JP2023514202A - 燃料電池システムの耐障害性電気的アーキテクチャ - Google Patents
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Abstract
燃料電池システムを動作させる定常状態モード中、システム電力が燃料電池によって生成され、定常状態バスを介して、第1のBOP負荷、第2のBOP負荷に提供され、変圧器及び双方向の第1のインバーター又は双方向の第2のインバーターのうちの少なくとも一方を介して電力網に提供される。燃料電池システムの始動モード動作中、電力網からの外部電力が、変圧器、第1のインバーター又は第2のインバーターのうちの一方、及び始動バスを介して、第1のBOP負荷及び第2のBOP負荷に提供される。【選択図】図3A
Description
本開示は、包括的には、パワーエレクトロニクスに関し、特に、燃料電池発電システムの耐障害性電気的アーキテクチャに関する。
現在の燃料電池システムは、始動時、燃料電池が発電する動作温度に達するのに必要な時間に起因して、電力を消費する場合がある。この電力は、通常、ユーティリティのAC電圧から、コンバーターによって燃料電池のバランスオブプラント(BOP)コンポーネント及び他の寄生負荷に給電するのに使用可能なDC電圧に変換することによって生成される。従来、この変換には、システムのライフサイクルの大部分をなし得る定常状態動作中には利用されない、変圧器、整流器、ヒューズ、及び配線等の追加のコンポーネントが必要とされる。したがって、システムコストを低減するために、よりよいコンポーネント利用が必要とされている。
一実施形態によれば、燃料電池システムは、インバーターモジュールとパワーモジュールとを備える。前記インバーターモジュールは、外部電源に接続されるように構成される外部電源バスに電気的に接続される変圧器と、前記変圧器に電気的に接続される双方向の第1のインバーター及び第2のインバーターと、前記第1のインバーターに電気的に接続される障害ダイオードと、第1のバランスオブプラント(BOP)負荷とを備える。前記パワーモジュールは、燃料電池と、第2のBOP負荷とを備える。定常状態バスは、前記第1のインバーター及び前記第2のインバーターを前記第1のBOP負荷、前記第2のBOP負荷、及び前記燃料電池に電気的に接続し、始動バスは、前記第1のインバーター及び前記第2のインバーターを前記第1のBOP負荷及び前記第2のBOP負荷に電気的に接続する。前記システムの定常状態モード動作中、システム電力が前記燃料電池によって生成され、前記定常状態バスを介して、前記第1のBOP負荷、前記第2のBOP負荷、並びに前記第1のインバーター及び前記第2のインバーターのうちの少なくとも一方に提供される。前記システムの始動モード動作中、前記外部電源バスからの外部電力が、前記第1のインバーター又は前記第2のインバーターのうちの一方及び前記始動バスを介して前記第1のBOP負荷及び前記第2のBOP負荷に提供される。
別の実施形態によれば、燃料電池システムの動作方法は、前記システムの定常状態モード動作中、システム電力を燃料電池によって生成し、前記システム電力を、定常状態バスを介して第1のバランスオブプラント(BOP)負荷、第2のBOP負荷に提供し、変圧器及び双方向の第1のインバーター又は双方向の第2のインバーターのうちの少なくとも一方を介して電力網に提供することと、前記システムの始動モード動作中、前記電力網からの外部電力を、前記変圧器、前記第1のインバーター又は前記第2のインバーターのうちの一方、及び始動バスを介して、前記第1のBOP負荷及び前記第2のBOP負荷に提供することとを含む。
本明細書に援用されるとともに、本明細書の一部をなす添付図面により、開示の装置及び方法の例を示す。添付図面は、上述の全般的な説明及び後述の詳細な説明と併せて、本発明の特徴を説明する役目を果たす。
添付図面を参照して、種々の例を詳細に説明する。可能な限り、同じ参照符号は、図面全体を通して同じ又は同様の部分を指すのに使用する。特定の例及び実施態様に対する参照は、例示目的でなされ、本発明又は特許請求の範囲の範囲を制限することは意図していない。図に示される例は、相互に排他的でないことも理解される。1つの例(例えば、1つの図中)に示される特徴が、他の例(例えば、他の図中)に含まれる場合がある。
固体酸化物形燃料電池(SOFC)に基づく分散型発電システム等の燃料電池発電システムは、定常状態の発電モード中、SOFCでは温度750℃以上等の比較的高い動作温度を有する場合がある。したがって、システム始動時、そのようなシステムは、バランスオブプラント(BOP)要素(例えば、ファン、ブロワー、スイッチ等)及び/又は寄生負荷に給電するために、接続されたユーティリティ又は他の外部AC発電機等の外部電源から電力が提供されることが通常である。この外部始動電力は、外部から提供されるAC電圧を、コンバーターによってBOP要素及び他の寄生負荷に給電するのに使用可能なDC電圧に変換することによって提供することができる。
図1Aは、本開示の比較例に係る、システム始動時の燃料電池システム10の電気的アーキテクチャを通る電力潮流を示す概略図であり、図1Bは、本開示の比較例に係る、定常状態動作時の燃料電池システムの電気的アーキテクチャを通る電力潮流を示す概略図である。当業者には明らかとなるように、後述のコンポーネントの「接続」とは、別段明記しない限り、「電気的接続」を指すように意図される。
図1A及び図1Bを参照すると、システム10は、インバーターモジュール200と、燃料電池110を備える少なくとも1つのパワーモジュール100とを備えることができる。燃料電池110は、1つ以上のスタック又はカラムにして配置することができる。燃料電池110は、導電性相互接続プレートによって分離されるセラミック酸化物電解質を有する固体酸化物形燃料電池を含むことができる。プロトン交換膜(PEM)型、溶融炭酸塩型、リン酸型等の他のタイプの燃料電池を用いてもよい。パワーモジュール100は、後述のように、始動バス及び燃料電池(例えば、定常状態)バスによってインバーターモジュール200に接続することができる。いくつかの実施形態において、システム10は、複数のパワーモジュール100にそれぞれ接続される複数のインバーターモジュール200を備えることができる。
