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 fuel cell system 10 for supplying power to a load 12 according to an illustrated embodiment of the present invention. The load 12 typically constitutes a device powered by the fuel cell system 10, such as a vehicle, equipment, computer, and / or associated peripheral equipment. Although the fuel cell system 10 is typically not considered to be part of the load 12, a part of the fuel cell system 10, such as control electronics, may be part of the load 12 in certain possible embodiments. Or it may constitute everything.

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 fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 14 consisting of a number of individual fuel cells electrically coupled in series. The fuel cell stack 14 receives the reactants indicated by arrows 9, such as hydrogen and air, via the reactant supply system 16. The reactant supply system 16 may include one or more reactant supply tanks or sources 11, a reformer (not shown), and / or one or more compressors, pumps, and / or valves 18, or other reactant conditioning elements. One or more control elements may be included. In the operation of the fuel cell stack 14, a reaction product indicated by an arrow 20 that typically contains water is generated. The fuel cell system 10 may reuse a part or the remainder of the reaction product. For example, as shown by arrows 22, water and air are moistened at the proper temperature and / or water is used to hydrate the ion exchange membrane (not shown) or control the temperature of the fuel cell stack 14. A part or the whole may be returned to the fuel cell stack 14.

燃料電池スタック14は開回路電圧および直列抵抗R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R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R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Iの範囲全域でほぼ均一なスタック電圧Vが可能になる。反応物質の流れと直列抵抗R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 fuel cell stack 14 can be modeled as an optimal battery having an open circuit voltage and a voltage equivalent to the series resistance R s . The series resistance R s varies according to the polarization curve for a particular fuel cell stack 14. The series resistance R s can be adjusted by controlling the availability of the reactants so as to lower the desired voltage for any given current, it substantially uniform stack voltage in the entire range of stack current I s by V s Is possible. The relationship between the flow of reactants and the series resistance R s is shown in FIG. However, simply reducing the overall reactant pressure and reaction pressure within the fuel cell system 10 may interfere with overall system operation, for example, ion exchange membrane hydration and / or fuel cell stack temperature control. There is. In order to avoid such undesirable results, the fuel cell system 10 can adjust the partial pressure of the reactants as will be described in detail later.

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Vを発生する。スタック電流I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 fuel cell stack 14 generates the stack voltage V s across the high voltage bus formed by positive and negative voltage rails 19a, 19b. Stack current I s flows to the load 12 through the high-pressure bus from the fuel cell stack 14. As used herein, “high voltage” refers to the voltage (eg, 5V) to the power load 12 generated by the conventional fuel cell stack 14 and is used by the fuel cell system 10 for control and / or communication. It is used to distinguish from the voltage. Thus, the high voltage is not necessarily “high” relative to other electrical systems.

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R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Rの値を乗算した値である。バッテリ24の内部抵抗Rが小さいほど、バス電圧の変動がすくなくなる。 The fuel cell system 10 includes a battery 24 that is electrically coupled in parallel with the fuel cell stack 14 across the rails 19a, 19b of the high voltage bus to power the addition 12. The open circuit voltage of the battery 24 is selected to be the same as the full load voltage of the fuel cell stack 14. The internal resistance R B of the battery 24 is selected to be considerably lower than the internal resistance of the fuel cell stack 14. In this way, the battery 24 absorbs excess current when the fuel cell stack 14 generates more current than the load 12 requires, and loads when the fuel cell stack 14 generates less current than the load 12 requires. 12 functions as a buffer for supplying current. High bus 19a, the voltage 24 across the 19b subtracts the battery discharge current from the open-circuit voltage, a value obtained by multiplying the value of the internal resistance R B of the battery 24. The smaller the internal resistance R B of the battery 24, the variation of the bus voltage decreases.

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R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 blocking diode D 1 can be electrically coupled between the fuel cell stack 14 and the battery 24 to prevent current from flowing from the battery 24 to the fuel cell stack 14. The disadvantage of reverse current blocking diode D1 is the associated diode voltage drop. The fuel cell system 10 may further include other diodes and other surge protection elements to prevent fuses or short circuits and / or surges.
(stage)
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 includes two control stages. That is, a first stage that uses a series pass element 32 and a regulator circuit 34 that regulates the current through the series pass element, and a flow of reactants to control the series resistance R s to the fuel cell stack 14. And a second stage for controlling the pressure. The first and second stages cooperate in cooperation with the battery 24 coupled in parallel and even at the same time to achieve efficient and continuous output voltage control while protecting the battery 24 from damage. Operate. In some embodiments, the fuel cell system 10 includes only the first stage or only the second stage, providing a simple and low cost alternative embodiment.

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R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 battery 24 responds very quickly to changes in load demand, supplying current to the load 12 when demand is greater than or equal to the output of the fuel cell stack 14, and the output of the fuel cell stack 14 is If the demand is exceeded, the redundant current is reduced. By controlling the flow of current through the series pass element 32, the first stage ensures that the battery is properly charged and discharged efficiently without damage. By controlling the partial pressure of the reactants, and thus the series resistance R s , the second stage allows the efficiency of operation of the fuel cell stack 14 (ie, the efficiency expressed as a specific polarization curve on which the fuel cell is operating based). ) To control. In this way, the second stage limits the amount of heat dissipated by the series pass element 32 by dissipating more energy through the fuel cell stack 14 (ie, through less efficient operation).

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 fuel cell stack 14 dissipates energy as heat, this energy can be regenerated in various parts of the fuel cell system and thus reused in other parts of the fuel cell system (ie, cogeneration). For example, energy dissipated as heat can be recycled to the fuel cell stack 14 via airflow, stack refrigerant, or reactants. Additionally or alternatively, the energy dissipated as heat may be recycled to the riff (not shown), to other parts of the fuel cell system 10, or to some external system. In addition, by limiting the amount of energy that the series pass element 32 must dissipate, the size and associated cost of the series pass element 32 and any associated heat sink can be reduced.

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I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 fuel cell system 10 is electrically between the fuel cell stack 14 and the battery 24 to control the flow of current I s from the fuel cell stack 14 to the battery 24 and the load 12 A series pass element 32 coupled thereto. The first stage of the fuel cell system 10 further includes an adjustment circuit 34 coupled to adjust the series pass element 32 based on various operating parameters of the fuel cell system 10. Series pass element 32 has a drain and source electrically coupled between fuel cell stack 14 and battery 24, and a field effect transistor having a gate electrically coupled to the output of regulator circuit 34 (“ FET ").

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I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I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V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 fuel cell system 10 includes several sensors for determining various operating parameters of the fuel cell system 10. For example, the fuel cell system 10 includes a battery charging current sensor 36 coupled to determine the battery current I B. Furthermore, for example, the fuel cell system 10 includes a fuel cell stack current sensor 38 coupled to determine the stack current I s. Further, for example, the fuel cell system 10 includes a battery current sensor 40 for determining the voltage V B across the battery 24. In addition, the fuel cell system 10 may include a battery temperature sensor 42 arranged to determine the temperature of the battery 24 or the vicinity of the battery 24. Although the sensors 36-42 are shown as being discrete from the adjustment circuit 34, in some embodiments, one or more sensors 36-42 may be integrally formed as part of the adjustment circuit 34.

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Vと、直列通過素子32の出力側からの第二電圧値V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Vと第二電圧V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 fuel cell system 10 may include a soft start circuit 15 for slowly raising the voltage during startup of the fuel cell system 10. The fuel cell system 10 may further include a quick shut-off circuit 17 for quickly turning off the power to prevent damage to the battery 24, for example when there is no load or when the load 12 does not consume power. .
(Outline of the second stage, reactant partial pressure controller)
The second stage of the fuel cell system 10 includes a reactant flow regulator such as a controller 28, an actuator 30, and a valve 18. The controller 28 receives a first voltage value V 1 from the input side of the series pass element 32 and a second voltage value V 2 from the output side of the series pass element 32. Based on the difference between the first voltage V 1 and the second voltage V 2 , the controller 28 regulates the flow of reactant to the fuel cell stack 14 via the valve 18 or other reactant flow regulating element. A control signal is supplied to the actuator 30.

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 battery 24 covers any short-term mismatch between available reactants and consumed reactants, the reaction rate required for the fuel cell reactant supply system 16 is significantly greater than the rate of change of the electrical load. It may be late. The reaction rate required for the fuel cell reactant supply system 16 primarily affects the depth of the charge / discharge cycle of the battery 24 and the energy dissipation through the series pass element 32.
(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 series pass element 32 in response to a large value of the determined errors. One embodiment of circuit 34 is shown.

