(57)【要約】電源設備は燃料電池システムのアレイを含む。本燃料電池システムは直列および／または並列の組合せで電気的に接続可能であり、さまざまな出力電力、出力電流および／または出力電圧を提供する。本燃料電池システムは「ホットスワップ（運転中切り換え）可能」であり、重複燃料電池システムが不良燃料電池システムを自動的に入れ替え、出力電力、電流および／または電圧を維持することができる。別の様相では、本電源設備は燃料電池システムのアレイおよび重複手段を備える。
2005526363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムのアレイであって、
電力バス、
第一および第二の燃料電池システムであって、燃料電池スタック、燃料電池スタックと電気的に並列に接続された電力貯蔵装置、および燃料電池スタックから電力貯蔵装置および電力バスへの電流の流れを制御する手段をそれぞれ含む燃料電池システム、および
少なくとも二つの燃料電池システムを電力バス中に選択的に電気的に直列に接続する手段
を含むアレイを備える電源設備。
【請求項２】
第一の燃料電池システムが第一の燃料電池スタック、第一の燃料電池スタックと電気的に並列に接続された第一の電力貯蔵装置、第一の燃料電池スタックと第一の電力貯蔵装置との間に電気的に接続された第一の直列パス素子、および第一の直列パス素子を制御するために接続された第一の調節回路を含み、第二の燃料電池システムが第二の燃料電池スタック、第二の燃料電池スタックと電気的に並列に接続された第二の電力貯蔵装置、第二の燃料電池スタックと第二の電力貯蔵装置との間に電気的に接続された第二の直列パス素子、および第二の直列パス素子を制御するために接続された第二の調節回路を含む、請求項１に記載の電源設備。
【請求項３】
第一の燃料電池システムが第一の燃料電池スタック、および第一の燃料電池スタックへの少なくとも第一の反応原料の分圧を制御するために動作可能な第一の制御素子を有する第一の反応原料供給システムを含み、第二の燃料電池システムが第二の燃料電池スタック、および第二の燃料電池スタックへの少なくとも第一の反応原料の分圧を制御するために動作可能な第二の制御素子を有する第二の反応原料供給システムを含む、請求項１に記載の電源設備。
【請求項４】
第一および第二の燃料電池システムを選択的に電気的に直列に接続する手段が第一および第二の燃料電池システムのそれぞれのためのスイッチを含み、各スイッチがその他の燃料電池システムの少なくとも一つの運転条件に対して感応する、請求項１に記載の電源設備。
【請求項５】
第一および第二の燃料電池システムを選択的に電気的に直列に接続する手段が各燃料電池システムのための第一のスイッチおよび第二のスイッチをそれぞれ含み、第一のスイッチのそれぞれがその他の燃料電池システムの少なくとも一つの運転条件に対して感応し、第二のスイッチのそれぞれが各燃料電池システムの運転条件に対して感応する、請求項１に記載の電源設備。
【請求項６】
第一および第二の燃料電池システムを選択的に電気的に直列に接続する手段が電力供給システムの所望の電力出力、所望の電流出力および所望の電圧出力の少なくとも一つに対する要請に感応するコントローラを含む、請求項１に記載の電源設備。
【請求項７】
第三の燃料電池システム、および第三の燃料電池システムを電力バス中に選択的に電気的に直列に接続する手段をさらに含む、請求項１に記載の電源設備。
【請求項８】
第三の燃料電池システムを含み、第三の燃料電池システムを選択的に電気的に第一および第二の燃料電池システムの少なくとも一つと並列に電力バス中に接続する手段をさら含む、請求項１に記載の電源設備。
【請求項９】
第一および第二の燃料電池システムを選択的に電気的に直列に接続する手段が、第一の燃料電池システムの運転条件によって選択的に動作可能な第一のスイッチを含む請求項１に記載の電源設備であって、第一のスイッチと電気的に直列に接続され、それによって第一の燃料電池システムを電力バスに電気的に直列に接続するために選択的に動作可能な第一の重複性スイッチをさらに含み、第一の重複性スイッチが少なくとも第二の燃料電池システムの少なくとも一つの運転条件、電力バスの電圧、電力供給システムの所望の出力および電力供給システムの所望の名目電流出力に従って選択的に動作可能である電源設備。
【請求項１０】
各燃料電池システムが燃料電池スタックおよび燃料電池スタックに電気的に並列に接続された電力貯蔵装置を含み、電力貯蔵装置が充電電流リミッタに電気的に接続された蓄電池およびウルトラキャパシタの少なくとも一つを含む、請求項１に記載の電源設備。
【請求項１１】
燃料電池システムのアレイであって、
電力バス、
電力バスに電気的に直列に接続可能な複数の燃料電池システムであって、それぞれ燃料電池スタックを含む燃料電池システム、
少なくとも一つの燃料電池スタックと電気的に並列に接続された電力貯蔵装置、および
複数の燃料電池システムのそれぞれ第一の燃料電池システムを電力バスに選択的に電気的に直列に接続する重複手段であって、複数の燃料電池のそれぞれ第一の燃料電池の運転条件と異なる運転条件に感応する第一の重複手段
を含むアレイを備える電源設備。
【請求項１２】
重複手段が複数の燃料電池システムのそれぞれ第一の燃料電池システムを電力バスに電気的に直列に接続するために選択的に動作可能な少なくとも第一の重複スイッチを含む、請求項１１に記載の電源設備。
【請求項１３】
重複手段が追加の数の重複スイッチをさらに含み、追加の数の重複スイッチがそれぞれの燃料電池システムの運転条件と異なる運転条件に感応してそれぞれの燃料電池システムを電力バスに電気的に接続するために選択的に動作可能である、請求項１２に記載の電源設備。
【請求項１４】
各燃料電池システムがそれぞれの燃料電池システムの一組の運転パラメータを決定する複数のセンサ、および決定された運転パラメータの組にもとづいてそれぞれの燃料電池システムの運転条件を決定するよう構成されたプロセッサをさらに含み、重複手段が感応する運転条件が少なくとも一つのプロセッサによって決定された運転条件である、請求項１１に記載の電源設備。
【請求項１５】
重複手段が感応する運転条件が電力バスの電力出力、電力バスの電圧および電力バスの電流出力の少なくとも一つである、請求項１１に記載の電源設備。
【請求項１６】
重複手段が感応する運転条件が電力供給システムの所望の公称電力出力、電力供給システムの所望の公称電圧出力および電力供給システムの所望の公称電流出力の少なくとも一つである、請求項１１に記載の電源設備。
【請求項１７】
情報通信して複数の燃料電池システムのそれぞれから運転パラメータの組を受け取るために接続されたコントローラであって、受け取った運転パラメータの組にもとづいて燃料電池システムの運転条件を決定するように構成されたコントローラをさらに含む、請求項１１に記載の電源設備であって、重複手段が感応する運転条件がコントローラによって決定された運転条件である電源設備。
【請求項１８】
アレイが電力バスに電気的に接続可能であり、互いに電気的に直列に接続可能である第一の燃料電池システムの集合を含み、第一の燃料電池システムの集合が少なくとも一つの重複燃料電池システムを含む、請求項１１に記載の電源設備。
【請求項１９】
アレイが第二の燃料電池システムの集合をさらに含み、第二の燃料電池システムの集合が電気的に電力バスに接続可能であり、互いに電気的に直列に接続可能である請求項１８に記載の電源設備であって、第二の集合が第一の集合に電気的に並列に接続可能であり、アレイの第一および第二の集合の少なくとも一つが少なくとも一つの重複燃料電池システムを含む電源設備。
【請求項２０】
燃料電池システムのアレイであって、
電力バス、
互いに電気的に直列に接続され、そこに第一の電圧を発生するために運転可能な第一の燃料電池システムの集合、
互いに電気的に直列に接続され、そこに電圧を発生するために運転可能な第二の燃料電池システムの集合であって、第二の燃料電池システムの集合の各燃料電池システムが第一の燃料電池システムの集合の各燃料電池システムにそれぞれ電気的に並列に接続され、各燃料電池システムが燃料電池スタック、燃料電池スタックと電気的に並列に接続されたウルトラキャパシタ、燃料電池スタックからウルトラキャパシタへの充電電流を制限するために電気的に接続された充電電流リミッタ、および充電電流リミッタをバイパスしてウルトラキャパシタからの放電パスを提供するために電気的に接続された充電電流リミッタバイパス素子を含む燃料電池システムの組
を含むアレイを備える電源設備。
【請求項２１】
互いに電気的に直列に接続され、そこで電圧を発生するために運転可能な第三の燃料電池システムの集合をさらに含む請求項２０に記載の電源設備であって、第三の燃料電池システムの集合の各燃料電池システムが第二の燃料電池システムの集合の各燃料電池システムにそれぞれ電気的に並列に接続された電源設備。
【請求項２２】
第一の燃料電池システムの集合の燃料電池システムの数が第二の燃料電池システムの集合の燃料電池システムの数に等しく、第三の燃料電池システムの集合の燃料電池システムの数が第二の燃料電池システムの集合の燃料電池システムの数より少ない、請求項２０に記載の電源設備。
【請求項２３】
第一および第二の燃料電池システムの集合の第一の末端に電気的に接続され、第一の電位を提供する第一のタップ、
第一および第二の燃料電池システムの集合の第二の末端に電気的に接続され、第二の電位を提供する第二のタップ、および
第三の燃料電池システムの集合の第一の末端に電気的に接続され、第一および第二の電位と異なる第三の電位を提供する第三のタップ
をさらに含み、第一のタップおよび第二のタップが第一の電圧バスを形成し、第一のタップおよび第三のタップが第二の電圧バスを形成する、請求項２０に記載の電源設備。
【請求項２４】
互いに電気的に直列に接続され、そこに電圧を発生するために運転可能な第四の燃料電池システムの集合をさらに含む請求項２０に記載の電源設備であって、第四の燃料電池システムの集合の各燃料電池システムが第三の燃料電池システムの集合の各燃料電池システムにそれぞれ電気的に並列に接続された電源設備。
【請求項２５】
第四の集合中の燃料電池システムの数が一つである、請求項２４に記載の電源設備。
【請求項２６】
第一の燃料電池システムの集合の燃料電池システムの数が第二の燃料電池システムの集合の燃料電池システムの数に等しく、第三の燃料電池システムの集合の燃料電池システムの数が第二の燃料電池システムの集合の燃料電池システムの数より少なく、第四の燃料電池システムの集合の燃料電池システムの数が第三の燃料電池システムの集合の燃料電池システムの数より少ない、請求項２４に記載の電源設備。
【請求項２７】
第一および第二の燃料電池システムの集合の第一の末端に電気的に接続され、第一の電位を提供する第一のタップ、
第一および第二の燃料電池システムの集合の第二の末端に電気的に接続され、第二の電位を提供する第二のタップ、
第三の燃料電池システムの集合の第一の末端に電気的に接続され、第一および第二の電位と異なる第三の電位を提供する第三のタップ、および
第四の燃料電池システムの集合の第一の末端に電気的に接続され、第四の電位を提供する第四のタップをさらに含む請求項２４に記載の電源設備であって、第一のタップおよび第二タップが第一の電圧バスを形成し、第一のタップおよび第三のタップが第二の電圧バスを形成し、第一のタップおよび第四のタップが第三の電圧バスを形成する電源設備。
【請求項２８】
第一および第二の燃料電池システムの集合の第一の末端と第二の末端との間に電気的に接続され、規準電位を提供する第一のタップ、
第一および第二の燃料電池システムの集合の第一の末端に電気的に接続され、第一の電位を提供する第二のタップであって、第一の電位が基準電位より高いタップ、
第一および第二の燃料電池システムの集合の第二の末端に電気的に接続され、第二の電位を提供する第三のタップであって、第二の電位が基準電位より低いタップ、
第三の燃料電池システムの集合の第一の末端に電気的に接続され、第三の電位を提供する第四のタップであって、第三の電位が基準電位より高く、第一の電位より低いタップ、
第四の燃料電池システムの集合の第一の末端に電気的に接続され、第四の電位を提供する第五のタップであって、第四の電位が基準電位より高く、第三の電位より低いタップ、および
第四の燃料電池システムの集合の第二の末端に電気的に接続され、第五の電位を提供する第六のタップであって、第五の電位が基準電位より低く、第二の電位より高いタップ
をさらに含む、請求項２０に記載の電源設備。
【請求項２９】
第一のタップおよび第二のタップが第一の電圧バスを形成し、第一のタップおよび第三のタップが第二の電圧バスを形成し、第一のタップおよび第四のタップが第三の電圧バスを形成し、第一のタップおよび第五のタップが第四の電圧バスを形成し、第一のタップおよび第六のタップが第五の電圧バスを形成する、請求項２８に記載の電源設備。
【請求項３０】
第一の電位が基準電位より約１２０ボルト高く、第二の電位が基準電位より約４８ボルト低く、第三の電位が基準電位より約４８ボルト高く、第四の電位が基準電位より約２４ボルト高く、第五の電位が基準電位より約２４ボルト低い、請求項２８に記載の電源設備。
【請求項３１】
燃料電池システムに酸化剤を供給する酸化剤供給システムをさらに含む、請求項１−３０の任意の一つに記載の電源設備。
【請求項３２】
燃料電池システムに燃料気体を供給する燃料供給システムをさらに含む、請求項１−３０の任意の一つに記載の電源設備。
【請求項３３】
燃料供給システムが水素貯蔵装置を含む、請求項３２に記載の電源設備。
【請求項３４】
燃料供給システムが加圧水素タンクを含む、請求項３２に記載の電源設備。
【請求項３５】
燃料電池システムおよび交流電源に電気的に接続可能な整流器をさらに含む、請求項１−３０の任意の一つに記載の電源設備。
【請求項３６】
アレイに電気的に接続可能なインバータをさらに含む、請求項１−３０の任意の一つに記載の電源設備。
【請求項３７】
電気的に直列に接続された一定数のウルトラキャパシタ、
