(57)【要約】燃料供給源から燃料を受け取り且つ負荷により消費するための電力出力を発生するマルチスタック構体であって、各々が少なくとも１つの燃料電池スタックを含む複数の燃料電池スタック群を形成し、ＤＣ電力を発生する複数の燃料電池スタックと、複数の燃料電池スタック群に対応し、各々が対応する燃料電池スタック群から所定の量のＤＣ電力を取り出し且つＤＣ電力をＡＣ電力に変換する複数のインバータと、負荷の必要電力条件を満たすように対応する燃料電池スタック群から所定の量のＤＣ電力を取り出すために各インバータを制御するコントローラとを具備するマルチスタック構体。
2009536781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給源から燃料を受け取り且つ負荷により消費するための電力出力を発生するマルチスタック構体であって、
直列に接続された少なくとも第１の燃料電池スタック及び第２の燃料電池スタックを各々が含む１つ以上の燃料電池スタック群を形成し、ＤＣ電力を発生する複数の燃料電池スタックと、
前記１つ以上の燃料電池スタック群に対応し、各々が対応する燃料電池スタック群から所定の量のＤＣ電力を取り出し且つ前記ＤＣ電力をＡＣ電力に変換する１つ以上のインバータと、
前記負荷の必要電力条件を満たすように前記対応する燃料電池スタック群から前記所定の量のＤＣ電力を取り出すために前記インバータの各々を制御するコントローラと
を具備し、
前記燃料電池スタック群の各々における前記第１の燃料電池スタックと前記第２の燃料電池スタックとの直列接続は接地点での接続であることを特徴とするマルチスタック構体。
【請求項２】
前記１つ以上の燃料電池スタック群のうち第１の燃料電池スタック群に関して、その燃料電池スタック群の前記第１の燃料電池スタックの正側及び負側のうち一方の側は、燃料電池スタック群の前記第２の燃料電池スタックの正側及び負側のうち逆極性の側と結合されてその燃料電池スタック群の前記第１の燃料電池スタックと前記第２の燃料電池スタックとの直列接続を形成し、且つ前記１つ以上のインバータのうち第１のインバータは、その燃料電池スタック群の前記第１の燃料電池スタックの前記正側及び前記負側のうち他方の側、並びにその燃料電池スタック群の前記第２の燃料電池スタックの前記正側及び前記負側のうち残る逆極性の側と結合されることを特徴とする請求項１記載のマルチスタック構体。
【請求項３】
前記構体は、第１の燃料電池スタック群、第２の燃料電池スタック群、前記第１の燃料電池スタック群と結合された第１のインバータ及び前記第２の燃料電池スタック群と結合された第２のインバータを少なくとも具備し、前記コントローラは、前記第１の燃料電池スタック群から第１の量のＤＣ電力を取り出すために前記第１のインバータを制御し、前記第２の燃料電池スタック群から第２の量のＤＣ電力を取り出すために前記第２のインバータを制御することを特徴とする請求項１記載のマルチスタック構体。
【請求項４】
前記第１の燃料電池スタック群の前記第１の燃料電池スタックの正側及び負側のうち一方の側は、前記第１の燃料電池スタック群の前記第２の燃料電池スタックの正側及び負側のうち逆極性の側と結合されて前記第１の燃料電池スタック群の前記第１の燃料電池スタックと前記第２の燃料電池スタックとの直列接続を形成し、前記第１のインバータは、前記第１の燃料電池スタック群の前記第１の燃料電池スタックの前記正側及び前記負側のうち他方の側、並びに前記第１の燃料電池スタック群の前記第２の燃料電池スタックの前記正側及び前記負側のうち残る逆極性の側と結合され、
前記第２の燃料電池スタック群の前記第１の燃料電池スタックの正側及び不側のうち一方の側は、前記第２の燃料電池スタック群の前記第２の燃料電池スタックの正側及び不側のうち逆極性の側と結合されて前記第２の燃料電池スタック群の前記第１の燃料電池スタックと前記第２の燃料電池スタックとの直列接続を形成し、前記第２のインバータは、前記第２の燃料電池スタック群の前記第１の燃料電池スタックの前記正側及び前記負側のうち他方の側、並びに前記第２の燃料電池スタック群の前記第２の燃料電池スタックの前記正側及び前記負側のうち残る逆極性の側と結合されていることを特徴とする請求項３記載のマルチスタック構体。
【請求項５】
前記第１の燃料電池スタック群の前記第１の燃料電池スタック及び前記第２の燃料電池スタック群の前記第２の燃料電池スタックは、第１の接地ユニットと結合され、前記第１の燃料電池スタック群の前記第２の燃料電池スタック及び前記第２の燃料電池スタック群の前記第１の燃料電池スタックは、第２の接地ユニットと結合されていることを特徴とする請求項４記載のマルチスタック構体。
【請求項６】
前記第１の燃料電池スタック群及び前記第２の燃料電池スタック群の前記第１の燃料電池スタック及び前記第２の燃料電池スタックは、中央接地ユニットと結合されていることを特徴とする請求項４記載のマルチスタック構体。
【請求項７】
前記コントローラは、前記第１の燃料電池スタック群から前記第１のインバータにより取り出されるべき前記第１の量のＤＣ電力に対応する第１のインバータ設定値を決定することにより前記第１のインバータを制御し、前記第２の燃料電池スタック群から前記第２のインバータにより取り出されるべき前記第２の量のＤＣ電力に対応する第２のインバータ設定値を決定することにより前記第２のインバータを制御し、前記第１のインバータ設定値及び前記第２のインバータ設定値は、前記構体に供給される燃料の実際の燃料流量、前記負荷必要条件を満たすために前記構体から必要とされるＤＣ電力、前記第１のインバータの第１の燃料利用率、前記第２のインバータの第２の燃料利用率、及び前記構体に供給される前記燃料の水素含有量に基づいて決定されることを特徴とする請求項４記載のマルチスタック構体。
【請求項８】
前記第１のインバータ設定値及び前記第２のインバータ設定値を決定することは、
総インバータ設定値を決定することと、
前記総インバータ設定値を前記構体から必要とされる前記ＤＣ電力と比較することと、
前記総インバータ設定値が前記構体から必要とされる前記ＤＣ電力より小さい場合、前記総インバータ設定値に基づいて前記第１のインバータ設定値及び前記第２のインバータ設定値を決定し、前記総インバータ設定値が前記構体から必要とされる前記ＤＣ電力より大きい場合には、前記構体から必要とされる前記ＤＣ電力に基づいて前記第１のインバータ設定値及び前記第２のインバータ設定値を決定することと
を含むことを特徴とする請求項７記載のマルチスタック構体。
【請求項９】
前記第１の燃料利用率及び前記第２の燃料利用率に基づく平均燃料利用率をUfとし、前記燃料の前記水素含有量をTH2とし、且つNumber of fuel cellsが前記第１の燃料電池スタック群及び前記第２の燃料電池スタック群を形成する燃料電池の総数に対応する場合に、
【数Ａ】
2009536781.tif 000007
と等しい値をFaradayとすると、前記総インバータ設定値は、
【数Ｂ】
2009536781.tif 000008
と等しいことを特徴とする請求項８記載のマルチスタック構体。
【請求項１０】
前記総インバータ設定値及び前記構体から必要とされる前記ＤＣ電力のうち小さいほうの値をSelected Valueとし、Number of Invertersを２とし、前記第１の燃料利用率及び前記第２の燃料利用率のうち前記一方をUf-nとし且つ平均燃料利用率をUfとする場合、前記第１のインバータ設定値及び前記第２のインバータ設定値は、
【数Ｃ】
2009536781.tif 000009
と等しいことを特徴とする請求項９記載のマルチスタック構体。
【請求項１１】
前記構体に供給される燃料の燃料流量を制御する燃料供給制御部材を更に含み、前記コントローラは、燃料需要に従って前記燃料供給制御部材を制御することを特徴とする請求項７記載のマルチスタック構体。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記負荷必要条件を満たすために前記構体から必要とされるＤＣ電力、前記第１のインバータの第１の燃料利用率、前記第２のインバータの第２の燃料利用率及び前記構体に供給される前記燃料の水素含有量に基づいて、前記燃料需要を決定することを特徴とする請求項１１記載のマルチスタック構体。
