(57)【要約】      （修正有）【課題】発電システムおよびその作動方法を提供する。【解決手段】発電システム１００は、燃料電池１１０を有する燃料電池サブシステム１０２、燃料電池サブシステム１０２の発生する電力の少なくとも一部分を処理するパワーエレクトロニクスサブシステム１０４、燃料流の少なくとも一部分１２０をパワーエレクトロニクスサブシステム１０４に供給する第１の配管１０６、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４において燃料流の一部分１２０が熱せられ予熱された燃料流１２２として燃料電池サブシステム１０２に供給する第２の配管１０８を含む。発燃料電池１１０は、予熱された燃料流１２２を用いて電力を発生する。【選択図】図１
2019160783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を発生させるように構成された燃料電池を含む燃料電池サブシステムと、
前記燃料電池サブシステムに電気的に結合されかつ前記燃料電池サブシステムによって発生させられる電力の少なくとも一部分を処理するように構成されたパワーエレクトロニクスサブシステムと、
前記パワーエレクトロニクスサブシステムに流体的に結合されかつ燃料流の少なくとも一部分を前記パワーエレクトロニクスサブシステムに供給するように構成された第１の配管であって、前記パワーエレクトロニクスサブシステムは、前記燃料流の前記一部分を熱して予熱された燃料流を形成するように構成されている、第１の配管と、
前記パワーエレクトロニクスサブシステムと前記燃料電池サブシステムに流体的に結合されかつ前記予熱された燃料流を前記燃料電池サブシステムに供給するように構成された第２の配管を含み、
前記燃料電池は、前記予熱された燃料流を用いて電力を発生させるように構成されている発電システム。
【請求項２】
前記燃料電池は固体酸化物燃料電池である請求項１記載の発電システム。
【請求項３】
前記燃料流は炭化水素ガスを含む請求項１記載の発電システム。
【請求項４】
前記燃料電池サブシステムは、
第１の熱交換器であって、
熱伝導流体を受け、
前記受けられた熱伝導流体を熱して熱せられた熱伝導流体を発生させ、
前記熱せられた熱伝導流体を前記燃料電池に供給するように構成された第１の熱交換器をさらに含む請求項１記載の発電システム。
【請求項５】
前記燃料電池サブシステムは、
第２の熱交換器であって、
前記予熱された燃料流を受け、
前記受けられた予熱された燃料流を熱して熱せられた燃料流を発生させ、
前記熱せられた燃料流を前記燃料電池に供給するように構成された第２の熱交換器をさらに含む請求項１記載の発電システム。
【請求項６】
前記パワーエレクトロニクスサブシステムは、
電力処理ユニットであって、
パワーモジュールと、
前記パワーモジュールに熱的に接して設けられた熱伝導媒体と、
前記熱伝導媒体に熱的に接して設けられた第１の冷却チャンネルであって、
前記燃料流の前記一部分を受ける前記第１の配管と、
前記予熱された燃料流を前記第２の熱交換器に供給する第２の配管であって、前記予熱された燃料流は、前記第１の冷却チャンネルを介した前記熱伝導媒体から前記燃料流の前記一部分への熱伝導によって形成される、第２の配管に流体的に結合されている第１の冷却チャンネルを含む電力処理ユニットをさらに含む請求項５記載の発電システム。
【請求項７】
前記電力処理ユニットは少なくとも１つのＤＣ−ＡＣ電力変換器と外部パワーエレクトロニクス回路を含む請求項６記載の発電システム。
【請求項８】
前記電力処理ユニットは、前記熱伝導媒体に熱的に接して設けられた第２の冷却チャンネルをさらに含み、前記第２の冷却チャンネルは、前記燃料電池サブシステムに流体的に結合されおり、かつ、水を受け、予熱された水流を前記燃料電池サブシステムに供給するように構成されており、前記予熱された水流は、前記第２の冷却チャンネルを介した前記熱伝導媒体から水への熱伝導によって形成される請求項６記載の発電システム。
【請求項９】
前記燃料電池サブシステムは、
第３の熱交換器であって、
前記予熱された水流を受けおよび前記受けられた予熱された水流を熱して、水蒸気を発生させ、
前記水蒸気を前記燃料電池に供給するように構成された第３の熱交換器をさらに含む請求項８記載の発電システム。
【請求項１０】
前記パワーエレクトロニクスサブシステムと前記燃料電池サブシステムに流体的に結合された制御サブシステムであって、
前記第１の冷却チャンネルに流体的に結合された燃料制御弁と、
前記第２の冷却チャンネルに流体的に結合された水制御弁と、
前記燃料制御弁と前記水制御弁に作動可能に結合されて前記予熱された水流と前記予熱された燃料流の前記燃料電池サブシステムへの供給を選択的に制御するコントローラを含む制御サブシステムをさらに含む請求項８記載の発電システム。
【請求項１１】
前記コントローラは、前記燃料電池サブシステムの作動状態、前記発電システムの負荷、前記熱伝導媒体の温度、前記第１の冷却チャンネルを通した前記燃料流の前記一部分の流量、前記第１の冷却チャンネル内の燃料流の圧力、またはそれらの組合せに基づいて、前記燃料制御弁と前記水制御弁のうちの１つ以上を選択的に制御するように構成されている請求項１０記載の発電システム。
【請求項１２】
直流（ＤＣ）電力を発生させるように構成された固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を含む燃料電池サブシステムと、
前記燃料電池サブシステムに電気的に結合されかつ前記ＳＯＦＣによって発生させられた前記ＤＣ電力を交流（ＡＣ）電力に変換するように構成されたインバータと、
前記インバータに流体的に結合されかつ燃料流の少なくとも一部分を前記インバータに供給するように構成された第１の配管であって、前記インバータは、前記燃料流の前記一部分を熱して予熱された燃料流を形成するように構成されている、第１の配管と、
前記インバータと前記燃料電池サブシステムに流体的に結合されかつ前記予熱された燃料流を前記燃料電池サブシステムに供給するように構成された第２の配管を含み、
前記ＳＯＦＣは、前記予熱された燃料流を用いて前記ＤＣ電力を発生させるように構成されている発電システム。
【請求項１３】
前記燃料電池サブシステムは、
第１の熱交換器であって、
熱伝導流体を受け、
前記受けられた熱伝導流体を熱して熱せられた熱伝導流体を発生させ、
前記熱せられた熱伝導流体を前記ＳＯＦＣに供給するように構成された第１の熱交換器をさらに含む請求項１２記載の発電システム。
【請求項１４】
前記燃料電池サブシステムは、
第２の熱交換器であって、
前記予熱された燃料流を受け、
前記受けられた予熱された燃料流を熱して熱せられた燃料流を発生させ、
前記熱せられた燃料流を前記ＳＯＦＣに供給するように構成された第２の熱交換器をさらに含む請求項１２記載の発電システム。
【請求項１５】
前記インバータは、
電力処理ユニットであって、
１つ以上のパワーモジュールに対応する１つ以上の半導体スイッチの配列を含むＤＣ−ＡＣ電力変換器と、
前記１つ以上のパワーモジュールに熱的に接して設けられた熱伝導媒体と、
前記熱伝導媒体に熱的に接して設けられた第１の冷却チャンネルであって、
前記燃料流の前記一部分を受ける前記第１の配管と、
前記予熱された燃料流を前記第２の熱交換器に供給する前記第２の配管であって、前記予熱された燃料流は、前記第１の冷却チャンネルを介した前記熱伝導媒体から前記燃料流の前記一部分への熱伝導によって形成される、前記第２の配管に流体的に結合されている第１の冷却チャンネルを含む電力処理ユニットをさらに含む請求項１４記載の発電システム。
【請求項１６】
前記電力処理ユニットは、前記熱伝導媒体に熱的に接して設けられた第２の冷却チャンネルをさらに含み、前記第２の冷却チャンネルは、前記燃料電池サブシステムに流体的に結合されており、かつ、水を受け、予熱された水流を前記燃料電池サブシステムに供給するように構成されており、前記予熱された水流は、前記第２の冷却チャンネルを介した前記熱伝導媒体から水への熱伝導によって形成される請求項１５記載の発電システム。
【請求項１７】
前記インバータと前記燃料電池サブシステムに流体的に結合された制御サブシステムであって、
前記第１の冷却チャンネルに流体的に結合された燃料制御弁と、
前記第２の冷却チャンネルに流体的に結合された水制御弁と、
前記燃料制御弁と前記水制御弁に作動可能に結合されて、前記燃料電池サブシステムの作動状態、前記発電システムの負荷、前記熱伝導媒体の温度、前記第１の冷却チャンネルを通した前記燃料流の前記一部分の流量、前記第１の冷却チャンネル内の前記燃料流の圧力、またはそれらの組合せに基づいて、前記予熱された水流と前記予熱された燃料流の前記燃料電池サブシステムへの供給を選択的に制御するコントローラを含む制御サブシステムをさらに含む請求項１６記載の発電システム。
【請求項１８】
発電システムを作動させる方法であって、
前記発電システムは、電力を発生させるように構成された燃料電池と前記燃料電池サブシステムに電気的に結合されたパワーエレクトロニクスサブシステムを含む燃料電池サブシステムを含み、
前記方法は、
前記パワーエレクトロニクスサブシステムによって、燃料流の少なくとも一部分を受けること、
前記パワーエレクトロニクスサブシステムによって、前記燃料流の少なくとも前記一部分を熱して予熱された燃料流を形成すること、
前記パワーエレクトロニクスサブシステムによって、前記予熱された燃料流を前記燃料電池サブシステムに供給すること、
前記燃料電池によって、前記予熱された燃料流を用いて前記電力を発生させること、
前記パワーエレクトロニクスサブシステムによって、前記燃料電池サブシステムによって発生させられた前記電力の少なくとも一部分を処理することを含む方法。
【請求項１９】
前記燃料電池サブシステムに設けられた第１の熱交換器によって、熱伝導流体を受けること、
前記第１の熱交換器によって、前記熱伝導流体を熱して熱せられた熱伝導流体を発生させること、
前記第１の熱交換器によって、前記熱せられた熱伝導流体を前記燃料電池に供給することをさらに含む請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記燃料電池サブシステムに設けられた第２の熱交換器によって、前記パワーエレクトロニクスサブシステムから前記予熱された燃料流を受けること、
前記第２の熱交換器によって、前記予熱された燃料流を熱して熱せられた燃料流を発生させること、
前記第２の熱交換器によって、前記熱せられた燃料流を前記燃料電池に供給することをさらに含む請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
前記燃料電池サブシステムに設けられた第３の熱交換器によって、前記パワーエレクトロニクスサブシステムから予熱された水流を受けること、
前記第３の熱交換器によって、前記予熱された水流を熱して水蒸気を発生させること、