ウルトラキャパシタに電気的に直列に接続された充電電流リミッタ、および
充電電流リミッタに電気的に接続され、充電電流リミッタをバイパスするパスを提供するために操作可能なバイパス素子
を含む電力システム用の配電回路。
【請求項３８】
バイパス素子がバイパスダイオードである、請求項３７に記載の配電回路。
【請求項３９】
各ウルトラキャパシタに対して、各ウルトラキャパシタにそれぞれ電気的に並列に接続された複数のサージダイオードをさらに含む、請求項３７に記載の配電回路。
【請求項４０】
各ウルトラキャパシタに対して、各ウルトラキャパシタに電気的に並列に接続された複数のサージダイオードをさらに含む請求項３７に記載の配電回路であって、複数のサージダイオードの一つがツェナーダイオードである配電回路。
【請求項４１】
各ウルトラキャパシタに対して、各ウルトラキャパシタにそれぞれ電気的に並列に接続された複数のサージダイオードをさらに含む請求項３７に記載の配電回路であって、サージダイオードの電圧の合計がそれぞれのウルトラキャパシタの電圧定格にほぼ等しい配電回路。
【請求項４２】
複数のウルトラキャパシタおよび充電電流リミッタと電気的に並列に接続された逆電流防止ダイオード
をさらに含む、請求項３７に記載の配電回路。
【請求項４３】
ウルトラキャパシタの直列電気接続によって定められた順序で数えた複数のウルトラキャパシタの最初の一つと最後の一つとの間に充電電流リミッタが電気的に接続された、請求項３７に記載の配電回路。
【請求項４４】
ウルトラキャパシタの直列電気接続によって定められた順序で数えた複数のウルトラキャパシタの最初の一つの前に充電電流リミッタが電気的に接続された、請求項３７に記載の配電回路。
【請求項４５】
充電電流リミッタがリニアモード回路コントローラである、請求項３７に記載の配電回路。
【請求項４６】
充電電流リミッタがスイッチモード電流コントローラである、請求項３７に記載の配電回路。
【請求項４７】
複数のウルトラキャパシタと電気的に並列に接続された燃料電池スタックをさらに含む、請求項３７に記載の配電回路。
【請求項４８】
電気的に直列に接続された複数のウルトラキャパシタ、
ウルトラキャパシタと電気的に直列に接続されたリニアモード充電電流リミッタ、および
充電電流リミッタに電気的に並列に接続され、充電電流リミッタのバイパスを選択的に提供するバイパス素子
を含む、電力システム用の配電回路。
【請求項４９】
リニアモード充電電流リミッタが
一対のアクティブ端子および制御端子を含む充電電流制限トランジスタであって、アクティブ端子がウルトラキャパシタと電気的に直列に接続され、しきい値電圧を超える充電電圧に感応してウルトラキャパシタに充電電流を通す充電電流制限トランジスタ、および
充電電流制限トランジスタを制御するために電気的に接続され、充電電流をしきい値電流に制限するフィードバックトランジスタ
を含む請求項４８に記載の配電回路。
【請求項５０】
充電電流リミッタが
一対のアクティブ端子および制御端子を含む充電電流制限であって、アクティブ端子がウルトラキャパシタと電気的に直列に接続され、制御端子が電力バスに電気的に並列に接続された充電電流制限、
電力バスの一部分と充電電流制限トランジスタの制御端子との間に電気的に接続され、ターンオン電圧を設定するツェナーダイオード、および
充電電流制限トランジスタの制御端子に電気的に接続され、第一のトランジスタのアクティブ端子を流れる電流の流れを制限する一対の制御端子を含むフィードバックトランジスタ
を含む請求項４８に記載の配電回路。
【請求項５１】
充電電流リミッタが
第一の損失制限トランジスタ、および
第二の損失制限トランジスタをさらに含み、第一および第二の損失制限トランジスタが充電電流制限トランジスタの制御端子とツェナーダイオードとの間にダーリントン配置で電気的に接続された、請求項５０に記載の配電回路。
【請求項５２】
充電電流リミッタが
過電圧ツェナーダイオード、および
フィードバックトランジスタのアクティブ端子にそれぞれ電気的に接続された一対のアクティブ端子を有し、過電圧ツェナーダイオードを通じて電力バスの一部分に電気的に接続され、電力バスの電圧が過電圧しきい値を上回ると充電電流を遮断する制御端子を含む過電圧トランジスタ
をさらに含む、請求項５０に記載の配電回路。
【請求項５３】
充電電流リミッタが
ツェナーダイオード、
一対のアクティブ端子および制御端子を含む過電圧トランジスタであって、アクティブ端子がフィードバックトランジスタのアクティブ端子にそれぞれ電気的に接続され、制御端子が電力バスの一部分に電気的に接続された過電圧トランジスタ、および
一対のアクティブ端子および制御端子を含む電圧設定トランジスタであって、アクティブ端子が過電圧トランジスタの制御端子と電力バスの別の一部分との間に電気的に接続され、制御端子がツェナーダイオードを通じてウルトラキャパシタに電気的に接続された電圧設定トランジスタ
をさらに含む、請求項５０に記載の配電回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は全体として、たとえば燃料電池システムなどの電源装置、およびたとえば蓄電池および／またはウルトラキャパシタなどの電力貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
当分野において燃料電池は既知である。燃料電池は水素を含む燃料の流れと酸素を含む酸化剤の流れとを電気化学的に反応させ、電流を発生する。燃料電池電源設備は輸送、携帯および固定用途で使用されてきた。
【０００３】
固定用途および携帯用途には分散電力発電、予備電力、ピーク電力、および無停電電源装置（ＵＰＳ）システムが含まれる。分散電力発電は電力会社の送電網の代替または補助として、住宅、商業および／または工業の顧客に電力を提供することに関わっている。一般に分散電力電源設備は連続的に稼動する。分散電力電源設備は、送電網が利用できないか、または信頼性が十分でない場合にとくに適している。ピーク電力システムは、十分な送電網電力が利用できないとき、または電力会社が請求する料金が割高になるピーク使用時間帯に断続的に電力を提供して、送電網を補うことを意図している。予備電力およびＵＰＳシステムは、送電網電力またはその他の一次側電源が利用できないときに電力を供給する。
【０００４】
上記に加え、ＵＰＳシステムは十分連続的に消費者に電力を供給できなければならない。すなわちＵＰＳシステムは送電網電力が停電しても消費者への電力供給が中断しないよう、「瞬時オン」でなければならない。たとえば、電子装置に依存する消費者にとって、わずかな電力供給の中断といえども許されない。これについては情報技術産業協議会（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ｃｏｕｎｃｉｌ）が２０ミリ秒を超えないこととする電圧降下の指針を発表している。ここで、電圧降下には重度のＲＭＳ電圧低下および印加電圧の完全な停止が含まれる。
【０００５】
送電網が停電すると、従来の予備電力およびＵＰＳシステムは充電式蓄電池バンクを使用して電力を供給する。比較的短い使用時間でよい用途では、蓄電池バンクがただ一つの予備電力源ということがある。しかし、もっと長い使用時間が必要な場合、従来の予備電力およびＵＰＳシステムでは発電機も使用して電力を供給する。この場合、蓄電池バンクは発電機がオンラインになるまで当面の電力を供給する。
【０００６】
蓄電池バンクには調節弁式鉛酸（ＶＲＬＡ）蓄電池がもっともよく使用される。蓄電池の数は必要な供用時間で決まる。小電力用途（２−７．５ｋＷ）では使用時間１５分以下が普通であるが、蓄電池だけを使用するその他のシステムで、使用時間４−８時間またはそれ以上を必要とすることもある。蓄電池の充電に際して、蓄電池の損傷を避けるため電流制限を設ける。実際にはＶＲＬＡ蓄電池は６倍−１０倍レートで充電される。すなわち、蓄電池をフル充電するために要する時間は蓄電池の放電時間より６倍から１０倍長い。
【０００７】
これらの従来型電力供給システムには重大な弱点がいくつかある。たとえば、特に長時間の蓄電池供用時間（たとえば、＞４時間）が必要な用途では、ＶＲＬＡ蓄電池バンクは大きくて重い。大きな蓄電池バンクは設置用にかなりの広さの屋内床面積を必要とし、そのために多額の費用を要することがある。さらに、蓄電池バンクの重量が大きいために、大きな耐荷重能力を有する屋内床面が必要であり、コスト高になることがある。増大した設置コストにＶＲＬＡ蓄電池の保管および運転に関する環境規制が加わる。蓄電池を使用するシステムのコストおよび複雑さに、発電機の運転および維持管理がさらに加わる。
【０００８】
燃料電池電源設備を使用する予備電力およびＵＰＳシステムもまた提案されてきた。これらのシステムには、たとえば燃料電池への反応原料の供給、燃料電池がフル出力に達するまでに要する時間、およびサージ需要能力の面でいくつか弱点がある。
【０００９】
燃料電池の出力は供給された反応原料量に比例する。始動に際して、一般に燃料電池がフル運転電力に到達するまでには遅れがある。このため燃料電池だけを使用する予備電力またはＵＰＳシステムは「瞬時オン」ではないので、いくつかの用途には不適である。一つの手法は、負荷に電力を供給するかあるいは低出力「スタンバイ」モードにして、予備電力またはＵＰＳシステムの燃料電池を連続運転状態に維持することであった。この方法を用いると、応答時間は改善されるが、水素消費量が著しく増大して水素貯蔵設備の問題が深刻化する。さらに、電源設備が断続的に運転されるシステムと比較すると、電源設備の耐用年数が悪影響を受けることがある。
【００１０】
負荷の要求電力が燃料電池の最大出力を超えると、燃料電池が損傷を受けることがある。したがって、燃料電池だけを使用する電源設備では燃料電池スタックの定格出力は一般に予測されるピーク負荷に合わせられる。過渡的な負荷増大が通常の負荷要求電力より著しく大きな用途では、サージ電力需要に対応するためにサイズおよび出力が通常運転に必要とされるよりも大きな燃料電池スタックが必要となる。好ましくないが、これによって電源設備のコストがまた増大する。
【００１１】
大部分の実際の用途では、燃料電池スタックからほぼ一定の電圧出力を維持することが望ましい。一つの手法は、すべて２００１年１２月１４日に出願された「燃料電池システムからの電圧を調節する方法および装置（Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｆｒｏｍ  ａ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）」と題する係属中の米国特許出願第１０／０１７，４８０号（代理人書類番号１３０１０９．４３６）明細書、「燃料電池システムからの電圧の複数モード制御の方法および装置（Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｍｏｄｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｆｒｏｍ  ａ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）」と題する同第１０／０１７，４６２号（代理人書類番号１３０１０９．４４２）明細書、および「燃料電池システム複数ステージ電圧制御方法および装置（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｓｔａｇｅ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ）」と題する同第１０／０１７，４６１号（代理人書類番号１３０１０９．４４６）明細書中で開示されているように、負荷の需要が燃料電池スタックの出力を超えれば燃料電池システムに電気的に並列に接続された蓄電池を使用して追加分の電流を提供し、燃料電池スタックの出力が負荷の需要を上回れば、電流を蓄えることである。
【００１２】
燃料電池による電源装置には多数のさまざまな実際的な用途があり、非常に多様な電力供給能力が必要である。ほとんどの場合、用途が求めるより多い電力を供給できる電源装置を使用すると、コストが極めて高く運転効率が悪い。潜在的な用途の需要（たとえば、１ｋＷ、２ｋＷ、５ｋＷ、１０ｋＷ等々）にそれぞれ対応できる種々の電源装置をあらかじめ設計し、製造し、維持しておくこともまたコストが高く、非効率的である。加えて、あまりコストを増大させずに電源装置の信頼性を増すことが望ましい。したがって燃料電池系の電源装置を実現するために、コストが安く、複雑さが少なく、および／または効率が高い手法が望ましい。
【００１３】
本発明は上記で説明した課題に取り組み、その他の関連する特長を提供する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（発明の要約）
電源設備を提供する。一つの様相では、本電源設備は燃料電池システムのアレイを備える。アレイは、電力バス、第一および第二の燃料電池システムであってそれぞれ燃料電池スタックを含む燃料電池システム、燃料電池スタックと電気的に並列に接続された電力貯蔵装置、燃料電池スタックから電力貯蔵装置および電力バスへの電流の流れを制御する手段、および少なくとも二つの燃料電池システムを電力バス中で選択的に電気的に直列に接続する手段を含む。
【００１５】
別の様相では、本電源設備は燃料電池システムのアレイおよび重複手段を備える。アレイは、電力バス、電力バスに電気的に直列に接続可能な複数の燃料電池システムであって各燃料電池システムが燃料電池スタック、スタックの少なくとも一つと電気的に並列に接続された電力貯蔵装置を含む複数の燃料電池システムを含む。重複手段は複数の燃料電池システムのそれぞれ第一の燃料電池システムを電力バスに選択的に電気的に直列に接続する。第一の重複手段は複数の燃料電池のそれぞれ第一の燃料電池の運転条件以外の運転条件に感応する。
【００１６】
