特許 6755303 配電網擾乱の燃料電池システムライドスルー

(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】6755303

(24)【登録日】2020年8月27日

(45)【発行日】2020年9月16日

(54)【発明の名称】配電網擾乱の燃料電池システムライドスルー

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/38 20060101AFI20200907BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20200907BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20200907BHJP

   H02J 9/06 20060101ALI20200907BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20200907BHJP

   H01M 8/14 20060101ALN20200907BHJP

【ＦＩ】

   H02J3/38 170

   H01M8/04537

   H01M8/04858

   H02J9/06

   H02J3/38 180

   !H01M8/12 101

   !H01M8/14

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2018-512583(P2018-512583)

(86)(22)【出願日】2016年7月27日

(65)【公表番号】特表2018-533340(P2018-533340A)

(43)【公表日】2018年11月8日

(86)【国際出願番号】US2016044283

(87)【国際公開番号】WO2017044196

(87)【国際公開日】20170316

【審査請求日】2018年3月22日

(31)【優先権主張番号】14/849,274

(32)【優先日】2015年9月9日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】502197161

【氏名又は名称】フュエルセル エナジー， インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＦＵＥＬＣＥＬＬ ＥＮＥＲＧＹ， ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100076428

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康徳

(74)【代理人】

【識別番号】100115071

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康弘

(74)【代理人】

【識別番号】100112508

【弁理士】

【氏名又は名称】高柳 司郎

(74)【代理人】

【識別番号】100116894

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 秀二

(74)【代理人】

【識別番号】100130409

【弁理士】

【氏名又は名称】下山 治

(72)【発明者】

【氏名】バーンツェン， ジョージ

(72)【発明者】

【氏名】パスクワレ， ニコラス

【審査官】 永井 啓司

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０２−０５１８６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５２１２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０００９００３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１３５１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１８９１８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ８／００−８／２４９５

Ｈ０２Ｊ３／００−５／００

９／００−１１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流（ＤＣ）信号を発生するようになされた燃料電池アセンブリと、
複数の第１のバス線を介して前記燃料電池アセンブリに結合された複数のインバータと、ここで前記複数の第１のバス線は、第一の正バスラインと、第二の正バスラインと、第一の負バスラインと、第二の負バスラインとを含むものであり、
前記複数のインバータの出力に結合され、前記複数のインバータからＡＣ電力を受け取るようになされた可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）であって、通常動作状態時に、前記ＡＣ電力をＤＣ電力に変換し、可変周波数のＡＣ電力を少なくとも１つの補助構成要素に供給するために当該ＤＣ電力を当該可変周波数のＡＣ電力に逆変換するようになされた可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）と、
低電圧ライドスルー状態時に、前記複数の第１のバス線を介して前記ＤＣ信号を受信し、前記少なくとも１つの補助構成要素に電力供給するために前記ＤＣ信号を前記ＶＦＤに供給するようになされた複数の第２のバス線と、
前記低電圧ライドスルー状態時に前記ＶＦＤに供給される前記ＤＣ信号が、それぞれの電圧に応じて前記第一の正バスラインまたは前記第二の正バスラインから供給されるように、前記複数の第２のバス線に結合された複数のオークショニアリング電力ダイオードと、
を含む、燃料電池システム。

【請求項2】

前記複数のインバータに結合された燃料電池出力変圧器であって、前記ＶＦＤは前記燃料電池出力変圧器の出力に結合されている、当該燃料電池出力変圧器をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記複数の第１のバス線と前記ＶＦＤとの間の前記複数の第２のバス線上の１つまたは複数の接触器と、
前記複数の第２のバス線と前記ＶＦＤとの間の接続部を開閉するために前記１つまたは複数の接触器を制御するようになされたプラントコントローラと、
をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

