JP2015534229A - 燃料電池フリートの最適化 - Google Patents

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Abstract

燃料電池フリートは、それぞれがデータサーバに接続された複数の燃料電池システムを有する。データサーバは、複数の燃料電池システムから運転データを取得するように構成され得る。効率制御装置がデータサーバに操作可能に接続され、かつこれは運転データからフリートの効率および電力出力を予測し、かつフリートの効率を最適化して、所望のフリート出力電力を維持すると同時にフリートの燃料消費を最小化するように構成されている。効率は、フリートの燃料消費に対するフリートの出力電流または出力電力の比によって決定され得る。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる、2012年9月25日に出願された米国特許非仮出願第13/626,560号の恩典を主張する。
背景
本発明は概して発電の最適化および管理の分野に関する。具体的には、本発明は、ある目的または一連の目的を達成するための、燃料電池システムのフリートの運転最適化に関する。
以下、本発明の背景の説明は、単に本発明の理解における支援として提供されるものであり、本発明に先行する技術を説明または構成すると認めるものではない。
工業発電能力は、ある目的または一連の目的を達成するために管理される燃料電池モジュールのフリートとして顧客に提供され得る。目的は、発電が提供されるところのビジネスモデルに依存して異なり得る。
フリートの目的に関連する独立変数の間の複雑な相互作用を考慮すると、燃料電池システムからのリアルタイム運転データの収集およびフリート内システムの制御を自動化し、かつ1つまたは複数の運転目的を達成する必要性がある。
概要
ある態様は発電機に関する。燃料電池フリートが、それぞれがデータサーバに接続された複数の燃料電池システムを有する。データサーバは、複数の燃料電池システムから運転データを取得するように構成され得る。効率制御装置がデータサーバに操作可能に接続されている。効率制御装置は、運転データからフリートの効率および電力出力を予測し、かつフリートの効率を最適化して、所望のフリート出力電力を維持すると同時にフリートの燃料消費を最小化するように構成されている。効率は、フリートの燃料消費に対するフリートの出力電流または出力電力の比によって決定され得る。
別の態様は発電機に関する。燃料電池フリートが、それぞれがデータサーバに接続された複数の燃料電池システムを有する。この態様において、複数の燃料電池システムの少なくとも1つまたは複数が運転可能である。データサーバは、複数の燃料電池システムそれぞれから運転データを取得するように構成されている。データサーバは、全維持出力（total maintained output）（TMO）制御装置に操作可能に接続されている。TMO制御装置は、ある期間にわたり積分されたフリートのTMO電力を運転データから求め、この期間のTMO電力を、フリート用に設定されたTMO電力設定値と比較し、かつこの期間のTMO電力がTMO電力設定値よりも低いときに、フリートの運転可能な燃料電池システムの電力出力を増大させるように構成されている。
別の態様は、それぞれが複数の燃料電池モジュールを含む複数の燃料電池システムを有する燃料電池フリートの効率を最適化する方法に関する。フリートの所望の出力電力は電力制御装置によって設定される。フリートの効率は、電力制御装置によって設定されたフリートの出力電力を最適化するように効率制御装置を制御することによって達成される。効率は、フリートの燃料消費に対するフリートの出力電流または出力電力の比によって決定され得る。
別の態様は、燃料電池システムの効率を最適化する方法に関する。最も低い燃料利用率を有する、燃料電池システムの少なくとも1つのモジュール内の燃料電池セグメントを特定する。特定された燃料電池セグメントの出力電流を、電流のある増分だけ増大させる。モジュールを評価し、措置を講じる。たとえば、措置は、運転状態を維持すること、特定されたセグメントから電流の前記増分を除くこと、特定されたセグメントの出力電流を電流の第二の増分だけ増大させること、および電流の第三の増分を印加するための異なるセグメントを選択することを含み得る。
別の態様は、それぞれが複数の燃料電池モジュールを含む複数の燃料電池システムを有する燃料電池フリートの利益率を最適化する方法に関する。この方法は、フリートがモデル化された、フリートに関するプロセスデータにアクセスする工程；フリートのための最適化された制御変数を計算するために、モデルベースの費用関数を使用する工程；最適化された制御変数を確認する工程；最適化された制御変数をフリートに導入する工程；ならびにフリートが定常状態に達したのち、アクセスする工程、使用する工程、確認する工程および導入する工程を繰り返す工程を含む。前記の概要および以下の詳細な説明はいずれも、単なる例示および説明のためのものであり、特許請求の範囲に係わる発明を限定するものではないことが理解されよう。
本発明のこれらおよび他の特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、および以下に簡単に説明する添付図面に示す例示的態様から明らかになる。
モジュール方式発電フリートのブロック図である。 ある態様の発電フリートのブロック図である。 ある態様の発電フリートのブロック図である。 ある態様の発電フリートの運転を説明する流れ図である。 ある態様のモデルサーバを示すブロック図である。 ある態様のTMO制御の流れを示すブロック図である。 ある態様の燃料電池モジュールを示すブロック図である。 カラムi〜Nを有するホットボックスを示すブロック図である。 ある態様の最適化プロセスの論理の流れを示すシステムブロック図である。 いずれかの態様との使用に適したコンピューティング装置のシステムブロック図である。 いずれかの態様との使用に適したサーバ装置のシステムブロック図である。
詳細な説明
以下、添付図面を参照しながら本発明の態様を説明する。以下の説明は、本発明の例示的態様を説明することを意図したものであり、本発明を限定することを意図したものではないことが理解されよう。
発電を提供するために使用される設備が顧客に販売され得、その場合、顧客がフリートの運転の目的を決める。他方、フリートの供給者は、フリートの所有権を保持し、かつフリートによって生成された電力を顧客に販売し得る。この取り決めの下、供給者はフリートの目的を設定し、かつフリートを相応に管理する。任意の所与の時点で、燃料電池フリート内の1つの燃料電池システムの運転特性がフリート中の他の燃料電池システムの運転特性と異なることがある。加えて、部品故障、電力需要目的の変化および燃料電池フリートの燃料費の変化が、1つの目的を他の目的よりも増進させる場合がある。たとえば、支払い請求サイクル中に燃料電池フリートから一定量の電力を送り出す目的が優先されることがある。フリート内の燃料電池システムがオフラインである、または部分的能力でしか運転していない場合、発電の目的を果たすため、一時的に、燃料電池システムをその部品の寿命を維持するために運転するなどの他の目的を犠牲にする必要があることもある。
ある態様によると、個々の発電施設（たとえば燃料電池システム）の効率は電力出力および燃料入力によって決まる。燃料電池出力電力は、バランスオブプラント（BOP）装備を駆動するためのエネルギーを提供するために使用される。長期の運転ののち、燃料電池の電気抵抗が増す。これが、冷却のためにより多くのBOP装備を必要とし、燃料電池出力電圧の付随的低下を生じさせる。三つの要因が履歴ログデータから分析される。第一に、期待電力と実測電力との差を計測することによってBOP電力が計算される。第二に、電流および電圧計測値ならびに燃料電池のモデルからシステム中の燃料電池の抵抗が計算される。第三に、パワーコンディショナー（power conditioning system）（PCS）中の各部品の電力損失が計算される。これらの計算値それぞれは、電流、システム年数、および他のプロセス変数の関数であることができる。
