JP2012511886A - 電流を電気ネットワークへ供給する燃料電池デバイス及び方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、電気ネットワーク(125)へ電流を入力する燃料電池デバイスによる電流生成方法に関する。この方法で、少なくとも1つの燃料電池デバイス(123)は電気ネットワークに並列接続されるよう配置され、電流の入力において利用される位相基準信号が形成され、燃料電池デバイスが電気ネットワークに並列接続されている場合は、電力段(122)を有する電力変換器(122)によって制御される電流が電気ネットワークに入力され、電気ネットワークで異常が起こる場合は、燃料電池デバイスは電気ネットワークから切り離される。方法において、燃料電池デバイスは、電力変換器の電圧制御動作を行うよう位相基準信号を用いて電気ネットワークからのスイッチオフ動作モードへと変更され、可制御負荷(126)が、電圧制御される電力変換器と燃料電池デバイスの他の部分との間の安定性を保つために用いられ、異常が電気ネットワークから消え去った場合は、燃料電池デバイスは、電力変換器の電流制御動作を行うよう位相基準信号を用いて電気ネットワークへのスイッチオン動作モードへと変更される。
Description
燃料電池デバイスは、多用な電力生産ニーズを満たすことにおいて一般的になってきている。燃料電池デバイスは、電気エネルギを生成する反応物質を供給された電気化学的デバイスである。
燃料電池デバイスは電気化学的デバイスであって、環境に優しいプロセスにおいて高いデューティ比を有した電気の生成を可能にする。燃料電池技術は、最も期待できる将来のエネルギ生成方法の1つと考えられている。
図1に示されている燃料電池は、アノード側100及びカソード側102と、それらの間の電解質104とを有する。燃料電池デバイスに与えられる反応物質は、電気エネルギ及び熱が発熱反応の結果として生成されるプロセスを受ける。
固体電解質型燃料電池(SOFC)においては、酸素106がカソード側102に与えられ、そして、それは、カソードから電子を受け取ることによって、負の酸素イオンへ還元される。負の酸素イオンは、電解質104を通ってアノード側100に進み、そこで、水と一般的には二酸化炭素(CO2)とを生成しながら使用済み燃料108と反応する。アノードとカソードとの間には、電子e−をカソードに運ぶ外部電気回路111がある。外部電気回路111は負荷110を有する。
図2にはSOFCデバイスが示されている。これは、燃料として、例えば、天然ガス、バイオガス、メタノール、又は炭化水素を含む他の化合物を利用することができる。図2におけるSOFCデバイスは、スタック構造103(SOFCスタック)で平面状燃料電池を有する。各燃料電池は、図1に示されているようなアノード110及びカソード102構造を有する。使用済み燃料の一部は、夫々のアノードを通ってフィードバック配置109で再循環する。
図2におけるSOFCデバイスは、燃料熱交換器105及び再成形器(REF)107を有する。熱交換器は、燃料電池プロセスにおける温熱条件を制御するために用いられ、それらの1又はそれ以上がSOFCデバイスの様々な場所に配置されてよい。循環ガスに含まれる余分の熱エネルギは、熱回収ユニットにおいて外部で、又はSOFCデバイスにおいて利用されるよう熱交換器105で回収される。このように、熱回収を行う熱交換器は、図2に示される様々な場所にあってよい。再成形器は、例えば天然ガス等の燃料を、燃料電池に適した配合に、例えば、半分が水素、残り半分がメタン、二酸化炭素及び不活性ガスから成る配合に変換するデバイスである。なお、再成形器は、全ての燃料電池の実施に必要ではなく、未処理燃料が燃料電池103に直接に供給されてもよい。
測定手段(MES)115(例えば、燃料流量計、電流計及び温度計)を用いることで、アノードを通って循環するガスから、SOFCデバイスの動作に係る必要な測定が行われる。燃料電池103のアノード100(図1)で使用されるガスの一部しか、フィードバック配置109においてアノードを通って再循環せず、従って、図2には、残りのガスがアノード100から排出されることも図式的に表されている。
