JP6770581B2 - 直流（ｄｃ）負荷平準化器 - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１６年３月２日に出願された米国特許仮出願第６２／３０２，２６５号への優先権を主張するものである。

燃料電池は、炭化水素燃料に蓄えられたエネルギーなどの化学エネルギーを電気化学反応によって電気エネルギーへ変換するデバイスである。一般に、燃料電池は、電荷を帯びたイオンを伝導するのに役立つ電解質によって分離されるアノード電極及びカソード電極を含む。溶融炭酸塩形燃料電池及び固体酸化物形燃料電池などの高温燃料電池は、反応燃料ガスがアノード電極を通り、一方、酸化剤ガス（例えば、二酸化炭素及び酸素）がカソード電極を通ることにより動作する。所望の電力レベルを生み出すために、いくつかの個々の燃料電池が直列に積み重ねられることがある。稼動時に、燃料電池システムは、電力系統などの負荷に電力を提供することができる。このような負荷が燃料電池システムから不意に除去される（例えば、電力系統がダウンする）場合、このような除去は、結果的に、熱機械的応力の形態の、燃料電池システムの劣化をもたらすことがある。

負荷平準化システムは、燃料電池インバータ、直流（ＤＣ）負荷バンク、及びコントローラを含む。燃料電池インバータは、燃料電池アセンブリにより発生したＤＣ電力を取り出すように構成される。ＤＣ負荷バンクは、燃料電池インバータと並列に燃料電池アセンブリに接続される。コントローラは、燃料電池インバータ及びＤＣ負荷バンクと通信する。コントローラは、燃料電池インバータにより取り出されている負荷の減少を識別するように構成される。負荷の減少の識別に応答して、コントローラはまた、燃料電池アセンブリの負荷サイクルを防ぐために燃料電池アセンブリにより発生したＤＣ電力を燃料電池インバータからＤＣ負荷バンクへ切り換える（ｄｉｖｅｒｔ）ように構成される。

上記は、本開示の概要であり、したがって、必然的に、細部の簡略化、一般化、及び省略を含む。それゆえ、この概要は、単なる例示であって、多少なりとも限定することを意図していないことが当業者には分かるであろう。請求項により定義される場合の本明細書に記載のデバイス及び／又はプロセスの他の態様、特徴、及び利点は、本明細書に記載された、添付図と併せて取り上げられる詳細な説明で明らかとなるであろう。

例示的な実施形態に係る燃料電池負荷平準化システムのブロック図である。 例示的な実施形態に係る燃料電池システムでの負荷平準化のための動作を示す流れ図である。

高温燃料電池システム（例えば、溶融炭酸塩形燃料電池システム又は固体酸化物形燃料電池システム）の寿命は、燃料電池システムから電力を取り出している負荷の突然の減少（又は完全消失）によって引き起こされることがある負荷サイクルによって悪影響を受ける。具体的には、燃料電池システムの構成要素は、このような負荷サイクル状態の間に増加した熱機械的応力を経験する。計画されていない負荷サイクルは、不安定な電力系統（すなわち、負荷）状態に起因して起こることがあり、これは、燃料電池システムに接続されたインバータの不慮のトリップを引き起こす。

トリップしたインバータに起因する負荷サイクルの影響を低減させる一助となる１つの方法は、燃料電池システム上の熱機械的応力のほとんど又はすべてがなくなるようにインバータを迅速にリセットすることである。この状況での負荷サイクルの影響を低減させる一助となる別の方法は、インバータの信頼性及びシステム全体の電力系統の外乱のライドスルー能力を向上させることである。しかしながら、このような方策は、燃料電池インバータが、障害、長引く電力系統の外乱などに起因して持続した時間にわたってダウンするときに効率的ではない。本明細書で説明されるのは、不安定な電力系統の状態、障害、他の負荷故障などに起因して燃料電池インバータがトリップし、直ちにリセットすることができない場合の負荷サイクル（及び結果的なシステム上の応力）を防ぐように設計されるシステムである。

図１は、例示的な実施形態に係る燃料電池負荷平準化システム１００のブロック図である。電力系統１２５に接続されるシステム１００は、燃料電池アセンブリ１０５、燃料電池インバータ１１０、出力変圧器１１５、及び出力ブレーカ１２０を含む。システム１００はまた、寄生負荷１３０、コントローラ１３５、及び直流（ＤＣ）負荷バンク１４０を含む。代替的な実施形態では、より少ない、付加的な、及び／又は異なる構成要素が燃料電池負荷平準化システム１００に含まれてよい。

