JP3106871U - 燃料電池システムのアレイを有する発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】ＵＰＳ等の利用可能なバックアップ電気機器ＤＣ入力電圧および電力出力に、よりよく整合する燃料電池発電設備を提供すること。
【解決手段】組み合わされた電力出力を有し、かつ、パワーバスと、少なくとも２つの燃料電池システムとを備えるアレイを備える発電設備であって、発電設備は、少なくとも２つの電力コンディショニングユニットをさらに備え、各ユニットは、パワーバスに電気的に接続され、電力コンディショニングユニットは、入力電圧と全定格電力出力とを有する、少なくとも２つの電力コンディショニングユニットをさらに備えることであって、パワーバスに電気的に接続された燃料電池システムの数は、電力コンディショニングユニットの入力電圧を満たすように選択され、電力コンディショニングユニットの数は、全定格電力出力がアレイの電力出力を満たすか、または超過するように選択される、ことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

（考案の背景）
本開示は、概して、燃料電池システムのアレイを用いるパワーサプライに関する。

（関連技術の説明）
燃料電池は、当該技術にて公知である。燃料電池は、水素を含む燃料流と酸素を含むオキシダント流を電気化学反応させて電流を生成する。燃料電池発電設備は、輸送、ポータブルおよび定置の用途において用いられてきた。

従来のバックアップ電力システムは、電力供給網が不十分か、または中断された場合に電力を供給するために再充電可能なバッテリバンクを用いる。ＡＣパワーを供給するように設計されたシステムは、通常、ＵＰＳスイッチとバッテリチャージャとインバータとを備える（かつ、パワーフィルタリングおよび／またはコンディショニング装置をさらに備えてもよい）ＵＰＳユニットを備える。供給網は、通常、負荷（単数または複数）に主要パワーを供給する。供給網が落ちると、バッテリバンクは、ＤＣ入力をＡＣ出力に変換するインバータを通じて負荷（単数または複数）にパワーを供給する。主要パワーが回復すると、バッテリチャージャはバッテリバンクを再充電する。

ＶＲＬＡバッテリ（Ｖａｌｖｅ ｒｅｇｕｌａｔｅｄ ｌｅａｄ ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ：制御弁式鉛蓄電池）は、バッテリバンクのために最もよく用いられている。バッテリの数およびサイズは、必要とされるランタイムに依存する。市販のＵＰＳ、およびインバータ等の他の電気機器は、ＶＲＬＡバッテリ１２ＶＤＣ出力の倍数である異なった入力電圧（４８、７２および９６ＶＤＣを含む）を必要とし、これらの出力電力定格は、適切なバッテリバンクを収容するように整合される。

燃料電池発電設備を用いるバックアップ電力システムもまた記載されている。あるアプローチは、燃料電池システムと電気的に並列で接続されたバッテリを有する燃料電池モジュールを用いて、負荷の要求が燃料電池スタックの出力を超過した場合に、さらなる電流を提供し、および、燃料電池スタックの出力が負荷の要求を超過した場合に電流を貯蔵する。モジュールの端子の特性は、さらに、既存のＶＲＬＡバッテリと同じように設計され得る。

しかしながら、燃料電池モジュールは、市販の機器およびＶＲＬＡバッテリバンクの電流、電圧、またはパワーレベルと整合しない。ＵＰＳ等の利用可能なバックアップ電気機器ＤＣ入力電圧および電力出力に、よりよく整合する燃料電池発電設備を有することが望ましい。

