(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の側と第２の側とを備える主パワーコンバータと、該主パワーコンバータの第１の側に電気的に結合された燃料電池スタックと、該主パワーコンバータの第２の側に電気的に結合された負荷と、を備える燃料電池システムを作動するための方法であって、
前記燃料電池スタックからの電流を前記負荷にブースト変換する通常作動に続く電流パルス化作動を開始すべき時間を決定するステップと、
前記主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、前記電流パルス化作動の少なくとも一部分としての電流パルス化期間中に、前記燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップと、
前記電流パルス化期間に続く、ブリッジを形成する前記第１の側のスイッチがオフにされるブリッジオフ期間中に前記主パワーコンバータの作動を一時的に停止するステップと、
前記ブリッジオフ期間に続く電流制限期間中に前記主パワーコンバータの第２の側からの電流を規定閾値に制限するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記燃料電池スタックと、前記主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチの少なくとも１つとに電気的に直列結合されたインダクタを、前記電流パルス化期間中に飽和させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記主パワーコンバータの第２の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、前記電流パルス化期間の少なくとも一部分中に前記負荷から前記主パワーコンバータを電気的に絶縁するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記主パワーコンバータの第１の側及び第２の側の少なくとも一方のいくつかのスイッチを選択的に作動して、通常作動に入るために、前記電流制限期間に続くブースト変換期間中に前記燃料電池スタックからの電流を前記負荷にブースト変換するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ブースト変換期間の少なくとも一部分の間に、前記燃料電池スタックから、前記主パワーコンバータの第２の側にわたって電気的に結合された電力貯蔵装置にエネルギを貯蔵するステップと、
前記電流パルス化期間中に前記電力貯蔵装置から前記負荷にエネルギを放出するステップとをさらに含む、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記主パワーコンバータの第２の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、前記電流パルス化期間の少なくとも一部分中に前記負荷から前記主パワーコンバータを電気的に絶縁するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記主パワーコンバータの第１の側にわたって、電圧スパイククランプ回路で電圧スパイクをクランプするステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、前記電流パルス化作動の少なくとも一部分としての電流パルス化期間中に、前記燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップが、第１の対のトランジスタを電気的に作動して、変圧器の１次側の第１の極を正の電圧線路及び負の電圧線路の両方に電気的に結合し、また第２の対のトランジスタを電気的に作動して、変圧器の前記１次側の第２の極を前記正の電圧線路及び前記負の電圧線路の両方に電気的に結合するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
電流パルス化作動を開始すべき時間を決定するステップが、間隔の経過を決定するステップ及び前記燃料電池スタックの少なくとも一部分にわたる電圧が閾値電圧未満に低下したことを決定するステップの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
電流パルス化作動を開始すべき時間を決定するステップが、３０〜６００秒の間隔が経過したことを決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、前記電流パルス化作動の少なくとも一部分としての電流パルス化期間中に、前記燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップが、前記主パワーコンバータの第１の側の前記いくつかのスイッチを選択的に作動して、前記燃料電池スタックから２０〜３００ミリ秒のパルス持続時間を有する電流パルスを生成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
燃料電池スタックを有する燃料電池システムのパワーコンバータを作動する方法であって、前記パワーコンバータが、入力部と、出力部と、前記入力部と前記出力部との間に電気的に結合された変圧器と、前記入力部と前記変圧器の１次側との間に電気的に結合された選択的に作動可能ないくつかの１次側スイッチと、前記出力部と前記変圧器の２次側との間に電気的に結合された選択的に作動可能ないくつかの２次側スイッチとを備え、
前記方法が、
ブースト変換期間中に前記変圧器の第１の側から前記変圧器の第２の側に電流をブースト変換するステップと、
前記１次側スイッチを閉じて、前記ブースト変換期間に続く電流パルス化期間中に前記燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップと、
前記２次側スイッチを開いて、前記電流パルス化期間中に前記変圧器の２次側を電気的に切り離すステップと、
前記電流パルス化期間に続く、ブリッジを形成する前記１次側スイッチがオフにされるブリッジオフ期間中に前記パワーコンバータの作動を一時的に停止するステップと、
前記ブリッジオフ期間に続く電流制限期間中に前記パワーコンバータの出力部からの電流を規定閾値に制限するステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
前記ブースト変換期間の少なくとも一部分の間に、前記パワーコンバータの出力部にわたって電気的に結合された電力貯蔵装置にエネルギを貯蔵するステップと、
前記電流パルス化期間の少なくとも一部分の間に、前記電力貯蔵装置からエネルギを放出するステップと、
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
燃料電池システムであって、
入力部と、出力部と、第１の組のスイッチと、第２の組のスイッチとを備える主パワーコンバータと、
前記主パワーコンバータの入力部にわたって電気的に結合された燃料電池スタックと、
前記主パワーコンバータの出力部にわたって電気的に結合された電力貯蔵装置と、
前記主パワーコンバータのスイッチを制御するように結合された少なくとも１つの制御器であって、前記少なくとも第１の組のスイッチを作動して、ブースト変換期間中に前記燃料電池スタックからの電流をブースト変換し、また前記第１の組のスイッチを作動して、前記ブースト変換期間に続く電流パルス化期間中に前記燃料電池スタックを電気的に短絡させるように構成される制御器と、
を備え、
前記制御器が、前記電流パルス化期間に続く、ブリッジを形成する前記第１の組のスイッチがオフにされるブリッジオフ期間中に前記主パワーコンバータの作動を一時的に停止し、また前記ブリッジオフ期間に続く電流制限期間中に前記主パワーコンバータの出力部からの電流を規定閾値に制限する燃料電池システム。
【請求項１５】
前記主パワーコンバータが、前記入力部と前記第１の組のスイッチの少なくとも１つとの間に電気的に直列結合されたインダクタをさらに備える、請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記主パワーコンバータが、前記主パワーコンバータの入力部にわたって電気的に結合された電圧スパイククランプ回路をさらに備える、請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記主パワーコンバータが、前記主パワーコンバータの入力部にわたって電気的に結合された入力コンデンサをさらに備える、請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記主パワーコンバータが、前記主パワーコンバータの出力部にわたって電気的に結合された出力コンデンサをさらに備える、請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記主パワーコンバータが、前記第１及び第２の組のスイッチの間に電気的に結合された、１次側及び２次側を備える変圧器をさらに備える、請求項１８に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法は、一般に、燃料電池システム、より詳しくは、１つ以上の燃料電池システムを含む電源の出力電力、電圧及び／又は電流の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学的燃料電池は燃料と酸素を電気に変換する。固体ポリマの電気化学的燃料電池は、一般に、炭素繊維紙又は炭素布のような多孔性の導電性シート材料の層を典型的に備える２つの電極の間に配置されたイオン交換膜又は固体ポリマ電解液を含む膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）を使用する。ＭＥＡは、所望の電気化学反応を誘発するために、典型的に、それぞれの膜電極界面に、細かく刻まれた白金の形態の触媒層を含む。作動時、電極は、外部回路を通して電極の間に電子を導くために電気的に結合される。典型的に、いくつかのＭＥＡが電気的に直列結合されて、所望の電力出力を有する燃料電池スタックを形成する。