これらの要因は、個々の燃料電池または燃料電池のスタックもしくはカラムに対する電流設定値に基づいて個々のシステムの出力電力および効率を予測する、個々の燃料電池システムそれぞれのモデルを作製するために使用される。フリートオプティマイザがモデルデータを使用して1つまたは複数のシステムのための効率および電力を予測する。そして、効率は、システム出力電力を維持し、システム寿命を延ばすと同時に燃料消費を最小化するように最適化される。
別の態様において、全維持出力（TMO）は、1つまたは複数の燃料電池システムの積分した時間平均出力電力である。TMOは、契約性能要件によって規定された、システム、顧客サイト、またはシステムのフリートの定格銘板出力電力のパーセンテージとして表される。TMOは、寿命、四半期、毎月、または毎週ベースで計算されることができる。TMO制御装置が、システムのフリートからの出力電力をモニタし、経時的に数値を積分し、その結果を、フリートに必要とされるTMO設定値と比較する。フリート中の1つまたは複数のシステムが停止された場合、TMO制御装置は、損失した出力電力を補うためにフリートへの電力コマンドを増大させる。電力の増大は、損失した出力電力によって生じた時間積分誤差を補正する。TMO電力コマンドがフリートオプティマイザに送られて燃料消費を最小化（効率を最大化）する。これが、各任意の支払い請求期間の最後で顧客に対する契約義務が正確に果たされることを可能にする。
本発明の態様の情況を提供するために、参照により本明細書に組み入れられる同一出願人による米国特許第7,599,760号からの図1〜4を以下に説明する。
図1はモジュール方式発電フリート1のブロック図である。発電フリート1は、少なくとも1つの燃料電池モジュール20で構成されている少なくとも1つの燃料電池クラスタまたはシステム10で構成されている。本明細書の中で「システム」および「クラスタ」は互換可能に使用される。たとえば、3つのクラスタまたはシステム10が示されている。各クラスタ10は、任意の適当な数のモジュール、たとえば1つまたは複数のモジュール20、たとえば1〜20個のモジュール、好ましくは4〜8個の燃料電池モジュールを含み得る。各クラスタ10はまた、オプションのパワーコンディショニング／電子部品（すなわちインバータおよび他の電子部品）および燃料処理（すなわち燃料取扱い、燃料コンプレッサ、脱硫器など）モジュールを含み得る。各モジュール20は、複数の燃料電池、たとえば2〜20個の燃料電池スタック、たとえば4〜8個のスタックおよび関連するバランスオブプラント部品を含む。モジュール20の非限定的な例が、いずれも参照により本明細書に組み入れられる、2004年12月3日出願の米国特許出願第11/002,681号および2006年1月23日出願の米国特許仮出願第60/760,933号に記載されている。好ましくは、燃料電池モジュールは、ホットボックス中に位置する1つまたは複数のカラムの中に配設された少なくとも1つの燃料電池スタックを含む別個のキャビネットを含む。好ましくは、各カラムは、複数の燃料電池スタック、たとえば2〜10個のスタック、たとえば4〜8個のスタックを含む。好ましくは、各キャビネットは、複数のカラム、たとえば2〜20個のカラム、たとえば4〜8個のカラムを含む。電気的に直列に接続された1つまたは複数の、好ましくは2つ以上のカラムが燃料電池セグメントを構成する。参照により全体として本明細書に組み入れられる2010年9月24日出願の米国特許仮出願第61/386,257号に記載されているように、「+」および「-」の電気出力を有する2〜20個の燃料電池セグメント、たとえば4〜8個のセグメントが各ホットボックス中にあり得る。燃料電池モジュールは、少なくとも1つの燃料処理およびパワーコンディショニングモジュールに電気的かつ流動的に接続されている。バランスオブプラント部品、たとえば送風器、弁、および制御盤などがハウジングおよび／またはホットボックス中に組み込まれてもよい。
また、各クラスタ10のための燃料電池監視制御装置25が提供されている。監視制御装置25は、様々な運転パラメータ、たとえば一定の空気流量を維持するための送風器への電圧VFDを調節することにより、燃料電池クラスタの安全な作動を維持する。燃料電池監視制御装置25の主要な目的は、モジュールの運転中に個々の燃料電池モジュール20それぞれを安定に維持することである。個々の燃料電池モジュール20それぞれの安定な運転を維持するために、燃料電池監視制御装置25は、複数の運転設定値を参照しながら各燃料電池モジュール20の運転を制御する。燃料電池監視制御装置25は、各燃料電池モジュール20がこれらの運転設定値の許容可能な範囲内で運転することを確実にし、それにより、各燃料電池モジュール20の安定な運転を維持する。たとえば、オペレータが、監視制御用の設定値のいくつか、たとえば改質器の蒸気：炭素比または生成される電力の所望の量を設定する。監視制御は非常に速い時間スケールで起こり、調節は、100ミリ秒ごとから数秒ごとで実施され得る。
燃料電池監視制御装置25は、個々の燃料電池モジュール20それぞれを制御することができる。任意の所与の時点で、1つの燃料電池モジュール20の運転特性は、システムまたはクラスタ10中のその他の燃料電池モジュール20の運転特性とは異なる。スタック運転特性は、温度、圧力、圧力降下、差圧、燃料流量、発電（すなわち、モジュールによる電流または電圧生成）、燃料利用率、空気利用率などを含み得る。バランスオブプラント（BOP）の運転特性は、圧力、圧力降下、差圧、電力消費（部品ごと、または累積）、熱交換器温度、熱交換器温度変化、熱交換器効率、改質器温度、水流量、水インベントリ、蒸気：炭素比、アノードリサイクル流量、空気流量（燃料電池への主流量または燃料排気バーナもしくは酸化器への流量）などを含み得る。
しかし、各燃料電池モジュール20の安定な運転は、必ずしも、発電フリート1が全体としてもっとも経済的に効率的なやり方で運転していることを保証するわけではない。
図2および3は発電システム2を示す。発電システム2は、少なくとも1つの燃料電池クラスタ10、たとえば2〜10個のクラスタを含み、たとえば、図2には3個のクラスタが示されている。各燃料電池クラスタ10は、1つまたは複数の燃料電池モジュール／システム（FCS）20でできている。特に、燃料電池クラスタ10は、共通の燃料処理モジュール（FPM）および電子部品モジュール（ELEC）を共用する燃料電池モジュール20のクラスタである。電子部品モジュールは、図1に示す監視制御装置25を含む。したがって、1つの燃料電池クラスタ10を他の燃料電池クラスタ10から独立して運転させることができる。FPMは、中央フィードから燃料電池クラスタ10に送られた燃料を個々の燃料電池モジュール20に分配する（かつ、必要ならば処理する）。ELECは、1つまたは複数の燃料電池モジュール20から電力を受け取り、その電力を使用可能な形態に変更／コンディショニングする（たとえば、出力電圧を変化させる、DCをACに変換する、など）。
1つまたは複数の燃料電池節約制御装置30が提供され得る。たとえば、システム2は1つの制御装置30を有し得る。または、各クラスタ10または各燃料電池モジュール20が別個の節約制御装置30、たとえば制御回路チップまたはマイクロコンピュータを有してもよい。節約制御装置30は同じ装置を監視制御装置25として含み得るが、好ましくは、制御装置25および30は別々の装置を含む。燃料電池節約制御装置30は、個々の燃料電池モジュール20それぞれを制御することができる。各燃料電池クラスタ10は、双方向リンクを介してデータサーバ50に操作可能に接続されている。双方向リンクおよび本明細書の中で挙げられる任意の操作可能な接続は、任意の物理的ワイヤ、ケーブル、または光ファイバ法によって具現化されてもよいし、ワイヤレスで具現化されてもよいことが理解されよう。
