(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の直流（ＤＣ）電源のうちの第１直流（ＤＣ）電源が少なくとも１つの燃料電池セグメントを含む電力モジュールを含む、複数の直流（ＤＣ）電源、
複数の入出力モジュールインバータ、および
複数の無停電電力モジュールインバータ
を具備し、
前記複数の直流（ＤＣ）電源のそれぞれは、前記複数の入出力モジュールインバータのうちの少なくとも１つおよび前記複数の無停電電力モジュールインバータのうちの少なくとも１つと並列に電気的に接続され、
前記複数の入出力モジュールインバータは電力網を通じて負荷に電気的に接続され、
前記複数の無停電電力モジュールインバータは電力網を使用せずに前記負荷と電気的に接続され、並びに
前記複数の入出力モジュールインバータおよび前記複数の無停電電力モジュールインバータのそれぞれ１つは前記負荷の顧客負荷状況に応じて出力を低減するように構成されている、
燃料電池システム。
【請求項２】
制御ロジックユニットをさらに具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記電力網および前記複数の無停電電力モジュールインバータが前記制御ロジックユニットを通じて負荷に接続され、かつ前記制御ロジックユニットが前記電力網を通じて電力を前記負荷に供給するか前記複数の無停電電力モジュールインバータを通じて電力を前記負荷に供給するかを選択する請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記電力モジュールが第１ハウジングを含み、前記複数の入出力モジュールインバータのうちの少なくとも１つを含む入出力モジュールが前記第１ハウジングとは別体の第２ハウジングを含み、前記複数の無停電電力モジュールインバータのうちの少なくとも１つを含む無停電電力モジュールが前記第１ハウジングおよび前記第２ハウジングとは別体の第３ハウジングを含む、
請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１０年１１月１５日出願の米国仮出願６１／４１３，６２９号の利益を主張する。そして、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
電力システムは、例えば、ビルディング、電化製品、照明、工具、空調機器、電熱機器、工場設備および機械、電力貯蔵設備、コンピュータ、セキュリティシステム、等のような負荷へ電力を提供するために使用される。負荷に供給される電力は、電力網から受け取られることが多い。しかしながら、前記負荷への電力は、例えば、燃料電池、太陽電池アレイ、風力タービン、熱電デバイス、バッテリ、等のような代替電源を通じて提供されることもある。前記代替電源は、電力網と連結して使用され、複数の代替電源が１つの電力システムに結合している。代替電源は、通常、前記電源の直流出力を交流（ＡＣ）に変換した後に結合される。結果的に、代替電源の同期が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国出願第１２／１４８，４８８号（２００８年５月２日出願、「無停電燃料電池システム」）
【特許文献２】米国出願第１２／４５８，３５５号（２００９年７月８日出願）
【特許文献３】米国特許第７，７０５，４９０号
【特許文献４】米国特許第７，７１３，６４９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
さらに、多くの代替電源は、補助電力を消費するポンプおよびブロワのような機械を使用する。これらポンプおよびブロワ用のモータは、速度制御を必要とする三相交流モータである。代替電源が直流（ＤＣ）を発生する場合、直流は、モータに供給されるより前にいくつかの状態の電力変換を受ける。あるいは、ポンプ用、ブロワ用などのモータへの電
力は、電力網、インバータおよび可変周波数駆動を用いて供給される。このような構成において、インバータの電力変換の２つの段階は、電力変換の２つの付加的な段階とともに、交流駆動の可変周波数駆動コンポーネントの駆動を要する。一般的に、実行される各電力変換段階は、システムのコストを増大させ、システムの複雑性を増し、およびシステム効率を低下させる。
【０００５】
グリッド照合する場合もしない場合も、グリッド照合せずにお互いに並列である場合も、燃料電池発電機のような個別の分散型発電機を運転するには、電流源から電圧源への切り替えに適応する必要があるので、問題が多い。加えて、多くの自立型発電機の並列制御も、問題が多い。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記モード切り替えの問題に対処するために、二重のインバータ配置が利用される。このことによって、ある１つのインバータをグリッドタイにおいて使用し、第２のインバータを独立型の負荷に使用することができる。固体酸化物形燃料電池システムの入出力モジュールに内的に配置される負荷専用インバータを備えた例示的な二重のインバータ配置は、前記特許文献１に記載され、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００７】
別のアプローチは、５〜１０サイクルごとにモードを切り替えて電力を低下させることである。単一インバータが使用される場合、グリッドタイの電力を低下させ、および電圧モード制御を確立するのに５〜１０サイクルの時間が必要とされる。
【０００８】
また別のアプローチは、グリッドタイの転送または負荷のスタンドアロン出力制御における電力共有量を制御する周波数ドループを用いることである。
【０００９】
実施形態は、一般的に、無停電電力モジュール（ＵＰＭ）が負荷専用インバータを含んでいるアーキテクチャおよび方法である。ＵＰＭは、好ましくは、ＳＯＦＣシステム電力および入出力モジュール近傍において外部的に配置され、他のＳＯＦＣシステムのＵＰＭモジュールに隣接して配置される。その結果、これらは独立した負荷を有し、お互い容易に並列制御される。
【００１０】
第１実施形態では、燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池セグメントを含む電力モジュール、少なくとも１つの第１インバータを含む入出力モジュール、および少なくとも１つの第２インバータを含む無停電電力モジュールを具備する。前記電力モジュールは第１ハウジングを具備し、前記入出力モジュールは前記第１ハウジングとは別体の第２ハウジングを具備し、前記無停電電力モジュールは前記第１ハウジングおよび第２ハウジングとは別体の第３ハウジングを具備する。
【００１１】
第２実施形態では、少なくとも１つの燃料電池セグメントは、少なくとも１つの第１インバータおよび少なくとも１つの第２インバータと電気的に並列に接続され、少なくとも１つの第１インバータは、電力網を通じて負荷に電気的に接続され、少なくとも１つの第２インバータは、前記電力網を使用することなく負荷に電気的に接続される。
【００１２】
第３実施形態では、ＳＯＦＣ電力モジュールの出力は、直流出力点において並列であり、直流バスが形成される。この直流バスは、任意の数のＳＯＦＣシステムを一緒に接続する直流マイクログリッドを形成する。ＵＰＭは、それ自身がＳＯＦＣシステムの多重出力を出力できる大規模なアセンブリである。
【００１３】
第４実施形態では、燃料電池システムは、電気自動車（ＥＶ）バッテリを充電するＥＶ充電モジュール（ＥＣＭ）を使用して運転される。
【００１４】
他の実施形態もまた述べられる。
[本発明1001]
少なくとも1つの燃料電池セグメントを含む電力モジュール、
少なくとも1つの第1インバータを含む入出力モジュール、および
少なくとも1つの第2インバータを含む無停電電力モジュールを具備し、