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 adjustment circuit 34 includes a battery charging current error integrating circuit 44 for determining a battery charging current error, and a battery charging current limiting circuit 46. The battery charging current limiting circuit 46 supplies the battery charging current limit value to the inverting terminal of the battery charging current error integrating circuit 44, while the battery charging current sensor 36 supplies the battery charging current value to the non-inverting terminal. A capacitor C9 is coupled between the inverting terminal and the output terminal of the battery charging current error integrating circuit 44. The battery charging current limit error integrating circuit 44 integrates the difference between the battery charging current value and the battery charging current limit value.

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 adjustment circuit 34 includes a stack current error integrating circuit 50 for determining a stack current error, and a stack current limiting circuit 52. The stack current limit circuit 52 supplies the stack current limit value to the inverting terminal of the stack current error integrating circuit 50, while the stack current sensor 38 supplies the stack current value to the non-inverting terminal. Capacitor C8 is coupled between the inverting terminal and output terminal of stack current error integrating circuit 50. The stack current limit error integration circuit 50 integrates the difference between the stack current value and the stack current limit value. The limiting effect of the second stage on the stack current limit is indicated by the dashed arrow 53.

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 adjustment circuit 34 includes a battery voltage error integration circuit 56 and a battery voltage setting circuit 58. The battery voltage setting circuit 58 supplies the battery voltage limit value to the inverting terminal of the battery voltage error integrating circuit 56, while the battery voltage sensor 40 supplies the battery voltage value to the non-inverting terminal. Capacitor C7 is electrically coupled between the inverting terminal and output terminal of battery voltage error integrating circuit 56. The battery voltage error integration circuit 56 integrates the difference between the battery voltage value and the battery voltage set value.

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 adjustment circuit 34 may further include a temperature compensation circuit 62 that generates a compensation value using battery temperature measurement by the battery temperature detector 42. The battery voltage setting circuit 58 uses the compensation value to determine the battery voltage setting value.

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 adjustment circuit 34 further includes an OR circuit 64 for selecting a larger value among the output values of the error integrators 44, 50 and 56. The OR circuit 64 can take the form of three diodes (not shown) having cathodes coupled in common. The anode of each diode is electrically coupled to a respective one of error integrating circuits 44, 50, 56.

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 adjustment circuit 34 further includes a charge pump 66 for applying a voltage to a control terminal (eg, gate) of the series pass element 32 by a level shifter such as an inverting level shifter 68. The inversion level shifter 68 supplies a linear output value that is inverted from the input value.

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 fuel cell system 10 that uses a microprocessor 70 as the conditioning circuit. This alternative embodiment and the other alternatives and embodiments described herein are substantially similar to the previous embodiment, and common operations and structures are identified by the same reference numerals. Only significant differences in operation and structure are described below.

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。   Microprocessor 70 is programmed or configured to perform the functions of conditioning circuit 34 (FIG. 1). For example, the microprocessor 70 can perform error integration of some or all of the battery charge current, stack current, and battery voltage values. The microprocessor 70 can store some or all of the battery charge current limit value, the stack current limit value, and / or the battery voltage limit value. The microprocessor 70 can further determine temperature compensation based on the battery temperature determined by the battery temperature detector 42. Furthermore, the microprocessor 70 can select a large value among the error values and supply an appropriate signal to the control terminal of the series pass element 32.

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 stage operating method 100 of the fuel cell system 10 of FIGS. During operation, the method 100 repeats continuous adjustment of the operating parameters of the fuel cell system 10.

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I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 step 102, a battery charging current sensor 36 (FIG. 1-3) determines the value of the battery charging current I B. In step 104, the battery charging current error integration circuit 44 (FIG. 2) or the microprocessor 70 (FIG. 3) determines the value of the battery charging current error.

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 step 106, the stack current sensor 38 (FIGS. 1-8) determines the value of the stack current. At step 108, the stack current error integration circuit 50 (FIG. 20) or the microprocessor 70 (FIG. 2) determines the value of the stack current error.

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V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 step 110, the battery voltage sensor 40 (FIGS. 1-3) determines the voltage V B across the battery 24. In operation step 112, the battery temperature sensor 42 determines the temperature of the battery 24 or a space near the battery 24. In operational step 114, the temperature compensation circuit 62 (FIG. 2) or the microprocessor 70 (FIG. 3) determines a battery current limit value based on the determined battery temperature. At step 116, battery current error integration circuit 56 (FIG. 2) or microprocessor 70 (FIG. 3) determines the battery voltage error value.

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 fuel cell system 10 performs steps 102, 106, and in a different order, eg, performing step 106 before step 102, or performing step 110 before step 102 and / or step 106. 110 may be executed. Steps 102, 106, 110, 112 may be performed simultaneously or nearly simultaneously so that the sensors 36, 38, 40, 42 appear to operate in parallel. Thus, the above list of actions does not specify any particular sequence, ie order.

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 step 118, the OR circuit 64 (FIG. 2) or the OR circuit configured in the microprocessor 70 (FIG. 3) determines a larger value among the determined values. The OR circuit may be wired within the microprocessor 70 or may take the form of executable instructions. At step 120, charge pump 66 (FIG. 2) generates charge. Although not shown, the embodiment of FIG. 3 may further include a charge pump, or the microprocessor 70 may generate appropriate signal values. In step 122, the level shifter 68 (FIG. 2) or the microprocessor 70 (FIG. 3) charges the series pass element 32 (FIGS. 1-3) as an input voltage in proportion to the larger error value determined. Apply.

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Vがバッテリ電圧V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 fuel cell system 10 basically operates in three modes. That is, a battery voltage limit mode, a stack current limit mode, and a battery charge current limit mode. For example, when the battery 24 is discharged, the fuel cell system 10 enters a battery charging current mode to prevent damage to the battery 24 and limits the battery charging current. When the battery 24 is recharged, the fuel cell system 10 enters a voltage limiting mode to maintain the battery's floating voltage (eg, about 75-95% of full charge) without sulfating the battery 24, Trickle charge the battery 24. When the load 12 draws more current than the fuel cell stack 14 can supply, the fuel cell system 10 enters the stack current limit mode, and there is a fourth “saturation” mode. In this mode, as load 12 draws more current, stack voltage V S drops below battery voltage V B. In this “saturation” mode, battery 24 is discharged and battery 24 is If the battery is sufficiently discharged, the battery charging current limiting mode is entered in some cases.
(Explanation of the second stage, partial pressure control of reactants)
FIG. 5A shows the second stage of the fuel cell system 10 in more detail using the voltage difference across the series pass element 32 as an operating condition.

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Vと、直列通過素子32の出力側からの第二電圧値V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V、Vの差に対応する処理変数△Vを生成する。 More specifically, the controller 28 includes a first comparator 90 </ b > A that receives the first voltage value V 1 from the input side of the series pass element 32 and the second voltage value V 2 from the output side of the series pass element 32. Contains. The first comparator 90A generates a processing variable ΔV corresponding to the difference between the first and second voltages V 1 and V 2 .

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 controller 28 further includes a second comparator 92 that receives the processing variable ΔV and the set value from the first comparator 90A. The comparator 92 compares the processing variable ΔV with the set value and generates the first control voltage CV1. The set value reflects the desired maximum operating level of the series pass element 32 and is typically between about 75% and about 95% of the saturated series pass element for the series pass element 32. A setting of 80% of the saturation value is particularly suitable and provides some kind of solution in the circuit even when the fuel cell stack 14 is operating under partial load.

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R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。 Comparator 92 supplies the resulting control variable CV1 to actuator 30, which adjusts compressor or valve 18 accordingly. The valve 18 adjusts the partial pressure of the reactants to the fuel cell stack 14 that serves as the second control variable CV2 for the fuel cell system 10. As described above, the internal resistance RS of the fuel cell stack 14 is adjusted by controlling the partial pressure of the reactant, and at the same time, the power output of the fuel cell stack 14 is adjusted. The first and second comparators 90a, 92 may be discrete components or may be implemented as a microprocessor, microcontroller, or other integrated circuit.

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 controller 28 further includes a first switch 96 that electrically couples the battery 24 in parallel with the fuel cell 14 and a second switch 98 that electrically couples the load 12 in parallel with the fuel cell stack 14 and the battery 24. Logic 94 may be included for controlling various switches.