図3にさらに詳細に示すように、各燃料電池モジュール20とデータサーバ50との間の接続はゲートウェイ40を介して提供される。好ましくは、ゲートウェイ40は、燃料電池クラスタ10に関する情報をデータサーバ50との間で送受信するコンピュータである。ゲートウェイはまた、監視制御を実行し得る。一般に、ゲートウェイ40は、それが仕える燃料電池クラスタ10に物理的に隣接して位置する。データサーバ50は、双方向リンクを介してモデルサーバ60に操作可能に接続されている。加えて、図2に示すように、モデルサーバ60は、オペレータアドバイザリーステーション70、たとえばディスプレイまたは制御パネルに操作可能に接続され得、そのオペレータアドバイザリーステーションは燃料電池節約制御装置30に操作可能に接続されている。図2および3に示す節約制御は、監視制御を模倣するもの、またはそれに代わるものではない。理由は、設定値のいくつかが任意であり、節約最適条件を満たすように決定されるからである。節約制御は、監視制御よりもずっと遅い時間スケールで、たとえば10分に一度よりも低い頻度で、たとえば1時間に一度または二度の頻度で実施されることができる。
図3は、複数の燃料電池フリートの最適化を示すブロック図である。図示するように、顧客1は4つの燃料電池システムまたはクラスタ10を有する。顧客2は5つの燃料電池システム10を有する。各燃料電池システム10は、任意の数の燃料電池モジュール20、たとえば4つの燃料プロセッサおよび電子部品モジュールを有し得る。ゲートウェイ40が、1つまたは複数の燃料電池システム10とインタフェースするように構成されている。図示するように、データサーバ50が双方向リンクを介して各ゲートウェイ40に操作可能に接続されている。各燃料電池システム10の運転に関するデータがゲートウェイ40に受け渡される。そして、ゲートウェイ40がそのデータをデータサーバ50に受け渡す。
データサーバ50は、動作中、各燃料電池システム10からデータを収集する。一般に、データは、燃料電池システム10および各燃料電池モジュール20に関する運転情報である。データサーバ50は、複数の燃料電池クラスタ10から（おそらくは、複数のサイトおよび／または複数の顧客から）スタックおよび／またはBOP運転データ、たとえば運転温度、燃料流量および利用率、出力電力、設定、ならびに上記のその他の運転データを受信し、かつ記憶する。データサーバ50はまた、データをゲートウェイ40に送り返すこともでき、一般に、データは、燃料電池クラスタ10用の所望の運転設定値の形態にある。個々のゲートウェイまたはデータサーバのいずれかはまた、燃料消費および発電から導出される性質、たとえば燃料電池効率を計算することができる。情報の中でもとりわけ、データは、燃料電池システム10がどれくらい効率的に運転しているかを表す。データサーバ50はまた、受信したデータに基づいてデータリコンシリエーション機能を実行し得る。プロセス用設備からの運転データは、計装の限界のために、精度が低い、一貫しない、および／または確度が低いことがある。データリコンシリエーションは、プロセスの物理的特徴を組み込む相対的な計器信頼度およびモデルを使用して、計器からの計測値をおそらくは「真」の値の一貫したセットに調節する。
データサーバ50はまた、モデルサーバ60との間でデータまたは「タグ」を送受信することができる。たとえば、データサーバ50は、数多くの燃料電池クラスタ10の運転データを記憶するように構成され得る。しかし、モデルサーバ60のモデル化および最適化の利点を促進するために、データサーバ50は、特定の顧客および／または関心対象の燃料電池クラスタ10に関するデータを選択的にモデルサーバ60に提供するように構成されている。または、バンド幅および／またはコンピュータの限界のために、複数のデータサーバ50が複数のモデルサーバ60と共に使用されてもよい。
モデルサーバ60は、発電フリート2の運転をモデル化するように構成されている。加えて、データサーバ50によって取得されたデータに基づいて、モデルサーバ60は、発電フリート2のオンライン最適化を実行する、すなわち、モデル化される発電フリート2の運転を最適化するように構成されている。モデルサーバ60は、発電フリート2の運転に対して同時並行にリアルタイムで作動するように構成されている。「リアルタイム」および「リアルタイム最適化」とは、モデルが極めて最近のデータを使用することを意味するが、モデルが全く同じ瞬間からのデータを使用しなければならないことを意味するわけではないことが理解されよう。したがって、「リアルタイム」という用語は「準リアルタイム」をその範囲に含み、かつ「準リアルタイム」と呼ぶことができる。図3に示すように、モデルサーバ60は、各顧客サイトの運転を独立して、または同時に最適化するように構成され得る。または、各顧客サイトがそれ自体のモデルサーバ60を有してもよい。
図4は、最適化プロセスを概説する流れ図である。まず、データサーバ50によって燃料電池クラスタ10の運転データを取得する（工程100）。この情報はモデルサーバ60に送信される。次いで、燃料電池クラスタ10の運転をモデル化する（工程110）。そして、モデルサーバ60が、発電フリート2が最適な節約および運転効率、たとえば最適な燃料利用率および／または最も低い運転費を得ることを可能にする、各燃料電池モジュール20用の設定値を決定する（工程120）。提案された設定値はデータサーバ50に送り返される。したがって、データサーバ50は、提案された運転設定値に近づくように燃料電池クラスタ10の運転を変更する（工程130）。
モデルサーバ60は、規則的な間隔で（たとえば1時間毎に一度）実行するように構成され得る。モデルサーバ60は燃料電池フリート2の高忠実度モデルを作製する。モデルサーバ60は、モデルの、特定の顧客に適用されない部分を非アクティブ化し得るように自動化されている。たとえば、図3に示すように、顧客1の場合には、モデルの、燃料電池システム10に関連する部分（顧客2の場合には2、4および5）が非アクティブ化されるであろう。モデルサーバ60は、データサーバ50を介して燃料電池システム10の運転データを取得し、運転データによって示された状態をシミュレートするように構成されている。モデルサーバ60はさらに、それ自体を再校正して、発電フリート2の節約および運転の最適設定値を決定することにより、発電フリート2の最適な運転効率をシミュレートするように構成されている。運転最適条件は、効率の最大化に関連することができ、節約最適条件は、運転費を下げる、または利益率を最大化するように発電フリート2を構成することを含み得る。運転最適条件はまた、所望の将来の運転性能にも関する。たとえば、予測されるスタックの劣化ならびに交換および維持の費用を考慮に入れながらフリート2の利益率を最大化することが望まれる場合がある。
最適化動作は、燃料電池モジュール20の燃料流量および／または温度を調整する場合のように連続的であることもできるし、あるいはどのタイプの燃料（すなわち天然ガスまたはプロパンなど）を使用すべきか、または特定の燃料電池スタックもしくはモジュールが少しでも運転可能であるかどうかを決定する場合のように不連続であることもできる。モデルサーバ60は再校正データをデータサーバ50に戻す。モデルサーバ60は、データをデータサーバ50に送信してリコンサイルし、発電フリート2を評価および最適化する。逆に、データサーバ50は、個々の燃料電池モジュール20にコマンドを送出して、発電フリート2を、それがモデルサーバ60によって計算された設定値に基づく最適レベルで運転するように再校正する。または、モデルサーバ60は、再校正データを、推奨として、データサーバ50ではなくオペレータアドバイザリーステーション70に送出するように構成されてもよい。オペレータアドバイザリーステーション70は、人間のオペレータが、モデルサーバ60の設定値の推奨が実施される前にそれを検討することを可能にする。次いで、オペレータは、モデルサーバの推奨を受諾または拒絶または変更することができる。加えて、オペレータアドバイザリーステーションは、オペレータが自動的または手動で設定値データを燃料電池制御装置30に送ることを可能にするように構成されている。