低電圧ライドスルー状態時に燃料電池システムを動作させる方法であって、前記方法は、
複数の第１のバス線であって、第一の正バスラインと、第二の正バスラインと、第一の負バスラインと、第二の負バスラインとを含む当該複数の第１のバス線を介して燃料電池アセンブリに結合された複数の燃料電池インバータの出力からＡＣ電力を受け取る可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）を介して、通常動作状態時に、少なくとも１つの補助構成要素に電力を供給することと、ここで、前記ＶＦＤが、前記少なくとも１つの補助構成要素に可変周波数のＡＣ電力を供給するために、前記ＡＣ電力をＤＣ電力に変換し、当該ＤＣ電力を当該可変周波数のＡＣ電力に逆変換し、
前記複数の燃料電池インバータの出力が前記少なくとも１つの補助構成要素に電力供給するのに不十分であると判断することと、
前記複数の燃料電池インバータの前記出力が不十分であるとの判断に応答して、
前記ＶＦＤに供給される直流（ＤＣ）信号が、それぞれの電圧に応じて前記第一の正バスラインまたは前記第二の正バスラインから供給されるように、１つまたは複数の第２のバス線および複数のオークショニアリング電力ダイオードのうちの一つ以上を介して前記ＶＦＤへ前記ＤＣ信号を供給することと、
前記燃料電池アセンブリから前記１つまたは複数の第２のバス線と前記複数のオークショニアリング電力ダイオードのうちの一つ以上とを介して、前記ＶＦＤにより、前記ＤＣ信号を受信することと、
前記ＤＣ信号にしたがって、前記ＶＦＤと前記燃料電池アセンブリを前記複数の燃料電池インバータに接続する前記複数の第１のバス線との間の直接接続部を介して、前記少なくとも１つの補助構成要素に電力を供給することと、
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

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的エネルギーを、電気化学反応を介して電気エネルギーに変換するデバイスである。一般に、燃料電池は、帯電イオンを伝導する役割を果たす電解質によって分離されたアノード電極とカソード電極とを含む。溶融炭酸塩燃料電池や固体酸化物燃料電池などの高温燃料電池は、アノード電極に反応性燃料ガスを通し、カソード電極に酸化剤ガス（例えば二酸化炭素および酸素）を通すことによって動作する。必要な電力レベルを生成するために、複数の個別の燃料電池を順次に積層することができる。

【0002】

燃料電池システムおよびパワープラントは、燃料電池スタックと、その燃料電池パワープラントに固有の支援構成要素および／または補助構成要素を含むバランスオブプラント構成要素とを備える。これらのバランスオブプラント構成要素は、燃料電池スタックを総合発電システムに統合し、システムがサイト特有の要件を満たすことができるようにする。燃料電池システムにおいて、バランスオブプラント構成要素は、ポンプ、送風機、センサ、計器類、制御デバイス、ヒータ、熱交換器、酸化器、脱酸素器および脱硫器アセンブリなどを含み得る。燃料電池パワープラントにおけるこれらのバランスオブプラント構成要素は、かなりの寄生負荷を有し、燃料電池の発電を支援するために継続的な電力を必要とする。

【発明の概要】

【0003】

例示の燃料電池システムは、直流（ＤＣ）信号を発生するようになされた燃料電池アセンブリを含む。燃料電池システムは、１つまたは複数の第１のバス線を介して燃料電池アセンブリに結合された１つまたは複数のインバータも含む。燃料電池システムは、１つまたは複数のインバータの出力に結合され、１つまたは複数のインバータからＡＣ電力を受け取るようになされた可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）も含む。ＶＦＤは、通常動作状態時に、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換し、少なくとも１つの補助構成要素にＤＣ電力を供給するようになされる。燃料電池システムは、低電圧ライドスルー状態時にその少なくとも１つの補助構成要素に電力供給するために、１つまたは複数の第１のバス線を介してＤＣ信号を受信し、ＶＦＤにＤＣ信号を供給するようになされた、１つまたは複数の第２のバス線をさらに含む。

【0004】

低電圧ライドスルー状態時に燃料電池システムを動作させる例示の方法は、通常動作状態時に可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）を介して少なくとも１つの補助構成要素に電力を供給することを含む。ＶＦＤは１つまたは複数のバス線を介して燃料電池アセンブリに結合された１つまたは複数の燃料電池インバータの出力から電力を受け取る。この方法は、１つまたは複数の燃料電池インバータの出力が、少なくとも１つの補助構成要素に電力供給するのに不十分であると判断することも含む。この方法は、１つまたは複数の燃料電池インバータの出力が不十分であるとの判断に応答して、ＶＦＤと燃料電池アセンブリを１つまたは複数の燃料電池インバータに接続する１つまたは複数のバス線との間の直接接続部を介して少なくとも１つの補助構成要素に電力を供給することをさらに含む。

【0005】

燃料電池システムの始動を行う例示の方法は、燃料電池アセンブリの始動時に可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）を介して少なくとも１つの補助構成要素に配電網から電力を供給することを含む。この方法は、燃料電池アセンブリが動作温度に達したと判断することも含む。この方法は、燃料電池アセンブリが動作温度に達したとの判断に少なくとも部分的に基づいて、ＶＦＤと、燃料電池アセンブリを１つまたは複数の燃料電池インバータに接続する１つまたは複数のバス線との間の直接接続部を介して、少なくとも１つの補助構成要素に電力を供給することも含む。この方法は、１つまたは複数の燃料電池インバータからの第１の電圧出力が直接接続部の第２の電圧よりも大きいと判断することも含む。この方法は、第１の電圧が第２の電圧よりも大きいとの判断に応答して、ＶＦＤを介して１つまたは複数の燃料電池インバータの出力から少なくとも１つの補助構成要素に電力を供給することをさらに含む。