少なくとも1つの前記燃料電池セグメントは少なくとも1つの前記第1インバータおよび少なくとも1つの前記第2インバータと並列に電気的に接続され、
少なくとも1つの前記第1インバータは電力網を通じて負荷に接続され、並びに
少なくとも1つの前記第2インバータは電力網を使用せずに前記負荷と接続される
燃料電池システム。
[本発明1002]
制御ロジックユニットをさらに具備する本発明1001のシステム。
[本発明1003]
前記電力網および少なくとも1つの前記第2インバータが前記制御ロジックユニットを通じて負荷に接続され、前記制御ロジックユニットが前記電力網を通じて電力を前記負荷に供給するか、少なくとも1つの前記第2インバータを通じて電力を前記負荷に供給するかを選択する本発明1002のシステム。
[本発明1004]
前記電力モジュールが第1ハウジングを含み、前記入出力モジュールが前記第1ハウジングとは別体の第2ハウジングを含み、前記無停電電力モジュールが前記第1ハウジングおよび前記第2ハウジングとは別体の第3ハウジングを含む本発明1001のシステム。
[本発明1005]
前記第3ハウジングが前記負荷に隣接して配置され、且つ前記第1ハウジングおよび前記第2ハウジングが前記第3ハウジングよりも前記負荷から遠方に配置されている本発明1004のシステム。
[本発明1006]
少なくとも1つの燃料電池セグメントを含む電力モジュール、
少なくとも1つの第1インバータを含む入出力モジュール、および
少なくとも1つの第2インバータを含む無停電電力モジュールを具備し、
前記電力モジュールは第1ハウジングを含み、
前記入出力モジュールは前記第1ハウジングとは別体の第2ハウジングを含み、
前記無停電電力モジュールは前記第1ハウジングおよび前記第2ハウジングとは別体の第3ハウジングを含む、
燃料電池システム。
[本発明1007]
前記第3ハウジングが前記負荷に隣接して配置され、且つ前記第1ハウジングおよび前記第2ハウジングが前記第3ハウジングよりも前記負荷から遠方に配置されている本発明1006のシステム。
[本発明1008]
コントローラによって負荷に電力を供給する電力供給方法において、
前記コントローラは、
直流（ＤＣ）バスに接続された直流電力ユニットの状態を決定し、
前記直流電力ユニットの状態に基づいて負荷に電力を供給する電源として、交流（ＡＣ）電力網と前記直流電力ユニットとのいずれかを選択し、
前記直流電力ユニットの状態が前記負荷に電力を供給できない状態であるときには前記交流電力網に前記負荷を接続し、
前記直流電力ユニットの状態が前記負荷に電力を供給できる状態であるときには遠方に配置されたＤＣ／ＡＣインバータを通じて前記負荷に前記直流電力ユニットを接続する、
電力供給方法。
[本発明1009]
コントローラによって電気自動車を充電する充電方法において、
前記コントローラは、
直流バスへの電気自動車（ＥＶ）バッテリの接続および前記直流バスに接続された直流（ＤＣ）電力ユニットの状態を検出し、
前記直流電力ユニットの状態に基づいて前記ＥＶバッテリを充電する電源として、交流（ＡＣ）電力網と前記直流電力ユニットとのいずれかを選択し、
前記直流電力ユニットの状態が前記ＥＶバッテリに電力を供給できない状態であるときには前記ＥＶバッテリに電力を供給するようにＡＣ／ＤＣコンバータを通じて前記直流バスに前記交流電力網を接続し、
前記直流電力ユニットの状態が前記ＥＶバッテリに電力を供給できる状態であるときに前記直流バスに前記直流電力ユニットを接続する、
電気自動車の充電方法。
[本発明1010]
少なくとも1つの燃料電池セグメントを含む電力モジュール、
少なくとも1つのインバータを含む入出力モジュール、および
少なくとも1つのＤＣ／ＤＣコンバータを含む電気自動車充電モジュール（ＥＣＭ）を
具備し、
少なくとも1つの前記燃料電池セグメントは少なくとも1つの前記インバータおよび少なくとも1つの前記ＤＣ／ＤＣコンバータと並列に電気的に接続され、
少なくとも1つの前記インバータは負荷または電力網に電気的に接続され、
少なくとも1つの前記ＤＣ／ＤＣコンバータは前記電力網を使用することなく電気自動車バッテリに電気的に接続されるようになっている、
燃料電池システム。
[本発明1011]
少なくとも1つの燃料電池セグメントを含む電力モジュール、
電気自動車用の交換バッテリバンク、および
少なくとも1つのＤＣ／ＤＣコンバータを含む電気自動車充電モジュール（ＥＣＭ）を具備し、
前記ＥＣＭと前記交換バッテリバンクとが前記電力モジュールの直流バス出力に並列に接続されている、
燃料電池システム。
[本発明1012]
負荷に電力を供給する電力供給方法において、
電気自動車充電モジュール（ＥＣＭ）の電気自動車バッテリから直流電力を受け取る直流電力受取りステップと、
前記受け取った直流電力を少なくとも1つのインバータに提供するステップと、
前記受け取った直流電力を交流電力に変換するステップと、
前記交流電力を負荷に供給するステップと、
を具備する電力供給方法。
[本発明1013]
少なくとも1つの燃料電池電力モジュールから前記ＥＣＭに直流電力を供給するステップと、
前記直流電力受取りステップ前に前記ＥＣＭから前記電気自動車バッテリに前記直流電力を供給するステップと、
をさらに具備する本発明1012の電力供給方法。
[本発明1014]
前記直流電力受取りステップ前に前記電気自動車バッテリが前記ＥＣＭ以外の場所で充電される本発明1012の電力供給方法。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】図１Ａは、一実施形態に係るシステムを示すブロック図である。
【００１６】
【図１Ｂ】図１Ｂは、種々の運転モードにおける図１Ａのシステムの１つを示す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、種々の運転モードにおける図１Ａのシステムの１つを示す。
【図１Ｄ】図１Ｄは、種々の運転モードにおける図１Ａのシステムの１つを示す。
【図１Ｅ】図１Ｅは、種々の運転モードにおける図１Ａのシステムの１つを示す。
【図１Ｆ】図１Ｆは、種々の運転モードにおける図１Ａのシステムの１つを示す。
【図１Ｇ】図１Ｇは、種々の運転モードにおける図１Ａのシステムの１つを示す。
【図１Ｈ】図１Ｈは、種々の運転モードにおける図１Ａのシステムの１つを示す。
【図１Ｉ】図１Ｉは、種々の運転モードにおける図１Ａのシステムの１つを示す。
【図１Ｊ】図１Ｊは、種々の運転モードにおける図１Ａのシステムの１つを示す。
【図１Ｋ】図１Ｋは、種々の運転モードにおける図１Ａのシステムの１つを示す。
【００１７】
【図２】図２は、一実施形態に係る直流マイクログリッドを示すブロック図である。
【図３】図３は、一実施形態に係る直流マイクログリッドを示すブロック図である。
【００１８】
【図４】図４は、一実施形態に係る「双方向」運転用に構成されているインバータを具備するＩＯＭを示すブロック図である。
【００１９】
【図５】図５は、一実施形態に係る二重モード機能用に構成されているインバータを具備するＩＯＭを示すブロック図である。
【００２０】
【図６Ａ】図６Ａは、本実施形態に係る電気自動車（ＥＶ）充電ステーションに電力を供給する図１Ａに示される種類のシステムの種々の運転モードの１つを示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本実施形態に係る電気自動車（ＥＶ）充電ステーションに電力を供給する図１Ａに示される種類のシステムの種々の運転モードの１つを示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本実施形態に係る電気自動車（ＥＶ）充電ステーションに電力を供給する図１Ａに示される種類のシステムの種々の運転モードの１つを示す。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本実施形態に係る電気自動車（ＥＶ）充電ステーションに電力を供給する図１Ａに示される種類のシステムの種々の運転モードの１つを示す。