【請求項１３】
前記第１の燃料利用率及び前記第２の燃料利用率に基づく平均燃料利用率をUfとし、前記燃料の前記水素含有量をTH2とし、且つNumber of Fuel Cellsが前記第１の燃料電池スタック、前記第２の燃料電池スタック、前記第３の燃料電池スタック及び前記第４の燃料電池スタックを形成する燃料電池の総数に対応する場合に、
【数Ｄ】
2009536781.tif 000010
と等しい値をFaradayとすると、前記燃料需要は、
【数Ｅ】
2009536781.tif 000011
と等しいことを特徴とする請求項１２記載のマルチスタック構体。
【請求項１４】
前記コントローラは、前記対応する燃料電池スタック群から前記インバータの各々により取り出されるべき前記所定の量のＤＣ電力に対応する前記インバータごとの個別インバータ設定値を決定することにより前記インバータの各々を制御し、
前記個別インバータ設定値は、前記構体に供給される燃料の実際の燃料流量、負荷必要条件を満たすために前記構体から必要とされるＤＣ電力、前記インバータごとの個別燃料利用率及び前記構体に供給される前記燃料の水素含有量に基づいて決定されることを特徴とする請求項１記載のマルチスタック構体。
【請求項１５】
前記個別インバータ設定値を決定することは、
総インバータ設定値を決定することと、
前記総インバータ設定値を前記構体から必要とされる前記ＤＣ電力と比較することと、
前記総インバータ設定値が前記構体から必要とされる前記ＤＣ電力より小さい場合、前記総インバータ設定値に基づいて前記個別インバータ設定値を決定し、前記総インバータ設定値が前記構体から必要とされる前記ＤＣ電力より大きい場合、前記構体から必要とされる前記ＤＣ電力に基づいて前記個別インバータ設定値を決定することとを含むことを特徴とする請求項１４記載のマルチスタック構体。
【請求項１６】
前記個別燃料利用率に基づく平均燃料利用率をUfとし、前記燃料の前記水素含有量をTH2とし、且つNumber of fuel cellsが前記第１の燃料電池スタック群及び前記第２の燃料電池スタック群を形成する燃料電池の総数に対応する場合に、
【数Ｆ】
2009536781.tif 000012
と等しい値をFaradayとすると、前記総インバータ設定値は、
【数Ｇ】
2009536781.tif 000013
と等しいことを特徴とする請求項１５記載のマルチスタック構体。
【請求項１７】
前記総インバータ設定値及び前記構体から必要とされる前記ＤＣ電力のうち小さいほうの値をSelected Valueとし、前記１つ以上のインバータの総数をNumber of Invertersとし、前記対応するインバータの前記個別燃料利用率をUf-nとし且つ平均燃料利用率をUfとする場合、前記個別インバータ設定値は、
【数Ｈ】
2009536781.tif 000014
と等しいことを特徴とする請求項１６記載のマルチスタック構体。
【請求項１８】
前記構体に供給される燃料の燃料流量を制御する燃料供給制御部材を更に具備し、前記コントローラは、燃料需要に従って前記燃料供給制御部材を制御することを特徴とする請求項１４記載のマルチスタック構体。
【請求項１９】
前記コントローラは、前記負荷必要条件を満たすために前記構体から必要とされるＤＣ電力、前記インバータごとの個別燃料利用率及び前記構体に供給される燃料の水素含有量に基づいて前記燃料需要を決定することを特徴とする請求項１８記載のマルチスタック構体。
【請求項２０】
前記平均燃料利用率をUfとし、前記燃料の前記水素含有量をTH2とし、且つNumber of Fuel Cellsが前記複数の燃料電池スタックを形成する燃料電池の総数に対応する場合に、
【数Ｉ】
2009536781.tif 000015
と等しい値をFaradayとすると、前記燃料需要は、
【数Ｊ】
2009536781.tif 000016
と等しいことを特徴とする請求項１９記載のマルチスタック構体。
【請求項２１】
燃料供給源から燃料を受け取り且つ負荷により消費するための電力出力を発生するマルチスタック構体であり、直列に接続された少なくとも第１の燃料電池スタック及び第２の燃料電池スタックを各々が含む１つ以上の燃料電池スタック群を形成しＤＣ電力を発生する複数の燃料電池スタックと、前記１つ以上の燃料電池スタック群に対応し、各々が対応する燃料電池スタック群から所定の量のＤＣ電力を取り出し且つ前記ＤＣ電力をＡＣ電力に変換する１つ以上のインバータとを具備し、前記燃料電池スタック群の各々の前記第１の燃料電池スタックと前記第２の燃料電池スタックとの直列接続は接地点での接続であるマルチスタック構体を制御する方法であって、
前記負荷の必要電力条件を満たすように前記対応する燃料電池スタック群から前記所定の量のＤＣ電力を取り出すために前記インバータの各々を制御するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記制御するステップは、前記インバータごとの個別インバータ設定値を決定するステップを含み、前記個別インバータ設定値は、前記スタック群から前記インバータにより取り出される前記所定の量のＤＣ電力を制御するために使用されることを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記制御するステップは、
前記負荷の必要電力条件を満たすために前記構体から必要とされるＤＣ電力を決定するステップと、
前記構体から必要とされる前記ＤＣ電力の前記決定に基づいてインバータごとの個別利用率を決定するステップと、
前記個別利用率に基づいて平均利用率を決定するステップと、
前記構体に供給される燃料の水素含有量を決定するステップと、
前記燃料供給から前記構体に供給される実際の燃料流量を決定するステップと、
前記実際の燃料流量、前記平均利用率及び前記燃料の水素含有量に基づいて総インバータ設定値を決定するステップと、
前記総インバータ設定値及び前記構体から必要とされる前記ＤＣ電力のうち小さいほうの値をSelected Valueとして選択するステップと、
前記Selected Valueを使用してインバータごとの前記個別インバータ設定値を決定するステップと
を含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記平均燃料利用率をUfとし、前記燃料の前記水素含有量をTH2とし、且つNumber of fuel cellsが前記複数の燃料電池スタック群を形成する燃料電池の総数に対応する場合に、
【数Ｋ】
2009536781.tif 000017
と等しい値をFaradayとすると、前記総インバータ設定値は、
【数Ｌ】
2009536781.tif 000018
と等しいことを特徴とする請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記複数のインバータの総数をNumber of Invertersとし、前記インバータの前記個別燃料利用率をUf-nとし且つ平均燃料利用率をUfとする場合、前記インバータの前記個別インバータ設定値は、
【数Ｍ】
2009536781.tif 000019
と等しいことを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
前記マルチスタック構体は、前記燃料供給源から前記構体に供給される燃料の燃料流量を制御する燃料供給制御部材を更に具備し、前記方法は、前記コントローラにより決定される燃料需要に従って前記燃料供給制御部材を制御するステップを更に含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２７】
前記燃料供給部材を制御するステップは、
前記負荷の必要電力条件を満たすために前記構体から必要とされるＤＣ電力を決定するステップと、
前記構体から必要とされる前記ＤＣ電力の前記決定に基づいて、インバータごとの個別燃料利用率を決定するステップと、
前記個別利用率に基づいて平均利用率を決定するステップと、
前記構体に供給される燃料の水素含有量を決定するステップと、