本考案の発電設備は、燃料電池システムのアレイであって、組み合わされた電力出力を有し、かつ、パワーバスと、少なくとも２つの燃料電池システムであって、該燃料電池システムの各々は、燃料電池スタック、該燃料電池スタックと電気的に並列で接続された電力貯蔵デバイス、および、該燃料電池スタックから該電力貯蔵デバイスおよびパワーバスへの電流の流れを制御する手段を備え、各燃料電池システムは、出力電圧および電力出力を有する、少なくとも２つの燃料電池システムとを備えるアレイを備える発電設備であって、該発電設備は、少なくとも２つの電力コンディショニングユニットをさらに備え、各ユニットは、該パワーバスに電気的に接続され、該電力コンディショニングユニットは、入力電圧と全定格電力出力とを有する、少なくとも２つの電力コンディショニングユニットをさらに備えることであって、該パワーバスに電気的に接続された該燃料電池システムの数は、該電力コンディショニングユニットの該入力電圧を満たすように選択され、該電力コンディショニングユニットの数は、該全定格電力出力が該アレイの電力出力を満たすか、または超過するように選択される、ことを特徴とし、それにより上記目的を達成することができる。

前記燃料電池システムの前記出力電圧は２４ＶＤＣであり、前記電力出力は１ｋＷであってもよい。

（考案の詳細な説明）
本考案の種々の実施形態を完全に理解できるようにするために、以下の記載において、ある特定の詳細が記載される。しかしながら、当業者は、本考案が、これらの詳細なしに実用化され得ることを理解する。他の例において、バッテリ、フライホイール、およびスーパーキャパシタ、反応物質送達システム、温度制御システム、および燃料電池システム等の燃料電池、燃料電池スタック、電力貯蔵デバイスと関連した周知の構造は、本考案の実施形態の説明を不必要に不明瞭化することを避けるために、示されなかったか、または、詳細に記載されなかった。

本明細書および添付の請求項において用いられるように、「ＵＰＳ」とは、ＩＥＣ６２０４０−３およびＥＮＶ５００９１−３標準規格で識別される受動スタンドバイ方式、ラインインタラクティブ方式、および２重変換方式を含む任意のトポロジの無停電電源装置を意味する。

図１は、本考案の例示的実施形態において使用するための負荷１２に電力を提供するハイブリッド燃料電池モジュール１０を示す。負荷１２は、通常、車両、電気器具、コンピュータおよび／または関連周辺機器等のハイブリッド燃料電池モジュール１０によって電極供給されるべきデバイスを構成する。ハイブリッド燃料電池モジュール１０は、通常、負荷１２の重要な部分でないが、制御機器回路等のハイブリッド燃料電池モジュール１０の部分は、いくつかの可能な実施形態において、負荷１２の一部分または全部を構成し得る。

電量電池モジュール１０は、電気的に直列で接続された複数の個々の燃料電池から構成された燃料電池スタック１４を備える。この燃料電池スタック１４は、反応物質供給システム１６を介して水素および空気等の反応物質（矢印９で示される）を受取る。反応物質供給システム１６は、１つ以上の反応物質供給リザーバまたはソース１１、リフォーマ（図示せず）、ならびに／あるいは、１つ以上のコンプレッサ、ポンプ、および／またはバルブ１８または他の反応物レギュレート要素等の１つ以上の制御要素を備え得る。燃料電池スタック１４の動作は、通常、水を含む反応生成物（矢印２０で示される）を生成する。燃料電池モジュール１０は、反応生成物２０のいくつかまたはすべてを再利用し得る。例えば、矢印２２によって示されるように、水のいくらかまたはすべては、燃料電池スタック１４に戻されて、適切な温度で水素および空気に給湿し、ならびに／あるいはイオン交換膜（図示せず）を水和するか、または、燃料電池スタック１４の温度を制御し得る。

燃料電池スタック１４は、正および負の電圧レール１９ａ、１９ｂによって形成された高電圧バスにわたってスタック電圧Ｖ_Ｓを生成する。スタック電流Ｉ_Ｓは、高電圧バスを介して燃料電池スタック１４から負荷に流れる。本明細書中で用いられる「高電圧」は、従来の燃料電池スタック１４によって生成され、負荷１２に電力供給される電圧のことであり、制御および／または伝達（例えば、５Ｖ）するための燃料電池モジュール１０によって用いられる他の電圧と区別するために用いられる。従って、他の電気系統に関して、電圧は、必ずしも「高い」というわけではない。