さらに別の様相では、本電源設備は、燃料電池システムのアレイであって、互いに電気的に直列に結合されそこに第一の電圧を発生するために運転可能な第一の燃料電池システムの集合を含むアレイ、および互いに電気的に直列に結合されそこに電圧を発生するために運転可能な第二の燃料電池システムの集合を含む。第二の燃料電池システムの集合の各燃料電池システムは、第一の燃料電池システムの集合の各燃料電池システムにそれぞれ電気的に並列に接続される。燃料電池システムは燃料電池スタック、燃料電池スタックと電気的に並列に接続されたウルトラキャパシタ、電気的に接続され燃料電池スタックからウルトラキャパシタへの充電電流を制限する充電電流リミッタ、および電気的に接続され充電電流リミッタをバイパスしてウルトラキャパシタからの放電パスを提供する充電電流リミッタバイパス装置を含む。
【００１７】
さらに別の様相では、電気的に直列に接続されたある数のウルトラキャパシタ、ウルトラキャパシタと電気的に直列に接続された充電電流リミッタ、および充電電流リミッタの前後に電気的に接続され、充電電流リミッタをバイパスするパスを提供するために使用可能なバイパス素子を含む電力システム用配電回路を提供する。
【００１８】
さらに別の様相では、電力システム用配電回路は、電気的に直列に接続されたある数のウルトラキャパシタ、ウルトラキャパシタと電気的に直列に接続されたリニアモード充電電流リミッタ、および充電電流リミッタの前後に電気的に接続され、充電電流リミッタのバイパスを選択的に提供するバイパス素子を含む。
【００１９】
（発明の詳細な説明）
以下の説明では、本発明のさまざまな実施態様の完全な理解を提供するために、いくつかの特定の詳細を明らかにする。しかしながら、これらの詳細がなくても本発明が実施され得ることは当業者には明らかであろう。その他、本発明の実施態様の説明を不必要に曖昧にすることを避けるため、燃料電池、燃料電池スタック、蓄電池、はずみ車、およびスーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタなどの電力貯蔵装置、反応原料供給システム、温度制御システムおよび燃料電池システムに関わる公知の構造を詳細に示したり説明したりはしなかった。本説明および請求項を通じて、用語スーパーキャパシタおよびウルトラキャパシタは無差別に使用されている。
【００２０】
状況によって必要にならない限り、本明細書およびその後に続く請求項を通じて、用語「含む」およびその活用形、たとえば「（三人称単数の）含む」および「（現在分詞の）含む」は開放的で包括的な意味、すなわち「を含むが、限定はされない」として解釈されるものとする。
【００２１】
図面中で同一の参照番号は類似の素子または動作を示す。図面中の素子のサイズおよび相対的な位置は必ずしも一定比率で描かれていない。たとえば、さまざまな素子の形状および角度は一定の比率で描かれておらず、これらの素子のあるものは図面の見やすさを改善するため恣意的に拡大され、配置されている。さらに、描かれた素子の特定の形状は特定の素子の実際の形状に関するいかなる情報を知らせることも意図せず、図面中での認知の容易さのためにだけ選ばれたものである。
【００２２】
（燃料電池システムの概要）
図１は、負荷１２に電力を提供する本発明の例示された実施態様中で使用されるハイブリッド燃料電池システム１０を示す。一般に負荷１２は車両、電気機器、コンピュータおよび／または関連周辺機器など、ハイブリッド燃料電池システム１０によって電力を供給される装置を構成する。一般にハイブリッド燃料電池システム１０は負荷１２の部分とはみなされないが、いくつかの可能な実施態様では制御装置などのハイブリッド燃料電池システム１０の部分が負荷１２の一部分またはすべてを構成することがある。
【００２３】
燃料電池システム１０は、電気的に直列に接続されたある数の個別の燃料電池で構成された燃料電池スタック１４を含む。燃料電池スタック１４は反応原料供給システム１６を介して矢印９で表される水素および空気などの反応原料を受け入れる。反応原料供給システム１６は一つ以上の反応原料供給貯槽または供給源１１、改質装置（図示されていない）、および／または一つ以上のコンプレッサ、ポンプおよび／またはバルブ１８またはその他の反応原料調節素子など一つ以上の制御素子を含むことがある。燃料電池スタック１４を運転すると、矢印２０で表され一般に水を含む反応原料の生成物が発生する。燃料電池システム１０は反応原料の生成物２０の一部または全部を再利用することがある。たとえば矢印２２によって表されるように、一部または全部の水を燃料電池スタック１４に戻して、水素および空気に適切な温度で湿気を与え、および／またはイオン交換膜（図示されていない）を水和させ、または燃料電池スタック１４の温度を制御することがある。
【００２４】
燃料電池スタック１４は開路電圧に等しい電圧および直列抵抗ＲＳを有する理想的な蓄電池としてモデル化することができる。直列抵抗ＲＳの値は主としてスタック電流ＩＳ、反応原料の利用しやすさ、および時間の関数である。特定の燃料電池スタック１４に対して、直列抵抗ＲＳは分極曲線に従って変化する。反応原料９の利用しやすさを制御することによって直列抵抗ＲＳを調節し、任意の所定電流に対して所望の電圧を低下させ、それによってスタック電流ＩＳのある範囲でスタック電圧ＶＳをほぼ一定にすることができる。反応原料の流れと直列抵抗ＲＳとの間の関係は図１で破線矢印１３によって示される。しかし、燃料電池システム１０の内部で反応原料および反応圧力を全体として減少させるだけでは、システムの全体的な運転、たとえばイオン交換膜の水和および／または燃料電池スタックの温度制御と相容れないことがある。これらの好ましくない結果を避けるために、燃料電池システム１０は下記でさらに詳細に説明するように反応原料の分圧を調節することがある。
【００２５】
燃料電池スタック１４は、正および負の電圧レール１９ａ、１９ｂによって形成される高圧バスにスタック電圧ＶＳを発生させる。燃料電池スタック１４から高圧バス経由で負荷１２にスタック電流ＩＳが流れる。本明細書中で使用される「高電圧」は、負荷１２に電力を供給するために従来の燃料電池スタック１４によって発生される電圧を意味し、制御および／または通信のために燃料電池システム１０によって使用されるその他の電圧（たとえば５Ｖ）と区別するために使用される。したがって高電圧およびはその他の電気システムと比べて必ずしも「高い」わけではない。
【００２６】
ハイブリッド燃料電池システム１０は、高電圧バスのレール１９ａ、１９ｂに燃料電池スタック１４と電気的に並列に接続されたスーパーキャパシタおよび／または蓄電池２４などの電力貯蔵機器を含み、負荷１２に電力を供給する。蓄電池２４の開路電圧は燃料電池スタック１４のフル負荷電圧と近いように選ばれる。蓄電池２４の内部抵抗ＲＢは燃料電池スタック１４の内部抵抗よりはるかに低いように選ばれる。したがって蓄電池２４は、負荷１２が必要とするより多くの電流を燃料電池スタック１４が製造するとき過剰の電流を吸収し、負荷１２が必要とするより少ない電流を燃料電池スタック１４が製造するとき負荷１２に電流を供給するバッファとして機能する。高電圧バス１９ａ、１９ｂの電圧は、蓄電池２４の開路電圧マイナス流蓄電池２４の内抵抗ＲＢ値かける蓄電池の放電電である。蓄電池２４の内部抵抗ＲＢが小さいほど、バス電圧の変化は小さい。
【００２７】
電流が蓄電池２４から燃料電池スタック１４に流れるのを防ぐため、燃料電池スタック１４と蓄電池２４との間にオプションの逆電流阻止ダイオードＤ１を電気的に接続してもよい。逆電流阻止ダイオードＤ１の欠点は関連するダイオード電圧降下である。燃料電池システム１０はまた、ショートおよび／またはサージを防ぐためにその他のダイオードならびにヒューズまたはその他のサージ保護素子を含むことがある。
【００２８】
（燃料電池システム制御ステージ）
燃料電池システム１０は直列パス素子３２、および直列パス素子３２中の電流の流れを制御する調節回路３４を使用する第一ステージ、および反応原料分圧を調節して燃料電池スタック１４の直列抵抗ＲＳを制御するコントローラ２８を使用する第二ステージの二つの制御ステージを含む。第一および第二ステージはともに、ときにはほとんど同時に、並列結合された蓄電池２４と協力して、蓄電池２４および燃料電池スタック１４を損傷から保護すると同時に効率的で連続的な出力電圧制御を実現する。
【００２９】
第一ステージは比較的速く応答するステージであるが、第二ステージは第一ステージに比べるとゆっくり応答するステージである。上記で考察したように蓄電池２４は、需要が燃料電池スタック１４の出力より多いときには負荷１２に電流を供給し、燃料電池スタック１４の出力が負荷１２の需要を上回るときには過剰の電流を吸収して、負荷要求電力の変化に対して非常に迅速な応答を提供する。第一ステージは直列パス素子３２中の電流の流れを制御することによって、蓄電池２４が損傷なく効率的に適切に充電され、放電されることを保証する。第二ステージは反応原料分圧、ひいては直列抵抗ＲＳを制御することによって、燃料電池スタック１４の運転効率（すなわち、燃料電池が運転する特定の分極曲線として表される）を制御する。したがって第二ステージはより多くのエネルギーが燃料電池スタック１４を介して放散されるようにすることによって、直列パス素子３２によって（すなわち、効率のより低い運転によって）失われる熱量を制限する。
【００３０】
燃料電池スタック１４がエネルギーを熱として放散する場合、このエネルギーは燃料電池システムのさまざまな部分で回収可能であり、したがって燃料電池システムのその他の部分で再利用できる（すなわち、コジェネレーション）。たとえば熱として放散されるエネルギーを空気流、スタック冷却媒体、または反応原料を介して燃料電池スタック１４にリサイクルすることがある。さらに、またはあるいは、熱として放散されるエネルギーを改質装置（示していない）、燃料電池システム１０のその他の部分、またはなんらかの外部システムにリサイクルすることがある。さらに、直列パス素子３２が放散しなければならないエネルギー量を制限することによって、直列パス素子３２および任意の関連吸熱装置のサイズおよび関連コストを減らすことができる。
【００３１】
第一および第二ステージの詳細を以下に詳細に考察する。
【００３２】
（第一ステージ概要、直列パス素子調節装置）
引き続き図１を参照して、燃料電池システム１０の第一ステージは、燃料電池スタック１４と蓄電池２４との間に電気的に接続され、燃料電池スタック１４から蓄電池２４および負荷１２への電流の流れを制御する直列パス素子３２を含む。燃料電池システム１０の第一ステージはまた、燃料電池システム１０のさまざまな運転パラメータにもとづいて直列パス素子３２を調節する、結合された調節回路３４を含む。直列パス素子３２はたとえば、燃料電池スタック１４と蓄電池２４との間に電気的に接続されたドレインおよびソース、ならびに調節回路３４の出力に電気的に接続されたゲートを有する電界効果トランジスター（「ＦＥＴ」）の形をとってもよい。
【００３３】
燃料電池システム１０の第一ステージは、燃料電池システム１０のさまざまな運転パラメータを決定する複数のセンサを含む。燃料電池システム１０はたとえば、蓄電池電流ＩＢを決定するために接続された蓄電池充電電流センサ３６を含む。燃料電池システム１０はまたたとえば、スタック電流ＩＳを決定するために接続された燃料電池スタック電流センサ３８を含む。さらに、燃料電池システム１０はたとえば、蓄電池２４の電圧ＶＢを決定するために蓄電池電圧センサ４０を含む。さらに、燃料電池システム１０は蓄電池２４または蓄電池２４のそばの大気温度を決定するために配置された蓄電池温度センサ４２を含むことがある。センサ３６−４２は調節回路３４とは別個のものとして例示されるが、いくつかの実施態様ではセンサ３６−４２の一つ以上が調節回路３４の一部として統合されることがある。
【００３４】
燃料電池システム１０の第一ステージは、燃料電池システム１０の始動時に電圧をゆっくり引き上げるソフト始動回路１５を含むことがある。燃料電池システム１０はまた、たとえばスタックの反応原料供給システムで問題が起こってスタックへの損傷を防ぐためにすばやく負荷を取り除かれなければならない場合、または第二ステージの制御に問題が生じた場合に、燃料電池スタック１４への損傷を防ぐためにすばやくシャットダウンする急速遮断回路１７を含むことがある。
【００３５】
（第二ステージの概要、反応原料分圧コントローラ）
燃料電池システム１０の第二ステージはコントローラ２８、アクチュエータ３０およびバルブ１８などの反応原料流量調節装置を含む。コントローラ２８は直列パス素子３２の入力側から第一の電圧Ｖ１の値、直列パス素子３２の出力側から第二の電圧Ｖ２の値を受け取る。コントローラ２８は第一の電圧Ｖ１と第二の電圧Ｖ２との間の差にもとづいてアクチュエータ３０に制御信号を提供し、バルブ１８またはその他の反応原料流量調節素子を介して燃料電池スタック１４への反応原料の流量を調節する。
【００３６】
利用できる反応原料と消費される反応原料との間の短時間のミスマッチは蓄電池２４がすべてカバーするので、燃料電池反応原料供給システム１６が応答する必要があるスピードは電力負荷の変動速度よりはるかに遅くてよい。燃料電池反応原料供給システム１６が応答する必要があるスピードは、主に蓄電池２４の充電／放電サイクルの深さおよび直列パス素子３２を介するエネルギー放出をもたらす。
【００３７】
（電力供給システム）
図２は、燃料電池システムの一次元アレイ５２を含む電力供給システム５０の一つの実施態様を示す。燃料電池システムは全体が１０として参照され、負荷１２に電力を供給する電源バス５６を形成する正および負の電圧レール５６ａ、５６ｂにそれぞれ電気的に直列に接続可能である。各燃料電池システム１０の正と負との出力の間には全体が５８として参照されるダイオードがそれぞれ電気的に接続される。例示した電力供給システム５０には１０（１）−１０（Ｍ＋１）として個別に参照される数Ｍ＋１の燃料電池システムが含まれ、括弧内の数はアレイ内の燃料電池システム１０の位置を指す。図２の楕円記号は電力供給システム５０には三番目の燃料電池システム１０（３）とＭ番目の燃料電池システム１０（Ｍ）との間に別の燃料電池システム（明示的には図示されていない）が含まれることがあることを示す。一つ以上の燃料電池システム（たとえば１０（Ｍ＋１））が、たとえばその他の燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）の一つが不良となったとき、または負荷１２がもっと多くの電力または電圧を要求するとき、必要に応じて電源バス５６に電気的に直列に接続され、「余剰の」燃料電池システムとして機能することがある。