【０００３】
典型的な燃料電池において、ＭＥＡは、２つの導電性の流体フローフィールドプレート又はセパレータプレートの間に配置される。流体フローフィールドプレートは、燃料及び酸素を電極、すなわちアノード及びカソードそれぞれに方向付けるための流路を有する。流体フローフィールドプレートは、集電装置として作用し、電極用の支持部を提供し、燃料及び酸素用のアクセスチャネルを提供し、また燃料電池作動中に形成されるような反応生成物の除去用のチャネルを提供する。燃料電池システムは、反応の維持に反応生成物を使用することが可能である。例えば、イオン交換膜を水和するために、及び／又は燃料電池スタックの温度を維持するために、反応水の使用が可能である。
【０００４】
電流を生成するスタックの能力は、利用可能な反応物量の直接の関数である。反応物流の増加は反応物の有効性を高める。スタック電圧は、スタック電流に対して逆に非線形の数学的関係で変化する。所定の反応物流におけるスタック電圧とスタック電流との間の関係は、典型的に、燃料電池スタックの分極曲線として示される。１組又は１団の分極曲線は、様々な反応物流量におけるスタック電圧・電流の関係を示すことができる。燃料電池スタックは、一般に、低負荷の下でより効率的である。
【０００５】
大部分の用途において、燃料電池システムからほぼ一定の電圧出力を維持することが望ましい。１つの方法は、負荷の要求が燃料電池スタックの出力を超えた場合に追加電流を提供するための燃料電池システムと電気的に並列に結合されたバッテリを使用し、また燃料電池スタックの出力が負荷の要求を超えた場合に電流を貯蔵することである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池ベースの電源用の異なる多くの実際的な用途は、非常に多様な異なる電力／電圧供給能力を必要とする。典型的に、このことは、実際に必要とされるよりも高い評価を有する燃料電池スタックを使用することを必要とするか、あるいは代わりに、特定の用途のために燃料電池スタックを特別に設計することを必要とする。大部分の場合、用途が必要とするよりも多くの電力を提供できる電源を使用することは、法外に高価であり、運転上非効率である。各潜在的用途の要求を満たすことができる異なる電源のインベントリを設計、製造、検証、また維持することは、同様に高価であり、非効率である（例えば、電力で１ｋＷ、２ｋＷ、５ｋＷ、１０ｋＷ等、電圧で２４Ｖ、４８Ｖ等）。さらに、費用を大きく増加することなく、電源の信頼性を高めることが望ましい。このように、より廉価、あまり複雑でない、より柔軟な、及び／又はより効率的な燃料電池ベースの電源に対するアプローチが望ましい。
【０００７】
本明細書で教示する燃料電池システム及び方法は、追加の回路を必要とすることなく、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータのスイッチを使用して、短絡機能、開放回路電圧回復機能、及び再充電中の電流制限機能を含む電流パルス化作動を行うことが有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一態様では、第１の側と第２の側とを備える主パワーコンバータと、主パワーコンバータの第１の側に電気的に結合された燃料電池スタックと、主パワーコンバータの第２の側に電気的に結合された負荷と、を備える燃料電池システムを作動する方法は、電流パルス化作動を開始すべき時間を決定するステップと、主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間中に、電流パルス化作動の少なくとも一部分として燃料電池スタックから高電流パルスを生成するステップとを含む。本方法は、主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間中に、電流パルス化作動の少なくとも一部分として燃料電池スタックから高電流パルスを生成するステップを含むことが可能であり、主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間中に燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップを含む。本方法は、燃料電池スタックと、主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチの少なくとも１つとに電気的に直列結合されたインダクタを、電流パルス化期間中に飽和させるステップをさらに含むことが可能である。本方法は、主パワーコンバータの第２の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間の少なくとも一部分中に負荷から主パワーコンバータを電気的に絶縁するステップをさらに含むことが可能である。本方法は、主パワーコンバータの第１の側及び第２の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間に続くブリッジオフ期間中に主パワーコンバータの第２の側からの電流を停止するステップをさらに含むことが可能である。本方法は、主パワーコンバータの第１の側及び第２の側の少なくとも一方のいくつかのスイッチを選択的に作動して、ブリッジオフ期間に続く電流制限期間中に主パワーコンバータの第２の側からの電流を規定閾値に制限するステップをさらに含むことが可能である。
【０００９】
さらに他の態様では、入力部と、出力部と、入力部と出力部との間に電気的に結合された変圧器と、入力部と変圧器の１次側との間に電気的に結合された選択的に作動可能ないくつかの１次側スイッチと、出力部と変圧器の２次側との間に電気的に結合された選択的に作動可能ないくつかの２次側スイッチと、入力部と変圧器の１次側との間に電気的に直列結合されたインダクタとを備える燃料電池システムのパワーコンバータを作動する方法は、ブースト変換期間中に変圧器の第１の側から変圧器の第２の側に電流をブースト変換するステップと、１次側スイッチを閉じて、電流パルス化期間中に燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップと、２次側スイッチを開いて、電流パルス化期間中に変圧器の２次側を電気的に切り離すステップとを含む。
【００１０】
さらに他の態様では、燃料電池システムは、入力部と、出力部と、第１の組のスイッチと、第２の組のスイッチと、入力部と第１の組のスイッチの少なくとも１つとの間に電気的に直列結合されたインダクタとを備える主パワーコンバータと、主パワーコンバータの入力部にわたって電気的に結合された燃料電池スタックと、主パワーコンバータの出力部にわたって電気的に結合された電力貯蔵装置と、主パワーコンバータのスイッチを制御するために結合された少なくとも１つの制御器であって、第１の組のスイッチを少なくとも作動して、ブースト変換期間中に燃料電池からの電流をブースト変換し、また第１の組のスイッチを作動して、ブースト変換期間に続く電流パルス化期間中に燃料電池スタックから電流パルスを電気的に生成するように構成される制御器とを備える。
【００１１】
別の態様では、燃料電池システムは、入力部と、出力部と、入力部と出力部との間に結合され、かつ入力部にわたって短絡経路を形成するように選択的に作動可能である少なくとも１つのスイッチと、入力部と少なくとも１つのスイッチとの間に電気的に直列結合されたインダクタとを備える主パワーコンバータと、主パワーコンバータの入力部にわたって電気的に結合された燃料電池スタックと、主パワーコンバータの出力部にわたって電気的に結合された電力貯蔵装置と、主パワーコンバータの少なくとも１つのスイッチを制御するために結合された少なくとも１つの制御器であって、少なくとも１つのスイッチを作動して、ブースト変換期間中に燃料電池からの電流をブースト変換し、また少なくとも１つのスイッチを作動して、ブースト変換期間に続く電流パルス化期間中に燃料電池スタックを電気的に短絡させるように構成される制御器とを備える。
【００１２】
さらに別の態様では、燃料電池システムは、ブースト変換期間中に燃料電池スタックからの電流をブースト変換するための手段と、電流パルス化期間中に燃料電池スタックから高電流パルスを電気的に生成するための手段とを備え、ブースト変換手段及び高電流パルス生成手段は少なくとも１つのスイッチを共通に有する。
【００１３】