【図６Ｅ】図６Ｅは、本実施形態に係る電気自動車（ＥＶ）充電ステーションに電力を供給する図１Ａに示される種類のシステムの種々の運転モードの１つを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１によれば、本実施形態に係る燃料電池システムは、ＵＰＭ１０２、入出力モジュール（ＩＯＭ）１０４および１つ以上の電力モジュール１０６を具備する。前記電力モジュール１０６は、第１ハウジングを具備し、前記ＩＯＭ１０４は、第１ハウジングとは別体の第２ハウジングを具備し、前記無停電電力モジュール１０２は、第１ハウジングおよび第２ハウジングとは別体の第３ハウジングを具備する。１つ以上の電力モジュール１０６、例えば６〜１０のモジュール１０６がある場合、各電力モジュールは、それ自身のハウジングを具備する。各ハウジングは、キャビネットまたは別の種類の全体もしくは一部を覆うエンクロージャ、例えば、その全体が参照により本明細書に組み込まれる前記特許文献２に記載されているキャビネットを具備する。前記モジュールは、１つ以上の列状または他の形状に配置される。
【００２２】
前記ＵＰＭ１０２は、少なくとも１つのＤＣ／ＡＣインバータ１０２Ａを含む。必要に応じて、多数並んだインバータを使用することもある。当技術分野において公知の任意の適切なインバータを使用してもよい。ＵＰＭ１０２は、電力モジュール１０６から直流バス１１２の出力に接続し、且つ少なくとも１つのインバータ１０２Ａの入力に接続する入力ダイオード１０２Ｂのような入力整流器を任意で含む。ＵＰＭは、電力供給網のような電力網１１４の出力に、および少なくとも１つのインバータ１０２Ａの入力に接続するブーストＰＦＣ整流器を任意で含む。
【００２３】
前記ＩＯＭ１０４は、１つ以上の電力調整コンポーネントを具備する。前記電力調整コンポーネントは、ＤＣ／ＡＣインバータ１０４Ａ（例えば、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる前記特許文献３に記載されているＤＣ／ＡＣインバータ）のような、直流電力から交流電力に変換するコンポーネント、電力網に交流電力を出力する電気コネクタ、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ロジックデバイスまたは回路）等を含む。前記電力調整コンポーネントは、燃料電池モジュールから異なる交流電圧および周波数へ直流電力を変換するように設計されてもよい。２０８ボルト，６０ヘルツ；４８０ボルト，６０ヘルツ；４１５ボルト，および他の一般的な電圧および周波数に合わせた設計が提供されてもよい。
【００２４】
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、導電性インタコネクトプレートによって分離されたセラミック酸化電解質を有する固体酸化物形燃料電池の１つ以上のスタックまたはコラムのような燃料電池１０６Ａ（一般的に「セグメント」として参照される）の１つ以上のスタックまたはコラムを含む。ＰＥＭ、溶融炭酸塩、リン酸等のような他の燃料電池の種類が使用されてもよい。
【００２５】
燃料電池は、しばしば、「スタック」と称呼されるユニットに結合される。燃料電池は、電気的に直列に接続され、インタコネクトとして機能するガスセパレータプレートのような伝導性インタコネクトによって電気的に分離されている。燃料電池スタックは、その終端に導電性のエンドプレートを含む。一般的に燃料電池スタックとは、直列に接続される１つ以上の燃料電池スタック（例えば、１つのスタックのエンドプレートが隣のスタックのエンドプレートと電気的に接続される）を含むいわゆる燃料電池セグメントまたはコラムである。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電力調整システムへ直流を出力する電気リード線を含む。燃料電池システムは、１つ以上の燃料電池コラムを含み、各コラムは、固体酸化物形燃料電池スタックのような１つ以上の燃料電池スタックを含む。
【００２６】
燃料電池スタックは、燃料については内部において分岐され、空気については外部において分岐されていてもよい。その全体が参照によって本明細書に組み込まれる前記特許文献４に記載のように、燃料の吸気管および排気管のみが燃料電池層中の開口および／または燃料電池間のインタコネクトプレート中の開口を通じて伸びている。燃料電池は、直交流（各燃料電池の電解質を挟んだ両側において空気と燃料が互いに略垂直である）、並列逆流（各燃料電池の電解質を挟んだ両側において空気と燃料が互いに略平行であるが反対方向である）または並列順流（各燃料電池の電解質を挟んだ両側において空気と燃料が互いに略平行で同一方向である）を有している。
【００２７】
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のような他の直流発生装置を具備してもよい。
【００２８】
燃料電池のセグメント１０６Ａは、電力モジュール１０６に配置された１つ以上のＤＣ／ＤＣコンバータ１０６Ｂによって分割バスのような直流バス１１２に接続されてもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０６Ｂは、電力モジュール１０６の代わりにＩＯＭ１０４に配置されてもよい。
【００２９】
電力モジュール１０６は、スーパーキャパシタバンクまたはバッテリバンクのような蓄電装置１０６Ｃを任意で含んでもよい。蓄電装置１０６Ｃは、１つ以上のＤＣ／ＤＣコンバータ１０６Ｄを使用して直流バス１１２に接続されてもよい。
【００３０】
ＵＰＭ１０２は、直流バス１１２を経由して入出力モジュール（ＩＯＭ）１０４に接続される。直流バスは、電力モジュール１０６から電力を受け取る。
【００３１】
燃料電池システムおよび電力網１１４は、制御ロジックユニット１１０を使用して負荷１０８に電気的に接続される。前記負荷は、１つ以上のビルディング、電化製品、照明、工具、空調機器、電熱機器、工場設備および機械、電力貯蔵設備、コンピュータ、セキュリティシステム等のような交流電力を使用する任意の適切な負荷を含む。制御ロジックユニットは、スイッチ１１０Ａおよびコンピュータ、論理回路または専用の制御装置のような制御ロジック１１０Ｂを含む。前記スイッチは、電気スイッチ（例えば、スイッチング回路）またはリレーのような電気機械スイッチである。
【００３２】
制御ロジック１１０Ｂは、ＵＰＭ１０２から、あるいはスイッチ１１０Ａを使用する電力網１１４から、負荷１０８へ電力を送る道順を決定する。電力モジュール１０６内の少なくとも１つの燃料電池セグメント１０６Ａおよび蓄電装置１０６Ｃは、ＩＯＭ内の少なくとも１つの第１インバータ１０４ＡおよびＵＰＭ１０２内の少なくとも１つの第２インバータ１０２Ａと並列に電気的に接続される。少なくとも１つの第１インバータ１０４Ａは、第１位置のスイッチ１１０Ａを用いて電力網１１４を通じて負荷１０８に接続される。前記特許文献１に示される回路とは対照的に、図１Ａの電力網１１４は、双方向インバータを通ることなく制御ロジックユニット１１０を通じて負荷１０８に直接接続される。少なくとも１つの第２インバータ１０２Ａは、電力網１１４を使用せず、第２位置のスイッチ１１０Ａを用いて負荷１０８に電気的に接続される（すなわち、燃料電池セグメント１０６Ａの出力は負荷１０８に到達する電力網１１４を通らない）。
【００３３】