燃料電池デバイスは、低い電圧レベルを有する直流の形で電気エネルギを生成する。電圧レベルは、複数の燃料セル又は燃料セルの組合せを結合して、例えばスタック構造等の直列接続を形成することによって、高められ得る。燃料電池の電流−電圧特性は、例えば、反応物質の組成、質量流、温度及び圧力に依存する。燃料電池における電気化学反応は、燃料電池負荷の変動に即座に反応する。しかし、反応物質投入システムの応答能力は、通常はずっと遅く、応答時間は数秒又は数分である。一般的な反応物質投入が可能にするよりも効率的な燃料電池を得ようとする場合、燃料電池電圧の低下が引き起こされ、更には、燃料電池の不可逆的な劣化が起こり得る。加えて、負荷の変化は、燃料電池における急な温度変化を引き起こし、特に、高温の燃料電池では、有害な熱機械ストレスを引き起こして、燃料電池の寿命及び性能の有意な低下をもたらす。このように、燃料電池システムは、各燃料電池の負荷が可能な限り一定に保たれ、且つ、負荷において起こり得る変化が可能な限り制御可能に起こるように、設計されるべきである。
燃料電池が独立型可変AC負荷を得るために、又は電力を供給網に供給するために使用される場合、DC−ACコンバータがDC電力をAC電力に変換するために必要とされる。また、DC−ACコンバータに適したレベルへと燃料電池から得られたDC電圧を高めるためにDC−DCコンバータも必要とされることがある。しかし、負荷の変動に応答するための燃料電池の極めて限られた能力及び互換性のために、先行技術の燃料電池実施、特に、高温燃料電池実施は、独立型可変AC負荷に給電するための、又は可変な電力を供給網に供給するための電源として全く適用しない。このような問題を解消しようとする従来の方法は、例えば鉛酸蓄電池から成るエネルギバッファの使用である。エネルギバッファの機能は、燃料電池の負荷変動が制御されるように、急激に変化する条件において電力を供給又は消費することである。特に、大型の燃料電池システムでは、先行技術の実施に伴う欠点は、その高い費用、大きなサイズ及び重い重量並びに限られた効果のために、ますます深刻になっている。電気ネットワークに結合された用途では、燃料電池負荷を一定に保つ代替の先行技術実施は、電力をネットワークに供給することにおいて電流制御型変圧を使用することである。しかし、電流制御された変圧に基づく制御は、ネットワークに依存しない動作では適切ではなく、従って、燃料電池システムの中又は外の重大なAC負荷のための非常電源として使用され得ない。
高温燃料電池システムは、システムを動作温度まで加熱するために大量の熱エネルギを必要とする。これに伴い、起動時間は数時間の長さに及ぶ。停止及び起動シーケンスにおける広い温度変化は、燃料電池及び関連するシステムコンポーネントを過度の熱機械ストレスに晒す。従って、高温燃料電池システムは、如何なる停止も伴うことなく、数千時間といった可能な限り長い時間にわたって連続的に動作するよう設計されなければならない。この目的を達成するよう、システムは、高い信頼性を満足しながら、システムを停止させ又はシステムを有害な動作条件へと駆動しうるこのような外部要因を最小限とするよう設計されなければならない。電流制御型コンバータは、電源異常、電圧ディップ、又は過渡電流等の様々なネットワーク崩壊から起こる燃料電池を負荷の突然の変化から保護することができないという問題を燃料電池用途において抱えている。
本発明の目的は、電気エネルギのための別個の蓄積配置を伴わない燃料電池デバイスを実現することであり、その燃料電池デバイスは品質の良い電流を電気ネットワークへ供給するとともに、異常が電気ネットワークで起こる場合は、他の機能に利用されるよう即座に電気ネットワークからのスイッチオフ動作モードへと変化する。
