JP6975719B2 - 有効電力モードと無効電力モードとを有する燃料電池発電プラント - Google Patents

Description

本開示は一般に、燃料電池発電プラントに関する。より詳細には、本開示は、有効電力モードと無効電力モードとを有する燃料電池発電プラントに関する。

燃料電池は、電気化学反応に基づいて電力を生成する装置である。所望の電力量を生成するために複数の燃料電池を有するセルスタック組立体を含む燃料電池発電プラントが知られている。

典型的な燃料電池発電プラントは、セルスタック組立体の出力に基づいて有効電力を生成する。例えば、セルスタック組立体によって生成されたＤＣ電力に基づいたＡＣ電力出力を提供するために一揃いのインバータを利用することが知られている。

既知の燃料電池発電プラントは、無効電力のみの能力を有するという点において、これらは典型的には、静的ＶＡＲ補償器として動作するように制限されている。

本発明の例示的な実施形態は、有効電力モードと、発電プラントからの電力出力のみが無効電力である無効電力モードとで動作する能力を有する燃料電池発電プラントを含む。

例示的な燃料電池発電プラントは、電気化学反応に基づいて電気を生成するように構成された複数の燃料電池を有するセルスタック組立体を含む。発電プラントは、コンデンサと、複数のインバータと、複数のインバータを第１のモードと、第２のモードで制御するように構成された少なくとも１つの制御装置とを含む。第１のモードは、インバータのうちの少なくとも１つと関連付けられたセルスタック組立体を含む。セルスタック組立体および関連付けられたインバータは、第１のモードにおいて燃料電池発電プラントの外部の負荷に有効電力を提供する。第２のモードは、燃料電池発電プラントの外部の送電網に選択的に無効電力を提供する、または外部の送電網から選択的に無効電力を受け取るためにコンデンサと関連付けられた、インバータのうちの少なくとも１つの第２のインバータを含む。

燃料電池発電プラントを操作する例示的な方法は、複数のインバータを第１のモードと、第２のモードで制御することを含む。セルスタック組立体および少なくとも１つの関連付けられたインバータは、第１のモードにおいて燃料電池発電プラントの外部の負荷に有効電力を提供するために利用される。コンデンサおよびインバータのうちの少なくとも１つの第２のインバータは、第２のモードにおいて燃料電池発電プラントの外部の送電網に選択的に無効電力を提供する、または外部の送電網から選択的に無効電力を受け取るのに利用される。

少なくとも１つの開示される例の実施形態の種々の特徴および利点は、以下の詳細な記載から当業者に明らかになるであろう。詳細な記載に付随する図面は、以下のように簡潔に描写することができる。

第１のモードで動作中の本発明の一実施形態に従って設計された燃料電池発電プラントの選択された部分を概略的に示す図である。 第２のモードで動作中の図１の燃料電池発電プラントを概略的に示す図である。

本発明の実施形態は、例えば地域の送電網系統をサポートするための唯一の出力として無効電力を生成する能力を備えた燃料電池発電プラントを提供する。

図１は、燃料電池発電プラント２０の選択された部分を概略的に示している。セルスタック組立体（ＣＳＡ）２２は、電気化学反応に基づいて電力を生成する複数の燃料電池（具体的には図示されない）を含む。燃料電池は、様々な形態を採る場合がある。例えば、一部の燃料電池は、リン酸型燃料電池であるのに対して、他の燃料電池は、高分子電解質膜型燃料電池である。この記載の利益を有する当業者は、それぞれの特定の要求を満たすために、適切なタイプの燃料電池およびＣＳＡ構成を選択することが可能である。

一例の実装形態では、燃料電池発電プラント２０は、低電圧系統であり、これは６００キロワット未満の有効電力出力を提供するためである。いくつかの例の実装形態は、４８０キロワットまたは４４０キロワットの有効電力出力を含む。

ＣＳＡ２２からのＤＣ電力を燃料電池発電プラント２０の外部の負荷に提供すべき有効ＡＣ電力に変換するために複数のインバータ２４が含まれる。図示される例は、ＤＣバス２８を介して選択された数のインバータ２４をＣＳＡ２２と選択的に結合するために少なくとも１つのスイッチ２６を含む。制御装置３０が、所望の動作および燃料電池発電プラント２０からの出力を達成するように、スイッチ２６およびインバータ２４の動作を制御する。制御装置３０はまた、インバータ２４に関連付けられたＡＣバス３４を燃料電池発電プラント２０の出力３６に選択的に結合するスイッチ３２も制御する。

燃料電池発電プラント２０はまた、コンデンサ３８と、４０で概略的に示される、燃料電池発電プラントの動作に関連付けられた複数の負荷も含む。４０での概略的な表現に含まれる例の負荷には、冷却剤または反応剤を循環させるためのポンプ、および燃料電池発電プラント２０と関連付けられた送風機が含まれる。