前記第３の熱交換器によって、前記水蒸気を前記燃料電池に供給することをさらに含む請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の実施形態は、発電システム、より詳細には、燃料電池型発電システムおよびそのような発電システムを作動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、より高い効率の点から将来性ならびに石炭および／またはディーゼル発電システムの汚染と比較してより低い汚染が実証されている電気化学的エネルギ変換装置である。一般的な燃料電池には、固体高分子形燃料電池、直接メタノール型燃料電池、アルカリ形燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池または固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）が含まれる。ＳＯＦＣなどの、燃料電池は、大規模な発電システムで作動することもできて産業や地方自治体のニーズを満たす。
【０００３】
一般に、燃料電池を用いる発電システムにおいて、燃料電池は、直流（ＤＣ）電力を発生させる。発生させられたＤＣ電力は、電力変換装置、例えば、インバータを用いて交流（ＡＣ）電力に変換されることができる。かかる発電システムの作動の間、インバータは、熱を発生する。従って、発電システムは、熱せられたインバータの冷却を容易にするためのサブシステムを含んでいる。一部の発電システムは、インバータによって発生させられた熱を消散させる専用の液体または空気冷却サブシステムを含んでいる。一例として、専用の液体または空気冷却サブシステムは、限定はされないが、１つ以上のファン、冷却材の循環を容易にするためのパイプライン網、およびパイプライン網を通した冷却剤の循環をもたらす１つ以上のポンプを含む、追加の構成部品を必要とする。その結果、かかる専用冷却システムは、発電システムの全体の大きさ、コストおよび複雑さを増大させることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８８２２０９３号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書の一実施形態に従って、発電システムが提示される。上記発電システムは、電力を発生させるように構成された燃料電池を含む燃料電池サブシステムを含む。上記発電システムは、上記燃料電池サブシステムに電気的に結合されかつ上記燃料電池サブシステムによって発生させられる電力の少なくとも一部分を処理するように構成されたパワーエレクトロニクスサブシステムをさらに含む。さらに、上記発電システムは、上記パワーエレクトロニクスサブシステムに流体的に結合されかつ燃料流の少なくとも一部分を上記パワーエレクトロニクスサブシステムに供給するように構成された第１の配管であって、上記パワーエレクトロニクスサブシステムは、上記燃料流の上記一部分を熱して予熱された燃料流を形成するように構成されている、第１の配管を含む。さらに、上記発電システムは、上記パワーエレクトロニクスサブシステムと上記燃料電池サブシステムに流体的に結合されかつ上記予熱された燃料流を上記燃料電池サブシステムに供給するように構成された第２の配管を含む。上記燃料電池は、上記予熱された燃料流を用いて電力を発生させるように構成されている。
【０００６】
本明細書の他の実施形態に従って、発電システムが提示される。上記発電システムは、直流（ＤＣ）電力を発生させるように構成された固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を含む燃料電池サブシステムを含む。上記発電システムは、上記燃料電池サブシステムに電気的に結合されかつ上記ＳＯＦＣによって発生させられた上記ＤＣ電力を交流（ＡＣ）電力に変換するように構成されたインバータをさらに含む。さらに、上記発電システムは、上記インバータに流体的に結合されかつ燃料流の少なくとも一部分を上記インバータに供給するように構成された第１の配管であって、上記インバータは、上記燃料流の上記一部分を熱して予熱された燃料流を形成するように構成されている、第１の配管を含む。さらに、上記発電システムは、上記インバータと上記燃料電池サブシステムに流体的に結合されかつ上記予熱された燃料流を上記燃料電池サブシステムに供給するように構成された第２の配管を含む。上記ＳＯＦＣは、上記予熱された燃料流を用いて上記ＤＣ電力を発生させるように構成されている。
【０００７】
本明細書のさらに他の実施形態に従って、発電システムを作動させる方法が提示される。上記発電システムは、電力を発生させるように構成された燃料電池と上記燃料電池サブシステムに電気的に結合されたパワーエレクトロニクスサブシステムを含む燃料電池サブシステムを含む。上記方法は、上記パワーエレクトロニクスサブシステムによって、燃料流の少なくとも一部分を受けることを含む。上記方法は、上記パワーエレクトロニクスサブシステムによって、上記燃料流の少なくとも上記一部分を熱して予熱された燃料流を形成することを含む。さらに、上記方法は、上記パワーエレクトロニクスサブシステムによって、上記予熱された燃料流を上記燃料電池サブシステムに供給することを含む。さらに、上記方法は、上記燃料電池によって、上記予熱された燃料流を用いて上記電力を発生させることも含む。さらに、上記方法は、上記パワーエレクトロニクスサブシステムによって、上記燃料電池サブシステムによって発生させられた上記電力の少なくとも一部分を処理することを含む。
【０００８】
本明細書のこれらのおよび他の特徴、態様および利点は、図面の全体を通して同様の特性は同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明が読まれたときによりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本明細書の一実施形態に従う発電システムのブロック図である。
【図２】本明細書の他の実施形態に従う発電システムのブロック図である。
【図３】本明細書の一実施形態に従う、図１および図２の発電システムに用いられる熱伝導媒体の一部分の斜視図である。
【図４】本明細書の一実施形態に従う、図１および図２の発電システム内のパワーエレクトロニクスサブシステムとし用いられるインバータのブロック図である。
【図５】本明細書の一実施形態に従う、図４のインバータに用いられるＤＣ−ＡＣ電力変換器の回路図である。
【図６】本明細書のさらに他の実施形態に従う、発電システムのブロック図である。
【図７】本明細書の一実施形態に従う、発電システムを作動させる方法のフロー図である。
【図８】本明細書の一実施形態に従う、発電システムを作動させる他の方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
別途規定されていない限り、本明細書に用いられる技術的および科学的用語は、この明細書が属する分野の当業者に共通に理解される意味と同じ意味を有する。以下の説明および特許請求の範囲において、単一の形態「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明瞭にそうでないことを要求していない限り、複数の指示対象物を含む。本明細書において、用語「ｏｒ」は、排他的であることを意味しないし、提示されている参照構成要素の少なくとも１つを指し、文脈が明瞭にそうでないことを要求していない限り、参照構成要素の組合せが存在してもよい場合を含む。
【００１１】
本明細書においては、用語「ｍａｙ」および「ｍａｙ  ｂｅ」は、環境の組内の発生の可能性を示すこと、特定の特質、特性もしくは機能の所有を示すことがあり、および／または、適格な動詞に関連付けられた１つ以上の能力、性能または可能性を表現することによって他の動詞を適格とすることがある。従って、「ｍａｙ」および「ｍａｙ  ｂｅ」の使用は、いくつかの実施形態では、修正された用語が時には適切でない、能力のないまたは相応ではないこともあることを考慮に入れつつ、修飾された用語が、指示された容量、機能または使用に対して明らかに適切である、能力のあるまたは相応することを示す。
【００１２】
本明細書における用語「ｆｌｕｉｄ」は、限定されずに、ガス、液体またはそれらの組合せを含む、流れる何れの媒体または材料も含む。さらに、本明細書における、用語「ｆｌｕｉｄｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ」または「ｆｌｕｉｄｌｙ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ」は、１つの構成要素から他の構成要素への、または逆の、流体の流れを容易にする２つの構成要素の間の配列または接続を指す。
【００１３】
図１は、本明細書の一実施形態に従う、発電システム１００のブロック図である。発電システム１００は、燃料電池サブシステム１０２、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４、第１の配管１０６、および第２の配管１０８を含むことができる。燃料電池サブシステム１０２は、電力を発生させるように構成された燃料電池１１０を含む。パワーエレクトロニクスサブシステム１０４は、燃料電池サブシステム１０２に電気的に結合されており、燃料電池サブシステム１０２によって発生させられた電力の少なくとも１部を処理するように構成されている。第１の配管１０６は、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４に流体的に結合されて燃料流の少なくとも一部分１２０をパワーエレクトロニクスサブシステム１０４に供給する。ここで、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４は、燃料流の一部分１２０を熱して予熱された燃料を形成するように構成されている。第２の配管１０８は、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４と燃料電池サブシステム１０２に流体的に結合されて予熱された燃料流１２２を燃料電池サブシステム１０２に供給する。燃料電池１１０は、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４から第２の配管１０８を介して予熱された燃料流１２２を受け、予熱された燃料流１２２を用いて電力を発生させるように構成されている。
【００１４】