【0006】

上記は、本開示の概要であり、したがって簡略化と一般化と詳細の省略とを必然的に含む。したがって、当業者は、この概要は例示に過ぎず、決して限定的であることを意図したものではないことがわかるであろう。特許請求の範囲によって定義される本明細書に記載のデバイスおよび／または処理のその他の態様、発明的特徴および利点は、本明細書に記載された詳細な説明を添付図面とともに読むことにより明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】例示の一実施形態による、低電圧ライドスルー状態時にバランスオブプラントアセンブリに電力を供給するようになされた燃料電池システムを示す図である。

【図2】例示の実施形態による、燃料電池システムのための始動動作を示す流れ図である。

【図3】例示の実施形態による、低電圧ライドスルー状態となっている燃料電池システムのための配電動作を示す流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

燃料電池パワープラントなどの分散型発電機は、配電網相互接続規定に従うことが要求される。相互接続規定は、分散型発電機が配電網電圧の著しい持続的低下にいかに対処すべきかを規定している。既存の相互接続規定（例えばＩＥＥＥ−１５４７、ＵＬ−１７４１）は、分散型発電機が、障害状態時に配電網から迅速に切断し、電気システムが安定するまで切断状態を維持することを要求している。分散型発電量の増大により、システムの安定化を容易にするために、配電網障害状態時に分散型発電機を接続したままにしておくことが望ましいと判断されている。例えば、カリフォルニア州は、障害事象時に、分散型発電機が配電網に接続された状態を維持し、最大３０秒間まで低電圧で電流を供給し続けることを要求する、新たな配電網相互接続規定要件を提案している。このような低電圧は、分散型発電機の通常出力電圧の約５０ないし８８％とされ得る。障害事象時に低電圧を供給するこの処理を、低電圧ライドスルー（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｉｄｅ Ｔｈｒｏｕｇｈ：ＬＶＲＴ）と呼ぶ。

【0009】

風力タービンおよびソーラーパネル用にＬＶＲＴ状況に対処するインバータが開発されており、将来は燃料電池インバータ用に適応化される可能性がある。しかし、燃料電池パワープラントは、燃料電池システムによる発電を支援するために継続的な電力を必要とする送風機、ポンプ、ヒータ、およびその他のバランスオブプラント補助構成要素など、かなりの寄生負荷を有する。燃料電池インバータの電圧出力は、ＬＶＲＴ状態時にはこれらの寄生負荷を支援するには低過ぎることが多い。したがって、寄生負荷を低電圧で支援することができないため、燃料電池インバータまたはＬＶＲＴ対応インバータを使用してパワープラント動作を支援することができない。この問題に対処するために、従来のシステムは、ＬＶＲＴ過渡時に寄生負荷に電力を供給するために大型のバッテリ供給無停電電源（ＵＰＳ）装置またはフライホイール発電機を採用することが考えられる。しかし、このような解決策は、費用および必要スペースを増大させると同時に、パワープラントの電気効率を低下させ、望ましくない保守要件を生じさせる。

【0010】

本明細書に記載の実施形態は、少なくともクリティカルなバランスオブプラント補助構成要素が、スペースの犠牲や大幅な費用追加なしに配電網擾乱時に十分な電力を受け取ることができるようにする。図１は、例示の一実施形態による、低電圧ライドスルー状態時にバランスオブプラントアセンブリ１１０に電力を供給するようになされた燃料電池システム１００を示す図である。燃料電池システム１００は、燃料電池アセンブリ１０２と、燃料電池インバータ１０４および１０６と、燃料電池出力変圧器１０８と、バランスオブプラントシステム１１０と、プラントコントローラ１３０とを含む。燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００を配電網１１２に対して接続／切断するスイッチの役割を果たすタイブレーカ１１４を介して配電網１１２に接続されている。他の実施形態では、燃料電池システム１００は、より少ない構成要素、追加の構成要素および／または異なる構成要素を含んでよい。

