特許 6566425 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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6566425

(24)【登録日】2019年8月9日

(45)【発行日】2019年8月28日

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20190819BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20190819BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20190819BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20190819BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20190819BHJP

   C25B 15/02 20060101ALN20190819BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/04858

   H01M8/10

   H01M8/12

   H01M10/48 P

   !C25B15/02 302

【請求項の数】15

【全頁数】29

(21)【出願番号】特願2016-568487(P2016-568487)

(86)(22)【出願日】2015年2月11日

(65)【公表番号】特表2017-512372(P2017-512372A)

(43)【公表日】2017年5月18日

(86)【国際出願番号】US2015015425

(87)【国際公開番号】WO2015123304

(87)【国際公開日】20150820

【審査請求日】2018年2月9日

(31)【優先権主張番号】61/938,827

(32)【優先日】2014年2月12日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】514116578

【氏名又は名称】ブルーム エネルギー コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】100075144

【弁理士】

【氏名又は名称】井ノ口 壽

(72)【発明者】

【氏名】バランタイン，アーン

(72)【発明者】

【氏名】グルナサン，ランガナタン

(72)【発明者】

【氏名】ピーエムエスビービーエスビー，プラサド

(72)【発明者】

【氏名】ビシュヌバジューラ，アニールクマール

【審査官】 清水 康

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６１−０１９０７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３００１７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１４７６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１０６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０８８７５３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−２４３００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１６７５７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０３８２４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０１４２３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気化学システムを操作する方法であって、
第１の直流（「ＤＣ」）コンバータから第１の電気化学装置に対して電気化学的インピーダンス分光法試験波形を第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の電気化学装置に対して少なくとも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つのオフセット波形を注入した結果生ずる少なくとも１つの第２のオフセットリップルが前記少なくとも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、前記電気化学装置の出力バス上の前記第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ように、決定するステップと、
前記電気化学システムの前記出力バスへの前記第１の結果リップルを生成するために、前記電気化学的インピーダンス分光法試験波形を前記第１の電気化学装置に注入するステップと、
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生成するステップと、を含む方法。

【請求項2】

請求項１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で生成するステップは、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、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ことを含む方法。

【請求項3】

請求項２記載の方法において、
前記電気化学システムは、燃料電池システムであり、
前記第１の電気化学装置は、前記燃料電池システムの第１の燃料電池セグメントを備え、
前記少なくとも１つの第２の電気化学装置は、前記燃料電池システムの少なくとも１つの第２の燃料電池セグメントを備え、
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ことは、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で生成するために、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。

【請求項4】

請求項１記載の方法において、
前記第１のＤＣコンバータから前記第１の電気化学装置に対して前記第１の入力接続部に注入する電気化学的インピーダンス分光法試験波形を選択するステップと、
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、をさらに含み、
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ＤＣバスに並列に接続する方法。

【請求項5】

請求項４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り、
前記方法は、
注入された電気化学的インピーダンス分光法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の燃料電池スタック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の燃料電池スタック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の燃料電池スタック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6】

請求項５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、
前記方法は、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み、
前記判定された特性に基づいて第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7】

請求項５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8】

請求項５記載の方法において、
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の電気化学装置に対して少なくとも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つのオフセット波形を注入した結果生ずる少なくとも１つの第２のオフセットリップルが前記少なくとも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、前記電気化学装置の出力バス上の前記第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前記第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9】

請求項１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10】

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コンバータが第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コンバータが前記少なくとも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、
前記操作には、
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のリップルが前記第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、
が含まれるシステム。

【請求項11】

請求項１０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り、
前記プロセッサは、
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の燃料電池スタック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の燃料電池スタック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の燃料電池スタックセグメントの特性を判定することと、
がさらに含まれる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12】

請求項１１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、
がさらに含まれる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13】

請求項１１記載のシステムにおいて、
前記少なくとも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コンバータが第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コンバータが第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コンバータが第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のリップルが前記第１の結果リップルを相殺するように、決定することが、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前記第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が、
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14】

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コンバータが第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の入力接続部を介して少なくとも１つの第２の装置に電気的に接続され、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、
前記操作には、
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したことに応答して生成される第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の燃料電池セグメント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つのオフセット波形を注入した結果生ずる少なくとも１つの第２のオフセットリップルが前記少なくとも１つの第２の出力接続部に供給され、前記ＤＣバス上の前記第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ように、決定することと、
前記ＤＣバスへの前記第１の結果リップルを生成するために前記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ＤＣバスに注入することと、が含まれるシステム。

【請求項15】

請求項１４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り、
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、前記ＤＣバスへの前記少なくとも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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、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に関する。

【背景技術】

【0002】

関連特許出願の相互参照
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。

【0003】

情報技術（「ＩＴ」）負荷は、ラックまたはキャビネットに配置されることが多く、たいていのマーケットにおいて現今では平均してラックあたりに４〜６ＫＷである。技術は密度を増してきており、ラックはラックあたり４０ＫＷを超え、高性能計算アプリケーションに対してはそれ以上になってきている。ブレード、大量記憶、およびネットワーキングが移動性上の理由から統合され、８〜３５ＫＷの範囲のアプリケーションがますます普及しつつある。

【0004】

クラウドコンピューティングは、現存するデータセンター、パブリッククラウド、および例えば、クラウドコンシューマのために「なんでもサービスとして (Everything as a Service)（ＸａａＳ）」の利用方法を可能にすることによって企業または中小企業（ＳＭＢ）マーケットのために最適の働きを可能にするように作られた新しいプライベートクラウドをより良く利用して、より分散した構成の利用を可能にする。「サービスとしてのインフラストラクチャ (Infrastructure as a Service)（ＩａａＳ）」モデルは、事業の必要条件と同期しているのがよいので、マーケット投入までの時間を最適コストでより速めることを可能にするようなインフラストラクチャのための構成要素に対する需要がマーケットにある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国仮特許出願第６１／９３８，８２７号明細書

【特許文献2】米国特許出願第１３／９３７，３１２号明細書

【特許文献3】米国特許第７，７０５，４９０号明細書

【特許文献4】米国特許第７，７１３，６４９号明細書

【特許文献5】米国特許第８，４４０，３６２号明細書

【特許文献6】米国特許出願第１１／６５６，００６号明細書

【特許文献7】米国特許第７，７０５，４９０号明細書

【発明の概要】

【0006】

種々の実施形態のシステム、方法、および装置は、燃料電池スタックセグメントなどの電気化学装置に対して、電気化学装置を共通負荷および／またはバスに並列に接続する電力エレクトロニクスによって、電気化学的インピーダンス分光法（「ＥＩＳ」）を実行することを可能にする。１つの実施形態では、電力エレクトロニクスは、共通負荷および／またはバスでリップルが生じないように、ＥＩＳの間に生成されるリップルを補償することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】典型的な実施形態とともに使用され得る燃料電池システムを示すブロック図である。

【図2】典型的な実施形態とともに使用され得るモジュラー燃料電池システムエンクロージャの等角図である。

【図3】典型的な実施形態とともに使用され得るホットボックスを示す略プロセスフロー図である。

【図4】図２のモジュラー燃料電池システムのホットボックスの等角図である。

【図5】図２のモジュラー燃料電池システムのハウジングの写真である。

【図6】１つの実施形態に従うシステムのブロック図である。

【図7A】時間の経過に伴うＤＣバス上の相殺リップルを示すグラフである。

【図7B】時間の経過に伴うＤＣバス上の相殺リップルを示すグラフである。

【図8】試験波形に起因するＤＣバスへのリップルを相殺する実施形態方法を示すプロセスフロー図である。

【図9】１つの実施形態に従う、注入された波形と、結果としての相殺リップルとを示すシステムのブロック図である。

【図10】燃料電池セグメントのためのインピーダンス応答を判定する実施形態の方法を示すプロセスフロー図である。

【図11】他の１つの実施形態に従うシステムのブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１を参照すると、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米国特許出願第１３／９３７，３１２号明細書（特許文献２）に記載されているように、１つの典型的な燃料電池システムは、情報技術（ＩＴ）負荷（すなわち、データセンター環境に見出される１つまたは複数のコンピュータ、１つまたは複数のサーバ、１つまたは複数のモデム、１つまたは複数のルータ、１つまたは複数のラック、電源接続部、およびその他のコンポーネントのうちの１つ以上を含み得るＩＴシステムで動作するデバイス）などのＤＣ負荷１０２と、入出力モジュール（ＩＯＭ）１０４と、１つ以上の電力モジュール１０６とを含む。

【0009】

ＩＯＭ１０４は、１つ以上の電力調整コンポーネントを含むことができる。電力調整コンポーネントは、ＤＣ／ＡＣインバータ１０４Ａ（例えば、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米国特許第７，７０５，４９０号明細書（特許文献３）に記載されているＤＣ／ＡＣインバータ）、グリッドに出力されるＡＣ電力のための電気コネクタ、電気的過渡状態を管理するための回路、システムコントローラ（例えば、コンピュータまたは専用制御論理デバイスもしくは回路）などの、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換するためのコンポーネントを含むことができる。電力調整コンポーネントは、燃料電池モジュールからのＤＣ電力を様々なＡＣ電圧および周波数に変換するように設計され得る。２０８Ｖ／６０Ｈｚ、４８０Ｖ／６０Ｈｚ、４１５Ｖ／５０Ｈｚおよび他の普通の電圧および周波数のためのデザインが提供され得る。

【0010】

各電力モジュール１０６のキャビネットは、１つ以上のホットボックスを収容するように構成される。各ホットボックスは、導電性相互接続板により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燃料電池の１つ以上のスタックまたはコラムなどの、燃料電池１０６Ａの１つ以上のスタックまたはコラム（一般的に「セグメント」と称される）を含む。ＰＥＭ、溶融炭酸塩、リン酸などの他の燃料電池タイプも使用され得る。