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 stage operating method 200 of the fuel cell system 10 of FIGS. 1 and 5A. At step 102, the battery 24 is electrically coupled in parallel with the fuel cell stack 14. At step 204, load 12 is electrically coupled with battery 24 and fuel cell stack 14. In step 206, at least one of the battery 24 and the fuel cell stack 14 supplies current to the load 12. If the fuel cell stack 14 is generating enough current to meet the demand of the load 12, the fuel cell stack 12 supplies current to the load 12. The redundant current from the fuel cell stack 14 recharges the battery 24. If the fuel cell stack 14 does not generate enough current to meet demand, the battery 24 may supply some or all of the power to the load 12.

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V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V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 step 208, the second stage of the fuel cell system 10 determines the first voltage V 1 on the input side of the series pass element 32. In step 210, the second stage of the fuel cell system 10 determines the second voltage V 2 on the output side of the series pass element 32. The order of steps 208 and 210 is not important and can be performed in any order or even simultaneously.

ステップ212で、第一比較器90Aは第一および第二の電圧V、V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R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 step 212, the first comparator 90A compares the difference between the first and second voltages V 1 and V 2 . In step 214, the difference ΔV determined by the second comparator 92 is compared with a set value. In step 216, the second stage of the fuel cell system 10 adjusts the partial pressure of at least one reactant flow to the fuel cell stack 14 via the actuator 30 and valve 18 based on the determined deviation. For example, the fuel cell system 10 can adjust the partial pressure of hydrogen, the partial pressure of an oxidant (eg, air), or the partial pressure of both hydrogen and oxygen. As described above, the internal series resistance R S inherent in the fuel cell stack 14 is changed by changing the partial pressure of the fuel and / or oxidant to control the voltage dropping at any given stack output current. can do. By changing the partial pressure in this way, the maximum voltage effect across the series pass element 32 can be reduced.

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 fuel cell system 10 that utilizes battery current as an operating condition. This particular embodiment and the other particular embodiments described herein are substantially similar to the previous embodiments, and common operations and structures are identified by the same reference numerals. Only significant differences in operation and structure are described below. The embodiment shown in FIG. 5B may be implemented in the fuel cell system 10 with the adjustment circuit (FIGS. 1-4) forming the second stage, or used independently without the adjustment circuit of the first stage. May be.

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 battery 24. Controller 28 includes a battery charge current integrator 90. Integrator 90 may be a discrete component or may be implemented in a microprocessor or microcontroller. Integrator 90 integrates the battery charge current to determine the approximate overall charge of battery 24. The integrator 90 is supplied with an initial battery charge that is appropriate for the starting embodiment and needs to be rationalized from time to time. The resulting process variable (“PV”) is sent to the comparator 92.

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R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。 Comparator 92 may be a discrete comparator or may be implemented in a microprocessor or microcontroller. The comparator 92 compares the PV with the set value and generates a first control voltage (“CV1”). The set value reflects the desired nominal battery charge at the start of operation and can typically be between about 75% and about 95% of the full battery charge. Comparator 92 supplies the resulting CV1 to actuator 30, which adjusts compressor or valve 18 accordingly. The valve 18 regulates the reactant partial pressure to the fuel cell stack, which serves as a second control variable (“CV2”) for the fuel cell system 14. As described above, by controlling the partial pressure of the reactant, the internal resistance RS of the fuel cell stack 14 is adjusted, and at the same time, the power output of the fuel cell stack 14 is adjusted.

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 controller 28 further includes a first switch 96 that electrically couples the battery 24 in parallel with the fuel cell 14 and a second switch 98 that electrically couples the load 12 in parallel with the fuel cell stack 14 and the battery 24. Logic 94 may be included for controlling various switches.

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 stage operating method 300 of the fuel cell system 10 of FIG. 5B. At step 302, the battery 24 is electrically coupled in parallel with the fuel cell stack 14. At step 304, sensor 26b determines the flow of current to and from battery 24. At step 306, integrator 90b integrates the battery current flow to determine the total charge of battery 24.

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 step 308, the comparator 92 also compares the integrated battery current flow with the setpoint. This set value is selected to trickle charge the battery 24 by holding the battery 24 at an appropriate floating voltage, for example to prevent damage to the battery 24 due to sulfation. A suitable range for this may be between about 75% and 95% of the desired battery charge, with about 80% of the desired nominal battery charge being particularly suitable.

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 step 310, the fuel cell system 10 adjusts the partial pressure of the fuel flow to the fuel cell stack 14 to maintain the desired battery charge. For example, the actuator 30 can adjust the partial pressure of hydrogen via one or more valves 18. Alternatively, the actuator 30 can adjust the speed of one or more compressors (not shown). At step 312, the fuel cell system 10 adjusts the partial pressure of the oxidant (eg, air) flow to the fuel cell stack to maintain the desired battery charge. Again, the fuel cell system 10 can use one or more numerical values 18 and / or one or more compressors (not shown) to adjust the oxidant partial pressure. The controller 28 may make an attempt to maintain an appropriate stoichiometric relationship between the fuel and the oxidant.

図5Cは動作条件としてバッテリ24の両端間の電圧V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 fuel cell system 10 in more detail, utilizing the voltage V B across the battery 24 as an operating condition. The embodiment shown in FIG. 5C may be implemented in the fuel cell system 10 with the adjustment circuit (FIGS. 1-4) forming the second stage, or used independently without the adjustment circuit of the first stage. May be.

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V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 voltage sensor 26 c that detects the voltage V B across the battery 24. The controller 28 takes the form of a field controller 90c. Field controllers are commonly found in automotive systems as well as other electrical systems. The field controller 90c supplies an output CV1 to the actuator 30 in order to control the partial pressure of the reactants to the fuel cell stack 14.

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V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V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 method 400 of operation of the fuel cell system 10 of FIG. 5C. In step 402, the voltage sensor 26c determines the voltage V B across the battery 24. In step 404, the field controller 90c determines deviation from desired battery voltage of the battery voltage V B. At step 406, the controller 28 adjusts the partial pressure of the fuel flow to the fuel cell stack 14 to maintain the desired battery voltage. In step 408, the controller 28 adjusts the partial pressure of the oxidant flow to the fuel cell stack 14 to maintain the desired battery voltage. As mentioned above, the fuel cell system 10 may use one or more valves, compressors, pumps and / or regulating means to regulate the partial pressure of the fuel and / or oxidant.

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Vは縦軸に沿って示され、スタック電流I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 fuel cell stack 14 corresponding to the partial pressures of the five different reactants. The stack voltage V S is shown along the vertical axis, and the stack current I S is shown along the horizontal axis. The first curve 59 shows the polarization when the reactant partial pressure is low. Curves 61, 62, 63, and 65 show the polarization as the partial pressure of the reactants increases continuously. Dashed line 69 shows a constant nominal output voltage of 24 volts. Vertical broken lines 71, 723, 75, 77, 79 indicate stack currents corresponding to voltage outputs at the respective partial pressure curves 59, 61, 63, 65, 67.
(Embodiment of Fuel Cell System Interconnected with Battery Part / Fuel Cell Part)
FIG. 8 illustrates yet another embodiment of the fuel cell system 10 in which a portion of the battery 24 is interconnected with a portion of the fuel cell stack 14.

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 fuel cell stack 14 can include several groups or portions 14a, 14b, ... 14n interconnected with each group or portion of the batteries 24a, 24b, ... 24n. Although shown as one battery cell 24a, 24b, ... 24n for each fuel cell set 14a, 14b, ... 14n, the fuel cell system 10 can use other ratios of battery cells and fuel cells. .

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 fuel cell system 10 can include a capacitor, such as a supercapacitor 140, electrically coupled in parallel across the load 12. The fuel cell system 10 of FIG. 8 can operate according to the methods 100 and 200 of FIGS. 4 and 6A.

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 valve 18, controller 28 and / or actuator 30 are connected to fuel cell sets 14a, 14b,. . . 14n can be connected to each one.
(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I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I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V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I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R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 graph 150 showing the actual stack current IS and the average stack current IS-AVG as a function of time. Figure 9B is a graph 152 showing the actual battery current I B as a function of time. FIG. 9C is a graph 154 showing actual battery voltage V B and average battery voltage V B -AVG as a function of time. FIG. 9D is a graph 156 showing the actual current IL and average load current IL-AVG conducting the load as a function of time. FIG. 9E is a graph 158 showing the actual load resistance RL as a function of time. FIG. 9F is a graph 160 showing the AC voltage V ac across the load 12 as a function of time.