【0011】

燃料電池アセンブリ１０２は、２列の燃料電池列からなり、それぞれの列が２つの燃料電池スタックを含む。他の実施形態では、これより少ないかまたは追加の燃料電池列を使用してもよい。同様に、他の実施形態では、各燃料電池列がより少ないかまたは追加の燃料電池スタックを有してもよい。例示の一実施形態では、燃料電池アセンブリ１０２の燃料電池は、溶融炭酸塩燃料電池である。他の実施形態では、他の種類の燃料電池を使用してもよい。別の例示の一実施形態では、燃料電池アセンブリ１０２は、全出力での動作時に１４００キロワット（ｋＷ）の有効出力を発生し、補助構成要素のために約５０ｋＷの寄生負荷を有する。しかし、これらは例示の値に過ぎず、本明細書に記載の実施形態は、より小規模または大規模な燃料電池アセンブリおよび／または寄生負荷にも適用可能である。

【0012】

燃料電池アセンブリ１０２の列は、バス線１１６を介して燃料電池インバータ１０４および１０６に接続される。燃料電池アセンブリ１０２によって発生されたＤＣ電流を受け取ると、燃料電池インバータ１０４および１０６はそのＤＣ電流をＡＣ電流に変換し、このＡＣ電流が燃料電池出力変圧器１０８に供給される。燃料電池出力変圧器１０８は、燃料電池インバータ１０４および１０６から受け取ったＡＣ電流を、配電網１１２に対応する所望の値に逓減する。他の実施形態では、燃料電池出力変圧器１０８は、燃料電池インバータ１０４および１０６から受け取った信号を昇圧してもよい。例示の一実施形態では、通常の全出力動作時に、バス線１１６の電圧が６１０ボルト（Ｖ）ＤＣであり、燃料電池変圧器１０８からの出力は４８０ＶＡＣである。他の実施形態では、バス線１１６および／または燃料電池出力変圧器１０８の出力における電圧は異なっていてもよい。

【0013】

バス線１１８が、燃料電池出力変圧器１０８の出力をバランスオブプラントシステム１１０に接続する。また、タイブレーカ１１４が閉位置にある場合に、バス線１１８はバランスオブプラントシステム１１０を配電網１１２に接続する。バス線１１８は、バランスオブプラントシステム１１０を燃料電池出力変圧器１０８の出力および配電網１１２から切断することができるように、タイブレーカ１２０も含む。バス線１１８は、バランスオブプラントシステム１１０の補助構成要素に電力供給するために使用される。例えば、プロセスヒータに電力供給するためにバス線１１８からの第１の分岐１２２が使用され、水処理ユニットに電力供給するためにバス線１１８からの第２の分岐１２４が使用され、ＨＶＡＣシステムに電力供給するためにバス線１１８からの第３の分岐１２６が使用される。プロセスヒータは、燃料電池スタックに供給される燃料および／または酸化剤ガスを予熱するために使用することができる。水処理ユニットは、燃料の加湿および／または燃料電池アセンブリ１０２から回収された水を洗浄するための水を蒸発させるために使用することができる。ＨＶＡＣは、燃料電池システム１００を換気し、熱制御を行うために使用することができる。

【0014】

バス線１１８からの第４の分岐１２８が、送水ポンプ１３８の可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）１３６に送られ、バス線１１８からの第５の分岐１２９が送風機１４２のＶＦＤ１４０に送られる。ＶＦＤは、実装形態に応じて商用オフザシェルフ構成要素または特注構成要素とすることができ、これについては以下で詳述する。第１の分岐１２２、第２の分岐１２４、第３の分岐１２６、第４の分岐１２８および第５の分岐１２９はそれぞれ、分岐をバス線１１８から選択的に切断することができるように、タイブレーカを含む。他の実施形態では、バス線１１８からの分岐の数は、電力供給される必要があるバランスオブプラント補助構成要素の数に応じてより少なくてもよく、または追加の分岐が含まれてもよい。

【0015】

バス線１１８には変圧器１３２も接続される。変圧器１３２は、必要電圧がより低い補助構成要素に電力供給することができるように、バス線１１８の電圧を逓減するために使用される。例示の一実施形態では、バス線１１８の電圧は４８０ＶＡＣであり、変圧器１３２はこの電圧を１２０ＶＡＣに変圧する。あるいは、変圧器１３２は、２０８Ｖなどの異なる電圧を発生することができる。１２０ＶのＡＣ信号は、バランスオブプラントシステム１１０の１つまたは複数の非クリティカル補助構成要素に供給される。非クリティカル補助構成要素は、燃料電池システム１００の動作にとってクリティカルではない任意の構成要素を含み得る。変圧器１３２の出力は、無停電電源（ＵＰＳ）１３４にも供給され、ＵＰＳ１３４は燃料電池システム１００の計器類およびコントロール類に接続される。ＵＰＳ１３４は、一実施形態では３キロボルトアンペア（ｋＶＡ）１２０ＶＡＣ電源とすることができる。あるいは、計器類およびコントロール類の負荷要件に応じてより小規模または大規模なＵＰＳを使用してもよい。図１に示すように、非クリティカル構成要素のそれぞれと計器およびコントロール構成要素のそれぞれとに、適切なタイブレーカまたはバスカップラを使用してもよい。