【0011】

燃料電池はしばしば組み合わされて「スタック」と呼ばれる単位とされ、燃料電池同士は電気的に直列に接続され、相互接続体として機能するガスセパレータ板などの導電性相互接続体により分離される。燃料電池スタックは、その端部に導電性端板を含むことができる。燃料電池スタックの一般化は燃料電池セグメントまたはコラムであり、これは直列に接続された１つ以上の燃料電池スタックを含むことができる（例えば、１つのスタックの端板が次のスタックの端板に電気的に接続される）。燃料電池セグメントまたはコラムは、セグメントまたはコラムからの直流電流を電力調整システムに出力する電気リード線を含むことができる。燃料電池システムは１つ以上の燃料電池コラムを含むことができ、その各々は、固体酸化物燃料電池スタックなどの１つ以上の燃料電池スタックを含むことができる。

【0012】

燃料電池スタックは内部に燃料のためのマニホルドを有することができ、外部に空気のためのマニホルドを有することができ、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米国特許第７，７１３，６４９号明細書（特許文献４）に記載されているように燃料入口および排出ライザだけが燃料電池層および／または燃料電池間の相互接続板の開口部を通って延びる。燃料電池は、直交流（空気および燃料が各燃料電池において電解質の両側で互いにほぼ垂直に流れる）、逆流平行（各燃料電池において電解質の両側で空気および燃料が互いにほぼ平行だが反対方向に流れる）、または共通流平行（各燃料電池において電解質の両側で空気および燃料が互いにほぼ平行で同じ方向に流れる）構成を持つことができる。

【0013】

電力モジュールは、太陽電池、風力タービン、地熱または水力発電装置などの、直流電流の他の発電装置を含むこともできる。

【0014】

燃料電池の１つまたは複数のセグメント１０６Ａは、モジュール１０６内に位置する１つ以上のＤＣ／ＤＣコンバータ１０６Ｂによって、スプリットＤＣバスなどの１つ以上のＤＣバス１１２に接続され得る。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０６Ｂは、燃料電池システム内のどこにでも（例えば、電力モジュール１０６の代わりにＩＯＭ１０４内に）置かれ得る。

【0015】

システムは、任意に、スーパーキャパシタ、バッテリ、フライホイールなどのバンクなどの蓄積装置を含むエネルギー蓄積モジュール１０８を含むこともできる。蓄積装置も、図１に示されているように１つ以上のＤＣ／ＤＣコンバータを用いてＤＣバス１１２に接続され得る。代わりに、蓄積装置は、電力モジュール１０６内および／またはＩＴ付加１０２とともに置かれ得る。

【0016】

図２および図５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米国特許第８，４４０，３６２号明細書（特許文献５）に記載されている典型的なモジュラー燃料電池システムを示す。

【0017】

モジュラーシステムは、前述したようなモジュールおよびコンポーネント、ならびに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「Modular Fuel Cell System」という２００７年１月２２日に出願された米国特許出願第１１／６５６，００６号明細書（特許文献６）に記載されているモジュールおよびコンポーネントを含むことができる。燃料電池システムエンクロージャ１０のモジュラーデザインは、フレキシブルなシステム設置および動作を提供する。モジュールは、設置される発電能力のスケーリング、信頼し得る発電、燃料処理の柔軟性、および単一のデザインセットでの電力出力電圧および周波数の柔軟性を可能にする。モジュラーデザインは、非常に高度の稼働率および信頼性を有する「常時オン」ユニットをもたらす。このデザインは、スケールアップの容易な手段を提供し、顧客の設備の具体的な必要条件を満たす。モジュラーデザインは、顧客および／または地域により変化し得る、利用可能な燃料ならびに必要とされる電圧および周波数の使用をも可能にする。

【0018】

モジュラー燃料電池システムエンクロージャ１０は、複数の電力モジュールハウジング１２（燃料電池電力モジュールコンポーネント７０を含み、ハウジング１２およびそのコンポーネント７０は図１において共同で番号１０６を付している）、１つ以上の燃料入力（すなわち、燃料処理）モジュールハウジング１６、および１つ以上の電力調整（すなわち、電気出力）モジュールハウジング１８（ハウジングおよびその内容は図１において番号１０４を付して「ＩＯＭ」と称される）を含む。例えば、システムエンクロージャは、２〜３０電力モジュールなどの任意の所望の数のモジュール（例えば、６〜１２電力モジュール）を含むことができる。図２は、共通ベース２０上の６個の電力モジュール（１列に横並びに積み重ねられた６個のモジュール）、１個の燃料処理モジュール、および１個の電力調整モジュールを含むシステムエンクロージャ１０を示す。各モジュールは、それ自身のキャビネットまたはハウジングを備えることができる。代わりに、以下でより詳しく記載するように、電力調整モジュール（すなわち、ＩＯＭ）および燃料処理モジュールを、組み合わせて１つのキャビネットまたはハウジング１４内に位置する単一の入出力モジュールとすることができる。簡潔性を目的として、以下では各ハウジング１２、１４、１６、１８を「モジュール」と称する。

【0019】

１列の電力モジュール１２が示されているが、システムは２列以上のモジュール１２を含むことができる。例えば、システムは、背中合わせに積み重ねられた２列の電力モジュールを含むことができる。

【0020】

各電力モジュール１２は、１つ以上のホットボックス１３を収容するように構成されている。各ホットボックスは、導電性相互接続板により分離されたセラミック酸化物電解質を有する固体酸化物燃料電池の１つ以上のスタックまたはコラムなど、燃料電池の１つ以上のスタックまたはコラム（明瞭性を目的として図示せず）を含む。ＰＥＭ、溶融炭酸塩、リン酸などの他の燃料電池タイプも使用され得る。

【0021】

モジュラー燃料電池システムエンクロージャ１０は、１つ以上の入力または燃料処理モジュール１６も含む。このモジュール１６は、脱硫ベッドなどの、燃料の前処理のために使用されるコンポーネントを包含するキャビネットを含む。燃料処理モジュール１６は、いろいろなタイプの燃料を処理するように設計され得る。例えば、ディーゼル燃料処理モジュール、天然ガス燃料処理モジュール、およびエタノール燃料処理モジュールが同じかまたは別のキャビネット内に設けられ得る。特定の燃料に合わせられた異なるベッド構成が各モジュール内に設けられ得る。１つまたは複数の処理モジュール１６は、パイプラインから供給される天然ガス、圧縮天然ガス、メタン、プロパン、液体石油ガス、ガソリン、ディーゼル、家庭用暖房オイル、灯油、ＪＰ−５、ＪＰ−８、航空燃料、水素、アンモニア、エタノール、メタノール、合成ガス、バイオガス、バイオディーゼル、および他の適切な炭化水素もしくは水素含有燃料から選択されたこれら燃料のうちの少なくとも１つを処理することができる。所望ならば、燃料処理モジュール１６内に改質装置１７を置くことができる。あるいは、改質装置１７を１つまたは複数の燃料電池スタックと熱的に統合することが望ましければ、それぞれの電力モジュール１２内の各ホットボックス１３内に別々の改質装置１７を置くことができる。さらに、内部改質燃料電池が使用されるならば、外部改質装置１７は完全に省略され得る。

【0022】

モジュラー燃料電池システムエンクロージャ１０は、１つ以上の電力調整モジュール１８も含む。電力調整モジュール１８は、燃料電池スタックが生成したＤＣ電力をＡＣ電力に変換するためのコンポーネント（例えば、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米国特許第７，７０５，４９０号明細書（特許文献７）に記載されているＤＣ／ＤＣおよびＤＣ／ＡＣコンバータ）、グリッドに出力されるＡＣ電力のための電気コネクタ、電気的過渡状態を管理するための回路、システムコントローラ（例えば、コンピュータまたは専用制御論理デバイスもしくは回路）を包含するキャビネットを含む。電力調整モジュール１８は、燃料電池モジュールからのＤＣ電力をいろいろなＡＣ電圧および周波数に変換するように設計され得る。２０８Ｖ／６０Ｈｚ、４８０Ｖ／６０Ｈｚ、４１５Ｖ／５０Ｈｚおよび他の普通の電圧および周波数のための設計が提供され得る。

【0023】

燃料処理モジュール１６および電力調整モジュール１８は、１つの入出力キャビネット１４内に収容され得る。単一の入出力キャビネット１４が設けられるならば、モジュール１６および１８は、キャビネット１４内で垂直（例えば、燃料処理モジュール１６の脱硫キャニスタ／ベッドの上に電力調整モジュール１８のコンポーネント）またはキャビネット１４内で横並びに置かれることができる。

【0024】

図２で１つの典型的な実施形態として示されているように、１つの入出力キャビネット１４が１列の６個の電力モジュール１２のために設けられ、電力モジュールは入出力モジュール１４の片側で線形横並びに配置される。モジュールの列は、例えば、システムが電力を提供するビルに隣接して（例えば、モジュールのキャビネットの背部がビルの壁に面するように）位置決めされ得る。１列の電力モジュール１２が図に示されているけれども、システムは２列以上のモジュール１２を含むことができる。例えば、前述したように、システムは、背中合わせに積み重ねられた２列の電力モジュールを含むことができる。

【0025】

電力モジュール１２の線形アレイは、容易にスケーリングされる。例えば、燃料電池システム１０によりサービスされるビルまたは他の施設の電力需要に応じて、より多くあるいはより少ない電力モジュール１２を設けることができる。電力モジュール１２および入出力モジュール１４を他の比率で設けることもできる。例えば、他の典型的な実施形態では、入出力モジュール１４に隣接してより多くまたはより少ない電力モジュール１２を設けることができる。さらに、サポート機能は、２個以上の入出力モジュール１４によりサービスされ得る（例えば、別個の燃料処理モジュール１６および電力調整モジュール１８キャビネットで）。さらに、一実施形態では、入出力モジュール１４は電力モジュール１２の列の端部にあるけれども、それを電力モジュール１２の列の中央に置くこともできる。