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I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I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I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 graph 162 showing the stack current I S as a function of time. Figure 10B is a graph 164 showing the battery current I B as a function of time. Figure 10C is a graph 166 showing the load current I L as a function of time. As can be seen from FIGS. 10A-10C, as the demand for load 12 increases, battery 24 supplies current to make up for the shortage from fuel cell stack 14. As the demand for load 12 decreases, fuel cell stack 14 recharges battery 24 until battery 24 returns to floating voltage.
(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 load 12 with the desired voltage and current. The fuel cell systems 10a-10f may take the form of any fuel cell system 10, such as the fuel cell system 10 shown in FIGS.

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 fuel cell system 10 utilizes polarization curve matching between the fuel cell stack 14 and each battery 24. One approach to achieving polarization curve matching includes the first stage adjustment scheme generally described above. Another approach involves controlling the partial pressure of one or more reactant streams based on the deviation of the voltage across battery 24 from the desired voltage across battery 24. Yet another approach involves controlling the partial pressure of the one or more reactant streams based on the deviation of the battery charge from the desired battery charge. Battery charge can be determined by integrating the flow of charge from or to the battery 24. Another approach includes phase or pulse switching adjustment or control schemes.

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 fuel cell systems 10 can be utilized to provide power at other desired voltages and currents. For example, one or more additional fuel cell systems (not shown) may be electrically coupled in parallel with one or more fuel cell systems 10a-10b. Additionally or additionally, one or more additional fuel cell systems (not shown) are electrically in series with any pair of illustrated fuel cell systems 10a: 10b, 10c: 10d, 10e: 10f. Can be combined. Further, the fuel cell systems 10a-10f may have different voltage and / or current ratings. The individual fuel cell systems 10a-10f can be combined to create an "n + 1" array to obtain the desired amount of redundancy and high reliability.
(Power supply system)
FIG. 11 illustrates one embodiment of a power supply system 550, which is collectively indicated at 10, including a one-dimensional array 552 of fuel cell systems, which includes a power bus 556 for supplying power to the load 12. Each of the positive and negative voltage rails 556a and 556b to be formed can be electrically coupled in series. Each diode, indicated collectively as 558, is electrically coupled between the positive and negative outputs of each fuel cell system 10. The illustrated power supply system 550 includes M + 1 fuel cell systems, indicated individually as 10 (1) -10 (M + 1), and the numbers in parentheses indicate the number of fuel cell systems 10 in the array 10. Indicates the position. The ellipse in FIG. 11 indicates that the power supply system 550 includes an additional fuel cell system (not explicitly shown) between the third fuel cell system 10 (3) and the Mth fuel cell system 10 (M). It may be included. One or more fuel cell systems (eg, 10 (M + 1)), for example, if one of the other fuel cell systems 10 (1) -10 (M) fails or the load 12 requires additional power or voltage It can function as a “redundant” fuel cell system electrically coupled in series to the power bus 556.

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 power supply system 550 may use a contactor or one or more failure switches such as a transistor 560 that can automatically shut off the respective fuel cell system 10 in the event of a defect or failure. For example, the failure-time transistor 560 may be opened upon a failure or failure of the fuel cell system 10 itself, or upon a failure or failure of the power supply system 550.

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 power supply system 550 can electrically couple each fuel cell system 10 (M + 1) to the power bus 556 manually or automatically based on a state other than the operating state of the fuel cell system 10 (M + 1) itself. One or more redundant switches such as contactors or transistors 562 may be used. For example, if another fuel cell system 10 fails, redundant transistor 562 is closed to hold redundant fuel cell system 10 (M + 1) to power bus 556 to retain power, voltage, and current to load 12. Can be combined. Further, for example, if higher output power is desired, redundant transistor 562 is closed to regulate redundant fuel cell system 10 (M + 1) to power bus 556 in order to regulate power, voltage, and current to load 12. Can be combined.

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 power supply system 550 may also include control logic 564 to automatically control the operation of redundant switches (eg, transistor 562).

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I、スタック電圧VI、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 control logic 564 receives inputs relating to the operating state of each fuel cell system 10 (1) -10 (M + 1) (ie, “connected when unit 1 to M fails”) to one or more other fuel cell systems 10 (1). It can be received from -10 (M). For example, the control logic 564 can receive voltage, current, and / or power measurements for the fuel cell stack 14 and / or the storage battery 24 of the fuel cell system 10. Such measurements include, but are not limited to, may include stack current I S, the stack voltage VI S, and / or the temperature. Further, for example, the control logic 564 is a logical value relating to the operating status of various systems of the fuel cell system 10 including, but not limited to, ambient hydrogen levels, ambient oxidant levels, and reactant flow. Can receive. In this regard, US patent application Ser. No. 09 / 916,240 “Methods, Apparatus and Scheduling of Fuel Cell Systems,” filed on June 25, 2001, assigned to a common applicant, No. 130109.409).

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、V<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, control logic 564 is from other components of power supply system 550 such as voltage and current sensors coupled to determine voltage or current at various points on power bus 556. Can receive input. For example, the control logic 564 can receive a voltage measurement corresponding to the voltage across the power bus measured at the “top” of the one-dimensional array 552, whereby the control logic 564 is a measurement less than the predicted threshold. (Ie, connected when V X <M × 24V ″), it is possible to indirectly detect a failure of one or more fuel cell systems 10. The threshold for detecting a failure condition is It may be predefined within the control logic 564 or may be set by a user or operator via a user interface such as a dedicated or general purpose computer analog or digital control, or a graphical user interface 566.

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 control logic 564 can receive input from the user or operator via the user interface 566, which includes operating parameters such as power, voltage, and / or current thresholds. Set and set desired parameters, such as desired power, desired voltage, or desired current nominal values, provide electrical configuration information, and / or automatic operation aspects of control logic 564 Includes a set of user controls to get over. User interface 566 may be remote from the rest of power supply system 550. The control logic 564 can be implemented with one or more of wired circuitry, firmware, microcontrollers, application specific processors, programmed general purpose processors, and / or instructions to a computer readable medium.

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 fuel cell system 10 can be strictly controlled as in the operation in the first stage and / or the second stage described above, the fuel cell systems 10 can be connected in series. In this manner, any desired number of fuel cell systems 10 can be electrically coupled in series to achieve any integer multiple voltage output of individual fuel cell systems 10. For example, if each fuel cell system 10 generates 24 volts across the rails 19a, 19b, three fuel cell systems 10 (1) -10 (3) may be electrically coupled to generate 72 volts. it can. More generally, a number M of fuel cell systems 10 can be electrically coupled in series to produce a voltage M times the nominal voltage of the fuel cell system across power bus 556. In addition, the position of the redundant fuel cell system 10 (M + 1) within the one-dimensional array 552 is less important due to the series coupling.

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-dimensional array 568 of the fuel cell system 10 arranged in M rows and N columns for powering the load 12 via the power bus 556. The fuel cell system 10 is individually indicated by 10 (1,1) -10 (M, N), the first number in parentheses indicates the position of the row, and the second number in parentheses indicates the fuel cell system 10 Indicates the position of the column. The ellipse in FIG. 12 indicates that the various rows and columns of the two-dimensional array 568 may include additional fuel cell systems (not explicitly shown). Diode 558, fault and redundant switches 560, 562, control logic 564, and user interface 566, respectively, have been omitted for clarity of the drawing.