ハイブリッド燃料電池モジュール１０は、負荷に電力供給するために高電圧バスのレール１９ａ、１９ｂにわたって燃料電池スタック１４と電気的に並列で接続されたスーパーキャパシタおよび／またはバッテリ２４等の電力貯蔵デバイスを備える。バッテリ２４の開回路電圧は、燃料電池スタック１４の全負荷電圧と同様になるように選択される。バッテリ２４の内部抵抗Ｒ_Ｂは、燃料電池スタック１４の内部抵抗よりもはるかに小さくなるように選択される。従って、バッテリ２４はバッファとして機能し、燃料電池スタック１４が負荷１２よりも多くの電流を生成した場合に過剰な電流を吸収し、かつ、燃料電池スタック１４が、負荷１２が必要とするよりも少ない電流を生成した場合に負荷１２に電流を提供する。高電圧バス１９ａ、１９ｂにわたる電圧は、バッテリ２４の内部抵抗Ｒ_Ｂの値が乗算されたバッテリ放電電流をバッテリ２４の開回路電圧から引いたものである。バッテリ２４の内部抵抗Ｒ_Ｂが小さいほど、バス電圧の変動が小さい。選択的逆電流阻止ダイオードＤ１は、燃料電池スタック１４とバッテリ２４との間に電気的に接続され、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し得る。燃料電池モジュール１０は、他のダイオード、ならびに短絡および／またはサージを防止するためのヒューズまたはサージ保護要素をさらに備え得る。

図２は、パワーバス５６を介して負荷１２に電力供給するためのＭ個のロウおよびＮ個のカラムで配置された燃料電池システム１０の２次元アレイ６８を示す。燃料電池システム１０は、１０（１、１）〜１０（Ｍ、Ｎ）と個々の符号付けされ、ここで、括弧内の第１の数は、２次元アレイ６８における燃料電池モジュール１０のロウの位置であり、括弧内の第２の数はカラムの位置である。図３の長円は、２次元アレイ６８の種々のロウおよびカラムが、さらなる燃料電池システム（明示的に示されない）を備え得ることを示す。

燃料電池システム１０（１、１）〜１０（Ｍ、Ｎ）の各々は、パワーバス５６に個別に接続されて、種々の所望の出力電力、電圧、または電流を提供する。各カラム１−Ｍにおける燃料電池システム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で接続されている。各ロウ１−Ｎにおける燃料電池システム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で接続されている。図３およびこの説明から、当業者は、２次元アレイ６８が燃料電池システム１０の直列接続が、出力電圧を調整することによって、電源システム５０の出力電力を調整することを可能にすることを理解する。当業者は、２次元アレイ６８が、燃料電池システム１０の並列接続が、出力電流を調整することによって、電源システム５０の出力電力の調整を可能にすることをさらに理解する。当業者は、２次元アレイ６８が、出力電流および出力電圧の両方を調整することによって、電源システム５０の出力電力の調整を可能にすることをさらに理解する。従って、例示的実施形態について、各燃料電池システムが、例えば、２４ボルトおよび４０ａｍｐｓで１ｋＷ等を生成する場合、Ｎ×Ｍ ｋＷの最大出力電力が可能である。当業者は、本明細書中に記載される１次元および２次元アレイ構造が、互いに電気的に接続可能な位置のことであり、かつ、燃料電池システム５４は、物理的にロウおよび／またはカラムで配置されることを必ずしも必要としないということをさらに理解する。