図１において、制御装置３０は、動作の第１のモードに従ってインバータ２４の動作を制御する。この例では、第１のモードは、燃料電池発電プラント２０の有効電力モードに相当する。出力３６において有効ＡＣ電力を提供することが望まれる場合、制御装置３０は、スイッチ２６および３２を操作して、セルスタック組立体２２をインバータ２４のうちの１つまたは複数に選択的に結合することで３６において有効ＡＣ電力出力を提供する。この例における制御装置３０は、出力３６上にそのような電力を提供するために既知の技術を利用してインバータを制御するようにプログラムされている。第１のモードにおいて提供される無効電力は制限されてよい。

図１において点線によって概略的に表現されるように、コンデンサ３８は、有効ＡＣ電力出力を３６において提供することに関与していない。しかしながら、動作の第１のモードの間、燃料電池発電プラント２０が過渡的な負荷に遭遇するときがある。このような現象は、例えば燃料電池発電プラント２０の外部の負荷に関連付けられた電力需要が相対的に突然増大した場合、または燃料電池発電プラント２０に関連付けられた外部の送電網からの利用可能な電力が降下した場合に生じる可能性がある。そういった状況下では、制御装置３０は、スイッチ２６を制御して、コンデンサ３８からの電力を利用して負荷の段階的移行の補助を与える。動作の第１のモードの間、コンデンサ３８は、過渡的な負荷のサポートを与える。

図２は、３６における出力がもっぱら無効電力のみである第２のモードで動作中の燃料電池発電プラント２０を概略的に示している。第２のモードにおいて、制御装置３０が、スイッチ２６および３２ならびにインバータ２４を制御することで、インバータ２４のうちの少なくとも１つおよびコンデンサ３８は、３６において無効電力を提供する。ＣＳＡ２２は、第２のモードにおいて燃料電池発電プラント２０の外部の何らかの電気的出力を提供するのに利用されない。図２に点線によって概略的に表されるように、ＣＳＡ２２からの出力は、動作の第２のモードの間、４０における燃料電池発電プラントの内部の負荷に対して電力を提供する。一例において、７つのインバータ２４がある場合、そのうちの最初の１つが、ＣＳＡ２２からの電力を４０における負荷に提供するために第２のモードにおいて使用される。他の６つのインバータ２４は、燃料電池発電プラント２０の外部の送電網に無効電力を提供する、または外部の送電網から無効電力を吸収したりするためにコンデンサ３８と関連付けて利用される。

制御装置３０は、燃料電池発電プラント２０の外部の送電網に無効電力出力を提供する、または外部の送電網から無効電力を吸収するように、第２のモードにおいてコンデンサ３８と関連付けられたインバータ２４の動作を制御する。２つの状況下で共に、コンデンサ３８の電圧は、インバータの位相角を変えることによって制御される。

第２のモードにおいて、ＣＡＳ２２に関連付けられたＤＣバス２８の一部は、コンデンサ３８と関連付けられたＤＣバス２８の一部から隔離される。制御装置３０は、ＤＣバスの隔離を実現するようにスイッチ２６を操作する。ＡＣバス３４も同様に、３６において送電網出力を提供するように動作可能である部分と、４０において負荷に電力を提供するための別の部分とに分けられる。制御装置３０は、ＡＣバス３４のそのような分離を実現し、ＣＳＡ２２に基づくＡＣ出力をコンデンサ３８に基づく無効電力出力から隔離するようにスイッチ３２を操作する。

コンデンサ３８を含むことと、インバータ２４ならびにスイッチ２６および３２の制御とによって、燃料電池発電プラント２０が、第１の有効電力モードと、３６における燃料電池発電プラント２０からの出力がもっぱら無効電力のみである第２の「無効電力のみ」のモードとで動作することを可能にする。

先行する記載は、本質的に限定するのではなく、一例である。開示される例に対する変形形態および修正形態は、本発明の本質から必ずしも逸脱することなく、当業者に明らかになり得る。本発明に与えられる法的な保護の範囲はもっぱら以下の請求項を検討することによって決定することができる。

Claims (14)