システム10は、インバーターモジュール200及び/又はパワーモジュール100の動作を制御するように構成されるコントローラー50を備えることができる。コントローラー50は、インバーターモジュール200若しくはパワーモジュール100内に配置されるか、又はインバーターモジュール200若しくはパワーモジュール100に作動的に接続することができる。コントローラー50は、中央処理装置、及び/又は動作ソフトウェアを記憶するように構成されるメモリを含むことができる。いくつかの実施形態において、コントローラー50は、オペレーターがシステム10を制御することを可能にするインターフェースを提供することができる。
インバーターモジュール200は、外部電源バス226によって電気ユーティリティ201(例えば、電力網又は外部発電機)等の外部電源に接続される、定常状態変圧器202及び始動変圧器204を備えることができる。定常状態変圧器202は、AC/DCインバーター212に接続することができる。インバーター212は、第1のバランスオブプラント負荷BOP1に接続される定常状態ダイオード210に接続することができる。始動変圧器204は、整流器206に接続することができる。整流器206は、始動バス222を介して、負荷BOP1に接続される始動ダイオード208に接続することができる。
パワーモジュール100は、DC/DCコンバーター218と、始動ダイオード214と、定常状態ダイオード216とを備えることができる。DC/DCコンバーター218は、インバーター212と、パワーモジュール100の燃料電池110とに電気的に接続することができる。DC/DCコンバーター218は、定常状態ダイオード216にも接続することができる。ダイオード214、216は、第2のバランスオブプラント負荷BOP2に接続することができる。始動ダイオード214は、整流器206にも電気的に接続することができる。
図1Aを参照すると、システム10の始動時、燃料電池110が定常状態動作温度(例えば、SOFCの場合、少なくとも750℃、例えば750℃~900℃等)に達する前には、燃料電池110は、BOP負荷に対して十分な量の電力を生成することができない。したがって、始動時、ユーティリティからの電力が、始動バス222を介して負荷BOP1、BOP2に提供される。特に、電力は、始動バス222を介して、始動変圧器204、整流器206、始動ダイオード208、214を通った後、BOP負荷BOP1、BOP2に流れる。インバーター212、コンバーター218、及び定常状態バス220は、システム始動時には使用されない。
図1Bを参照すると、燃料電池が所望の定常状態動作温度(例えば、750℃以上)に達すると、システム10の定常状態動作が開始し、燃料電池110から負荷BOP1、BOP2に電力が提供される。特に、電力は、燃料電池110から、定常状態バス220を介して、DC/DCコンバーター218、インバーター212、及び定常状態変圧器202を通って、ユーティリティ及び/又は任意の局部負荷に流れる。必要に応じて、電力は、定常状態ダイオード210、216を通して負荷BOP1、BOP2にも転換される。したがって、整流器206及び始動変圧器204は使用されない。定常状態モード動作は、燃料電池110が発電するのに十分な高温であるときは常に継続し、これは、燃料電池の動作寿命の略全てを占める。これには、変圧器202、204がユーティリティ201(例えば、電力網)から切断されている期間を含み、この間、定常状態変圧器202が電力網の代わりに燃料電池110から局部負荷に電力を提供する。
したがって、始動時の電力変換に使用される変圧器204、整流器206、ヒューズ(図示せず)、及び配線は、システム10のライフサイクルのほとんどをなす定常状態動作時には使用されない。したがって、このアーキテクチャは、システム10のコストを増加させ、システム10のエネルギー密度を減少させる。整流器206は、始動時の高調波電流を生成することもできる。
図2は、本開示の別の比較実施形態に係る、燃料電池システム20の電気的アーキテクチャを示す概略図である。システム20の電気的アーキテクチャは、図1A及び図1Bに示されているシステム10の電気的アーキテクチャと同様であるため、システム10との相違点のみを詳細に論じる。
図2を参照すると、システム20は、結合バス224によって電気的に接続されるパワーモジュール100A及びインバーターモジュール200Aを備える。インバーターモジュール200Aは、結合バス224に電気的に接続される双方向のインバーター240を備える。双方向のインバーター240は、システム始動時に、ユーティリティから提供されるAC電力を、負荷BOP1、BOP2を駆動するのに好適なDC電力に変換することができ、定常状態動作時に、燃料電池110からのDC電力を、ユーティリティに提供することができるAC電力に変換することができる。換言すれば、結合バス224は、定常状態動作の間及び始動動作の間の双方で電力を伝送するのに使用することができる。したがって、図1A及び図1Bのシステム10の始動バス222、始動変圧器204、整流器206、及び始動ダイオード208、214は、始動時の機能性を損なうことなく、システム20から省くことができる。
しかしながら、図2における「X」によって示されるように結合バス224に障害があると、代替となる電源がないため、パワーモジュール100AのBOP負荷への電力の供給が妨げられる場合がある。これにより、燃料電池110の強制的なシャットダウンが生じるおそれがあり、この間、燃料電池110の温度は、動作温度を下回る場合があり、その後、システム20が再始動すると、燃料電池110は動作温度に戻る。換言すれば、強制的なシャットダウンにより、燃料電池110の熱サイクルが生じる場合があり、これにより、燃料電池110の長期の健全性に支障を来すおそれがある。そのような熱サイクルにより、所望の電力出力を維持するために、燃料電池を早期に交換する必要が生じ得る。
図3Aは、本開示の種々の実施形態に係る、始動時の燃料電池システム30の電気的アーキテクチャを通る電力潮流を示す概略図である。システム30の電気的アーキテクチャは、図1A及び図1Bに示されているシステム10の電気的アーキテクチャと同様であるため、システム10との相違点のみを詳細に論じる。図3Aを参照すると、システム30は、定常状態バス220及び始動バス222によって電気的に接続されるパワーモジュール100及びインバーターモジュール300を備える。1つのパワーモジュール100が示されているが、システム30は、インバーターモジュール300に電気的に接続される複数のパワーモジュール100を備えてもよい。システム30は、システム30の定常状態動作及び始動動作を制御するように構成されるコントローラー50も備えることができる。