いくつかの実施形態では、燃料流は、炭化水素ガスを含むことができる。非限定的な例では、炭化水素ガスは、天然ガスを含む。限定されずに、いかなるガスまたは燃料も含む、他の燃料も、本明細書の範囲を限定することなしに、燃料流に用いられることができる。他の燃料の非限定的な例は、メタン、エタン、プロパン、バイオガス、合成ガス、軽油、ケロシン、ガソリン、ジェット噴射燃料（Ｊｅｔ  Ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ−８（ＪＰ−８））などジェット燃料、またはそれらの組合せを含むことができる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、燃料電池１１０は、水素と酸素との間の化学反応に基づく電力を発生させることができる。いくつかの実施形態では、燃料電池１１０は、水素、酸素、および一酸化炭素（ＣＯ）の間の化学反応に基づく電力を発生させることができる。水素は、燃料電池１１０によって受けられた、予熱された燃料流１２２と水の蒸気／水蒸気から得られることができる。水素の発生を容易にするために、いくつかの実施形態では、予熱された燃料流１２２と水蒸気との間の化学反応を容易にする改質器（図示されていない）を含むこことができる。いくつかの実施形態では、燃料電池１１０が固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）であるときは、別個の改質器を必要としないこともある。また、燃料電池１１０は、一般に、陽極（図示されていない）、陰極（図示されていない）、および陽極と陰極との間に設けられた電解質（図示されていない）を含む。いくつかの実施形態では、水素は、陽極に提供されることができ、酸素は陰極に提供されることができる。陽極は、酸化反応を促進させて、陽極に供給された水素から正に帯電した水素イオンと電子を発生させる。正に帯電した水素イオンは、電解質を介して陽極から陰極へ移動することができる。同時に、電子は、別途の電気的経路を介して陽極から陰極へ移動する。そのような電子の流れは、直流（ＤＣ）電力を構成する。さらに、正に帯電した水素イオンは、陰極において酸素と化学反応することができ、その結果燃料電池１１０からの排出として水の形態になる。燃料電池１１０の非限定的な例は、固体高分子形燃料電池、直接メタノール型燃料電池、アルカリ形燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、ＳＯＦＣまたはリバーシブル燃料電池を含むことができる。
【００１６】
燃料電池サブシステム１０２の燃料電池１１０によって発生させられたＤＣ電力は、電気的リンク１１２を介してパワーエレクトロニクスサブシステム１０４に提供されることができる。一例として、電気的リンク１１２は、一般に２つの伝導体または端子−一方は正電位に維持され他方は負電位に維持された−を含むＤＣ−リンクであってもよい。２つ以上の伝導体／端子を用いる他の型の電気的リンクも、本明細書の範囲を限定することなく、用いられることができる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４は、インバータ（図４参照）などの電力変換器として実装されることができる。そのような構成において、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４は、燃料電池サブシステム１０２から受けられたＤＣ電力を交流（ＡＣ）電力に変換するように構成されることができる。このＡＣ電力は、出力電力ポート１１４を介して外部負荷（図示されていない）に供給されることができる。出力電力ポート１１４は、発電システム１００によって発生させられたＡＣ電力へのアクセスを提供する装置（例えば、電源ソケット）の典型であることができる。外部負荷は、出力電力ポート１１４を介して発電システム１００に接続されることができる。いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４は、発電システム１００の、外部ユニット、例えば、ファン、熱交換器などに電力を提供するための電力処理ユニットを含むことができる。いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４は、インバータと電力を外部ユニットに提供するための電力処理ユニットの双方を含むことができる。パワーエレクトロニクスサブシステム１０４の追加の詳細は、図２および図３とともに説明される。
【００１８】
第１の配管１０６と第２の配管１０８は、パイプなど、可撓性のあるまたは堅い、何れか適切な媒体の典型であることができ、それを通して燃料流の一部分１２０の通過を可能にする。図１に示されているように、第１の配管１０６は、発電システム１００の外部からパワーエレクトロニクスサブシステム１０４への燃料流の一部分１２０の流れを容易にすることができる。一例として、第１の配管１０６の一端１１６は、パイプライン（図示されていない）または燃料の貯蔵ユニット／リザーバ（図示されていない）に流体的に結合されて、燃料流の一部分１２０を受け取ることができる。第１の配管１０６の他端１１８は、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４に流体的に結合されて、燃料流の少なくとも一部分１２０をパワーエレクトロニクスサブシステム１０４に供給することができる。受けられた燃料流の少なくとも一部分１２０は、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４を通る。
【００１９】
発電システム１００の作動の間、燃料電池サブシステム１０２から受けられた電力を処理しながら、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４は、熱を発生することがある。いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４によって発生させられたそのような熱は、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４を通る燃料流の一部分１２０に伝導され、これによって、燃料流の一部分１２０を熱して予熱された燃料流１２２を発生させる。この予熱された燃料流１２２は、第２の配管１０８を介して燃料電池サブシステム１０２に供給される。
【００２０】
表１は、異なる負荷で作動させられ、第１の配管１０６を介してさまざまな流量および温度で天然ガス（ＮＧ）などの燃料が供給される１メガワット（ＭＷ）発電システムにおける燃料流を用いた熱除去の量の非限定的な例を表す。
【表１】
2019160783.tif 000003
【００２１】
表１において、Ｔｉｎ−ＮＧは、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４に達する前（例えば、第１の配管１０６内）のＮＧの温度を表し、Ｔout−ＮＧは、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４を出た後（例えば、第２の配管１０８内）のＮＧの温度を表し、Ｃｐｎｇは、ＮＧの熱容量を表す。さらに、略語ｋＪおよびｋｇは、それぞれ、キロジュールおよびキログラムを指すように用いられている。一例として、Ｔｉｎ−ＮＧ＝０℃およびＴｉｎ−ＮＧ＝３０℃は、それぞれ、冬と夏におけるＮＧについての代表的な温度を表す。いくつかの実施形態では、熱除去の値（ＱＮＧ）は、次の式を用いて決定されることができる。
ＱＮＧ＝ｍＮＧ＊Ｃｐｎｇ＊（Ｔout−ＮＧ−Ｔｉｎ−ＮＧ）  （式１）
【００２２】
発電システム１００が１３０％の負荷（すなわち、定格負荷よりも３０％大きい）で作動させられる事例３の非限定的な例において、Ｔｉｎ−ＮＧ＝０℃、Ｔout−ＮＧ＝７０℃、ＮＧ質量流量ｍＮＧ＝０．０４７キログラム／秒である場合、７．５ｋＷの熱が、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４によってそれを流れるＮＧへ伝導された熱のため、回収されることができる。表１から、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４に達する前のＮＧの温度Ｔｉｎ−ＮＧが、例えばＴｉｎ−ＮＧ＝３０℃に、高くなると、除去される熱の量（ＱＮＧ）は、減少する（事例２、４および６参照）ことも観察されることができる。また、Ｔｉｎ−ＮＧ、Ｔout−ＮＧおよびｍＮＧの所与の値に対して、発電システム１００の負荷は、回収された／除去された熱（ＱＮＧ）の量に影響を及ぼす。
【００２３】
いくつかの実施形態では、発電システム１００の構成は、そうでなければパワーエレクトロニクスサブシステム１０４の周りに消散させられてしまうことになる、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４によって発生させられた熱を有利に利用して、燃料流の一部分１２０を予熱する。燃料電池サブシステム１０２に供給される前の燃料流の一部分１２０のこの予熱は、燃料電池サブシステム１０２内で予熱された燃料流１２２の減少させられた加熱を要求する。従って、燃料電池サブシステム１０２の大きさ、コストおよび複雑さが、在来の燃料電池サブシステムと比較して、減少させられることができる。加えて、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４からパワーエレクトロニクスサブシステム１０４を通る燃料流の一部分１２０への熱の伝導は、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４の冷却を助ける。燃料流の一部分１２０への熱の伝導によってもたらされるパワーエレクトロニクスサブシステム１０４のこの冷却は、追加の冷却サブシステムに対する要求を不要にするかまたは最小にし、これによって、発電システム１００の全体的な大きさ、コストおよび複雑さを減少させる。
【００２４】
図２は、本明細書の他の実施形態に従う、発電システム２００のブロック図である。いくつかの実施形態では、発電システム２００は、燃料電池サブシステム２０２とパワーエレクトロニクスシステム２０４を含むことができる。発電システム２００は、また、第１の配管２０６、第２の配管２０８、第３の配管２１０および／または第４の配管２１２などの複数の配管を含むことができる。さらに、発電システム２００は、燃料源２１４と水源２１６に結合されることができる。燃料源２１４および／または水源２１６は、それぞれ、燃料および水が入っているタンク、容器またはパイプラインの典型であることができる。
【００２５】
いくつかの実施形態では、第１の配管２０６は、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４に流体的に結合されて、燃料源２１４からの燃料流２０１の少なくとも一部分２０３をパワーエレクトロニクスサブシステム２０４に供給することができる。ここで、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４は、燃料流２０１の一部分２０３を熱して予熱された燃料流２０５を形成するように構成されている。第２の配管２０８は、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４と燃料電池サブシステム２０２に流体的に結合されて予熱された燃料流２０５を燃料電池サブシステム２０２に供給する。いくつかの実施形態では、燃料流２０１は、炭化水素ガスを含むことができる。１つの非限定的な例では、炭化水素ガスは、天然ガスを含むことができる。燃料流２０１の他の非限定的な例は、メタン、エタン、プロパン、バイオガス、合成ガス、軽油、ケロシン、ガソリン、ＪＰ−８などのジェット燃料、またはそれらの組合せを含むことができる。
【００２６】
さらに、いくつかの実施形態では、第３の配管２１０は、水源２１６とパワーエレクトロニクスサブシステム２０４に流体的に結合されて水源２１６からの水流２３８の少なくとも一部分をパワーエレクトロニクスサブシステム２０４に供給する。ここで、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４は、水流２３８を熱して予熱された水流２４０を形成するように構成されている。加えて、第４の配管２１２は、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４と燃料電池サブシステム２０２に流体的に結合されて予熱された水流２４０を燃料電池サブシステム２０２に供給する。