したがって、制御ロジック１１０Ｂは、負荷に電力網１１４から（または電力網を通じて燃料電池セグメント１０６Ａから）電力を供給するか、少なくとも１つの第２インバータ１０２Ａを通じて電力を供給するかを選択する。制御ロジック１１０Ｂは、下記のように電力モジュールの状態を決定し、電力モジュールの状態に基づいて負荷１０８への電力供給源を選択する。
【００３４】
第２スイッチ１１６は、ＩＯＭ１０４と電力網１１４の間の電機接続を制御する。スイッチ１１６は、制御ロジック１１０Ｂによって、または別のシステムコントローラによって制御される。
【００３５】
システムは、限定のためではなく実例として示す次の電気経路を含んでいる。
・ 交流電力網１１４から負荷１０８への経路。
・ 交流電力網１１４からＩＯＭ１０４を通る電力モジュール１０６（例えば、スーパーキャパシタまたはバッテリ）の蓄電要素１０６Ｃへの経路。
・ 電力モジュール１０６の蓄電要素１０６Ｃから直流バス１１２を経由するＩＯＭ１０４およびＵＰＭ１０２への並列な経路。直流バスは、ＵＰＭ１０２内のインバータに直流を供給する。ＵＰＭ１０２内のインバータ１０２ＡまたはＩＯＭ１０４内のインバータ１０４Ａは、スイッチ１１０Ａの位置に応じて負荷１０８へ交流電力を供給する。
・ （電力モジュール１０６の燃料電池セグメント１０６Ａおよび／または蓄電要素１０６Ｃからの電力を含む）電力モジュール１０６から、直流バス１１２を経由するＩＯＭ１０４およびＵＰＭ１０２への経路。直流バスはＵＰＭ１０２内のインバータに直流電圧を供給する。ＵＰＭ１０２内のインバータ１０２Ａは、負荷１０８に交流電力を供給する。負荷１０８が要求する分を超過した電力は、ＩＯＭ１０４内のインバータ１０４Ａを通って交流電力網に供給される。交流電力網１１４に供給される電力量は、負荷１０８の要求にしたがって変化する。負荷１０８の要求する電力量が電力モジュール１０６の供給する電力を超過した場合、追加の電力要求は、スイッチ１１０Ａが第１位置のときにはスイッチ１１０Ａを通って直接負荷１０８へ、スイッチ１１０Ａが第２位置のときにはＵＰＭ１０２へ、交流電力網１１４から供給される。電力網の電力は、ＵＰＭ１０２内の整流器１０２Ｃにおいて整流され、ＵＰＭ１０２内のインバータ１０２Ａへ供給され、負荷１０８に電力を供給する交流に再変換される。
【００３６】
図１Ｂ〜１Ｋは、図１Ａに示されるシステムの種々の運転モードを示している。以下で述べられる実施形態は、１００キロワットの電力を要求する負荷１０８および定常状態において２００キロワットの電力を出力する燃料電池セグメント１０６Ａを示しているが、これらの値は、説明にのみ供されたものであって、任意の適切な負荷および電力出力値を使ってよい。
【００３７】
図１Ｂは、システムのインストール中および／または負荷１０８が電力網１１４から電力を受け取る期間中のシステムの運用を示している。本図に示されるように、燃料電池セグメント１０６Ａおよびエネルギー蓄積装置１０６Ｃはオフ状態であり、ＩＯＭ１０４のインバータ１０４ＡおよびＵＰＭのインバータ１０２Ａは両方ともオフ状態であり、第２スイッチ１１６はＩＯＭと電力網とが電気的に接続しないように開放されている。制御ロジックスイッチ１１０Ａは、電力網１１４から負荷１０８へ制御ロジックモジュール１１０を通じて電力を供給するために第１位置になっている。図に示されるように、電力網から負荷へ制御ロジックモジュールを通じて１００キロワットの電力が供給される。
【００３８】
図１Ｃは、負荷１０８が電力網１１４から電力を受け取る期間、ＩＯＭスタートアップ中および電力網１１４からエネルギー蓄積装置（例えば、スーパーキャパシタバンク）１０６Ｃの充電中のシステムの運用を示している。本図に示されるように、エネルギー蓄積装置１０６Ｃがオン状態である間、燃料電池セグメント１０６Ａはオフ状態である。ＩＯＭ１０４の双方向インバータ１０４Ａはオン状態であり、ＵＰＭのインバータ１０２Ａはオフ状態である。電力網１１４からの電力をエネルギー蓄積装置１０６ＣへＩＯＭ１０４のインバータ１０４Ａおよび直流バス１１２を通じて供給するため、第２スイッチ１１６は、ＩＯＭと電力網との間が電気的に接続できるように閉じられている。制御ロジックスイッチ１１０Ａは、電力網１１４から負荷１０８へ制御ロジックモジュール１１０を通じて電力を供給するために第１位置になっている。図に示されるように、電力網から負荷へ制御ロジックモジュールを通じて１００キロワットの電力が供給される。
【００３９】
図１Ｄは、ＩＯＭスタートアップに引き続くＵＰＭのスタートアップ中のシステムの運用を示している。ＵＰＭは、エネルギー蓄積装置１０６Ｃから電力を受け取ることによって機能する。ＵＰＭは、エネルギー蓄積装置１０６Ｃから負荷１０８へ電力を供給する。本図に示されるように、燃料電池セグメント１０６Ａはオフ状態であり、エネルギー蓄積装置１０６Ｃはオン状態である。ＩＯＭ１０４の双方向インバータ１０４Ａはオン状態であり、ＵＰＭのインバータ１０２Ａはオン状態である。第２スイッチ１１６は、ＩＯＭと電力網との間が電気的に接続できるように閉じられている。制御ロジックスイッチ１１０Ａは、ＵＰＭ１０２から負荷１０８へ制御ロジックモジュール１１０を通じて電力を供給するために第２位置になっている。本図に示されるように、電力網１１４から負荷１０８へ整流器１０２ＣおよびＵＰＭ１０２のインバータ１０２Ａを通じて、さらに制御ロジックモジュールを通じて１００キロワットの電力が供給される。また、直流バス１１２、ＵＰＭ１０２および制御ロジックモジュールを経由してエネルギー蓄積装置１０６Ｃから負荷１０８へ供給される電力もある。
【００４０】
図１Ｅは、システムの定常状態の運用を示している。本モードでは、燃料電池セグメント１０６Ａは、負荷１０８へ電力を供給するためにオン状態である。燃料電池セグメント１０６Ａは、定常状態モードにおいて２００キロワットの電力を供給する（これは、設計された電力出力または最大電力出力である）。本図に示されるように、エネルギー蓄積装置１０６Ｃは、緊急バックアップ電源として振る舞うことができるようにオン状態である。ＩＯＭ１０４の双方向インバータ１０４Ａはオン状態であり、ＵＰＭのインバータ１０２Ａはオン状態である。２００キロワットの電力出力は、電力網１１４と負荷１０８との間で分割される。燃料電池セグメント１０６Ａから電力網へ１００キロワットの電力を供給するために、第２スイッチ１１６は、ＩＯＭと電力網との間が電気的に接続できるように閉じられている。電力モジュール１０６内の燃料電池セグメント１０６Ａから負荷１０８へ、ＩＯＭ１０４を通過する直流バスを通り、ＵＰＭ１０２のインバータ１０２Ａを通り、そして制御ロジックモジュール１１０を通って残りの１００キロワットの電力を供給するために、制御ロジックスイッチ１１０Ａは、第２位置となっている。この１００キロワットの電力は、好ましくは、負荷１０８に到達するためにＩＯＭのインバータ１０４Ａおよび／または電力網１１４を通過しない。前述のように、２００キロワットの電力出力は、電力網と負荷との間で５０：５０に分割されるが、異なる電力出力が必要な場合、２５キロワットから１０００キロワットまで、すなわち、電力網と負荷との間で１０：９０から９０：１０までといったように分割される。
【００４１】