インバーターモジュール300は、双方向の第1のインバーター240、双方向の第2のインバーター242、及び少なくとも1つの一方向の第3のインバーター244(例えば、1つ~10個の一方向のインバーター)を備えることができ、これらのインバーターは、外部電源バス226によって電力ユーティリティ(例えば、システム30の外部の電源)及びシステム変圧器302に電気的に接続することができる。インバーターモジュール300は、図1A及び図1Bに示されている2つの変圧器202、204の代わりに、始動モード及び定常状態モードの双方において動作する単一のシステム変圧器302を収容する。インバーターモジュール300は、第1のバランスオブプラント負荷BOP1に電気的に接続される始動ダイオード208及び定常状態ダイオード210も備えることができる。インバーターモジュール300は、障害ダイオード230及び任意選択の補助ダイオード232も備えることができる。
パワーモジュール100は、始動バス222に電気的に接続される始動ダイオード214と、定常状態バス220に電気的に接続される定常状態ダイオード216とを備えることができる。双方のダイオード214、216は、第2の負荷BOP2への電流の流れを制御する。
図3Aの矢印によって示されているように、始動モード中、外部電源バス226は、ユーティリティ201からの電力を、システム変圧器302及び第1のインバーター240に順次提供することができる。変圧器302は、ユーティリティ電力の電圧を変更するように動作することができ、第1のインバーター240は、ACユーティリティ電力(すなわち、交流)をDC電力(すなわち、直流)に変換するように動作することができる。次いで、始動バス222は、始動ダイオード208を介して、ユーティリティ電力を第1の負荷BOP1に提供することができる。したがって、第1のインバーター240は、整流器として動作することができ、図1Aに示されている別個の整流器206及び始動変圧器204を省くことで、システム30のコストを低減することができる。したがって、システム30は、付加的な変圧器(単一のシステム変圧器302を除く)及び整流器を排除することができる。始動バス222は、始動ダイオード214を介して、ユーティリティ201の電力を第2の負荷BOP2に提供することもできる。障害ダイオード230は、始動モード中、電流が定常状態バス220を通って燃料電池110に流れることを阻止する。第2のインバーター242は、電力が第2のインバーター242を通過して定常状態バス220に向かわないように、オフのままにすることができる。さらに、第3のインバーター244が一方向のものであるため、第3のインバーター244は、始動時、定常状態バス220への電力の供給を阻止することもできる。したがって、システム始動時、インバーターモジュール300は、始動バス222を介して、ユーティリティ電力を双方の負荷BOP1、BOP2に供給するように構成することができる。
図3Bは、本開示の種々の実施形態に係る、障害のある始動時の燃料電池システム30の電気的アーキテクチャを通る電力潮流を示す概略図である。図3Bを参照すると、システム始動モード中に第1のインバーター240に障害が起こった場合、第2のインバーター242がオンになり、第1のインバーター240がオフになる。したがって、実線矢印によって示されているように、ユーティリティからの電力が、変圧器302から第2のインバーター242に流れ、その後、定常状態バス220を介して負荷BOP1、BOP2に提供される。この時間中、DC/DCコンバーター218をオフにし、ユーティリティ201の電力が燃料電池110に到達することを防ぐことができる。破線矢印によって示されているように、始動バス222を介して、定常状態バス220から負荷BOP1、BOP2に電力を提供することもできる。したがって、バス220、222のうちの一方に障害が生じた場合、バス220、222のうちの障害のないもう一方を介して、依然として負荷BOP1、BOP2に電力を提供することができる。
図3Cは、本開示の種々の実施形態に係る、定常状態モード動作時の燃料電池システム30の電気的アーキテクチャを通る電力潮流を示す概略図である。図3Cを参照すると、定常状態動作時、DC電力(すなわち、直流)が燃料電池110からDC/DCコンバーター218に提供され、電圧変換のためにDC/DCコンバーター218をオンにし、その後、それぞれ矢印によって示されているように、電力は、定常状態バス220を介してダイオード210及び216を通って負荷BOP1、BOP2に提供される。定常状態バス220は、第1のインバーター240及び第3のインバーター244を介して、また任意選択として第2のインバーター242を介して、ユーティリティ201にも電力を提供する。したがって、定常状態モード中、全てのインバーター240、242、244をオンにしてもよく、又は、定常状態モード中、第1のインバーター240及び第3のインバーター244のみをオンにし、第2のインバーター242をオフにしてもよい。定常状態モード中、定常状態バス220に障害がある場合及び/又は燃料電池110が一切の電力若しくは十分な電力を生成しない場合、第2のインバーター242がオフにされると、障害ダイオード230は、ユーティリティ201からの電力が定常状態バス220に逆流することを阻止する。