次に、モデルサーバ60の動作能力をさらに詳細に説明する。モデルサーバ60は、経済的かつ運転的に望ましい設定値を得るために1つの実行サイクル中にいくつかの機能を実行するように構成されている。たとえば、モデルサーバ60は、受信されたデータ値を時間平均化して、瞬間的なスパイクを減衰させることができる。または、モデルサーバ60は、その運転データの公称値を用いた不良および／または無意味なデータの拒絶および交換であるデータ調整を実行し得る。モデルサーバ60はまた、モデルサーバ60が実行されて、個々の計測データの期待される信頼度に基づいて矛盾する計測データをリコンサイルするデータリコンシリエーションを実行することができる。
モデルサーバ60は、パラメータの推定を実行するように構成され得る。パラメータの推定は、プロセス用設備からの運転データを使用して1つまたは複数の特性パラメータを決定し、モデルにおける運転を特性決定する。一般に、推定されるパラメータは基本的計測値ではない。たとえば、熱交換器の汚れ係数を、入口および出口流ならびに熱交換器からの温度ならびに熱伝達係数の設計値から推定することもできる。パラメータの推定は、データリコンシリエーション工程に含まれてもよいし、または別個の工程に含まれてもよい。すなわち、モデルサーバ60は、システムの現在の運転を表す発電システム2の主要な運転パラメータを決定することができる。たとえば、モデルサーバ60は、各燃料電池クラスタ10がバランスオブプラント（BOP）性能データからどれほど劣化したかを決定することができる。
経済的な考慮すべき事柄に関して、モデルサーバ60は、発電フリート2によって使用されているすべての公益設備（すなわち電力、天然ガス）の価格をリアルタイムで得ることができる。これに関連して、価格が、時刻、需要料金、たとえば所与の期間（たとえば所与の日数および／または月数）のピーク料金、およびノミネーション、たとえば公益設備の顧客から公益施設に送られる利用プランからの逸脱のような要因の影響を受け得るという点で、価格は、不連続（すなわち、時間の関数として変化する）であり得る。したがって、本明細書の中で使用される、公益設備によって提供される「価格」は、一般的な商業的公益設備契約に存在する複雑さを反映し、変化しない価格および時間の関数として変化する価格の両方を含む。あるいは、モデルサーバは、データサーバ50から得られたデータを他の環境データとともに使用して需要予測を実行し得る。需要予測は、来るべき運転期間の電力需要を推定する。たとえば、空調に必要とされる電力の推定は、温度および相対湿度の予測から推定することもできる。そのうえ、モデルサーバ60は、リコンサイルされた計測値、推定パラメータ、およびリアルタイム価格を使用して、発電フリート2内の各燃料電池モジュール20に最適な設定値を決定するように構成されている。たとえば、燃料電池クラスタ10中の各燃料電池モジュール20は、異なる量の電力を生成する、および／または異なる量の燃料を利用する、および／または1つまたは複数の他のモジュールとは異なる温度で運転するように設定されることができる。あるいは、モデルサーバ60は、データサーバ40に対し、特定の燃料電池モジュール20の電力出力を5％よりも多く変化させないよう、またはスタック温度が一定の温度よりも低く維持されるように指示することができる。モデルサーバ60はまた、スタック劣化速度が指定の率（たとえば10000時間あたり3％）よりも低く維持されるよう、または修繕を含む様々な理由のために指定の燃料電池モジュール20をまったく運転させないように指定することもできる。
あるいは、モデルサーバ60は、顧客特有の特徴を考慮に入れるように構成されることができる。たとえば、顧客がデータセンタであるならば、電力使用は、サーバを作動させるためのクリーンな電力と、空調設備を作動させるための通常電力とに分けられると予想される。最適な発電レベルおよびその電力を生成するための制御フリート設定値を決定するためのモデルサーバ60の計算は、（1）リアルタイム公益設備価格情報（天然ガスまたは電気）、（2）顧客特有の公益設備契約情報（たとえば、グリッドからの電力消費の新たなピークを設定する見込みはどうか）、および（3）顧客特有の需要情報（たとえば、外気温、相対湿度、およびサーバ負荷から空調負荷を推定する、または時刻に基づいてサーバ負荷を推定する）の1つまたは複数を考慮に入れることもできる。
現在、燃料電池システム、1つのサイトの燃料電池システムのクラスタ、または複数のサイトにまたがる燃料電池システムのクラスタのための、リアルタイムオンラインデータ調整、データリコンシリエーション、パラメータ推定、モデル実行、およびモデル最適化を実施するための解決手段はない。発電システムによって達成される複数サイトベースの最適化は、エネルギー顧客にとってのより効率的な運転およびエネルギー供給者にとってのより高い利益率をもたらす。
図5は、ある態様のモデルサーバを示すブロック図である。この態様において、モデルサーバ60は、フリート効率オプティマイザまたは制御装置63および全維持出力（TMO）（たとえば出力電力）制御装置65の少なくとも1つを含む。好ましくは、サーバ60は両方を含む。効率オプティマイザ／制御装置63は、出力電力（TMO）制御装置65によって設定される所与のフリート電力出力レベルに最適な効率を設定するように作動する。ある態様において、フリート2は、一定量の電力を供給するために第三者（たとえば電力供給者）によって1つの実体（たとえば顧客）のために運転され得る。この態様において、効率オプティマイザ63は、個々の燃料電池、または燃料電池のスタック、カラム、もしくはセグメントに対する現在の設定値に基づいて個々のシステム10の出力電力および効率を予測する、個々の燃料電池システムまたはクラスタ10それぞれのモデルを生成するように構成され得る。
1つの態様にしたがって、個々のシステム10の効率（たとえば、使用した全燃料に対する供給された合計電力の比）は電力出力および燃料入力によって決まる。燃料電池出力電力は、バランスオブプラント（BOP）装備を駆動するためのエネルギーを提供するために使用される。長期の運転ののち、燃料電池の電気抵抗が増す。これが、冷却のためにより多くのBOP装備を必要とし、かつ燃料電池出力電圧の付随的低下を生じさせる。
ある態様において、3つ要因が履歴ログデータから分析される。第一に、効率オプティマイザ63は、燃料電池システム10の期待BOP電力消費と実測BOP電力消費との差を計算する。第二に、効率オプティマイザ63は、電流抵抗を測定し、かつそれを期待抵抗と比較することにより、フリートの各燃料電池システム10中の各燃料電池の抵抗の変化を計算する。任意の特定の時間における燃料電池、燃料電池のスタック、カラムまたはセグメントの抵抗は、各燃料電池システムまたはクラスタ10内の各燃料電池、燃料電池のスタック、カラム、またはセグメントの電流および電圧計測値から決定され得る。第三に、パワーコンディショナー（PCS）中の各部品の電力損失を計算する。これらの計算値それぞれは、電流、システム年数、および他のプロセス変数の関数であることができる。
効率オプティマイザ63は、これらの要因を使用して個々の燃料電池システム10それぞれのモデルを作製する。モデルは、個々の燃料電池の現在の設定値に基づいて個々のシステムの出力電力および効率を予測するために使用される。このモデルは、1つまたは複数のシステムのフリートの効率および出力電力を予測するための数値最適化アルゴリズムにおいて使用される。そして、効率は、システム出力電力を維持しかつシステム寿命を延ばすと同時に燃料消費を最小化するようにシステム10の設定値を調節することによって最適化される。