図面において、同一の参照番号は同様の要素又は作用を表す。図面の要素の寸法及び相対位置は、必ずしも一定縮尺比ではない。例えば、様々な要素及び角度の形状は、一定縮尺比で描かれておらず、これらの要素及び角度のあるものは、図面の理解を高めるべく任意に拡大され、また配置される。さらに、図示しているような要素の特定の形状は、特定の要素の実際の形状に関する情報を付与するようには意図されず、図面の認識を容易にするためにのみ選択されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次の説明において、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の様々な実施形態の完全な理解を提供するために、ある特定の細部について説明する。しかし、当業者は、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法が、これらの細部なしに実施し得ることを理解するであろう。他の例では、燃料電池と関連した周知の構造体、燃料電池スタック、燃料電池システム、反応物配送システム、バッテリ及び「スーパ」又は「ウルトラ」コンデンサのような電力貯蔵装置、温度制御システム、制御器、及びＤＣ／ＤＣコンバータのようなパワーコンバータについては、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の実施形態の不必要に不明瞭な説明を回避するために、詳細に図示又は記載していない。
【００１５】
文脈上必要とされない限り、明細書及び続く特許請求の範囲の全体にわたって、「備える」及び「備えている」というような「備える」という用語及びそれらの変化は、開放的な包括的意味で、すなわち、「を含むが、それらに限定されない」と解釈されるべきである。
【００１６】
図１は、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の例示した一実施形態による電力を外部負荷８に供給する電源６を示している。外部負荷８は、典型的に、車両、器具、コンピュータ及び／又は関連の周辺装置、照明、及び／又は通信装置のような、電源６によって動力供給されるべき装置を構成する。電源６はまた、１つ以上の内部負荷に、例えば、以下に説明するような制御エレクトロニクスに電力を供給し得る。
【００１７】
電源６は、燃料電池システム１０、主パワーコンバータ１２及び電圧バス１４を備える。
【００１８】
燃料電池システム１０は、電気的に直列結合されたいくつかの個々の燃料電池から構成された燃料電池スタック１６を備える。燃料電池スタック１６は、１つ以上の反応物供給タンク又は供給源、改質器、及び／又はコンプレッサのような１つ以上の制御要素、ポンプ及び／又は弁を含み得る反応物供給システム（図示せず）を介して水素及び空気のような反応物を受容する。燃料電池スタック１６の作動により、典型的に水を含む反応生成物が生成される。燃料電池システム１０は、反応生成物のいくつか又はすべてを再利用することが可能である。例えば、燃料電池システム１０は、水のある部分を燃料電池スタック１６に戻して、正しい温度で水素及び空気を湿潤し、イオン交換膜を水和し、及び／又は燃料電池スタック１６の温度を制御することが可能である。燃料電池スタック１６の作動により、電圧バス１４の線路１４ａ、１４ｂ間に電圧ＶＦＣが生成される。いくつかの実施態様では、電圧バス１４は、介入するスイッチ又はダイオードを使用することなく、燃料電池スタックを主パワーコンバータ１２の１次側に電気的に直接結合する。これは、以下に詳細に説明する燃料電池スタック１６と負荷８との間の直流絶縁を利用する。不必要なスイッチ及びダイオードを排除することにより、部品数の低減、高電流定格電力リレー及び高電流定格ダイオードのような高電流定格装置と関連する費用の低減、及びこのような装置と関連する相当の損失の低減のようないくつかの利点が提供される。
【００１９】
燃料電池システム１０は、燃料電池制御器１８のような１つ以上の制御器を含んでもよい。燃料電池制御器１８は、様々な形態、例えば、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、あるいは他のプログラミング済み又はプログラム可能な集積回路等をとることができる。燃料電池制御器１８は、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ、電圧調整スイッチ等のような１つ以上の顧客インタフェース２０から入力部を受容する。燃料電池制御器１８は、燃料電池スタック１６の作動データ２２、例えば、温度の読み取り又は測定、反応物流、及び弁及び／又はスイッチ状態を受容する。燃料電池制御器１８は、燃料電池スタック１６の作動を制御するための様々なアクチュエータ２４に命令又はスタック制御信号を供給する。例えば、スタック制御信号２４は、弁を開閉するためのソレノイドのようなアクチュエータを作動して、反応物流を開始、停止、又は調整することが可能である。
【００２０】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１６の温度を容認可能な範囲内に維持するために、空気流２８を供給するように選択的に作動可能な冷却ファン２６のような１つ以上のファンあるいは燃料又は酸化剤（例えば、空気又は酸素）を燃料電池スタック１６に供給するための反応物供給ファンを含む。燃料電池制御器１８は、ファン速度命令３０を介して冷却ファン２６を制御することが可能である。
【００２１】
主パワーコンバータ１２は、フルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ、プッシュプルＤＣ／ＤＣコンバータ、ハーフブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ、フォワードＤＣ／ＤＣコンバータ、又はそれらの派生物のような様々な形態をとることが可能である。例えば、主パワーコンバータ１２は、図１と図２に示したように、燃料電池スタック１６と負荷８との間の電圧バス１４に電気的に結合された絶縁のフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータパワーステージ及びドライバの形態をとり得る。図示した実施形態では、主パワーコンバータ１２は、燃料電池スタック１６によって生成された直流電圧ＶＦＣを負荷８に適切な所望のＤＣ出力電圧ＶＯＵＴに変換するように作動可能である。
【００２２】
インダクタ、別個のパケット又はパルスでエネルギを入力から出力に転送するためのエネルギ貯蔵部及びフィルタ要素としての変圧器又はコンデンサを使用する回路で、半導体スイッチング装置を典型的に使用する様々なＤＣ／ＤＣコンバータトポロジが、適切であり得る。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、フルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータトポロジ、プッシュプルＤＣ／ＤＣコンバータトポロジ、ハーフブリッジＤＣ／ＤＣコンバータトポロジ、又はフォワードＤＣ／ＤＣコンバータトポロジを使用し得る。特に、主パワーコンバータ１２は、寸法、コスト及び重量を低減するために、高いスイッチング周波数（例えば、１００ｋＨｚ）アプローチを使用することが可能である。これらの及び他の適切なコンバータトポロジの詳細は、当業者には明白であろう。主パワーコンバータ１２は、主パワーコンバータ１２の１次側と２次側との間に絶縁を設けるために、主パワーコンバータ１２の変圧器に固有の直流絶縁に依拠し得る。
【００２３】
主パワーコンバータ１２は、当業者に明白であるように、周波数変調、パルス幅変調（すなわち、ＰＷＭ）、平均電流制御及びピーク電流制御のような様々な制御技術の下で作動可能である。
【００２４】
電源６は、適切なドライバ、例えばＤＣ／ＤＣ制御器３２を介して主パワーコンバータ１２を制御するために、１つ以上のパワーコンバータ制御器を含んでもよい。ＤＣ／ＤＣ制御器３２は、燃料電池制御器１８と関連して作動し、それらの間でデータ及び／又は命令を通信し得る。例えば、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２に次の信号、すなわち所望の出力電圧ＶＯＵＴの値を表す電圧基準信号３４、冷却ファン２６の状態（例えばＯＮ／ＯＦＦ；高、中、低）を表すファンイネーブル信号３６、主パワーコンバータ１２の所望の状態（例えばＯＮ／ＯＦＦ）を表すＤＣ／ＤＣイネーブル信号３８、及び／又は主パワーコンバータ１２の状態（例えばＯＮ／ＯＦＦ）を識別するウェイクアップ信号４０を供給することが可能である。ＤＣ／ＤＣ制御器３２は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２及び／又は主パワーコンバータ１２の作動状態を識別する状態信号４２を燃料電池制御器１８に供給してもよい。ＤＣ／ＤＣ制御器３２はまた、主パワーコンバータ１２からフィードバック信号４４を受信してもよい。ＤＣ／ＤＣ制御器３２は、パルス幅変調信号４６のような制御信号を生成して、適切なドライバを介して主パワーコンバータ１２の作動を制御することが可能である。いくつかの実施形態では、スイッチ及び／又はダイオードの介入なしに、燃料電池スタック１６は主パワーコンバータ１２に直接結合され、主パワーコンバータ１２の作動は、燃料電池スタック１６と主パワーコンバータ１２及び／又は負荷８との間でＯＮ／ＯＦＦ制御として機能する。このように、主パワーコンバータ１２をイネーブル及びディスエーブルにすることによって、燃料電池スタック１６からの電力をターンＯＮ及びターンＯＦＦすることができる。
