JP2017512372A - 統合電気化学的インピーダンス分光法(「eis」)に配慮して複数の燃料電池および電力エレクトロニクスが負荷に並列に給電する燃料電池システムのための構造および方法 - Google Patents
統合電気化学的インピーダンス分光法(「eis」)に配慮して複数の燃料電池および電力エレクトロニクスが負荷に並列に給電する燃料電池システムのための構造および方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
本願は、その全体が本願明細書において参照により援用されている、「統合電気化学的インピーダンス分光法(「EIS」)に配慮して複数の燃料電池および電力エレクトロニクスが負荷に並列に給電する燃料電池システムのための構造および方法」という2014年2月12日に出願された米国仮特許出願第61/938,827号明細書(特許文献1)に対する優先権の利益を主張する。
Claims (32)
- システムであって、
直流(「DC」)バスと、
第1の入力接続部を介して第1のDCコンバータに電気的に接続される第1の電気化学装置であって、前記第1のDCコンバータは第1の出力接続部を介して前記DCバスに接続される、第1の電気化学装置と、
少なくとも1つの第2の入力接続部を介して少なくとも1つの第2のDCコンバータに電気的に接続される少なくとも1つの第2の電気化学装置であって、前記少なくとも1つの第2のDCコンバータは少なくとも1つの第2の出力接続部を介して前記DCバスに接続され、前記第1の出力接続部および前記少なくとも1つの第2の出力接続部は前記第1のDCコンバータおよび前記少なくとも1つの第2のDCコンバータを前記DCバスに並列に接続する、少なくとも1つの第2の電気化学装置と、
前記第1のDCコンバータおよび前記少なくとも1つの第2のDCコンバータに接続され、操作を実行するプロセッサ実行可能な命令で構成されるプロセッサと、を備え、
前記操作は、
前記第1のDCコンバータから前記第1の電気化学装置への前記第1の入力接続部に注入する試験波形を選択することと、
試験波形を前記第1の入力接続部に注入することに応答して生成される前記第1の出力接続部上の第1の結果リップルを判定することと、
前記少なくとも1つの第2のDCコンバータから前記少なくとも1つの第2の電気化学装置への前記少なくとも1つの第2の入力接続部に注入する少なくとも1つのオフセット波形を、前記少なくとも1つの第2の出力接続部に供給される1つ以上の第2のリップルが第1の結果リップルを相殺するように、決定することと、
試験波形を前記第1の入力接続部に注入するように前記第1のDCコンバータを制御することと、
少なくとも1つのオフセット波形を前記少なくとも1つの第2の入力接続部に注入するように前記少なくとも1つの第2のDCコンバータを制御することと、
を含むシステム。 - 請求項1記載のシステムにおいて、
前記第1の電気化学装置は第1の燃料電池スタックセグメントであり、前記少なくとも1つの第2の電気化学装置は少なくとも1つの第2の燃料電池スタックセグメントであるシステム。 - 請求項2記載のシステムにおいて、
前記プロセッサは、
注入された試験波形に応答してインピーダンス分光法(「EIS」)を用いて前記第1の燃料電池セグメントのインピーダンス応答を監視するように前記第1のDCコンバータを制御することと、
前記第1の燃料電池セグメントのインピーダンス応答に少なくとも部分的に基づいて前記第1の燃料電池セグメントの特性を判定することと、
をさらに含む操作を実行するプロセッサ実行可能な命令で構成されるシステム。 - 請求項3記載のシステムにおいて、
前記プロセッサは、判定された特性に基づいて前記第1の燃料電池セグメントのセッティングを調整することをさらに含む操作を実行するプロセッサ実行可能な命令で構成されるシステム。 - 請求項4記載のシステムにおいて、
判定される特性は燃料利用率であり、前記プロセッサは、判定された特性に基づいて前記第1の燃料電池セグメントのセッティングを調整することが、判定された燃料利用率に基づいて前記第1の燃料電池セグメントの燃料流量セッティングを調整することを含むように、操作を実行するプロセッサ実行可能な命令で構成されるシステム。 - 請求項3記載のシステムにおいて、
前記プロセッサは、
判定された特性が故障しきい値を超えるか否かを判定することと、
判定された特性が故障しきい値を超えると判定したことに応答して故障モードを指示することと、
をさらに含む操作を実行するプロセッサ実行可能な命令で構成されるシステム。 - 請求項6記載のシステムにおいて、