【0026】

モジュラー燃料電池システムエンクロージャ１０は、システムのサービス作業を容易にする仕方で構成され得る。日常的あるいは頻繁にサービスされるコンポーネント（消耗コンポーネントなど）の全てを、サービス要員が必要とする時間の長さを減らすために単一のモジュール内に置くことができる。例えば、天然ガス燃料を供給されるシステムのための脱硫材料を、単一のモジュール内（例えば、燃料処理モジュール１６または複合入出力モジュール１４のキャビネット）に置くことができる。これは、日常保全中にアクセスされる唯一のモジュールキャビネットであり得る。従って、各モジュール１２、１４、１６、および１８を、他のモジュールキャビネットを開けずに、さらに他のモジュールをサービスしたり、修理したり、あるいは取り外したりせずに、サービスしたり、修理したり、あるいはシステムから取り外したりすることができる。

【0027】

例えば、前述したように、エンクロージャ１０は、複数の電力モジュール１２を含むことができる。少なくとも１つの電力モジュール１２がオフラインにされるとき（すなわち、そのオフラインのモジュール１２内のホットボックス１３内のスタックが電力を全く生成しないとき）、残りの電力モジュール１２、燃料処理モジュール１６および電力調整モジュール１８（または複合入出力モジュール１４）はオフラインにされない。さらに、燃料電池エンクロージャ１０は、各タイプのモジュール１２、１４、１６、または１８を２つ以上包含することができる。特定のタイプの少なくとも１つのモジュールがオフラインにされるとき、同じタイプの残りのモジュールはオフラインにされない。

【0028】

このように、複数のモジュールを有するシステムでは、モジュール１２、１４、１６、または１８の各々を、システム内の他のモジュールの動作を止めることなく電気的に切り離したり、燃料電池エンクロージャ１０から取り外したり、および／またはサービスもしくは修理したりすることができ、燃料電池システムが発電し続けることを可能にする。１つのホットボックス１３内の燃料電池の１つのスタックが故障したりあるいはサービスのためにオフラインにされたりしても、燃料電池システム全体を運転停止させなくてもよい。

【0029】

電力モジュール１２および入出力モジュール１４の各々は、（例えば、保守点検、修理、交換などのために）モジュールの内部コンポーネントにアクセスできるようにするドア３０（例えば、ハッチ、アクセスパネルなど）を含む。一実施形態では、モジュール１２および１４は各キャビネットの１面のみにドア３０を有する線形アレイを成して配置され、端部で互いに当接するようにシステム同士を１つの連続的な列を成すように設置することを可能にする。このように、既存のモジュール１２および１４およびベース２０のために最小限の再配置を必要とするだけで、燃料電池エンクロージャ１０のサイズおよび能力を追加のモジュール１２または１４およびベース２０で調整することができる。所望ならば、モジュール１４のドアは、キャビネットの正面ではなくて側面にあってもよい。

【0030】

ドア３０は、実質的に垂直の旋回およびその後の実質的に水平の旋回（例えば、「ガルウィング」式）と協力して開くことができる。換言すれば、ドア３０は、上へ動かされてから少なくとも部分的にエンクロージャ１０の頂部の上で実質的に水平の方向に動かされることによって開く。この実施形態の実質的に垂直および実質的に水平という用語は、それぞれ、正確な垂直方向および水平方向から０〜１０度などの０〜３０度の逸脱を含む。

【0031】

ドア３０は、複数の独立の機械的アームでモジュール１２または１４のエンクロージャまたはキャビネット１０の壁に取り付けられる。開放位置において、ドア３０の上側部分はエンクロージャまたはキャビネット１０の上に位置することができ、ドアの下側部分は任意にエンクロージャ１０の開口部の上に突き出ることができる。この構成では、ドアの下側部分が燃料電池システムエンクロージャ１０から突出するので、ドア３０は、開放時にユーザのための雨および雪遮蔽を提供する。あるいは、ドア３０全体を、開放位置でエンクロージャ１０の上に置くことができる。

【0032】

図３は、モジュール１２およびホットボックス３１のコンポーネントの略プロセスフロー図を表すものであり、コンポーネントを通る種々の流れを示す。図３に示されている構成において、ＡＴＯ３１０への燃料および空気流入はないかもしれない。外部天然ガスまたは他の外部燃料はＡＴＯ３１０に供給されないかもしれない。代わりに、１つまたは複数の燃料電池スタック３９からのホット燃料（アノード）排気流がＡＴＯにＡＴＯ燃料入口流として部分的にリサイクルされる。同様に、ＡＴＯに流入される外気もない。代わりに、１つまたは複数の燃料電池スタック３９からのホットエアー（カソード）排気流がＡＴＯの中にＡＴＯ空気入口流として供給される。

【0033】

さらに、燃料排気流は、ホットボックス１内に位置するスプリッタ３１０７で分割される。スプリッタ３１０７は、アノード復熱器（例えば、燃料熱交換器）３１３７の燃料排気出口とアノード冷却器３１００（例えば、空気プレヒータ熱交換器）の燃料排気入口との間に位置する。このように、燃料排気流は、アノード冷却器３１００に入る前にミキサ３１０５とＡＴＯ３１０との間で分割される。これは、燃料排気流が未だアノード冷却器３１００で空気入口流と熱を交換していないので、従来技術よりも高温の燃料排気流がＡＴＯ内に供給されることを可能にする。例えば、スプリッタ３１０７からＡＴＯ３１０内に供給される燃料排気流は、３５０〜５００℃などの３５０℃より高い温度（例えば、３９０〜４１０℃などの３７５〜４２５℃の温度）を有することができる。さらに、より少量の燃料排気がアノード冷却器３１００内に供給される（例えば、スプリッタ３１０７でアノード排気が分割されるので１００％ではないアノード排気がアノード冷却器内に供給される）ので、アノード冷却器３１００の熱交換面積が縮小され得る。

【0034】

ホットボックス３１は、固体酸化物燃料電池スタックなどの複数の燃料電池スタック３９を包含する（スタックの１つの固体酸化物燃料電池は、イットリア安定化ジルコニアＹＳＺ）もしくはスカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）などのセラミック電解質と、ニッケル−ＹＳＺもしくはＮｉ−ＳＳＺサーメットなどのアノード電極と、ランタンストロンチウム亜マンガン酸塩（ＬＳＭ）などのカソード電極とを含む）。スタック３９は、複数のコラムまたはセグメントを成して互いの上に配置され得る。

【0035】

ホットボックス３１は、蒸気発生器３１０３も含む。蒸気発生器３１０３は、給水タンクまたは送水管（すなわち、連続的給水）などの水源３１０４から導管３３０Ａを通して水を供給され、その水を水蒸気に変換する。水蒸気は、発生器３１０３から導管３３０Ｂを通してミキサ３１０５に供給され、ミキサ３１０５内でスタックアノード（燃料）リサイクル流と混合される。ミキサ３１０５を、ホットボックス３１のホットボックスの内側あるいは外側に置くことができる。好ましくは、図３に略図に示されているように、加湿されたアノード排気流がミキサ３１０５の下流側で燃料入口管路または導管３２９内の燃料入口流と結合される。あるいは、所望ならば、燃料入口流をミキサ３１０５内に直接供給することができ、あるいは水蒸気を燃料入口流内に直接供給することができ、および／またはアノード排気流を燃料入口流内に直接供給してから、それらの結合された燃料流の加湿を行うことができる。

【0036】

蒸気発生器３１０３は、蒸気発生器３１０３と熱交換関係に導管３１１９に通される高温ＡＴＯ３１０排気流により加熱される。

【0037】

システムは次のとおりに動作する。炭化水素流（例えば、天然ガス）などの燃料入口流は、燃料入口導管３２９内に、さらにホットボックス外に置かれた触媒分圧酸化（ＣＰＯｘ）反応装置３１１１を通して供給される。システム始動中、燃料入口流を触媒により部分的に酸化するために空気もＣＰＯｘ空気入口導管３１１３を通してＣＰＯｘ反応装置３１１１内に供給される。空気を、ＣＰＯｘエアーブロワ３１１４によって空気入口導管３１１３を通してＣＰＯｘ反応装置３１１１に送りこむことができる。ＣＰＯｘエアーブロワ３１１４は、始動中にのみ動作することができる。定常状態システム動作中、空気流はオフにされ（例えば、ＣＰＯｘエアーブロワ３１１４への給電を止めることにより）、ＣＰＯｘ反応装置は、中で燃料が部分的に酸化されない燃料通路として作用する。このように、ホットボックス３１は、始動モードおよび定常状態モードの両方においてＣＰＯｘ反応装置３１１１を通して燃料を供給する唯一の燃料入口導管を含むことができる。従って、定常状態動作中にＣＰＯｘ反応装置をバイパスする別の燃料入口導管は不要である。

【0038】

燃料入口流は、燃料熱交換器（アノード復熱器）／前改質装置３１３７に供給され、その温度はスタック３９のアノード（燃料）排気流との熱交換により高められる。燃料入口流は熱交換器３１３７の前改質装置セクションにおいてＳＭＲ反応を介して前改質され、改質後の燃料入口流（水素、一酸化炭素、水蒸気および改質されていないメタンを含む）は１つまたは複数の燃料入口導管３２１を通ってスタック３９内に供給される。燃料入口流は、スタックを通ってスタック３９内の燃料入口ライザを通って上へ移動し、発電中にスタック３９内で酸化される。酸化された燃料（すなわち、アノードまたは燃料排気流）は、燃料排気ライザを通ってスタック３９を下って移動し、次にスタックから燃料排気導管３２３Ａを通って燃料熱交換器３１３７内へ排出される。