1. 電気化学反応に基づいて電気を生成するように構成された複数の燃料電池を含むセルスタック組立体と、
   コンデンサと、
   複数のインバータと、
   前記複数のインバータを第１のモードと、第２のモードで制御するように構成された少なくとも１つの制御装置とを備え、
   前記第１のモードは、前記インバータのうちの少なくとも１つと関連付けられた前記セルスタック組立体を含み、前記セルスタック組立体および前記インバータのうちの少なくとも１つは、燃料電池発電プラントの外部の負荷に有効電力を提供し、
   前記第２のモードは、前記コンデンサと関連付けられた、前記インバータのうちの少なくとも１つの第２のインバータを含み、前記インバータのうちの前記第２のインバータおよび前記コンデンサは、前記燃料電池発電プラントの外部の送電網に選択的に無効電力を提供し、前記第２のモードの前記無効電力は、前記第２のモードにおいて前記燃料電池発電プラントから前記燃料電池発電プラントの外部への唯一の電力出力であり、前記コンデンサは、前記第２のモードにおいて前記燃料電池発電プラントの外部への前記燃料電池発電プラントによって供給される唯一の無効電力の供給源であり、前記制御装置は、前記セルスタック組立体からの電力出力を前記第２のモードの前記無効電力の出力から隔離するように少なくとも１つのスイッチを制御する、燃料電池発電プラント。
2. 前記インバータのうちの２つ以上は、前記第２のモードにおいて前記コンデンサと関連付けられる、請求項１に記載の燃料電池発電プラント。
3. 前記コンデンサは、前記第２のモードにおいて前記送電網から受け取った前記無効電力によって充電される、請求項１に記載の燃料電池発電プラント。
4. 前記第１のモードは、前記インバータのうちの少なくとも１つと関連付けられた前記コンデンサを含み、
   前記第１のモードは、前記燃料電池発電プラントに対する負荷需要が増大した場合、前記燃料電池発電プラントからの追加の電力出力を提供する前記コンデンサを含む、請求項１に記載の燃料電池発電プラント。
5. 前記有効電力は、６００キロワット以下の低電圧電力である、請求項１に記載の燃料電池発電プラント。
6. 前記セルスタック組立体と、前記複数のインバータの間のＤＣバスと、
   前記セルスタック組立体、前記コンデンサおよび前記複数のインバータのうちの選択されたものを前記ＤＣバスにそれぞれ選択的に結合するように、前記制御装置によって制御される切り換え装置とを備える、請求項１に記載の燃料電池発電プラント。
7. 前記燃料電池発電プラントの外部の負荷に結合されるように構成された出力と、
   前記複数のインバータと、前記出力の間のＡＣバスと、
   前記インバータのうちの選択されたものを前記出力に選択的に結合するように前記制御装置によって制御される少なくとも１つの切り換え装置とを備える、請求項１に記載の燃料電池発電プラント。
8. 前記第２のモードは、前記セルスタック組立体と関連付けられた、前記インバータのうちの少なくとも１つの第１のインバータを含み、前記インバータのうちの前記第１のインバータおよび前記セルスタック組立体は、前記燃料電池発電プラントの少なくとも１つの他の構成要素に電力を提供する、請求項１に記載の燃料電池発電プラント。
9. セルスタック組立体と、コンデンサと、複数のインバータとを含む燃料電池発電プラントを動作する方法であって、
   前記複数のインバータを第１のモードと、第２のモードで制御することと、
   前記第１のモードにおいて前記燃料電池発電プラントの外部の負荷に有効電力を提供するために、前記セルスタック組立体および前記インバータのうちの少なくとも１つの関連付けられたものとを利用することと、
   前記第２のモードにおいて前記燃料電池発電プラントの外部の送電網に選択的に無効電力を提供する、または前記外部の送電網にから選択的に無効電力を受け取るために、前記コンデンサおよび前記インバータのうちの少なくとも１つの第２のインバータを利用することであって、前記第２のモードの前記無効電力は、前記第２のモードにおいて前記燃料電池発電プラントから前記燃料電池発電プラントの外部への唯一の電力出力であり、前記コンデンサは、前記第２のモードにおいて前記燃料電池発電プラントの外部への前記燃料電池発電プラントによって供給される唯一の無効電力の供給源である、前記利用することと、
   前記セルスタック組立体からの電力出力を前記第２のモードの前記無効電力の出力から隔離するように少なくとも１つのスイッチを制御することとを含む方法。
10. 前記インバータのうちの２つ以上のものは、前記第２のモードにおいて前記コンデンサと関連付けられる、請求項９に記載の方法。
11. 前記第２のモードにおいて、前記送電網から受け取った前記無効電力を利用して前記コンデンサを充電することを含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記燃料電池発電プラントに対する負荷需要の増大が生じたとき、前記第１のモードにおいて前記コンデンサ、および前記コンデンサと関連付けられた前記インバータのうちの少なくとも１つを利用して前記燃料電池発電プラントからの追加の電力出力を提供することを含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記有効電力は６００キロワット以下の低電圧電力である、請求項９に記載の方法。
14. 前記第２のモードにおいて前記燃料電池発電プラントの少なくとも１つの他の構成要素に電力を提供するために、前記セルスタック組立体、および前記インバータのうちの少なくとも１つの関連付けられたものを利用することを含む、請求項９に記載の方法。

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