制御の観点から、燃料電池110によって定常状態バス220に提供される電圧が、負荷BOP1、BOP2によって必要とされる電圧以上である場合、第1のインバーター240は、定常状態バス220から第3のインバーター244と同じ電力を送り出す。燃料電池110によって提供される電圧が負荷BOP1、BOP2の一方又は双方によって必要とされる電圧未満である場合、第1のインバーター240は、ユーティリティ201から、始動バス222を介して負荷BOP1に、また任意選択として始動バス222を介して負荷BOP2に電力を取り入れる。代替的に、燃料電池が負荷BOP2に対して十分な電力を提供する場合、燃料電池110は、定常状態バス220及びダイオード216を介して負荷BOP2に電力を提供し、一方、ユーティリティ201は、始動バス222及びダイオード208を介して負荷BOP1に電力を提供する。これらのシナリオの双方において、第1のインバーター240は、燃料電池110からユーティリティ201に電力を送り出すというコントローラー50からのコマンドを無視する。この場合、第2のインバーター242がオフにされると、障害ダイオード230は、ユーティリティ201の電力が第1のインバーター240から定常状態バス220に提供されることを阻止する。
図4Aは、本開示の種々の実施形態に係る、始動時の燃料電池システム40の電気的アーキテクチャを通る電力潮流を示す概略図である。システム40の電気的アーキテクチャは、図3A~図3Cに示されているシステム40の電気的アーキテクチャと同様であるため、システム40との相違点のみを詳細に論じる。
図4Aを参照すると、システム40は、定常状態バス220及び始動バス222によって電気的に接続されるパワーモジュール100及びインバーターモジュール400を備える。インバーターモジュール400は、インバーターモジュール300のコンポーネントを備える。加えて、インバーターモジュール400は、補助電力コンバーター246と、DC/DCコンバーター248と、充電用ダイオード234と、補助定常状態バス221と、補助始動バス223とを備えることができる。システム40は、システム40の定常状態動作及び始動動作を制御するように構成されるコントローラー50も備えることができる。
補助定常状態バス221は、定常状態バス220を補助負荷247に電気的に接続することができる。補助定常状態バス221は、充電用ダイオード234を介して補助始動バス223に接続することもできる。補助始動バス223は、始動バス222をバッテリ又はスーパーキャパシタ等の蓄電装置250に電気的に接続することができる。補助負荷247の電力要求に応じて、補助電力コンバーター246は、DC/ACインバーター又はDC/DCコンバーターとすることができる。例えば、図4Aに示されているように、補助電力コンバーター246は、AC電力(すなわち、交流)を補助負荷247に提供するように構成されるDC/ACインバーターとすることができる。他の実施形態において、補助電力コンバーター246は、DC電力を補助負荷247に提供するように構成されるDC/DCコンバーターとすることができる。DC/DCコンバーター248は、エネルギー貯蔵装置250から受け取った電圧を、負荷BOP1、BOP1に給電するのに好適な電圧に変換するように構成することができ、補助定常状態バス221から受け取った電圧をエネルギー貯蔵装置250に貯蔵するのに好適な電圧に変換するように構成することができる。
始動モード中、システム40は、図3A及び図3Bに関して上述したように、ユーティリティ201の電力を利用して、負荷BOP1、BOP2に給電することができる。代替的に、システム40は、始動モード中、エネルギー貯蔵装置250に貯蔵された電力を利用するように構成することができる。例えば、図4Aに示されているように、システム40は、始動モード中、実線矢印によって示されているように、エネルギー貯蔵装置250からの電力を、補助始動バス223及び始動バス222を介して負荷BOP1、BOP2に提供することができるように構成することができる。したがって、システム40は、ユーティリティ201からの電力等の外部電力が利用可能でない場合及び/又はバス226に障害がある場合に始動することができる。いくつかの実施形態において、始動モード動作及び/又は定常状態モード動作中、エネルギー貯蔵装置250からの電力は、必要に応じて、補助定常状態バス221を介して補助負荷247に提供することができる。
補助ダイオード232は、始動動作中等に、エネルギー貯蔵装置250によって補助始動バス223を介して始動バス222に提供される電力が、第1のインバーター240に到達することを阻止するように動作することができる。充電用ダイオード234は、始動モード中、ユーティリティ201から始動バス222に提供される電力が、負荷BOP1、BOP2の代わりにエネルギー貯蔵装置250内に流れることを阻止するように動作することができる。
図4Bは、本開示の種々の実施形態に係る、定常状態モード中の燃料電池システム40の電気的アーキテクチャを通る電力潮流を示す概略図である。図4Bを参照すると、実線矢印によって示されているように、定常状態モード動作中、燃料電池110から定常状態バス220を介して負荷BOP1、BOP2及びユーティリティ201に電力を提供することができる。電力は、燃料電池110から定常状態バス220及び補助定常状態バス221を介して、エネルギー貯蔵装置250内に貯蔵されるように提供する及び/又は補助負荷247に提供することもできる。
いくつかの実施形態において、定常状態モード動作中、インバーター240、242、244のうちの1つに障害が生じ、燃料電池110からの一部又は全てのシステム電力がユーティリティ201に到達しない場合、システム40は、コントローラー50によって、補助インバーター246をオンにして、燃料電池110によって生成されるシステム電力を、定常状態バス220及び補助定常状態バス221を介して補助負荷247に提供することで、定常状態バス220を安定化させるように構成することができる。
図4Cは、本開示の種々の実施形態に係る、システムコンポーネントの試験中の燃料電池システム40の電気的アーキテクチャを通る電力潮流を示す概略図である。図4Cを参照すると、図4Cにおける矢印によって示されているように、事前並列化検査(PPI:pre-paralleling inspection)試験中、エネルギー貯蔵装置250からの電力を、補助定常状態バス221を介してインバーター240、242、244等のコンポーネントに提供することができる。試験中、インバーター240、242、244のそれぞれは、個々にオンにして試験することができる。したがって、システムコンポーネントを試験するのに別個の発電機は必要としない。他の実施形態において、エネルギー貯蔵装置250によって提供される電力を使用して、他のシステムコンポーネントを試験することができる。