前記負荷の前記必要電力条件を満たすために前記構体から必要とされる前記ＤＣ電力の前記決定、前記平均燃料利用率の前記決定及び前記燃料の前記水素含有量の前記決定に基づいて、前記燃料需要を決定するステップと
を含むことを特徴とする請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記負荷の前記必要電力条件を満たすために前記構体から必要とされるＤＣ電力をRequired DC Outputとし、前記平均燃料利用率をUfとし、前記燃料の前記水素含有量をTH2とし、且つNumber of Fuel Cellsが前記複数の燃料電池スタックを形成する燃料電池の総数に対応する場合に、
【数Ｎ】
2009536781.tif 000020
と等しい値をFaradayとする場合、前記燃料需要は、
【数Ｏ】
2009536781.tif 000021
と等しいことを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
請求項２３記載の方法を実行することを特徴とするプログラムドコンピュータコントローラ。
【請求項３０】
請求項２３記載の方法の各ステップを実行するためにコンピュータコントローラにより実行されるコンピュータ可読記憶媒体上のコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、マルチスタック燃料電池構体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、炭化水素燃料に蓄積された化学エネルギーを電気化学反応によって電気エネルギーに直接変換する装置である。一般に、燃料電池は、帯電イオンを伝導する働きをする電解質により分離されたアノード及びカソードを具備する。溶融炭酸塩燃料電池（「ＭＣＦＣ」）システムは、アノードに反応体である燃料ガスを通流させる一方で、カソードに酸化ガスを通流させることにより動作する。
【０００３】
有用な電力レベルを発生するために、従来、多数の１つ１つの燃料電池（セル）を互いに積み重ねることで、燃料電池スタックを形成していた。スタックの電力定格はスタック中の電池の数によって決定される。より高い電力定格をシステムに提供するために、多数の燃料電池スタックが利用され、燃料電池スタックの出力は組み合わされて所望の電力出力を供給する。マルチスタック燃料電池システムの一例は、本出願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／９１６，２３５号において説明される。
【特許文献１】米国特許出願第１０／９１６，２３５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池スタックは、直流（ＤＣ）の形で電気出力を発生する。燃料電池スタックにより発生されたＤＣ電流は、インバータを使用して従来のＡＣ電力に変換可能である。シングルスタックアセンブリ（構体）において、燃料電池スタックはインバータに結合され、ＤＣ電流をＡＣ電力に変換するために、スタックにより発生されたＤＣ電流はインバータにより取り出される。マルチスタック構体が単一の電力源として機能するためには、構体中のスタックの正極とスタックの負極とを接続する必要があり、従来のマルチスタック構体はＤＣバスを採用する。ＤＣバスには、複数のインバータが結合される。ＤＣバスに供給されたＤＣ電流は、インバータにより取り出され、ＡＣ電力に変換される。このマルチスタック構体の一例を図１に示す。図１において、構体１は、４つの燃料電池スタック２ａ〜２ｄと、スタック２ａ〜２ｄの正極及び負極が接続されたＤＣバス３と、ＤＣバス３に接続された３つのＤＣ／ＡＣインバータ（４ａ〜４ｃ）とを含む。インバータ４ａ〜４ｃは、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換するために、ＤＣバス３からＤＣ電力を取り出す。各インバータ４ａ〜４ｃにおいて発生されたＡＣ電力は、対応する変圧器５ａ〜５ｃに供給される。変圧器５ａ〜５ｃは、インバータ出力の電圧を４８０Ｖまで昇圧する。４８０ＶのＡＣ電力はカスタマーバス６に供給され、その後、顧客７に供給される。
【０００５】
図１に示されるような従来の構体の利点は、必要とされるインバータの数が構体中のスタックの数より少ないこと、及びインバータのうち１つが故障した場合にも構体が動作を継続できることである。しかし、マルチスタック構体中の燃料電池スタックのうち１つが故障した場合には、構体中のその他のスタックに供給される燃料及び酸化剤ガスから故障したスタックを隔離する手段が存在しないため、構体は動作を継続できない。従来のマルチスタック構体において、ＤＣバスが使用されているので、従来のマルチスタック構体中のスタックのうち１つが劣化し、その他のスタックほどＤＣ電力を発生しなくなった場合、個別のインバータの制御によって、インバータにより取り出されるＤＣ電力の量を減少するように個別のスタック電流をバイアスすることができない。更に、ＤＣバスを使用するためには、ＤＣバスのカスタム化が必要であり、その結果、製造コスト及び運用コストが増加する。
【０００６】
従って、上記の欠点を回避する一方で、単純且つ費用効率のよい構成を有するマルチスタック構体が必要とされる。
【０００７】
従って、本発明の目的は、費用効率がよく且つＤＣバスを必要としない単純な構成を有すると共に、マルチスタック構体中の燃料電池スタックのうち１つが故障するか又はその他のスタックほど電力を発生しなくなった場合に継続して動作可能であるマルチスタック構体を提供することである。
【０００８】
本発明の更なる目的は、燃料電池の耐久性に影響を及ぼすことなく且つ追加の電気的分離を必要とすることなく電力出力を増加できるマルチスタック構体を提供することである。
【０００９】
本発明の更なる目的は、マルチスタック構体中の個別のインバータを制御できるようにマルチスタック構体を制御する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下に開示される本発明の実施形態によれば、上記の目的及び他の目的は、燃料供給源から燃料を受け取り且つ負荷により消費される電力出力を発生するマルチスタック構体であって、ＤＣ電力を発生し且つ複数の燃料電池スタック群を形成する複数の燃料電池スタックを具備し、各スタック群は、少なくとも１つの燃料電池スタックと、複数の燃料電池スタック群に対応し、各々が対応する燃料電池スタック群から所定の量のＤＣ電力を取り出し且つＤＣ電力をＡＣ電力に変換する複数のインバータと、負荷の必要電力条件を満たすように対応する燃料電池スタック群から所定の量のＤＣ電力を取り出すために、各インバータを制御するコントローラとを含むマルチスタック構体において達成される。構体中の各燃料電池スタックは、専用接地ユニット又は共有接地ユニットのいずれかを使用して接地される。
【００１１】
ある特定の実施形態において、マルチスタック構体は、複数の燃料電池スタック群を具備し、各スタック群は、互いに直列に結合された複数の燃料電池スタックを含む。一実施形態において、各燃料電池スタック群は、互いに直列に結合された２つの燃料電池スタックを含む燃料電池スタック対を具備する。特に、構体は、第２の燃料電池スタックと直列に結合された第１の燃料電池スタックを含む第１の燃料電池スタック対と、第４の燃料電池スタックと直列に結合された第３の燃料電池スタックを含む第２の燃料電池スタック対と、第１の燃料電池スタック対と結合された第１のインバータと、第２の燃料電池スタック対と結合された第２のインバータとを少なくとも具備する。本実施形態において、コントローラは、第１の燃料電池スタック対から第１の量のＤＣ電力を取り出すために第１のインバータを制御し、第２の燃料電池スタック対から第２の量のＤＣ電力を取り出すために第２のインバータを制御する。
【００１２】