【0039】

燃料熱交換器３１３７において、アノード排気流は、熱交換を介して燃料入口流を熱する。アノード排気流は、次に燃料排気導管３２３Ｂを介してスプリッタ３１０７内に供給される。アノード排気流の第１の部分は、スプリッタ３１０７から導管（例えば、スリット）３１３３を介してＡＴＯ３１０に供給される。

【0040】

アノード排気流の第２の部分は、スプリッタ３１０７からアノード冷却器３１００内に、次に燃料入口流内にリサイクルされる。例えば、アノード排気流の第２の部分は、導管３３１を通ってアノード冷却器（すなわち、空気プレヒータ熱交換器）内にリサイクルされ、ここでアノード排気流は導管３３３からの空気入口流を予熱する。アノード排気流は、次にアノードリサイクルブロワ３１２３によってミキサ３１０５内に供給される。アノード排気流は、蒸気発生器３１０３から供給される水蒸気と混合することによってミキサ３１０５内で加湿される。加湿後のアノード排気流は、次にミキサ３１０５から加湿済みアノード排気流導管３１２１を介して燃料入口導管３２９内に供給され、ここで燃料入口流と混合する。

【0041】

空気入口流は、主エアーブロワ３１２５により空気入口導管３３３からアノード冷却器／空気プレヒータ熱交換器３１００内に供給される。ブロワ３１２５は、前述したように、システム全体のための単一の気流コントローラを含むことができる。アノード冷却器／空気プレヒータ熱交換器３１００において、空気入口流は熱交換を介してアノード排気流により熱せられる。熱せられた空気入口流は、次に導管３３１４を介して空気熱交換器（カソード復熱器３２００）内に供給される。熱せられた空気入口流は、熱交換器３２００から空気入口導管および／またはマニホルド３２５を介して１つまたは複数のスタック３９内に供給される。

【0042】

空気は、スタック３９を通ってカソード排気導管３２４に入り、導管３２４およびミキサ３８０１を通ってＡＴＯ３１０に入る。ＡＴＯ３１０において、空気排気流は、導管３１３３からのアノード排気流の分割済みの第１の部分を酸化してＡＴＯ排気流を生成する。ＡＴＯ排気流は、ＡＴＯ排気導管３２７を通って空気熱交換器３２００内に排出される。ＡＴＯ排気流は、空気熱交換器３２００内で熱交換を介して空気入口流を熱する。ＡＴＯ排気流（これは、依然として室温より高い）は、次に空気熱交換器３２００から導管３１１９を介して蒸気発生器３１０３に供給される。ＡＴＯ排気流からの熱は、水を蒸気発生器３１０３で熱交換を介して水蒸気に変換するために使用される。ＡＴＯ排気流は、次に排気導管３３５を介してシステムから除去される。このように、空気入口ブロワ出力（すなわち、電力または速度）を制御することにより、システムに導入される空気のマグニチュード（すなわち、体積、圧力、速度など）を制御することができる。カソード（空気）およびアノード（燃料）排気流は、それぞれＡＴＯ空気および燃料入口流として使用され、従って別々のＡＴＯ空気および燃料入口コントローラ／ブロワを不要にする。さらに、ＡＴＯ排気流が空気入口流を熱するために使用されるので、ブロワ３１２５による導管３３３内の単一の空気入口流の速度の制御を用いてスタック３９およびＡＴＯ３１０の温度を制御することができる。

【0043】

従って、前述したように、可変速度ブロワ３１２５および／または制御バルブを用いて導管３３３内の主空気流を変化させることによりスタック３９の温度および／またはＡＴＯ３１０の温度を維持する。この場合、ブロワ３１２５またはバルブを介しての主空気流量制御は、主システム温度コントローラとして作用する。さらに、ＡＴＯ３１０の温度は燃料利用（例えば、１つまたは複数のスタック３９により生成される電流の、１つまたは複数のスタック３９に供給される燃料入口流に対する比）を変化させることによって制御され得る。最後に、導管３３１および３１１７内のアノードリサイクル流は、可変速度アノードリサイクルブロワ３１２３および／またはＡＴＯ３１０へのアノード排気と、ミキサ３１０５および燃料入口導管３２９へのアノードリサイクルのためのアノード排気との分割を制御する制御バルブによって制御され得る。

【0044】

図４に示されているように、現場交換可能な電力モジュールコンポーネント（ＰＭＣ）７０は、図２に示されている円筒状ホットボックス１３などのホットボックスサブシステム１３を含む。ホットボックス１３は、燃料電池スタックおよび熱交換器アセンブリを含む。ＰＭＣ７０は、ブロワ、バルブ、および制御ボードなど（明瞭性を目的として図示せず）を含むバランスオブプラント（ＢＯＰ）サブシステムを支持するフレーム７１と、ホットボックスおよびフレームを支持するフォークリフトレールなどの取り外し可能なサポート７２とをも含む。サポート７２は、ＰＭＣ７０を電力モジュール１２のキャビネットから単一のユニットまたはアセンブリとして取り外すことを可能にする。他の構成も使用され得る。例えば、ホットボックス１３は、円筒形以外の多角形などの形状を持つことができる。サポート７２は、レールではなくてプラットホームを含むことができる。フレームは、異なる構成を持つことができ、あるいは完全に省略して、代わりにＢＯＰコンポーネントをホットボックス１３および／またはサポート７２に取り付けることができる。ＰＭＣ７０は、寸法的には電力モジュール１２の開口部（例えば、ドア３０により閉じられる開口部）よりも小さい。さらに、ＰＭＣ７０は、ＰＭＣおよびモジュール１２内からの空気などのガスを外部環境へ排出／換気するための１つ以上のベント８１を含むことができる。ＰＭＣ７０は、空気および／またはＡＴＯ排気などのガスをＰＭＣ７０の外（例えば、１つ以上のベント８１から外）へ強制的に排出することのできる交流電動機により駆動される換気ファンなどの、１つ以上の換気ファンまたはブロワ８０をも含むことができる。

【0045】

前に論じられた電力モジュール１２内の燃料スタックなどの燃料電池スタックの効率および／または耐用寿命を最大にするためには、適切な運転条件が維持されなければならない。例えば、燃料システムにより使用される燃料が多すぎたり少なすぎたりしたならば、あるいは燃料電池スタックの個々の燃料電池の温度が好ましい温度範囲から逸脱したならば、運転の効率が悪くなるかもしれない。適切な運転条件を維持するためには、燃料電池システム、そのサポート装置（例えば、ブロワ、ポンプ、バルブなどのサポート装置）、および燃料電池システムに接続されている周辺装置を頻繁に監視し調整することが望ましい。

【0046】

種々の実施形態のシステム、方法、および装置は、電気化学装置に対して、電気化学装置を共通負荷および／またはバスに並列に接続する電力エレクトロニクスによって、電気化学的インピーダンス分光法（「ＥＩＳ」）（ＡＣインピーダンス分光法とも称される）を実行することを可能にする。電気化学装置は、燃料電池スタックセグメント、バッテリーセル、電解セル、電気化学ポンピングセル（例えば、水素分離装置）、またはＥＩＳにより監視され得る他の任意の装置を含むことができる。

【0047】

ＥＩＳは、電気化学装置の総インピーダンスを、電気化学装置における電圧または電流を変化するサンプリング周波数で測定することによって、判定することを可能にする。約１Ｈｚの振動を伴う波形などの、変化するサンプリング周波数を達成するために選択される試験波形は、電気化学装置に接続されているライン上で、例えば電気化学装置をロードしたり、アンロードしたりするためにラインを急速にスイッチングし、それにより試験波形を電気化学装置に注入することによって、生成され得る。試験波形は、所望のサンプリング周波数を達成するために選択される正弦波または他のタイプの波とすることができる。電気化学装置の電圧または電流および結果としての位相角を、サンプリング周波数の各々において判定し、ＥＩＳを用いてインピーダンスに変換することができる。

【0048】

ＥＩＳ手続きの結果（例えば、変化する周波数でのインピーダンス）を、ナイキストプロットまたはボーデプロットを用いてグラフ的に表すことができ、電気化学装置の特性を電気化学装置のインピーダンス応答に基づいて判定することができる。測定される電気化学装置のインピーダンス応答を、既知の特性を有する電気化学装置のインピーダンス応答の既知の特徴と比較することにより、測定される装置の特性を特定することができる。少なくとも部分的にインピーダンス応答に基づいて判定し得る電気化学装置の特性は、燃料状態（例えば、燃料利用率）、空気状態（例えば、空気利用率）、触媒状態（例えば、アノード触媒コーティングの割れ）、および水状態（例えば、ＰＥＭ燃料電池膜水充満）を含む。電気化学装置の特性に基づいて、電気化学装置のセッティングを調整することができる。例えば、燃料利用率および／または水流量に基づいて、電気化学装置に供給される燃料についての燃料入口流への燃料流および／または水流セッティングを調整することができる。さらに、電気化学装置の判定された特性を故障しきい値と比較することができ、特性が故障しきい値を超えたときに、燃料枯渇状態、触媒活性低下状態、あるいは水充満状態などの、電気化学装置の故障モードを指示することができる。