【００２７】
燃料電池サブシステム２０２は、図１の燃料電池サブシステム１０２の一実施形態の代理であることができる。燃料電池サブシステム２０２は、第１の熱交換器２１８、第２の熱交換器２２０、および第３の熱交換器２２２などの、複数の熱交換器を含むことができる。第１の熱交換器２１８、第２の熱交換器２２０、および第３の熱交換器２２２は、以下まとめて、熱交換器２１８〜２２２と呼ばれる。燃料電池サブシステム２０２は、また、熱交換器２１８〜２２２に結合されたＳＯＦＣ２２４を含むことができる。ＳＯＦＣ２２４は、少なくとも予熱された燃料流２０５を用いてＤＣ電力を発生させるように構成されている。熱交換器２１８〜２２２は、それを通る流体を熱するように構成された１つ以上の熱する要素を含むことができる。
【００２８】
第１の熱交換器２１８は、入口２２６を介して熱伝導流体２４２を受けるように構成されることができる。いくつかの実施形態では、熱伝導流体２４２は、空気、例えば、外気であることができる。さらに、第１の熱交換器２１８は、受けられた熱伝導流体２４２を熱して熱せられた熱伝導流体２４４を発生させ、熱せられた熱伝導流体２４４をＳＯＦＣ２２４に供給するように構成されている。第２の熱交換器２２０は、第２の配管２０８を介してパワーエレクトロニクスサブシステム２０４から予熱された燃料流２０５を受け、受けられた予熱された燃料流２０５を熱して熱せられた燃料流２４６を発生させるように構成されることができる。さらに、第２の熱交換器２２０は、熱せられた燃料流２４６をＳＯＦＣ２２４に供給するように構成されることができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、水も燃料電池サブシステム２０２に供給されることができる。いくつかの実施形態では、予熱された水流２４０が、第４の配管２１２を介して燃料電池サブシステム２０２に供給されることができる。第３の熱交換器２２２は、第４の配管２１２から予熱された水流２４０を受けるように構成されることができる。さらに、第３の熱交換器２２２は、受けられた予熱された水流２４０を熱して水蒸気２４８を発生させ、ＳＯＦＣ２２４に水蒸気２４８を供給するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、第３の熱交換器２２２と第２の熱交換器２２０は、予熱された燃料流２０５と水蒸気の混合を受けることによって１つの熱交換器として組み合わせられることができる。
【００３０】
典型的には、ＳＯＦＣ２２４は、陽極（図示されていない）、陰極（図示されていない）および電解質（図示されていない）を含む。他の型の燃料電池と比較して、ＳＯＦＣ２２４は、電解質としてセラミック化合物を用いる。ＳＯＦＣ２２４は、熱せられた熱伝導流体２４４、熱せられた燃料流２４６、および水蒸気２４８を、それぞれ、第１の熱交換器２１８、第２の熱交換器２２０、および第３の熱交換器２２２から受けることができる。ＳＯＦＣ２２４は、熱せられた燃料流２４６から水素を発生させ、少なくともそのようにして発生させられた水素を用いてＤＣ電力を発生させるように構成されることができる。発生させられたＤＣ電力は、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４に供給されることができる。
【００３１】
パワーエレクトロニクスサブシステム２０４は、電気的リンク２２３を介して燃料電池サブシステム２０２に電気的に結合されている。電気的リンク２２３は、図１の電気的リンク１１２と同様であってよい。パワーエレクトロニクスサブシステム２０４は、図１のパワーエレクトロニクスサブシステム１０４の一実施形態の代理であり、燃料電池サブシステム２０２によって発生させられた電力の少なくとも一部分を処理するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４は、インバータ（図４参照）として実装されることができる。パワーエレクトロニクスサブシステム２０４のそのような構成において、処理された電力（すなわち、出力電力）は、発電システム２００の出力電力ポート２２５に提供されることができる。発電システム２００の出力電力ポート２２５は、図１の発電システム１００の出力電力ポート１１４と同様であってよい。いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４は、外部パワーエレクトロニクス回路として実装されることができる。パワーエレクトロニクスサブシステム２０４のそのような構成では、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４によって発生させられた処理された電力は、発電システム２００の、いくつかの外部ユニット、例えば、ファン（図示されていない）、熱交換器２１８〜２２２などに提供されることができる。
【００３２】
いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４は、電力処理ユニット２２８を含むことができ、続いて、電力処理ユニット２２８は、少なくとも１つのパワーモジュール２３０とその少なくとも１つのパワーモジュール２３０に熱的に接して設けられた熱伝導媒体２３２を含む。パワーモジュール２３０は、１つ以上のスイッチ、例えば、半導体スイッチを含むことができる。パワーモジュール２３０に用いられる半導体スイッチの非限定的な例は、トラジスタ、ゲート転流型サイリスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、静電誘導トランジスタ、静電誘導サイリスタ、またはそれらの組合せを含むことができる。さらに、半導体スイッチを形成するために用いられる材料は、限定されることなく、シリコン（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、またはそれらの組合せを含むことができる。いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４がインバータとして実装されるとき（図４参照）、パワーモジュール２３０の半導体スイッチは、ＤＣ−ＡＣコンバータを形成するように構成されることができる（図５参照）。
【００３３】
ある実施形態では、電力処理ユニット２２８は、電力処理ユニット２２８の所与の構成のためのスイッチの要求に基づいて１つ以上のパワーモジュール２３０を含むことができる。従って、所定の数の対応するスイッチを有する所望の数のパワーモジュール２３０は、電力処理ユニット２２８内で用いられることができる。図示を容易にするために、図２の電力処理ユニット２２８は、単一のパワーモジュール２３０を含むように示されている。いくつかの実施形態では、電力処理ユニット２２８は、また、２つ（図６参照）以上のパワーモジュール２３０も含むことができる。
【００３４】
熱伝導媒体２３２は、熱伝導材料の板またはシートであることができる。熱伝導媒体２３２を形成するために用いられる熱伝導材料の非限定的な例は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ダイヤモンド、ダイヤモンド粉末、銅−タングステン擬合金などの複合材料、アルミニウム基炭化珪素（ＡｌＳｉＣ）、銅−銀合金基ダイヤモンド（Ｄｙｍａｌｌｏｙ）、およびベリリウム基酸化ベリリウム（Ｅ−Ｍａｔｅｒｉａｌ）、またはそれらの組合せを含むことができる。電力処理ユニット２２８が２つ以上のパワーモジュール２３０を含む、いくつかの実施形態では、電力処理ユニット２２８は、２つ以上のパワーモジュール２３０のそれぞれに対応する熱伝導媒体２３２を含むことができる。電力処理ユニット２２８が２つ以上のパワーモジュール２３０を含む、いくつかの他の実施形態では、電力処理ユニット２２８は単一の熱伝導媒体２３２を含むことができ、ここで、パワーモジュール２３０のそれぞれは、単一の共通の熱伝導媒体２３２に熱的に接して設けられることができる。
【００３５】
さらに、いくつかの実施形態では、電力処理ユニット２２８は、また、第１の冷却チャンネル２３４と第２の冷却チャンネル２３６のうちの１つまたは双方を含むことができる。第１の冷却チャンネル２３４および／または第２の冷却チャンネル２３６は、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４を通した、燃料流２０１の一部分２０３と水流２３８の通過をそれぞれ可能にするための配管の典型であることができる。第１の冷却チャンネル２３４は、第１の配管２０６に流体的に結合されて第１の配管２０６から燃料流２０１の一部分２０３を受ける。第１の冷却チャンネル２３４は、また、第２の冷却チャンネル２０８に流体的に結合されて第２の熱交換器２２０に予熱された燃料流２０５を供給する。予熱された燃料流２０５は、第１の冷却チャンネル２３４を介して熱伝導媒体２３２から燃料流の一部分２０３への熱伝導によって形成される。さらに、第２の冷却チャンネル２３６は、第３の配管２１０に流体的に結合されて第３の配管２１０から水流２３８を受ける。第２の冷却チャンネル２３６は、また、第４の配管２１２に流体的に結合されて第３の熱交換器２２２に予熱された水流２４０を供給する。予熱された水流２４０は、第２の冷却チャンネル２３６を介して熱伝導媒体２３２から水流２３８の一部分への熱伝導によって形成される。
【００３６】
いくつかの他の実施形態では、第１の冷却チャンネル２３４および／または第２の冷却チャンネル２３６は、熱伝導媒体２３２に一体的に形成される（図３参照）。また、ある実施形態では、第１の冷却チャンネル２３４および／または第２の冷却チャンネル２３６は、熱伝導媒体２３２に熱的に接して設けられる。第１の冷却チャンネル２３４および／または第２の冷却チャンネル２３６は、熱伝導材料で形成されることができる。第１の冷却チャンネル２３４および／または第２の冷却チャンネル２３６を形成するために用いられる熱伝導材料の非限定的な例は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ダイヤモンド、ダイヤモンド粉末、銅−タングステン擬合金などの複合材料、アルミニウム基炭化珪素（ＡｌＳｉＣ）、銅−銀合金基ダイヤモンド（Ｄｙｍａｌｌｏｙ）、およびベリリウム基酸化ベリリウム（Ｅ−Ｍａｔｅｒｉａｌ）、またはそれらの組合せを含むことができる。
【００３７】
図３を参照すると、本明細書の一実施形態に従う、熱伝導媒体２３２の一部分の斜視図３００が提示されている。熱伝導媒体２３２は、熱伝導媒体２３２に一体的に形成された冷却チャンネル３０２などの１つ以上の冷却チャンネルを含むことができる。図示を容易にするために、１つの冷却チャンネル３０２のみが、図３に示されている。一実施形態では、冷却チャンネル３０２は、図２の第１の冷却チャンネル２３４の典型であることができる。他の実施形態では、冷却チャンネル３０２は、図２の第２の冷却チャンネル２３６の典型であることができる。いくつかの実施形態では、冷却チャンネル３０２は、冷却チャンネル３０２の空洞３０６の中に半径方向に内向きに突出する複数のフィン３０４も含むことができる。かかるフィン３０４は、第１の冷却チャンネル２３４の内面と一実施形態における燃料流の一部分２０３または別の実施形態におけるそこを通る水流２３８との間の増加した表面の接触を提供する。いくつかの実施形態では、熱伝導媒体２３２の大きさは、パワーモジュール２３０の大きさおよび数ならびにフィン３０４の大きさに基づいて選択されることができる。