図１Ｆは、１００キロワットから１５０キロワットへ増加する（すなわち、従前の安定負荷状態よりも電力を多く必要とする）比較的安定した負荷１０８中のシステムの運用を示している。本モードでは、前述の定常状態モードよりも負荷に供給される燃料電池セグメントの電力出力は多く、電力網に供給される電力は少ない。必要に応じて、１００％の電力出力が負荷に供給されることもあるし、０％の電力出力が電力網に供給されることもある。燃料電池セグメント１０６Ａは、負荷１０８に電力を送るためにオン状態である。本図に示されるように、エネルギー蓄積装置１０６Ｃは、緊急バックアップ電源として振る舞うことができるようにオン状態である。ＩＯＭ１０４の双方向インバータ１０４Ａは、オン状態であり、ＵＰＭのインバータ１０２Ａは、オン状態である。燃料電池セグメント１０６Ａから電力網へＩＯＭのインバータ１０４Ａを通じて５０キロワットの電力を供給するために、第２スイッチ１１６は、ＩＯＭと電力網との間が電気的に接続できるように閉じられている。電力モジュール１０６内の燃料電池セグメント１０６Ａから負荷１０８へ、ＩＯＭ１０４を通過する直流バスを通り、ＵＰＭ１０２のインバータ１０２Ａを通り、そして制御ロジックモジュール１１０を通って１５０キロワットの電力を供給するために、制御ロジックスイッチ１１０Ａは、第２位置となっている。したがって、本モードにおいて、燃料電池セグメント１０６Ａの電力出力は、好ましくは、電力網と負荷との間で分割される。電力は、好ましくは、負荷１０８に到達するためにＩＯＭのインバータ１０４Ａおよび／または電力網１１４を通過しない。
【００４２】
図１Ｇは、燃料電池セグメント１０６Ａがその時点で生成し得る電力よりも多くを必要とする急激な負荷１０８スパイク時のシステムの運用を示している。例えば、定常状態または最大電力モードにおいて、燃料電池セグメント１０６Ａが２００キロワットの電力しか生成できない場合、負荷スパイクは、１００キロワットから２２５キロワットになる。燃料電池セグメント１０６Ａは、負荷１０８に電力を供給するためオン状態になっている。本図に示されるように、エネルギー蓄積装置１０６Ｃは、緊急バックアップ電源として振る舞うことができるようにオン状態になっている。ＩＯＭ１０４の双方向インバータ１０４Ａはオン状態であり、ＵＰＭのインバータ１０２Ａはオン状態である。第２スイッチ１１６は、ＩＯＭと電力網との間が電気的に接続できるように閉じられている。しかしながら、負荷スパイクのために、燃料電池セグメント１０６Ａから電力網１１４へＩＯＭのインバータ１０４Ａを通じて供給される電力はない。電力モジュール１０６内の燃料電池セグメント１０６Ａおよび電力網１１４から負荷１０８へ、ＩＯＭ１０４を通過する直流バスを通り、ＵＰＭ１０２のインバータ１０２Ａを通り、そして制御ロジックモジュール１１０を通って電力を供給するために、制御ロジックスイッチ１１０Ａは、第２位置となっている。本モードでは、負荷への電力は、燃料電池セグメントと電力網との両方から供給される。示されるように、燃料電池セグメント１０６Ａから負荷１０８へ直流バス１１２、ダイオード１０２Ｂ、インバータ１０２Ａおよびスイッチ１１０Ａを通じて、２００キロワットの電力が供給される。一方、電力網１１４から負荷１０８へ、整流器１０２Ｂ、インバータ１０２Ａおよびスイッチ１１０Ａを通じて、負荷が要求する２２５キロワットの電力を全体で賄えるように、２５キロワットの電力が供給される。燃料電池セグメントからの電力は、好ましくは、負荷１０８に到達するためにＩＯＭのインバータ１０４Ａおよび／または電力網１１４を通過しない。
【００４３】
図１Ｈは、急激な負荷１０８スパイク後の、正常または定常状態動作へ復帰中のシステムの運用を示している。燃料電池セグメント１０６Ａは、負荷１０８に電力を供給するためにオン状態になっている。本図に示されるように、エネルギー蓄積装置１０６Ｃは、緊急バックアップ電源として振る舞うことができるようにオン状態になっている。ＩＯＭ１０４の双方向インバータ１０４Ａは、オン状態であり、ＵＰＭのインバータ１０２Ａはオン状態である。第２スイッチ１１６は、ＩＯＭと電力網との間が電気的に接続できるように閉じられている。電力モジュール１０６内の燃料電池セグメント１０６Ａから負荷１０８へ、ＩＯＭ１０４を通過する直流バスを通り、ＵＰＭ１０２のインバータ１０２Ａを通り、そして制御ロジックモジュール１１０を通って電力を供給するために、制御ロジックスイッチ１１０Ａは、第２位置となっている。本モードでは、燃料電池セグメントは、負荷と電力網との間で分割される定常状態の電力または最大電力（例えば、２００キロワット）を出力し続ける。示されるように、燃料電池セグメント１０６Ａからの２００キロワットの電力は、ＩＯＭ１０４に供給される。ＩＯＭ１０４は、燃料電池セグメント１０６Ａから電力網１１４へＩＯＭのインバータ１０４Ａを通じて１００キロワットの電力を供給する。直流バス１１２は、ＩＯＭ１０４から負荷１０８へ、ダイオード１０２Ｂ、インバータ１０２Ａおよびスイッチ１１０Ａを通じて残りの１００キロワットの電力を供給する。前記電力は、好ましくは、負荷１０８に到達するためにＩＯＭのインバータ１０４Ａおよび／または電力網１１４を通過しない。
【００４４】
図１Ｉは、グリッド１１４からの電力を喪失中（例えば、ブラックアウト中）のシステムの運用を示している。燃料電池セグメント１０６Ａは、負荷１０８に電力を供給するためにオン状態になっている。本図に示されるように、エネルギー蓄積装置１０６Ｃは、燃料電池セグメント１０６Ａからの電力を吸収するため、および電力網の電力が喪失している間に発生する「ステップ」を穏やかにするためにオン状態になっている。ＩＯＭ１０４の双方向インバータ１０４Ａは、オン状態であり、ＵＰＭのインバータ１０２Ａはオン状態である。第２スイッチ１１６は、ＩＯＭと電力網との間が電気的に接続しないように開放されている。センサは、電力網の電力喪失を検出し、コントローラは、検出された電力網の停電に応答してスイッチ１１６を開放する。電力モジュール１０６内の燃料電池セグメント１０６Ａから負荷１０８へ、ＩＯＭ１０４を通過する直流バスを通り、ＵＰＭ１０２のインバータ１０２Ａを通り、そして制御ロジックモジュール１１０を通って電力を供給するために、制御ロジックスイッチ１１０Ａは、第２位置となっている。本モードでは、燃料電池セグメント１０６Ａからの全体の電力出力が２００キロワットを超えると、１００キロワットの電力が直流バス１１２に供給され、ステップを穏やかにするために１００キロワットの電力がエネルギー蓄積装置１０６Ｃに供給される。ＩＯＭ１０４から負荷１０８へ、ダイオード１０２Ｂ、インバータ１０２Ａおよびスイッチ１１０Ａを通じて、直流バス１１２は、１００キロワットの電力を供給する。燃料電池セグメント１０６Ａの電力出力は、負荷１０８の要求を満たすように徐々に１００キロワットに減少する。
【００４５】
図１Ｊは、グリッド１１４からの電力を喪失中（例えば、ブラックアウト中）で且つ燃料電池が、定常状態の負荷要求に見合う減少した電力（例えば、１００キロワット）を出力する間の負荷の過渡変化がある場合（例えば、負荷１０８から電力の増加要求）のシステムの運用を示している。燃料電池セグメント１０６Ａは、負荷１０８に電力を供給するためにオン状態になっている。本図に示されるように、エネルギー蓄積装置１０６Ｃは、追加の電力を負荷１０８に供給するためにオン状態になっている。ＩＯＭ１０４の双方向インバータ１０４Ａは、オン状態であり、ＵＰＭのインバータ１０２Ａはオン状態である。第２スイッチ１１６は、ＩＯＭと電力網との間が電気的に接続しないように開放されている。電力モジュール１０６内の燃料電池セグメント１０６Ａおよびエネルギー蓄積装置１０６Ｃから負荷１０８へ、ＩＯＭ１０４を通過する直流バスを通り、ＵＰＭ１０２のインバータ１０２Ａを通り、そして制御ロジックモジュール１１０を通って、制御ロジックスイッチ１１０Ａは、電力を供給するために第２位置となっている。本モードでは、燃料電池セグメント１０６Ａからの１００キロワットおよびエネルギー蓄電装置からの５０キロワットが直流バス１１２に供給される。したがって、ＩＯＭ１０４から負荷１０８へ、ダイオード１０２Ｂ、インバータ１０２Ａおよびスイッチ１１０Ａを通じて、直流バス１１２は、１５０キロワットの電力を供給する。前記電力は、好ましくは、負荷１０８に到達するためにＩＯＭのインバータ１０４Ａおよび／または電力網１１４を通過しない。
【００４６】