他の実施形態において、定常状態動作中、エネルギー貯蔵装置250からの電力を、補助定常状態バス221及び電源バス226を通って、インバーター240、242、244のうちの任意のものを介して、ユーティリティ201に提供することができる。エネルギー貯蔵装置250からの電力は、燃料電池110によって提供される電力を補完することができる。
したがって、システム40は、事前並列化検査試験を単純化する。システム40は、定常状態バス220からの電圧を維持するAC/DCインバーターとして動作することができる双方向のインバーター240、242を備えるが、一方のインバーター240、242、244は、PPI手順中、オンサイトの単独運転防止試験(on-site anti-islanding testing)を受ける。したがって、同じ試験を実行するのに従来必要とされていた、ロールアップ発電機、嵩高のPPIリグ、及び広範囲の配線の使用を排除することができる。
1つの実施形態によれば、燃料電池システム30又は40を動作させる方法は、システムの定常状態モード動作中、システム電力を燃料電池110によって生成し、システム電力を、定常状態バス220を介して第1のバランスオブプラント(BOP)負荷BOP1、第2のBOP負荷BOP2に提供し、変圧器302及び双方向の第1のインバーター240又は双方向の第2のインバーター242のうちの少なくとも一方を介してユーティリティ電力網201に提供することを含む。本方法は、システムの始動モード動作中、ユーティリティ電力網201からの外部電力を、変圧器302、第1のインバーター240又は第2のインバーター242のうちの一方、及び始動バス222を介して、第1のBOP負荷及び第2のBOP負荷に提供することを含む。
1つの実施形態において、障害ダイオード230は、第1のインバーター240と定常状態バス220との間に電気的に接続される。障害ダイオード230は、外部電力が始動バス222及び第1のインバーター240から定常状態バス220に提供されることを阻止するとともに、障害ダイオードは、定常状態モード中、システム電力が、燃料電池110から定常状態バス220を通って第1のインバーター240に流れることを可能にする。
1つの実施形態において、本方法は、始動モードにおいて始動バス222に障害がある場合、第1のインバーター240をオフにし、第2のインバーター242をオンにすることと、定常状態モードにおいて定常状態バス220に障害がある場合、第1のインバーター240をオンにし、第2のインバーター242をオフにすることとを更に含む。
第1のインバーターがオンにされ、第2のインバーターがオフにされる場合、始動モード中、第1のインバーター240は、変圧器302から受け取った外部電力を、始動バスを介して第1のBOP負荷及び第2のBOP負荷に提供される直流(DC)電力に変換する。定常状態モード中に定常状態バスに障害がない場合、第1のインバーター240は、定常状態バス220から受け取ったシステム電力を、変圧器302に提供される交流(AC)電力に変換する。定常状態モード中に定常状態バス220に障害がある場合、第1のインバーター240は、変圧器302から受け取った外部電力を、始動バス222を介して第1のBOP負荷及び第2のBOP負荷に提供される直流(DC)電力に変換する。
代替的に、第2のインバーターがオンにされ、第1のインバーターがオフにされる場合、そのうえ始動モード中に始動バス222に障害がある場合、第2のインバーター242は、変圧器302から受け取った外部電力を、定常状態バス220を介して第1のBOP負荷及び第2のBOP負荷に提供される直流(DC)電力に変換する。定常状態モード中、第2のインバーター242は、定常状態バス220から受け取ったシステム電力を、変圧器302に提供される交流(AC)電力に変換する。
1つの実施形態において、第1の始動ダイオード208は、第1の方向において電力が始動バス222を通って第1のBOP負荷に流れることを可能にし、反対の第2の方向において電力が始動バスを通って流れることを阻止し、第2の始動ダイオード214は、第1の方向において電力が始動バス222を通って第2のBOP負荷に流れることを可能にし、反対の第2の方向において電力が始動バスを通って流れることを阻止する。第1の定常状態ダイオード210は、第1の方向において電力が定常状態バス220を通って第1のBOP負荷に流れることを可能にし、反対の第2の方向において電力が定常状態バスを通って流れることを阻止し、第2の定常状態ダイオード216は、第1の方向において電力が定常状態バス220を通って第2のBOP負荷に流れることを可能にし、反対の第2の方向において電力が定常状態バスを通って流れることを阻止する。
1つの実施形態において、少なくとも1つの一方向の第3のインバーター244は、変圧器302及び定常状態バス220に電気的に接続される。少なくとも1つの第3のインバーター244は、定常状態バス220から受け取った直流(DC)システム電力を交流(AC)電力に変換し、AC電力を変圧器320に提供し、システム電力は、定常状態モードにおいて、変圧器302に提供される前に、第1のインバーター240又は少なくとも1つの第3のインバーター244のうちの少なくともいずれかを通過する。
1つの実施形態において、エネルギー貯蔵装置250は、システム電力を貯蔵する。補助定常状態バス221は、エネルギー貯蔵装置250を定常状態バス220に電気的に接続し、補助始動バス223は、エネルギー貯蔵装置を始動バス220に電気的に接続する。エネルギー貯蔵装置250は、ユーティリティ電力網201からの外部電力が利用可能でない場合、補助始動バス223及び始動バス220を介して、システム電力を第1のBOP負荷及び第2のBOP負荷に提供する。充電用ダイオード234は、補助始動バス223に配置され、電力が補助始動バスからエネルギー貯蔵装置250内に流れることを阻止する。DC/DCコンバーター248は、エネルギー貯蔵装置250から受け取って補助始動バス223に提供される電力の電圧を変更するとともに、補助定常状態バス221から受け取ってエネルギー貯蔵装置250に提供される電力の電圧を変更する。