【００３８】
図２に戻って参照すると、発電システム２００の作動の間、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４を介した、燃料流の一部分２０３または燃料流の一部分２０３と水流２３８の双方の流れは、限定されることなく、燃料電池サブシステム２０２の作動状態、発電システム２００の負荷、熱伝導媒体２３２の温度、第１の冷却チャンネル２３４を通した燃料流の一部分２０３の流量、第１の冷却チャンネル２３４内の燃料流の一部分２０３の圧力、またはそれらの組合せを含む、さまざまなパラメータに依存して制御されることができる。いくつかの実施形態では、燃料流２０１の一部分２０３のみが、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４を通されることができる。他の実施形態では、燃料流の一部分２０３と水流２３８の双方が、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４を通されることができる。燃料流の一部分２０３または燃料流の一部分２０３と水流２３８の双方の流れを制御する追加の詳細は、図６および図７を参照して説明される。
【００３９】
さらに、発電システム２００の作動の間、燃料電池サブシステム２０２から受けられた電力を処理しながら、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４は、熱を発生させることがある。いくつかの実施形態によれば、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４によって発生させられた熱は、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４を通る燃料流の一部分２０３または燃料流の一部分２０３と水流２３８の双方に伝導され、これによって燃料流の一部分２０３または燃料流の一部分２０３と水流２３８の双方を熱してそれぞれ予熱された燃料流２０５と予熱された水流２４０を発生させる。いくつかの実施形態では、予熱された燃料流２０５は、第２の配管２０８を介して燃料電池サブシステム２０２に供給される。また、ある他の実施形態では、予熱された燃料流２０５と予熱された水流２４０は、それぞれ第２の配管２０８と第４の配管２１２を介して燃料電池サブシステム２０２に供給される。
【００４０】
表２は、第１の配管２０６を介して供給される天然ガス（ＮＧ）などの燃料と第３の配管２１０を介して供給される水を用いる１メガワット（ＭＷ）発電システム内における熱除去の量の非限定的な例を表す。ＮＧと水は、表２に一覧にされているようにさまざまな流量および温度で供給される。
【表２】
2019160783.tif 000004
【００４１】
表２において、Ｔｉｎ−Ｗは、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４に達する前（例えば、第１の配管２０６内）の水流２３８の温度を表し、Ｔout−Ｗは、予熱された水流２４０の温度を表し、ＣｐＷは、水の熱容量を表す。いくつかの実施形態では、熱除去の値（ＱＷ）は、次の式を用いて決定されることができる。
ＱＷ＝ｍＷ＊ＣｐＷ＊（Ｔout−Ｗ−Ｔｉｎ−Ｗ）  （式２）
【００４２】
発電システム２００が６０％の負荷（すなわち、部分負荷）で作動させられる事例１の非限定的な例において、Ｔｉｎ−ＮＧ＝Ｔｉｎ−Ｗ＝０℃、Ｔout−ＮＧ＝Ｔout−Ｗ＝７０℃、ｍＮＧ＝０．０２２およびｍＷ＝０．０６５キログラム／秒である場合、１９ｋＷの熱が、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４によってそこを通して流れる水流２３８へ伝導された熱のため水によって回収されることができる。３．３ｋＷの熱もＮＧの使用のため回収されるので、全２２．３ｋＷの熱が、ＮＧと水の双方を用いて回収されることができる。
【００４３】
有利にも、いくつかの実施形態によれば、発電システム２００の構成は、そうでなければパワーエレクトロニクスサブシステム２０４の周りに消散させられてしまうことになる、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４によって発生させられた熱を利用して、燃料流の一部分２０３または水流２３８と燃料流の一部分２０３の双方を予熱する。この、燃料流の一部分２０３の予熱が、またはいくつかの実施形態では、追加して燃料電池サブシステム２０２に供給されている前の水流２３８の予熱が、燃料電池サブシステム２０２内の予熱された燃料流２０５または予熱された燃料流２０５と予熱された水流２４０の加熱の必要性を減少させる。従って、燃料電池サブシステム２０２の大きさ、コストおよび複雑さが、在来の燃料電池サブシステムと比較して、減少させられることができる。さらに、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４からパワーエレクトロニクスサブシステム２０４を通る燃料流の一部分２０３または燃料流の一部分２０３と水流２３８の双方への熱の伝導は、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４の冷却を助ける。この、燃料流の一部分２０３または燃料流の一部分２０３と水流２３８の双方への熱の伝導によってもたらされるパワーエレクトロニクスサブシステム２０４の冷却が、追加の冷却サブシステムに対する要求を不要にするかまたは最小にし、これによって、在来の発電システムと比較して、発電システム２００の全体的な大きさ、コストおよび複雑さを減少させる。
【００４４】
今度は図４を参照すると、本明細書の一実施形態に従う、対応するパワーエレクトロニクスサブシステム１０４、２０４として図１および図２の発電システム１００、２００に用いるインバータ４００のブロック図が、提示されている。図４のインバータ４００の実施形態では、インバータ４００は、図２の対応する要素と同様である、電力処理ユニット４０２、熱伝導媒体４０４、第１の冷却チャンネル４０６および／または第２の冷却チャンネル４０８などのある一定の構成要素を含んで示されている。
【００４５】
追加的に、インバータ４００は、ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０を含む。いくつかの実施形態では、１つ以上のパワーモジュール２３０の１つ以上のスイッチが設けられてＡＣ−ＤＣ電力変換器４１０を形成する（図５参照）。従って、ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０は、１つ以上のパワーモジュール２３０の１つ以上の半導体スイッチを配列することによって形成される電気回路を表すことができる。ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０は、燃料電池サブシステム１０２、２０２に電気的に結合されてＤＣ電力を受けＤＣ電力をＡＣ電力に変換することができる。ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０は、図５とともにより詳細に説明される。
【００４６】
今度は図５をみると、本明細書の一実施形態に従う、図４のインバータ４００に用いられるＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０の回路図５００が、提示されている。上述のように、ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０は、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換するように構成されている。図５の非限定的な例では、ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０は、三相ＤＣ−ＡＣ電力変換器を表す。単相または複数相のＤＣ−ＡＣ電力変換器の使用もまた、本明細書の範囲内に入ることが想定されている。
【００４７】
いくつかの実施形態では、ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０は、スイッチングユニット５０２、ゲート駆動ユニット５０４、入力ポート５０６、および出力ポート５０８を含むことができる。ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０の入力ポート５０６は、図２の燃料電池サブシステム２０２に接続されて燃料電池サブシステム２０２によって発生させられたＤＣ電力を受けることができる。ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０の出力ポート５０８は、図５の発電システム２００の出力電力ポート２２５に接続されてそれにＡＣ電力を供給することができる。
【００４８】
さらに、ある実施形態では、ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０のスイッチングユニット５０２は、１つ以上のパワーモジュール２３０に対応する１つ以上の半導体スイッチの配列を含むことができる。スイッチングユニット５０２は、図２の１つ以上のパワーモジュール２３０を用いて実装されることができる。非限定的な例では、スイッチングユニット５０２は、図５に示されたように配列された半導体スイッチ５１０、５１２、５１４、５１６、５１８および５２０を含むことができる。半導体スイッチ５１０、５１２、５１４、５１６、５１８および５２０は、以下まとめて半導体スイッチ５１０〜５２０と呼ばれる。半導体スイッチ５１０〜５２０の非限定的な例は、トラジスタ、ゲート転流型サイリスタ、電界効果トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ゲートターンオフサイリスタ、静電誘導トランジスタ、静電誘導サイリスタ、またはそれらの組合せを含むことができる。さらに、半導体スイッチ５１０〜５２０を形成するために用いられる材料は、限定されることなく、シリコン（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）またはそれらの組合せを含むことができる。スイッチングユニット５０２は、６つの半導体スイッチ５１０〜５２０を含むように示されているけれども、６つよりも少ないまたは多い半導体スイッチを用いるスイッチングユニットの使用も、想定されている。ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０は、１つ以上のパワーモジュール２３０を用いて実装されることができる。特に、ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０の実装に必要とされるパワーモジュール２３０の数は、ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０を形成するために必要とされるスイッチの数とパワーモジュール２３０のそれぞれに対応するスイッチの数に基づいて決定されることができる。例えば、パワーモジュール２３０が６つの半導体スイッチを含む場合、ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０は、単一のパワーモジュール２３０を用いて実装されることができる。しかし、パワーモジュール２３０が２つの半導体スイッチのみを含む場合、ＤＣ−ＡＣ電力変換器４１０を実装するために、３つのパワーモジュール２３０が必要とされることがある。