【0016】

例示の一実施形態では、変圧器１３２からの出力がＵＰＳ１３４を充電し、次にＵＰＳ１３４が計器類およびコントロール類に電力を供給する。その結果、計器類およびコントロール類はバス線１１８の電圧が低下またはなくなっても一定期間電力を受け取ることができる。計器類およびコントロール類は、燃料電池システム１００の異なる構成要素の動作状態および温度を検出するためのセンサを含み得る。計器類およびコントロール類は、センサから受信したデータを格納および／または処理するために使用可能なプロセッサ、メモリ、ユーザインターフェースなどのコンピュータハードウェアも含み得る。計器類およびコントロール類は、燃料電池アセンブリ１０２、バランスオブプラント補助構成要素などの動作および機能を制御するためのプログラミング（コンピュータ可読命令の形態でメモリに格納されてもよい）も含み得る。計器類およびコントロール類は、タイブレーカ１１４および図１の他のタイブレーカのいずれかの開閉も制御することができる。計器類およびコントロール類は、システムの温度、流量、モードなどを監視し、制御するようになされたプラントコントローラ１３０も含み得る。

【0017】

例示の一実施形態では、送水ポンプ１３８のＶＦＤ１３６と送風機１４２のＶＦＤ１４０とはそれぞれ、送水ポンプ１３８および送風機１４２にそれぞれ電力供給するために、バス線１１８からの第４の分岐１２８および第５の分岐１２９からの入力をＡＣ信号からＤＣ信号に変換するために使用される内部整流器を含み得る。送水ポンプ１３８は、燃料電池に水蒸気改質反応を与えるために、燃料電池システム１００に水を供給するために使用することができる。送風機１４２は、燃料電池スタックに空気または酸化剤ガスを供給するためと、燃料電池システム１００の冷却を助けるために使用することができる。送風機１４２のＶＦＤ１４０は、パワープラントの状態に基づいて、送風機速度を変化させるためと、異なる空気流量を可能にするために使用される。一実施形態では、送風機１４２に電力供給するために商用オフザシェルフ（Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ−Ｏｆｆ−Ｔｈｅ−Ｓｈｅｌｆ（ＣＯＴＳ））ＶＦＤを使用してもよい。しかし、他の実施形態では、ＶＦＤは送風機１４２の特定の構成または燃料電池システム１００の特定の構成用にカスタマイズされてもよい。送水ポンプ１３８のＶＦＤ１３６は、送水ポンプ１３８の速度および／または圧力を変化させるために使用することができ、ＣＯＴＳ構成要素とすることもできる。商用ＶＦＤ技術は、４８０ＶＡＣの６０ヘルツ（Ｈｚ）入力電力を、７００ＶＤＣで動作させるＤＣリンク用に整流する。このＤＣ電力は次に逆変換され、可変周波数４８０Ｖ三相電力をモータに出力する。市販のＶＦＤデバイスは、ＶＦＤ ＤＣリンクに対する直接ＤＣ電力が供給される装備も有する。

【0018】

送水ポンプ１３８および送風機１４２は４８０Ｖの三相負荷とすることができるが、本明細書に記載の実施形態では他の大きさの負荷を扱うことも可能である。一実施形態では、送水ポンプ１３８は、２馬力モータを含むことができ、送風機１４２は１５０馬力モータを含むことができる。あるいは、異なる規模の送水ポンプおよび／または送風機を使用することもできる。多くのシステムでは、送風機１４２を動作させるのに必要な電力は、バランスオブプラント補助構成要素が必要とする総電力の約８０％を占める。さらに、送風機１４２および送水ポンプ１３８は、多くのシステムでは、これらがなければ約３０秒間の低電圧ライドスルー（ＬＶＲＴ）状態時であっても燃料電池システムが動作することができない重要な構成要素である。そのため、ＬＶＲＴ状態時に送風機１４２および送水ポンプ１３８が動作可能であることが重要である。

【0019】

通常動作時、送水ポンプ１３８と送風機１４２とは、バス線１１８から電力供給される。燃料電池システム１００の初期始動時、送水ポンプ１３８および送風機１４２用の電力は配電網１１２を供給源とすることができる。燃料電池システムの全出力動作時、送水ポンプ１３８および送風機１４２用の電力は、燃料電池出力変圧器１０８の出力から供給されることができる（すなわち、燃料電池アセンブリ１０２を供給源とする）。しかし、配電網１１２に電圧低下があって、燃料電池アセンブリ１００が低電圧で動作可能状態を維持する必要があるＬＶＲＴ状態時に、燃料電池アセンブリの出力は、バランスオブプラント補助構成要素のすべてに電力供給するバス線１１８に電力を供給するには十分ではない。