【００３８】
電力供給システム５０は、不良または故障の場合に個別の燃料電池システム１０を自動的に切り離すことができる接触機またはトランジスタ６０などの一つ以上の誤りスイッチを使用することがある。たとえば、燃料電池システム１０自身の運転条件中の不良または故障、または電力供給システム５０の運転条件中の不良または故障が発生すると、故障トランジスタ６０が開通することがある。
【００３９】
電力供給システム５０は、燃料電池システム１０（Ｍ＋１）自身の運転条件以外の条件にもとづいて、それぞれの燃料電池システム１０（Ｍ＋１）を電源バス５６に手動または自動で電気的に接続することができるコントラクタまたはトランジスタ６２など、一つ以上の重複スイッチを使用することがある。たとえば別の燃料電池システム１０が不良の場合、重複トランジスタ６２が閉じて重複燃料電池システム１０（Ｍ＋１）を電源バス５６に電気的に接続して、負荷１２への電力、電圧および電流を維持することがある。また、たとえば、より高い出力電力が望まれる場合、重複トランジスタ６２が閉じて重複燃料電池システム１０（Ｍ＋１）を電源バス５６に電気的に接続して、負荷１２への電力、電圧および電流を調整することがある。
【００４０】
手動操作が可能ではあるが、電力供給システム５０が冗長スイッチ（たとえばトランジスタ６２）の運転を自動的に制御する制御ロジック６４を含むことがある。
【００４１】
制御ロジック６４はその他の燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）の一つ以上から入力を受け取ることがあり、その入力は燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）のそれぞれの運転条件に関連する（すなわち、「ユニット１からＭまでの接続不良の場合に導通」）。たとえば、制御ロジック６４は燃料電池システム１０の燃料電池スタック１４および／または電力貯蔵装置２４に関連する電圧、電流および／または電力測定値を受け取ることがある。そのような測定値はスタック電流ＩＳ、スタック電圧ＶＳ、蓄電池電流ＩＢおよび蓄電池電圧ＶＳおよび／または温度を含むことがあるが、それらには限定されない。また、制御ロジック６４はたとえば環境水素レベル、環境酸素レベル、および反応原料流量を含むが、それらには限定されない燃料電池システム１０のさまざまなシステムの運転条件に関連する論理値を受け取ることがある。これについては、「燃料電池システム方法、装置および運転スケジュール作成（ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＳＹＳＴＥＭ  ＭＥＴＨＯＤ，  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＡＮＤ  ＳＣＨＥＤＵＬＩＮＧ）」と題する２００１年７月２５日出願の係属中の米国出願第０９／９１６，２４０号（代理人書類番号１３０１０９．４０９）明細書を参照する。
【００４２】
さらに、またはあるいは、制御ロジック６４は、電源バス５６のさまざまな点の電圧または電流を決定するために接続された電圧および電流センサなど、電力供給システム５０のその他の構成部分から入力を受け取ることがある。たとえば、制御ロジック６４は一次元アレイ５２の「上部」で測定された電源バスにかかる電圧に対応する電圧値を受け取ることがあり、予測されるしきい値より低い測定値を検出することによって間接的に燃料電池システム１０の一つ以上の中の不良を制御ロジック６４が検出する（すなわち、「ＶＸ＜Ｍ×２４Ｖなら導通」）ことを可能にする。不良条件を検出するしきい値は制御ロジック６４中であらかじめ定められることもあり、またはアナログまたはディジタル制御器、または専用または汎用コンピュータ上のグラフィカルユーザインタフェースなどのユーザインターフェース６６を介してユーザまたはオペレータによって設定されることもある。
【００４３】
さらに、またはあるいは、制御ロジック６４は、ユーザまたはオペレータからユーザインターフェース６６を介して、電力、電圧、およびまたは電流のしきい値などの運転パラメータを設定し、所望の電力、所望の電圧または所望の電流公称値などの所望のパラメータを設定し、電気的構成情報を提供し、切り替え信号を提供し、および／または制御ロジック６４の自動運転の決定を覆す一組のユーザ変数を含む入力を受け取ることがある。ユーザインターフェース６６は電力供給システム５０のその他の部分から遠隔のことがある。制御ロジック６４は一つ以上の結線回路、ファームウェア、マイクロコントローラ、特定用途プロセッサ、プログラム化汎用プロセッサ、および／またはコンピュータ可読媒体上の指示コードに実体化することができる。
【００４４】
上記で考察した第一および／または第二ステージ運転時など、燃料電池システム１０の出力電圧が厳密に制御できる場合には、燃料電池システム１０の直列接続が可能である。したがって、任意の所望の数の燃料電池システム１０を電気的に直列に接続して、個々の燃料電池システム１０の任意の整数倍の電圧出力を実現することができる。たとえば、各燃料電池システム１０がレール１９ａ、１９ｂの間に２４ボルトを発生する場合、三つの燃料電池システム１０（１）−１０（３）を電気的に接続して、電力バス５６に７２ボルトが発生させることができる。さらに一般化すると、数Ｍの燃料電池システム１０を電気的に直列に接続して、電源バス５６にＭかける名目燃料電池システム電圧を発生させることができる。付け加えると、直列接続に際して一次元アレイ５２中の重複燃料電池システム１０（Ｍ＋１）の位置は重要ではない。
【００４５】
図３は、電力バス５６を介して負荷１２に電力を供給する数Ｍ行および数Ｎ列に配置された燃料電池システム１０の二次元アレイ６８を示す。燃料電池システム１０は１０（１，１）−１０（Ｍ，Ｎ）で個別に参照され、括弧内の最初の数は燃料電池システム１０の二次元アレイ６８中の行位置を示し、括弧内の第二の数は列位置を示す。図３中の楕円記号は二次元アレイ６８のさまざまな行および列には別の燃料電池システム（明示的には図示されていない）が含まれることがあることを示す。説明を明快にするために、ダイオード５８、不良および重複それぞれのスイッチ６０、６２、制御ロジック６４、およびユーザインターフェース６６は図３から省略した。
【００４６】
各燃料電池システム１０（１，１）−１０（Ｍ，Ｎ）は個別に電力バス５６に接続して、さまざまな所望の出力電力、電圧、または電流を提供することができる。各列１−Ｍ中の燃料電池システム１０（１−Ｍ，１）、１０（１−Ｍ，２）、１０（１−Ｍ，３）−１０（１−Ｍ，Ｎ）は互いに電気的に直列に接続可能である。各行１−Ｎ中の燃料電池システム１０（１，１−Ｎ）、１０（２，１−Ｎ）、１０（３，１−Ｎ）−１０（Ｍ，１−Ｎ）は互いに電気的に並列に接続可能である。図３およびこの説明から、二次元アレイ６８が燃料電池システム１０の直列接続を可能にして、出力電圧を調節することによって電力供給システム５０の出力電力を調節することが当業者には明らかであろう。二次元アレイ６８が燃料電池システム１０を並列接続を可能にして、出力電流を調節することによって電力供給システム５０の出力電力を調節することも当業者には明らかであろう。二次元アレイ６８が燃料電池システム１０の直列および並列接続を可能にして、出力電流および出力電圧を調節することによって電力供給システム５０の出力電力を調節することが当業者にはさらに明らかであろう。したがって、各燃料電池システムがたとえば２４ボルトおよび４０アンペアで１ｋＷを発生する例示された実施態様の場合、最大出力電力Ｎ×ＭｋＷが可能である。本明細書中で考察した一次元および二次元アレイ構造が互いに電気的に接続され得る位置を指し、燃料電池システム５４が必ずしも物理的に行および／または列に配置されなくともよいことが当業者にはさらに明らかであろう。
【００４７】
図４−６は、各燃料電池システム１０が２４ボルトおよび４０アンペアで１ｋＷを提供できる場合に、所望の出力電力、たとえば４ｋＷを製造する図３の二次元アレイ６８の燃料電池システム１０の三つの異なる電気的な配置を例示する。詳しくは、図４は９６ボルトおよび４０アンペアで４ｋＷの電力を提供するために、電気的に直列に接続され二次元アレイ６８の第一列の４つの燃料電池システム１０（１，１）−１０（４，１）を使用する一つの例を示す。図５は２４ボルトおよび１６０アンペアで４ｋＷの電力を提供するために電気的に並列に接続された二次元アレイ６８の第一行の４つの燃料電池システム１０（１，１）−１０（１，４）の実施態様の一例を示す。図６は二次元配列６８の４つの燃料電池システム１０（１，１）、１０（１，２）、１０（２，１）、１０（２，２）を使用する例を示す。ここでは二対の直列接続燃料電池システム１０（１，１）、１０（２，１）および１０（１，２）、１０（２，２）が電気的に並列に接続されて４８ボルトおよび８０アンペアで４ｋＷの電力を発生する。これらの教示から、二次元アレイ６８の燃料電池システム１０の電気的な接続のその他の組み合せおよび入れ替えが可能であることが当業者には明らかであろう。
【００４８】
（反応原料供給システム）
酸化剤ガスは純酸素でもよくまたは空気などの酸素含有ガスでもよい。前者の場合には酸化剤供給システムは貯蔵酸素源を含むことがあり、後者の場合には常圧または高圧でスタックに空気が供給されることがある。高圧運転が望ましい場合には、コンプレッサ、ブロワー、ポンプ、ブースターまたはエジェクターを含むガス圧縮装置が使用されることがある。必要に応じて、一段および多段圧縮が使用されることがある。
【００４９】
燃料供給システムはスタックに供給される水素燃料を貯蔵する水素貯蔵装置を含む。燃料供給システムは炭化水素燃料源および改質装置を含む燃料処理サブシステムを含むことがある。燃料処理サブシステムは燃料を水素の豊富な改質ガスに変換してスタックに供給する。
【００５０】
あるいは、水素燃料は実質的に純水素のことがある。本電源設備にとって水素貯蔵の型は本質的ではない。たとえば望むなら、水素は加圧ガスまたは液体として貯蔵されることがある。あるいは、金属水素化物（たとえばニッケル金属水素化物）、水素化化合物（たとえば水素化ホウ素）またはカーボンナノ材料を含む固体水素貯蔵媒体を使用してもよい。低圧水素ガス貯蔵法は体積および重量エネルギー密度が比較的低い問題を抱えているが、比較的安価で簡単に実施できる。貯蔵水素の圧力が高くなると体積および重量エネルギー密度が増大する。金属水素化物は優れた体積エネルギー密度を示すが、重量が大であるためその他の水素貯蔵方法と比較すると重量エネルギー密度がかなり劣る。関連温度調節装置−金属水素化物は一般に水素吸着を容易にするために冷却され、水素放出を容易にするために加熱される−および（オプションとして）ガス加圧装置も電源設備全体にコストおよび複雑さを加える可能性がある。液体水素貯蔵は良好な体積および重量エネルギー密度を示すが、極低温貯蔵を維持するために必要な関連温度調節装置が電源設備にコストおよび複雑さを加える。さらに、液体水素貯蔵装置には時間の経過による蒸発損失（「ボイルオフ」）がある。したがって、所定用途の水素貯蔵装置の選択は装置のサイズおよび重量、運転のコストおよび複雑さを含むさまざまな因子の釣り合いによる。当業者はそのような考慮を承知し、所定の用途に適する水素貯蔵装置を容易に選ぶことができよう。
【００５１】
いくつかの実施態様では、水素貯蔵装置内の水素の圧力はスタックの運転圧力を上回る。たとえばスタックは常圧で運転するが、水素貯蔵システムは最高１０，０００ｐｓｉ（７００バール）以上の圧力で水素を貯蔵することができる圧縮水素タンクを含むことがある。したがって、水素貯蔵システムは水素燃料の圧力を貯蔵圧からスタック運転圧力へ減圧するための手段を含むことがある。本電源設備にとって減圧手段の選択は本質的ではなく、減圧弁、膨張器、保圧弁または拡張配管を含む任意の適当な減圧手段が使用され得る。
【００５２】
流入する反応原料の流れのどちらか一方または両方がスタックに供給される前に湿気を与えられることがある。反応原料の流れ（単数または複数）に湿気を与えるための手段は本電源設備および運転方法にとって本質的ではなく、所定の用途に対して当業者はそのような方法を容易に選択することができる。たとえば、スタックから反応原料の排気を受け取る膜交換加湿機中で反応原料の流れ（単数および複数）に湿気を与えることがある。あるいは、反応原料の流れ（単数または複数）中に細い水の流れを注入することがある。また別の例として、熱水との接触によって反応原料の流れ（単数および複数）に湿気を与えることがある。エンタルピーホイールまたは圧力スイング吸着（ＰＳＡ）装置を含むその他の適当な加湿方法は当業者には明らかであろう。ただし、反応原料の流れの加湿は必須ではない。たとえば加湿なしで大気をスタックに供給することがある。
【００５３】
（システム重複性）
既に考察したように、本電源設備中の一つ以上の燃料電池システム（たとえば１０（Ｍ＋１））が「重複」燃料電池システムとして機能することがある。当業者には明らかなように、本電源設備のさまざまなその他の系にも重複性の概念が適用されることがある。
【００５４】
たとえば、燃料電池システムは、燃料電池スタックと電気的に並列に高電圧バスに接続され、負荷に電力を供給する電力貯蔵装置をさらに含むことがあることを開示した。この代替として、電力貯蔵装置を一群の燃料電池システムの燃料電池スタックと電気的に並列に接続することがある。実例として、図３のアレイ６８で、直列接続された燃料電池システム１０の各群は、構成燃料電池スタックのすべてまたは一部分に並列接続された一つ以上の電力貯蔵装置を含むことがある。したがって、アレイの各「アーム」が一つ以上のそのような電力貯蔵装置を含むことがある。