【0049】

１つの実施形態では、２つ以上の電気化学装置のグループの各電気化学装置に接続された電力エレクトロニクスは、共通負荷および／またはバスにおいて無リップルまたはリップルの減少が実現されるように、ＥＩＳ中に発生したどんなリップルをも補償することができる。１つの電力エレクトロニクスが自身の電気化学装置に試験波形を注入すると、その電力エレクトロニクスからの結果としてのリップルは負荷および／またはバスに加えられ得る。ＥＩＳ監視を行う電力エレクトロニクスからのこのリップルを打ち消すために、他の電力エレクトロニクスのうちの１つ以上によって１つまたは複数のオフセット（または相殺）リップルが生成され得る。その１つまたは複数のオフセット（または相殺）リップルを生成するために、ＥＩＳ監視を現在行っていない他の電力エレクトロニクスのうちの１つ以上は、それぞれの電気化学装置のほうへオフセット波形を注入し、結果としてオフセットリップルを、電気化学装置に並列に接続されている共通負荷および／またはバスに加えることができる。ＥＩＳ監視を行う電力エレクトロニクスからのリップルと、１つ以上の他の電力エレクトロニクからの１つまたは複数のオフセットリップルとの合計は、ＤＣ出力で、負荷および／または共通バスにおいて無リップルをもたらすことができる。

【0050】

他の１つの実施形態では、共通負荷および／またはバスに接続されている他の装置は、共通負荷および／またはバスにおいて無リップルまたはリップルの減少が実現されるように、ＥＩＳ中に生成されるどんなリップルをも補償することができる。前に論じられたように、１つの電力エレクトロニクスが自身の電気化学装置に試験波形を注入するときに、その電力エレクトロニクスからの結果リップルは負荷および／またはバスに加えられ得る。ＥＩＳ監視を行っている電力エレクトロニクスからのこのリップルを打ち消すために、波形発生装置などの１つ以上の他の装置により１つまたは複数のオフセット（または相殺）リップルを生成して、共通負荷および／またはバスに注入することができる。１つまたは複数のオフセット（または相殺）リップルを生成するために、他の１つ以上の装置は、電気化学装置に並列に接続されている共通負荷および／またはバスにオフセットリップルを加えることができる。ＥＩＳ監視を行っている電力エレクトロニクスからのリップルと、他の装置により加えられる１つまたは複数のオフセットリップルとの合計は、ＤＣ出力で、負荷および／またはバスにおいて無リップルをもたらすことができる。

【0051】

１つの実施形態では、ＥＩＳ監視中、セグメントのインピーダンスは、セグメントの極形式電圧割るセグメントの極形式電流として決定され得る。これは、完全な高速フーリエ変換を計算することを必要とせずに基本周波数での不完全な正弦波形リップルの解析を可能にするために、フーリエ級数計算を用いることを可能にし得る。これは、完全高速フーリエ変換を用いて行われるインピーダンス判定と比べると、インピーダンス計算の精度を高めるとともにインピーダンス応答を判定するために必要な処理時間を短縮することができる。

【0052】

１つの実施形態では、各電気化学装置に接続されている電力エレクトロニクスにエネルギー蓄積装置が含まれ得る。エネルギー蓄積装置は、キャパシタ、スーパーキャパシタ、バッテリなどの任意のタイプのエネルギー蓄積装置であり得る。種々の実施形態において、エネルギー蓄積装置は、リップルエネルギーを蓄積し、リップルエネルギーを位相外れに放電するように電力エレクトロニクスの変圧器の出力、入力、または巻線上に存在し得る。エネルギー蓄積装置は、バスへ行くリップル電流を減らすか、あるいはリップル電流をなくすることができる。ＥＩＳ試験からもたらされるリップル電流を減らすか、および／またはリップル電流をなくする能力は、エネルギー蓄積装置なしで用いられ得る場合より高い周波数で試験波形を用いるＥＩＳ試験を可能にすることができる。例えば、４００Ｈｚ以上の周波数の試験波形を使用することができ、試験波形を作り分析する電力エレクトロニクスの帯域幅を大幅に拡張することができる。エネルギー蓄積装置がなければ、試験波形周波数の帯域幅は、実際上、電力エレクトロニクスのスイッチング周波数より低い周波数に限定されるかもしれない。エネルギー蓄積装置があれば、試験波形周波数の帯域幅は、電力エレクトロニクスのスイッチング周波数より大きな周波数まで広がることができる。

【0053】

１つの特定の実施形態では、電気化学装置は、１つ、２つ、３つ、４つ、あるいはもっと多くの燃料電池スタックセグメントなどの、１つ以上の燃料電池スタックセグメントであり、電力エレクトロニクス装置はＤＣ／ＤＣコンバータであり得る。燃料電池スタックセグメントは、固体酸化物燃料電池、プロトン交換膜燃料電池、リン酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、あるいは他のタイプの燃料電池のセグメントであり得る。例えば、燃料電池スタックセグメントは燃料電池１０６Ａの燃料電池スタックセグメントであり、ＤＣ／ＤＣコンバータは前述したＤＣ／ＤＣコンバータ１０６Ｂであり得る。

【0054】

図６は、１つの実施形態に従うシステム６００のブロック図である。システム６００は、４つの電気化学装置６０２、６０４、６０６、および６０８を含むことができる。例えば、電気化学装置６０２、６０４、６０６、および６０８は、各々、電力モジュール１０６の一部分１０６Ａを構成し得る燃料電池の燃料電池スタックセグメントであり得る。各電気化学装置６０２、６０４、６０６、および６０８は、それぞれの入力接続部６４０、６４２、６４４、および６４６を介して電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６のうちのそれぞれの１つに電気的に接続され得る。各入力接続部６４０、６４２、６４４、および６４６は、それぞれの正入力接続部６４０ａ、６４２ａ、６４４ａ、および６４４ｂ、ならびにそれぞれの負入力接続部６４０ｂ、６４２ｂ、６４４ｂ、および６４６ｂを含み得る。動作時には、電気化学装置６０２、６０４、６０６、および６０８は、それぞれの入力接続部６４０、６４２、６４４、および６４６を介してそれぞれの電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６にＤＣ電圧を出力することができる。

【0055】

電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（例えば、３８０ボルト２３アンペアＤＣ／ＤＣコンバータ）であり得る。電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６は、それぞれ、有線または無線で中央コントローラ６３８にそれぞれ接続されているコントローラ６３０、６３２、６３４、および６３６を含むことができる。コントローラ６３０、６３２、６３４、および６３６は、それぞれの電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６を制御する動作を実行するようにプロセッサ実行可能な命令で構成されるプロセッサであり、コントローラ６３８は、それぞれのコントローラ６３０、６３２、６３４、および６３６を介して電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６とデータを交換するとともに電力エレクトロニクスの動作を制御する動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であり得る。電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６に接続されているコントローラ６３０、６３２、６３４、６３６とコントローラ６３８との間の接続Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤを介して、コントローラ６３８は、電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６に有効に接続されて電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６の動作を制御することができる。

【0056】

電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６を、それぞれの出力接続部６２０、６２２、６２４、および６２６によりＤＣバス６１８に並列に接続することができる。１つの実施形態では、ＤＣバス６１８は正線６１８ａ、中性線６１８ｂ、および負線６１８ｃから成る３相バスとすることができ、それぞれの出力接続部６２０、６２２、６２４、および６２６は、それぞれの正出力接続部６２０ａ、６２２ａ、６２４ａ、および６２６ａ、それぞれの中性出力接続部６２０ｂ、６２２ｂ、６２４ｂ、および６２６ｂ、ならびにそれぞれの負出力接続部６２０ｃ、６２２ｃ、６２４ｃ、および６２６ｃを含むことができる。動作時、電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６は、それぞれの出力接続部６２０、６２２、６２４、および６２６を介してＤＣ電圧をバス６１８に出力することができる。１つの実施形態では、電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６は、それぞれの電気化学装置６０２、６０４、６０６、および６０８から正および負のＤＣ入力を受け取り、それぞれの正出力接続部６２０ａ、６２２ａ、６２４ａ、および６２６ａ、それぞれの中性出力接続部６２０ｂ、６２２ｂ、６２４ｂ、および６２６ｂ、ならびにそれぞれの負出力接続部６２０ｃ、６２２ｃ、６２４ｃ、および６２６ｃを介して正ＤＣ、負ＤＣ、および中性出力をバス６１８に出力するように構成された３相コンバータとすることができる。１つの代わりの実施形態では、電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６は、各々、デュアル２相コンバータから成ることができる。２相コンバータのうちの第１の２相コンバータの正出力をバス６１８の正線６１８ａに接続することができ、２相コンバータのうちの第２の２相コンバータの負出力をバス６１８の負線６１８ｃに接続することができる。２相コンバータのうちの第１の２相コンバータの負出力と２相コンバータのうちの第２の２相コンバータの正出力とを一緒にバス６１８の中性線６１８ｂに接続することができる。

【0057】

１つの実施形態では、電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６を、各々、それぞれの電気化学装置６０２、６０４、６０６、および６０８のＥＩＳ監視を行うように構成することができる。コントローラ６３８は、電気化学装置６０２、６０４、６０６、または６０８のうちの１つについてのＥＩＳ監視に用いられる試験波形を選択し、選択された試験波形をそれぞれの入力接続部６４０、６４２、６４４、または６４６に注入するためにその電気化学装置６０２、６０４、６０６、または６０８の電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、または６１６を制御することができる。例えば、コントローラ６３８は、電気化学装置６０２に接続されている入力接続部６４０にパルス幅変調を介して選択された試験波形を生成するように電力エレクトロニクス６１０に存在するスイッチを開閉するべく電力エレクトロニクス６１０のコントローラ６３０に選択された試験波形の指示を送ることができる。試験波形を注入する電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、または６１６は、結果として生じたそれぞれの電気化学装置６０２、６０４、６０６、または６０８のインピーダンス応答を監視し、それぞれのコントローラ６３０、６３２、６３４、または６３６を介して、監視されたインピーダンス応答の指示をコントローラ６３８に出力することができる。前の例を続行して、電力エレクトロニクス６１０は電気化学装置６０２への入力接続部６４０上のインピーダンス応答を監視することができ、コントローラ６３０は電気化学装置６０２のインピーダンス応答をコントローラ６３８に対して示すことができる。