【００２５】
電源６はまた、主パワーコンバータ１２の出力側に、負荷８にわたって電気的に並列結合された「スーパ」又は「ウルトラ」コンデンサ及び／又はバッテリのような電力貯蔵装置４８を含んでもよい。電力貯蔵装置４８の開放電圧は、電源６の所望の最大出力電圧と同様であるように選択される。電力貯蔵装置４８の内部抵抗は、主パワーコンバータ１２の内部抵抗よりはるかに低いように選択され、このように、電力貯蔵装置４８は、負荷８が必要とするよりも多くの電流を燃料電池スタック１６が生成した場合に過電流を吸収し、また負荷８が必要とするよりも少ない電流を燃料電池スタック１６が生成した場合に電流を負荷８に供給するバッファとして作用する。負荷８にわたって電力貯蔵装置４８を結合することにより、燃料電池スタック１６の最大出力定格要件が低減される。電力貯蔵装置４８はまた、以下により詳細に説明するように、燃料電池スタック１６が、例えば、始動状態、故障状態及び／又は待機状態にある場合、エネルギを電源６の内部負荷に供給する。
【００２６】
電源６は、燃料電池システム１０の様々な内部負荷に電力を供給するために補助パワーコンバータ５０を含む。例えば、補助パワーコンバータ５０は、主パワーコンバータ１２、ＤＣ／ＤＣ制御器３２及び／又は燃料電池制御器１８に電力を供給してもよい。単一の補助パワーコンバータ５０によっても、燃料電池システムの他の内部負荷、例えば冷却ファン２６に電力を供給してもよい。このように、電源６のアーキテクチャは、制御回路（例えば、ＤＣ／ＤＣ制御器３２、燃料電池制御器１８）に電力を供給するために使用される既存の補助パワーコンバータを利用して、燃料電池システムに典型的に見られる専用の冷却ファン電源を排除する。補助パワーコンバータ５０は、広く使用されるフライバックコンバータの形態をとり得る。補助パワーコンバータ５０は、例えば、補助パワーコンバータ５０のフライバックトランスと関連する直流絶縁に依拠して絶縁し、電源６の残部及び／又は負荷８の間に保護を提供することが可能である。
【００２７】
電源６は、燃料電池スタック１６から冷却ファン２６に電力を直接供給するために、あるいは代わりに、補助パワーコンバータ５０を介して冷却ファン２６に電力を供給するために選択的に作動可能である１つ以上のスイッチを使用してもよい。例えば、第１のスイッチＳＷ１は、閉状態で電圧バス１４に冷却ファン２６を電気的に結合し、開状態で電圧バス１４から冷却ファン２６を電気的に切り離すことが可能である。第２のスイッチＳＷ２は、閉状態で補助パワーコンバータ５０に冷却ファン２６を電気的に結合し、開状態で補助パワーコンバータ５０から冷却ファン２６を電気的に切り離すことが可能である。ＤＣ／ＤＣ制御器３２は、燃料電池制御器１８に応答してスイッチＳＷ１、ＳＷ２の状態（例えばＯＮ／ＯＦＦ）を制御し得る。電源６は、逆電流から保護するために１対のダイオードＤ１、Ｄ２を含んでもよい。
【００２８】
図２は、電源６の代替実施形態を示している。ここに説明するこれらの１つ又は複数の代替実施形態及び他の代替例は、以前に説明した実施形態と実質的に同様であり、また共通の作用及び構造は同一の参照番号によって識別される。作動及び構造の大きな差のみについて以下に説明する。
【００２９】
特に、図２の電源６は、第１及び第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２の代わりに単一のスイッチＳＷ３、及び単一のダイオードＤ３を使用する。代わりに、スイッチＳＷ３は、冷却ファン２６を燃料電池スタック１６に電気的に直接、あるいは補助パワーコンバータ５０を介して電力貯蔵装置４８に結合するために、選択的に作動可能である。この代替実施形態は、図１の実施形態よりも、作動がより簡単かつより廉価であり得るが、以下に説明する作動状態のいくつかの下では機能できない可能性がある。
【００３０】
図３Ａは状態遷移図であり、また図３Ｂと図３Ｃは、電源６を作動するための状態機械１００を示した状態遷移表である。
【００３１】
状態機械１００は、様々な状態又は作動モードを含み、作動モードのいくつかは、顧客インタフェース２０でユーザが適切な制御を選択することによって作動され、またある作動条件に応答して燃料電池制御器１８及び／又はＤＣ／ＤＣ制御器３２を介して他の作動モードに自動的に入る。
【００３２】
図３Ａは状態機械１００の有効な遷移を示している。例えば、電源６は、オフ状態１０２から待機状態１０４に移行し得る。電源６は、待機状態１０４からオフ状態１０２に又は始動状態１０６に移行し得る。電源６は、始動状態１０６から待機状態１０４に、故障状態１０８に、又はアイドル状態１１０に移行し得る。電源６は、故障状態１０８から待機状態１０４に移行し得る。電源６は、アイドル状態１１０から故障状態１０８に又はブースト状態１１２に移行し得る。電源６は、ブースト状態１１２から故障状態１０８に又はアイドル状態１１０に移行し得る。
【００３３】
上記の移行は、状態遷移図（図３Ａ）に矢印で示され、矢印の各々は、状態遷移表（図３Ｂと図３Ｃ）の移行部を表す参照番号を有する。
【００３４】
オフ状態１０２は、電源６の開始状態である。オフ状態１０２では、燃料電池スタック１６、主パワーコンバータ１２、燃料電池制御器１８、冷却ファン２６、ＤＣ／ＤＣ制御器３２及び／又は補助パワーコンバータ５０のような様々なサブシステムは、作動していない。
【００３５】
待機状態１０４は、ウェイクアップ命令を受信した後に制御器を作動状態に維持し、一方、制御器用の管理電源が作動され、また電源６の制御器がウェイクアップされて、顧客インタフェース２０と通信する態勢にある。待機状態１０４は、顧客インタフェース２０を介して適切なユーザ入力によって作動され得る。待機状態１０４に入るために、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第１のスイッチＳＷ１を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、燃料電池スタック１６から冷却ファン２６を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器１８はまた、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第２のスイッチＳＷ２を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、補助パワーコンバータ５０から冷却ファン２６を電気的に切り離すようにさせる。さらに、燃料電池制御器１８は、例えば、燃料電池スタック１６への反応物流を停止することによって、燃料電池スタック１６をディスエーブルにする。さらに、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が主パワーコンバータ１２をディスエーブルにするようにさせる。
【００３６】
適切なＯＮ／ＯＦＦスイッチのユーザ選択、あるいは公共又は民間の電気配線網のような独立した電力源からの電力損失の自動感知に応答して、始動状態１０６に入ることが可能である。始動状態１０６は、電源６の様々なサブシステムが作動レベルに達することを可能にし、例えば、燃料電池スタック１６がその開放電圧ＶＯＣに達することを可能にし得る。始動状態１０６に入るために、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第１のスイッチＳＷ１を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、ステップ１０６で、電圧バス１４から冷却ファン２６を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器１８はまた、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第２のスイッチＳＷ２を閉じるようにさせ、まだ閉じていない場合、冷却ファン２６を電力貯蔵装置４８に電気的に結合して、補助パワーコンバータ５０を介して電力を受け取るようにさせる。
【００３７】
１つ以上の作動値が範囲から出るか、あるいは何か他の誤った状態が生じた場合、故障状態１０８に入ることが可能であり、故障状態は、電源６ならびに負荷８の様々なサブシステムを保護する。故障状態１０８に入るために、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第１のスイッチＳＷ１を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、電圧バス１４から冷却ファン２６を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器１８はまた、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が主パワーコンバータ１２をディスエーブルにするようにさせる。さらに、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第２のスイッチＳＷ２を閉じるようにさせ、まだ閉じていない場合、補助パワーコンバータ５０を介して冷却ファン２６を電力貯蔵装置４８に電気的に結合するようにさせる。