補助負荷247を設けることもできる。双方向の第4の(すなわち、補助)AC/DCインバーター246は、補助定常状態バス221及び補助負荷247に電気的に接続される。第4のAC/DCインバーター246は、定常状態モード中、第1のインバーター240、第2のインバーター242、又は少なくとも1つの第3のインバーター244のうちの少なくとも1つに障害が生じた場合、定常状態バス220から補助負荷247に電力を提供することによって定常状態バス220を安定化させる。1つの実施形態において、第1のインバーター240及び第2のインバーター242のうちの少なくとも一方は、始動モード中、外部電力を整流し、定常状態モード中、システム電力を変換する。
したがって、本開示の種々の実施形態によって提供される電気的アーキテクチャは、双方向のインバーターを利用することにより、同程度の機能性を提供することによって、別個の始動整流器及び変圧器の必要性を排除することができる。したがって、利用頻度の低い始動変圧器及び整流器等のコンポーネントは、燃料電池システムから排除することができる。加えて、このアーキテクチャを使用することで、障害の際にも燃料電池のBOPコンポーネントの給電を維持するために、エネルギーを貯蔵することができ、これにより、燃料電池が動作温度に維持され、それにより、熱サイクルイベントに起因するサイクル寿命短縮が低減又は阻止される。
電気的アーキテクチャは、従来のアーキテクチャと比較して、信頼性を犠牲にすることなく単純化することができる。これにより、コスト削減及びより効率的な空間利用が可能になる。加えて、電気的アーキテクチャは、ユーティリティ電力を利用することなくシステム始動を可能にし、モジュールの機能性を向上し、設置及びフィールドサービスチームが動作目標を達成するためのより大きな柔軟性を提供する。
コントローラー50は、プロセッサ、メモリ、及び、特定の機能を実行するための命令がプログラムされているか又は特定の機能を実行するように設計されるプロセッサ内に実装することができる他のコンポーネントを備えるコンピューティングデバイス(コンピューター等)を使用して実施することができる。プロセッサは、ソフトウェア命令(アプリケーション)によって、本明細書に記載される種々の実施形態の機能を含む様々な機能を実行するように構成することができる、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ー、又は単数若しくは複数のマルチプルプロセッサチップとすることができる。いくつかのコンピューティングデバイスにおいて、複数のプロセッサを設けることができる。通常、ソフトウェアアプリケーションは、アクセス及びプロセッサ内にロードされる前に、内部メモリに記憶することができる。いくつかのコンピューティングデバイスにおいて、プロセッサは、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備えることができる。プロセッサは、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ(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)、又は他のプログラマブルロジックデバイス、個別のゲート若しくはトランジスタロジック、個別のハードウェアコンポーネント、又は本明細書に記載される機能を実行するように設計されるそれらの任意の組合せを含むことができる。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサとすることができるが、代替形態において、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラー、マイクロコントローラー、又はステートマシンとすることができる。プロセッサは、コンピューティングデバイスの組合せ、例えば、DSPとマイクロプロセッサとの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと併せた1つ以上のマイクロプロセッサ、又は他の任意のそのような構成として実施することもできる。
種々の例に示されている構成及び配置は例示にすぎない。本開示には少数の例のみを詳細に記載しているが、本明細書に記載される主題の新規の教示及び利点から著しく逸脱することなく、多くの変更が可能である(例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状及び割合、パラメーターの値、取付け構成、使用する材料、色、向き等の変更)。一体的に形成されて示されているいくつかの要素は、複数の部品又は要素から構成してもよく、要素の位置は、反転又は別様に変更してもよく、個別の要素又は位置の性質又は数は、改変又は変更してもよい。任意のプロセス、論理アルゴリズム、又は方法ステップの順序又はシーケンスは、代替的な例に従って変更又は並べ直しすることができる。本開示の範囲から逸脱することなく、種々の例の設計、動作条件、及び配置について、他の代用、修正、変更、及び省略を行うこともできる。任意の例の任意の1つ以上の特徴を、1つ以上の他の例の1つ以上の他の任意の特徴と任意に組み合わせて使用することができる。本明細書及び例は、単に例示的なものとみなされ、真の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって示されることが意図される。
Claims (20)
- 燃料電池システムであって、
外部電源に接続されるように構成された外部電源バスに、電気的に接続された変圧器と、
前記変圧器に電気的に接続された双方向の第1のインバーター及び双方向の第2のインバーターと、
前記第1のインバーターに電気的に接続された障害ダイオードと、
第1のバランスオブプラント(BOP)負荷と、
を備える、インバーターモジュールと、
燃料電池と、
第2のBOP負荷と、
を備える、パワーモジュールと、
前記第1のインバーター及び前記第2のインバーターを前記第1のBOP負荷、前記第2のBOP負荷、及び前記燃料電池に電気的に接続する定常状態バスと、
前記第1のインバーター及び前記第2のインバーターを前記第1のBOP負荷及び前記第2のBOP負荷に電気的に接続する始動バスと、
を備え、
前記システムの定常状態モード動作中、システム電力が、前記燃料電池によって生成されるとともに、前記定常状態バスを介して、前記第1のBOP負荷、前記第2のBOP負荷、並びに前記第1のインバーター及び前記第2のインバーターのうちの少なくとも一方に提供され、