【0020】

ＬＶＲＴ状態時に、送水ポンプ１３８および送風機１４２が動作可能状態を維持することができるようにするために、図１の燃料電池システム１００は、燃料電池アセンブリの出力を、送水ポンプ１３８と送風機１４２の両方に電力供給するバスにバス線１１６から直接結合するバス線１４４を含む。燃料電池アセンブリ１０２からのＤＣ電圧の範囲がＶＦＤ１３６およびＶＦＤ１４０のＤＣリンクに対応しているため、燃料電池アセンブリ１０２は、通常のＡＣ電圧が送風機１４２および送水ポンプ１３８に利用可能でない場合に送風機１４２および送水ポンプ１３８に電力を直接供給することができる。例示の一実施形態では、バス線１４４は公称６５０Ｖのバスを形成するが、他の実施形態では異なる値を使用してもよい。図１の燃料電池システム１００は、バス線１４４に結合されたオークショニアリング電力ダイオード１４６も含む。以下で詳述するように、オークショニアリング電力ダイオードは、システムが燃料電池システム１００と配電網１１２との両方の動作状態に基づいて送水ポンプ１３８および送風機１４２の入力源を自動的に制御することができるようにする。具体的には、オークショニアリング電力ダイオードは、ＶＦＤ１３６およびＶＦＤ１４０に電力供給するために、バス線１４４または（バス線１１８の）第４の分岐１２８および第５の分岐１２９のいずれかから最高ＤＣ電圧を選択する。また、オークショニアリングダイオードは、ＶＦＤの内部リンクからのＤＣ電流がＤＣバス線１４４のＤＣ電流よりも高い場合に、ＶＦＤの内部リンクからのＤＣ電流を防ぐ。例示の一実施形態では、短絡保護のためにオークショニアリング電力ダイオード内またはオークショニアリング電力ダイオードに隣接してフューズを備える。別の例示の一実施形態では、バス線１４４は、プラント運転停止時またはプラント昇温時など、燃料電池アセンブリ１０２が電流を供給することができない場合に、燃料電池アセンブリ１０２を負荷（すなわちＶＦＤ１３６およびＶＦＤ１４０）から分離する手段を提供する、ＤＣ接触器も含む。例示の一実施形態では、ＤＣ接触器１４５はプラントコントローラ１３０によって制御される。したがって、バス線１４４は、バス線１１８のＡＣ電力が不十分なときに、ＶＦＤ１３６およびＶＦＤ１４０に代替電源を提供する。他の実施形態では、より少数の、追加の、および／または異なる補助バランスオブプラント構成要素に電力供給するためにバス線１４４を使用することができる。

【0021】

図２は、例示の一実施形態による燃料電池システムのための始動動作を示す流れ図である。他の実施形態では、より少数の、追加の、および／または異なる動作を行ってもよい。また、流れ図の使用は、実行される動作の順序に関して限定的であることを意図したものではない。動作２００において、燃料電池システムの始動時に、通常のＡＣ配電網電力がクリティカル補助バランスオブプラント構成要素に供給される。ＶＦＤはこのＡＣ入力電力を約６５０ＶＤＣに変換するが、他の実施形態では他の値を使用してもよい。燃料電池システムは、図１を参照しながら説明した燃料電池システム１００とすることができる。クリティカル構成要素は、送水ポンプ１３８、送風機１４２および／または、燃料電池アセンブリ１０２の始動にとって重要または必要とみなされる他の任意の構成要素とすることができる。始動時に燃料電池アセンブリ１０２が動作温度に達しておらず、発電することができない場合、バス線１１８が配電網１１２と連通するようにタイブレーカ１１４を閉位置にすることができる。したがって、始動時に、クリティカル補助構成要素に供給される電力は配電網１１２を供給源とすることができる。他の実施形態では、始動時にバス線１１８に電力供給するために、配電網１１２の代わりに、バッテリ、ＵＰＳ、発電設備などの別の電源を使用してもよい。