上述のように、本発電設備における１つ以上の燃料電池システム（例えば、１０（Ｍ＋１））は、「冗長度」燃料電池システムとして機能し得る。ロウ（例えば、１０（３、１）、１０（３、２）、１０（３、３）、．．．１０（３、Ｎ））を形成する燃料電池システム１０を電気的に接続するリンク（図示せず）は、さらに、少なくともＮ＋１の冗長度を提供するために利用され得る。リンクは、カラムにおける任意の個々の燃料電池モジュール１０の損失が、負荷を完全に供給する能力を妨げることを防ぐ。さらに、リンクは、タップが付けられるか、またはタップを形成して、電圧バスのレール上に所望の電位を生成し得る。当業者に明らかであるように、冗長度のコンセプトは、本発電設備の種々の他のシステムにもまた応用され得る。

燃料電池モジュールの調整可能なアレイは、燃料電池の電流、電圧、または電力レベルを既存の市販の機器と整合するように構成され得る。燃料電池モジュールは、バッテリバンクを用いる電流バックアップ電力システムと共に用いられる標準的なラックまたはキャビネットに嵌合するように構成され得る。このアプローチの有利な点は、顧客の電子機器がバックアップ電力用の燃料電池を用いることを、あまりまたは全く必要としないということである。これは、所有する製品に燃料電池を組み込むことを所望する顧客にとって、コストおよび時間の節約につながる。

残念ながら、市販の燃料電池モジュールの電圧および電力出力は、市販のＵＰＳおよび他の電子機器の入力電圧および電力出力の特性と常に有効に整合するわけではない。これは、特に、比較的小さいａｍｐ−時間定格で、通常用いられる比較的小さいバッテリが直列で接続されて、低い電流レベルでより高い電圧を生成するような製品に当てはまる。

例えば、Ｎｅｘａ（登録商標）燃料電池システム（Ｂａｌｌａｒｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．、カリフォルニア州、Ｂｕｒｎａｂｙ）は、２４ボルトおよび４０ａｍｐｓで１ｋＷを供給する。Ｎｅｘａ（登録商標）モジュールは、所与の電力変換ユニットに適した入力電圧を提供するように、電気的に直列で接続され得る。例えば、４つのモジュールが直列および並列で接続されて、電気通信バックアップ電力システムにおいて用いられる既存の整流器をバックアップするための８０ａｍｐｓの４８ＶＤＣを提供し得る。

インバータおよびＵＰＳユニット等の市販の電力コンディショニング装置は、複数の１２ＶＤＣのＶＲＬＡバッテリ出力であるという入力要件を有する。このような装置の定格出力は、さらに、所与の用途のために用いられる市販のバッテリバンクの能力と整合するように設計される。例えば、定格２ｋＷ ＡＣ出力のインバータおよびＵＰＳが市販され、これは、７２または９６入力を必要とする。３または４つのＮｅｘａ（登録商標）モジュールが、７２または９６ＶＤＣ出力にそれぞれ電気的に並列で接続され、これらの入力要件（必要に応じて、所望のレベルの冗長度を提供するためにさらなるモジュールが電気的に接続可能であり得る）と整合し得る。しかしながら、燃料電池アレイの出力能力（それぞれ、３および４ｋＷ）は、ＵＰＳの定格出力と整合しない（９６ＶＤＣ ＵＰＳを用いるバックアップパワー生成器の場合、利用可能な燃料電池電力の半分が利用されない）。

本燃料電池発電設備は、ＤＣバスに接続された燃料電池モジュールのアレイと、少なくとも２つのＵＰＳ、インバータ、または他の電力コンディショニング装置（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ等）とを備える。ＤＣバスに直列で接続される燃料電池モジュールの数は、電力コンディショニング装置のＤＣ入力電圧用件と整合するように選択される。電力調整ユニットの数は、このようなユニットの全電力定格が燃料電池モジュールの定格電力出力と実質的に整合または超過するように選択される。いくつかの応用例において、燃料電池モジュールおよび電力コンディショニング装置は、標準的なラックまたはキャビネットに嵌合するように構成され得る。