もう1つの態様において、フリート2の全維持出力（TMO）（たとえば電力出力）は、フリートを構成する1つまたは複数の燃料電池システム10の積分した時間平均出力電力である。ある態様において、TMOは、契約性能要件によって規定された、システム10、顧客サイト、またはシステム10のフリート2の定格銘板出力電力のパーセンテージとして表される。TMOは、寿命、四半期、毎月、または毎週のベースで計算され得る。出力電力経時制御装置とも呼ばれ得るTMO制御装置65は、システム10のフリート2からの出力電力をモニタし、その数値を経時的に積分し、その結果を、フリート2に必要とされるTMO設定値と比較する。フリート2中の1つまたは複数のシステム10が停止された場合、TMO制御装置65は、損失した出力電力を補うためにフリート2への電力コマンドを増大させる。電力の増大は、損失した出力電力によって生じた時間積分誤差を補正する。TMO電力コマンドはオプティマイザ63に送られて燃料消費を最小化（効率を最大化）する。これが、各任意の支払い請求期間の最後で顧客に対する契約義務が正確に果たされることを可能にする。あるいは、効率の代わりに、または効率に加えて、利益率、費用、および／またはシステム10の耐用運転寿命を最適化してもよい。
図6は、ある態様のTMO制御フローを示すブロック図である。
フリート2は、少なくともその容量（たとえば、出力することができる最大電力）が決められている（サークル602）。TMOフリート設定値（サークル604）はフリート容量のパーセンテージとして設定されている。たとえば、はじめに設定されていたTMOフリート設定値が、顧客への契約義務を果たすと同時にフリートの効率（たとえば、オプティマイザ63によって決定される）を最大化するように設定されてもよい。
フリート設定値はフリートの実際の電力出力値と比較され（サークル606）、その差が、KW単位のTMO電力誤差として表される（サークル608）。限定ではなく例示として、フリートの実際の電力出力は、フリート内の燃料電池システムの完全または部分的な故障のために、または燃料システム部品の老朽化のために、フリート設定値未満であり得る。
TMO電力誤差は経時的に積分されて（サークル610）、TMOを求めるために使用される期間における利用可能なシステムインベントリの出力の計測値（KW/hr単位の「インベントリアキュムレータ」）を出す。インベントリアキュムレータ値は、ある時点で顧客がフリートから受け取る実際の電力を反映する。
TMOインベントリ設定値はインベントリ出力と比較されて（サークル612）、フリートのKW/hr電力出力の不足を表すインベントリ誤差を出す（サークル614）。TMO制御装置65は、インベントリ誤差を受信し、フリート内のシステムの運転インベントリを反映する新たなフリート電力設定値を設定する（サークル616）。新たなフリート電力設定値は、フリート効率オプティマイザ63によって受信されて、フリート2の効率を最適化する、フリート内の各運転可能システムまたはクラスタ10の電力コンディショナのための電力コマンドを生成する（サークル618）。フリート内の各運転可能システムの応答が計測され（サークル620）、合計されて（サークル622）KW単位の合計電力出力値を出す。この合計値が再びTMO設定値と比較される（サークル608）。
ある態様において、フリート設定値（サークル604）は、はじめに顧客の負荷に適合される。TMO制御装置65は、データサーバ50によってモデルサーバ60に提供される情報にしたがって初期設定値を調節し得る（図5を参照）。初期TMOインベントリ設定値（サークル612）は、フリートの運転のレベルを推定するフリート設定値から設定される。インベントリ設定値は、フリートの現在の状態およびインベントリ誤差（サークル614）に基づいて変化し得る。
理想的な状態では、フリートをその理想的な効率（合計フリート電力出力÷合計フリート燃料入力により算出）またはその近くで運転させると同時に顧客の要件が満たされるが、フリートが顧客に電力を供給することができない状態が生じ得る。ある態様において、効率オプティマイザ63の決定はTMO制御装置65の決定に支配される。この態様において、顧客への電力供給義務の達成が、フリートをその最適な効率で運転させることよりも優先される。しかし、効率オプティマイザ63は、TMO制御装置の合計フリート電力出力測定を前提として、フリートの最も効率的な運転パラメータを決定する。
前記のように、燃料電池フリートの効率の計測値は、フリートの合計電力出力÷合計フリート燃料入力である。効率を改善する1つの方法は、燃料電池システム10の燃料消費を最適化することである。
図7は、ある態様の燃料電池モジュールを示すブロック図である。この態様において、燃料電池モジュール20は、相互接続されて「N」個の燃料電池セグメント72を形成する燃料電池カラム70を含み、N個のセグメントそれぞれに「I」燃料電池セグメント電流出力がある。図7に示すように、個々の燃料電池セグメント72は、異なる電流コマンドを受け取り得るが、モジュール20中の合計燃料流（F）のデフォルト共用部分がある。各カラムは、1つまたは複数の燃料電池スタック、たとえば4〜8個のスタックを有し得る。モジュール20は、2〜20個のセグメント72、たとえば4〜8個のセグメントを有し得る。各セグメント72は、1つまたは複数のカラム、たとえばジャンパ74によって直列に接続された2個のカラム70を有し得る。図7に示すように、ホットボックス800が、カラム70から形成されたセグメント72（セグメント「i」〜「N」）を含む。各セグメント72の「+」および「-」出力はDC-DCコンバータ76に接続されている。DC/DCコンバータ76の出力は接続されて、三相電圧（「+」、「-」およびニュートラル）をインバータ（図示せず）に提供するデュアルバスを形成する。
ある態様にしたがって、セグメントNの燃料利用率UfNの計測値はUfN=IN/FNと定義される。ある態様において、FNは、セグメントの背圧（すなわち、各セグメントにおける燃料流への抵抗）を計測してセグメントを通過する燃料流を求めることによって決定される。INはセグメントごとに決定される。モジュールの場合、Uf-全体=I合計/Fである（式中、F=Σ1→N（Fi））。
電池の損傷を防ぐためには燃料電池ごとにUf制限を観察しなければならないが、いくつかのセグメントは、Uf制限を破ることなく、より高い電流を受け取り得る。
ある態様において、セグメント電流IiはIセグメント i=Ii+δIisdfと定義される。この態様において、δIiは、セグメント「i」に接続されているDC-DCコンバータに命令されるさらなる電流要件である。たとえば、このさらなる電流は、1日あたり約0.1アンペアの大きさを有し得る。このさらなる電流要件は、モジュールによる燃料消費Fの任意の増大を生じさせない。したがって、モジュールによる燃料使用量を増すことなく電流は増加している。
モジュールが平衡状態に達すると、Uf1、Uf2、Uf3...UfNが評価されて最低Ufが決定される。ある態様において、Ufの評価は、電流または燃料流を摂動させ、かつdV/dUfをモニタすることによって実施される。別の態様において、Ufの評価は、電気インピーダンス固有（EIS）の計測によって決定される。
さらに別の態様において、Ufの評価は、各セグメントの電圧電流（V-I）プロットへの参照によって決定される。この態様において、すべてのセグメントは同じ運転特性を有するものとみなされる。各セグメントの出力電流I出力が計測される。各セグメント中の温度は、たとえば熱電対を使用して計測される。各セグメントの電圧V出力は既知である。したがって、V出力は、I出力、温度、およびUfの関数である。Ufは、V出力、I出力、および温度から計算され得る。加えて、セグメントの温度が同じまたはほぼ同じであるならば、Ufは出力電流に比例して、セグメント1のI出力がセグメント2のI出力よりも大きい場合にセグメント1のUfがセグメント2のUfよりも大きくなる。
最も低いUfまたは最良の「健全さ」を有するセグメントの場合、δIiの1つの増分が出力電流に加えられ、新たな定常状態に達する。δIiの印加は、（δIi）2Rにより、熱の増加を生じさせる。選択されたセグメント「i」はより熱くなる。より熱くなるにつれ、流れの背圧が増す。結果として、選択されたセグメントのUfiはさらに増す。結果として、他のセグメントのUfは減少する（それらをより健全な状態に残す）。