上記目的は、電気ネットワークへの電流を生成する燃料電池デバイスによって達成される。少なくとも1つの燃料電池デバイスは、前記電気ネットワークに並列接続されるよう配置され、当該燃料電池デバイスが前記電気ネットワークに並列接続されている場合に電流を前記電気ネットワークに入力するよう、電流制御型電力段、及び前記電流の入力において利用される位相基準信号を形成する制御回路を有する電力変換器と、当該燃料電池デバイスの電力安定性を保つ可制御負荷と、前記電気ネットワークで異常が起こる場合に前記電気ネットワークから当該燃料電池デバイスを切り離す手段とを有し、前記電力変換器は、当該電力変換器の電圧制御動作を行うよう前記位相基準信号を用いることによって前記燃料電池デバイスを前記電気ネットワークからのスイッチオフ動作モードへ変化させ、前記可制御負荷は、前記電圧制御される電力変換器と前記燃料電池デバイスの他の部分との間で電力安定性を保ち、前記異常が前記電気ネットワークから消え去った場合、前記電力変換器は、当該電力変換器の電流制御動作を行うよう前記位相基準信号を用いることによって前記燃料電池デバイスを前記電気ネットワークへのスイッチオン動作モードへ変化させる。
本発明の焦点は、また、電気ネットワークへ電流を入力する燃料電池デバイスによって電流を生成する方法である。当該方法において、少なくとも1つの燃料電池デバイスが前記電気ネットワークに並列接続されるよう配置され、前記電流の入力において利用される位相基準信号が形成され、前記燃料電池デバイスが前記電気ネットワークに並列接続されている場合に、電力段を有する電力変換器によって制御される電流が前記電気ネットワークに入力され、前記電気ネットワークで異常が起こる場合に前記電気ネットワークから前記燃料電池デバイスが切り離され、前記燃料電池デバイスは、前記電力変換器の電圧制御動作を行うよう前記位相基準信号を用いることによって前記電気ネットワークからのスイッチオフ動作モードへ変化させられ、可制御負荷は前記電圧制御される電力変換器と前記燃料電池デバイスの他の部分との間で電力安定性を保つために用いられ、前記異常が前記電気ネットワークから消え去った場合、前記燃料電池デバイスは、前記電力変換器の電流制御動作を行うよう前記位相基準信号を用いることによって前記電気ネットワークへのスイッチオン動作モードへ変化させられる。
本発明は、電流制御型電力変換トポロジが燃料電池セルの動作において利用され、且つ、位相基準信号が電流を電気ネットワークに入力することにおいて利用されることに基づく。異常が電気ネットワークで起こる場合、燃料電池デバイスは、スイッチオフを実行する手段を用いることによって、即座に電気ネットワークから切り離され、そして、位相基準信号及び可制御負荷を用いることによって、燃料電池デバイスは、本発明に従う燃料電池デバイスの一部が制御可能に電圧を操作する電気ネットワークからのスイッチオフ動作モードへと変更され、そして、可制御負荷を用いることによって、電力不均衡がバランスをとられる。
本発明の利点は、高価な別個の電気エネルギ蓄積配置を必要とすることなく様々な状況において安定した燃料電池負荷を確かにするという、燃料電池デバイスの実施における成功である。本発明の実施形態に従って、燃料電池デバイスの動作モードは、異常が電気ネットワークで検出されると直ぐに、燃料電池デバイスが電気ネットワークに並列接続される動作モードから、燃料電池デバイスが電気ネットワークから切り離される動作モードへ変更される。このように、燃料電池デバイスは、電気ネットワークの短期間の又は長期間の機能不良の間、動作し続けることができる。これにより、燃料電池デバイスの長期間の起動プロセスは無視され、電気ネットワークの機能不良の間、燃料電池デバイスの動作は、例えば携帯電話ネットワークの基地局132に対する非常電源として動作するように、何らかの他の目的に利用されてよい。電気ネットワークの機能不良が消え去った後、燃料電池デバイスの動作は、速やかに電気ネットワークに切り替えられるスイッチオン動作モードに戻され得る。このスイッチオン動作モードで、燃料電池デバイスは、電流を電気ネットワークに供給する。