図３Ａおよび図３Ｂは、本燃料電池発電装置の２つの実施形態を示す。発電装置７０は、各々が２４ボルトで１ｋＷを供給する４つの燃料電池モジュール１０のアレイ（例えば、Ｎｅｘａ（登録商標）燃料電池モジュール）を備える。燃料電池モジュールは、ラック７２に嵌合するように構成され、９６ＶＤＣバス（図示せず）に電気的に直列で接続される。２つの２ｋＷ ＵＰＳユニット７４は、ＤＣバスに並列で接続される。ラックコントローラ７６は、発電設備７０の出力をモニタリングおよび制御する。燃料電池モジュール１０のアレイの出力は、ＵＰＳ７４の入力電圧要件と整合し、アレイの全出力および両方のＵＰＳ７４の全出力が、さらに、４ｋＷで整合する。従って、さらなるＵＰＳユニットを用いることによって、発電設備の出力は、実質的に２倍にされる。

発電設備８０は、各々が２４ボルトで１ｋＷを供給し、かつ、７２ＶＤＣバス（図示せず）に電気的に直列で接続された３つの燃料電池モジュール１０（例えば、Ｎｅｘａ（登録商標）燃料電池モジュール）と、ＤＣバスに並列で接続された３つの１．５ｋＷのインバータ８２と、燃料電池モジュール１０と関連したバッテリおよび／またはスーパーキャパシタを充電するためのチャージャ８４とのアレイを備える。インバータ８２は、ＤＣバスに並列で接続可能であり、ｎ＋１の冗長度３．０ｋＷ ＡＣ出力を提供する。

複数の電力コンディショニングユニットを用いることによって、幅広い範囲の電力コンディショニング製品およびバックアップ電力用途を有する燃料電池モジュールアレイのコンパティビリティが拡張する。これは、発電設備出力を燃料電池モジュール出力によりよく整合させることを可能にするだけでなく、さらに、発電設備に冗長度を付加することによって信頼性を向上させ得る。この意味合いで、発電設備出力および燃料電池出力は、整合するために同じである必要はなく、アレイの出力は、電力コンディショニングデバイスの定格出力を１０％程度超過し、かつ、依然として整合し得る。例えば、ＵＰＳ７４の４ｋＷ電力出力は、４４００Ｗであるならば、図３Ａおよび図３Ｂの発電設備７０におけるアレイの出力と依然として整合する。

図３Ａおよび図３Ｂに示されないが、当業者は、上述のように、さらなる燃料モジュール１０が、発電設備７０および８０のアレイに電気的に接続可能であり、モジュール冗長度の任意の所望のレベルを提供し得ることをさらに理解する。発電設備がＡＣ電力を提供する用途において、個々のインバータまたはＵＰＳのＡＣ出力電圧の位相は、必要に応じて、単相、多相、または分相のＡＣ電力を提供するように制御され得る。例えば、発電設備８０は、３ｋＷ １２０ＶＡＣ単相電力、または２０８ＶＡＣ３相電力を提供するように構成され得る。

開示された実施形態は、電力供給システムの製造に「構成単位（ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｂｌｏｃｋ）」または「コンポーネント（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）」アプローチを提供し、製造業者がわずかな、それどころかただ１つの基本タイプの燃料電池モジュール１０から多様な電力供給システムを生成することを可能にする。さらに、電力供給出力は、市販の電力コンディショニング装置を用いる燃料電池モジュール出力に整合させられ得る。このアプローチは、設計、製造業者および考案のコストが比較的低く、冗長度を提供して結果として生じたエンドユーザ製品（すなわち、電力システム）の故障間の平均時間を延長し得る。このアプローチは、さらに、保守または修理を単純化し、これらのコストを低減し得る。

本発電設備は、概して、
１．ハブおよびルータ等のＬＡＮ／ＷＡＮ機器等のネットワークサーバファームと、
２．ＣＡＴＶ、無線、電気通信格納システムおよび／またはサーバ、ワイヤレス基地局、マイクロ波リピータ局、レーダ追跡システム等の通信と、
３．小型から中型の範囲のサーバ、大型の企業サーバ、データ格納システム、ネットワークコンピュータクラスタ、インターネットデータセンタ等のコンピュータルームと、
４．スタンドアロンＰＣ、ワークステーションおよびコンピュータ周辺機器等のデスクトップ／ワークステーションと、
５．プロセス制御機器、医療機器、実験器具、交通管理システム、セキュリティ機器、販売時点機器等の工業用／商業用機器と
を含むが、これらに限定されない範囲の用途のバックアップ電力システムにおいて用いられ得る。