【００５５】
別の例として、加圧運転が望まれる場合には、アレイの燃料電池システムまたは燃料電池システムの群が共通のガス圧縮装置を共有することがあり、あるいは各燃料電池システムが専用のガス圧縮装置を有することもある。また別の例として、加湿装置、ガス供給および配分装置、および制御システムの重複性に関して同じような考察が適用される。
【００５６】
周辺機器の観点から、共通のシステムはコストおよび複雑さを低下させる。一方、重複システムは信頼性を望ましく増大させることができる。多重システムはまた、個々の燃料電池システムまたはアレイの一部分のより高度な制御を提供することがある。本電源設備にとってシステム構成および重複性の程度は本質的ではなく、当業者は所定の用途に適するシステム構成を容易に選択することができる。
【００５７】
（運転）
図７は、実施態様の一例によって電力供給システム５０を運転する方法１００を示す。図２を参照して方法１００を考察する。方法１００は上記で考察した制御ロジック６４中で実施される。
【００５８】
工程１０２では、制御ロジック６４はスイッチ６０、６２を適切に選択して操作することによって、数Ｍの燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）を電力バス５６上に電気的に直列に接続する。工程１０４では、制御ロジック６４は不良があるかを判定する。たとえば、制御ロジック６４は燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）の一つのパラメータのどれかが許容範囲の外にあるか、あるいは許容しきい値を上回るか、または下回るかを判定することがある。上記で考察したように制御ロジック６４は燃料電池システム１０の燃料電池スタック１４および／または電力貯蔵装置２４に関する電圧、電流および／または電力測定値を受け取ることがある。さらに、またはあるいは、制御ロジック６４は燃料電池システム１０のさまざまなシステムの運転条件に関する論理値を受け取ることがある。さらに、またはあるいは、制御ロジック６４は電力バス５６上のさまざまな箇所で電圧または電流を決定するために接続された電圧および電流センサなど、電力供給システム５０のその他の構成部分からの入力を受け取ることがある。制御ロジック６４は、受け取った値を定められた範囲および／またはしきい値と比較し、たとえば電力バス５６にかかる全電圧が定められたしきい値より高いか、または定められた範囲内にあることを保証するコンパレータなどの比較回路または指示を含むことができる。あるいは、またはさらに、制御ロジック６４は、個々の燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）が返す、それぞれの燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）の一つ以上の運転条件に対応する「１」または「０」など、一組の論理値を使用してもよい。
【００５９】
不良がなければ、方法１００は工程１０４に戻ってモニタリングループを実行する。不良があれば、工程１０６で制御ロジック６４はたとえば、重複トランジスタ６２のゲートへの信号の印加によるなど、対応する重複スイッチに適切な信号を送ることによって、重複燃料電池システム１０（Ｍ＋１）を電力バス５６上に電気的に直列に接続する。燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ＋１）は「ホットスワップ可能」なので、電力供給システム５０をシャットダウンする必要はない。
【００６０】
オプションの工程１０８では、制御ロジック６４はたとえば、故障トランジスタ６０のゲートへの信号の印加によるなど、対応する故障スイッチに適切な信号を送ることによって、不良燃料電池システム、たとえば１０（３）を電力バス５６から電気的に切り離す。オプションの工程１１０では、ユーザまたはサービス技術者が電力供給システム５０のアレイ５２中の不調燃料電池システム１０（３）を入れ替える。入れ替え燃料電池システム１０は別の燃料電池システム１０の可能な最終的な故障の場合の重複燃料電池システムとして機能することがある。
【００６１】
図８はオプションとして方法１００に含まれる工程１１２を示す。工程１１２では、新たな燃料電池システム１０が燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）の一つ以上と電力バス５０上で電気的に直列に接続される。たとえば、不良燃料電池システム１０（３）が入れ替えられた場合には、電力供給システム５０の電力出力を増大するために入れ替え燃料電池システムが電気的に直列に接続されることがある。
【００６２】
図９はオプションとして方法１００に含まれる工程１１４を示す。工程１１４では、新たな燃料電池システム１０が燃料電池システム１０（１）−１０（Ｍ）の一つ以上と電力バス５２上で電気的に並列に接続される。この説明から、方法１００が燃料電池システム１０の直列および／または並列の組合せのどのような変化形でも使用できることが当業者には明らかであろう。
【００６３】
図１０は、実施態様の追加または代替の一例によって電力供給システム５０を運転する方法１３０を示す。図３の二次元アレイ６８を参照して方法１３０を考察する。したがって、電力供給システム５０は方法１００に加えて、あるいは方法１００に替えて方法１３０を使用することがある。
【００６４】
工程１３２では、制御ロジック６４は電力供給システム５０からの所望の電力、電圧および電流出力の少なくとも一つを決定する。所望の値は制御ロジック６４内で定められることもあり、または制御ロジック６４がユーザインターフェース６６を介してユーザまたはオペレータから所望の値（単数または複数）を受け取ることもある。工程１３４では、所望の電力、電圧および／または電流を提供するために、制御ロジック６４はある数の燃料電池システム１０（１，１）−１０（Ｍ，Ｎ）の直列および／または並列の組合せからなる電気的な構成を決定する。工程１３６では、制御ロジック６４はトランジスタ６０（図２、一個だけ示してある）などある数の重複スイッチを操作して、燃料電池システム１０（１，１）−１０（Ｍ，Ｎ）のそれぞれを定められた電気的な構成で電気的に接続する。
【００６５】
上記の説明は、任意の数の燃料電池システム１０を直列および／または並列の組み合わせで電気的に接続して、所望の電圧および電流で負荷１２に電力を供給する組み合わせ電力供給システム５０を形成することができることを示す。
【００６６】
燃料電池システム１０は上記で考察した燃料電池システムの任意の形、たとえば図１に例示される燃料電池システム１０の形をとることができる。上記で考察したように、電力供給システム５０は燃料電池スタック１４とそれぞれの電力貯蔵設備２４との間の分極曲線の整合を利用して、燃料電池システムの直列接続を可能にする。分極曲線の整合を実現する一つの手法は、上記で一般的に考察した第一ステージ調節方式を含む。別の手法は、電力貯蔵装置２４の電圧の電力貯蔵装置２４の所望電圧からの変位にもとづいて、一つ以上の反応原料流の分圧を制御することを含む。また別の手法は、電力充電量の所望電力充電量からの変位にもとづいて、一つ以上の反応原料流の分圧を制御することを含む。電力充電量は、電力貯蔵装置２４の充電電流／放電電流の積分によって決定することができる。その他の手法には位相またはパルススイッチング制御または制御スキームが含まれることがある。直列構成を使用する理由には、コストの有利さ、およびスタック電圧がその点における蓄電池フロート電圧に等しければ、たとえば高周波雑音問題のない２４Ｖのシステムで効率が９７％を上回ることがある、フル出力電力点で最高効率を有する直列構成が含まれる。二つのステージを有する燃料電池システム１０を例示したが、いくつかの実施態様においては、電力供給システム５０は第一または第二ステージのどちらかだけのステージを有する一つ以上の燃料電池システム１０を組み込むことがある。
【００６７】
図１１は外部負荷１２に電力を供給するために運転可能なハイブリッド燃料電池システム１０の別の実施態様を示す。上記で考察した実施態様とは対照的に、図１１の燃料電池システム１０は電力貯蔵装置２４（図１）としてウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ回路２００を使用し、ウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ回路２００は蓄電池をシミュレーションするように構成される。
【００６８】
燃料電池システム１０は、たとえばプロセッサ、センサ、指示計器、バルブ、ヒータ、コンプレッサ、ファンおよび／または電磁弁などのアクチュエータなど、燃料電池システム１０のさまざまな能動素子を表す内部負荷２０２を一つ以上含むことがある。一般にこれらの内部負荷２０２は「周辺システム」または「周辺機器」（ＢＯＰ）と呼ばれる。内部負荷２０２は、電力バス１９ａ、１９ｂを介して燃料電池スタック１４から電力を受け取るために電気的に接続される。燃料電池システム１０はまた一つ以上の電流センサ２０４および電圧センサ２０６を含むことがある。
【００６９】
ウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ回路２００は電圧バスのレール１９ａ、１９ｂの間に電気的に直列に接続されたある数のウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎを含む。充電電流リミッタ２０８をウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎと電気的に直列に接続して、ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎへの充電電流を制限する。充電電流リミッタ２０８に並列にバイパスダイオードＤ２を電気的に接続して、充電電流リミッタ２０８をバイパスする放電電流にパスを提供する。たとえば他の電力貯蔵装置２４またはハイブリッド燃料電池システム１０と直列に接続されたとき、ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎが逆方向に充電することを逆充電ダイオードＤ３が防ぐ。
【００７０】
ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎのそれぞれに並列にある数のサージダイオードＤＳを電気的に接続する。サージダイオードＤＳは充電時にウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎのそれぞれにかかる電圧を均等化し、ひいては任意のウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎにかかる電圧をウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎのサージ定格に制限することがある。たとえば、一般的なウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎは動作電圧約２．５ボルトを有することがある。例示するように、ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎを直列に接続してより高い動作電圧を実現することがある。したがって、たとえばそれぞれのウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎに電気的に並列に接続された四つのサージダイオードＤＳは、それぞれのウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎにかかる電圧をウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎの一般的なサージ定格である約２．８ボルトに制限することがある。
【００７１】
キャパシタバンク（すなわち、直列接続ウルトラキャパシタ）の電圧が、ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎのすべてが電圧が約２．８ボルトを有する点を上回り、すべてのサージダイオードＤＳがオンになると、電流リミッタ２０８の電圧降下が増大して、サージダイオードＤＳ中を通る電流を制限し、短絡を防ぐようにバイパスダイオードＤ２を選ぶ。
【００７２】
図１１は、ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎの列の一端に配置された充電電流リミッタ２０８およびバイパスダイオードＤ２を示す。図１２は、ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎの列の他端に配置された充電電流リミッタ２０８およびバイパスダイオードＤ２を示す。図１３は、ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎの列の両端の中間に配置された充電電流リミッタ２０８およびバイパスダイオードＤ２を示す。したがって、充電電流リミッタ２０８およびバイパスダイオードＤ２をウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎの列のどちらかの端または任意の場所に配置してもよいことが明らかである。
【００７３】