図１Ｋは、電力網１１４からの電力を喪失中（例えば、ブラックアウト中）で且つ、継続的な負荷過渡応答（例えば、負荷１０８からの電力の継続的増加要求）がある場合のシステムの運用を示している。エネルギー蓄積装置１０６Ｃの電力出力がゼロまで徐々に減り、燃料電池セグメントの電力出力が負荷が必要とする電力（例えば、１５０キロワット）まで同じ時間で徐々に増えることを除き、本運用は、図１Ｊに示されるものと同じである。したがって、燃料電池セグメントによって全要求電力が負荷に供給されるまで、負荷は、燃料電池セグメント１０６Ａから受け取る電力を徐々に増やし、エネルギー蓄積装置１０６Ｃから受け取る電力を徐々に減らす。したがって、エネルギー蓄積装置は、負荷過渡応答初期の間はブリッジング電源として振る舞い、負荷過渡応答が継続している間は徐々にその出力を減らす。
【００４７】
図２および図３によれば、直流電源１からＮ（２１０、２１２および２１４）の出力は、１つ以上の各直流バス２１６、２１８、２２０への直流出力点において並列になっている。各直流電源１〜Ｎは、１つ以上の電源モジュール１０６および関連するＩＯＭ１０４を具備する。１〜Ｎの直流電源は、単一のＵＰＭ２０２アセンブリを経由して顧客負荷に給電を行う。したがって、複数の電力モジュールとＩＯＭとの対が、共通のＵＰＭを共有する。例えば、直流バスは、任意の数の直流電源（例えば、ＳＯＦＣおよび電力調整システム）を１つのＵＰＭ２０２に集めて接続する直流マイクログリッドを形成する。ＵＰＭ２０２は、多くの複合的なＳＯＦＣシステム自身の出力を出力する能力のある、図１Ａに示される個別のＵＰＭ１０２からなる大規模なアセンブリとなる。図２に示されるように、ＵＰＭ２０２アセンブリは、「Ｎ」個のＵＰＭ１０２を具備し、この専用のＵＰＭ１０２は、各直流電源２１０、２１２および２１４に接続する個別の直流バス（２１６，２１８および２２０）を（すなわち、各直流電源に対して１個のＵＰＭを）それぞれ備える。Ｎ個のＵＰＭ１０２は、ＵＰＭアセンブリ２０２を形成するに際し、１つのハウジングの中で近接して（例えば、サイドバイサイドで）配置されてもよいし、個別のハウジング中に配置されてもよい。
【００４８】
図３に示される他の実施形態では、小規模な専用のＵＰＭ１０２のアセンブリ２０２は、１つの大規模なＵＰＭ３０２に置き換えられる。本実施形態において、ＵＰＭ３０２は、エネルギー蓄積装置（例えば、バッテリバンクまたはスーパーキャパシタバンク）および／または同期モータ（図３に図示せず）を含む。一般的に、ＵＰＭインバータは、蓄えた電力を強化し、並びに／または出力の信頼性および慣性を増加するための回転機械（例えば、モータ、フライホイール等）を含む。
【００４９】
要約すると、直流源は、燃料電池電力モジュールおよびＩＯＭを具備する。各ＵＰＭ内のインバータは、小規模インバータのモジュラアセンブリであって、あたかも並列の入力および／または出力を有する１つの大規模なインバータのように制御される。主要なＩＯＭ内のインバータは、小規模インバータのモジュラアセンブリであって、あたかも並列の入力および／または出力を有する１つの大規模なインバータのように制御される。
【００５０】
一実施形態において、燃料電池スタックがオフラインの場合、電力網からの給電を割り当てるために調整電力がＵＰＭに供給される。したがって、負荷に保護されたバスを供給する。ブーストコンバータは、電力網を良好な力率に維持するのに使用される。
【００５１】
他の実施形態において、ＳＯＦＣシステムまたはＵＰＭ内部に蓄えられたエネルギーからの電力は、３つのエネルギー入力：電力網エネルギー、ＳＯＦＣセグメントエネルギーおよび貯蔵エネルギー（例えば、ウルトラキャパシタまたはバッテリ）を有する「ＵＰＳ」ユニットを形成するために使用される。
【００５２】
さらに他の実施形態において、直流マイクログリッドは、太陽光発電ハードウェアまたは風力発電ハードウェアのような他の分散型発電機に接続される。
【００５３】
一実施形態において、直流マイクログリッドは、直流データセンターまたは直流車両充電装置の負荷のような直流負荷に接続される。
【００５４】
さらに他の実施形態において、ＩＯＭおよびＵＰＭが並列に振る舞うインバータのクラスタから構成される場合、いくつかのまたはすべてのこれらインバータは、顧客負荷状況に応じて出力を低減する。例えば、２００キロワットの発生容量を有するシナリオにおいて顧客負荷が１５０キロワットであるとき、ＩＯＭインバータは、グリッドタイの全出力である２００キロワットの代わりに５０キロワットのみを支援するように出力を低減する。さらに、本シナリオでは、ＩＯＭアセンブリ内の一部の実行できるインバータのみが、ＩＯＭ内部にインストールされる。したがって、特定の顧客負荷シナリオを支援するように要求される装備に関して経費削減を提供する。
【００５５】
図４によれば、一実施形態において、ＩＯＭ４０４は、「双方向」運転用に構成されるインバータ４１２を具備する。このようなインバータは四象限運転を行う。グリッドタイインバータが「双方向」運転を行う場合、調整給電は、ＵＰＭ４０２に供給される必要がない。スタートアップ期間中の電力網の電力は、ＵＰＭ４０２への調整入力を経由する代わりに、グリッドタイインバータ４１２を通る。本実施形態もまた、顧客負荷の保護のために電力モジュール４０６から電力を供給する。
【００５６】
図５によれば、一実施形態において、ＵＰＭは利用されない。本実施形態において、ＩＯＭ５０４は、デュアルモード機能用に構成されるインバータ５１２を具備する。デュアルモードインバータ５１２は、グリッド照合して運転、およびスタンドアロンモードにおいてグリッド照合せずに顧客負荷を支援して運転するように構成される。本実施形態において、あるモードでの電力発生と別モードでの電力発生とを切り替えるために、出力電力遮断割り込みが要求される。
【００５７】
図６Ａ〜６Ｄは、電気自動車（ＥＶ）充電モジュール（ＥＣＭ）がＵＰＭの代わりに、またはＵＰＭに加えて使用される図１Ａに示されるシステムの、種々の運転モードを示す。運転モードによっては、ＥＣＭは、ＵＰＭの機能を果たす。
【００５８】
ＥＶ充電アプリケーションで使用される場合、図６Ａ〜６Ｄのシステムは、いくつかの利点を有する。特に、これらのシステムは、多数の電気自動車を急速充電している間、電力網に大きなピーク電力を供給する必要がなくなる。本システムは、とても高価なために電力網の電力を供給できない地域でのＥＶ充電にも使用される。これは、天然ガスのパイプラインを敷設するよりも経済的である。
【００５９】
図６Ａによれば、ＥＶ充電ステーションは、１つ以上の電力モジュール１０６、ＩＯＭ１０４およびＥＣＭ６０２を具備する。ＥＣＭは、ＵＰＭ１０２のインバータ１０２Ａの代わりに、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０２Ａを含む。本実施形態において、ＥＶ充電ステーション（例えば、ＥＣＭ６０２）は、電力網の電力に接続している。ＥＶ充電ステーションは、電力網およびＥＶバッテリに同時に電力を供給する。急速（例えば、１０〜２０分の）充電は、ＦＣＭ１０６からの電力を用いてＥＣＭ６０２からＥＶバッテリ６０４に供給される。ＥＶバッテリ６０４が充電のために充電ステーション（例えば、ＥＣＭ６０２）に接続されているときはいつでも、ＦＣＭ１０６の電力は、電力網から充電ステーションに供給される電力を自動的に迂回させる。電力網からＥＶバッテリ６０４への電力の迂回は、図１に示され、前述したような制御ロジックによって達成される。電力モジュール１０６が利用できない場合、電力網の電力は、充電ステーションに対してバックアップ電源としての役目を果たす。
【００６０】