【００３８】
アイドル状態１１０に入って、負荷８が電力を必要としない間に、電源６を作動状態に維持することが可能である。アイドル状態１１０は、顧客インタフェース２０を介した適切なユーザ入力によって、あるいは負荷８の損失の自動感知によって作動され得る。アイドル状態１１０に入るために、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第２のスイッチＳＷ２を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、補助パワーコンバータ５０から冷却ファン２６を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器１８はまた、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第１のスイッチＳＷ１を閉じるようにさせ、まだ閉じていない場合、電圧バス１４を介して冷却ファン２６を燃料電池スタック１６に電気的に直接結合するようにさせる。さらに、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が主パワーコンバータ１２をディスエーブルにするようにさせる。
【００３９】
電力を負荷８に供給するために、電源６が完全に作動されると、ブースト状態１１２に入ることが可能である。ブースト状態１１２は、顧客インタフェース２０を介した適切なユーザ入力によって、あるいは負荷８の損失の自動感知によって作動され得る。ブースト状態１１２に入るために、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第２のスイッチＳＷ２を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、補助パワーコンバータ５０から冷却ファン２６を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器１８はまた、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第１のスイッチＳＷ１を閉じるようにさせ、まだ閉じていない場合、電圧バス１４を介して冷却ファン２６を燃料電池スタック１６に電気的に直接結合するようにさせる。さらに、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２がＰＷＭ信号４６を主パワーコンバータ１２に供給するようにさせ、燃料スタック１６から負荷８に電力を供給するために主パワーコンバータ１２をイネーブルにする。
【００４０】
図４は、燃料電池システム１０の別の実施形態を示し、主ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２及び駆動回路をさらに詳細に示している。
【００４１】
図示した実施形態では、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は、１次側及び２次側５２、５４の間に直流絶縁をそれぞれ行うために、第１の側又は１次側５２と、第２の側又は２次側５４と、１次巻線及び２次巻線を有する変圧器Ｔとを備える絶縁ブースト型ＤＣ／ＤＣコンバータの形態をとる。ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の１次側５２は、燃料電池スタック１６に電気的に結合され、２次側５４は、負荷８と電力貯蔵装置４８に電気的に結合される。
【００４２】
ＤＣ／ＤＣパワーコンバータの１次側５２は、２つのハーフブリッジを備えるフルブリッジ（すなわち、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４及び関連のダイオード）を含み、各ハーフブリッジは１対のスイッチ（すなわち、Ｓ１、Ｓ３とＳ２、Ｓ４）によって形成される。各対のスイッチは、電圧バス１４の正及び負の線路間に電気的に結合され、各対のスイッチの一方はハイスイッチ（すなわち、Ｓ１、Ｓ４）と称され、各対の他方のスイッチは、ロースイッチ（すなわち、Ｓ３、Ｓ２）と称される。変圧器Ｔの１次巻線の極は、それぞれのスイッチ対Ｓ１、Ｓ３とＳ４、Ｓ２との間に電気的に結合される。
【００４３】
さらに、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の１次側５２は、電圧バス１４の正の線路で電気的に直列結合されたブーストインダクタＬ１と、電圧バス１４にわたって電気的に結合されたコンデンサＣ１とを含む。ブーストインダクタＬ１は、ブーストコンバータ用のエネルギ貯蔵部及びフィルタ装置であり、コンデンサＣ１は出力電圧をフィルタ処理して、平滑にする。ブーストインダクタＬ１はまた、電流パルスの変化ｄｉ／ｄｔの速度を制御して、減速させ、燃料電池システム１０に対する電磁干渉（ＥＭＩ）エミッションを低減する。さらに、ｄｉ／ｄｔ電流パルスの低減はコンデンサＣ１からの電流ストレスを低減する。１次側５２はまた、関連技術で一般に公知であるような電圧スパイククランプ回路を含んでもよい。
【００４４】
ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の２次側５４はまた、２つのハーフブリッジを備えるフルブリッジを含み、各ハーフブリッジは１対のスイッチ（すなわち、Ｓ５、Ｓ７とＳ６、Ｓ８及び関連のダイオード）によって形成される。各対のスイッチは、電圧バス１４の正及び負の線路間に電気的に結合され、各対のスイッチの一方はハイスイッチ（すなわち、Ｓ５、Ｓ８）と称され、各対の他方のスイッチは、ロースイッチ（すなわち、Ｓ７、Ｓ６）と称される。変圧器Ｔの２次巻線の極は、それぞれのスイッチ対Ｓ５、Ｓ７とＳ８、Ｓ６との間に電気的に結合される。
【００４５】
２次側５４はまた、電圧バス１４にわたって電気的に結合された出力コンデンサＣＯを含んでもよい。
【００４６】
スイッチＳ１−Ｓ８は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）又は他の適切なスイッチング装置、例えば、集積ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の形態をとり得る。ＭＯＳＦＥＴの各々にわたって結合されたそれぞれの本体ダイオードを典型的に有するＭＯＳＦＥＴが、商業的に入手可能である。スイッチＳ１−Ｓ８は、ゲートドライブ５６を介して駆動され、ゲートドライブ５６は主ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の部分であり得るか、あるいは別個に用意し得る。
【００４７】
制御ロジックは、ハードウェア及び／又はソフトウェアに実装可能であり、例えば、制御ロジックはＤＣ／ＤＣ制御器３２に実装可能である。適切な制御ロジックの例について、図４を継続的に参照して以下に直ちに説明する。
【００４８】
電圧ループ比例積分（ＰＩ）制御器５８は、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の２次側５４の出力で測定された電圧に対応する、出力電圧フィードバック回路５９から電圧フィードバック信号ＶＶＦを受信する。出力電圧フィードバック回路５９は、例えばオプトアイソレーターを介して、出力電圧ＶＯに対するフィードバック電圧ＶＶＦを絶縁して、増幅する。このように、フィードバック電圧ＶＶＦは出力電圧ＶＯを示すが、フィードバック電圧ＶＶＦは絶縁されて、増幅されている。電圧ループＰＩ制御器５８はまた、基準電圧を示す信号ＶＯ＿ＲＥＦを受信する。電圧ループＰＩ制御器５８は、測定電圧と基準電圧との間の差の積分に比例する信号Ｖｉｇを供給する。
【００４９】
電流クランプ回路６０は、電圧ループＰＩ制御器５８から比例信号Ｖｉｇを受信する。電流クランプ回路６０はまた、電流クランプ状態（例えばＯＮ／ＯＦＦ）を示すロジック合成ブロック６６から電流クランプイネーブル信号Ｉ＿Ｃｌａｍｐを受信する。電流クランプ回路６０は、電流クランプ状態に応じてクランプ又はアンクランプされる生起電流に対応する電圧を示す信号Ｖｉｇ＿ｃｌを生成する。
【００５０】
電流ループＰＩ制御器６２は信号Ｖｉｇ＿ｃｌを受信し、またＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の１次側５２の出力で測定されたインダクタ電流を示す信号Ｖｉｆを受信する。電流ループＰＩ制御器６２は、２つの入力信号の間の差の積分を示す信号を生成する。パルス幅変調（ＰＷＭ）変調器６４は、電流ループＰＩ制御器６２の結果として得られる出力を受信して、ＰＷＭ信号のデューティサイクルを変更することによって対応するＰＷＭ信号を生成する。
【００５１】