モジュールの状態は、δIiの印加ののち評価され、以下のうち1つが起こる：（a）状態が維持される；（b）δIiが取り除かれる（選択されたセグメントが損害を受けた場合)；（c）選択されたセグメントのためにもう1つのδIiが注入される、または（d）Ufの変化に基づいてδIiの印加のための異なるセグメントが選択されて、その異なるセグメントが現在の「もっとも健全な」セグメントになる。望むならば、このプロセスが定期的に繰り返される。
図8は、カラムi〜Nを有するモジュール20中のホットボックスを示すブロック図である。ある態様において、ホットボックス800の最大燃料利用率Ufは履歴データから決定される。燃料電池セグメントの各コールドカラムの燃料利用感度（FUS）は、コールドカラムから増分電流δIを引き込むことによって求められる。燃料電池カラムの電圧（V出力）はカラムの燃料使用量（Uf）の関数である。増分電流δIの印加に応答するV出力の変化がカラムのFUSを表す。より多くの電流をカラムから引き込むと、その電流Iおよび抵抗Rの両方が増大し、それによってカラム温度が上昇する。電流は、履歴データから決定され得るカラムの最大燃料利用率によって制限され得る。このプロセスは、カラム間のより均一な熱分布（およびより良好な効率）を見いだすために繰り返される。もう1つの態様においては、重み付き制約がホットボックスの局所Ufおよび熱均一さに課される。そして、ホットボックスをモニタして最大効率を決定する。2つの制約に対する重みは、システム運転時間にわたって変化させることができる。
図9は、ある態様の最適化プロセスの論理流れを示すシステムブロック図である。
フリートを定義する（902）。フリート定義は、フリートを構成するシステム、フリートによって生成される電力、およびフリートまたはフリート部品の運転に対する任意の制約を特定し得る。限定ではなく例示として、制約は、フリートまたはフリート部品の運転を調整するために制御要素によって使用され得る特定の運転パラメータ用の設定値または範囲として表され得る。
フリートに関するプロセスデータにアクセスし、フリートをモデル化する（904）。モデルは、好ましくは、正確なプロセス変数（たとえばパラメータ）を計算することができるよう、準リアルタイムプロセスデータで初期化される。たとえば、データは、フリート中に設置されたシステムごとの電気および燃料（たとえば天然ガス）価格のマージン表を含み得る。このデータは、以下に記すようにフリートの利益率を最適化するために使用される。
フリート中の非定常状態システムおよびオペレータ選択システムを最適化プロセスから除外してもよい。実例として、システムが定常状態に達するまで、システム起動を調整する他の制御プロセスと干渉しないよう、オンラインで来るフリート内のシステムを最適化プロセスから除外してもよい。加えて、最適化に適切ではないシステムを特定し得る。たとえば、危急なサービスを提供する医療施設は、危急なサービスが中断されないことを保証するために、非効率に運転することを許されてもよい。
フィージビリティ・スタディを実施する（908）。フィージビリティ・スタディは、定義されたフリートが最適化の候補であるかどうかを決定するために使用され得る。フリートが最適化され得る場合、フィージビリティ・スタディはまた、そのフリートのための特定の最適化法（たとえば特定の最適化アルゴリズム）を選択するために使用されてもよい。
選択された最適化法にしたがって最適化の候補であるフリートを最適化する（910）。最適化プロセスは、1つまたは複数の選択された関数、たとえばシステムまたはフリート効率および／または運転費を最適化し得る（すなわち、利益率最適化）。たとえば、1つの最適化プロセスは、モデルベースの費用関数を使用して、燃料電池システムの所与のフリートまたは集合体に最適な制御変数（たとえばパラメータ）に到達し得る。
選択された最適化法の最適化制御変数を確認したのち、それをフリートに導入する（912）。フリートが定常状態に達することを許す（914）。
その後、工程902から出発しながら最適化を反復的に適用する。換言するならば、フリートが定常状態に到達したのち工程902〜912を繰り返す。モデルの繰り返しごとに、完全なセットのプロセスパラメータを計算し、次いで費用関数に送り込む。費用関数の最終的な出力は、オペレータ定義であり、かつシステム効率、システム電力出力、システム寿命、利益率、または他のパラメータを含み得る。加えて、オプティマイザが、全フリート効率、個々の燃料電池システム効率、全フリート電力、個々の燃料電池システム電力、現在の設定値、および他の基準を含み得るオペレータが選択した制約を使用し得る。
図10は、態様のいずれかとの使用に適したコンピューティング装置のブロック図である。このようなコンピューティング装置1000は一般に、揮発性メモリ1002およびたとえばディスクドライブ1003などの大容量不揮発性メモリに結合されたプロセッサ1001を含む。一般に、ソフトウェアアプリケーションは、アクセスされかつプロセッサ1001にロードされる前に、内部メモリ1002中に記憶され得る。プロセッサ1001は、アプリケーションソフトウェア命令を記憶するのに十分な内部メモリを含み得る。
コンピューティング装置1000はまた、プロセッサ1001に結合されたフロッピーディスクドライブ1004およびコンパクトディスク（CD）ドライブ1005を含み得る。一般に、コンピューティング装置1000はまた、マウス1007のようなポインティングデバイス、キーボード1008のようなユーザ入力装置、およびディスプレイ1009を含む。コンピューティング装置1000はまた、データ接続もしくはネットワーク接続を確立する、または外部メモリ装置、たとえばUSBもしくはFireWire（登録商標）コネクタソケットを受け入れるための、プロセッサ1001に結合された複数のコネクタポート1006を含み得る。ノートブック形態においては、コンピュータ技術分野において周知であるように、コンピュータハウジングは、ポインティングデバイス1007、キーボード1008、およびディスプレイ1009を含む。
コンピューティング装置1000は、デスクトップ形態の要素を使用するものとして示されているが、図示される形態は限定的であることを意図しない。たとえば、コンピューティング装置1000の部品のいくつかまたはすべては、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ミニコンピュータ、またはパーソナルデータアシスタントとして具現化され得る。
また、様々な態様は、多様な市販のサーバ装置のいずれか、たとえば図11に示すサーバ1100において具現化され得る。このようなサーバ1100は一般に、揮発性メモリ1102およびたとえばディスクドライブ1103などの大容量不揮発性メモリに結合されたプロセッサ1101を含む。サーバ1100はまた、プロセッサ1101に結合されたフロッピーディスクドライブ、コンパクトディスク（CD）、またはDVDディスクドライブ1104を含み得る。サーバ1100はまた、ネットワーク1112、たとえば、他の送信システムコンピュータおよびサーバに結合されたローカルエリアネットワークとのデータ接続を確立するための、プロセッサ1101に結合されたネットワークアクセスポート1106を含み得る。サーバ1100はまた、オペレータインタフェース、たとえばキーボード1108、ポインティングデバイス（たとえばコンピュータマウス1110）、およびディスプレイ1109を含み得る。