図６Ｂによれば、ＥＶ充電ステーションは、１つ以上の電力モジュール１０６、ＩＯＭ１０４、ＵＰＭ１０２、制御ロジックユニット１１０およびＥＣＭ６０２を具備する。本実施形態において、電力網の電力を給電しＥＶバッテリ６０４を充電している間、ＥＶ充電ステーション６０２は、顧客負荷１０８を供給するためにも使用される。本構成では、ＥＶ充電ステーションは、グリッド１１４を給電し、無停電電力を顧客負荷（例えば、オフィスビル）にも供給する。ＵＰＭ１０２が顧客負荷１０８に電力を供給する間、ＩＯＭ１０４は、電力網１１４に電力を供給する。ＥＣＭ６０２は、ＥＶ充電ステーションのごとく振る舞い、４００Ｖの直流バスから電力を取り出す。したがって、ＵＰＭ１０２およびＥＣＭ６０２は、直流バスに並列に接続される。顧客負荷１０８が停電なく供給されており、ＥＣＭ６０２で充電するために車両が駐車しているときはいつでも、ＥＶバッテリ６０４を充電する間、電力網へ給電される電力の一部がＥＣＭ６０２に迂回する。さらに、電力網が全容量を供給している場合、本構成は、電力網１１４から高いピーク電力を取り出すという課題を克服しており、今日においては特に日中の運転が主要な課題となっている。
【００６１】
本構成の典型的なアプリケーションは、オフィスビルに電力を供給することである。電力が電力網１１４に給電されている間、オフィスビル（データセンター、照明などを含む）の負荷１０８には、ＵＰＭ１０２からクリーンな無停電電力が供給される。会社の従業員および訪問者のために、充電ステーションが本ビルの駐車場に設置される。ＥＶバッテリ６０４が充電され、駐車場に一時的に置かれる。充電ステーションにて、車両所有者の時間の制約に基づいて急速充電（１Ｃ）およびトリクル充電（０．１Ｃ）についての選択肢が提供される。
【００６２】
図６Ｃによれば、ＥＶ充電ステーションは、１つ以上の電力モジュール１０６、ＵＰＭ１０２、ＥＣＭ６０２およびＤＧセット６０８を具備する。本構成は、電力網の電力が利用できない遠隔地域における利用に好適である。本構成では、ＵＰＭ１０２は、電力モジュール１０６に接続される直流バスから電力を取り出し、顧客負荷１０８に給電する。本顧客負荷１０８は、電力モジュール１０６へのベース負荷のように振る舞い、システムが一定の最低効率で（前述の図６Ａおよび６Ｂに示される、グリッド１１４が効率的動作のための最小ベース負荷を供給する構成で）運転できるようにする。一実施形態において、ＥＣＭ６０２が運転状態の間、電力モジュール１０６およびＵＰＭ１０２は、最大顧客負荷が常に供給されるような効率になる。ＤＧセット６０８は、電力モジュール１０６をスタートアップするのに使用される。
【００６３】
図６Ｄによれば、ＥＶ充電ステーションは、１つ以上の電力モジュール１０６およびＥＣＭ６０２を具備する。ＥＶ充電ステーションの構成は、電力網の電力および顧客負荷が供給されない地域における利用に好適である。ＥＶ充電ステーションは、ＥＶバッテリ６０４を充電する電源としてのみ振る舞う必要がある。本構成では、バッテリバンク６１０は、ＥＶ充電ステーションへのベース負荷として振る舞う。本バッテリバンク６１０は、ノーマル充電（０．１Ｃ）を用いて充電される。ＥＶバッテリ６０４を充電する必要のある電気自動車の運転者は、ＥＣＭ６０２から充電する。あるいは、運転者は、放電したＥＶバッテリ６０４をバッテリバンク６１０のバッテリの１つと交換する。ＤＧセット６０８は、電力モジュール１０６をスタートアップするのに使用される。
【００６４】
一実施形態において、ＥＶ充電ステーションは、時間帯別料金をうまく利用することができ、ＥＶバッテリの蓄電容量を利用できる構成である。例えば、平日朝１１時から午後９時までの電気代は、午後９時から朝１１時までの電気代の数倍（例えば、５倍）である。本実施形態において、ピーク価格時間帯の電力を供給するために、および／または内部電力モジュール１０６の故障によって生じる電力モジュール１０６からの電力出力の不足分を支援するために、ＤＣ電力は、ＥＶバッテリから燃料電池システムへ返送される。
【００６５】
図６Ｅによれば、燃料電池システムは、１つ以上の電力モジュール１０６、ＩＯＭ１０４、ＵＰＭ１０２、前述の第１制御ロジックユニット１１０、スイッチ７０２Ａおよび第２制御ロジック７０２Ｂを含む第２制御ロジックユニット７０２、並びにＥＣＭ６０２を具備する。必要に応じて、制御ロジック１１０Ｂおよび７０２Ｂは、前述した制御ロジック１１０Ｂの機能および後述する制御ロジック７０２Ｂの機能を発揮する単一ユニットに物理的に結合することもある。本実施形態において、電力網に電力を供給できている間、電力モジュール１０６、ＩＯＭ１０４およびＵＰＭ１０２は、顧客負荷１０８（例えば、オフィスビル等の建物）に電力を供給するために使用される。一方、ＥＣＭ６０２は、４００Ｖの直流バス１１２から電力を取り出すことによってＥＶバッテリ６０４を充電するのに使用される。制御ロジックユニット１１０は、前述したような機能を発揮する。制御ロジックユニット７０２Ｂは、後述する機能を発揮する。したがって、ＵＰＭ１０２およびＥＣＭ６０２は、直流バス１１２に並列に接続される。
【００６６】
一実施形態において、ＵＰＭ１０２（例えば、ＵＰＭ１０２のインバータ１０２Ａ）は、単独の電力モジュール１０６から負荷１０８への電力供給要求よりも高い電力を供給するような効率になる。本実施形態は、ＥＶ充電ステーション（すなわち、ＥＣＭ６０２）に接続されるＥＶバッテリから付加的直流電力を利用できる付加的電力処理能力を有する。制御ロジックユニット７０２Ｂは、ＥＣＭ６０２から電力を受け取るときはＥＣＭ６０２と、または直流バス１１２に電力を供給するときは直流バス１１２と、ＥＶバッテリ６０４とを接続するようにスイッチ７０２Ａを切り替える。
【００６７】
実例のためであって限定するものではないが、燃料電池システムは、第１の最大電力値（例えば、２００キロワット）を分配する能力を有する電力モジュール１０６を含む。ＵＰＭ１０２は、第１の最大電力値よりも高い第２の最大電力値（例えば、交流４００キロワット）を供給するために直流から交流に変換するような効率になる。言い換えると、インバータ１０２Ａは、電力モジュールの供給能力よりも多くの電力を直流から交流へ変換するように設計される。ＥＶバッテリ６０４からの直流電力（例えば、直流２００キロワットまで）を負荷１０８または電力網１１４に供給する交流電力へ変換する付加的変換能力を、ＵＰＭ１０２は使用する。
【００６８】
したがって、電力網からの電力が高額な期間中は、電気自動車のバッテリ６０４からの直流電力は、電気自動車充電モジュール（ＥＣＭ）６０２にて受け取られ、受け取られた電力は、受け取った直流電力を交流電力に変換する少なくとも１つのインバータ１０２Ａに供給され、負荷（例えば、１０８または電力網負荷１１４）に交流電力を供給する。
【００６９】
一実施形態において、電気料金が低いとき、直流電力を受け取るステップより前に、直流電力は、少なくとも１つの燃料電池電力モジュール１０６からＥＣＭ６０２に供給され、ＥＣＭから電気自動車バッテリ６０４に供給される。
【００７０】
ＥＶ充電ステーションおよび燃料電池システムの連携システムは、電気自動車を運転する従業員を有する会社に設置される。上記の時間帯別料金を利用して、前記従業員は、一般的に会社の再充電ドックに車両を駐車し、就業時間の間、８〜１０時間の間ＥＣＭ６０２にＥＶバッテリ６０４を接続する。典型的に、電力網からの電気料金が増加する前に（例えば、午前１１時までに）、ＥＣＭ６０２から供給される電力を用いて、全ＥＶバッテリ６０４は、フル充電される（バッテリ６０４からＥＣＭ６０２にスイッチを切り替える）。その後、電力網の電気料金が増加した後は（例えば、午前１１時以降）、第２制御ロジック７０２Ｂは、スイッチ７０２Ａの位置をＥＶバッテリ６０４から直流バス１１２に切り替える。その後、バッテリ６０４は、直流バス１１２へＥＶバッテリ６０４の蓄電の一部（例えば、１０〜７５％、例えば、５０％）を供給するのに使われる。例えば、ＥＶバッテリは、自身が直流バスに返送するよりも多くの電力量を、日ごと（または週ごと等）に受け取ることもある。必要に応じて、電気自動車の所有者は、それが受け取った正味の電力量を課金されないこともある。あるいは、電力網からＥＶバッテリに充電する料金と比較して低い料金を課金されることもある。その後、ピークシェービング負荷の下記方法で、充電ステーションは、負荷に対し交流４００キロワットまで供給することができる。すべての当時者は、昼間電力の高額な電気料金によって、財政的に恩恵を得ることができる。