前記システムの始動モード動作中、前記外部電源バスからの外部電力が、前記第1のインバーター又は前記第2のインバーターのうちの一方及び前記始動バスを介して前記第1のBOP負荷及び前記第2のBOP負荷に提供される、前記燃料電池システム。 - 前記障害ダイオードは、前記第1のインバーターと前記定常状態バスとの間に電気的に接続され、
前記障害ダイオードは、前記外部電力が前記始動バス及び前記第1のインバーターから前記定常状態バスに提供されることを阻止するように構成され、
前記障害ダイオードは、前記定常状態モード中、前記システム電力が、前記燃料電池から前記定常状態バスを通って前記第1のインバーターに流れることを可能にするように構成された、請求項1に記載のシステム。 - 前記始動モードにおいて前記始動バスに障害がある場合、前記第1のインバーターをオフにし、前記第2のインバーターをオンにするように構成されるとともに、前記定常状態モードにおいて前記定常状態バスに障害がある場合、前記第1のインバーターをオンにし、前記第2のインバーターをオフにするように構成されたシステムコントローラーを更に備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1のインバーターがオンにされ、前記第2のインバーターがオフにされる場合、
前記始動モード中、前記第1のインバーターは、前記変圧器から受け取った前記外部電力を、前記始動バスを介して前記第1のBOP負荷及び前記第2のBOP負荷に提供される直流(DC)電力に変換するように構成され、
前記定常状態モード中に前記定常状態バスに障害がない場合、前記第1のインバーターは、前記定常状態バスから受け取った前記システム電力を、前記変圧器に提供される交流(AC)電力に変換するように構成され、
前記定常状態モード中に前記定常状態バスに障害がある場合、前記第1のインバーターは、前記変圧器から受け取った前記外部電力を、前記始動バスを介して前記第1のBOP負荷及び前記第2のBOP負荷に提供される直流(DC)電力に変換するように構成された、請求項3に記載のシステム。 - 前記第2のインバーターがオンにされ、前記第1のインバーターがオフにされる場合、
前記始動モード中に前記始動バスに障害がある場合、前記第2のインバーターは、前記変圧器から受け取った前記外部電力を、前記定常状態バスを介して前記第1のBOP負荷及び前記第2のBOP負荷に提供される直流(DC)電力に変換するように構成され、
前記定常状態モード中、前記第2のインバーターは、前記定常状態バスから受け取った前記システム電力を、前記変圧器に提供される交流(AC)電力に変換するように構成された、請求項3に記載のシステム。 - 第1の方向において電力が前記始動バスを通って前記第1のBOP負荷に流れることを可能にするとともに、反対の第2の方向において電力が前記始動バスを通って流れることを阻止するように構成された第1の始動ダイオードと、
前記第1の方向において電力が前記始動バスを通って前記第2のBOP負荷に流れることを可能にするとともに、反対の前記第2の方向において電力が前記始動バスを通って流れることを阻止するように構成された第2の始動ダイオードと、
第1の方向において電力が前記定常状態バスを通って前記第1のBOP負荷に流れることを可能にするとともに、反対の第2の方向において電力が前記定常状態バスを通って流れることを阻止するように構成された第1の定常状態ダイオードと、
前記第1の方向において電力が前記定常状態バスを通って前記第2のBOP負荷に流れることを可能にするとともに、反対の前記第2の方向において電力が前記定常状態バスを通って流れることを阻止するように構成された第2の定常状態ダイオードと、
を更に備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記変圧器及び前記定常状態バスに電気的に接続される少なくとも1つの一方向の第3のインバーターを更に備え、
少なくとも1つの前記第3のインバーターは、前記定常状態バスから受け取った直流(DC)電力を、前記変圧器に提供される交流(AC)電力に変換するように構成され、
前記システム電力は、前記定常状態モードにおいて、前記変圧器に提供される前に、前記第1のインバーター又は少なくとも1つの前記第3のインバーターのうちの少なくともいずれかを通過することができる、請求項1に記載のシステム。 - 前記システム電力を貯蔵するように構成されたエネルギー貯蔵装置と、
前記エネルギー貯蔵装置を前記定常状態バスに電気的に接続する補助定常状態バスと、
前記エネルギー貯蔵装置を前記始動バスに電気的に接続する補助始動バスであって、前記エネルギー貯蔵装置は、前記ユーティリティ電力網からの前記外部電力が利用可能でない場合、前記システム電力を前記補助始動バス及び前記始動バスを介して前記第1のBOP負荷及び前記第2のBOP負荷に提供するように構成された、補助始動バスと、
前記補助始動バスに配置されているとともに、電力が前記補助始動バスから前記エネルギー貯蔵装置内に流れることを阻止するように構成された充電用ダイオードと、
前記エネルギー貯蔵装置から受け取って前記補助始動バスに提供される電力の電圧を変更するように構成されているとともに、前記補助定常状態バスから受け取って前記エネルギー貯蔵装置に提供される電力の電圧を変更するように構成されたDC/DCコンバーターと、
を更に備える、請求項1に記載のシステム。 - 補助負荷及び電力コンバーターを更に備え、前記電力コンバーターは、前記補助定常状態バス及び前記補助負荷に電気的に接続されるDC/DCコンバーター又は双方向の第4のAC/DCインバーターを含み、
前記電力コンバーターは、前記システムの前記定常状態モード中、前記第1のインバーター、前記第2のインバーター、又は少なくとも1つの前記第3のインバーターのうちの少なくとも1つに障害が生じた場合、前記定常状態バスから前記補助負荷に電力を提供することによって前記定常状態バスを安定化させるように構成されている、請求項8に記載のシステム。 - 前記第1のインバーター及び前記第2のインバーターのうちの少なくとも一方は、前記定常状態モード中、前記変圧器に提供される前記システム電力を変換するように構成されるとともに、前記始動モード中、前記変圧器から提供される前記外部電力を整流するように構成され、