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-dimensional array 568 allows series coupling of the fuel cell system 10 to adjust the output power of the power supply system 550 by adjusting the output voltage. . Further, those skilled in the art will appreciate that the two-dimensional array 568 allows parallel coupling of the fuel cell system 10 to adjust the output power of the power supply system 550 by adjusting the output current. Further, those skilled in the art will appreciate that the two-dimensional array 568 allows the fuel cell system 10 to be connected in series and in parallel to adjust the output power of the power supply system 550 by adjusting both the output current and the output voltage. Let's be done. Thus, in the illustrated case where each fuel cell system produces 1 Kw at, for example, 24 volts and 40 amps, a maximum output power of N × NkW is possible. Further, the one-dimensional and two-dimensional array structures described herein are indicative of mutually connectable mutual positions, and the fuel cell system 10 need not necessarily be physically arranged in rows and / or columns. Those skilled in the art will understand that this is not the case.
(Example)
13-15 is a fuel cell system of the two-dimensional array 568 of FIG. 12 for generating the desired output power, eg, 4 kW, where each fuel cell system 10 is capable of generating 1 Kw at 24 volts and 40 amps. Ten different three electrical configurations are shown. Specifically, FIG. 13 shows four fuel cell systems 10 (1, 1) -10 (from the first row of two-dimensional array 568 that are electrically coupled in series to provide 4 Kw at 96 volts and 40 amps. 4 shows an embodiment using 1). FIG. 14 shows four fuel cell systems 10 (1,1) -10 (1,4) in a first row two-dimensional array 568 that are electrically coupled in parallel to provide 4 Kw at 24 volts and 160 amps. One example used is shown. FIG. 15 shows two pairs of fuel cell systems 10 (1, 1), 10 (2, 1) and 10 (1, 2), 10 (2, 2) electrically connected in series electrically in parallel. Four fuel cell systems 10 (1,1), 10 (1,2), 10 (2,1), 10 (2,2,2) in a two-dimensional array 568 that are combined to provide 4 Kw at 48 volts and 80 amps. ), An example using the above is shown. Those skilled in the art will appreciate from these teachings that other combinations and tandems of the two-dimensional array 568 fuel cell system 10 are possible.
(Operation of power supply system)
FIG. 16 illustrates a method 600 of operating the power supply system 550 according to one embodiment described with reference to FIG. This method 600 is implemented within the control logic 564 described above.

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 step 602, control logic 564 selectively activates one of the switches 560, 562 to electrically connect M fuel cell systems 10 (1) -10 (M) on power bus 566. In series. At step 604, control logic 564 determines whether there is a failure. For example, is the control logic 564 whether any one parameter of the fuel cell system 10 (1) -10 (M) is out of an acceptable range, or exceeds an acceptable threshold or falls below it? Determine whether or not. As described above, the control logic 564 can receive voltage, current and / or power measurements for the fuel cell stack 14 and / or the storage battery 24 of the fuel cell system 10. In addition or alternatively, the control logic 564 can also receive logic values relating to the operating state of various systems of the fuel cell system 10. In addition or alternatively, control logic 564 may provide other power supply system 550 features, such as voltage or current sensors coupled to determine voltages or currents at various points on power bus 556. Can receive input from components. The control logic 564 can include a comparison circuit, such as a comparator, for example, to compare the received numerical value with a specified range and / or threshold, or an instruction, where the total voltage across the power bus 556 is a specified threshold. It is ensured that it is above or within the prescribed range. Alternatively, or in addition, control logic 564 may provide individual fuels such as “1” or “0” corresponding to one or more operating states of each fuel cell system 10 (1) -10 (M). The set of logic values returned from the battery system 10 (1) -10 (M) can be relied upon.

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 method 600 returns to step 604 to perform a monitor loop. If there is a fault, the control logic 564 in step 606, for example, by sending an appropriate signal to the corresponding redundant switch, for example, by applying a signal to the gate of the redundant transistor 562, the redundant fuel cell system 10 (M + 1). Are electrically coupled in series on the power bus 556. Since the fuel cell system 10 (1) -10 (M + 1) is “hot swappable”, the power supply system 550 need not be shut off.

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 operational step 608, the control logic 564 sends a faulty fuel cell system, eg, 10 (3), for example by sending a signal to the corresponding fault switch, eg, by applying a signal to the gate of the fault transistor 560. Electrically disconnected from the power bus 556. In operational step 610, the user or service technician replaces the failed fuel cell system 10 (3) in the array 552 of the power supply system 550. The replacement fuel cell system 10 serves as a redundant fuel cell system in case another fuel cell system 10 fails in some cases.

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 optional step 612 that may be included in the method 600. At step 612, the additional fuel cell system 10 is electrically coupled in series with one or more fuel cell systems 10 (1) -10 (M) on the power bus 550. For example, after the failed fuel cell system 10 (3) is replaced, the replacement fuel cell system may be electrically coupled in series to increase the power output of the power supply system 550.

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 optional step 614 that may be included in the method 600. At step 614, the additional fuel cell system 10 is electrically coupled in parallel with one or more fuel cell systems 10 (1) -10 (M) on the power bus 552. From this description, those skilled in the art will appreciate that the method 600 may utilize any of a variety of series and / or parallel combinations of springs 10.

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 method 630 of operation of the power supply system 550 according to the additional or alternative illustrated embodiment described with reference to the two-dimensional array 568 of FIG. As such, power supply system 550 may use method 630 in addition to or instead of method 600.

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 step 632, control logic 564 determines at least one of the desired power, voltage, and current output from power supply system 550. The desired value may be defined in the control logic 564, or the control logic 564 may receive the desired value (s) from the user or operator via the user interface 566. At step 634, control logic 564 provides a series and / or parallel combination of several fuel cell systems 10 (1,1) -10 (M, N) to provide the desired power, voltage and / or current. Determine the electrical configuration. At step 636, control logic 564 activates several redundant switches (only one is shown in FIG. 11) such as transistor 560, each one fuel cell system 10 (1,1) -10 (M , N) are electrically coupled to the determined electrical configuration.
(Conclusion)
In the foregoing description, any number of fuel cell systems 50 can be electrically coupled in series and / or in parallel to form a combined power supply system 550 for powering the load 12 with a desired voltage and current. It is shown.

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 fuel cell system 10 may take the form of any of the fuel cell systems described above, such as the fuel cell system 10 shown in FIG. As described above, the power supply system 550 utilizes matching of polarization curves between the fuel cell stack 14 and the respective storage batteries 24 so that the fuel cell systems can be connected in series. One approach to achieving polarization curve matching generally involves the first stage adjustment scheme described above. Another approach is to control the partial pressure of one or more reactant flows based on the deviation of the voltage across a storage element, such as a battery 24, from the desired voltage across the storage element 24. It is included. Yet another approach includes controlling the partial pressure of one or more reactant flows based on the deviation of the stored charge from the desired stored charge. The amount of stored charge can be determined by integrating the flow of charge to and from the storage battery 24. Other approaches include phase or pulse switching adjustment or control schemes. Reasons for using a series structure include cost advantages and a structure that provides maximum efficiency at full output power if the stack voltage is equal to the battery's floating voltage at that point, eg , Efficiency is 24V system and R.E. It can exceed 97% without the problem of F noise. Although the fuel cell system 10 is described as having two stages, the power supply system 550 may include one or more fuels having only a single stage, either the first stage or the second stage, depending on the embodiment. The battery system 10 may be incorporated.

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 fuel cell system 10 with few or even fewer manufacturers. 550 can be manufactured. This approach can result in low design, manufacturing, and inventory costs, and redundancy that extends the average time to failure of the resulting user finished product (ie, power supply system). This approach can further simplify maintenance or repair and reduce its cost.

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 fuel cell system 10 may interconnect a portion of the fuel cell stack 14 with a portion of the batteries B1, B2. The fuel cell system can employ various other approaches and elements for adjusting the reactant partial pressure. The various embodiments described above can be combined to provide further embodiments.

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V、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 fuel cell system 10 may have a battery voltage V B , a current flow to or from the battery 24, or a battery as taught in US patent application Ser. No. 10/017470. The partial pressure of the reactant can be controlled as a function of either charge.

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.

