, the difference between the battery voltage and the battery voltage limit value, and the difference between the stack current and the stack current limit value;
Level shifting one of the selected differences;
33. The method of claim 32, further comprising: applying one of the level shifted selected differences to a control terminal of the series pass element.
幾つかの燃料電池を有する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの両端間に電気的に並列に結合可能である幾つかのバッテリ.セルを有するバッテリと、
前記燃料電池の少なくとも幾つかへの反応物質の流れの分圧を制御するように調整可能な少なくとも第一制御素子を含む、反応物質を燃料電池に給送するための反応物質給送システムと、
前記直列通過素子の入力側と出力側の電位に対応する信号を受信するように結合され、かつ前記受信された信号に基づいて前記直列通過素子の両端間の電圧の、所望の動作電圧からの偏差を判定するように構成されていて、該判定された偏差に基づいて少なくとも前記第一制御素子を制御するように結合された制御回路と、を備えた燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell stack having several fuel cells;
Several batteries that can be electrically coupled in parallel across the fuel cell stack. A battery having a cell;
A reactant delivery system for delivering reactant to the fuel cell, comprising at least a first control element adjustable to control a partial pressure of the reactant flow to at least some of the fuel cells;
Coupled to receive a signal corresponding to the input and output potentials of the series pass element, and based on the received signal, a voltage across the series pass element from a desired operating voltage. A fuel cell system comprising: a control circuit configured to determine a deviation and coupled to control at least the first control element based on the determined deviation.
前記直列通過調整手段の両端間の電圧と前記直列通過調整手段の所望の動作状態との差を判定するための手段と、
前記直列通過調整手段の両端間の電圧と前記直列通過調整手段の所望の動作状態との判定された差に比例して、少なくとも1つの反応物質の流れの分圧を制御する手段と、を備えた回路。 A circuit for a fuel cell system,
Means for determining a difference between a voltage across the series passage adjustment means and a desired operating state of the series passage adjustment means;
Means for controlling the partial pressure of the flow of at least one reactant in proportion to the determined difference between the voltage across the series pass regulator and the desired operating state of the series pass regulator. Circuit.
燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに電気的に並列に結合されたバッテリの少なくとも一方から幾つかの出力端子で電流を供給するステップと、
直列通過素子を所望の飽和レベルに保つために前記燃料電池スタックの少なくとも一部への反応物質の分圧を調整するステップと、を含む方法。 A method of operating a fuel cell system having series pass elements,
Supplying current at several output terminals from at least one of a fuel cell stack and a battery electrically coupled in parallel to the fuel cell stack;
Adjusting a partial pressure of the reactant to at least a portion of the fuel cell stack to maintain a series pass element at a desired saturation level.
前記直列通過素子の出力側で第二電位を判定するステップと、
前記第一および第二電位から前記直列通過素子の両端間の電圧を判定するステップと、
前記直列通過素子の両端間の電圧の、前記所望の飽和レベルに対応する値に対する偏差の数量を判定するステップと、を含むとともに、前記直列通過素子を所望の飽和レベルに維持するために前記燃料電池スタックの少なくとも一部への反応物質の流れの分圧を調整するステップは、前記判定された偏差の数量に基づいて反応物質の流れの分圧を調整するステップを含む請求項38に記載の方法。 Determining a first potential on the input side of the series pass element;
Determining a second potential on the output side of the series pass element;
Determining a voltage across the series pass element from the first and second potentials;
Determining a quantity of deviation of the voltage across the series pass element relative to a value corresponding to the desired saturation level, and maintaining the fuel in order to maintain the series pass element at the desired saturation level. The method of claim 38, wherein adjusting a reactant flow partial pressure to at least a portion of the battery stack includes adjusting a reactant flow partial pressure based on the determined quantity of deviations. Method.
幾つかの燃料電池を有する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの両端間に電気的に並列に結合可能である幾つかのバッテリ.セルを有するバッテリと、
前記燃料電池の少なくとも幾つかへの反応物質の流れの分圧を制御するように調整可能な少なくとも第一制御素子を含む、反応物質を燃料電池に給送するための反応物質給送システムと、
前記バッテリの動作状態に対応する信号を受信するように結合され、かつ前記受信された信号に基づいて前記バッテリの動作状態の、前記バッテリの所望の動作状態からの偏差を判定するように構成されていて、該判定された偏差に基づいて少なくとも前記第一制御素子を制御するように結合された制御回路と、を備えた燃料電池システム。 A fuel cell system for supplying power to a load,
A fuel cell stack having several fuel cells;
Several batteries that can be electrically coupled in parallel across the fuel cell stack. A battery having a cell;
A reactant delivery system for delivering reactant to the fuel cell, comprising at least a first control element adjustable to control a partial pressure of the reactant flow to at least some of the fuel cells;
The battery is coupled to receive a signal corresponding to an operating state of the battery, and is configured to determine a deviation of the operating state of the battery from a desired operating state of the battery based on the received signal. And a control circuit coupled to control at least the first control element based on the determined deviation.
燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに電気的に並列に結合されたバッテリの少なくとも一方から負荷に電流を供給するステップと、
前記バッテリの動作状態を判定するステップと、
判定された前記バッテリの動作状態の、前記バッテリの所望の動作状態からの偏差の数量を判定するステップと
前記燃料電池スタックの少なくとも一部への少なくとも1つの反応物質の流れについて、判定された偏差量に基づいて反応物質の流れの分圧を調整するステップと、を含む方法。 A method of operating a fuel cell system for supplying power to a load, comprising:
Supplying current to a load from at least one of a fuel cell stack and a battery electrically coupled in parallel to the fuel cell stack;
Determining an operating state of the battery;
Determining a quantity of a deviation of the determined operating state of the battery from a desired operating state of the battery; and a determined deviation for at least one reactant flow to at least a portion of the fuel cell stack. Adjusting the partial pressure of the reactant flow based on the amount.
電力バスと、
第一燃料電池システムと、
第二燃料電池システムと、
前記第一燃料電池システムを前記電力バス内で電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第一スイッチと、
前記第二燃料電池システムを前記電力バス内で電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第二スイッチと、を備えた電力供給システム。 A power supply system,
A power bus,
A first fuel cell system;
A second fuel cell system;
A first switch selectively operable to couple the first fuel cell system electrically in series within the power bus;
A second switch selectively operable to couple the second fuel cell system electrically in series within the power bus.
前記第三燃料電池システムを前記電力バス内で電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第三スイッチと、をさらに備えた請求項50または52に記載の電力供給システム。 A third fuel cell system;
53. The power supply system of claim 50 or 52, further comprising a third switch selectively operable to couple the third fuel cell system electrically in series within the power bus.
前記第三燃料電池システムを前記電力バス内で前記第一燃料電池システムおよび前記第二燃料電池システムの少なくとも一方と電気的に並列に結合するように選択的に動作可能な第三スイッチと、をさらに備えた請求項50または52に記載の電力供給システム。 A third fuel cell system;
A third switch selectively operable to electrically couple the third fuel cell system in the power bus with at least one of the first fuel cell system and the second fuel cell system; The power supply system according to claim 50 or 52 further provided.
前記第一スイッチと電気的に直列に結合され、これと共に前記第一燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第一冗長スイッチをさらに備え、該第一冗長スイッチは少なくとも前記第二燃料電池システムの動作状態に応じて選択的に動作可能である請求項50または52に記載の電力供給システム。 The first switch is selectively operable according to the state of the first fuel cell system,
A first redundant switch that is electrically coupled in series with the first switch and is selectively operable to electrically couple the first fuel cell system to the power bus in series with the first switch; 53. The power supply system according to claim 50 or 52, wherein the first redundant switch is selectively operable according to at least an operating state of the second fuel cell system.
前記第一スイッチと電気的に直列に結合され、これと共に前記第一燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第一冗長スイッチをさらに備え、該第一冗長スイッチは少なくとも前記第二燃料電池システムの電圧に応じて選択的に動作可能である請求項50または52に記載の電力供給システム。 The first switch is selectively operable according to the state of the first fuel cell system,
A first redundant switch that is electrically coupled in series with the first switch and is selectively operable to electrically couple the first fuel cell system to the power bus in series with the first switch; 53. The power supply system according to claim 50 or 52, wherein the first redundant switch is selectively operable according to at least a voltage of the second fuel cell system.
前記第一スイッチと電気的に直列に結合され、これと共に前記第一燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第一冗長スイッチをさらに備え、該第一冗長スイッチは前記電力バスの両端間の電圧に応じて選択的に動作可能である請求項50または52に記載の電力供給システム。 The first switch is selectively operable according to the state of the first fuel cell system,
A first redundant switch that is electrically coupled in series with the first switch and is selectively operable to electrically couple the first fuel cell system to the power bus in series with the first switch; 53. The power supply system according to claim 50 or 52, wherein the first redundant switch is selectively operable according to a voltage across the power bus.
前記第一スイッチと電気的に直列に結合され、これと共に前記第一燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第一冗長スイッチをさらに備え、該第一冗長スイッチは前記電力供給システムの所望の出力に応じて選択的に動作可能である請求項50または52に記載の電力供給システム。 The first switch is selectively operable according to the state of the first fuel cell system,
A first redundant switch that is electrically coupled in series with the first switch and is selectively operable to electrically couple the first fuel cell system to the power bus in series with the first switch; 53. The power supply system according to claim 50 or 52, wherein the first redundant switch is selectively operable according to a desired output of the power supply system.