第１のスタック対の燃料電池スタック及び第１のインバータは、第１の燃料電池スタックの正側及び負側のうち一方の側を第２の燃料電池スタックの正側及び負側のうち逆極性の側に結合し且つ第１のインバータを第１の燃料電池スタックの正側及び負側のうち他方の側、並びに第２の燃料電池スタックの正側及び負側のうち残る逆極性の側に結合することにより接続される。第２の対の燃料電池スタック及び第２のインバータは同様に接続される。本構体において、第１のスタック及び第４のスタックは、第１の接地ユニットに結合されてもよく、第２の燃料電池スタック及び第３の燃料電池スタックは、第２の接地ユニットに結合されてもよい。あるいは、構体中の燃料電池スタックは１つの中央接地ユニットに結合されてもよい。
【００１３】
提供される実施形態の構体において、コントローラは、第１のインバータにより取り出されるべき第１の量のＤＣ電力に対応する第１のインバータ設定値を決定することにより第１のインバータを制御し、第２のインバータにより取り出されるべき第２の量のＤＣ電力に対応する第２のインバータ設定値を決定することにより第２のインバータを制御する。第１のインバータ設定値及び第２のインバータ設定値は、燃料供給源から構体に供給される燃料の実際の流量、負荷必要条件を満たすために必要なＤＣ電力、第１のインバータの第１の燃料利用率、第２のインバータの第２の燃料利用率、及び構体に供給される燃料の水素含有量に基づく。インバータごとに個別インバータ設定値を決定する場合、コントローラは、総インバータ設定値を決定し、総インバータ設定値及び構体から必要とされるＤＣ電力のうち小さいほうの値を選択値として選択するために、総インバータ設定値を構体から必要とされるＤＣ電力と比較し、選択値を使用して個別インバータ設定値を決定する。
【００１４】
ある特定の実施形態において、マルチスタック構体の例は、燃料供給源から構体に供給される燃料の燃料流量を制御する燃料供給制御部材を更に含む。燃料供給制御部材は、燃料需要に従ってコントローラにより制御される。燃料需要は、負荷必要条件を満たすために構体から必要とされるＤＣ電力、第１のインバータの第１の燃料利用率、第２のインバータの第２の燃料利用率及び構体に供給される燃料の水素含有量に基づいて決定される。
【００１５】
マルチスタック構体を制御する方法、特に、コントローラにより個別のインバータ及び燃料流量制御部材を制御する方法が更に開示される。
【００１６】
本発明の上記の特徴及び面、並びに他の特徴及び面は、添付の図面と関連させて以下の詳細な説明を読むことにより更に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図２は、燃料供給源から燃料を受け取り且つ負荷により消費される電力を発生するマルチスタック構体を示す。構体は、各々が少なくとも１つの燃料電池スタックを含む複数の燃料電池スタック群と、燃料電池スタック群に対応し、各々が対応する燃料電池スタック群から所定の量のＤＣ電力を取り出し且つＤＣ電力をＡＣ電力に変換する複数のインバータとを具備する。マルチスタック構体は、コントローラを更に含む。コントローラは、負荷の必要電力条件を満たすように対応する燃料電池スタック群から所定の量のＤＣ電力を取り出すために、インバータを制御する。
【００１８】
図２に示されるように、マルチスタック構体は、複数の燃料電池スタック対１０２ａ、１０２ｂと、複数のインバータ１０６ａ、１０６ｂとを具備する。各スタック対１０２ａ、１０２ｂは、互いに直列に接続された２つの燃料電池スタック１０４Ａ〜１０４Ｄを含む。インバータ１０６ａ、１０６ｂは、スタック対１０２ａ、１０２ｂからＤＣ電力を取り出し、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。各燃料電池スタック対１０２ａ、１０２ｂは、対応するインバータ１０６ａ、１０６ｂに接続される。図２に示されるように、構体１００は、燃料電池スタック対１０２ａ、１０２ｂを収納する筐体１０１に結合された接続ライン１０１ａを介して、燃料供給源１１０から燃料を受け取る。燃料供給源１１０から構体１００の筐体１０１に供給される燃料の流量は、燃料流量制御弁１１１により制御される。筐体１０１の内部において、燃料の流れは分岐され、接続ライン又は配管（図を簡単明瞭にするために図示されていない）を使用して各燃料電池スタック１０４Ａ〜１０４Ｄに供給される。構体１００は、空気供給源（図を簡単明瞭にするために図示されていない）から酸化剤ガスを更に受け取り、酸化剤ガスは、燃料電池スタック１０４Ａ〜１０４Ｄに供給される。各燃料電池スタック１０４Ａ〜１０４Ｄに供給された燃料及び酸化剤は、スタック１０４Ａ〜１０４Ｄにおいて電気化学反応を受け、ＤＣ電力を発生する。以下に更に詳細に説明されるように、構体１００の動作は、コントローラ３００により制御される。
【００１９】
図２に示される実施形態において、構体１００は、第１の燃料電池スタック１０４Ａ及び第２の燃料電池スタック１０４Ｂを具備する第１の燃料電池スタック対１０２ａと、第３の燃料電子スタック１０４Ｃ及び第４の燃料電池スタック１０４Ｄを具備する第２の燃料電池スタック対１０２ｂとを含む。前述のように、第１の燃料電池スタック対１０２ａは、第１の燃料電池スタック１０４Ａ及び第２の燃料電池スタック１０４Ｂを直列に接続することにより形成される。第２のスタック対１０２ｂは、第３の燃料電池スタック１０４Ｃ及び第４の燃料電池スタック１０４Ｄを直列に接続することにより形成される。第１のスタック１０４Ａと第２のスタック１０４Ｂとの直列接続は、第１のスタック１０４Ａの負側を第２のスタック１０４Ｂの正側に結合することにより形成される。第３のスタック１０４Ｃと第４のスタック１０４Ｄとの直列接続は、第３のスタック１０４Ｃの正側を第４のスタック１０４Ｄの負側に結合することにより形成される。
【００２０】
図２に示されるように、構体１００は、第１のスタック対１０２ａと結合された第１のインバータ１０６ａ及び第２のスタック対１０２ｂと結合された第２のインバータ１０６ｂを更に含む。構体１００において使用するのに適するインバータは、相対的に低価格であるために最も一般的に市販されている１２００Ｖ ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）インバータ、又はＳＭＷ（サブメガワット）インバータである。特に、第１のインバータ１０６ａは、第１のスタック１０４Ａの正側及び第２のスタック１０４Ｂの負側と結合される。それにより、インバータ１０６ａは、第１のスタック１０４Ａ及び第２のスタック１０４Ｂにより発生されるＤＣ電力を取り出すことができる。同様に、第２のインバータ１０６ｂは、第４のスタック１０４Ｄの正側及び第３のスタック１０４Ｃの負側と結合される。それにより、第３のスタック１０４Ｃ及び第４のスタック１０４Ｄにより発生されるＤＣ電力は、インバータ１０６ｂにより取り出される。前述のように、第１のインバータ１０６ａ及び第２のインバータ１０６ｂは、第１のスタック対１０２ａ及び第２のスタック対１０２ｂから取り出されたＤＣ電力をＡＣ電力にそれぞれ変換する。インバータにより出力されたＡＣ電力は、１つ以上の変圧器（図を簡単明瞭にするために図示されていない）を介してカスタマーバス１１４に供給され、その後、顧客又は電力グリッドに供給される。
【００２１】
各スタック対１０２ａ、１０２ｂにより発生されるＤＣ電力をＡＣ電力に変換するために、スタック対１０２ａ、１０２ｂごとに１つのインバータ１０６ａ、１０６ｂを使用することにより、構体１００の性能及び効率は向上する。各スタック対１０２ａ、１０２ｂにより発生されるＤＣ電力は、スタック対の各スタックにより発生されるＤＣ電力の組み合わせであり、従って、各スタック対１０２ａ、１０２ｂにより出力されるＤＣ電力の電圧は、個々のスタックにより発生される電圧の約２倍であることが理解されよう。通常、個々の燃料電池スタックにより発生されるＤＣ電圧は３００〜４００Ｖであり、スタックごとの最適電圧は約３５０Ｖである。従って、図２の構体において、各スタック対の燃料電池スタックを直列に接続した結果、より高い電圧の電力出力が得られる。
【００２２】