例示的な実施形態では、燃料電池アセンブリ１０５は、１つ以上の燃料電池カラムで構成され、そのそれぞれは、１つ以上の燃料電池スタックを含んでよい。別の例示的な実施形態では、燃料電池アセンブリ１０５の燃料電池は、溶融炭酸塩形燃料電池である。代替的な実施形態では、異なるタイプの燃料電池が用いられてよい。燃料電池アセンブリ１０５は、バスラインを介して燃料電池インバータ１１０により受け取られる直流（ＤＣ）電力を発生させるのに用いられる。燃料電池インバータ１１０は、実装に応じて、単一のインバータ又は複数のインバータとすることができる。コントローラ１３５により生成されたＤＣ要求信号を受信すると、燃料電池インバータ１１０は、ＤＣ電力を交流（ＡＣ）電力に逆変換し、これは出力変圧器１１５に送られる。出力変圧器１１５は、燃料電池インバータ１１０から受け取ったＡＣ電圧を電力系統１２５と適合する所望の値に昇圧する。代替的な実施形態では、出力変圧器１０８は、燃料電池インバータ１１０から受け取った電圧を降圧してよい。出力ブレーカ１２０は、メンテナンスのために燃料電池負荷平準化システム１００を電力系統１２５から接続解除するため、電力系統を独立して動作させるためなどに用いることができる。

図１に示されるように、寄生負荷１３０が、バスラインを介して出力変圧器１１５の出力に接続される。したがって、寄生負荷１３０は、電力系統１２５に提供されるのと同じ昇圧したＡＣ電圧を受け取ることができる。寄生負荷１３０は、ブロワ、プロセスヒータ、水処理ユニット、暖房・換気・空調（ＨＶＡＣ）システムなどを含むことができる。

ＤＣ負荷バンク１４０が、燃料電池アセンブリ１０５を燃料電池インバータ１１０に接続するのと同じバスラインを介して燃料電池アセンブリ１０５の出力に接続される（すなわち、ＤＣ負荷バンク１４０は、燃料電池インバータ１１０への燃料電池アセンブリ１０５の接続と並列に燃料電池アセンブリ１０５に接続される）。代替的な実施形態では、燃料電池アセンブリ１０５をＤＣ負荷バンク１４０に及び燃料電池インバータ１１０に接続するのに異なるバスラインが用いられてよい。その名前が示すように、ＤＣ負荷バンク１４０は、１つ以上の直流負荷を含む。これらの直流負荷は、燃料電池インバータ１１０がトリップする又は障害の場合に燃料電池アセンブリ１０５から直接にＤＣ電力を取り出すことができる。結果として、負荷サイクル及び関連する燃料電池アセンブリ１０５上の熱機械的応力が回避される。

ＤＣ負荷バンク１４０は、当業者に公知の任意のＤＣ負荷を含むことができる。例えば、ＤＣ負荷バンク１４０は、可変周波数モータドライブ、ＤＣ照明、水素電気分解装置、データセンターサーバなどの燃料電池アセンブリ１０５により発生したＤＣ電力を使用する実際の負荷を含むことができる。代替的に、ＤＣ負荷バンク１４０は、燃料電池インバータ１１０が再び作動可能となり、ＤＣ電力を受け取ることができるようになるまで、燃料電池アセンブリ１０５が動作し続けることができるように、燃料電池アセンブリ１０５により発生したＤＣ電力を消費するように構成することができる。利用可能な熱負荷が存在する一実装では、ＤＣ負荷バンク１４０は、燃料電池アセンブリ１０５から放散されるエネルギーを回収するように構成される可変電気ヒータであってよい。

別の実施形態では、バックアップ用途での重要な負荷が存在する場合、ＤＣ負荷バンク１４０はまた、電力系統１２５からの電力が利用可能でないときに負荷追従しながら燃料電池スタックを一定の電力に維持するのに用いることができる。加えて、複数のインバータを有する複数の燃料電池システムに関して、個別化されたスタックの電流制御と同じ能力を維持するべく各インバータに関する１つのＤＣ負荷バンクを実装することができる。代替的に、複数のインバータを有する燃料電池システムは、個別化されたスタックの電流制御が必要とされない場合に燃料電池スタックのすべてに関して用いることができる共通の負荷バンクを使用してよい。このような共通の負荷バンクシステムは、燃料電池アセンブリの各スタックに関連する個々のＤＣ負荷バンクを有するよりも費用効果が高い。