【0022】

動作２０５において、燃料電池アセンブリが動作温度に達したか否かが判断される。動作温度は、所定の値または使用されている燃料電池の種類および燃料電池プラントの仕様に固有の値の範囲とすることができる。一例に過ぎないが、この判断は、温度センサを備えるかまたは温度センサと通信することができる、図１のプラントコントローラ１３０を使用して行うことができる。動作２０５において燃料電池アセンブリが動作温度に達していないと判断された場合、動作２００でシステムは配電網を介してクリティカル構成要素に電力を供給し続ける。動作２０５において、燃料電池アセンブリが動作温度に達していると判断された場合、動作２１０において、燃料電池アセンブリの出力とクリティカル構成要素との間の直接接続部を使用可能にするＤＣ接触器が閉じられる。ＤＣ接触器は、プラントコントローラ１３０によって閉じることができる。他の実施形態では、ＤＣ接触器の代わりに他の任意の種類の切り替え機構を使用してもよい。例示の一実施形態では、直接接続部は、燃料電池アセンブリ１０２の出力を送水ポンプ１３８のＶＦＤ１３６の入力と送風機１４２のＶＦＤ１４０の入力とに接続する図１のバス線１４４が相当する。

【0023】

動作２１５において、直接接続部から利用可能な電圧がＶＦＤの内部整流器の電圧より大きいか否かが判断される。例示の一実施形態では、始動時に燃料電池アセンブリが最初に所望の動作温度に達するとき、燃料電池アセンブリはまだ配電網に電力を供給しておらず、したがって無負荷状態である。所望の始動温度に達したときに無負荷状態である結果として、燃料電池アセンブリから出力される電圧（すなわち、バス線１１６の電圧、したがって図１のバス線１４４の電圧）は約８００ＶＤＣとなり、これは燃料電池アセンブリが負荷状態であるときのそれらのバス線の電圧よりも高い。したがって、直接接続部の（すなわちバス線１４４の）約８００ＶＤＣの信号は、公称４８０ＶＡＣ入力ＡＣ電力で約６５０ＶＤＣであるＶＦＤの内部整流器の出力よりも大きい。このような状況において、動作２１５の判断は肯定となり、動作２２５で直接接続部を介してクリティカル構成要素に電力が供給される。

【0024】

燃料電池アセンブリが動作温度に達し、発電のために燃料電池インバータがＤＣ電流を引き出し始めると、燃料電池スタック対の電圧が負荷に比例して低下し、それによって通常の全出力動作においてバス線１１６およびバス線１１４の電圧が約６１０ＶＤＣとなる。したがって、直接接続部の約６１０ＶＤＣの信号は、ＶＦＤの内部整流器の約６５０ＶＤＣの出力よりも小さくなる。このような状況において、動作２１５の判断は否定となり、動作２２０においてＡＣ配電網から（または燃料電池インバータの出力から）ＶＦＤへの入力電力を介してクリティカル構成要素に電力が供給される。

【0025】

例示の一実施形態では、動作２１５の判断は図１のオークショニアリング電力ダイオード１４６などのオークショニアリング電力ダイオードによって自動的に行うことができる。別の例示の一実施形態では、この判断はプラントコントローラ１３０または、電圧を監視する別のコンピューティングシステムおよび／または当業者に知られている他の任意の電圧比較方法によって行ってもよい。

【0026】

図３は、例示の一実施形態による、低電圧ライドスルー状態となっている燃料電池システムのための配電動作を示す流れ図である。他の実施形態では、より小数の、追加の、および／または異なる動作が行われてもよい。また、流れ図の使用は実行される動作の順序に関して限定的であることを意図したものではない。動作３００において、燃料電池システムの通常の全出力動作時に燃料電池インバータのＡＣ出力を介してクリティカル補助バランスオブプラント構成要素に電力が供給される。例示の一実施形態では、燃料電池システムは燃料電池システム１００とすることができ、クリティカル構成要素は図１の送水ポンプ１３８および送風機１４２とすることができる。他の実施形態では、異なる構成要素がシステムにとってクリティカルであるとみなされてもよい。

【0027】

動作３０５において、ＡＣ入力電力からＶＦＤの内部整流器によって導出されたＤＣ電圧が、システムのクリティカル構成要素に電力供給するのに十分であるか否かが判断される。燃料電池システムがＬＶＲＴ状態になっている場合、少なくとも部分的に、課された低電圧動作要件のために燃料電池インバータ（例えば図１の燃料電池インバータ１０４および１０６）の出力が低下する。このようなＬＶＲＴ状況において、燃料電池インバータの出力はＶＦＤに十分なＡＣ電力を供給するには低すぎる。一実施形態では、この判断は図１を参照しながら説明したオークショニアリング電力ダイオードによって行うことができ、ＶＦＤの内部整流器の電圧が十分ではないとの判断は、オークショニアリング電力ダイオードがバス線１４４の電圧がバス線１１８の第４の分岐１２８および第５の分岐１２９の電圧よりも大きいと判断することに基づくことができる。別の例示の一実施形態では、この判断は、プラントコントローラ１３０、コンピューティングシステム、または当業者に知られている他の任意の電圧監視装置によって行うことができる。動作３０５においてＶＦＤの内部整流器の電圧が十分であると判断された場合、動作３００においてシステムはクリティカル構成要素に電力を供給し続けることができる。動作３０５においてＶＦＤの内部整流器の電圧が十分ではないと判断された場合、動作３１０においてシステムは直接接続部を介してクリティカル構成要素に電力を供給する。直接接続部は図１を参照しながら例示したバス線１４４とすることができる。