更に、図２に示される構体１００におけるインバータ１０６ａ、１０６ｂは、燃料電池スタック対１０２ａ、１０２ｂからの最適ＤＣ入力電圧で動作する。インバータがＤＣ電力をＡＣ電力に変換する場合、変換動作中に電力の一部が失われることは理解されよう。損失対電力出力比を最小限にするように、所定の量のＤＣ電力に対応する所定の最適ＤＣ入力電圧をインバータに入力することにより、ＤＣ電力からＡＣ電力への変換中のこの電力損失を制限できる。マルチスタック構体において使用されるインバータに対する最適ＤＣ入力電圧は、通常、個々の燃料電池スタックにより発生されるＤＣ電圧の約２倍である。例えば、１２００Ｖ ＩＧＢＴインバータの場合、最適ＤＣ入力電圧は約７５０Ｖ ＤＣである。これに対し、個々のスタックにより発生されるＤＣ電圧は３００〜４００Ｖである。
【００２３】
図２の構体１００において、各スタック対１０２ａ、１０２ｂから対応するインバータ１０６ａ、１０６ｂに入力されるＤＣ入力電圧は約８００Ｖ ＤＣであり、これは最適ＤＣ入力電圧であるか、又は最適ＤＣ入力電圧に近い。その結果、ＤＣ電力からＡＣ電力への変換によって起こる電力損失は最小限に抑えられ、インバータ１０６ａ、１０６ｂの性能及び効率は最適化される。
【００２４】
図２に示されるように、マルチスタック構体１００の第１、第２、第３及び第４の燃料電池スタック１０４Ａ〜１０４Ｄは、例えば燃料電池スタック１０４Ａ〜１０４Ｄを１つ以上の接地ユニットに結合するなどの方法により、接地点１０８にも接続される。図示される実施形態において、第１の燃料電池スタック１０４Ａ及び第４の燃料電池スタック１０４Ｄの負側は接地点１０８に接続され、第２の燃料電池スタック１０４Ｂ及び第３の燃料電池スタック１０４Ｃの正側も接地点１０８に接続される。図２の実施形態は２つの接地接続を含み、接地点への一方の接続は、第１の燃料電池スタック１０４Ａと第４の燃料電池スタック１０４Ｄとの間の接続であり、接地点への他方の接続は、第２の燃料電池スタック１０４Ｂと第３の燃料電池スタック１０４Ｃとの間の接続である。しかし、構体１００は、全ての燃料電池スタック１０４Ａ〜１０４Ｄを接地点に接続する単一の中央接地タップ１０８を使用してもよい。燃料電池スタック１０４Ａ〜１０４Ｄを接地点１０８に接続することにより、スタックと接地点との電圧差は最小限に抑えられる。その結果、マルチスタック構体１００から高電圧が出力されるにも関わらず、構体１００に対して要求される電気的分離は最小限である。
【００２５】
図２に示されるマルチスタック構体１００は例であり、４つの燃料電池スタックを使用するマルチスタック構体に限定されないことが理解されよう。例えば、ある特定の実施形態において、図２のマルチスタック構体１００は、８個、１２個、１６個又はそれを超える数のスタックを具備する構体において反復モジュールとして使用されてもよい。他の実施形態において、マルチスタック構体は任意の数のスタック対を含んでもよく、各スタック対に対応するインバータが結合され、インバータは各スタック対からＤＣ電力を取り出す。
【００２６】
前述され且つ図２に示されるように、マルチスタック構体１００の動作は、コントローラ３００により制御される。特に、コントローラ３００は、構体１００から電力を受け取る負荷をサポートするために必要とされる燃料の流量を決定し且つ構体１００に供給される燃料の流量を制御するために燃料流量制御弁１１１を制御する。更に、コントローラは、インバータごとにインバータ設定値（以後、特定のインバータをnとして、「Inverter SP-n」と表現される）を決定し、Inverter SP-nに基づいて、対応するスタック対から各インバータにより取り出されるＤＣ電力の量を制御する。構体１００に供給される燃料の流量を制御するために燃料流量制御弁１１１を制御するコントローラ３００の動作及び各インバータ１０６ａ、１０６ｂにより取り出されるＤＣ電力を制御するコントローラ３００の動作は、図３Ａ及び図３Ｂに示され、以下に説明される。
【００２７】
図３Ａは、燃料需要に基づいてマルチスタック構体１００の筐体１０１に供給される燃料の流量を制御するように、燃料流量制御弁１１１を制御するためのコントローラ３００の動作を示す。図３Ａに示されるように、第１のステップＳ１において、コントローラ３００は、構体１００に対する電力負荷及び負荷を満足させるために構体から必要とされるＤＣ電力出力を決定する。構体１００が電力グリッドに接続される場合、構体１００に対する電力負荷は、コントローラ３００を使用してオペレータにより設定される。構体１００が電力グリッドに接続されない場合、構体１００に対する電力負荷は「アイランド負荷」により決定される。アイランド負荷は、構体１００に接続された負荷であって、構体１００から電力を受け取る負荷である。構体１００に対する電力負荷に基づいて、コントローラは、構体１００に対する電力負荷を満足させるために構体１００の燃料電池スタック１０４Ａ〜１０４Ｄにより発生される必要のあるＤＣ出力を決定する。必要ＤＣ出力は、構体１００に対する電力負荷に直接関連する。
【００２８】
次に、コントローラ３００の動作はステップＳ２へ進む。ステップＳ２において、必要ＤＣ出力に基づいて、インバータごとに燃料利用率Uf-nが決定される。構体１００に供給される燃料は、燃料電池スタック１０４Ａ〜１０４ＤにおいてＤＣ電気及び熱エネルギーに変換される化学エネルギーを蓄積することが理解されよう。燃料利用率（Uf）は、ＤＣ電力に変換される燃料中に蓄積された化学エネルギーの割合（％）である。所望の燃量利用率は、必要ＤＣ出力及び構体に対する電力負荷に正比例する。従って、電力負荷が高い場合、構体の電気効率を最大限にするように、所望の燃料利用率も高くなる。これに対し、電力負荷が低い場合には、燃料電池スタック全体における燃料分布を改善し且つ外部加熱の必要を少なくするために、低い燃料利用率が望まれる。構体１００の各インバータ１０６ａ、１０６ｂは、必要ＤＣ出力ごとに所定の燃料利用率（Uf-n）を有し、必要ＤＣ出力に対応する所定の利用率は、インバータ１０６ａ、１０６ｂごとの「ＤＣ出力対Uf」ルックアップテーブルに規定される。従って、nが特定のインバータを表す場合、燃料利用率Uf-nは、第１のステップＳ１において決定された必要ＤＣ出力に基づき、「ＤＣ出力対Uf」ルックアップテーブルを使用して決定される。
【００２９】
コントローラ動作の第３のステップＳ３において、平均利用率Ufを求めるために、第３のステップＳ２で決定されたインバータ１０６ａ、１０６ｂごとの個別燃料利用率Uf-1, Uf-2, …Uf-nが平均される。第４のステップＳ４において、コントローラは、構体１００に供給される燃料の理論水素含有量（「TH2」）を決定する。特に、燃料組成解析装置を使用して、構体１００に供給される燃料の組成を解析できる。その後、燃料組成解析装置を使用して、理論水素含有量（TH2）が決定される。あるいは、理論水素含有量は、燃料の予測組成に基づいて計算され、手動操作により入力される。例えば、燃料がメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）及びプロパン（Ｃ３Ｈ８）を含むと燃料組成解析装置が決定した場合、燃料の理論水素含有量は、４＊％ＣＨ４＋７＊％Ｃ２Ｈ６＋１０＊％Ｃ３Ｈ８に等しい。
【００３０】
コントローラ動作の次のステップＳ５において、構体１００から電力を受け取る電力負荷を支援するために必要とされる燃料流れの量、すなわち燃料流量に対応する燃料需要が計算される。特に、燃料需要は、コントローラにより次のように決定される。
【００３１】
【数１】
2009536781.tif 000003
【００３２】
式中、Ufは、第３のステップＳ３において決定された平均燃料利用率であり、Required DC Outputは、第１のステップＳ１において決定されたＤＣ出力であり、TH2は、第４のステップＳ４において決定された燃料の理論水素含有量であり、Faradayは、次のように計算される。
【００３３】
【数２】
2009536781.tif 000004
【００３４】
式中、Number of Cellsは、構体１００の燃料電池スタック１０４Ａ〜１０４Ｄを形成する燃料電池の総数に対応する。
【００３５】