図１４は、充電電流リミッタ２０８の一つの実施態様をリニアモード充電電流リミッタの形で示す。充電電流リミッタ２０８は充電電流制限トランジスタＱ１、フィードバックトランジスタＱ２、第一の抵抗Ｒ１、第二の抵抗Ｒ２およびツェナーダイオードＤ４を含む。充電電流制限トランジスタＱ１は一対のアクティブ端子（たとえば、コレクタおよびエミッタ）および制御端子（たとえば、ベース）を含み、アクティブ端子はウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎと電気的に直列に接続される。フィードバックトランジスタＱ２は一対のアクティブ端子（たとえば、コレクタおよびエミッタ）および制御端子（たとえば、ベース）を含み、アクティブ端子はレール１９ａ、１９ｂの間に電気的に接続され、制御端子は充電電流制限トランジスタＱ１のエミッタに電気的に接続される。第一の抵抗Ｒ１はフィードバックトランジスタＱ２の制御端子と電圧バスの一方のレール１９ｂとの間に電気的に接続される。第二の抵抗Ｒ２およびツェナーダイオードＤ４は、充電電流制限トランジスタＱ１の制御端子と電圧バスの他方のレール１９ａとの間に電気的に接続される。
【００７４】
使用時に端子電圧Ｖ１−Ｖ０が定められたしきい値電圧より高いと、リニアモード充電電流リミッタ２０８は充電電流を通す。ウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ回路２００の端子にツェナーダイオードＤ４のツェナー電圧と充電電流制限トランジスタＱ１をオンにするために必要な電圧との合計より高い電圧（たとえば約０．７ボルト）が印加されると、充電電流制限トランジスタＱ１の制御端子に電流が流れ込み始める。これによって充電電流制限トランジスタＱ１のコレクタに電流が流れ込み、ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎのバンクに充電し始める。充電電流制限トランジスタＱ１のエミッタからの電流が十分に大きく、第一の抵抗Ｒ１に約０．７ボルトが印加されると、フィードバックトランジスタＱ２がオンになり始める。これによって、充電電流制限トランジスタＱ１を通る電流が減少する。こうして、ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎのバンク充電電流は約０．７ボルトを第一の抵抗Ｒ１の抵抗値で割った値に限定される。たとえば、第一の抵抗Ｒ１が約０．１７５オームなら充電電流は約４アンペアに制限されることになる。
【００７５】
図１４の回路構成はまた、電荷を貯蔵するとき（すなわち、非フロート充電時）、ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎから流れ出る電流を最小にする。ウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ回路２００の端子に、ツェナーダイオードＤ４のツェナー電圧（たとえば約２４ボルト）と充電電流制限トランジスタＱ１をオンするために必要な電圧（たとえば約０．７ボルト）との合計より低い電圧が印加されると、ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎからの電流はまったく流れず、その結果ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎは比較的長い時間電荷を維持する。
【００７６】
図１５は充電電流リミッタ２０８の別の実施態様を示し、図１４の実施態様にダーリントン回路構成Ｑ３で接続された一対のトランジスタ、一対の抵抗およびダイオードを加える。ダーリントン回路Ｑ３は充電電流制限トランジスタＱ１のベースとツェナーダイオードＤ４との間に電気的に接続され、第二の抵抗Ｒ２およびツェナーダイオードＤ４中を流れる電流ＩＤ３を低下させる。図１５の構成は、図１４の実施態様より若干複雑ではあるが、第二の抵抗Ｒ２およびツェナーダイオードＤ３によって失われる電力を減らす。
【００７７】
図１６は充電電流リミッタ２０８のまた別の実施態様を示し、図１５の実施態様に過電圧状況で充電電流を遮断するする過電圧回路を加える。過電圧回路は過電圧トランジスタＱ４、過電圧ツェナーダイオードＤ５および過電圧抵抗Ｒ３を含む。過電圧トランジスタＱ４およびフィードバックトランジスタＱ２のエミッタは共通接続され、過電圧トランジスタＱ４およびフィードバックトランジスタＱ２のコレクタもまた共通接続される。過電圧ツェナーダイオードＤ５および過電圧抵抗Ｒ３は過電圧トランジスタＱ４のベースと電圧バスの一方のレールとの間に電気的に接続される。
【００７８】
ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎのバンクの端子電圧がツェナーダイオードＤ５のツェナー電圧（たとえば約３０ボルト）と過電圧トランジスタＱ４をオンにするために必要な電圧（たとえば約０．７ボルト）との合計を上回ると、過電圧トランジスタＱ４はフィードバックトランジスタＱ２および充電電流制限トランジスタＱ１をともにオフにし、したがって充電電流がそれ以上ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎに流入することを防ぐ。過電圧遮断は蓄電池に固有の特長でないが、ハイブリッド燃料電池システムでは、無負荷条件（たとえば、開路電圧すなわちＯＣＶ）での燃料電池スタック１４の電圧上昇を克服するために望ましい。図１６の実施態様にはまた、充電電流制限トランジスタＱ１によって発生する熱、ひいては任意の関連するヒートシンクのサイズを制限するという特長がある。
【００７９】
図１７は、充電電流リミッタ２０８のさらにまた別の実施態様を示し、ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎのバンクが所望の電圧に達すると充電電流をカットオフする回路を図１６の実施態様に加える。この回路は電圧設定トランジスタＱ５、電圧設定ツェナーダイオードＤ６、および電圧設定抵抗Ｒ４を含む。電圧設定トランジスタＱ５のアクティブ端子は過電圧トランジスタＱ４のベースと電圧バスのレールとの間に電気的に接続される。電圧設定ツェナーダイオードＤ６および電圧設定抵抗Ｒ４は電圧設定トランジスタＱ５のベースとウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎのバンクとの間に電気的に接続される。図１７の実施態様には充電電流制限トランジスタＱ１によって発生される熱、ひいては関連する任意のヒートシンクのサイズを制限するという特長がある。図１７の実施態様はまた、電力を節約し全体的なシステム効率を改善する。
【００８０】
図１１−１７の実施態様は既に考察した概念と同等であり、補完的であり、任意のものが「自力起動方法および燃料電池電源設備用の装置、および自力起動能力を有する燃料電池電源設備（ＢＬＡＣＫ  ＳＴＡＲＴ  ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  Ａ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＰＯＷＥＲ  ＰＬＡＮＴ，  ＡＮＤ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＰＯＷＥＲ  ＰＬＡＮＴ  ＷＩＴＨ  ＢＬＡＣＫ  ＳＴＡＲＴ  ＣＡＰＡＢＩＬＩＴＹ）」と題する２００３年３月１２日出願の係属中の米国特許出願第１０／３８８１９１号（代理人提出文書第１３０１０９．４８３号）明細書中で考察される自力起動法とともに使用されることもある。
【００８１】
図１１−１７の実施態様では、燃料電池システム１０は二モード電源装置として動作する。出力は二つの設定値、すなわち、１）出力電流限界値、および２）出力電圧限界値によって制御される。負荷抵抗が十分高く出力電流限界より小さな電流が流れるとき、燃料電池システム１０は出力電圧限界を設定する定電圧電源として動作する。負荷抵抗が十分低く出力電圧限界設定点における出力電流制限より大きな電流が流れるとき、燃料電池システム１０は出力電流限界に設定された定電流電源として動作する。充電電流限界の設定は、図１を参照して考察した蓄電池充電電流リミットモードの直列パス素子３２（図１）によってではなく、ウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ回路２００によって処理される。電力貯蔵装置がウルトラキャパシタではなく蓄電池を含む場合でさえも、その他の電力貯蔵装置回路中に充電電流限界を組み込むと、これによって、たとえば充電された蓄電池を有するシステムに壊れたまたは放電した蓄電池を接続してしまったとき電流の急激な流入を防ぐはずなので有利である。
【００８２】
バラードネクサＴＭ（Ｂａｌｌａｒｄ  ＮｅｘａＴＭ）燃料電池スタックを使用する燃料電池システム１０の場合、出力電圧限界は燃料電池スタック１４の開路電圧（ＯＣＶ、たとえば約５４．８ボルト）以下に設定され、出力電流リミットは燃料電池スタック電流限界および燃料電池システムの熱的限界を上回らないように設定される。たとえば出力電力限界が１．３ｋＷなら、出力電流リミットは約２３．７アンペアとなる。
【００８３】
ウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ回路２００は直直流変換器として動作する。一般に周辺機器２０２（図１１）はスタック電圧から直接にではなく、ウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ回路２００の出力からの直流２４ボルトで運転される。
【００８４】
ウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ回路２００は入力電圧範囲５５ボルト（ＯＣＶ）から２５．５ボルト（フル負荷）を有する。入力電圧（すなわちスタック電圧）が２５．５ボルトより低くなると、ウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ回路２００が入力電圧がそれ以上低下しないところまでその出力電流限界を下げる。入力電流（すなわちスタック電流）が４８アンペアに上がると、ウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ回路２００は入力電流がそれ以上大きくならないように出力電流限界を小さくする。
【００８５】
図１８は、実施態様の一例に従ってウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ回路２００を使用して燃料電池システム１０を運転する方法３００を示す。工程３０２では、たとえば燃料電池スタック１４から充電電流が供給される。工程３０４では、充電電流制限トランジスタＱ１およびフィードバックトランジスタＱ２がウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎに供給される充電電流を充電電流限界しきい値未満に制限する。工程３０６では、サージダイオードＤＳが各ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎにかかる電圧を制限する。工程３０８では、過電圧条件の場合に過電圧トランジスタＱ４がウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎへの充電電流の供給を停止する。工程３１０では、ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎのバンクにかかる所望の電圧が達成されると、電圧設定トランジスタＱ５がウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎへの充電電流の供給を停止する。工程３１２では、ウルトラキャパシタＣ１−Ｃｎが充電電流リミッタ２０８をバイパスし、バイパスダイオードＤ２を介して放電する。
【００８６】
図１９は、直流バスのレール５５６ａ、５５６ｂを介して負荷１２に電力を供給する電力システム５００を示す。電力システム５００は、一般に三相交流電力の形で送電網５０２から電力を受け入れる。電力システム５００は送電網５０２から交流電力を受け入れ、電力を整流する一つ以上の整流器アレイ５０４（１）−５０４（ｎ）を含む。整流された電力は直流バス５５６ａ、５５６ｂを介して負荷１２に供給される。整流器５０４（１）−５０４（ｎ）のアレイは負荷１２に連続的に電力を供給し、さまざまな電力貯蔵装置２４を再充電する直流電力の主供給源として動作する。
【００８７】
電力システム５００は一つ以上の燃料電池ハイブリッドモジュール５１０（１）−５１０（ｎ）の配列を含む。燃料電池ハイブリッドモジュール５１０（１）−５１０（ｎ）のアレイは、たとえば送電網５０２の停電の場合には、直流バス５５６ａ、５５６ｂを通して負荷１２に連続的な予備電力を提供する。
【００８８】
電力システム５００はまた負荷ブリッジングおよびサージ（すなわち需要）電力供給用エネルギーを貯蔵する一つ以上のウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ２００（１）−２００（ｎ）のアレイを含むことがある。さらに、またはあるいは、電力システム５００は負荷ブリッジングおよびサージ電力供給用エネルギーを貯蔵するはずみ車蓄電池シミュレータ５０６を含むことがある。はずみ車蓄電池シミュレータ５０６はウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ２００について説明したものと類似の回路を使用することがある。さらに、またはあるいは、電力システム５００は負荷ブリッジングおよびサージ電力提供用のエネルギーを貯蔵する一つ以上の充電式蓄電池５０８を含むことがある。これらの電力貯蔵装置はレール５５６ａ、５５６ｂによって形成される直流バスを介して負荷１２に電力を供給することがある。
【００８９】