ロジック合成ブロック６６は、ＰＷＭ変調器６４からＰＷＭ信号を受信し、かつ電流パルス化イネーブルライン４１を通して電流パルスイネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ  ＥＮＡＢＬＥを受信する。ロジック合成ブロック６６はまた、スイッチＳ１−Ｓ８の対応するＯＮ／ＯＦＦ  ＰＷＭ信号を発生して、ＰＷＭ信号をゲートドライブ５６に供給する。電流パルス化イネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ  ＥＮＡＢＬＥは、電流パルス化作動が開始すべきかどうかを示す。電流パルス化イネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ  ＥＮＡＢＬＥは、例えば、燃料電池制御器１８（図１）によって発生することが可能である。ロジック合成ブロック６６は、規定ロジックを適用して、ＰＷＭ信号及び電流パルス化イネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ  ＥＮＡＢＬＥに従って、ゲートドライブ５６を駆動する。
【００５２】
図５は、直前に説明したロジックによって実施される方法７０を示している。
【００５３】
ステップ７２において、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は通常の作動を始める。典型的に、通常の作動は、変圧器Ｔの１次巻線間の電圧を切り換えることによって従来の方法で燃料電池スタック１６から負荷８及び／又は電力貯蔵装置４８に供給される電力をブースト変換するためのスイッチＳ１−Ｓ４を選択的に作動することを含む。
【００５４】
同様に、２次側５４のスイッチＳ５−Ｓ８を選択的に作動して、変圧器Ｔの２次巻線からの電流を整流し得るか、あるいは代わりに、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は２次側５４の受動整流を利用し得る。ＤＣ／ＤＣ制御器３２及び／又はゲートドライブ５６は、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の全体の作動効率を高めるために、同期による整流制御ロジックを利用して、スイッチＳ５−Ｓ８を制御し得る。同期制御ロジックは、例えば比較的低い電圧用途（例えば、２４Ｖ、４８Ｖ、７２Ｖのバッテリ充電器、２０〜３０Ｖ対２００〜４５０Ｖ）において、特に２次側５４の電流が高い場合、２次側５４のスイッチＳ５−Ｓ８の伝導損失の低減を補助する。
【００５５】
ステップ７４で、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２が電流パルス化作動を始める。電流パルス化作動は、燃料電池スタック１６のすべて又は一部分にわたる電圧降下を検出することによってトリガされることが可能であり、あるいは、例えば、燃料電池スタック１６の数分の連続的又は累積的作動に基づいて（例えば、１分間に１回）周期的に、時間又は持続時間に基づきトリガされることが可能である。
【００５６】
電流パルス化作動中、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は、電流パルス化期間中にステップ７６で電流パルス化モードに入る。電流パルス化モードの部分として、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は電流パルス７８を生成する。例えば、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の１次側５２のスイッチＳ１−Ｓ４の各々をＯＮにして（すなわち、閉じて）、電流パルス化期間の持続時間中に燃料電池スタック１６にわたって短絡を形成することが可能である。燃料電池スタック１６の短絡により、燃料電池スタック１６の性能を高める高電流パルスが発生される。様々な理由で性能向上が得ることが可能である。例えば、性能向上は、燃料電池スタック１６のカソード触媒構造体（図示せず）に集積する酸化物の除去から、あるいは触媒（図示せず）のアノードに吸着された一酸化炭素の除去から得られる。燃料電池システム１０は、追加の回路を必要とすることなく、短絡機能を提供するためにＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２のスイッチＳ１−Ｓ４を使用することが有利である。
【００５７】
電流パルス化期間中、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の２次側５４のスイッチＳ５−Ｓ８をステップ８０でＯＦＦにして（すなわち、開放して）、燃料電池スタック１６から電力貯蔵装置４８及び／又は負荷８を電気的に切り離すことが可能である。ＯＦＦにされると、スイッチＳ５−Ｓ８は、電力貯蔵装置４８又は負荷８から燃料電池スタック１６への電流の復帰流れを防止し、これによって、燃料電池スタック１６を保護する。
【００５８】
同様に、電流パルス化期間中、電力貯蔵装置４８はステップ８２で電力を負荷８に供給し得る。
【００５９】
電流パルス化期間の終了時、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は、ブリッジオフ期間中にステップ８４でブリッジオフモードに入る。１次側５２のスイッチＳ１−Ｓ４の各々は、ブリッジオフ期間の持続時間中にＯＦＦ（すなわち、開放）にされる。この時点で、燃料電池スタック１６の電圧ＶＦＣは開放電圧ＶＯＣに向かって上昇する。通常作動を即座に始めるよりもむしろ、ブリッジオフモードは、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の作動を一時的に停止し、燃料電池スタック１６の電圧がロードなしに開放電圧ＶＯＣに回復することを可能にし、このように、スタベーション後の燃料電池スタック１６の安定作動をイネーブルにする。
【００６０】
ブリッジオフ期間中、パワーコンバータ１２の２次側５４のスイッチＳ５−Ｓ８の各々は、ＯＦＦ状態（すなわち、開放）に留まって、電力貯蔵装置４８から変圧器Ｔへの電流の逆流を防止することが可能である。
【００６１】
上述のように、電流パルス化モード及びブリッジオフモード中に、電力貯蔵装置４８は電力を負荷８に供給している。このように、電力貯蔵装置４８はこれらの期間中に放出しており、また電力貯蔵装置４８の端子電圧は降下している。ブリッジオフ期間が終わって、またＤＣ／ＤＣコンバータ１２がイネーブルにされた後、燃料電池スタック１６に印加された合計等価負荷は、したがって、負荷８と、電力貯蔵装置４８の再充電に関連した負荷との和である。この負荷の組み合わせは、過渡的な作動中に燃料電池スタック１６に過負荷をかける公算が大きく、燃料電池スタック１６を低効率の高電流作動方式に引き戻す。これが生じた場合、燃料電池システム１０は、それからの回復が困難な望ましくない作動点にトラップされる可能性がある。
【００６２】
短時間の「パルス化」は燃料電池スタック１６の性能向上を助けるが、パルス化中の燃料電池スタック１６からの電流抽出は、ピーク電力出力用の電流抽出よりも典型的に高い。電流パルス化は、燃料電池スタック１６にとって非効率な作動方式である。したがって、「パルス化」の実行後、燃料電池スタック１６をピーク電力点を越えて作動することは望ましくない。燃料電池システム１０のパルス化中、制御は、外部負荷への電力供給にもはや基づかない。ある場合には、このことは正しくない制御を招くことがある（例えば、ピーク電力出力が望ましい場合、燃料電池システム１０が作動しているピーク電力曲線のいずれかの側に応じて、電流を増加又は減少させる必要があり得る）。したがって、効率のために、ならびに燃料電池システム１０に対する適切な制御を維持するために、燃料電池システム１０に過負荷をかけることを防止することが望ましい。
【００６３】
この望ましくない状態を軽減又は防止するために、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は、ブリッジオフ期間に続く電流制限期間の持続時間中にステップ８６で電流制限モードに入る。電流制限モードは、特に完全な負荷状態で、燃料電池システム１０が電流パルス化作動中に安定的に作動することを補助する。電流制限モードは、パルス化後に燃料電池スタック１６からの電流／電力を制限するように設計され、これにより、過渡期間に燃料電池スタック１６が安定化され、燃料電池スタック１６の過負荷が防止される。
【００６４】
特に、電流クランプイネーブル信号Ｉ＿Ｃｌａｍｐは、ロジック合成ブロック６６から電流クランプ回路６０に供給され、電流制限モードを作動する。電流クランプがイネーブルにされると（例えば、ＯＮ）、電流クランプ回路６０の電流限度は、ＩＬＭＡＸ２からＩＬＭＡＸ１に低減され、ここで、ＩＬＭＡＸ１は、電流パルス後に燃料電池スタック１６からの抽出が許容される最大電流であり、またＩＬＭＡＸ２は、定常状態作動中に燃料電池スタック１６から抽出して利用可能な最大電流である。ＩＬＭＡＸ１及びＩＬＭＡＸ２の両方はハードウェアを介して構成可能であり、また燃料電池システム１０の特定の燃料電池スタック１６の作動特性に左右され得る。
【００６５】
図６は、上に詳細に説明したＩＬＭＡＸ２からＩＬＭＡＸ１を含む電流クランプ回路６０の入力／出力特性を示している。
【００６６】
図７は、図４の燃料電池システム１０の作動の例示した一実施形態による、１次側５２のスイッチＳ１−Ｓ４、電流クランプイネーブル信号Ｉ＿Ｃｌａｍｐ及び電流パルス化イネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ  ＥＮＡＢＬＥのタイミング図と共に、燃料電池電流ＩＦＣ、燃料電池電圧ＶＦＣ、及び出力電圧ＶＯのグラフを示しており、この場合、モード１は電流パルス化モードに対応し、モード２はブリッジオフモードに対応し、またモード３は電流制限モードに対応する。