本発明に従う実施形態において、燃料電池技術は、電流を電気ネットワーク125に供給することにおいて、更に、燃料電池デバイス123が未接続モードを実行するよう電気ネットワークから切り離される場合において、うまく利用される。以下の記載において、本発明の好ましい実施形態が詳細に説明されており、図3には、そのブロック図が示されている。少なくとも1つの燃料電池デバイスは、燃料電池デバイスによって生成される電気を電気ネットワークに供給するために、電気ネットワークに並列接続されるよう配置されている。燃料電池デバイスの電力変換器122は、燃料電池デバイス123が電気ネットワークに並列接続されている場合に、電流を電気ネットワークに入力するよう制御回路128及び電流制御型電力段124を有する。電圧変換トポロジは、電力段が有する電流制御型コンバータを用いることによって、例えば、電流制御型DC−DCコンバータを用いることによって実施される。このような電流制御される実施形態は、燃料電池の電圧の変動又はDC−ACコンバータの中間回路電圧の変動がある場合でさえ、燃料電池が求められる動作範囲内に保たれることを可能にする。多数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムでは、各スタックごとに又はスタックのグループごとに、燃料電池スタック間の負荷の分配の制御性を確かにするために、別個のDC−DCコンバータが使用されてよい。
電気ネットワークに対する燃料電池デバイス123のスイッチオン動作モードにおいて、燃料電池デバイスによって生成された電流は、三相電流制御型電力段122によって電気ネットワークへ供給される。電力変換器122は、電流を電気ネットワークに入力するよう位相基準信号を形成する制御回路128を有する。位相基準信号は、例えば、位相電流のための制御回路128における三相正弦波基準信号が本質的に一定に保たれるように、形成される。この位相基準信号、すなわち、正弦波基準信号は、三相メイン電圧と比較して、三相において固定された制御回路周波数によって形成される。オフセット値を正弦波基準信号に適用することによって、電気ネットワークに供給される電流の位相角は、遅延を有するよう又は先行するように自由に設定されたある制限内にある。また、振幅制御も制御回路128によって実行され、それにより、位相基準信号、すなわち、本例では正弦波基準信号は、電力段124の中間回路電圧から得られる振幅基準信号を乗じられる。このようにして、振幅制御は、電気ネットワークへのひずみのない電流の供給を可能にするのに十分な最低レベルにおいて実行されてよく、燃料電池デバイスの効率が最適化される。
本発明の好ましい実施形態においては、燃料電池デバイスを電気ネットワークから切り離す手段として、電気ネットワークで異常が起こると直ぐに、燃料電池デバイスを、電気ネットワークから切り離すスイッチオン動作モードへ切り替える保護リレー配置130が配置されている。電気ネットワークにおける異常は、例えば、電圧又は周波数検出に基づいて検出される。このスイッチオフは、送信器によって電力変換器122の制御回路128へ通知され、そして、制御回路を用いることによって、制御回路の内部正弦波基準信号に基づいて、燃料電池デバイスの動作は、電気ネットワークからのスイッチオフ動作モードへと直ちに移行する。電気ネットワークからのスイッチオフ動作モードにおいて、燃料電池デバイス123は電圧制御動作モードにおいて動作し、このモードでは、安定した、負荷に依存しない三相電圧が形成される。保護リレー130は、燃料電池デバイスが有する他の保護リレー131と通信するよう送信器−受信器配置を用いることによって配置されてよく、それにより、燃料電池デバイスは、負荷132(例えば、携帯電話ネットワーク基地局)を有する局所的な孤立したユニットを形成する。負荷132に対して、燃料電池デバイスは、必要に応じて、非常電源として働くことができる。ユニットの可能な他の電圧ユニットとの負荷の共有は、例えば、電力供給と周波数との間に負帰還を適用することによって、行われてよい。図3に示されている保護リレー131は、本発明の実施において必須ではない。