図２０は図１９の電力システム５００中での使用に適する燃料電池ハイブリッドモジュールアレイ５１０を示す。燃料電池ハイブリッドモジュールアレイ５１０は、電気的に直列に接続された第一および第二の燃料電池スタック１４、および関連周辺機器２０２、調節装置５１７（たとえば、図１および１１の直列パス素子３２および調節回路３４）およびウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータアレイ２００を含む。燃料電池ハイブリッドモジュールアレイ５１０はまた、ウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ２００（１）−２００（ｎ）、はずみ車蓄電池シミュレータ５０６、または図１９の充電式蓄電池５０８などの電力貯蔵装置５０９を含むことがある。ウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータアレイ２００は、負荷の要求に応じてすばやく電流を供給および吸収して燃料電池ハイブリッドモジュールのための動的応答を提供し、一方スタック１４および周辺機器２０２はこれより低速の応答をする。電力貯蔵装置５０９は、負荷ブリッジングおよびサージ電力供給用エネルギーを提供する。この構成によって、蓄電池シミュレータアレイ２００が負荷ブリッジングおよびサージ容量も担当すれば必要になるウルトラキャパシタよりも、少ない数のウルトラキャパシタの使用で済むことがある。いくつかの実施態様では、これがまた、電源設備中で使用されるウルトラキャパシタ数の全体的な削減をもたらすことがある。
【００９０】
中央バス５５６ａから水素供給用の電磁弁２１０などの補助的な装置（または換気ファンまたはフロースイッチ（図示していない））に電力を供給することができる。負荷をバランスさせて基準を提供することによってシステム始動を助けるために、一つ以上のイコライザ回路が使用されることがある。イコライザ回路はバス５５６ａ、５５６ｂおよび５５６ｃの間の抵抗器２１２の列の形をとることがある。望むなら、特定の電圧レベルを維持するために負荷を共有するアクティブコントローラなど、中央バス５５６ａ上で負荷をバランスさせるその他の能動または受動手段もまた使用することがある。
【００９１】
図２１は、数Ｍ行および数Ｎ列に配置されて電力システムを形成し、電力バス４５６ａ、４５６ｂを介して一つ以上の負荷１２に電力を供給する燃料電池システム１０の二次元アレイ４６８を示す。燃料電池システム１０は１０（１，１）−１０（Ｍ，Ｎ）で個別参照され、括弧内の第一の数は二次元アレイ４６８中の燃料システム１０の行位置を示し、括弧内の第二の数は列位置を示す。図２１の楕円記号は二次元アレイ４６８のさまざまな行および列には別の燃料電池システム（明示的には示していない）が含まれることがあることを示す。例示されてはいないが、燃料電池システム１０のその他の多次元アレイ、たとえば燃料電池システム１０の三次元アレイもまた可能である。
【００９２】
図２１の二次元アレイ４６８は図３の二次元アレイに類似しているが、行（たとえば１０（３，１）、１０（３，２）、１０（３，３），．．．１０（３，Ｎ））を形成する燃料電池システム１０を電気的に接続して、少なくともＮ＋１個の重複を提供するリンク４９０を含む。二次元アレイ４６８は、既に述べた実施態様のダイオード５８、故障および重複スイッチ６０、６２およびその他の素子を省略することがある。リンク４９０は重複性を提供し、一つの燃料電池システム１０の不良によって電圧の並び（列）全体が不良となることを防ぐ。たとえば、リンク４９０がなければ、燃料電池システム１０（２，１）が不良になると、燃料電池システム１０（１，１）、１０（３，１）から１０（Ｍ，１）までが利用できなくなるであろう。リンク４９０は、列中の任意の個別の燃料電池システム１０の不良によって、負荷１２に全電力を供給する能力が損なわれることを防止する。下記で考察するように、電圧バスのレール上に所望の電位を発生させるために、リンク４９０がタップされるかまたはタップを形成することがある。
【００９３】
図２２は、複数の電圧レベルに少なくともＮ＋１個の重複を提供できる二次元アレイ４６８の実施態様を示す。燃料電池システムの第二列１０（１，２）、１０（２，２）、１０（３，２）．．．１０（Ｍ，２）はタップまたはレール４５６ｂ、４５６ｃによる電圧バス形を介して第一の負荷１２ａにＭ×２４ボルトで４０アンペアを供給することができる。燃料電池システムの第三列１０（１，３）、１０（２，３）はタップまたはレール４５６ｂ、４５６ｃによって形成された第二の電圧バスを介して第二の負荷１２ｂに４８ボルトで４０アンペアを供給することができる。燃料電池システムの第三列１０（１，４）はタップまたはレール４５６ｂ、４５６ｄによって形成された電圧バスを介して第三の負荷１２ｃに２４ボルトで４０アンペアを供給することができる。負荷が電流をさらに必要とするなら、対応する電圧バスのレールの間に燃料電池システム１０の別の列を加えることができる。したがって例示するシステムでは、アレイ４６８に燃料電池システム１０を加えることによって、４０アンペアの倍数で電流を増やすことができる。
【００９４】
燃料電池システムの第一列１０（１，１）、１０（２，１）、１０（３，１）．．．１０（Ｍ，１）は二次元アレイ４６８中のその他の燃料電池システム１０のそれぞれに対して重複性を提供する。第一列の燃料電池システム１０の数は、アレイ４６９の最大の列中の燃料電池システム１０の数と等しく、少なくともＮ＋１個の重複性を保証する。燃料電池システムの一つの列１０（１，１）−１０（Ｍ，１）を使用することによって、その他の列のそれぞれに対して各列に特定の燃料電池システムを提供する必要なしに重複性が提供される。これによって先に説明した実施態様中におけるよりも少ない燃料電池システム１０で望ましい少なくともＮ＋１個の重複性が実現される。
【００９５】
図２３は、複数の二極性の電圧レベルへの重複性の提供に適する燃料電池システム１０の二次元アレイ４６８の別の実施態様を例示する。燃料システムの第二列１０（−２，２）、１０（−１，２）、１０（１，２）、１０（２，２）、１０（３，２）、１０（４，２）、１０（５，２）はタップまたはレール４５６ａ、４５６ｂによって形成された電圧バスを介して第一の負荷１２ａに１２０ボルトで４０アンペアを供給することができる。燃料電池システムの第三列１０（−２，３）、１０（−１，３）、１０（１，３）、１０（２，３）は、タップまたはレール４５６ａ、４５６ｃによって形成された電圧バスを介して第二の負荷１２ｂに＋４８ボルトで４０アンペアを供給するか、またはタップまたはレール４５６ａ、４５６ｄによって形成された電圧バスを介して第三の負荷１２ｃに−４８ボルトで４０アンペアを供給することができる。燃料電池システムの第四列１０（−１，４）、１０（１，４）はタップまたはレール４５６ａ、４５６ｅによって形成された電圧バスを介して第四の負荷１２ｄに＋２４ボルトで４０アンペアを供給するか、またはタップまたはレール４５６ａ、４５６ｆによって形成された電圧バスを介して第五の負荷１２ｅに−２４ボルトで４０アンペアを供給することができる。ここでも、燃料電池システムの第一列１０（−２，１）、１０（−１，１）、１０（１，１）、１０（２，１）、１０（３，１）、１０（４，１）、１０（５，１）はアレイ４６８中のその他のすべての燃料電池システム１０に少なくともＮ＋１個の重複性を提供する。
【００９６】
例示されてはいないが、アレイ４６８が一つ以上のイコライザ回路を使用して、負荷をバランスさせて基準を提供することによって、システム始動を助けることがある。イコライザ回路は上記で図２０に関連して説明したもののようでもよい。燃料電池システム１０がウルトラキャパシタを使用する場合には、中間バスのソースインピーダンス（硬さ）を改善するために、たとえば、任意の数の直列接続燃料電池システム１０にかかる中間電圧用のイコライザ装置が加えられることがある。
【００９７】
図２３の実施態様は、一般にパーソナルコミュニケーションサービス（ＰＣＳ）およびマイクロ波中継ステーションなどの無線通信用に２４ボルト、回線（通信回線）経由の従来通信用に４８ボルト、および交換操作およびサブステーション用に直流１２０ボルトを使用する電話交換局など、電話関連用途の電力調整および／または電力バックアップの提供にとくに適している。
【実施例】
【００９８】
図２４および２５は従来のバックアップシステムまたは無停電電源装置の系統図である。図２４では、通常は送電網５０２が整流器５０４および照明、ＨＶＡＣおよびその他の装置など、その他の交流負荷に電力を供給する。整流器５０４は送電網からの交流電力を直流電力に変換し、直流電力配電盤５１２に送る。配電盤５１２から適当な電圧直流負荷に電力を直接供給することがある。電力はまた直直流変換器５１４に送られ異なる電圧に変換されてその他のＤＣ負荷に使用されるか、または電力はインバータ５１６に送られ交流電源に変換されて交流負荷に使用される。送電網が停電すると蓄電池バンク５１８によって配電盤５１２に電力を供給する。蓄電池バンク５１８の規模は所望の時間、重要な負荷に十分な電力を提供するよう設定される。送電網が長期間にわたって停電すると、スイッチ１５２によって待機発電機５２０を接続して電力を提供する。
【００９９】
図２５では、通常は送電網からの電力が交流電力配電盤５１２から交流負荷へ直接、整流器１５６経由で直流−４８ボルトへ、および／または交流／直流コンバータ１５８経由でその他の直流負荷へ供給される。送電網が停電すると、蓄電池バンク５１８によってインバータ１５４に電力が供給され、インバータが直流電源を交流電源に変換する。図２４と同じように、送電網が長期間にわたって停電すると待機電源設備５２０が接続されて電力を提供する。
【０１００】
図２６−２９は従来のＶＲＬＡ電力供給システムおよび本電源設備の実施態様の系統図である。
【０１０１】
図２６および２７に例示されたシステムは４００アンペア／直流４８ボルトで４時間電力を供給することができる（４００アンペア４時間バックアップ）。図２６では、通常は送電網が整流器５０４を介して負荷に電力を供給する。送電網が停電すると、蓄電池バンク５１８中のＶＲＬＡ蓄電池５３０が負荷に電力を供給する。送電網が回復したら、送電網が整流器５３２に電力を供給して蓄電池バンク５１８を再充電する。
【０１０２】
図２７の実施態様は４００アンペア／直流４８ボルトの電力を供給するように構成された燃料電池システム１０のアレイ４６８を含む。アレイ４６８は、燃料電池二つのシステムを十組有する。各組の二つの燃料電池システムは電気的に直列に接続され、各組は電気的に互いに並列に接続される。各燃料電池システム１０は２４ボルトおよび４０アンペアで１ｋＷを発生し、二つの直流１２ボルトＶＲＬＡ蓄電池と電気的に並列に接続された４７セルＰＥＭ燃料電池スタックを含む。送電網電力が停電すると、水素供給源５４０からの水素が供給ライン５４２を経由してアレイ４６８の燃料電池に供給され、適切な空気供給源（示していない）から燃料電池に空気も供給される。アレイ４６８によって発生した電力が負荷に供給される。送電網電力が回復したら、望むなら送電網電力が整流器５０４に電力を供給して燃料電池システム１０の蓄電池を再充電する。図２７では、水素供給源５４０は１００ガロン（３８０リットル）、３６００ポンド／平方インチ（２５メガパスカル）の水素タンクであり、アレイ４６８が負荷に連続して４時間電力を供給するために十分な水素を保持する。
【０１０３】
図２６および２７の４００アンペア４時間システムの寸法、重量および設置床面積を表１にまとめる。蓄電池バンク５１８のサイズおよび重量は現在利用できるＶＲＬＡ蓄電池バンクにもとづいている。比較に使用した蓄電池バンク定格は１０倍再充電レートにもとづき、定電流負荷を仮定している。整流器定格は負荷電流プラス０．１Ｃ蓄電池充電電流にもとづいている。前面クリアランスは安全規制によって必要とされる隣接の壁と電源装置の背面および側面との間の面積を指す。
【０１０４】
【表１】
2005526363.tif 000003
図２８および２９に例示するシステムは、４００アンペア直流１４８ボルト電力を８時間提供するように構成されている（４００Ａ８時間バックアップ）。アレイ４６８は図２７に説明するようである。動作時間がより長いので、図２９の水素貯蔵装置５４０は２×１００ガロン（３８０リットル）、３６００ポンド／平方インチ（２５メガパスカル）の水素タンクを含む。
【０１０５】
図２８および２９の４００アンペア８時間システムの寸法、重量および設置面積を表２に要約する。比較データは表１のデータの場合になされたと同じ仮定にもとづいている。
【０１０６】
【表２】
2005526363.tif 000004
既に説明したように、現行のＶＲＬＡ蓄電池系電源装置に関しては環境的な懸念がある。蓄電池の貯蔵および運転に関連する環境規制が電源装置のコストを増大させる。さらに、事故によって蓄電池の成分が放出された場合には、危険な／有毒なサイトのクリーンアップの責任を負わされるリスクが非常に大きい。
【０１０７】
表１および２に示すように、ＶＲＬＡ蓄電池を組み込んだ本電源設備の実施態様でさえも現行のＶＲＬＡ蓄電池系電源装置に関連するコストおよび潜在的な環境責任を著しく減少させる。たとえば、図２７の電源装置は図２６の従来システムより９５．４％少ない蓄電池を必要とする。図２８と図２９との電源装置の間では、使用されるＶＲＬＡ蓄電池の数に９７．４％の削減がある。もちろん、本電源装置のその他の実施態様においては、ＶＲＬＡ蓄電池を完全に除いてもよい。
【０１０８】
表１および２はまた、従来のＶＲＬＡ蓄電池系電源装置と比較して、本電源装置の重量および設置面積の削減を示す。図２７および２９の実施態様は、従来のシステムと比較して、それぞれ１９．９ｆｔ２（１．９ｍ２）および５７．９ｆｔ２（５．４ｍ２）の面積削減を表す。電源装置を設置するコストが６５０，０００米ドル／ｆｔ２以上にも達することがある多くの現場用途の場合に、本電源設備の設置面積の小ささだけでもかなりのコスト削減を提供することができる。従来の電源装置と比較して、本電源設備の実施態様のために必要な整流器のサイズおよび設置面積がより小さいことによって、さらにコスト削減を実現することができる。