プロセッサ1001および1101は、以下に記す様々な態様の機能を含む多様な機能を実行するようにソフトウェア命令（アプリケーション）によって設定されることができる、任意のプログラム可能なマイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、またはマルチプロセッサチップであり得る。いくつかのモバイル受信装置においては、複数のプロセッサ、たとえばワイヤレス通信機能専用の1つのプロセッサおよび他のアプリケーション実行専用の1つのプロセッサが提供されてもよい。一般に、ソフトウェアアプリケーションは、アクセスされかつプロセッサ1001および1101にロードされる前に、内部メモリ1002、1102、および／または1103中に記憶され得る。プロセッサ1001および1101は、アプリケーションソフトウェア命令を記憶するのに十分な内部メモリを含み得る。
前記方法の説明およびプロセス流れ図は、例を示すためだけに提供されたものであり、様々な態様の工程が提示された順序で実行されなければならないことの要求または暗示を意図したものではない。当業者によって理解されるように、前記態様における工程は任意の順序で実行され得る。「次いで」、「次に」などのような語は、工程の順序を限定することを意図したものではない。これらの語は、単に、方法の説明を通して読者を導くために使用されている。プロセス流れ図は、動作を逐次的プロセスとして説明し得るが、動作の多くは並行または同時に実施されることができる。加えて、動作の順序が再編されてもよい。プロセスは、メソッド、関数、手続き、サブルーチン、サブプログラムなどに対応し得る。プロセスが関数に対応する場合、その終了は、呼び出し関数または主関数への関数の戻りに対応し得る。
本明細書に開示される態様に関連して説明された様々な例示的論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズム工程は、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両方の組み合わせとして具現化され得る。ハードウェアおよびソフトウェアのこの互換性を明確に説明するために、様々な例示的部品、ブロック、モジュール、回路、および工程が概してそれらの機能に関して説明された。そのような機能がハードウェアとして具現化されるのか、またはソフトウェアとして具現化されるのかは、システム全体に課される特定の用途および設計の制約に依存する。当業者は、記載された機能を特定の用途ごとに異なる方法で具現化し得るが、そのような具現化の決定は、本発明の範囲からの逸脱を招くものと解釈されるべきではない。
コンピュータソフトウェアとして具現化される態様は、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェアの記述言語、またはそれらの任意の組み合わせとして具現化され得る。コードセグメントまたは機械実行可能な命令は、手続き、関数、サブプログラム、プログラム、ルーチン、サブルーチン、モジュール、ソフトウェアパッケージ、クラス、または命令、データ構造、もしくはプログラムステートメントの任意の組み合わせを表し得る。情報、データ、引数、パラメータ、またはメモリコンテンツを受け渡すおよび／または受信することにより、コードセグメントが別のコードセグメントまたはハードウェア回路に結合され得る。情報、引数、パラメータ、データなどは、メモリ共用、メッセージ受け渡し、トークン受け渡し、ネットワーク伝送などを含む任意の適当な手段によって受け渡される、転送される、または送信され得る。
ソフトウェアとして具現化される場合、関数は、1つまたは複数の命令またはコードとして非一時的なコンピュータ読み取り可能またはプロセッサ読み取り可能な記憶媒体上に記憶され得る。本明細書に開示されるメソッドまたはアルゴリズムの工程は、コンピュータ読み取り可能またはプロセッサ読み取り可能な記憶媒体上に常駐し得るプロセッサ実行可能なソフトウェアモジュールとして具現化され得る。非一時的なコンピュータ読み取り可能またはプロセッサ読み取り可能な媒体は、ある場所から別の場所へのコンピュータプログラムの転送を容易にするコンピュータ記憶媒体および有形記憶媒体の両方を含む。非一時的なプロセッサ読み取り可能な記憶媒体は、コンピュータによってアクセスされ得る任意の利用可能媒体であり得る。限定ではなく実例として、そのような非一時的なプロセッサ読み取り可能な媒体は、RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM、もしくは他の光学ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置、もしくは他の磁気記憶装置、または所望のプログラムコードを命令もしくはデータ構造の形態で記憶するために使用され得、かつコンピュータもしくはプロセッサによってアクセスされ得る任意の他の有形記憶媒体を含み得る。本明細書の中で使用されるディスクは、コンパクトディスク（CD）、レーザディスク、光学ディスク、デジタルバーサタイルディスク（DVD）、フロッピーディスク、および、ディスクが通常はデータを磁気的に再生するのに対し、データをレーザによって光学的に再生する、ブルーレイディスクを含む。上記の組み合わせもまた、コンピュータ読み取り可能な媒体の範囲に含まれるべきである。加えて、メソッドまたはアルゴリズムの演算が、コードおよび／または命令の1つまたは任意の組み合わせまたはセットとして、コンピュータプログラム製品に組み込まれ得る非一時的プロセッサ読み取り可能な媒体および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体上に常駐し得る。
ハードウェアとして具現化される場合、機能は、ワイヤレスレシーバまたはモバイル装置における使用に適し得るワイヤレス信号処理回路の回路内で具現化され得る。そのようなワイヤレス信号処理回路は、様々な態様において説明された信号計測および計算工程を達成するための回路を含み得る。
本明細書に開示される局面と関連して説明される様々な例示的論理、論理ブロック、モジュール、および回路を具現化するために使用されるハードウェアは、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（DSP）、特定用途向け集積回路（ASIC）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、または本明細書に記載された機能を実行するように設計された他のプログラム可能な論理装置、個別のゲートもしくはトランジスタ論理、個別のハードウェア部品、もしくはそれらの任意の組み合わせによって具現化または実行され得る。汎用プロセッサはマイクロプロセッサであり得るが、代替として、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、制御装置、マイクロコントローラ、または状態マシンであってもよい。プロセッサはまた、コンピューティング装置の組み合わせ、たとえばDSPとマイクロプロセッサとの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサの組み合わせ、1つまたは複数のマイクロプロセッサとDSPコアとの組み合わせ、または任意の他のそのような構成として具現化されてもよい。または、いくつかの工程またはメソッドが、所与の機能に特異的である回路によって実施されてもよい。
たとえば冠詞「a」、「an」又は「the」を使用して要素を単数形で言及するとしても、その要素が単数に限定されるものと解釈されてはならない。
開示された態様の前記説明は、当業者が本発明を実施または使用することを可能にするために提供されたものである。これらの態様への様々な改変が当業者には容易に理解され、本明細書において画定される一般原理は、本発明の精神または範囲を逸脱することなく、他の局面にも適用され得る。したがって、本発明は、本明細書に示される態様に限定されることを意図したものではなく、特許請求の範囲ならびに本明細書に開示される原理および新規な特徴と合致するもっとも広い範囲と一致する。

Claims (26)

  1. 複数の燃料電池システムを含む燃料電池フリート；