前記システムは、付加的な変圧器及び整流器を含まない、請求項1に記載のシステム。 - 燃料電池システムの動作方法であって、
前記システムの定常状態モード動作中、システム電力を燃料電池によって生成し、前記システム電力を、定常状態バスを介して第1のバランスオブプラント(BOP)負荷、第2のBOP負荷に提供するとともに、変圧器及び双方向の第1のインバーター又は双方向の第2のインバーターのうちの少なくとも一方を介して電力網に提供することと、
前記システムの始動モード動作中、前記電力網からの外部電力を、前記変圧器、前記第1のインバーター又は前記第2のインバーターのうちの一方、及び始動バスを介して、前記第1のBOP負荷及び前記第2のBOP負荷に提供することと、
を含む、前記方法。 - 前記第1のインバーターと前記定常状態バスとの間に電気的に接続される障害ダイオードを更に備え、
前記障害ダイオードは、前記外部電力が前記始動バス及び前記第1のインバーターから前記定常状態バスに提供されることを阻止し、
前記障害ダイオードは、前記定常状態モード中、前記システム電力が、前記燃料電池から前記定常状態バスを通って前記第1のインバーターに流れることを可能にする、請求項11に記載の方法。 - 前記始動モードにおいて前記始動バスに障害がある場合、前記第1のインバーターをオフにし、前記第2のインバーターをオンにすることと、
前記定常状態モードにおいて前記定常状態バスに障害がある場合、前記第1のインバーターをオンにし、前記第2のインバーターをオフにすることと、
を更に含む、請求項11に記載の方法。 - 前記第1のインバーターがオンにされ、前記第2のインバーターがオフにされる場合、
前記始動モード中、前記第1のインバーターは、前記変圧器から受け取った前記外部電力を、前記始動バスを介して前記第1のBOP負荷及び前記第2のBOP負荷に提供される直流(DC)電力に変換し、
前記定常状態モード中に前記定常状態バスに障害がない場合、前記第1のインバーターは、前記定常状態バスから受け取った前記システム電力を、前記変圧器に提供される交流(AC)電力に変換し、
前記定常状態モード中に前記定常状態バスに障害がある場合、前記第1のインバーターは、前記変圧器から受け取った前記外部電力を、前記始動バスを介して前記第1のBOP負荷及び前記第2のBOP負荷に提供される直流(DC)電力に変換する、請求項13に記載の方法。 - 前記第2のインバーターがオンにされ、前記第1のインバーターがオフにされる場合、
前記始動モード中に前記始動バスに障害がある場合、前記第2のインバーターは、前記変圧器から受け取った前記外部電力を、前記定常状態バスを介して前記第1のBOP負荷及び前記第2のBOP負荷に提供される直流(DC)電力に変換し、
前記定常状態モード中、前記第2のインバーターは、前記定常状態バスから受け取った前記システム電力を、前記変圧器に提供される交流(AC)電力に変換する、請求項13に記載の方法。 - 第1の方向において電力が前記始動バスを通って前記第1のBOP負荷に流れることを可能にし、反対の第2の方向において電力が前記始動バスを通って流れることを阻止する第1の始動ダイオードと、
前記第1の方向において電力が前記始動バスを通って前記第2のBOP負荷に流れることを可能にし、反対の前記第2の方向において電力が前記始動バスを通って流れることを阻止する第2の始動ダイオードと、
第1の方向において電力が前記定常状態バスを通って前記第1のBOP負荷に流れることを可能にし、反対の第2の方向において電力が前記定常状態バスを通って流れることを阻止する第1の定常状態ダイオードと、
前記第1の方向において電力が前記定常状態バスを通って前記第2のBOP負荷に流れることを可能にし、反対の前記第2の方向において電力が前記定常状態バスを通って流れることを阻止する第2の定常状態ダイオードと、
を更に備える、請求項11に記載の方法。 - 前記変圧器及び前記定常状態バスに電気的に接続される少なくとも1つの一方向の第3のインバーターを更に備え、
少なくとも1つの前記第3のインバーターは、前記定常状態バスから受け取った直流(DC)システム電力を交流(AC)電力に変換し、前記AC電力を前記変圧器に提供し、
前記システム電力は、前記定常状態モードにおいて、前記変圧器に提供される前に、前記第1のインバーター又は少なくとも1つの前記第3のインバーターのうちの少なくともいずれかを通過する、請求項11に記載の方法。 - 前記システム電力を貯蔵するエネルギー貯蔵装置と、
前記エネルギー貯蔵装置を前記定常状態バスに電気的に接続する補助定常状態バスと、
前記エネルギー貯蔵装置を前記始動バスに電気的に接続する補助始動バスであって、前記エネルギー貯蔵装置は、前記ユーティリティ電力網からの前記外部電力が利用可能でない場合、前記補助始動バス及び前記始動バスを介して、前記システム電力を前記第1のBOP負荷及び前記第2のBOP負荷に提供する、補助始動バスと、
前記補助始動バスに配置され、電力が前記補助始動バスから前記エネルギー貯蔵装置内に流れることを阻止する充電用ダイオードと、
前記エネルギー貯蔵装置から受け取って前記補助始動バスに提供される電力の電圧を変更するとともに、前記補助定常状態バスから受け取って前記エネルギー貯蔵装置に提供される電力の電圧を変更するDC/DCコンバーターと、
を更に備える、請求項11に記載の方法。 - 補助負荷及び電力コンバーターを更に備え、前記電力コンバーターは、前記補助定常状態バス及び前記補助負荷に電気的に接続されるDC/DCコンバーター又は双方向の第4のAC/DCインバーターを含み、
前記電力コンバーターは、前記定常状態モード中、前記第1のインバーター、前記第2のインバーター、又は少なくとも1つの前記第3のインバーターのうちの少なくとも1つに障害が生じた場合、前記定常状態バスから前記補助負荷に電力を提供することによって前記定常状態バスを安定化させる、請求項18に記載の方法。 - 前記第1のインバーター及び前記第2のインバーターのうちの少なくとも一方は、前記始動モード中、前記外部電力を整流し、前記定常状態モード中、前記システム電力を変換する、請求項11に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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