故障モードは、燃料枯渇状態、アノード触媒活性低下状態、アノード触媒ダメージ状態、または水充満状態であるシステム。 - 請求項3記載のシステムにおいて、
少なくとも1つの第2の入力接続部を介して少なくとも1つの第2のDCコンバータに電気的に接続される少なくとも1つの第2の電気化学装置であって、前記少なくとも1つの第2のDCコンバータが少なくとも1つの第2の出力接続部を介して前記DCバスに接続され、前記第1の出力接続部および前記少なくとも1つの第2の出力接続部が前記第1のDCコンバータおよび前記少なくとも1つの第2のDCコンバータを前記DCバスに並列に接続する、少なくとも1つの第2の電気化学装置は、
第2の入力接続部を介して第2のDCコンバータに電気的に接続される第2の燃料電池スタックセグメントであって、前記第2のDCコンバータは第2の出力接続部を介して前記DCバスに接続される、第2の燃料電池スタックセグメントと、
第3の入力接続部を介して第3のDCコンバータに電気的に接続される第3の燃料電池スタックセグメントであって、前記第3のDCコンバータは第3の出力接続部を介して前記DCバスに接続される、第3の燃料電池スタックセグメントと、
第4の入力接続部を介して第4のDCコンバータに電気的に接続される第4の燃料電池スタックセグメントであって、前記第4のDCコンバータは第4の出力接続部を介して前記DCバスに接続される、第4の燃料電池スタックセグメントと、を備え、
前記第1の出力接続部、前記第2の出力接続部、前記第3の出力接続部、および前記第4の出力接続部は、前記第1のDCコンバータ、前記第2のDCコンバータ、前記第3のDCコンバータ、および前記第4のDCコンバータを前記DCバスに並列に接続し、
前記プロセッサは、
前記少なくとも1つの第2のDCコンバータから前記少なくとも1つの第2の電気化学装置への前記少なくとも1つの第2の入力接続部に注入する少なくとも1つのオフセット波形を、前記少なくとも1つの第2の出力接続部に供給される1つ以上の第2のリップルが第1の結果リップルを相殺するように、決定することは、前記第2のDCコンバータから前記第2の燃料電池スタックセグメントへの前記第2の入力接続部に注入する第2のオフセット波形と、前記第3のDCコンバータから前記第3の燃料電池スタックセグメントへの前記第3の入力接続部に注入する第3のオフセット波形と、前記第4のDCコンバータから前記第4の燃料電池スタックセグメントへの前記第4の入力接続部に注入する第4のオフセット波形とを、前記第2の出力接続部上の第2のリップルと、前記第3の出力接続部上の第3のリップルと、前記第4の出力接続部上の第4のリップルとの合計が第1の結果リップルを相殺するように、決定することを含むように、かつ
前記少なくとも1つのオフセット波形を前記少なくとも1つの第2の入力接続部に注入するように前記少なくとも1つの第2のDCコンバータを制御することは、
第2のオフセット波形を前記第2の入力接続部に注入するように前記第2のDCコンバータを制御することと、
第3のオフセット波形を前記第3の入力接続部に注入するように前記第3のDCコンバータを制御することと、
第4のオフセット波形を前記第4の入力接続部に注入するように前記第4のDCコンバータを制御することと、を含むように、
操作を実行するプロセッサ実行可能な命令で構成されるシステム。 - 請求項8記載のシステムにおいて、
前記第1の燃料電池スタックセグメント、前記第2の燃料電池スタックセグメント、前記第3の燃料電池スタックセグメント、および前記第4の燃料電池スタックセグメントは、全て、固体酸化物燃料電池システム、プロトン交換膜燃料電池システム、リン酸燃料電池システム、または溶融炭酸塩燃料電池システムのセグメントであるシステム。 - 請求項3記載のシステムにおいて、
前記注入された試験波形に応答してEISを用いて前記第1の燃料電池セグメントのインピーダンス応答を監視するように前記第1のDCコンバータを制御することは、
前記第1の燃料電池セグメントの電圧の実数および虚数成分ならびに前記第1の燃料電池セグメントの電流の実数および虚数成分を、前記第1の燃料電池セグメントの極形式電圧および前記第1の燃料電池セグメントの極形式電流に変換することと、
前記第1の燃料電池セグメントのインピーダンスを、前記第1の燃料電池セグメントの極形式電圧割る前記第1の燃料電池セグメントの極形式電流として判定することと、
を含むシステム。 - 請求項1記載のシステムにおいて、
前記第1のDCコンバータは、リップルエネルギーを蓄積して前記リップルエネルギーを位相外れに放電するように構成されるエネルギー蓄積装置を含むシステム。 - 請求項11記載のシステムにおいて、