前記第一スイッチと電気的に直列に結合され、これと共に前記第一燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するように選択的に動作可能な第一冗長スイッチをさらに備え、該第一冗長スイッチは前記電力供給システムの所望の公称電力出力、前記電力供給システムの所望の公称電圧出力、および前記電力供給システムの所望の公称電流の少なくとも1つに応じて選択的に動作可能である請求項50または52に記載の電力供給システム。 The first switch is selectively operable according to the state of the first fuel cell system,
A first redundant switch that is electrically coupled in series with the first switch and is selectively operable to electrically couple the first fuel cell system to the power bus in series with the first switch; The first redundant switch is selectively operable in response to at least one of a desired nominal power output of the power supply system, a desired nominal voltage output of the power supply system, and a desired nominal current of the power supply system. 53. A power supply system according to claim 50 or 52.
電力バスと、
各々が燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに電気的に並列に結合された蓄電器とを有する、電力バスに電気的に直列に結合可能な複数個の燃料電池システムと、
各々が前記燃料電池システムのそれぞれ1つの動作状態に応答する、電力バスから分断するように選択的に動作可能な複数個のスイッチと、
前記複数個の燃料電池システムのそれぞれ最初の1つの動作状態とは異なる動作状態に応答し、前記複数個の燃料電池システムのそれぞれ最初の1つを前記電力バスに電気的に結合するように選択的に動作可能な少なくとも1つの第一冗長スイッチと、を備えた電力供給システム。 A power supply system,
A power bus,
A plurality of fuel cell systems each having a fuel cell stack and a capacitor electrically coupled in parallel to the fuel cell stack, the fuel cell system being electrically connectable to a power bus;
A plurality of switches selectively operable to disconnect from the power bus, each responsive to a respective operating condition of the fuel cell system;
Selected to electrically couple each first one of the plurality of fuel cell systems to the power bus in response to a different operating state than the first one of the plurality of fuel cell systems. Power supply system comprising at least one first redundant switch that is operable in a functional manner.
該少なくとも2つの燃料電池システムを選択的に電気的に直列に結合するための手段と、を備えた電力供給システム。 At least two fuel cell systems;
Means for selectively electrically connecting the at least two fuel cell systems in series.
第一燃料電池システムを最初に電力バスに電気的に直列に結合するステップと、
故障状態の存在を判定するステップと、
該故障状態に応答して、二番目に自動的に第二燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するステップと、
前記第一燃料電池システムを自動的に前記電力バスから分断するステップと、を含む方法。 A method of operating a power supply system having at least a first and a second fuel cell system comprising:
First electrically coupling the first fuel cell system to the power bus in series;
Determining the presence of a fault condition;
Electrically coupling a second fuel cell system to the power bus in series second automatically in response to the fault condition;
Automatically disconnecting the first fuel cell system from the power bus.
前記第一の幾つかの燃料電池システムの少なくとも1つでの故障状態の存在を判定するステップと、
前記燃料電池システムの前記電力バス上の電気的出力を保持するために、前記故障状態の存在の判定に応答して、前記第二の幾つかの燃料電池システムの少なくとも1つを自動的に前記電力バスに電気的に直列に結合するステップと、を含む方法。 A plurality of fuel cell systems, a first number of fuel cell systems electrically coupled in series to the power bus, and a second number of fuel cell systems electrically coupled in series to the power bus A method of operating a fuel cell system comprising:
Determining the presence of a fault condition in at least one of the first several fuel cell systems;
In response to determining the presence of the fault condition, at least one of the second several fuel cell systems is automatically configured to maintain the electrical output on the power bus of the fuel cell system. Electrically connecting to the power bus in series.
前記燃料電池システムの前記電力バス上の電気的出力を保持するために、前記故障状態の存在の判定に応答して、前記交換用燃料電池システムを前記電力バスに電気的に直列に結合するステップと、をさらに含む請求項72に記載の方法。 Replacing at least one of the fuel cell systems having the fault condition with a replacement fuel cell system;
Electrically coupling the replacement fuel cell system to the power bus in series in response to determining the presence of the fault condition to maintain an electrical output on the power bus of the fuel cell system. 75. The method of claim 72, further comprising:
負荷に基づいて前記電力供給システム用の所望の電力、所望の電流、および所望の電圧の少なくとも1つを決定するステップと、
幾つかの直列の組合せと並列の組合せで前記電力バスに電気的に結合される際に、前記決定された所望の電力、前記決定された所望の電流、および前記決定された所望の電圧を供給する幾つかの燃料電池システム用の電気的構成を決定するステップと、
前記幾つかの燃料電池システムを前記決定された電気的構成で前記電力バスに電気的に結合するように幾つかのスイッチを自動的に作動させるステップと、を含む方法。 A method of operating a power supply system having a plurality of fuel cell systems that can be selectively coupled to at least some of the power buses, comprising:
Determining at least one of a desired power, a desired current, and a desired voltage for the power supply system based on a load;
Supply the determined desired power, the determined desired current, and the determined desired voltage when electrically coupled to the power bus in several series and parallel combinations Determining an electrical configuration for a number of fuel cell systems;
Automatically activating a number of switches to electrically couple the number of fuel cell systems to the power bus in the determined electrical configuration.
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