【0058】

コントローラ６３８は、電気化学装置６０２、６０４、６０６、６０８のＥＩＳ監視により判定されたインピーダンス応答を用いてその電気化学装置６０２、６０４、６０６、６０８の特性を判定することができ、その判定された特性に基づいてシステム６００のセッティングを調整することができる。例えば、コントローラ６３８は、図１０に関して以下でさらに記述される方法１０００に従ってインピーダンス応答を判定することができる。コントローラ６３８は、インピーダンス応答のプロットおよび／または記憶されているインピーダンス値などの、電気化学装置６０２、６０４、６０６、６０８のＥＩＳ監視により判定されたインピーダンス応答と、既知の特性と関連付けられている同様の電気化学装置の、インピーダンス応答の記憶されているプロットおよび／または記憶されているインピーダンス値などの、メモリに記憶されているインピーダンス応答とを比較することができる。コントローラ６３８は、電気化学装置６０２、６０４、６０６、６０８のＥＩＳ監視により判定されたインピーダンス応答と記憶されているインピーダンス応答との間の整合を特定する任意の仕方で、電気化学装置６０２、６０４、６０６、６０８のＥＩＳ監視により判定されたインピーダンス応答を記憶されているインピーダンス応答と比較することができる。

【0059】

コントローラ６３８が電気化学装置６０２、６０４、６０６、６０８のＥＩＳ監視により判定されたインピーダンス応答と記憶されているインピーダンス応答との間の整合（例えば、同一または或る所定の分散値内の）を判定すると、コントローラ６３８は、その記憶されているインピーダンス応答と関連付けられている特性を、それぞれの電気化学装置６０２、６０４、６０６、６０８の特性であると判定することができる。例えば、コントローラ６３８は、ＥＩＳ監視に基づいて電気化学装置６０２の燃料利用率および／または燃料入口流における蒸気対炭素比を判定することができ、その判定された燃料利用率に基づいてブロワ３１２３もしくは燃料入力ライン３２９または３１０４から蒸気発生器３１０３内への水流を調整することによってシステム６００の燃料流量セッティングおよび／または燃料入口水蒸気への水入力セッティングを調整することができる。他の一例として、コントローラ６３８は、ＥＩＳ監視に基づいて電気化学装置６０４の空気利用率を判定することができ、その判定された空気利用率に基づいて図３に示されている空気ブロワ３１２５を調整することによってシステム６００の空気流量セッティングを調整することができる。他の例として、ＥＩＳ監視は、電気化学装置６０２、６０４、６０６、または６０８の判定された特性を故障しきい値と比較することを可能にすることができ、特性が故障しきい値を超えたときに、燃料枯渇状態（例えば、アノードで燃料不足）、アノード触媒ダメージもしくは活性低下状態（例えば、アノード上での炭素および／または硫黄ビルドアップ、アノード触媒割れなどによる）、または水充満状態（例えば、ＰＥＭ燃料電池における）などの、電気化学装置６０２、６０４、６０６、または６０８の故障モードが指示され、これは、システムへの燃料および／または水流入が調整されるという結果をもたらすかあるいはシステムの運転停止をもたらすこともある。

【0060】

ＥＩＳ監視を行うためにそれぞれの電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、または６１６により試験波形が入力接続部６４０、６４２、６４４、または６４６に注入されたときに、それぞれの出力接続部６２０、６２２、６２４、または６２６にリップルが生じ得る。補償が行われなければ、ＥＩＳ監視を行う電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、または６１６から生じるリップルは、ＤＣバス６１８上に望ましくないリップルを生じさせることがある。ＤＣバス６１８上のリップルを阻止するために、ＥＩＳ監視を行う電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、または６１６からのリップルは、ＤＣバス６１８に注入される他のリップルによってオフセットまたは相殺され得る。１つの実施形態では、他のリップルは、ＥＩＳ監視を行っていない他の電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、または６１６のうちの１つ以上によって生成され得る。ＥＩＳ監視を行っていない他の電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、または６１６のうちの１つ以上からのリップルは、ＥＩＳ監視を行っていない他の電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、または６１６のうちの１つ以上を、それぞれの入力接続部６４０、６４２、６４４、または６４６にそれぞれの入力接続部内にオフセット波形を注入するように制御することによって、生成され得る。１つまたは複数のオフセット波形は、１つまたは複数のオフセット波形の注入に応答して生成されるそれぞれの出力接続部６２０、６２２、６２４、または６２６上のリップルがＥＩＳ監視を行う電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、または６１６により生じたリップルを、ＤＣバス６１８上で波形が合計されたときに相殺するように、コントローラ６３８によって選択され得る。他の１つの実施形態では、電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、または６１６以外の装置からリップルを出力接続部６２０、６２２、６２４、または６２６に注入して、ＥＩＳ監視を行う電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、または６１６に起因するリップルを、波形同士がＤＣバス６１８上で合計されるときに、相殺することができる。例えば、ＥＩＳ監視に応答して相殺リップルを注入するために出力接続部６２０、６２２、６２４、または６２６に波形発生装置を接続することができる。

【0061】

図７Ａは、時間の経過に伴うＤＣバス上の相殺リップルを示すグラフである。電力エレクトロニクスにより電気化学装置の入力接続部に注入された試験波形は、試験波形を注入した電力エレクトロニクスからＤＣバスのほうへ送られるリップル７０２をもたらし得る。他の１つの電力エレクトロニクスにより他の１つの電気化学装置の入力接続部に注入されたオフセット波形は、オフセット波形を注入した電力エレクトロニクスからリップル７０４がＤＣバスのほうへ送られるという結果をもたらすことができる。オフセット波形は、リップル７０４がリップル７０２と１８０度位相外れであるように、選択され得る。電力エレクトロニクスをＤＣバスに並列に接続することができ、リップル７０２およびリップル７０４の合計は、波形の合計がＤＣバス上で所望のＤＣ電圧７０６となるように、相殺し合うことができる。

【0062】

図７Ｂは、２つ以上のオフセット波形を用いる、時間の経過に伴うＤＣバス上の相殺リップルを示す他のグラフである。前に論じられたように、電力エレクトロニクスによって電気化学装置の入力接続部に注入された試験波形は、その試験波形を注入した電力エレクトロニクスからＤＣバスのほうへ送られるリップル７０２をもたらし得る。他の３つの電気化学装置の入力接続部に注入されるオフセット波形を生成するために他の３つの電力エレクトロニクスを用いることができる。第１の他の電力エレクトロニクスにより第１の他の電気化学装置の入力接続部に注入された第１のオフセット波形は、オフセット波形を注入した第１の他の電力エレクトロニクスからＤＣバスのほうへ送られるリップル７０８をもたらすことができる。第２の他の電力エレクトロニクスにより第２の他の電気化学装置の入力接続部に注入された第２のオフセット波形は、オフセット波形を注入した第２の他の電力エレクトロニクスからＤＣバスのほうへ送られるリップル７１０をもたらすことができる。第３の他の電力エレクトロニクスにより第３の他の電気化学装置の入力接続部に注入された第３のオフセット波形は、オフセット波形を注入した第３の他の電力エレクトロニクスからＤＣバスのほうへ送られるリップル７１２をもたらすことができる。この３つのオフセット波形は、リップル７０８、７１０、および７１２の合計が、波形の合計がＤＣバス上の望ましいＤＣ電圧７０６となるようにリップル７０２を相殺し得るように、選択されることができる。図７Ａおよび図７Ｂには、リップル７０２と同じ周波数で生成される１つのオフセットリップル７０４または３つのオフセットリップル７０８、７１０、７１２として示されているけれども、オフセットリップルおよび試験波形を注入する電力エレクトロニクスからＤＣバスのほうへ送られるリップル７０２の合計がＤＣバス上にリップルのない所望のＤＣ電圧７０６をもたらす限り、異なる波形、異なる周波数、位相、振幅などを有するより多くまたはより少ないオフセットリップルを生成してＤＣバスのほうへ注入することができる。

【0063】

図８は、試験波形に起因するＤＣバスへのリップルを相殺する実施形態の方法８００を示す。１つの実施形態では、方法８００の操作を、コントローラ６３８などのコントローラによって行うことができる。方法８００の操作は燃料電池スタックセグメントおよびＤＣコンバータに関して論じられるけれども、燃料電池スタックセグメントおよびコンバータは単に例として用いられるに過ぎない。方法８００の種々の操作において他の電気化学装置および／または他の電力エレクトロニクスを用いることができる。

【0064】

ブロック８０２で、コントローラ６３８は、インピーダンス試験のために複数の燃料電池スタックセグメントから１つの燃料電池スタックセグメントを選択することができる。例えば、燃料電池スタックセグメントを、燃料電池スタックセグメントが何時どんな順序で試験され得るかを管理する試験プロトコルに基づいて選択することができる。ブロック８０４で、コントローラ６３８は試験波形を選択することができる。試験波形を、約１Ｈｚの振動などの、ＥＩＳ監視のために必要な振動を生成するように選択することができる。

【0065】

ブロック８０６で、コントローラ６３８は、選択された試験波形に起因して生じるべき結果リップルを決定することができる。前に論じられたように、結果リップルは、試験波形を注入するＤＣコンバータからＤＣバスに出力されるリップルであり得る。ブロック８０８で、コントローラ６３８は、残りの燃料電池スタックセグメントを特定することができる。残りの燃料電池スタックセグメントは、インピーダンス試験のために選択されなかった燃料電池スタックセグメントであり得る。ブロック８０９で、コントローラ６３８は、特定された残りの燃料電池スタックセグメントの一部分を選択することができる。１つの実施形態では、その選択される部分は、全ての特定された残りの燃料電池スタックセグメントであり得る。他の１つの実施形態では、選択される部分は、唯一の特定された残りの燃料電池スタックセグメントなど、全ての特定された残りの燃料電池スタックセグメントよりは少なくてよい。