【００７１】
他の実施形態において、直流電力をＥＣＭ６０２から受け取る電気料金が高い期間中のステップよりも前の、電気料金の低い期間の間、ＥＶバッテリは、ＥＣＭ６０２以外の場所で充電される。例えば、電気自動車は、低コストな夜間料金を用いて、遠隔地域で（例えば、一晩中自宅のグリッドで）充電される。これらの電気自動車は、その後、朝になるとＥＣＭ６０２に接続される。昼間（例えば、午前１１時以降）の電気料金の増加後、ＥＶバッテリ６０４は、それらの充電した分のうち予め決められた一部分を直流バス１１２に供給する。従って、直流バスは、その後ピークシェービング負荷の下記方法で負荷に交流４００キロワットまで供給することができる。電気自動車の所有者は、供給した電力（すなわち、彼らが自宅で充電し、直流バス１１２に供給した電力のコスト）に対して払い戻しを受ける。したがって、昼間電力の高額な電気料金によって、すべての当事者は、財政的に恩恵を得ることができる。
【００７２】
もちろん、前述の例で用いられる時間は、例示の目的のみである。充電ステーションは、それが配置されている地域に対して時間帯別料金をアドレス指定するＥＶバッテリからの電力を利用するように構成される。
【００７３】
前述の方法およびシステムは、周波数および電圧の厳密な制御を可能にしながら、大負荷を有する並列の多重的発電機とともに容易に使用することができる。
【００７４】
前述の方法の説明およびプロセスフロー図は、実例としてのみ提供され、種々の実施形態のステップは、述べられた順序に実行されなければならないということを意図されるものでも要求するものでもない。当業者によって理解されるように、前述の実施形態におけるステップの順序は、任意の順序で実行されてもよい。さらに、「その後」、「それから」、「次に」等のような単語は、ステップの順番を限定することを意図していない。これらの単語は、単に本方法の説明を通して読者をガイドするために用いられる。
【００７５】
１つ以上のブロック／フロー図を、例示的な実施形態の説明に使用した。こうしたブロック／フロー図の使用は、実行する動作の順序を制限することを意図するものではない。例示的な実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的で提示したものである。それは、網羅的または開示された厳密な形態に対して限定することを意図しておらず、変更および変形は、上記示唆に照らして可能であり、または開示された実施形態の実施から得ることができる。本発明の範囲は、本明細書に添付の特許請求の範囲およびそれらと均等のものによって定義されることが意図されている。 
【００７６】
制御要素は、特定の機能を実行する命令でプログラムされたプロセッサ、メモリおよび他のコンポーネントを含む計算装置（コンピュータなど）を用いて実装される。あるいは、特定の機能を実行するように設計されたプロセッサに実装される。プロセッサは、様々な機能を実行するソフトウェア命令（アプリケーション）によって構成される任意のプログラマブルマイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、または、並列的なプロセッサチップまたは複数のチップである。上記機能は、本明細書に詳述される様々な実施形態の機能を含んでいる。いくつかの計算装置において、並列的なプロセッサが提供される。典型的には、ソフトウェアアプリケーションは、それらがプロセッサにアクセスされロードされる前に内部メモリに格納される。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格納するのに十分な内部メモリを含んでいる。
【００７７】
本明細書に開示された実施形態に関連して説明される様々な例示的な論理ブロック、モジュール、回路およびアルゴリズムステップは、電子機器、コンピュータソフトウェア、または双方の組合せとして実装される。このハードウェアおよびソフトウェアの互換性を明確に図示するために、様々な図示されたコンポーネント、ブロック、モジュール、回路およびステップは、それらの機能性に関して上述されている。このような機能がハードウェアまたはソフトウェアとして実装されているかどうかは、特定のアプリケーションおよびシステム全体に課せられた設計制約に依存する。当業者は、各特定のアプリケーションのために様々な方法で前述の機能を実装するが、このような実装決定は、本発明の範囲からの逸脱を引き起こすと解釈されるべきではない。
【００７８】
本明細書に開示された態様に関連して説明された様々な例示的な論理、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、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（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ロジックデバイス、ディスクリートゲートまたはトランジスタロジック、ディスクリートハードウェア部品、あるいは本明細書に記載の機能を実行するように設計された任意の組合せを用いて実装または実行されてもよい。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであってもよいが、代わりに、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、あるいはステートマシンであってもよい。また、プロセッサは、計算装置の組合せ、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連動した１つ以上のマイクロプロセッサ、または任意の他の構成であってもよい。あるいは、いくつかのブロックまたは方法は、与えられた機能に特定された回路によって実行される。
【００７９】
開示された実施形態の前述の説明は、本説明の実施形態を任意の当業者も製作または使用できるように提供される。これらの実施形態に対する様々な変更は、当業者に容易に明らかになり、本明細書で定義した一般原理は、本開示の範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用することができる。したがって、本発明は、本明細書に示された実施形態に限定することを意図したものではなく、以下の特許請求の範囲および本明細書に開示された原理および新規な特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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【図１Ｈ】
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【図１Ｉ】
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【図１Ｊ】
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【図１Ｋ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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