【００４９】
さらに、図５の非限定的な例では、半導体スイッチ５１０〜５２０は、Ｎチャンネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として示されている。これらのＦＥＴ５１０〜５２０は、ドレイン端子、ソース端子および制御端子（例えば、ゲート端子）を含むことができる。図５に示されているように、半導体スイッチ５１０、５１４および５１８のドレイン端子は、ＤＣ導体５２２に結合され、半導体スイッチ５１２、５１６および５２０のソース端子は、ＤＣ導体５２４に結合されている。ＤＣ導体５２２は、ＤＣ導体５２４が負電位に保持されている間正電位に保持されることができる。さらに、半導体スイッチ５１０、５１４および５１８のソース端子は、それぞれ、半導体スイッチ５１２、５１６および５２０のドレイン端子に結合されることができる。また、半導体スイッチ５１０、５１４および５１８のソース端子と半導体スイッチ５１２、５１６および５２０のドレイン端子は、出力相線５２６、５２８および５３０に結合されることができる。加えて、半導体スイッチ５１０〜５２０の制御端子は、ゲート駆動ユニット５０４に結合されてそれぞれの制御信号を受ける。さらに詳細には、半導体スイッチ５１０、５１２、５１４、５１６、５１８および５２０の制御端子は、それぞれ、ゲート駆動ユニット５０４の出力端子５３２、５３４、５３６、５３８、５４０および５４２に結合されている。
【００５０】
ゲート駆動ユニット５０４は、制御信号を半導体スイッチ５１０〜５２０の制御端子に選択的に供給することによって半導体スイッチ５１０〜５２０のスイッチングを制御するために用いられる。ゲート駆動ユニット５０４は、複数の制御信号を発生させることができるエレクトロニクス（ハードウェアおよび／またはソフトウェア）を含むことができる。非限定的な例では、ゲート駆動ユニット５０４は、論理ゲート、トラジスタ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、メモリまたはそれらの組合せを含むことができる。
【００５１】
図６は、本明細書のさらに別の実施形態に従う、発電システム６００の別の実施形態のブロック図である。いくつかの実施形態では、発電システム６００は、１つ以上の燃料電池サブシステム６０２、パワーエレクトロニクスサブシステム６０４、制御サブシステム６０６、第１の配管６０８、第２の配管６１０、第３の配管６１２および第４の配管６１４を含むことができる。いくつかの実施形態では、発電システム６００は、また、バイパス配管６１６を含むことができる。発電システム６００は、図２の、燃料源２１４と同様の燃料源（図示されていない）および水源２１６と同様の水源（図示されていない）に結合されることができる。燃料電池サブシステム６０２、パワーエレクトロニクスサブシステム６０４、第１の配管６０８、第２の配管６１０、第３の配管６１２、および第４の配管６１４は、それぞれ、図２の、燃料電池サブシステム２０２、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４、第１の配管２０６、第２の配管２０８、第３の配管２１０、および第４の配管２１２の一実施形態の代理であることができる。
【００５２】
図６の実施形態では、パワーエレクトロニクスサブシステム６０４は、電力処理ユニット６１８を含む。電力処理ユニット６１８は、２つのパワーモジュール６２０ａと６２０ｂおよび対応する熱伝導媒体６２２ａ、６２２ｂを含む。いくつかの実施形態では、電力処理ユニット６１８は、パワーモジュール６２０ａと６２０ｂ双方に対し共通の熱伝導媒体を含むことができる。パワーモジュール６２０ａ、６２０ｂは、図２のパワーモジュール２３０と同様であることができる。熱伝導媒体６２２ａ、６２２ｂは、図２の熱伝導媒体２３２と同様であることができる。さらに、いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスサブシステム６０４は、発電システム６００の出力電力ポート６２４に電気的に結合されてそれにＡＣ電力を供給することができる。
【００５３】
制御サブシステム６０６は、パワーエレクトロニクスサブシステム６０４に流体的に結合されている。制御サブシステム６０６は、パワーエレクトロニクスサブシステム６０４への燃料流の一部分（図６には示されていない）と水流（図６には示されていない）の流れを制御するように構成されている。制御サブシステム６０６は、第１の冷却チャンネル（図６には示されていない）に流体的に結合されたＦＣＶ６２６、６２８などの、少なくとも１つの燃料制御弁（ＦＣＶ）を含むことができる。例えば、ＦＣＶ６２６は、第１の配管６０８とパワーモジュール６２０ａに対応する第１の冷却チャンネルとの間に流体的に結合されることができる。ＦＣＶ６２８は、第１の配管６０８とパワーモジュール６２０ｂに対応する第１の冷却チャンネルとの間に流体的に結合されることができる。
【００５４】
制御サブシステム６０６は、また、第２の冷却チャンネル（図６には示されていない）に流体的に結合されたＷＣＶ６３０、６３２などの、少なくとも１つの水制御弁（ＷＣＶ）を含むことができる。例えば、ＷＣＶ６３０は、第３の配管６１２とパワーモジュール６２０ａに対応する第２の冷却チャンネルとの間に流体的に結合されることができる。ＷＣＶ６３２は、第３の配管６１２とパワーモジュール６２０ｂに対応する第２の冷却チャンネルとの間に流体的に結合されることができる。ＦＣＶ６２６、６２８およびＷＣＶ６３０、６３２は、典型的なＯＮ／ＯＦＦ弁であることができる。ＦＣＶ６２６、６２８およびＷＣＶ６３０、６３２は、電気的に制御可能であることができる。図６における発電システム６００の表現の複雑さを最小にするために、第１の冷却チャンネルと第２の冷却チャンネルは、示されていない。
【００５５】
さらに、制御サブシステム６０６は、ＦＣＶ６２６、６２８およびＷＣＶ６３０、６３２に作動可能なように結合されたコントローラ６３４も含み、予熱された燃料流６３６と予熱された水流６３８の燃料電池サブシステム６０２への供給を選択的に制御することができる。いくつかの実施形態では、コントローラ６３４は、ＦＣＶ６２６、６２８およびＷＣＶ６３０、６３２のうちの１つ以上を選択的に制御して、燃料電池サブシステム６０２の作動状態、発電システム６００の負荷、熱伝導媒体６２２ａ、６２２ｂ（または単一の共通の熱伝導媒体）の温度、第１の冷却チャンネルを通した燃料流の一部分の流量、第１の冷却チャンネルにおける燃料流の一部分の圧力、またはそれらの組合せに基づいて、予熱された燃料流６３６と予熱された水流６３８の燃料電池サブシステム６０２への供給を制御することができる。
【００５６】
コントローラ６３４は、特別にプログラムされた汎用コンピュータ、マイクロプロセッサなどの電子的プロセッサ、デジタル信号プロセッサ、および／またはマイクロコントローラを含むことができる。さらに、コントローラ６３４は、入力／出力ポート、および電子的メモリなどの記憶媒体を含むことができる。マイクロプロセッサのさまざまな例は、限定されることなく、縮小命令セットコンピューティング（ＲＩＳＣ）アーキテクチャ型マイクロプロセッサまたは複合命令セットコンピューティング（ＣＩＳＣ）アーキテクチャ型マイクロプロセッサを含む。さらに、マイクロプロセッサは、シングルコア型またはマルチコア型であることができる。或いは、コントローラ６３４は、プロセッサを有する回路基板などのハードウェア要素またはパーソナルコンピュータ（ＰＣ）もしくはマイクロコントローラなどのプロセッサ上で作動するソフトウェアとして実装されることができる。
【００５７】
さらに、燃料電池サブシステム６０２は、それぞれ、図２の燃料電池サブシステム２０２のＳＯＦＣ２２４、第１の熱交換器２１８、第２の熱交換器２２０、および第３の熱交換器２２２と同様である、ＳＯＦＣ６４０、第１の熱交換器６４２、第２の熱交換器６４４、および第３の熱交換器６４６を含むことができる。第１の熱交換器６４２、第２の熱交換器６４４、および第３の熱交換器６４６は、それぞれ、熱伝導流体６４８、予熱された燃料流６３６、および予熱された水流６３８を受ける。熱伝導流体６４８は、入口６５０を介して第１の熱交換器６４２によって受けられることができる。さらに、第１の熱交換器６４２、第２の熱交換器６４４、および第３の熱交換器６４６は、それぞれ、熱せられた熱伝導流体６５２、熱せられた燃料流６５４、および水蒸気６５６を、ＳＯＦＣ６４０に供給する。ＳＯＦＣ６４０が、次に、熱せられた熱伝導流体６５２、熱せられた燃料流６５４、および水蒸気６５６を用いて、電力を発生させることができる。燃料電池サブシステム６０２は、電気的リンク６５８を介してパワーエレクトロニクスサブシステム６０４に電気的に結合されている。電気的リンク６５８は、図２の電気的リンク２２３と同様であることができる。ＳＯＦＣ６４０によって発生させられた電力は、電気的リンク６５８を介してパワーエレクトロニクスサブシステム６０４に供給されることができる。
【００５８】
ある例では、パワーエレクトロニクスサブシステム６０４を介して燃料電池サブシステム６０２に供給される燃料流は、発電システム６００の所与の負荷の要求を達成するのに不十分であることもある。それゆえ、この所与の負荷の要求を満たすために、燃料電池サブシステム６０２への燃料の追加の供給が望まれる。そのために、制御サブシステム６０６は、燃料電池サブシステム６０２に流体的に結合されることができる。特に、制御サブシステム６０６は、第１の配管６０８と燃料電池サブシステム２０２との間に流体的に結合されたバイパス弁６６０を含むことができる。バイパス弁６６０は、図６に示されているように、バイパス配管６１６に沿って設けられることができる。バイパス弁６６０は、また、コントローラ６３４に作動可能なように結合されることができる。コントローラ６３４は、バイパス弁６６０を選択的に制御するように構成されて、燃料電池サブシステム６０２に追加の燃料を供給することができる。一例として、パワーエレクトロニクスサブシステム６０４を介して供給される燃料流の一部分の流量が発電システム６００の所与の負荷の要求を達成するのに不十分であるとき、追加の燃料がバイパス弁６６０を介して燃料電池サブシステム６０２に供給されることができる。バイパス弁６６０を介した燃料の供給を容易にするために、コントローラ６３４は、バイパス弁６６０をＯＮ状態で作動させるように構成されることができる。ＯＮ状態において、バイパス弁６６０は、それを通した燃料の流れを可能にする。
【００５９】
図７は、本明細書の一実施形態に従う、発電システムを作動させる方法のフロー図７００である。フロー図７００は、図示の容易のために図１を参照して説明されるが、フロー図７００のステップは、また、図２および図６の発電システム２００および発電システム６００それぞれに適用可能であることができる。
【００６０】