前記エネルギー蓄積装置は、前記第1の入力接続部上、前記第1の出力接続部上、または前記第1のDCコンバータの変圧器の巻線上に存在するシステム。 - 請求項1記載のシステムにおいて、
前記第1の電気化学装置および前記第2の電気化学装置は、両方とも、バッテリーセル、電解セル、または電気化学ポンピングセルであるシステム。 - 方法であって、
第1のDCコンバータから第1の電気化学装置への第1の入力接続部に注入する試験波形を選択するステップと、
試験波形を前記第1の入力接続部に注入したことに応答して生成される前記第1のDCコンバータの第1の出力接続部上の第1の結果リップルを判定するステップと、
少なくとも1つの第2のDCコンバータから少なくとも1つの第2の電気化学装置への少なくとも1つの第2の入力接続部に注入する少なくとも1つのオフセット波形を、前記少なくとも1つの第2のDCコンバータの少なくとも1つの第2の出力接続部に供給される1つ以上の第2のリップルが第1の結果リップルを相殺するように、決定するステップと、
試験波形を前記第1の入力接続部に注入するステップと、
少なくとも1つのオフセット波形を前記少なくとも1つの第2の入力接続部に注入するステップと、を含み、
前記第1の出力接続部および前記少なくとも1つの第2の出力接続部は、前記第1のDCコンバータおよび前記少なくとも1つの第2のDCコンバータを直流(「DC」)バスに並列に接続する方法。 - 請求項14記載の方法において、
前記第1の電気化学装置は第1の燃料電池スタックセグメントであり、前記少なくとも1つの第2の電気化学装置は少なくとも1つの第2の燃料電池スタックセグメントである方法。 - 請求項15記載の方法において、
注入された試験波形に応答して電気化学的インピーダンス分光法(「EIS」)を用いて前記第1の燃料電池セグメントのインピーダンス応答を監視するステップと、
前記第1の燃料電池セグメントのインピーダンス応答に少なくとも部分的に基づいて前記第1の燃料電池セグメントの特性を判定するステップと、
をさらに含む方法。 - 請求項16記載の方法において、
判定された特性に基づいて前記第1の燃料電池スタックセグメントのセッティングを調整するステップをさらに含む方法。 - 請求項17記載の方法において、
判定された特性は燃料利用率であり、前記第1の燃料電池スタックセグメントのセッティングを調整するステップは、判定された燃料利用率に基づいて前記第1の燃料電池スタックセグメントの燃料流量セッティングを調整することを含む方法。 - 請求項16記載の方法において、
判定された特性が故障しきい値を超えるか否かを判定するステップと、
判定された特性が故障しきい値を超えると判定したことに応答して故障モードを指示するステップと、
をさらに含む方法。 - 請求項19記載の方法において、
故障モードは、燃料枯渇状態、アノード触媒活性低下状態、アノード触媒ダメージ状態、または水充満状態である方法。 - 請求項16記載の方法において、
前記少なくとも1つの第2のDCコンバータから少なくとも1つの第2の電気化学装置への少なくとも1つの第2の入力接続部に注入する少なくとも1つのオフセット波形を、前記少なくとも1つの第2のDCコンバータの少なくとも1つの第2の出力接続部に供給される1つ以上の第2のリップルが第1の結果リップルを相殺するように、決定するステップは、第2のDCコンバータから第2の燃料電池スタックセグメントへの第2の入力接続部に注入する第2のオフセット波形と、第3のDCコンバータから第3の燃料電池スタックセグメントへの第3の入力接続部に注入する第3のオフセット波形と、第4のDCコンバータから第4の燃料電池スタックセグメントへの第4の入力接続部に注入する第4のオフセット波形とを、前記第2のDCコンバータの第2の出力接続部上の第2のリップルと、前記第3のDCコンバータの第3の出力接続部上の第3のリップルと、前記第4のDCコンバータの第4の出力接続部上の第4のリップルとの合計が第1の結果リップルを相殺するように、決定することを含み、
前記少なくとも1つのオフセット波形を前記少なくとも1つの第2の入力接続部に注入するステップは、
第2のオフセット波形を前記第2の入力接続部に注入することと、
第3のオフセット波形を前記第3の入力接続部に注入することと、
第4のオフセット波形を前記第4の入力接続部に注入することと、を含み、
前記第1の出力接続部、前記第2の出力接続部、前記第3の出力接続部、および前記第4の出力接続部は、前記第1のDCコンバータ、前記第2のDCコンバータ、前記第3のDCコンバータ、および前記第4のDCコンバータを前記DCバスに並列に接続する方法。 - 請求項21記載の方法において、