電気ネットワークからのスイッチオフ動作モードにおいて、燃料電池デバイス123の燃料電池は、電力安定性を保つための可制御負荷、すなわち、いわゆるバッファ負荷を用いることによって、一定負荷状態で維持される。バッファ負荷の負荷は、燃料電池から生成される電力と負荷の現在の実電力ニーズとの間の差に基づく差をなくすよう適合される。電気ネットワークから切り離した後、電力変換器122(本発明の1つの好ましい実施形態ではDC/ACコンバータである。)は、燃料電池103の負荷が電流制御可能であり続けるとしても、電圧制御動作モードにおいて動作すべきである。可制御負荷126は、このような電圧及び電流制御によって引き起こされる電力不均衡のバランスをとるために使用される。可制御負荷126の適応は、電力段の現在の中間回路電圧値に基づいて制御配置によって達成される。制御手段としては、例えば、トリガ角度が制御されるサイリスタコントローラが使用されてよい。可制御負荷126へ供給される電力量は、また、負荷への現在の電力供給を増大させるマージンを表す。電気エネルギ蓄積は、燃料電池デバイスが、その通常動作電力を生成するよりも長い期間AC電力を供給するよう意図される場合にのみ必要とされる。
電気ネットワーク125の機能不良は、長期間(停電)から極短い期間(例えば、電圧スパイク)の存続期間に依存して様々でありうる。機能不良が電気ネットワークから消え去ったと夫々検出されると、燃料電池デバイス123の動作は、また、電気ネットワークにスイッチオンするスイッチオン動作モードへ直ちに戻ってよく、燃料電池デバイスは電流を電気ネットワークに供給するようになる。このように、本発明の好ましい実施形態は、多種多様な電気ネットワークに接続可能な燃料電池デバイス用途のためのネットワーク双方向型電力平衡器として配されてよい。従って、電気ネットワークは、単相、二相、三相等の交流ネットワークであってよく、また、DC電力ネットワークが関係することができる。
例えば分割燃料電池システム等の、電気ネットワークとの並列動作を主として目的としている燃料電池デバイスは、電気エネルギを蓄積するための配置を有することなく動作する可能性を有するという大きな利点を有する。本発明に従う電気ネットワークへのスイッチオン動作モードにおいて、電気エネルギのための蓄積配置の欠如は、エネルギ蓄積の電気エネルギ量を十分に高く保つために別個に電気を生成する必要がないので、効率面で有利である。本発明に従う電気ネットワークからのスイッチオフ動作モードにおいて、抵抗で失われる電力は、当該動作モードの時間期間が比較的短いために、無意味である。電気エネルギ蓄積は燃料電池デバイスに関与しうるが、燃料電池デバイスは、ある最小負荷で動作すべきであり、それにより、温度バランスの要件は燃料電池デバイスの動作において満足する。本発明に従う実施形態で、燃料電池の最小許容負荷は、燃料電池の近くに抵抗負荷を設置することによって、更に、燃料電池を加熱する抵抗負荷の熱エネルギを用いることによって、及び/又は燃料電池デバイスが例えば携帯電話ネットワーク基地局等の外部負荷132のための非常電源として動作する場合に、低減され得る。
本願の明細書及び図面では、SOFC燃料電池デバイスで利用される本発明に従う好ましい実施形態が記載されているが、本発明の実施形態は、他のタイプの燃料電池デバイスで利用されてよいことに留意すべきである。本発明の好ましい実施形態において、電気ネットワークは、ほとんどの場合、一般的な配電網であるよう意図され、燃料電池デバイスによって生成されるDC電力は、例えば三相DC−AC変換を介して、電気ネットワーク供給される。本発明に従う実施形態では、多用な電気ネットワーク用途が実現可能であり、例えば、DC−AC変換は全ての用途で必要とされるわけではない。
本発明は添付の図面及び明細書を参照して提示されてきたが、本発明は、提示される実施形態に限られず、特許請求の範囲で認められる適用範囲内にある変形例を含むものである。
Claims (12)
- 電気ネットワークへの電流を生成する燃料電池デバイスであって、
少なくとも1つの燃料電池デバイスは、前記電気ネットワークに並列接続されるよう配置され、
当該燃料電池デバイスが前記電気ネットワークに並列接続されている場合に電流を前記電気ネットワークに入力するよう、電流制御型電力段、及び前記電流の入力において利用される位相基準信号を形成する制御回路を有する電力変換器と、
当該燃料電池デバイスの電力安定性を保つ可制御負荷と、
前記電気ネットワークで異常が起こる場合に前記電気ネットワークから当該燃料電池デバイスを切り離す手段と
を有し、
前記電力変換器は、当該電力変換器の電圧制御動作を行うよう前記位相基準信号を用いることによって前記燃料電池デバイスを前記電気ネットワークからのスイッチオフ動作モードへ変化させ、前記可制御負荷は、前記電圧制御される電力変換器と前記燃料電池デバイスの他の部分との間で電力安定性を保ち、