図1は負荷に電力供給するための燃料電池システムの概略図であり、燃料電池システムは燃料電池スタックと、バッテリと、直列通過素子と、直列通過素子を通る電流の流れを調整するための調整回路を含む第一ステージと、本発明の図示した日本的な実施形態によって、反応物質の分圧を制御することによって直列通過素子により散逸されるエネルギを縮減するため、直列通過素子の両端間の電圧差を利用するコントローラを含む第二ステージとを有している。FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system for powering a load, the fuel cell system adjusting a fuel cell stack, a battery, a series pass element, and a current flow through the series pass element. In order to reduce the energy dissipated by the series pass element by controlling the partial pressure of the reactants according to the illustrated Japanese embodiment of the present invention and the first stage comprising the circuit, between the ends of the series pass element. And a second stage including a controller that utilizes the voltage difference. 図2は第二ステージと共に、または第二ステージなしで使用される調整回路を含む、図1の燃料電池システムの第一ステージの概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of the first stage of the fuel cell system of FIG. 1 including a conditioning circuit used with or without the second stage. 図3は第二ステージと共に、または第二ステージなしで使用される調整回路としてマイクロプロセッサを使用する燃料電池システムの第一ステージの代替実施形態である。FIG. 3 is an alternative embodiment of the first stage of a fuel cell system that uses a microprocessor as a regulator circuit used with or without the second stage. 図4は図2および図3の燃料電池システムの第一ステージの動作方法の例の流れ図である。FIG. 4 is a flowchart of an example of a method of operating the first stage of the fuel cell system of FIGS. 図5Aは第一ステージと共に、または第一ステージなしで使用される、所望値に対する直列通過素子の両端間の電圧の変化に基づいて反応物質の分圧を制御するための制御回路を含む、図1の燃料電池システムの第二ステージの電気的概略図である。FIG. 5A includes a control circuit for controlling the partial pressure of the reactant based on the change in voltage across the series pass element relative to the desired value, used with or without the first stage. 2 is an electrical schematic diagram of a second stage of one fuel cell system. FIG. 図5Bは第一ステージと共に、または第一ステージなしで使用される、バッテリ充電電流に基づいて反応物質の分圧を制御するための代替制御回路を示した、燃料電池システムの第二ステージの電気的概略図である。FIG. 5B shows the second stage electricity of the fuel cell system showing an alternative control circuit for controlling the reactant partial pressure based on the battery charge current, used with or without the first stage. FIG. 図5Cは第一ステージと共に、または第一ステージなしで使用される、バッテリ電圧に基づいて反応物質の分圧を制御するための代替制御回路を示した、燃料電池システムの第二ステージの電気的概略図である。FIG. 5C shows an alternative control circuit for controlling the reactant partial pressure based on battery voltage, used with or without the first stage, in the second stage of the fuel cell system. FIG. 図6Aは図5Aの燃料電池システムの第二ステージの動作方法の例の流れ図である。FIG. 6A is a flowchart of an example of a method of operating the second stage of the fuel cell system of FIG. 5A. 図6Bは図5Bの燃料電池システムの第二ステージの動作方法の例の流れ図である。FIG. 6B is a flowchart of an example of a method of operating the second stage of the fuel cell system of FIG. 5B. 図6Cは図5Cの燃料電池システムの第二ステージの動作方法の例の流れ図である。6C is a flowchart of an example of an operation method of the second stage of the fuel cell system of FIG. 5C. 図7は分圧の5例に関して、燃料電池スタック例の分極曲線のグラフ表示である。FIG. 7 is a graphical representation of the polarization curve of an example fuel cell stack for five examples of partial pressure. 図8は燃料電池スタックの一部がバッテリの一部に相互接続されている、図1の燃料電池システムの代替実施形態の概略図である。FIG. 8 is a schematic diagram of an alternative embodiment of the fuel cell system of FIG. 1, wherein a portion of the fuel cell stack is interconnected to a portion of the battery. 図9A−9Fは燃料電池スタックがバッテリの排流または再充電なしで負荷に充分に電力供給している、燃料電池システムのスタック電流、バッテリ電流、および負荷電流、バッテリ電圧およびバス電圧、および負荷抵抗に関する一連のグラフである。9A-9F illustrate fuel cell system stack current, battery current, and load current, battery voltage and bus voltage, and load when the fuel cell stack is sufficiently powering the load without draining or recharging the battery. It is a series of graphs regarding resistance. 図10A−10Cは燃料電池スタックから不足分を補うためにバッテリが負荷の電流を供給し、後に燃料電池スタックがバッテリを再充電する、燃料電池システム用のスタック電流、バッテリ電流、および負荷電流の時間経過を経た一連のグラフである。FIGS. 10A-10C show the stack current, battery current, and load current for a fuel cell system, where the battery supplies load current to make up for the shortage from the fuel cell stack, and the fuel cell stack later recharges the battery. It is a series of graphs over time. 図11は所望の電圧および所望の電流で負荷に電力を供給するために電気的に直列に結合可能な燃料電池システムの一次元アレイを形成する幾つかの個別燃料電池システムを含む、負荷に電力を供給する電力供給システムの概略図である。FIG. 11 illustrates power to a load including several individual fuel cell systems that form a one-dimensional array of fuel cell systems that can be electrically coupled in series to power a load at a desired voltage and current. It is the schematic of the electric power supply system which supplies 図12はさまざまな直列および並列の組合せで電気的に結合可能な燃料電池システムの二次元アレイを形成する幾つかの燃料電池システムを含む、電力供給システムの概略図である。FIG. 12 is a schematic diagram of a power supply system including several fuel cell systems that form a two-dimensional array of fuel cell systems that can be electrically coupled in various series and parallel combinations. 図13は第一の出力電圧および第一の出力電流で所望の出力電力を供給するために電気的に直列に結合された、図12の幾つかの燃料電池システムを示した概略図である。13 is a schematic diagram illustrating several of the fuel cell systems of FIG. 12 electrically coupled in series to provide a desired output power at a first output voltage and a first output current. 図14は第二の出力電圧および第二の出力電流で所望の出力電力を供給するために電気的に並列に結合された、図12の幾つかの燃料電池システムを示した概略図である。FIG. 14 is a schematic diagram illustrating several fuel cell systems of FIG. 12 electrically coupled in parallel to provide a desired output power at a second output voltage and a second output current. 図15は第三の出力電圧および第三の出力電流で所望の出力電力を供給するために電気的に直列に結合された、図12の幾つかの燃料電池システムを示した概略図である。FIG. 15 is a schematic diagram illustrating several fuel cell systems of FIG. 12 electrically coupled in series to provide a desired output power at a third output voltage and a third output current. 図16は故障の燃料電池システムを冗長燃料電池システムで置き換えることを含む、一実施形態による図11および12の電力供給システムの動作方法の流れ図である。FIG. 16 is a flowchart of a method of operating the power supply system of FIGS. 11 and 12 according to one embodiment, including replacing a failed fuel cell system with a redundant fuel cell system. 図17は図16の方法に組み込むための動作ステップの流れ図である。FIG. 17 is a flowchart of operational steps for incorporation into the method of FIG. 図18は図16の方法を組み込むための動作ステップの流れ図である。FIG. 18 is a flowchart of operational steps for incorporating the method of FIG. 図19は所望の電力、電圧、および電流出力を生成するために、幾つかの燃料電池システムを決定された直列および/または並列の組合せで電気的に結合することを含む、付加的な、または代替の実施例による、図11および12の電力供給システムの動作方法の流れ図である。FIG. 19 includes additional or including electrically coupling several fuel cell systems in a determined series and / or parallel combination to produce the desired power, voltage, and current output. 13 is a flow diagram of a method of operation of the power supply system of FIGS. 11 and 12, according to an alternative embodiment.

Claims (79)