【０１０９】
表１および２のデータは図２７および２９の電源設備に関連する水素貯蔵装置の寸法および設置面積を考慮していない。これは水素貯蔵装置が電源設備の他の部分と同じ場所にある必要はないからである。従来の電源装置では、蓄電池がエネルギー貯蔵装置および電力供給源である。実際問題として、電源から遠くなるにつれて直流システムの電力損失が劇的に増大するので、蓄電池バンクは配電盤および／または負荷の近くになければならない。本電源設備では、エネルギー貯蔵装置は電源装置から切り離されているので、水素貯蔵装置は燃料電池アレイから任意の所望の距離を置いて配置されてよい。したがって、水素貯蔵装置は本電源設備のその他の部分とともに屋内に置く必要はなく、それゆえ設置面積の計算に水素貯蔵設備を含める必要もない。
【０１１０】
本電源設備中のエネルギー貯蔵装置と電源装置との切り離しによって、現行の蓄電池システムに対して著しい特長を提供することができる。水素貯蔵装置はたとえば戸外、別棟または地下施設に配置することができる。ある種のテレコム用途では、たとえば通信装置は多くの場合建物の屋根に配置される。ほとんどの建築規則ではＶＲＬＡ蓄電池バンクを屋上に設置することは許されておらず、バックアップ電源装置は装置からある程度距離をおいて設置されなければならない。前述のように、この配置によって蓄電池から負荷（単数または複数）への電力の供給でかなりの電力損失が起こる。これに対して、本電源設備を用いれば燃料電池アレイはその設置荷重が小さいので、屋根上に設置することができ、装置から任意の距離に配置した水素貯蔵装置から電力損失を伴わずに水素を供給することができる可能性がある。
【０１１１】
さらに、水素貯蔵装置のために低コストの地下施設を用いることができる。実際、たとえば燃料電池アレイを設置した施設の近くに水素タンクを埋設するだけでよいことがある。これは水素が地下水を汚染せず、リークしても土壌から浸み出すからである。水素が地下水を汚染しないという事実は、ディーゼルまたはその他の燃料タンク用に必要とされるような高価な封じ込め槽が必要ないことを意味する。したがって、水素貯蔵装置はその他のオプションよりもコストが低く環境にやさしくなり得る。
【０１１２】
実は、図２６または２８に示すような従来の電源装置は、蓄電池バンクを適当な大きさの燃料電池アレイおよび水素貯蔵装置で置き換えることによって、本電源装置の実施態様にアップグレードすることができる。蓄電池を再充電するために使用される既存の整流器を取り除いてもよく、または電源装置の出力を増大するために用いてもよい。たとえば図２６の従来型の４００アンペア４時間バックアップ電源装置を見てみよう。本電源設備の燃料電池アレイ４６８は再充電用に整流器５３２を必要としないので、望むなら二つの整流器５０４は負荷に電力を供給するために使用してもよい。したがって、図２６の電源設備を８００アンペア電源装置にアップグレードすることができる。さらに、水素貯蔵装置の容量を適切に選ぶことによって、アップグレードされたシステムは４−８時間またはそれ以上にわたってバックアップ電力を供給することができる。同時に、アップグレードされたシステムはより小さな設置面積を有する。
【０１１３】
実施態様の例を直流−４８ボルトシステムとして説明したが、本電源設備はそのようなシステムに限定されない。たとえば、図２３のアレイ４６８のように２４、４８および１２０ボルトで直流電力を供給するように本電源設備を構成してもよく、あるいは任意の所望の電圧（単数または複数）の直流電力を供給するように異なる構成としてもよい。同様に、本電源設備は交流電力を供給するように構成してもよい。たとえば図２７または２９の整流器５０４をインバータで置き換えることによって、例示した実施態様は交流電力供給システムとしての使用に適するものとなる。
【０１１４】
（結論）
開示した実施態様は電力供給システム構築への「ビルディングブロック」または「コンポーネント」手法を提供し、構築者が少数のあるいはただ一つの基本型の燃料電池システム１０から非常に多様な電力供給システムを構築することを可能にする。この手法によって、設計、製造業者および在庫コストが削減され、末端ユーザ製品（すなわち電力システム）の平均故障間隔を結果として長くする重複性が提供される。このアプローチはまた、メンテナンスまたは修理を単純化し、それらのコストを低下させることがある。
【０１１５】
本明細書中においては、例示を目的として電力供給システムおよび方法の特定の実施態様および実施例を説明したが、関連当業者が認識するように、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、さまざまな同等な変更を実施することができる。たとえば、本明細書中に提供された開示は、必ずしも一般的に上記で説明したポリマー交換膜燃料電池アセンブリではなく、その他の種類の燃料電池スタック１４または燃料電池アセンブリを含む燃料電池システム１０に適用することができる。さらに、またはあるいは、燃料電池システム１０は燃料電池スタック１４の部分を蓄電池のセル、はずみ車、またはウルトラキャパシタバンク２４などの電力貯蔵装置の部分と接続することができる。燃料電池システム１０は反応原料分圧を調節するさまざまなその他のアプローチおよび素子を使用することがあり、あるいは分圧にかまわず運転することがある。上記で説明したさまざまな実施態様を組み合わせてまた別の実施態様を提供することができる。
【０１１６】
一般に、本電源設備は、以下を含むが、それらには限定されない範囲の用途で、バックアップ電力またはＵＰＳシステム中に使用される。
１．ネットワークサーバファーム  ハブおよびルータなどのＬＡＮ／ＷＡＮ装置。
２．通信  ＣＡＴＶ、ラジオ、テレコミュニケーション記録システムおよび／またはサーバ、無線基地局、マイクロ波中継局、レーダ自動追跡システム。
３．コンピュータルーム  小規模および中規模サーバ、大規模企業サーバ、データ記録システム、ネットワークコンピュータクラスタ、インターネットデータセンター。
４．デスクトップ／ワークステーション  スタンドアロンＰＣ、ワークステーションおよびコンピュータ周辺機器。
５．工業／商業分野  プロセス制御装置、医療機器、実験室測定機器、交通管理システム、セキュリティ装置、販売拠点設備。
【０１１７】
加えて、ピーク電力または分散電力用途においても本電源設備を使用することがある。
【０１１８】
本電源設備および運転方法はＶＲＬＡ蓄電池を使用する従来の電力供給システムより小さくて軽いシステムを提供する。本電源設備はまた、「ホットスワップ可能」な個々の燃料電池システムによる「瞬時オン」運転を提供する。
【０１１９】
必要なら、さまざまな特許、出願および出版物のシステム、回路および概念を使用して本発明の諸様相を変更し、本発明のさらにまた別の実施態様を提供することができる。これらおよびその他の変化は、上記で詳細に行なった説明に従って本発明に対してなされる。一般に以下の請求項では、使用する用語は、本発明を請求された明細書中で開示した特定の実施態様に限定すると解釈されるべきではなく、請求項に従って動作するすべての燃料電池システムを含むと解釈されるべきである。したがって、本発明は本開示によって限定されず、本発明の範囲は以下の請求項によってのみ決定されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】図１は、負荷に電力を供給するハイブリッド燃料電池システムであって、燃料電池スタック、蓄電池、直列パス素子、直列パス素子中の電流の流れを制御する調節回路を含む第一ステージ、および直列パス素子の電圧差を使用し反応原料分圧の制御を介して直列パス素子によって失われるエネルギーを減らすコントローラを含む第二ステージを有し、例示された本発明の一般的な実施態様で使用される燃料電池システムであるハイブリッド燃料電池システムの系統図である。
【図２】図２は、負荷に電力を供給する電力供給システムであって、電気的に直列に接続可能な燃料電池システムの一次元アレイを形成し、所望の電圧および所望の電流で負荷に所望の電力を提供するある数の個別のハイブリッド燃料電池システムを含む電力供給システムの系統図である。
【図３】図３は、さまざまな直列および並列の組み合わせで電気的に接続可能な燃料電池システムの二次元アレイを形成するある数の燃料電池システムを含む電力供給システムの系統図である。
【図４】図４は、電気的に直列の組み合わせで接続され、第一の出力電圧および第一の出力電流で所望の出力電力を提供する図３のある数の燃料電池システムを例示する系統図である。
【図５】図５は、電気的に並列の組み合わせで接続され、第二の出力電圧および第二の出力電流で所望の出力電力を提供する図３のある数の燃料電池システムを例示する系統図である。
【図６】図６は、電気的に直列および並列の組み合わせで接続され、第三の出力電圧および第三の出力電流で所望の出力電力を提供する図３のある数の燃料電池システムを例示する系統図である。
【図７】図７は、重複燃料電池システムによる不良燃料電池システムの取り替えを含む実施態様の一例による、図２および３の電力供給システムを運転する方法のフロー図である。
【図８】図８は、図７の方法に含まれるオプション工程のフロー図である。
【図９】図９は、図７の方法に含まれるオプション工程のフロー図である。
【図１０】図１０は、ある数の燃料電池システムを定められた直列および／または並列の組み合わせで電気的に接続して、所望の電力、電圧および電流出力の少なくとも一つを発生させることを含む実施態様の別のまたは代わりの一例による、図２および３の電力供給システムを運転する方法を示すフロー図である。
【図１１】図１１は、負荷に電力を供給するハイブリッド燃料電池システムであって、燃料電池スタック、直列パス素子、直列パス素子中の電流の流れを制御する調節回路またはコントローラ、および蓄電池をシミュレーションする電力貯蔵装置としてのウルトラキャパシタを用いる回路（ウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータ）を有する燃料電池システムの系統図である。
【図１２】図１２は、図１１の燃料電池システム用に適するウルトラキャパシタを用いる代替回路の系統図である。
【図１３】図１３は、図１１の燃料電池システム用に適するウルトラキャパシタを用いる別の代替回路の系統図である。
【図１４】図１４は、電気的に直列に接続された一連のウルトラキャパシタ、リニアモード充電電流リミッタ、およびバイパスダイオードを含むウルトラキャパシタを用いる回路の電気系統図である。
【図１５】図１５は、充電電流リミッタが一対のダーリントン結合トランジスタをさらに含んで電力損失を制限する、図１４のウルトラキャパシタを用いる回路の電気系統図である。
【図１６】図１６は、過電圧条件の場合に充電電流リミッタが充電電流を遮断する回路をさらに含む、図１５のウルトラキャパシタを用いる回路の電気系統図である。
【図１７】図１７は、ウルトラキャパシタの前後で所望の電圧が得られたら充電電流リミッタが充電電流を遮断する回路をさらに含む、図１６のウルトラキャパシタを用いる回路の電気系統図である。
【図１８】図１８は、ハイブリッド燃料電池システムを運転する方法の一例のフロー図である。
【図１９】図１９は、一つ以上の整流器アレイ、燃料電池ハイブリッドモジュールアレイ、ウルトラキャパシタ蓄電池シミュレータアレイ、はずみ車蓄電池シミュレータアレイおよび／または充電式蓄電池を含む電力システムの系統図である。
【図２０】図２０は、図１９の電力システム用に適する燃料電池ハイブリッドモジュールアレイの実施態様の一例の系統図である。
【図２１】図２１は、電気的に直列および並列に接続されて少なくともＮ＋１個の重複を提供する燃料電池システムの二次元アレイを形成する、ある数の燃料電池システムを含む電力供給システムの系統図である。
【図２２】図２２は、電気的に直列および並列に接続されて複数の電圧レベルに少なくともＮ＋１個の重複を提供する燃料電池システムの二次元アレイを形成する、ある数の燃料電池システムを含む電力供給システムの系統図である。
【図２３】図２３は、電気的に直列および並列に接続されて複数の正負の電圧レベルに少なくともＮ＋１個の重複を提供する燃料電池システムの二次元アレイを形成する、ある数の燃料電池システムを含む電力供給システムの系統図である。
【図２４】図２４は、従来の直流予備電力またはＵＰＳシステムの系統例である。
【図２５】図２５は、従来の交流予備電力またはＵＰＳシステムの系統例である。
【図２６】図２６は、ＶＲＬＡ蓄電池バンクを使用する従来の４００アンペア４時間電源装置、およびそれと同等な本電源設備の実施態様の系統例である。
【図２７】図２７は、ＶＲＬＡ蓄電池バンクを使用する従来の４００アンペア４時間電源装置、およびそれと同等な本電源設備の実施態様の系統例である。
【図２８】図２８は、ＶＲＬＡ蓄電池バンクを使用する従来の４００アンペア８時間電源装置、およびそれと同等な本電源設備の実施態様の系統例である。
【図２９】図２９は、ＶＲＬＡ蓄電池バンクを使用する従来の４００アンペア８時間電源装置、およびそれと同等な本電源設備の実施態様の系統例である。
【図１】
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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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2005526363.tif 000021
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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2005526363.tif 000035
2005526363.tif 000036
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