ステップＳ５において燃料需要を決定した後、コントローラの動作は第６のステップＳ６へ進む。第６のステップＳ６において、コントローラ３００は、燃料供給源からマルチスタック構体１００に供給される燃料の流量を制御する。特に、コントローラ３００は、ステップＳ５における所望の燃料需要計算結果に基づいて、燃料供給源１１０から構体１００に供給される燃料の所望の流量を確定するために、燃料流量制御弁１１１を制御する。その後、コントローラ３００の動作は第１のステップＳ１に戻り、コントローラ３００は、負荷必要条件及び負荷必要条件を満たすために構体から必要とされるＤＣ出力を継続的に監視し、負荷必要条件及び計算される燃料需要の任意の変化に従って、構体１００に供給される燃料の流量を調整するように燃料流量制御弁１１１を制御する。
【００３６】
先に説明したように、コントローラ３００は、インバータ１０６ａ、１０６ｂに接続されたスタック又はスタック対から各インバータにより取り出されるＤＣ電力の量を更に制御する。インバータごとのInverter SP-nを決定し且つInverter SP-nの決定に基づいてＤＣ電力を取り出すようにインバータを制御するためのコントローラの動作を図３Ｂに示し、以下に説明する。
【００３７】
図３Ｂに示されるように、第１のステップＳ１１において、コントローラは、構体１００に対する電力負荷及び電力負荷を満足させるために構体から必要とされるＤＣ電力出力を決定する。第２のステップＳ１２において、コントローラは、構体中のインバータごとの個別燃料利用率Uf-nを決定する。なお、nは特定のインバータを表す。ステップＳ１３において、コントローラは、ステップＳ１２で決定された個別燃料利用率を平均して平均燃料利用率Ufを決定する。図３Ｂに示されるコントローラ動作の第４のステップＳ１４において、コントローラ３００は燃料水素含有量（TH2）を決定する。第１、第２、第３及び第４のステップＳ１１〜Ｓ１４におけるコントローラ３００の動作は、先に図３Ａに関して上述したステップＳ１〜Ｓ４と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
【００３８】
図３Ｂに示される第５のステップＳ１５において、コントローラは、燃料供給源から構体１００に供給される燃料の実際の燃料流量を決定する。構体１００に供給される燃料の実際の流量は、熱質量燃料流量計などの燃料流量計又は質量流量コントローラとオンライン燃料組成解析装置との組み合わせを使用して測定されてもよい。
【００３９】
その後、コントローラ３００の動作はステップＳ１６へ進む。ステップＳ１６において、コントローラ３００は、直前のステップＳ１５で測定された実際の燃料流量、第３のステップＳ１３で決定された平均Uf値及びステップＳ１４で決定された燃料水素含有量（TH2）を使用して、総インバータ設定値（以下の説明中、「Inverter SP」）を決定する。総Inverter SPは次のように計算される。
【００４０】
【数３】
2009536781.tif 000005
【００４１】
式中、Faradayは、式（２）を使用して、構体１００中の燃料電池の総数に基づいて計算される。
【００４２】
ステップＳ１６において総Inverter SPを決定した後、コントローラ３００の動作はローセレクタステップＳ１７へ進む。ステップＳ１７において、コントローラ３００は、総Inverter SPが必要ＤＣ出力以下であるか否かを判定する。ステップＳ１７において、総Inverter SP値が必要ＤＣ出力以下であると判定された場合、ステップＳ１８において、計算された総Inverter SP値がSelected Value（選択値）として選択される。しかし、Inverter SP値が必要ＤＣ出力より大きいとコントローラが決定した場合、コントローラ動作はＳ１９へ進む。ステップＳ１９において、必要ＤＣ出力値がSelected Valueとして選択される。計算されたInverter SP及び必要ＤＣ出力のうち小さいほうの値をSelected Valueとして選択することにより、一時的な燃料流量増加によるInverter SPの無制限の増加から構体を保護する。従って、例えば構体に供給される燃料の圧力が急激に増加した場合のように、実際の燃料流量が一時的に設定値を超えるまで増加した場合に、各インバータにより取り出されるＤＣ電力の無制限の増加は回避される。
【００４３】
図３Ｂに示されるように、ステップＳ１８又はステップＳ１９で選択されたSelected Valueは、ステップＳ２０において、構体中のインバータごとの個別Inverter SP-nを計算するために使用される。従って、総Inverter SPが必要ＤＣ出力以下であるとステップＳ１７において判定した後に、コントローラがステップＳ１８において総Inverter SPをSelected Valueとして選択した場合、コントローラはステップＳ２０へ進み、ステップＳ１６において決定された総Inverter SPに基づいて、インバータごとの個別Inverter SP-n値を計算する。総Inverter SPが必要ＤＣ出力より大きいとステップＳ１７において判定した後に、コントローラがステップＳ１９において必要ＤＣ出力値を選択した場合には、コントローラは、ステップＳ１１において決定された必要ＤＣ出力値を使用して、ステップＳ２０においてインバータごとの個別Inverter SP-n値を計算する。個別Inverter SP-n値は次のように計算される。
【００４４】
【数４】
2009536781.tif 000006
【００４５】
式中、nは特定のインバータの番号であり、Selected Valueは、ステップＳ１７での決定の後にステップＳ１８又はステップＳ１９において選択された値、すなわち総Inverter SP又はRequired DC Outputのうち小さいほうの値に対応し、Uf-nは、ステップＳ１２において決定された特定のインバータnの個別利用率であり、Ufは、ステップＳ１３において決定された平均利用率である。ステップＳ２０において計算される個別Inverter SP-n値は、インバータnが接続されている燃料電池スタック又はスタック対からインバータnが取り出すＤＣ電力の量に対応する。
【００４６】
ステップＳ２０においてインバータごとのInverter SP-n値が計算された後、コントローラの動作はステップＳ２１へ進む。ステップＳ２１において、コントローラは、ステップＳ２０で計算された対応する個別Inverter SP値に従ってＤＣ電力を取り出すように構体１００中の各インバータを制御する。その後、コントローラの動作は第１のステップＳ１１に戻り、コントローラは、構体に供給される燃料の流量及び必要ＤＣ出力を継続的に監視し、図３Ｂに示されるように、燃料流量及び必要ＤＣ出力に従ってインバータの個別Inverter SP値を調整し、対応するスタック又はスタック対から各インバータにより取り出されるＤＣ電力を制御することが理解されよう。
【００４７】
コントローラにより決定される利用率Uf、理論燃料水素含有量TH2及び必要ＤＣ出力を計算ごとに別個に決定する必要なく、Uf、TH2及び必要ＤＣ出力が燃料需要及びInverter SPの双方の決定に使用されるように、図３Ａ及び図３Ｂに示され且つ以上説明されたコントローラの動作は組み合わせて使用されてもよいことが更に理解されよう。そのような方法をとることにより、構体に供給される燃料の流量及び各インバータにより取り出されるＤＣ電力は、コントローラにより同時に制御される。図２の構体１００を制御するためのコントローラ３００の制御動作は、図４に概略的に示される。図４において、構体１００を制御するためのコントローラ３００の動作は、燃料供給源から構体１００に供給される燃料の流量を図３Ａに示されるように制御すること及び対応するスタック対から各インバータにより取り出されるＤＣ電力を図３Ｂに示されるように制御することを含む。
【００４８】
図４に概略的に示されるように、また、図２に関して上述したように、構体１００は、第１のインバータ１０６ａに接続された第１の燃料電池スタック対１０２ａと、第２のインバータ１０６ｂに接続された第２の燃料電池スタック対１０２ｂとを含む。構体１００は、コントローラ３００を更に含む。コントローラ３００は、燃料供給源１１０から構体１００に供給される燃料の流量を制御し且つ第１のスタック対１０２ａ及び第２のスタック対１０２ｂから第１のインバータ１０６ａ及び第２のインバータ１０６ｂによりそれぞれ取り出されるＤＣ電力を制御する。前述のように、構体１００により発生された電力は、電力を消費する負荷１２０に供給される。