コントローラ１３５は、少なくともプロセッサ、メモリ、トランシーバ、及びインターフェースを含む、コンピュータ化されたコントローラとすることができる。一実施形態では、コントローラ１３５のメモリは、それに格納されるコンピュータ可読命令を含むことができる。コンピュータ可読命令は、本明細書で説明される動作のいずれかを行うべくプロセッサにより実行することができる。コントローラは、センサから燃料電池スタックの出力電流を表す信号を受信することになり、これは所望の電流セットポイントと比較されることになる。差は、比例＋積分（ＰＩ）制御アルゴリズムに入力されることになり、該アルゴリズムは、コントローラがＤＣ負荷バンクに送信することになる電流要求信号を計算することになる。したがって、ＰＩ制御アルゴリズムは、燃料電池スタックの電流出力を所望のセットポイントに維持するために必要に応じてＤＣ負荷を調整することになる。トランシーバは、コントローラが、寄生負荷１３０、燃料電池インバータ１１０、及びＤＣ負荷バンク１４０などの他のシステム構成要素と通信することを可能にする。インターフェースは、コマンドを入力する、ユニットをプログラムする、ステータス及び他の情報を見るなどのためにユーザがコントローラ１３５と対話することを可能にする。

図１に示されるように、コントローラ１３５は、燃料電池インバータ１１０、寄生負荷１３０、及びＤＣ負荷バンク１４０と通信する。コントローラ１３５は、燃料電池インバータ１１０を監視及び制御するように構成される。何らかの理由でインバータ１１０がトリップする場合に、コントローラ１３５は、燃料電池アセンブリ１０５からのＤＣ電力が、代わりにＤＣ負荷バンク１４０によって確実に受け取られるようにする。例示的な実施形態では、コントローラ１３５はまた、存在する負荷の量が、燃料電池インバータ１１０によってもはや取り出されていない負荷の量に等しい（又は実質的に等しい）ようにＤＣ負荷バンク１４０を制御することができる。コントローラ１３５はまた、寄生負荷１３０を監視及び制御するように構成される。一実施形態では、インバータがトリップする場合に、燃料電池アセンブリ１０５からのＤＣ電力のすべて又は一部を受け取り、ＤＣ電力をＡＣ電力に逆変換し、ＡＣ電力を寄生負荷１３０に提供するために、小さいインバータを用いることができる。結果として、寄生負荷１３０は、燃料電池インバータ１１０がトリップする場合に電力を受け取り続けることができる。

図２は、例示的な実施形態に係る燃料電池システムでの負荷平準化のための動作を示す流れ図である。代替的な実施形態では、より少ない、付加的な、及び／又は異なる動作が行われてよい。加えて、流れ図の使用は、行われる動作の順序に関して限定することを意図していない。動作２００で、燃料電池インバータが監視される。燃料電池インバータは、実装に応じて、図１を参照して説明した燃料電池インバータ１１０、又は任意の他の１つ又は複数の燃料電池インバータとすることができる。インバータにより取り出される負荷の部分的な又は完全な減少を検出するのに用いられる監視は、コントローラ１３５などのコントローラにより行うことができる。

動作２０５で、システムは、燃料電池インバータが減少した負荷を取り出していることを識別する。識別は、コントローラによってなされてよい。減少した負荷は、電力系統の外乱、インバータ障害などから生じる部分的に減少した負荷又はゼロ負荷状態とすることができる。動作２１０で、システムは、燃料電池アセンブリにより発生したＤＣ電力を燃料電池インバータからＤＣ負荷バンクへ切り換える。このようなＤＣ電力の切り換えは、減少した負荷がインバータにより取り出されているという識別に対応し、燃料電池アセンブリの負荷サイクルを防ぐのに用いられる。例示的な実施形態では、ＤＣ負荷バンクは、燃料電池インバータと並列に燃料電池アセンブリに接続することができる。少なくともいくつかの実施形態では、切り換えは、コントローラ１３５などのコントローラにより少なくとも部分的に行われてよい。

動作２１５で、インバータが再作動可能であるかどうかに関する判定がなされる。コントローラにより行うことができる判定は、ＤＣ負荷バンクへのＤＣ電力の切り換え後の燃料電池インバータの継続的な監視に基づくことができる。動作２１５でインバータが依然として作動可能でないと判定される場合、燃料電池アセンブリにより発生したＤＣ電力は燃料電池バンクへ切り換えられ続ける。動作２１５でインバータが再作動可能と判定される場合、動作２２０で、正常動作を開始することができるように、燃料電池アセンブリにより発生したＤＣ電力がインバータへ逆に切り換えられる。このようなＤＣ電力を燃料電池インバータへ逆に切り換えることも、コントローラにより行うことができる。次いで、動作２００で、システムは燃料電池インバータの監視を続ける。

例示的な実施形態の上記の説明は、例示及び説明の目的で提示されている。網羅的となること又は開示された正確な形態に関して限定することを意図しておらず、修正及び変形が、上記の教示に照らして可能であり、又は開示された実施形態の実施から得られるであろう。本発明の範囲は、本明細書に付属の請求項及びそれらの均等物によって定められることが意図される。

Claims (12)