燃料電池システムであって、
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.
調整回路が、
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.
前記調整回路が、
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:
前記調整回路が、
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.
前記直列通過素子が電界効果トランジスタを備え、さらに、
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.
前記バッテリの少なくとも一部が前記燃料電池スタックの少なくとも一部と電気的に並列に結合された請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein at least a part of the battery is electrically coupled in parallel with at least a part of the fuel cell stack. 前記調整回路が、
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.
前記調整回路が、
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.
前記調整回路は幾つかの離散型積分器またはマイクロプロセッサのいずれかを備えた請求項1に記載の回路。   The circuit of claim 1 wherein the conditioning circuit comprises any of a number of discrete integrators or microprocessors. 前記制御回路が、前記直列通過素子の両端間の電圧を判定する電圧センサと、前記直列通過素子の両端間の前記判定された電圧と所望の電圧とを比較するために結合された比較器とを備えた請求項1に記載の燃料電池システム。   A voltage sensor for determining a voltage across the series pass element; and a comparator coupled to compare the determined voltage across the series pass element with a desired voltage. The fuel cell system according to claim 1, comprising: 前記所望の電圧は前記直列通過素子用の飽和レベルの約75%から95%の間に相当する請求項14に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system of claim 14, wherein the desired voltage corresponds to between about 75% and 95% of a saturation level for the series pass element. 前記制御回路は、前記バッテリの所定の動作状態の少なくとも1つだけ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、請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system of claim 1, wherein the control circuit is coupled to control at least the first control element based only on at least one predetermined operating state of the battery. 前記制御回路は、前記直列通過素子の両端間の判定された偏差だけ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、請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system of claim 1, wherein the control circuit is coupled to control at least the first control element based solely on a determined deviation between the ends of the series pass element. 燃料電池スタックと、バッテリと、直列通過素子とを有する燃料電池システム用の回路であって、
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.
バッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差を判定するための積分手段と、
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.
前記直列通過素子の両端間の電圧の偏差を判定する手段をさらに備えた請求項14または15に記載の回路。   16. The circuit according to claim 14, further comprising means for determining a voltage deviation between both ends of the series pass element. 燃料電池システムの動作方法であって、
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.
前記第一ステージと前記第二ステージとは同時に行われる請求項17に記載の方法。   The method of claim 17, wherein the first stage and the second stage are performed simultaneously. 前記直列通過素子の入力側で第一電位を判定するステップと、
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充電電流とバッテリ充電電流制限値との差を積分することによって、バッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との差を判定するステップと、
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. .
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選択するステップと、
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.
バッテリの近隣温度を判定するステップと、
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.
最初にバッテリ充電電流とバッテリ充電電流制限値との判定された差に応答し、二番目にバッテリ電圧とバッテリ電圧制限値との判定された差に応答し、三番目にスタック電流とスタック電流制限値との判定された差に応答して、チャージポンプからの電荷を前記直列通過素子の制御端子に選択的に結合するステップをさらに含む、請求項17に記載の方法。   Responds first to the determined difference between battery charge current and battery charge current limit, second to respond to determined difference between battery voltage and battery voltage limit, and third to stack current and stack current limit The method of claim 17, further comprising selectively coupling charge from a charge pump to a control terminal of the series pass element in response to the determined difference from the value. 前記所望の飽和レベルは完全飽和の約75%から95%の間にある請求項17に記載の方法。   The method of claim 17, wherein the desired saturation level is between about 75% and 95% of full saturation. 前記バッテリの前記所望の動作状態は期間を経たバッテリへの、またはそこからの電流の流れ、バッテリの両端間の電圧、およびバッテリ充電量の少なくとも1つである請求項17に記載の方法。   The method of claim 17, wherein the desired operating state of the battery is at least one of a current flow to or from the battery over time, a voltage across the battery, and a battery charge. 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、前記燃料電池スタックの少なくとも一部への燃料の流れの分圧を調整することと、前記燃料電池スタックの少なくとも幾つかの部分へのオキシダント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19に記載の方法。   Adjusting the partial pressure of the reactant flow to at least a portion of the fuel cell stack includes adjusting the partial pressure of the fuel flow to at least a portion of the fuel cell stack; 20. A method according to claim 17 or 19, comprising adjusting the partial pressure of the oxidant stream to at least some parts. 前記反応物質の流れの分圧を調整しつつ、少なくとも1つの反応物質の流れの圧力を保持するステップをさらに含む請求項17、19、または26に記載の方法。   27. The method of claim 17, 19 or 26, further comprising maintaining a pressure of at least one reactant stream while adjusting a partial pressure of the reactant stream. 燃料電池システムであって、
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.
前記調整回路が、
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.
前記調整回路が、
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.
燃料電池システム用の回路であって、
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.
燃料電池システムの動作方法であって、
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.
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選択するステップと、
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.
燃料電池システムであって、
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.
前記制御回路が、前記直列通過素子の両端間の電圧を判定するための電圧センサと、反対された前記直列通過素子の両端間の電圧を所望の電圧と比較するように結合された比較器とを備えた請求項34に記載の燃料電池システム。   A voltage sensor for determining the voltage across the series pass element and a comparator coupled to compare the voltage across the opposite series pass element with a desired voltage; A fuel cell system according to claim 34, comprising: 前記制御回路が、判定された前記直列通過素子の両端間の電圧と、前記直列通過素子の飽和レベルの約75%から95%の間に相当する所望電圧とを比較する比較器を備えた請求項34または35に記載の燃料電池システム。   The control circuit comprises a comparator that compares the determined voltage across the series pass element to a desired voltage corresponding to between about 75% and 95% of the saturation level of the series pass element. Item 36. The fuel cell system according to Item 34 or 35. 燃料電池システム用の回路であって、
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.
直列通過素子を有する燃料電池システムの動作方法であって、
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入力側で第一電位を判定するステップと、
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.
前記判定された電圧の偏差の数量を判定するステップは、前記判定された電圧と、前記直列通過素子の飽和レベルの比率に相当する値との差を判定することを含み、前記比率は約75%から約95%の間にある請求項38に記載の方法。   Determining a quantity of the determined voltage deviation includes determining a difference between the determined voltage and a value corresponding to a ratio of a saturation level of the series pass element, wherein the ratio is about 75. 40. The method of claim 38, wherein the method is between about 95% and about 95%. 負荷に電力を供給するための燃料電池システムであって、
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.
前記バッテリへの、またそこからの電流の流れを測定し、かつ該測定された電流の流れを前記バッテリの動作状態に対応する信号として前記制御回路に供給するように結合された電流センサをさらに備えた請求項41に記載の燃料電池システム。   A current sensor coupled to measure current flow to and from the battery and to supply the measured current flow to the control circuit as a signal corresponding to the operating state of the battery; 42. A fuel cell system according to claim 41, comprising: 前記バッテリの両端間の電圧を測定し、かつ該測定された電圧を前記バッテリの動作状態に対応する信号として前記制御回路に供給するように結合された電圧センサをさらに備えた請求項41に記載の燃料電池システム。   42. A voltage sensor coupled to measure a voltage across the battery and supply the measured voltage to the control circuit as a signal corresponding to an operating state of the battery. Fuel cell system. 負荷に電力を供給するための燃料電池システムの動作方法であって、
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.
前記バッテリの動作状態を判定するステップは、期間を経た前記バッテリへの、またそこからの電流の流れを判定するステップを含む請求項44に記載の方法。   45. The method of claim 44, wherein determining the operating state of the battery includes determining a current flow to and from the battery over time. 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は、規定された所望の公称充電量と、期間を経た前記バッテリへの、またそこからの電流の流れとの差を積分するステップを含む請求項44または45に記載の方法。   Determining the amount of deviation of the determined operating state of the battery from the desired operating state of the battery includes: defining and specifying a desired nominal charge amount to and from the battery over time. 46. A method according to claim 44 or 45, comprising integrating the difference from the current flow. 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は、規定された所望の公称充電量と、期間を経た前記バッテリへの、またそこからの電流の流れとの差を積分するステップを含み、前記所望の公称充電量は前記バッテリのフル充電の約75%から85%の間にある請求項44または45に記載の方法。   Determining the amount of deviation of the determined operating state of the battery from the desired operating state of the battery includes: defining and specifying a desired nominal charge amount to and from the battery over time. 46. The method of claim 44 or 45, comprising integrating a difference from current flow, wherein the desired nominal charge is between about 75% and 85% of full charge of the battery. 前記バッテリの動作状態を判定するステップは前記バッテリの両端間の電圧を判定するステップを含む請求項44に記載の方法。   45. The method of claim 44, wherein determining the operating state of the battery includes determining a voltage across the battery. 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は、判定された前記バッテリ充電量と規定された所望の公称バッテリ充電量とを比較するステップを含む請求項44または45に記載の方法。   Determining the amount of deviation of the determined operating state of the battery from the desired operating state of the battery comprises comparing the determined battery charge to a defined desired nominal battery charge 46. The method of claim 44 or 45, comprising: 電力供給システムであって、
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.