【００６７】
通常作動中、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の１次側５２のスイッチＳ１−Ｓ４は、所望の基準電圧ＶＯ＿ＲＥＦで燃料電池電圧ＶＦＣを負荷又は出力電圧ＶＯに変換するために、従来の方法で作動される。電流パルス化作動は、電流パルスイネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ  ＥＮＡＢＬＥが燃料電池制御器１８（図１）によって作動されるときに行われる。ロジック合成ブロック６６は、完全な電流パルス化作動を実施するために、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２を制御して、電流パルス化モード、ブリッジオフモード、及び電流制限モードを順次実行する。
【００６８】
燃料電池制御器１８は電流パルス化モードの持続時間を決定する。約２０〜３００ミリ秒のパルス持続時間が適切であり得、３０〜６００秒毎に１つの周波数又は期間が適切であり得る。貯蔵から始動中、より長いパルス及び／又はより頻繁なパルス化が望ましいかもしれない。
【００６９】
燃料電池制御器１８はまた、例えば、ハードウェアに記憶されたパラメータを介してまた特定の燃料電池システム１０の燃料電池スタック１６のタイプの特性に基づき、ブリッジオフモード及び電流制限モードの持続時間を決定する。ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側５２のスイッチＳ１−Ｓ４は、通常作動モード中にブーストコンバータとして作動し、ＯＮになって、電流パルス化モード中にＯＮ状態に留まって電流パルスを発生し、ＯＦＦになって、ブリッジオフモード中にＯＦＦに留まり、最後に、電流クランプイネーブル信号Ｉ＿Ｃｌａｍｐがイネーブルにされ又はＯＮである間よりも低い電流限度で、電流制限モード中にブーストコンバータとして作動する。
【００７０】
図８は、例示した他の実施形態による燃料電池システム１０の別の実施形態を示している。図８の実施形態は、図４の絶縁ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の代わりに非絶縁ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２を使用する。非絶縁ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は、図４の実施形態のスイッチＳ１−Ｓ８及び変圧器Ｔに取って代わる単一のスイッチＳ１として示されている。非絶縁パワーコンバータ１２はまた、ブーストインダクタＬ１を備える。
【００７１】
図９は、図８の燃料電池システム１０の作動の例示した一実施形態による、１次側５２のスイッチＳ１、電流クランプイネーブル信号Ｉ＿Ｃｌａｍｐ及び電流パルス化イネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ  ＥＮＡＢＬＥのタイミング図と共に、燃料電池電流ＩＦＣ、燃料電池電圧ＶＦＣ、及び出力電圧ＶＯのグラフを示しており、この場合、モード１は電流パルス化モードに対応し、モード２はブリッジオフモードに対応し、またモード３は電流制限モードに対応する。
【００７２】
図９に示したように、電流クランプイネーブル信号Ｉ＿Ｃｌａｍｐは、電流制限モードの開始の前に作動することができる。例えば、電流クランプイネーブル信号は、図９の陰付きの領域によって示されるように、電流パルス化モード及び／又はブリッジオフモード中に常に作動し得る。いくつかの実施形態では、電流制限モードの開始前に電流クランプ回路６０に追加の定着時間を与えるために、電流パルス化イネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ  ＥＮＡＢＬＥの立ち上がりエッジと同期して、電流制限ロジックを作動することが好ましいかもしれない。
【００７３】
上記の教示は、図１０と図１１に示したように、非常に多様な出力電力及び電圧の電源システムの提供にモジュール式に実施することが可能である。
【００７４】
図１０は、電力を負荷８に供給するために電圧バス１４で電気的に直列結合されたいくつかの電源６１−６ｎを示している。省略符号は、任意の数の追加の電源を第１の電源６１とｎ番目の電源６ｎとの間に電気的に結合し得ることを示している。このモジュール式アプローチにより、顧客は、同一の燃料電池スタック設計及び同一の電源６モジュールを利用しつつ、ｎ倍の出力電圧においてｎ倍の出力電力の電源システムを再構成することができる。モジュール式アプローチは、システムの冗長性を有利に可能にする。すなわち、システムはある程度の余剰能力により設計可能であり、１つ以上のモジュールが故障しても十分な電力を供給することが可能である。
【００７５】
図１１は、電力を負荷８に供給するための電圧線路１４ａ、１４ｂによって形成された電圧バス１４で電気的に並列結合されたいくつかの電源６１−６ｎを示している。このモジュール式アプローチにより、顧客は、同一の燃料電池スタック設計及び同一の電源６モジュールを利用しつつ、同一の電圧においてｎ倍の出力電力の電源システムを再構成することができる。図１０と図１１の実施形態は、直列及び並列に結合された様々な構成で組み合わせて、電源システムの製造、検証、及び流通に対するモジュール式アプローチを提供することができる。
【００７６】
多数の燃料電池システム１０を使用するいくつかの用途では、各燃料電池システム１０から抽出された電力は、燃料電池システム１０の間の小さな差、例えば、構造又は作動寿命の差のため異なることがある。このような用途では、燃料電池システム１０の間で抽出される電力の差がある指定した範囲内にあることを確実にすることが有益であり得る。１つのアプローチでは、プラントバランス（ＢｏＰ）、すなわち燃料電池システム１０の内部システムへの電力は、変圧器を通して供給して、直流絶縁を提供することが可能であり、ＢｏＰは燃料電池スタック１２を基準に接地される。電気貯蔵装置４８及び負荷８は、燃料電池システム１０のＢｏＰから電気的に絶縁される。様々な燃料電池システム１０の燃料電池制御器１８は、内部インタフェースバス２１（図１と図２）を介して通信結合可能である。
【００７７】
一般に、当業者に公知である負荷共有方法の任意の方法を使用することが可能である。例えば、周知の受動的な電流共有方法（例えば、「ドループ」方法）、ならびにここで説明するような能動電流共有方法がある。広く言って、負荷共有は、電流及び／又は電圧を基礎とし得る。このように、平均化は、同一の電圧、同一の電流、又は両方のある組み合わせを得るために実行可能である。
【００７８】
さらに、燃料電池システム１０の各々の燃料電池スタックからの電流は、内部インタフェース２１（図１と図２）を通して１つ以上の燃料電池制御器１８に報告可能であり、それぞれのＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は、互いにより平均化された電流を出力するように作動される。ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２に対する電圧基準３４は、燃料電池スタック１６の間の電流共有を実施するために、燃料電池制御器１８によって適切に調整される。
【００７９】
追加して、又は代わりに、単独であるいは他の燃料電池システム１０と組み合わせて作動する燃料電池システム１０は、ファン電力制御方法を使用することが可能である。
【００８０】
ファン２６は、燃料電池システム１０の多数の機能を実行してもよい。例えば、ファン２６は、酸化剤及び／又は冷却剤の流れを提供してもよく、パワーエレクトロニクスを冷却してもよく、通気されるか又はリークされる水素を薄めてもよく、また燃料電池スタック１６及び／又はパワーエレクトロニクスによって加熱された空気を水蒸発器の上方に循環させて、蒸発を補助してもよい。例えば、ファン２６の速度は、主に、燃料電池スタック１６用の冷却要件に基づき設定してもよい。この場合、空気／酸化剤流れ（すなわち、空気の化学量論）は、単に、ある一定の最小よりも大きければよい。水素希釈のため、空気流も、通常、ある一定の最小よりも大きければよい。パワーエレクトロニクス、特にＤＣ／／ＤＣコンバータ１２、５０は、簡単に過熱可能であるべきでない。したがって、ファン２６はある最小速度で又はそれを超えて動作する。上述において、一般に、ＰＩＤループはスタック温度に従ってファン速度を制御する。他のＰＩＤループを使用して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、５０の温度を制限してもよい。すなわち、第２のＰＩＤループは、必要ならば、ファン速度制御をオーバライドして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、５０の充分な冷却を保証するが、このことは、望むよりも強い燃料スタック１６の冷却をもたらす可能性がある。水素レベルが余りに高くなった場合、水素センサを使用して、この状態を検出しかつ燃料電池システム１０を遮断することが可能である。当然、他のファン制御方法が可能である。