前記第1の燃料電池スタックセグメント、前記第2の燃料電池スタックセグメント、前記第3の燃料電池スタックセグメント、および前記第4の燃料電池スタックセグメントは、全て、固体酸化物燃料電池システム、プロトン交換膜燃料電池システム、リン酸燃料電池システム、または溶融炭酸塩燃料電池システムのセグメントである方法。 - 請求項16記載の方法において、
前記注入された試験波形に応答してEISを用いて前記第1の燃料電池セグメントのインピーダンス応答を監視するステップは、
前記第1の燃料電池セグメントの電圧の実数および虚数成分ならびに前記第1の燃料電池セグメントの電流の実数および虚数成分を、前記第1の燃料電池セグメントの極形式電圧および前記第1の燃料電池セグメントの極形式電流に変換することと、
前記第1の燃料電池セグメントのインピーダンスを前記第1の燃料電池セグメントの極形式電圧割る前記第1の燃料電池セグメントの極形式電流として判定することと、
を含む方法。 - 請求項14記載の方法において、
前記第1のDCコンバータは、エネルギー蓄積装置を含み、
前記方法は、リップルエネルギーを蓄積して前記リップルエネルギーを位相外れに放電するステップをさらに含む方法。 - 請求項24記載の方法において、
前記エネルギー蓄積装置は、前記第1の入力接続部上、前記第1の出力接続部上、または前記第1のDCコンバータの変圧器の巻線上に存在する方法。 - 請求項14記載の方法において、
前記第1の電気化学装置および前記第2の電気化学装置は、両方とも、バッテリーセル、電解セル、または電気化学ポンピングセルである方法。 - システムであって、
直流電流(「DC」)バスと、
第1の入力接続部を介して第1のDCコンバータに電気的に接続される第1の燃料電池セグメントであって、前記第1のDCコンバータは第1の出力接続部を介して前記DCバスに接続される、第1の燃料電池セグメントと、
少なくとも1つの第2の出力接続部を介して前記DCバスに接続される少なくとも1つの第2の装置と、
前記第1のDCコンバータおよび前記少なくとも1つの第2の装置に接続され、操作を実行するプロセッサ実行可能な命令で構成されるプロセッサと、を備え、
前記操作は、
前記DCバスへの第1の結果リップルを生成するために電気化学的インピーダンス分光法試験波形を前記第1の燃料電池セグメントに注入することと、
前記少なくとも1つの第2の装置から少なくとも1つの第2のオフセットリップルを前記DCバスに注入することと、を含み、
前記少なくとも1つの第2のオフセットリップルは、前記DCバス上の第1の結果リップルを少なくとも部分的にオフセットするシステム。 - 請求項27記載のシステムにおいて、
前記少なくとも1つの第2の装置は、少なくとも1つの波形発生装置であるシステム。 - 請求項27記載のシステムにおいて、
前記少なくとも1つの第2の装置は、少なくとも1つの第2の入力接続部を介して少なくとも1つの第2の燃料電池セグメントに電気的に接続される少なくとも1つの第2のDCコンバータであり、
前記第1の出力接続部および前記少なくとも1つの第2の出力接続部は、前記DCバスに並列に接続され、
前記プロセッサは、前記少なくとも1つの第2の装置から少なくとも1つの第2のオフセットリップルを前記DCバスに注入することが、出力バスへの少なくとも1つの第2のオフセットリップルを生成するために少なくとも1つのオフセット波形を前記少なくとも1つの第2の燃料電池セグメントに注入することを含むように、操作を実行するプロセッサ実行可能な命令で構成されるシステム。 - 燃料電池システムを操作する方法であって、
前記燃料電池システムの出力バスへの第1の結果リップルを生成するために電気化学的インピーダンス分光法試験波形を第1の燃料電池セグメントに注入するステップと、
少なくとも1つの第2のオフセットリップルを前記出力バスに注入するステップと、を含み、
前記少なくとも1つの第2のオフセットリップルは、前記出力バス上の第1の結果リップルを少なくとも部分的にオフセットする方法。 - 請求項30記載の方法において、
前記少なくとも1つの第2のオフセットリップルを前記出力バスに注入するステップは、前記出力バスへの入力ラインに接続された波形発生装置により行われる方法。 - 請求項30記載の方法において、
前記少なくとも1つの第2のオフセットリップルを前記出力バスに注入するステップは、前記出力バスへの少なくとも1つの第2のオフセットリップルを生成するために少なくとも1つのオフセット波形を少なくとも1つの第2の燃料電池セグメントに注入することを含み、
前記少なくとも1つの第2の燃料電池セグメントは、前記第1の燃料電池セグメントと並列に前記出力バスに接続される方法。
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