前記第一燃料電池システムは第一燃料電池スタックと、該第一燃料電池スタックに電気的に並列に結合された第一蓄電器とを備え、かつ前記第二燃料電池システムは第二燃料電池スタックを備え、第二蓄電器が前記第二燃料電池スタックに電気的に並列に結合された請求項50に記載の電力供給装置。   The first fuel cell system includes a first fuel cell stack and a first capacitor electrically connected in parallel to the first fuel cell stack, and the second fuel cell system includes a second fuel cell stack. 51. The power supply apparatus according to claim 50, further comprising: a second battery that is electrically coupled to the second fuel cell stack in parallel. 前記第一燃料電池システムと前記第二燃料電池システムとは請求項1、14、28、または39に記載の燃料電池システムである請求項50に記載の電力供給システム。   51. The power supply system according to claim 50, wherein the first fuel cell system and the second fuel cell system are fuel cell systems according to claim 1, 14, 28, or 39. 前記第一スイッチは接触器およびトランジスタの一方である請求項50または52に記載の電力供給システム。   53. The power supply system according to claim 50 or 52, wherein the first switch is one of a contactor and a transistor. 第三燃料電池システムと、
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.
第三燃料電池システムと、
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.
前記第一スイッチは前記第一燃料電池システムの状態に応じて選択的に動作可能であるとともに、
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.
前記第一スイッチは前記第一燃料電池システムの状態に応じて選択的に動作可能であるとともに、
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.
前記第一スイッチは前記第一燃料電池システムの状態に応じて選択的に動作可能であるとともに、
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.
前記第一スイッチは前記第一燃料電池システムの状態に応じて選択的に動作可能であるとともに、
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.
前記第一スイッチは前記第一燃料電池システムの状態に応じて選択的に動作可能であるとともに、
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.
電力供給システムであって、
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.
各々が前記それぞれ1つの燃料電池システムの動作状態とは異なる動作状態に応答して、前記燃料電池システムのそれぞれ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追加の幾つかの冗長スイッチをさらに備えた請求項60に記載の電力供給システム。   Additional operation each selectively operable to electrically couple each one of the fuel cell systems to the power bus in response to an operating condition different from the operating condition of the respective one fuel cell system. The power supply system of claim 60, further comprising a number of redundant switches. 前記第一冗長スイッチが応答する動作条件は、前記第一冗長スイッチが前記電力バスに電気的に結合するよう選択的に動作可能である、それぞれ最初の燃料電池システム以外の少なくとも1つの燃料電池システムの動作状態である請求項60に記載の電力供給システム。   The operating condition to which the first redundant switch responds is at least one fuel cell system other than the first fuel cell system, each of which is selectively operable to electrically couple the first redundant switch to the power bus. The power supply system according to claim 60, wherein the power supply system is in an operating state. 前記第一冗長スイッチが応答する動作条件は、前記第一冗長スイッチが前記電力バスに電気的に結合するよう選択的に動作可能である、それぞれ最初の燃料電池システム以外の少なくとも1つの燃料電池システムの出力での電圧である請求項60に記載の電力供給システム。   The operating condition to which the first redundant switch responds is at least one fuel cell system other than the first fuel cell system, each of which is selectively operable to electrically couple the first redundant switch to the power bus. 61. The power supply system of claim 60, wherein the power supply system is a voltage at the output of. 前記各々の燃料電池システムはさらに、前記それぞれの燃料電池システムも動作パラメータのセットを判定するための幾つかのセンサと、判定された前記動作パラメータのセットに基づいて前記それぞれの燃料電池システムの動作状態を判定するように構成されたプロセッサとを備えたとともに、前記第一冗長スイッチが応答する動作条件は少なくとも1つの前記プロセッサによって判定された動作条件である請求項60に記載の電力供給システム。   Each of the fuel cell systems further includes a number of sensors for determining a set of operating parameters for the respective fuel cell system and an operation of the respective fuel cell system based on the determined set of operating parameters. 61. The power supply system of claim 60, further comprising: a processor configured to determine a state, wherein the operating condition to which the first redundant switch responds is an operating condition determined by at least one of the processors. 前記第一冗長スイッチが応答する動作状態は、前記電力バスの電力出力、該電力バスの両端間の電圧、前記電力バスの電流出力、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、前記電力供給システムの所望の公称電流出力のうちの少なくとも1つである請求項60に記載の電力供給システム。   The operating state to which the first redundant switch responds is the power output of the power bus, the voltage across the power bus, the current output of the power bus, the desired nominal power output of the power supply system, the power supply system 61. The power supply system of claim 60, wherein the power supply system is at least one of a desired nominal voltage output of the power supply system and a desired nominal current output of the power supply system. 前記複数個の燃料電池システムの各々から動作パラメータのセットを受信するように通信可能に結合されていて、前記動作パラメータのセットに基づいて前記燃料電池システムの動作状態を判定するコントローラをさらに備えたとともに、前記第一冗長スイッチが応答する動作状態は前記コントローラによって判定された動作状態である請求項60に記載の電力供給システム。   A controller communicatively coupled to receive a set of operating parameters from each of the plurality of fuel cell systems, further comprising a controller that determines an operating state of the fuel cell system based on the set of operating parameters. The power supply system according to claim 60, wherein the operation state to which the first redundant switch responds is the operation state determined by the controller. 少なくとも2つの燃料電池システムと、
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.
前記少なくとも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は、前記各燃料電池システム用のそれぞれのスイッチを備え、該各スイッチは前記他の燃料電池システムの少なくとも1つの動作状態に応答する請求項68に記載の電力供給システム。   The means for selectively electrically connecting the at least two fuel cell systems in series comprises a respective switch for each of the fuel cell systems, each switch being at least one of the other fuel cell systems. 69. The power supply system of claim 68, responsive to an operating condition. 少なくとも第一および第二燃料電池システムを有する電力供給システムの動作方法であって、
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.
故障状態の存在を判定するステップは、出力電力、出力電圧、出力電流、バッテリ電流、バッテリ電圧、スタック電流、周囲の水素レベル、周囲の酸素レベル、および前記第一燃料電池システムへの反応物質の流れのすきなくとも1つをモニターすることを含む請求項70に記載の方法。   Determining the presence of a fault condition includes output power, output voltage, output current, battery current, battery voltage, stack current, ambient hydrogen level, ambient oxygen level, and reactant to the first fuel cell system. 71. The method of claim 70, comprising monitoring at least one of the flows. 複数個の燃料電池システムと、電力バスに電気的に直列に結合された第一の幾つかの燃料電池システムと、電力バスに電気的に直列に結合された第二の幾つかの燃料電池システムとを含む燃料電池システムの動作方法であって、
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.
前記故障状態を有する前記燃料電池システムの少なくとも1つを交換用燃料電池システムと交換するステップと、
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:
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、自動的に前記第二の幾つかの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は、前記第位置の幾つかの燃料電池システムの少なくとも1つの出力電力、出力電流、および出力電圧の少なくとも1つの故障状態に関連する減少に比例して前記燃料電池と前記電力バスとの間に電気的に結合された第一トランジスタを起動させるステップを含む請求項72、または73に記載の方法。   In order to maintain an electrical output on the power bus of the fuel cell system, the second several fuel cell systems are automatically connected to the power bus in response to determining the presence of the fault condition. Coupling in series with said fuel cell in proportion to a decrease associated with at least one fault condition of at least one output power, output current, and output voltage of several fuel cell systems in said first position. 74. A method according to claim 72 or 73, comprising activating a first transistor electrically coupled to the power bus. 少なくとも幾つかを電力バスに選択的に結合可能である複数個の燃料電池システムを有する電力供給システムの動作方法であって、
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.
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は、前記燃料電池システムの少なくとも2つを電気的に直列に結合するために前記スイッチの少なくとも1つを閉じることを含む請求項75に記載の方法。   Automatically activating several switches to electrically couple the number of fuel cell systems to the power bus in the determined electrical configuration comprises electrically connecting at least two of the fuel cell systems. 76. The method of claim 75, further comprising closing at least one of the switches to couple in series. 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は、前記燃料電池システムの少なくとも2つを電気的に並列に結合するために前記スイッチの少なくとも1つを閉じることを含む請求項75に記載の方法。   Automatically activating several switches to electrically couple the number of fuel cell systems to the power bus in the determined electrical configuration comprises electrically connecting at least two of the fuel cell systems. 76. The method of claim 75, further comprising closing at least one of the switches to couple in parallel. 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は、前記燃料電池システムの少なくとも2つを電気的に直列に結合するために前記スイッチの少なくとも第一の1つを閉じ、かつ少なくとも1つの前記燃料電池システムを直列に結合された前記燃料電池システムの少なくとも2つと電気的に並列に結合するために前記スイッチの少なくとも第二の1つを閉じることを含む請求項75に記載の方法。   Automatically activating several switches to electrically couple the number of fuel cell systems to the power bus in the determined electrical configuration comprises electrically connecting at least two of the fuel cell systems. Closing at least a first one of the switches to be coupled in series and electrically coupling at least one of the fuel cell systems in parallel with at least two of the fuel cell systems coupled in series 76. The method of claim 75, further comprising closing at least a second one of the switches. 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は、前記燃料電池システムの少なくとも2つを電気的に並列に結合するために前記スイッチの少なくとも第一の1つを閉じ、かつ少なくとも1つの燃料電池を並列に結合された前記燃料電池システムの2つと電気的に直列に結合するために前記スイッチの少なくとも第二の1つを閉じることを含む請求項75に記載の方法。   Automatically activating several switches to electrically couple the number of fuel cell systems to the power bus in the determined electrical configuration comprises electrically connecting at least two of the fuel cell systems. The switch for closing at least a first one of the switches to be coupled in parallel and electrically coupling at least one fuel cell with two of the fuel cell systems coupled in parallel 76. The method of claim 75, comprising closing at least a second one of the two.
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