【００８１】
開示した実施形態は、既存のシステムに対しいくつかの利点を提供し得る。例えば、上述のアプローチは、顧客の特定の所望の電力要件及び電圧要件に見合う適切な電源システムを製造するために必要な時間を低減することが可能である。電源システムを実際の負荷要件により密接に適合させることにより、及び／又はパワーコンバータを介して出力電圧を調整できる電源システムにより、コストが節約されるが、この理由は、燃料電池スタック１６の電池が少なくて済むからであり、また比較的少数の、場合によっては１つのみの標準燃料電池スタック１６を設計、検証、製造、在庫及び流通すればよいからである。さらに、電源システムを実際の負荷要件により密接に適合させることにより、燃料電池スタック１６のより効率的に作動が可能になる。
【００８２】
パワーコンバータを用いて電圧を調整することにより、所望の負荷電圧と無関係に、最大負荷における燃料電池スタック１６の作動が可能になり、同様に、最適の分極曲線に沿った燃料電池スタックのより効率的な作動が可能になる。上記のように、高価で損失の多い高圧スイッチ及び／又はダイオードの排除は、コストを節減し、効率を高める。さらに上に説明したように、ファン用の専用電源の除去は相当のコスト節減をもたらし、効率を高める。負荷８にわたって電力貯蔵装置４８を結合することにより、燃料電池スタック１６の最大出力定格を低減することによって相当の節減が行われる。さらに、主パワーコンバータ１２は、時折、あるいは必要に応じて、電流パルスを発生して燃料電池スタック性能を高めることが可能である。
【００８３】
電源の特定の実施形態及びその実施例について、例示目的で本明細書に説明しているが、当業者によって認識されるように、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の精神と範囲から逸脱することなく、様々な等価の修正を行うことができる。本明細書に提供された教示は、必ずしも一般に上述した模範的な燃料電池システムではなく、他の燃料電池システムに適用することができる。
【００８４】
上述の様々な実施形態は、別の実施形態を提供するために組み合わせることができる。共通に譲渡された出願中の米国特許出願第１０／０１７，４８０号明細書、表題「燃料電池システムからの電圧を制御するための方法と装置」（Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｆｒｏｍ  ａ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」）；同第１０／０１７，４６２号明細書、表題「燃料電池システムからの電圧の多数モード制御用の方法と装置」（Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｍｏｄｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｆｒｏｍ  ａ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）；同第１０／０１７，４６１号明細書、表題「燃料電池システムの多段電圧制御の方法と装置」（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｓｔａｇｅ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ）、すべて２００１年１２月１４日に出願；同第６０／４２１，１２６号明細書、表題「電源の燃料電池システムの調整可能なアレイ」（Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ  Ａｒｒａｙ  Ｏｆ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｉｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｕｐｐｌｙ）、２００２年５月１６日に出願；同第６０／４３６，７５９号明細書、表題「燃料電池システムの調整可能なアレイを有する電力計画」（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｌａｎ  Ｗｉｔｈ  Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ  Ａｒｒａｙ  Ｏｆ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）、２００２年１２月１７日に出願；及び同第１０／４２６，９４２号明細書、２００３年４月２９日に出願、表題「一体型燃料電池ベースの電源用のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法」（ＰＯＷＥＲ  ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ  ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＢＡＳＥＤ  ＰＯＷＥＲ  ＳＵＰＰＬＩＥＳ）を含むが、それらに限定されない上記の米国特許、特許出願及び本明細書で参照される文献のすべては、それらの全体が本明細書に参考としてすべて組み込まれている。
【００８５】
本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の態様は、必要ならば、様々な特許、用途及び文献のシステム、回路及び構想を利用して、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法のさらに別の実施形態を提供するために修正することができる。適切な作動方法は、追加のステップを含み、いくつかのステップを排除し、及び／又は異なる順序でいくつかのステップを実行することが可能である。例えば、燃料電池制御器１８は、作動状態を決定するために、及び／又はスイッチＳＷ１、ＳＷ２を開閉するために異なる順序を使用することが可能である。
【００８６】
上記の詳細な説明に鑑み、これらの及び他の変更を本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法に行うことができる。一般に、次の特許請求の範囲において、使用する用語は、明細書及び特許請求の範囲に開示した特定の実施形態に本発明を限定すると解釈されるべきでなく、特許請求の範囲に従って作動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、本発明は開示によって限定されず、代わりにその範囲は次の特許請求の範囲によって完全に決定される。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】外部負荷に動力を供給する燃料電池システムの概略図であり、燃料電池システムは、例示した一実施形態による燃料電池スタック、ファン、主絶縁パワーコンバータ、絶縁パワーコンバータ、電力貯蔵装置、燃料電池制御器、ＤＣ／ＤＣ制御器及び１対のスイッチを備える。
【図２】一代替実施形態による単投双極スイッチを含む燃料電池システムの概略図である。
【図３Ａ】例示した一実施形態による燃料電池システムを作動するための状態遷移図である。
【図３Ｂ】図３Ａの状態遷移図による燃料電池システムを作動するための状態遷移表である。
【図３Ｃ】図３Ａの状態遷移図による燃料電池システムを作動するための状態遷移表である。
【図４】外部負荷に動力を供給する燃料電池システムの概略図であり、燃料電池システムは、例示した一実施形態による燃料電池スタック、主絶縁ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ、電力貯蔵装置、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ制御ロジックを備える。
【図５】例示した一実施形態による図４の燃料電池システムを作動する方法のフローチャートである。
【図６】図４の制御ロジックの部分であり得る電流クランプ回路の模範的な入力／出力特性のグラフ図である。
【図７】例示した一実施形態による図４の燃料電池システムのＤＣ／ＤＣコンバータを駆動するための信号に関する様々な電流及び電圧のグラフ図である。
【図８】外部負荷に動力を供給する燃料電池システムの概略図であり、燃料電池システムは、例示した一実施形態による燃料電池スタック、主ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ、電力貯蔵装置、及びＤＣ／ＤＣパワーコンバータ制御ロジックを備える。
【図９】例示した一実施形態による図８の燃料電池システムのＤＣ／ＤＣコンバータを駆動するための信号に関する様々な電流及び電圧のグラフ図である。
【図１０】所望の電圧で所望の電力を負荷に供給するために電気的に直列結合されたいくつかの燃料電池システムの概略図である。
【図１１】所望の電圧で電力を負荷に供給するために電気的に並列結合されたいくつかの燃料電池システムの概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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