【0066】

ブロック８１０で、コントローラ６３８は、各々の選択された残りの燃料電池スタックセグメントについて決定されたそれぞれのオフセット波形に起因して生じる各結果リップルの合計が、選択された試験波形に起因して生じるべき決定された結果リップルを相殺するように、各々の選択された残りの燃料電池スタックセグメントについてオフセット波形を決定することができる。１つの実施形態では、各オフセット波形は、結果リップルが、試験波形からのリップルを共同で相殺する１つ、２つ、３つまたはそれ以上の同等のリップルなどの同じリップルであるように、生成され得る。他の１つの実施形態では、各オフセット波形は、結果リップルが、試験波形からのリップルを共同で相殺する２つ、３つ、またはそれ以上の異なるリップルなどの異なるリップルであるように、生成され得る。

【0067】

ブロック８１２で、コントローラ６３８は、試験波形を燃料電池スタックに注入するために、インピーダンス試験のために選択された燃料電池スタックセグメントのＤＣコンバータを制御することができる。例えば、コントローラ６３８は、ＤＣコンバータのコントローラ（例えば、６３０、６３２、６３４、または６３６）に制御信号を送ってコンバータにパルス幅変調を行わせて燃料電池スタックセグメントへの入力接続部に試験波形を生成することができる。ブロック８１４で、コントローラ６３８は、各々の選択された残りの燃料電池スタックセグメントのＤＣコンバータを制御して、各々の選択された残りの燃料電池スタックセグメントのためのオフセット波形を各々の燃料電池スタックセグメントに注入することができる。例えば、コントローラ６３８は、ＤＣコンバータのコントローラ（例えば、６３０、６３２、６３４、および／または６３６）に制御信号を送ってコンバータにパルス幅変調を行わせてそれぞれの燃料電池スタックセグメントへの入力接続部にオフセット波形を生成することができる。ブロック８１２および８１４で行われる方法８００の操作は、試験波形およびオフセット波形が同時に注入されて互いに相殺し合うリップルが種々のＤＣコンバータから出力されて所望のＤＣ電圧がＤＣバス上に生じるように、同時に行われてもよい。ブロック８１６で、コントローラ６３８は、インピーダンス試験のために選択された燃料電池スタックセグメントのＤＣコンバータを制御して、注入された試験波形に対する燃料電池スタックのインピーダンス応答を監視することができる。例えば、コントローラ６３８は、セグメントの電圧および電流応答を監視し、以下で図１０に関してさらに記述される方法１０００に従ってインピーダンスを判定することができる。

【0068】

ブロック８１８で、コントローラ６３８は、インピーダンス試験のために選択された燃料電池スタックセグメントの特性を少なくとも部分的にインピーダンス応答に基づいて判定することができる。前に論じられたように、コントローラは、ＥＩＳ監視を用いて、注入された試験波形から生じる測定されたインピーダンスの実部および虚部をプロットし、そのプロットしたインピーダンスを、既知の特性を有する燃料電池スタックセグメントのインピーダンス応答の既知の特徴と比較することができる。既知の特性を有する燃料電池スタックセグメントのインピーダンス応答の既知の特徴は、コントローラが利用し得るメモリに記憶され得る。既知の特性を有する燃料電池スタックセグメントのインピーダンス応答の記憶されている既知の特徴は、正常な（すなわち、ダメージを受けていない／劣化していない）燃料電池スタックセグメントおよびダメージを受けた／劣化した燃料電池スタックセグメントを種々の形のダメージ（例えば、アノード割れ）および／または劣化（例えば、セグメントが燃料枯渇モードで動作する）で試験することから得られる、正常な燃料電池スタックセグメントおよびダメージを受けた／劣化した燃料電池スタックセグメントの測定されたインピーダンスの実部および虚部のプロットであり得る。その既知の特性は、メモリに記憶されている測定されたインピーダンスの実部および虚部のプロットと関連付けられ得る。測定されたインピーダンスをインピーダンス応答の既知の特徴と突き合わせることにより、燃料電池スタックの現在の特性または状態を、整合するインピーダンス応答の既知の特徴と関連付けられた特性であると判定することができる。任意のブロック８２０で、コントローラ６３８は、判定された特性が故障しきい値を超えていることに基づいて故障モードを指示することができる。例えば、判定された特性が故障しきい値を超えていれば、燃料枯渇状態、触媒ダメージおよび／または活性低下状態、あるいは水充満状態という故障モードを指示することができる。任意のブロック８２２で、コントローラ６３８は、判定された特性に基づいて燃料電池システムのセッティングを調整することができる。例えば、コントローラ６３８は、判定された特性に基づいて、燃料電池システムの燃料流量、風量、燃料電池セグメントから引き出される電流、および／または燃料入口流中への水流または運転停止を調整する（例えば、増やすかあるいは減らす）ことができる。このように、燃料電池システムにおいてＥＩＳ監視などのインピーダンス試験を用い、燃料電池スタックセグメントの現在の特性に基づいて燃料電池システムの動作を調整することができる。

【0069】

図９は、図６に関して前述したシステム６００のブロック図であり、１つの実施形態に従う注入される波形９０２、９０６、９１０、および９１４ならびに結果として生じる相殺リップル９０４、９０８、９１２、および９１６を示す。試験波形９０２が入力接続部６４０に注入されて、ＤＣバス６１８への出力接続部６２０にリップル９０４を生じさせることができる。オフセット波形９０６は入力接続部６４２に注入され、ＤＣバス６１８への出力接続部６２２にオフセットリップル９０８を生じさせることができる。オフセット波形９１０は入力接続部６４４に注入され、ＤＣバス６１８への出力接続部６２４にオフセットリップル９１２を生じさせることができる。オフセット波形９１４は入力接続部６４６に注入され、ＤＣバス６１８への出力接続部６２６にオフセットリップル９１６を生じさせることができる。リップル９０４、９０８、９１２、および９１６の合計は、出力接続部６２０、６２２、６２４、および６２６上にＡＣリップルが生じるにもかかわらずＤＣバス６１８上にリップルのない一様なＤＣ電圧９１８が生じるようなものであり得る。リップル９０４、９０８、９１２、および９１６の合計はリップルのない一様なＤＣ電圧９１８がＤＣバス６１８上に生じるようなものであり得るけれども、オフセット波形９０６、９１０、および９１４ならびに試験波形９０２の合計はゼロに等しくなくてもよい。オフセットリップル９０８、９１２、および９１６は全て同じであってもよいし違っていてもよい。例えば、オフセットリップル９０８はオフセットリップル９１２および９１６より大きなリップルであり得る。さらに、オフセットリップル９０８、９１２、および９１６が同じであっても違っていてもいなくても、オフセット波形９０６、９１０、および９１４は同じでないかもしれない。３つのオフセット波形９０６、９１０、および９１４ならびにそれらがもたらすオフセットリップル９０８、９１２、および９１６が図に示されているけれども、２つだけのオフセット波形および結果としてのオフセットリップル、あるいは１つのオフセット波形および１つの結果としてのオフセットリップルなど、より少数のオフセット波形およびオフセットリップルがリップル９０４をオフセットするために生成されてもよい。

【0070】

１つの代わりの実施形態では、オフセットリップル９０８、９１２、および／または９１６は、電力エレクトロニクス６１２、６１４、および／または６１６ではなくて、出力接続部６２２、６２４、および６２６に接続されてコントローラ６３８により制御される波形発生装置などの他の装置によって生成されてもよい。オフセットリップル９０８、９１２、および／または９１６は、リップル９０４、９０８、９１２、および９１６の合計がＤＣバス６１８上のリップルのない一様なＤＣ電圧９１８であり得るような他の装置により生成されてもよい。さらに、電力エレクトロニクス６１２、６１４、および／または６１６ならびに追加の波形発生装置などの他の装置により生成されるリップルの組み合わせを、リップル９０４を相殺してＤＣバス６１８上にリップルのない一様なＤＣ電圧９１８を生じさせるために使用することができる。

【0071】

図１０は、燃料電池セグメントについてインピーダンス応答を判定する実施形態の方法１０００を示すプロセスフロー図である。１つの実施形態では、方法１０００の操作を、コントローラ６３８などのコントローラによって行うことができる。方法１０００の操作を、燃料電池スタックセグメントおよびＤＣコンバータに関して論じるけれども、燃料電池スタックセグメントおよびコンバータは単に例として用いられるに過ぎない。方法１０００の種々の操作において他の電気化学装置および／または他の電力エレクトロニクスを用いることができる。１つの実施形態では、方法１０００の操作を、図８に関して前述した方法８００の操作と関連して行うことができる。

【0072】

ブロック１００３で、コントローラ６３８は、正弦波発生装置１００５に摂動周波数として出力され得る周波数設定点（ｆ）を選択することができる。正弦波発生装置１００５は波形ＳＩＮ（ωｔ＋φ１）を出力することができ、ここでωは基本周波数（２πｆ）であり、φ１は位相角である。操作１００７で、コントローラ６３８は出力波形に摂動振幅を乗じることができ、操作１００９では、コントローラは、システムセッティング（Ｉ＿Ｓｅｇシステムセッティング）としてセットされたセグメントのための電流を加えて試験波形を生成することができ、試験波形は電力エレクトロニクス６１０に送られて、電力エレクトロニクス６１０に波形をセグメントへと注入させることができる。システムセッティングとしてセットされるセグメントのための電流は、コントローラ６３８または他のコントローラからセグメントのためのターゲット電流セッティングとして提供される電流セッティングとすることができる。電力エレクトロニクス６１０が図１０に示されているが、電力エレクトロニクス６１０の代わりに電力エレクトロニクス６１２、６１４、または６１６のうちのどの１つを用いてもよく、同様の操作を行って電力エレクトロニクス６１２、６１４、および６１６を制御して試験波形を注入することができる。