    該複数の燃料電池システムそれぞれに操作可能に接続され、該複数の燃料電池システムから運転データを取得するように構成されているデータサーバ；および
    該データサーバに操作可能に接続され、かつ、
    該フリートの燃料消費に対する該フリートの出力電流または出力電力の比によって決まる該フリートの効率、および電力出力を、該運転データから予測し、かつ
    該フリートの効率を最適化して、所望のフリート出力電力を維持すると同時に該フリートの燃料消費を最小化する
    ように構成されている、効率制御装置
    を含む、発電機。
  2. 各燃料電池システムが、
    それぞれが複数の燃料電池スタックを含む複数の燃料電池モジュール；
    該複数の燃料電池モジュールに燃料を送るように動作的に適合された燃料処理モジュール；および
    該燃料電池モジュールから電力を受け取り、受け取った電力を使用可能な形態に変化させるように動作的に適合された電子部品モジュール
    を含む、請求項1記載の発電機。
  3. 効率制御装置が、前記フリート中の個々のシステムそれぞれの運転を制御するように構成されている、請求項2記載の発電機。
  4. 燃料電池システムがゲートウェイを介してデータサーバに操作可能に接続されている、請求項1記載の発電機。
  5. 少なくとも1つまたは複数が運転可能である複数の燃料電池システムを含む燃料電池フリート；
    該複数の燃料電池システムそれぞれに操作可能に接続され、該複数の燃料電池システムそれぞれから運転データを取得するように構成されているデータサーバ；および
    該データサーバに操作可能に接続され、かつ、
    ある期間にわたり積分された前記フリートの全維持出力（total maintained output）（TMO）電力を、該運転データから求め、
    この期間の該TMO電力を、該フリート用に設定されたTMO電力設定値と比較し、かつ
    この期間の該TMO電力がTMO電力設定値よりも低いときに、該フリートの運転可能な燃料電池システムの電力出力を増大させる
    ように構成されている、TMO制御装置
    を含む、発電機。
  6. 前記TMO制御装置に操作可能に接続され、かつ、
    前記フリートの燃料消費に対する該フリートの出力電流または出力電力の比によって決まる該フリートの効率、および電力出力を、前記運転データから予測し、かつ
    該フリートの効率を最適化して、所望のフリート出力電力を維持すると同時に該フリートの燃料消費を最小化する
    ように構成されている、効率制御装置
    をさらに含む、請求項5記載の発電機。
  7. 各燃料電池システムが、
    それぞれが複数の燃料電池スタックを含む複数の燃料電池モジュール；
    該複数の燃料電池モジュールに燃料を送るように動作的に適合された燃料処理モジュール；および
    該燃料電池モジュールから電力を受け取り、受け取った電力を使用可能な形態に変化させるように動作的に適合された電子部品モジュール
    を含む、請求項6記載の発電機。
  8. 効率制御装置が、前記フリート中の個々のシステムそれぞれの運転を制御するように構成されている、請求項7記載の発電機。
  9. 燃料電池システムがゲートウェイを介してデータサーバに操作可能に接続されている、請求項6記載の発電機。
  10. それぞれが複数の燃料電池モジュールを含む複数の燃料電池システムを有する燃料電池フリートの効率を最適化するための方法であって、
    該フリートの所望の出力電力を電力制御装置によって設定する工程；および
    該電力制御装置によって設定された出力電力のためフリート効率を最適化するために、該フリートの燃料消費に対する該フリートの出力電流または該フリートの出力電力の比によって決まる該フリートの効率を効率制御装置によって制御する工程
    を含む、方法。
  11. 各燃料電池システムが、
    それぞれが複数の燃料電池スタックを含む複数の燃料電池モジュール；
    該複数の燃料電池モジュールに燃料を送る燃料処理モジュール；および
    該燃料電池モジュールから電力を受け取り、受け取った電力を使用可能な形態に変化させる電子部品モジュール
    を含む、請求項10記載の方法。
  12. 効率制御装置が、前記フリート中の個々のシステムそれぞれの運転を制御するように構成されている、請求項11記載の方法。
  13. 燃料電池システムがゲートウェイを介してデータサーバに操作可能に接続されている、請求項10記載の方法。
  14. 燃料電池システムの効率を最適化するための方法であって、
    最も低い燃料利用率を有する、該燃料電池システムの少なくとも1つのモジュール内の燃料電池セグメントを特定する工程；
    特定された燃料電池セグメントの出力電流を、電流のある増分だけ増大させる工程；および
    該モジュールを評価し、かつ、運転状態を維持すること、該特定されたセグメントから電流の該増分を除くこと、該特定されたセグメントの出力電流を電流の第二の増分だけ増大させること、および電流の第三の増分を印加するための異なるセグメントを選択することの群より選択される措置を講じる工程
    を含む、方法。
  15. 出力電流を増大させる工程の前に、特定された燃料セグメントの出力電流を求める工程をさらに含む、請求項14記載の方法。
  16. 燃料電池システムが、
    それぞれが複数の燃料電池スタックを含む複数の燃料電池モジュール；
    該複数の燃料電池モジュールに燃料を送る燃料処理モジュール；および
    該燃料電池モジュールから電力を受け取り、受け取った電力を使用可能な形態に変化させる電子部品モジュール
    を含む、請求項14記載の方法。
  17. それぞれが複数の燃料電池モジュールを含む複数の燃料電池システムを有する燃料電池フリートの利益率を最適化するための方法であって、
    該フリートがモデル化された、該フリートに関するプロセスデータにアクセスする工程；
    該フリート用の最適化された制御変数を計算するために、モデルベースの費用関数を使用する工程；
    最適化された制御変数を確認する工程；
    該最適化された制御変数を該フリートに導入する工程；ならびに
    該フリートが定常状態に達したのち、アクセスする工程、使用する工程、確認する工程、および導入する工程を繰り返す工程
    を含む、方法。
  18. アクセスする工程の前に、前記フリートを定義する工程をさらに含む、請求項17記載の方法。
  19. 定義する工程が、前記フリートを構成する燃料電池システム、該フリートによって生成される電力、および該フリートまたは該フリートの部品の構成要素の運転に対する任意の制約を特定する工程を含む、請求項18記載の方法。
  20. 前記制約が、前記フリートまたはフリート部品の運転を調整するために使用される特定の運転パラメータ用の設定値または範囲として表される、請求項19記載の方法。
  21. 前記フリート中の非定常状態の燃料電池システムおよびオペレータが選択した燃料電池システムを最適化方法から除外する工程をさらに含む、請求項17記載の方法。
  22. 前記フリートが利益率最適化の候補であるかどうかを決定するために、フィージビリティ・スタディを実施する工程をさらに含む、請求項17記載の方法。
  23. 前記プロセスデータが準リアルタイムプロセスデータを含む、請求項17記載の方法。
  24. 前記プロセスデータが、前記フリート中の各燃料電池システム用の電気および燃料の価格のマージン表を含み、該電気および燃料の価格が、時間の関数としての変化するまたは変化しない価格を含む、請求項23記載の方法。
  25. 繰り返す工程が複数回の反復を含む、請求項17記載の方法。
  26. フリート効率、フリート電力出力、フリートシステム寿命、およびフリート利益率を含む費用関数の最終出力を生成する工程をさらに含む、請求項25記載の方法。
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