1. 負荷平準化システムであって、
   燃料電池アセンブリにより発生した直流（ＤＣ）電力を受け入れるように構成された燃料電池インバータと、
   前記燃料電池インバータと並列に前記燃料電池アセンブリに接続されるＤＣ負荷バンクと、
   前記燃料電池インバータ及び前記ＤＣ負荷バンクと通信するコントローラと、
   を備え、前記コントローラが、
   前記燃料電池インバータにより取り出されている負荷の減少を識別し、
   前記負荷の減少の識別に応答して、前記燃料電池アセンブリの負荷サイクルを防ぐために前記燃料電池アセンブリにより発生した前記ＤＣ電力を前記燃料電池インバータから前記ＤＣ負荷バンクへ切り換え、
   前記ＤＣ電力を前記燃料電池インバータから前記ＤＣ負荷バンクへ切り換えた後の前記燃料電池インバータの負荷状態を監視することと、
   前記監視された負荷状態に基づき前記燃料電池インバータが再作動可能であると判定することと、
   前記燃料電池インバータが再作動可能であるとの判定に基づき前記ＤＣ電力を前記ＤＣ負荷バンクから前記燃料電池インバータへ逆に切り換える、
   ように構成される、負荷平準化システム。
2. 前記燃料電池アセンブリが溶融炭酸塩形燃料電池アセンブリを含む、請求項１に記載の負荷平準化システム。
3. 前記燃料電池アセンブリが１つ以上の燃料電池スタックを含む、請求項１に記載の負荷平準化システム。
4. 前記燃料電池インバータが複数のインバータを含み、前記ＤＣ負荷バンクが、ＤＣ電力が前記複数のインバータから切り換えられる、単一のＤＣ負荷バンクである、請求項１に記載の負荷平準化システム。
5. 受け取った電圧を昇圧するように構成されたる出力変圧器をさらに備え、前記燃料電池インバータが、前記燃料電池アセンブリにより発生したＤＣ電力を交流（ＡＣ）電力へ逆変換し、前記ＡＣ電力を前記出力変圧器に送るように構成される、請求項１に記載の負荷平準化システム。
6. 前記出力変圧器に接続される出力ブレーカをさらに備え、前記出力ブレーカが、前記負荷平準化システムを電力系統から選択的に接続解除するように構成される、請求項５に記載の負荷平準化システム。
7. 前記出力変圧器の出力に接続される１つ以上の寄生負荷をさらに備え、前記コントローラが、前記燃料電池インバータにより取り出される前記負荷の減少の識別に応答して、前記燃料電池アセンブリにより発生した電力の少なくとも一部が前記燃料電池インバータから前記１つ以上の寄生負荷へ切り換えられるように、前記寄生負荷を監視及び制御するように構成される、請求項５に記載の負荷平準化システム。
8. 前記ＤＣ負荷バンクが１つ以上のＤＣ負荷を含み、前記１つ以上のＤＣ負荷が、可変周波数モータドライブ、ＤＣ照明、水素電気分解装置、データセンターサーバ、又は可変電気ヒータのうちの１つ以上を含む、請求項１に記載の負荷平準化システム。
9. 前記コントローラが、プロセッサ、メモリ、トランシーバ、及びインターフェースを備え、前記コントローラがさらに、
   前記燃料電池アセンブリの出力電流を表す信号をセンサから受け取り、
   前記出力電流を表す信号を所望の電流セットポイントと比較し、
   前記出力電流を表す信号と前記所望の電流セットポイントとの差に基づいて前記ＤＣ負荷バンクの負荷を調整する、
   ように構成される、請求項１に記載の負荷平準化システム。
10. 請求項１に記載の負荷平準化システムであって、
    前記コントローラは、さらに、前記燃料電池インバータを正常動作に戻すように構成されており、正常動作中に、前記燃料電池インバータが、前記燃料電池アセンブリにより発生したＤＣ電力を交流（ＡＣ）電力へ逆変換し、電力系統上の前記ＡＣ電力の伝送のために前記ＡＣ電力を出力変圧器に送る、負荷平準化システム。
11. 請求項１に記載の負荷平準化システムであって、前記コントローラは、さらに、前記ＤＣ電力を前記燃料電池インバータから前記ＤＣ負荷バンクへ切り換えるのに先立って前記燃料電池インバータの状態を監視するように構成されている、負荷平準化システム。
12. 請求項１１に記載の負荷平準化システムであって、前記コントローラは、さらに、前記燃料電池インバータの負荷状態に基づく、前記コントローラにより前記燃料電池インバータがトリップしたとの判定に応じて、前記燃料電池アセンブリにより発生した前記ＤＣ電力を前記燃料電池インバータから前記ＤＣ負荷バンクへ切り換えるように構成されている、負荷平準化システム。

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