【0073】

周波数設定点は、正弦公式モジュール１０１１および余弦公式モジュール１０１３にも出力され得る。正弦公式モジュール１０１１は波形ＳＩＮ（ωｔ＋φ２）を出力することができ、ここでωは基本周波数（２πｆ）であり、φ２は位相角であり、余弦公式モジュール１０１３は波形ＣＯＳ（ωｔ＋φ２）を出力することができ、ここでωは基本周波数（２πｆ）であり、φ２は位相角である。操作１００２で、コントローラ６３８は、正弦公式モジュール１０１１からの出力波形にセグメントの電圧（Ｖ＿Ｓｅｇ）を乗じてセグメントの虚数電圧成分（Ｖ＿Ｓｅｇ＿Ｉｍａｇｉｎａｒｙ）を決定することができる。操作１００６で、コントローラ６３８は、正弦公式モジュール１０１１からの出力波形にセグメントの電流（Ｉ＿Ｓｅｇ）を乗じてセグメントの虚数電流成分（Ｉ＿Ｓｅｇ＿Ｉｍａｇｉｎａｒｙ）を決定することができる。操作１００４で、コントローラ６３８は、余弦公式モジュール１０１３からの出力波形にセグメントの電圧（Ｖ＿Ｓｅｇ）を乗じてセグメントの実数電圧成分（Ｖ＿Ｓｅｇ＿Ｒｅａｌ）を決定することができる。操作１００８で、コントローラ６３８は、余弦公式モジュール１０１３からの出力波形にセグメントの電流（Ｉ＿Ｓｅｇ）を乗じてセグメントの実数電流成分（Ｉ＿Ｓｅｇ＿Ｒｅａｌ）を決定することができる。ブロック１０１０および１０１２で、それぞれ、コントローラは、セグメントの電圧の実数および虚数成分ならびにセグメントの電流の実数および虚数成分をセグメントの極形式電圧およびセグメントの極形式電流に変換することができる。ブロック１０１４で、コントローラは、セグメントのインピーダンス「Ｚ」をセグメントの極形式電圧割るセグメントの極形式電流として決定することができる。このように、方法１０００の操作は、完全な高速フーリエ変換を計算することを必要とせずに、基本周波数での不完全な正弦波リップルの解析を可能にするためにフーリエ級数計算を用いることを可能にする。これは、完全な高速フーリエ変換を用いて行われるインピーダンス判定と比べてインピーダンス計算の精度を高めるとともに、インピーダンス応答を判定するのに要する処理時間を短縮することができる。

【0074】

図１１は、他の１つの実施形態に従うシステム１１００のブロック図である。システム１１００は、図６に示されているシステム６００に類似し、いくつかのコンポーネントを共通に含む。両方のシステム６００および１１００に共通のコンポーネントには図６および図１１で同じ数字が付されていて、これ以上は記述しない。

【0075】

システム１１００は、エネルギー蓄積装置１１０２、１１０４、１１０６、および１１０８がそれぞれ電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６に含まれ得ることを除いて、図６に関して前述したシステム６００と同様である。エネルギー蓄積装置１１０２、１１０４、１１０６、および１１０８は、キャパシタ、スーパーキャパシタ、バッテリなどの任意のタイプのエネルギー蓄積装置であり得る。１つの実施形態では、エネルギー蓄積装置１１０２、１１０４、１１０６、および１１０８は、それぞれの電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６の出力上に存在して、リップルエネルギーを蓄積し、リップルエネルギーを位相外れに放電することができる。エネルギー蓄積装置１１０２、１１０４、１１０６、または１１０８による位相外れ放電は、そのエネルギー蓄積装置１１０２、１１０４、１１０６、または１１０８と関連付けられている電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、または６１６の入力接続部への試験波形の注入の結果としてそれぞれの出力接続部６２０、６２２、６２４、または６２６でＤＣバス６１８へ出力されるリップル電流の相殺をもたらすことができる。このように、エネルギー蓄積装置１１０２、１１０４、１１０６、または１１０８は、ＤＣバス６１８へ行くリップル電流を減らすか、あるいはリップル電流を除去することができる。ＥＩＳ試験からもたらされるリップル電流を減らし、かつ／または除去する能力は、エネルギー蓄積装置１１０２、１１０４、１１０６、または１１０８なしで用いられ得るよりも高い周波数の試験波形を用いてＥＩＳ試験を行うことを可能にする。例えば、４００Ｈｚまたはそれ以上の周波数の試験波形を使用して、試験波形を作り、分析するためのそれぞれの電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６の帯域幅を大幅に拡張することができる。エネルギー蓄積装置１１０２、１１０４、１１０６、または１１０８がなければ、試験波形周波数の帯域幅は、実際上、電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６のスイッチング周波数より低い周波数に限定され得る。エネルギー蓄積装置１１０２、１１０４、１１０６、または１１０８があれば、試験波形周波数の帯域幅を、電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６のスイッチング周波数より大きな周波数まで広げることができる。

【0076】

図１１ではそれぞれの電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６の出力上に存在するものとして示されているが、エネルギー蓄積装置１１０２、１１０４、１１０６、および１１０８は、リップルエネルギーを蓄積してリップルエネルギーを位相外れに放電するべくそれぞれの電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６の他の任意の部分に存在することができる。１つの代わりの実施形態では、エネルギー蓄積装置１１０２、１１０４、１１０６、および１１０８は、それぞれの電力エレクトロニクス６１０、６１２、６１４、および６１６の入力上に存在してリップルエネルギーを蓄積してリップルエネルギーを位相外れに放電することができる。他の１つの代わりの実施形態では、エネルギー蓄積装置１１０２、１１０４、１１０６、および１１０８の変圧器に追加の巻線を付け加えることができ、リップルエネルギーを蓄積してリップルエネルギーを位相外れに放電するためにエネルギー蓄積装置１１０２、１１０４、１１０６、および１１０８をこの追加の巻線に接続することができる。

【0077】

前述した方法の説明および図は単に実例として提供されたのであって、種々の実施形態のステップを提示された順に実行しなければならないと要求したり、示唆したりすることは意図されていない。当業者であれば認められ得るように、前述した実施形態のステップの順序は、任意の順序で実行され得る。さらに、「その後」、「それから」、「次に」などの語は、ステップの順序を限定するべく意図されているのではなくて、これらの語は単に読み手を方法の記述を通して案内するために用いられているに過ぎない。

【0078】

１つ以上の図が典型的な実施形態を記述するために用いられている。図の使用は、操作が行われる順序に関して限定をすることを意図していない。典型的な実施形態についての前述した説明は解説および記述を目的として提示されている。開示された正確な形に関して網羅的であることや限定をすることは意図されておらず、前の教示を考慮すれば改変および変形物が可能であったり、あるいは開示された実施形態の実施から取得されたりし得る。本発明の範囲は、本願明細書に添付の特許請求の範囲およびその同等物により定義されることが意図されている。

【0079】

制御エレメントを、プロセッサ、メモリおよび特定の機能を実行する命令でプログラムされている他のコンポーネントを含む計算装置（コンピュータなど）を用いて実装することができたり、あるいは指定された機能を実行するように設計されているプロセッサに実装することができたりする。プロセッサは、本願明細書に記載された種々の実施形態の機能を含む多様な機能を実行するソフトウェア命令（アプリケーション）により構成され得るプログラマブルなマイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、または１つもしくは複数のマルチプロセッサチップであり得る。いくつかの計算装置では、マルチプロセッサが設けられ得る。通例、ソフトウェアアプリケーションは、アクセスされてプロセッサにロードされる前に内部メモリに格納され得る。いくつかの計算装置では、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含み得る。

【0080】

本願明細書で開示された実施形態と関連して記述した種々の実例となる論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、あるいは両者の組み合わせとして実装され得る。ハードウェアおよびソフトウェアのこの互換性を明らかに解説するために、種々の実例となるコンポーネント、ブロック、モジュール、回路およびステップを、前に一般的にそれらの機能に関連して記述している。そのような機能がハードウェアとして実装されるかあるいはソフトウェアとして実装されるかは、具体的アプリケーションとシステム全体に課される設計上の制約条件に依存する。当業者であれば、各々の特定のアプリケーションのために、既述の機能を様々な仕方で実装することができるが、そのような実装決定は本発明の範囲からの逸脱を生じさせるものと解されるべきでない。

【0081】

本願明細書で開示された態様に関連して記述した種々の実例としての論理、論理ブロック、モジュールおよび回路を実装するために使用されるハードウェアは、本願明細書に記載された機能を実行するように設計された汎用プロセッサ、デジタル信号処理装置（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）または他のプログラマブルな論理装置、ディスクリートゲートもしくはトランジスタロジック、離散的ハードウェアコンポーネント、またはそれらの任意の組み合わせで実装されるかあるいは実行され得る。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであり得るが、代わりに、プロセッサは任意の在来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態マシンであり得る。プロセッサは、計算装置の組み合わせ（例えば、ＤＳＰおよびマイクロプロセッサ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと関連する１つ以上のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成）としても実装され得る。代わりに、或るブロックまたは方法は、所与の機能に特有の回路により実行され得る。

【0082】

開示されている実施形態についての前述した説明は、記述された実施形態を当業者が作ったりまたは使用したりすることを可能にするために提供されている。これらの実施形態に対する種々の改変は当業者にとっては容易に明らかになるはずである。本願明細書で定義された包括的原理は、本願明細書での開示の範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。従って、本発明は、本願明細書で示された実施形態に限定されるべく意図されてはおらず、添付の特許請求の範囲ならびに本願明細書で開示された原理および新規な特徴と矛盾しない最も広い範囲を与えられるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】