本発電設備および動作方法は、ＶＲＬＡバッテリを用いる従来の電力供給システムよりも小さくかつ軽いシステムを提供する。本発電設備は、「冗長化電源（ｈｏｔ ｓｗａｐｐａｂｌｅ）」である個々の燃料電池システムで「インスタントオン（ｉｎｓｔａｎｔ ｏｎ）」動作をさらに提供する。

本燃料電池発電設備は、標準的なラックまたはキャビネットに嵌合するように構成され、かつ、ＤＣバスに接続された燃料電池モジュールのアレイと、少なくとも２つのＵＰＳ、インバータまたは他の電力コンディショニング装置（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ等）とを備える。ＤＣバスに直列で接続された燃料電池モジュールの数は、電力コンディショニング装置のＤＣ入力要件と整合するように選択される。電力コンディショニングユニットの数は、このようなユニットの全電力定格は、燃料電池モジュールの定格電力出力と等しいか、またはこれを超過するように選択される。

以上のように、本考案の好ましい実施形態を用いて本考案を例示してきたが、本考案は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本考案は、実用新案登録請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本考案の具体的な好ましい実施形態の記載から、本考案の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した実用新案登録、実用新案登録出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

図１は、本考案の例示的実施形態において使用するための負荷１２に電力を提供するハイブリッド燃料電池モジュール１０を示す。 図２は、パワーバス５６を介して負荷１２に電力供給するためのＭ個のロウおよびＮ個のカラムで配置された燃料電池システム１０の２次元アレイ６８を示す。 図３Ａは、燃料電池発電装置の実施形態を示す。 図３Ｂは、燃料電池発電装置の実施形態を示す。

符号の説明

９ 反応物質
１０ ハイブリッド燃料電池モジュール
１１ 反応物質源
１２ 負荷
１４ 燃料電池スタック
１５ ソフトスタート
１６ 反応物質供給システム
１７ 高速オフ
１８ バルブ
１９ａ 正の電圧レール
１９ｂ 負の電圧レール
２０ 反応生成物
２２ 水
２４ バッテリ
２８ コントローラ
３２ 並列パス要素
３４ レギュレート回路

Claims (2)

1. 燃料電池システムのアレイであって、該アレイは、組み合わされた電力出力を有し、かつ、
   パワーバスと、
   少なくとも２つの燃料電池システムであって、該燃料電池システムの各々は、燃料電池スタック、該燃料電池スタックと電気的に並列で接続された電力貯蔵デバイス、および、該燃料電池スタックから該電力貯蔵デバイスおよびパワーバスへの電流の流れを制御する手段を備え、各燃料電池システムは、出力電圧および電力出力を有する、少なくとも２つの燃料電池システムと
   を備えるアレイを備える発電設備であって、
   該発電設備は、
   少なくとも２つの電力コンディショニングユニットをさらに備え、各ユニットは、該パワーバスに電気的に接続され、該電力コンディショニングユニットは、入力電圧と全定格電力出力とを有する、少なくとも２つの電力コンディショニングユニットをさらに備えることであって、
   該パワーバスに電気的に接続された該燃料電池システムの数は、該電力コンディショニングユニットの該入力電圧を満たすように選択され、該電力コンディショニングユニットの数は、該全定格電力出力が該アレイの電力出力を満たすか、または超過するように選択される、ことを特徴とする、発電設備。
2. 前記燃料電池システムの前記出力電圧は２４ＶＤＣであり、前記電力出力は１ｋＷである、請求項１に記載の発電設備。

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