【００４９】
図４に示されるように、第１のステップＳ２１において、構体１００のコントローラ３００は、負荷１２０の必要条件に基づいて必要ＤＣ出力を決定する。必要ＤＣ出力は、負荷１２０の必要条件を満たすために構体１００が発生する必要があるＤＣ電力である。ステップＳ２２ａにおいて、コントローラ３００は、第１のインバータ１０６ａの利用率Uf-1を決定し、ステップＳ２２ｂにおいて、コントローラは、第２のインバータ１０６ｂの利用率Uf-2を決定する。先に図３Ａに関して説明したように、利用率Uf-1及びUf-2は、第３のステップＳ２３において決定された必要ＤＣ出力に基づき、ＤＣ出力対Ufルックアップテーブルを使用して決定される。コントローラ動作のステップＳ２２ａ及びＳ２２ｂにおけるUf-1及びUf-2の決定に基づいて、ステップＳ２３において、コントローラ３００は、Uf-1値及びUf-2値を平均することにより平均Ufを決定する。ステップＳ２４において、コントローラは、燃料供給源１１０から構体１００に供給される燃料の理論燃料水素含有量（TH2）を計算する。先に図３Ａに関して説明したように、TH2は、燃料の含有物を解析し、その後、解析された燃料含有物の水素含有量を計算することにより決定されてもよい。ステップＳ２５において、コントローラ３００は、構体１００に供給されている燃料の実際の流量を更に測定する。前述のように、燃料の流量は、熱質量燃料流量計などの流量計を使用して測定されてもよい。
【００５０】
図４のコントローラ動作のステップＳ２１〜Ｓ２５は、図３ＢのステップＳ１１〜Ｓ１５と同様である。コントローラ３００がTH2、実際の燃料流量、必要ＤＣ出力及びUfを決定する順序はここで挙げられた順序に限定されず、コントローラ３００の処理条件を最適化するように変更されてもよいことが理解されよう。
【００５１】
ステップＳ２６において、コントローラ３００は、ステップＳ２４、Ｓ２１及びＳ２３でそれぞれ決定されたTH2、必要ＤＣ出力及びUfを使用して、先に規定された式（１）を使用して燃料需要、すなわち、負荷必要条件を満たすために必要とされる燃料流量を決定する。ステップＳ２６における燃料需要の決定に基づいて、次のステップＳ２７において、コントローラは、燃料流量制御弁１１１を制御することにより、燃料供給源１１０から構体１００に供給される燃料の流量を制御する。
【００５２】
また、ステップＳ２８において、コントローラ３００は、ステップＳ２４、Ｓ２５及びＳ２３でそれぞれ決定されたTH2、実際に測定された燃料流量及びUfを使用して、総Inverter SPを決定する。特に、コントローラ３００は、先に規定され且つ説明された式（３）を使用して、Inverter SPを計算する。図４に示されるステップＳ２８は、図３ＢのステップＳ１６と同様である。
【００５３】
ステップＳ２８において総Inverter SPを決定した後、コントローラはステップＳ２９へ進む。ステップＳ２９において、コントローラは、ステップＳ２８で決定された総Inverter SPとステップＳ２１で決定された必要ＤＣ出力とを比較し、小さいほうの値を選択する。総Inverter SPが必要ＤＣ出力と等しい場合、総Inverter SPが選択される。ステップＳ２９は、図３ＢのステップＳ１７〜Ｓ１９と同様であり、ステップＳ２９の詳細な説明を省略する。
【００５４】
ステップＳ２９で選択された値、すなわちInverter SPと必要ＤＣ出力のうち小さいほうの値を使用して、コントローラ３００は、ステップＳ３０において第１のインバータ１０６ａの個別Inverter SP-1を決定し、ステップＳ３１において第２のインバータ１０６ｂの個別Inverter SP-2を決定する。前述のように、ステップＳ３０において、第１のインバータ１０６ａの個別Inverter SP-1は、先に式（４）において規定したように、ステップＳ２９で選択された値、すなわちInverter SP又は必要ＤＣ出力を構体中のインバータの総数、すなわち２で除算し、除算の結果に係数Uf-1/Ufを乗算することにより決定される。同様に、式（４）は、ステップＳ３１において、ステップＳ２９で選択された値をインバータの総数で除算し、その結果に係数Uf-2/Ufを乗算することにより、第２のインバータ１０６ｂの個別Inverter SP-2を決定するために使用される。
【００５５】
Ｓ３１において個別Inverter SP-1が決定された後、コントローラ３００の動作はステップＳ３２へ進む。ステップＳ３２において、コントローラは、第１のスタック対１０２ａから第１のインバータ１０６ａにより取り出されるＤＣ電力の量を個別Inverter SP-1に基づいて制御する。また、ステップＳ３１においてコントローラが個別Inverter SP-1を決定した後、コントローラ３００の動作はステップＳ３３へ進み、第２のスタック対１０２ｂから第２のインバータ１０６ｂにより取り出されるＤＣ電力の量を個別Inverter SP-2に基づいて制御する。
【００５６】
燃料需要及びインバータごとのInverter SP-n値を決定する際のコントローラ動作の順序は先に説明された順序に限定されないことが理解されよう。例えば、燃料需要の決定（ステップＳ２６）及び燃料流量の制御（ステップＳ２７）は、Inverter SP、個別Inverter SP-1及びInverter SP-2の決定（ステップＳ２８〜Ｓ３１）、並びに第１及び第２のインバータにより取り出されるＤＣ電力の制御（ステップＳ３２、Ｓ３３）と同時に実行されてもよい。
【００５７】
図３Ａ、図３Ｂ及び図４に示され且つ以上説明されたマルチスタック構体に供給される燃料の流量を制御する方法及びマルチスタック構体のインバータを制御する方法は、図２に示される特定の構体１００の構成に限定されず、他のマルチスタック構体に適用されてもよいことが更に理解されよう。例えば、各々が１つのインバータに接続された１つ以上のスタック対を含むマルチスタック構体、並びに対を成して配列されずに複数のインバータと接続された複数のスタックを具備するマルチスタック構体に、図３Ａ及び図３Ｂに示されるコントローラ動作を使用できる。図３Ａ及び図３Ｂに示されるように動作するコントローラ５００を含むマルチスタック構体４００の別の実施形態が図５に概略的に示される。
【００５８】
図５に示されるように、構体４００は、複数の燃料電池スタック４０２ａ〜４０２ｄ及び複数の専用インバータ４０６ａ〜４０６ｄを具備する。各インバータは、対応する燃料電池スタック４０２ａ〜４０２ｄと結合される。構体４００は、燃料供給源４１０から燃料を供給され、空気供給源（簡単明瞭にするために図示されていない）からの空気ガスを供給される。燃料供給源４１０から構体に供給される燃料の流量は、燃料流量制御弁４１１を使用して調整される。燃料流量制御弁４１１は、コントローラ５００により、先に図３Ａに関して説明したように制御される。構体４００に供給された燃料は、各燃料電池スタック４０２ａ〜４０２ｄに燃料を供給するように、構体４００内部において適切な配管（図示せず）を使用して分割される。
【００５９】
図示されるように、構体４００は、第１のインバータ４０６ａが接続された第１のスタック４０２ａと、第２のインバータ４０６ｂが接続された第２の燃料電池スタック４０２ｂと、第３のインバータ４０６ｃが接続された第３の燃料電池スタック４０２ｃと、第４のインバータ４０６ｄが接続された第４の燃料電池スタック４０２ｄとを含む。第１、第２、第３及び第４の燃料電池スタック４０２ａ〜４０２ｄの各々により発生されるＤＣ電力は、第１、第２、第３及び第４のインバータ４０６ａ〜４０６ｄによりそれぞれ取り出され、ＡＣ電力に変換される。構体４００において使用するのに適するインバータは、標準サブメガワットインバータ又はＩＧＢＴインバータを含む。
【００６０】