ステップ７０２において、燃料流の少なくとも一部分１２０は、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４によって受けられることができる。燃料流の一部分１２０は、第１の配管１０６を介してパワーエレクトロニクスサブシステム１０４によって受けられることができる。さらに、ステップ７０４において、燃料流の少なくとも一部分は、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４によって熱せられて、予熱された燃料流を形成することができる。上述されたように、発電システム１００の作動の間、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４の内部構成要素は、熱を発生させることがある。パワーエレクトロニクスサブシステム１０４によって発生させられるこの熱は、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４を通る燃料流の一部分１２０に伝導されることできる。従って、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４を通る燃料流の一部分１２０は熱せられ、これによって予熱された燃料流１２２を発生させる。
【００６１】
さらに、ステップ７０６において、予熱された燃料流１２２は、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４によって燃料電池サブシステム１０２に供給されることができる。予熱された燃料流１２２は、第２の配管１０８を介してパワーエレクトロニクスサブシステム１０４から燃料電池サブシステム１０２に供給されることができる。さらに、ステップ７０８において、図１および図２について説明されたように、燃料電池サブシステム１０２は、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４から供給された予熱された燃料流１２２を用いて電力を発生させることができる。例えば、燃料電池サブシステム１０２の燃料電池１１０は、ＤＣ電力を発生させることができる。燃料電池サブシステム１０２によって発生させられた電力は、電気的リンク１１２を介してパワーエレクトロニクスサブシステム１０４に供給されることができる。
【００６２】
加えて、ステップ７１０において、電力の少なくとも一部分は、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４によって処理されることができる。いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４による電力の処理は、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換することを含むことができる。いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４による電力の処理は、燃料電池サブシステム１０２から受けられた電力の大きさを増大させることまたは減少させることを含むことができる。いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４は、電力（以下処理された電力と呼ばれる）を、発電システム１００の出力電力ポート１１４に供給することができる。従って、処理された電力は、出力電力ポート１１４に接続された何れかの外部負荷による利用が可能になることができる。ある実施形態では、処理された電力は、発電システム１００の外部ユニットによる利用が可能になることができる。
【００６３】
図８は、本明細書の別の実施形態に従う、発電システムを作動させる別の方法のフロー図８００である。フロー図８００は、図示の容易のために図２および図６を参照して説明されるが、フロー図８００のステップは、また、図１の発電システム１００に適用可能であることができる。
【００６４】
ステップ８０２において、熱伝導流体２４２、６４８は、第１の熱交換器２１８、６４２によって受けられることができる。例えば、外気などの、熱伝導流体２４２、６４８は、入口２２６、６５０を介して第１の熱交換器２１８、６４２によって受けられることができる。さらに、ステップ８０４において、受けられた熱伝導流体２４２、６４８は、第１の熱交換器２１８、６４２によって熱せられて、熱せられた熱伝導流体２４４、６５２を発生させる。さらに、ステップ８０６において、熱せられた熱伝導流体２４４、６５２は、第１の熱交換器２１８、６４２によってＳＯＦＣ２２４、６４０などの燃料電池に供給されることができる。
【００６５】
さらに、ステップ８０８において、燃料流の一部分２０３は、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４に供給されることができる。いくつかの実施形態では、燃料流の一部分２０３の流れは、ＦＣＶ６２６、６２８を介してコントローラ６３４によって制御されることができる。燃料流の一部分２０３をパワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４に供給するために、コントローラ６３４は、燃料流の一部分２０３がＦＣＶ６２６、６２８を通されるように、ＦＣＶ６２６、６２８をＯＮ状態で作動させるように構成されることができる。続いて、ステップ８１０において、燃料流の一部分２０３は、第１の配管２０６、６０８を介してパワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４によって受けられることができる。さらに、燃料流の少なくとも一部分２０３は、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４によって熱せられて、ステップ８１２によって示されたように、予熱された燃料流２０５、６３６を形成することができる。また、ステップ８１４において、予熱された燃料流２０５、６３６は、第２の配管２０８、６１０を介してパワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４によって燃料電池サブシステム２０２、６０２に供給されることができる。ステップ８１０、８１２および８１４は、それぞれ、図７のステップ７０２、７０４および７０６と同様であることが分かる。
【００６６】
さらに、ステップ８１６において、予熱された燃料流２０５、６３６は、第２の熱交換器２２０、６４４によって受けられることができる。予熱された燃料流２０５、６３６は、第２の配管２０８、６１０を介してパワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４から第２の熱交換器２２０、６４４によって受けられることができる。ステップ８１８において、受けられた予熱された燃料流２０５、６３６は、第２の熱交換器２２０、６４４によって熱せられて、熱せられた燃料流２４６、６５４を発生させる。さらに、ステップ８２０において、熱せられた燃料流２４６、６５４は、第２の熱交換器２２０、６４４からＳＯＦＣ２２４、６４０などの燃料電池に供給されることができる。
【００６７】
いくつかの実施形態では、ステップ８０２〜８２０のうちの１つ以上が実行されている間、ステップ８２２において、燃料電池サブシステム２０２、６０２に水を供給する必要があるどうかを決定する確認が実行されることができる。一例として、コントローラ６３４は、燃料電池サブシステム２０２、６０２の作動状態、発電システム２００、６００の負荷、熱伝導媒体２３２、６２２ａ、６２２ｂの温度、第１の冷却チャンネル２３４における燃料流の一部分２０３の流量、第１の冷却チャンネル２３４内の燃料流の一部分２０３の圧力、またはそれらの組合せを、限定されることなく、含む、さまざまなパラメータに基づいて、ステップ８２２における確認を実行することができる。
【００６８】
燃料電池サブシステム２０２、６０２の作動状態は、始動状態および通常作動状態を含むことができる。一般に、始動状態は、燃料電池サブシステム２０２、６０２がウォームアップしているかつ電力が燃料電池サブシステム２０２、６０２によって発生させられていないときの燃料電池サブシステム２０２、６０２の状態の典型であることができる。通常作動状態は、燃料電池サブシステム２０２、６０２が電力を発生させているときの燃料電池サブシステム２０２、６０２の状態の典型であることができる。いくつかの実施形態では、燃料電池サブシステム２０２、６０２が、始動状態で作動していると決定される場合、コントローラ６３４は、ステップ８２２において、燃料電池サブシステム２０２、６０２の始動状態の間、燃料電池サブシステム２０２、６０２に水を供給する必要があると決定することができる。
【００６９】
いくつかの実施形態では、発電システム２００、６００の負荷は、燃料電池サブシステム２０２、６０２に水を供給する必要があるかどうか決定するために、コントローラ６３４に利用されることができる。例えば、発電システム２００、６００が部分負荷状態で作動する場合、コントローラ６３４は、ステップ８２２において、燃料電池サブシステム２０２、６０２に水を供給して既定の水蒸気／炭素比を維持する必要があると決定することができる。部分負荷状態は、既定の閾値負荷よりも小さい負荷の値における発電システム２００、６００の作動と定義されることができる。非限定的な例では、既定の閾値負荷は、発電システム２００、６００の定格負荷の約１％から約６０％の範囲の値であることができる。一例として、既定の閾値負荷は、発電システム２００、６００の定格負荷の約６０％であることができる。
【００７０】
いくつかの実施形態では、熱伝導媒体２３２、６２２ａ、６２２ｂの温度が、既定の閾値温度よりも高い場合、コントローラ６３４は、ステップ８２２において、燃料電池サブシステム２０２、６０２に水を供給する必要があると決定することができる。いくつかの実施形態では、第１の冷却チャンネル２３４内の燃料流の一部分２０３の流量が最大流量に達していてかつパワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４の所望の冷却が達成されていない場合、コントローラ６３４は、ステップ８２２において、燃料電池サブシステム２０２、６０２に水を供給する必要があると決定することができる。ある実施形態では、第１の冷却チャンネル２３４内の燃料流の一部分２０３の圧力が既定の閾値圧力よりも小さい場合、コントローラ６３４は、ステップ８２２において、燃料電池サブシステム２０２、６０２に水を供給する必要があると決定することができる。規定の閾値負荷の値、既定の閾値温度の値、最大流量の値、および規定の閾値圧力の値は、コントローラ６３４に保存される／予め設定されることができる。ある実施形態では、規定の閾値負荷の値、既定の閾値温度の値、最大流量の値、および規定の閾値圧力の値は、要求に合わせて変えることができる。
【００７１】