【0028】

動作３１５において、直接接続部のＤＣ電圧がＡＣ入力電圧から導出されるＶＦＤの内部整流器の電圧よりも大きいか否かが判断される。上述のように、ＬＶＲＴ状態時は、ＶＦＤにとって利用可能なＡＣ入力電圧が低下し、クリティカル構成要素に電力を供給するのに不十分となる。しかし、配電網が復旧し、ＬＶＲＴ動作状態が終了すると、燃料電池アセンブリの出力が再び上昇し、その結果、ＶＦＤによってＡＣ入力電力から導出されるＤＣ電圧が直接接続部の電圧を再び超える。したがって、ＶＦＤの内部整流器の電圧が直接接続部の電圧より大きい値まで上昇し、動作３１５が否定になると、動作３００においてＶＦＤへの燃料電池インバータのＡＣ出力によってクリティカル構成要素に電力が再び供給される。このような状況は、ＬＶＲＴ状態の終了を示す。ＤＣ整流器の電圧が低いままであって、動作３１５における判断が肯定の場合、動作３１０においてシステムは直接接続部を介してクリティカル構成要素に電力を供給し続ける。図３には図示されていないが、ＬＶＲＴ状態時、計器類およびコントロール類には、図１を参照しながら説明したようにＵＰＳ１３４から蓄電された電力が供給される。したがって、燃料電池システムの動作にとって必要または重要なコンピューティング構成要素、コントロール類、センサなどは、ＬＶＲＴ状態時に動作可能状態を維持することができる。

【0029】

本明細書に記載の実施形態により、バランスオブプラントシステムのクリティカル補助構成要素は、配電網の低電圧状態時に電力供給されることができ、それによって燃料電池パワープラントは配電網電圧が通常に復旧するまで動作し続けることができる。また、これによって燃料電池システムは、配電網の復旧および安定化を支援するように配電網に出力電流を供給し続けることができる。低電圧状態時に電力が失われることによって非クリティカル寄生負荷が動作不能状態であっても、燃料電池パワープラントは、配電網が復旧するのに十分な期間および新たな相互接続規定によって規定された十分な期間動作し続けることができる。別の一実施形態では、パワープラントの残りの寄生負荷の動作のための電力を供給するために、バス線１４４から電力が供給される比較的小型のＣＯＴＳインバータを含むように図１の燃料電池システム１００を変更することができる。この残りの非クリティカル寄生負荷は、燃料電池システムの総寄生負荷の約２０％を占める。この変更構成では、燃料電池システムは配電網または燃料電池インバータからの電力なしに無制限に動作可能となる。

【0030】

いかなる場合でも、上述の各構成は、記載されている主題の適用を表す多くの可能な具体的実施形態の例示に過ぎないものと理解される。本発明の思想および範囲から逸脱することなく、本主題の原理に従って他の多くの変更構成を容易に考案することができる。また、本明細書に記載の動作のいずれも、コンピュータメモリなどの非一時的コンピュータ可読媒体に記憶されたコンピュータ可読命令として実装可能であることに留意されたい。

【0031】

また、代表的実施形態において示されているようなシステムおよび方法の要素の構造および構成は、例示に過ぎないものと理解すべきである。本開示のいくつかの実施形態のみを詳細に説明したが、本開示を精査する当業者は、開示されている主題の新規な教示および利点から実質的に逸脱することなく、多くの変更（例えば、様々な要素の大きさ、寸法、構造、形状および特性の変動、パラメータの値、取り付け構成、材料の使用、色、向きなど）が可能であることが容易にわかるであろう。

【0032】

さらに、上述の機能および手順は、それらの特定の機能および手順を実行するように設計された専用装置によって実行されてもよい。機能は、それらの機能および手順に係る命令を実行する汎用装置によって実行されてもよく、または各機能および手順が、制御の役割を果たす１つの装置または別個の制御装置を備える異なる装置によって実行されてもよい。

【図1】

【図2】

【図3】