ある特定の実施形態において、構体４００は、燃料電池スタック４０２ａ〜４０２ｄから取り出されたＤＣ電力を１つの電圧から別の電圧に変換する複数のＤＣ／ＤＣ変換器又はＤＣチョッパ４０５ａ〜４０５ｄを更に含んでもよい。図５に示される実施形態において、構体４００は、第１のＤＣ／ＤＣ変換器４０５ａ、第２のＤＣ／ＤＣ変換器４０５ｂ、第３のＤＣ／ＤＣ変換器４０５ｃ及び第４のＤＣ／ＤＣ変換器４０５ｄを含む。第１のＤＣ／ＤＣ変換器４０５ａは、第１の燃料電池スタック４０２ａに接続され、第１の燃料電池スタック４０２ａからＤＣ電力を取り出し、異なる電圧のＤＣ電力を第１のインバータ４０６ａへ出力する。第２のＤＣ／ＤＣ変換器４０５ｂは、第２の燃料電池スタック４０２ｂに接続され、第２の燃料電池スタック４０２ｂからＤＣ電力を取り出し、異なる電圧のＤＣ電力を第２のインバータ４０６ｂへ出力する。第３のＤＣ／ＤＣ変換器４０５ｃは、第３の燃料電池スタック４０２ｃに接続され、第３の燃料電池スタック４０２ｃからＤＣ電力を取り出し、異なる電圧のＤＣ電力を第３のインバータ４０６ｃへ出力する。第４のＤＣ／ＤＣ変換器４０５ｄは、第４の燃料電池スタック４０２ｄに接続され、第４の燃料電池スタック４０２ｄからＤＣ電力を取り出し、異なる電圧のＤＣ電力を第４のインバータ４０６ｄへ出力する。
【００６１】
図５に更に示されるように、燃料電池の電位及び構体の必要絶縁条件を最小限に抑えるように、各燃料電池スタック４０２ａ〜４０２ｄは接地点４０８ａ〜４０８ｄに接続される。
【００６２】
先に説明したように、図５の各燃料電池スタック４０２ａ〜４０２ｄにより発生されたＤＣ電力は、対応するＤＣ／ＤＣ変換器に供給される。ＤＣ／ＤＣ変換器は、ＡＣ電力への変換のために、異なる電圧のＤＣ電力を対応するインバータ４０６ａ〜４０６ｄへ出力する。各インバータ４０６ａ〜４０６ｄにより発生されたＡＣ電力は、共通の変圧器４１２へ出力される。変圧器４１２は、ＡＣ電力の電圧を所定のレベルまで昇圧し、カスタマーバス４１４に供給する。図示される実施形態において、変圧器４１２は４つの一次巻線４１２ａ〜４１２ｄを含む。各一次巻線４１２ａ〜４１２ｄは、インバータ４０６ａ〜４０６ｄのうち１つに対応する。変圧器４１２は、カスタマーバス４１４と結合された巻線４１２ｅと、寄生バランスオブプラント負荷４１５などのプラント負荷と結合された専用巻線４１２ｆとを更に含む。
【００６３】
図５に示される構体４００は、コントローラ５００により制御される。コントローラ５００は、燃料流量制御弁４１１を制御することにより、燃料供給源４１０から構体４００に供給される燃料の流量を制御する。図３Ａ及び図４に関して上述したように、コントローラ５００は、構体４００に対する負荷を満足させるために構体４００により出力される必要ＤＣ出力を決定し（図３ＡのステップＳ１）、必要ＤＣ出力に基づいてインバータ４０６a〜４０６dごとの個別利用率Uf-nを決定し（図３ＡのステップＳ２）、全てのインバータ４０６ａ〜４０６ｄの個別利用率Uf-nを平均することにより平均利用率Ufを決定し（図３ＡのステップＳ３）、構体に供給されている燃料の理論燃料水素含有量（TH2）を決定する（図３ＡのステップＳ４）。その後決定された必要ＤＣ出力、Uf及びTH2を使用して、コントローラは、先に規定された式（１）を使用して燃料需要を決定し（図３ＡのステップＳ５）、構体４００に供給される燃料の流量を計算された燃料需要に基づいて調整するように燃料流量制御弁４１１を制御する（図３ＡのステップＳ６）。
【００６４】
図３Ｂ及び図４に示されるように、インバータ４０６ａ〜４０６ｄが接続されている燃料電池スタック４０２ａ〜４０６ｄからある量のＤＣ電力を取り出すために、図５の構体４００のコントローラ５００は、各インバータ４０６ａ〜４０６ｄを更に制御する。図３Ｂ及び図４に関して上述したように、コントローラ５００は、燃料供給源４１０から構体４００に供給される燃料の実際の流量を決定し（図３ＢのステップＳ１５）、構体４００に対する負荷を満足させるために必要とされるＤＣ出力を決定し（図３ＢのステップＳ１１）、インバータ４０６ａ〜４０６ｄごとの個別利用率Uf-nを決定し（図３ＢのステップＳ１２）、全てのインバータの個別利用率Uf-nを平均することにより平均Ufを決定し（図３ＢのステップＳ１３）、燃料水素含有量（TH2）を決定する（図３ＢのステップＳ１４）。
【００６５】
その後、コントローラ５００は、決定された実際の燃料流量、Uf及びTH2を使用して、総Inverter SPを決定する（図３ＢのステップＳ１６）。コントローラ５００は、式（３）を使用して、総Inverter SPを計算する。その後、コントローラ５００は、計算された総Inverter SPを決定された必要ＤＣ出力と比較し（図３ＢのステップＳ１１）、Inverter SP値及び必要ＤＣ出力値のうち小さいほうの値を選択する（図３ＢのステップＳ１８及びＳ１９）。総Inverter SP値が必要ＤＣ出力と等しい場合には総Inverter SP値を選択する。次に、式（４）を使用してインバータ４０６ａ〜４０６ｄごとの個別Inverter SP-n値を決定するために、Selected Valueはコントローラ５００により使用される（図３ＢのステップＳ２０）。先に述べた通り、nは、Inverter SP-n値が計算される特定のインバータに対応する。図５に示される本実施形態において、コントローラ５００は、第１のインバータ４０６ａに対してInverter SP-1を計算し、第２のインバータ４０６ｂに対してInverter SP-2を計算し、第３のインバータ４０６ｃに対してInverter SP-3を計算し、第４のインバータ４０６ｄに対してInverter SP-4を計算する。コントローラ５００は、計算されたこれらの個別Inverter SP-n値に基づいて、それぞれ対応する燃料電池スタック４０２ａ〜４０２ｄから各インバータ４０６ａ〜４０６ｄにより取り出される電力を制御することにより、各インバータ４０６ａ〜４０６ｄを制御する（図３ＢのステップＳ２１）。
【００６６】
コントローラ５００は、以上説明された動作ステップを繰り返すことにより各インバータ４０６ａ〜４０６ｄを継続的に制御することが理解されよう。コントローラ５００の燃料流量制御動作及びインバータ制御動作は同時に実行されてもよく、燃料流量の制御及びインバータの制御の双方に対してUf-n、Uf、TH2及び必要ＤＣ出力が決定されるように、図４と同様に、それらの制御動作が組み合わされてもよいことが更に理解されよう。
【００６７】
なお、コントローラは、GEにより製造された従来のＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ‐本質的には信頼性の高いロバストコンピュータである）であってもよい。使用される制御プログラムは、産業オートメーションのためにGE PLCにおいて実現可能な同様にGE製品である「Versapro」と呼ばれるソフトウェア製品であってもよい。
【００６８】
全ての例において、以上説明された構造は、本発明の適用用途を表す多くの可能な特定の実施形態を単に例示しているにすぎないことが理解されよう。本発明の趣旨の範囲から逸脱することなく、本発明の原理に従って多くの多様な他の構造は容易に考案される。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は、ＤＣバス及び複数のインバータを採用する従来のマルチスタック構体を示す図である。
【図２】図２は、複数のスタック対及びスタック対に対応する複数のインバータを使用するマルチスタック構体を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、構体に供給される燃料の流量を制御するためのマルチスタック構体のコントローラの動作を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、マルチスタック構体の個別のインバータを制御するためのコントローラの動作を示す図である。
【図４】図４は、図３Ａ及び図３Ｂの動作を組み合わせた図２のマルチスタック構体のコントローラの動作を示す図である。
【図５】図５は、図３Ａ及び図３Ｂに示されるように制御されるマルチスタック構体の別の実施形態を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【国際調査報告】
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