前記異常が前記電気ネットワークから消え去った場合、前記電力変換器は、当該電力変換器の電流制御動作を行うよう前記位相基準信号を用いることによって前記燃料電池デバイスを前記電気ネットワークへのスイッチオン動作モードへ変化させる、
ことを特徴とする燃料電池デバイス。 - 電流を前記電気ネットワークに入力するよう三相正弦波位相基準信号を形成する前記制御回路を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池デバイス。 - 当該燃料電池デバイスの効率を最適化するよう前記電気ネットワークへ無ひずみ電流を入力するために前記位相基準信号に振幅基準信号を乗じる前記制御回路を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池デバイス。 - 前記電流制御型電力段は中間回路を有し、前記振幅基準信号は該中間回路の電圧から得られる、
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池デバイス。 - 前記電気ネットワークから切り離される前記スイッチオフ動作モードにおいて当該燃料電池デバイスの動作を非常電源動作へと配置する前記可制御負荷を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池デバイス。 - 1よりも多い燃料電池スタックを有し、
前記燃料電池スタックの間の負荷の分配を制御するよう各燃料電池スタックごとに又は燃料電池スタックのグループごとに別個のDC−DCコンバータを有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池デバイス。 - 電気ネットワークへ電流を入力する燃料電池デバイスによって電流を生成する方法であって、
少なくとも1つの燃料電池デバイスが前記電気ネットワークに並列接続されるよう配置されるステップと、
前記電流の入力において利用される位相基準信号が形成されるステップと、
前記燃料電池デバイスが前記電気ネットワークに並列接続されている場合に、電力段を有する電力変換器によって制御される電流が前記電気ネットワークに入力されるステップと、
前記電気ネットワークで異常が起こる場合に前記電気ネットワークから前記燃料電池デバイスが切り離されるステップと、
前記燃料電池デバイスが、前記電力変換器の電圧制御動作を行うよう前記位相基準信号を用いることによって前記電気ネットワークからのスイッチオフ動作モードへ変化させられ、可制御負荷が前記電圧制御される電力変換器と前記燃料電池デバイスの他の部分との間で電力安定性を保つために用いられるステップと、
前記異常が前記電気ネットワークから消え去った場合、前記燃料電池デバイスが、前記電力変換器の電流制御動作を行うよう前記位相基準信号を用いることによって前記電気ネットワークへのスイッチオン動作モードへ変化させられるステップと
を有する、ことを特徴とする方法。 - 三相正弦波位相基準信号が、前記電気ネットワークへ電流を入力するために形成される、
ことを特徴とする請求項7に記載の方法。 - 前記位相基準信号は、前記燃料電池デバイスの効率を最適化するよう前記電気ネットワークへ無ひずみ電流を入力するために振幅基準信号を乗じられる、
ことを特徴とする請求項7に記載の方法。 - 前記振幅基準信号は、前記電力段の中間回路の電圧から得られる、
ことを特徴とする請求項9に記載の方法。 - 可制御負荷を用いることによって、前記燃料電池デバイスの動作は、前記電気ネットワークから切り離される前記スイッチオフ動作モードにおいて非常電源モードへと配置される、
ことを特徴とする請求項7に記載の方法。 - 別個のDC−DCコンバータを用いることによって、燃料電池スタックごとに又は燃料電池スタックのグループごとに、前記燃料電池スタック間の負荷の分配又は前記燃料電池スタックのグループ間の負荷の分配が制御される、
ことを特徴とする請求項7に記載の方法。
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