ステップ８２２において、水の供給が必要ではないと決定された場合、コントローラ６３４は、ステップ８２２において、確認を繰り返し実行し続けることができる。しかし、ステップ８２２において、水の供給が必要であると決定された場合、ステップ８２４において、水流２３８が、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４に供給されることができる。水流２３８は、第３の配管２１０、６１２を介してパワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４に供給されることができる。いくつかの実施形態では、水流２３８の流れは、ＷＣＶ６３０、６３２を介してコントローラ６３４によって制御されることができる。パワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４に水流２３８を供給するために、コントローラ６３４は、水流２３８がＷＣＶ６３０、６３２を通されるように、ＷＣＶ６３０、６３２をＯＮ状態で作動させるように構成されることができる。
【００７２】
さらに、ステップ８２６において、水流２３８は、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４によって受けられることができる。水流２３８は、第３の配管２１０、６１２を介してパワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４によって受けられることができる。さらに、ステップ８２８において、水流２３８は、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４によって熱せられて、予熱された水流２４０、６３８を形成することができる。予熱された水流２４０、６３８は、第２の冷却チャンネル２３６を介してパワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４を通る水流２３８に伝導される熱のため形成されることができる。さらに、ステップ８３０において、予熱された水流２４０、６３８は、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４によって燃料電池サブシステム２０２、６０２に供給されることができる。予熱された水流２４０、６３８は、第４の配管２１２、６１４を介してパワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４から燃料電池サブシステム２０２、６０２に供給されることができる。
【００７３】
続いて、ステップ８３２において、予熱された水流２４０、６３８は、第３の熱交換器２２２、６４６によって受けられることができる。予熱された水流２４０、６３８は、第４の配管２１２、６１４を介してパワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４から第３の熱交換器２２２、６４６によって受けられることができる。ステップ８３４において、受けられた予熱された水流２４０、６３８は、第３の熱交換器２２２、６４６によって熱せられて、水蒸気２４８、６５６を発生させることができる。さらに、ステップ８３６において、水蒸気２４８、６５６は、第３の熱交換器２２２、６４６によって、ＳＯＦＣ２２４、６４０などの燃料電池に供給されることができる。
【００７４】
いくつかの実施形態では、ステップ８０２〜８０６を含む第１の組、ステップ８０８〜８２０を含む第２の組、およびステップ８２２〜８３６を含む第３の組が、互いに並行に実行されることができる。ある実施形態では、８０２〜８０６の第１の組、８０８〜８２０の第２の組、および８２２〜８３６の第３の組それぞれ内の方法のステップは、直列にまたは並列に実行されることができる。
【００７５】
いくつかの実施形態では、ステップ８３８において、電力は、燃料電池サブシステム２０２、６０２のＳＯＦＣ２２４、６４０などの燃料電池によって発生させられることができる。電力、例えば、ＤＣ電力は、熱せられた熱伝導流体２４４、６５２（ステップ８０６において生成させられた）、熱せられた燃料流２４６、６５４（ステップ８２０において供給された）、および水蒸気２４８、６５６（ステップ８３６において供給された）の間の化学反応に基づいてＳＯＦＣ２２４、６４０などの燃料電池によって発生させられることができる。さらに、ステップ８４０において、ＳＯＦＣ２２４、６４０によって発生させられた電力の少なくとも一部分は、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４によって処理されることができる。いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスサブシステム２０４、６０４は、処理された電力を発電システム２００、６００の出力電力ポート２２５、６２４に供給することができる。従って、処理された電力は、出力電力ポート２２５、６２４に接続された何れかの外部負荷によっても利用可能になることができる。ある実施形態では、処理された電力は、発電システム２００、６００の外部ユニットによって利用可能となることができる。
【００７６】
本明細書のいくつかの態様に従う、発電システム１００、２００、６００の構成は、在来の燃料電池型発電システムに対して確かな有利性を示す。いくつかの実施形態によれば、発電システム１００、２００、６００は、そうでなければパワーエレクトロニクスサブシステム１０４、２０４、６０４の周りに消散させられてしまうことになる、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４、２０４、６０４によって発生させられた熱を利用して、燃料流の一部分１２０、２０３、または燃料流の一部分１２０、２０３と水流２３８の双方を予熱する。この、対応する燃料電池サブシステム１０２、２０２、６０２に供給される前の燃料流の一部分１２０、２０３と水流２３８の予熱は、燃料電池サブシステム１０２、２０２、６０２内の、予熱された燃料流１２２、２０５、６３６、または予熱された燃料流１２２、２０５、６３６と予熱された水流２４０、６３８の双方を熱するための要求を減少させることを助ける。従って、燃料電池サブシステム１０２、２０２、６０２の大きさ、コスト、および複雑さが、在来の燃料電池サブシステムと比較して減少させられることができる。
【００７７】
さらに、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４、２０４、６０４から、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４、２０４、６０４を通る、燃料流の一部分１２０、２０３、または燃料流の一部分１２０、２０３と水流２３８の双方への熱の伝導は、パワーエレクトロニクスサブシステム１０４、２０４、６０４を冷却することを助ける。この、燃料流の一部分１２０、２０３、または燃料流の一部分１２０、２０３と水流２３８の双方への熱の伝導によってもたらされるパワーエレクトロニクスサブシステム１０４、２０４、６０４の冷却は、追加の冷却サブシステムに対する要求を不要にするかまたは最小にし、これによって、在来の発電システムと比較して、発電システム１００、２００、６００の全体的な大きさ、コスト、および複雑さを減少させる。加えて、燃料流の一部分１２０、２０３、または燃料流の一部分１２０、２０３と水流２３８の双方の予熱によって回収される熱のため、発電システム１００、２００、６００の効率もまた、在来の発電システムの効率と比較して、向上させられる。
【００７８】
この明細書は、好ましい実施形態を含む、本発明を開示するための、および、何れかの装置またはシステムをつくることおよび使うことならびに何れかの組み込まれた方法を実行することを含む、当業者が本発明を実施することも可能にするための、例を用いている。本明細書の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に生ずる他の例も含むことができる。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構成要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言からわずかな相違を有する等価な構成要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図されている。記載されたさまざまな実施形態からの態様とともに、かかる態様それぞれに対する他の公知の等価物は、本出願の趣旨に従う追加の実施形態および技術を構成するように、当業者によって混合されおよび組み合わせられることができる。
【符号の説明】
【００７９】
１００  発電システム
１０２  燃料電池サブシステム
１０４  パワーエレクトロニクスサブシステム
１０６  第１の配管
１０８  第２の配管
１１０  燃料電池
１１２  電気的リンク
１１４  出力電力ポート
１１６  一端
１１８  他端
１２０  一部分
１２２  予熱された燃料流
２００  発電システム
２０２  燃料電池サブシステム
２０４  パワーエレクトロニクスシステム
２０６  第１の配管
２０８  第２の配管
２１０  第３の配管
２１２  第４の配管
２１４  燃料源
２１６  水源
２１８  第１の熱交換器
２２０  第２の熱交換器
２２２  第３の熱交換器
２２４  ＳＯＦＣ
２２６  入口
２２８  電力処理ユニット
２３０  パワーモジュール
２３２  熱的伝導媒体
２３４  第１の冷却チャンネル
２３６  第２の冷却チャンネル
２３８  水流
２４０  予熱された水流
２４２  熱伝導流体
２４４  熱せられた熱伝導流体
２４６  熱せられた燃料流
２４８  水蒸気
３０２  冷却チャンネル
３０４  フィン
３０６  空洞
４００  インバータ
４０２  電力処理ユニット
４０４  熱伝導媒体
４０６  第１の冷却チャンネル
４０８  第２の冷却チャンネル
４１０  ＤＣ−ＡＣ電力変換器
５０２  スイッチングユニット
５０４  ゲート駆動ユニット
５０６  入力ポート
５０８  出力ポート
５１０、５１２、５１４、５１６、５１８、５２０  半導体スイッチ
５２２、５２４  ＤＣ導体
５２６、５２８、５３０  出力相線
５３２、５３４、５３６、５３８、５４０、５４２  出力端子
６００  発電システム
６０２  燃料電池サブシステム
６０４  パワーエレクトロニクスサブシステム
６０６  制御サブシステム
６０８  第１の配管
６１０  第２の配管
６１２  第３の配管
６１４  第４の配管
６１６  バイパス配管
６１８  電力処理ユニット
６２０ａ、６２０ｂ  パワーモジュール
６２２ａ、６２２ｂ  熱伝導媒体
６２４  出力電力ポート
６２６、６２８  ＦＣＶ
６３０、６３２  ＷＣＶ
６３４  コントローラ
６３６  予熱された燃料流
６３８  予熱された水流
６４０  ＳＯＦＣ
６４２  第１の熱交換器
６４４  第２の熱交換器
６４６  第３の熱交換器
６４８  熱伝導流体
６５０  入口
６５２  熱せられた熱伝導流体
６５４  熱せられた燃料流
６５６  水蒸気
６５８  電気的リンク
６６０  バイパス弁
【図１】
2019160783.tif 000005
【図２】
2019160783.tif 000006
【図３】
2019160783.tif 000007
【図４】
2019160783.tif 000008
【図５】
2019160783.tif 000009
【図６】
2019160783.tif 000010
【図７】
2019160783.tif 000011
【図８】
2019160783.tif 000012
【外国語明細書】
2019160783000001.pdf