(57)【要約】燃料電池ベースの電源は、所望の出力電圧から独立した燃料電池スタックの作動を可能にする主パワーコンバータアーキテクチャを備える。燃料電池スタックは、高電流スイッチ及びダイオードを排除する主パワーコンバータに直接接続することが可能である。スイッチは、補助パワーコンバータを介して、燃料電池スタックに対する又は貯蔵装置に対する冷却ファンのような補助構成要素に選択的に電力を供給するように作動可能である。単一の補助パワーコンバータは、専用の冷却ファン電源に取って代わることができる。電源は、様々な状態で作動する。
2006525629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力源と負荷との間に選択的にパワーを供給する回路であって、
１次側と２次側とを備える主パワーコンバータであって、該主パワーコンバータの１次側が、前記電力源との間にスイッチ及びダイオードの少なくとも一方なしに前記電力源に電気的に直接結合され、また前記主パワーコンバータの２次側が前記負荷に電気的に結合可能である主パワーコンバータと、
前記主パワーコンバータを制御するために結合された少なくとも１つの制御器と、
を備える回路。
【請求項２】
前記主パワーコンバータの２次側にわたって電気的に並列結合された電力貯蔵装置をさらに備える、請求項１に記載の回路。
【請求項３】
前記主パワーコンバータの２次側にわたって電気的に並列結合された電力貯蔵装置と、
前記電力貯蔵装置と前記少なくとも１つの制御器との間に電気的に結合されて、前記電力貯蔵装置から前記少なくとも１つの制御器に電力を供給する補助パワーコンバータと、をさらに備える、請求項１に記載の回路。
【請求項４】
前記主パワーコンバータの２次側にわたって電気的に並列結合された電力貯蔵装置と、
前記電力貯蔵装置と前記少なくとも１つの制御器との間に電気的に結合されて、前記少なくとも１つの制御器に電力を供給する補助パワーコンバータと、
前記補助パワーコンバータを第１の補助負荷に電気的に結合して、前記電力貯蔵装置から前記第１の補助負荷に電力を供給するように選択的に作動可能である少なくとも第１のスイッチと、
をさらに備える、請求項１に記載の回路。
【請求項５】
前記主パワーコンバータの２次側にわたって電気的に並列結合された電力貯蔵装置と、
前記電力貯蔵装置と前記少なくとも１つの制御器との間に電気的に結合されて、前記少なくとも１つの制御器に電力を供給する補助パワーコンバータと、
前記補助パワーコンバータを第１の補助負荷に電気的に結合して、少なくとも第１の状態で前記電力貯蔵装置から前記第１の補助負荷に電力を供給するように、また代わりに、前記電力源を前記第１の補助負荷に電気的に結合して、少なくとも第２の状態で前記電力源から前記第１の補助負荷に電力を供給するように、選択的に作動可能である少なくとも第１のスイッチと、
をさらに備える、請求項１に記載の回路。
【請求項６】
前記主パワーコンバータの２次側にわたって電気的に並列結合されたスーパコンデンサと、
前記スーパコンデンサと前記少なくとも１つの制御器との間に電気的に結合されて、前記少なくとも１つの制御器に電力を供給する補助パワーコンバータと、
前記補助パワーコンバータを第１の補助負荷に電気的に結合して、少なくとも第１の時間中に前記スーパコンデンサから前記第１の補助負荷に電力を供給するように選択的に作動可能である少なくとも第１のスイッチと、
少なくとも、前記第１の時間とは異なる第２の時間中に、前記電力源を前記第１の補助負荷に電気的に結合して、前記電力源から前記第１の補助負荷に電力を供給するように選択的に作動可能である少なくとも第２のスイッチと、
をさらに備える、請求項１に記載の回路。
【請求項７】
前記少なくとも１つの制御器が主パワーコンバータ制御器であり、前記回路が、ユーザ入力を受信して、前記電力源と前記主パワーコンバータ制御器とを制御するように結合された燃料電池制御器をさらに備える、請求項１に記載の回路。
【請求項８】
前記主パワーコンバータが、変圧器と、ブリッジの少なくとも一部分として構成された複数の半導体パワートランジスタスイッチとを備える絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータである、請求項１に記載の回路。
【請求項９】
前記主パワーコンバータが高周波変圧器を備え、前記補助パワーコンバータが第２の絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータである、請求項８に記載の回路。
【請求項１０】
電力を負荷に選択的に供給する電源であって、
燃料電池スタックと、
変圧器と、１次側と、２次側とを備える主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータであって、該主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側が前記燃料電池スタックに電気的に直接接続される主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に電気的に結合されて前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータから電力を受け取る電力貯蔵装置と、
前記燃料電池スタックから電力を受け取るために前記燃料電池スタックと、前記電力貯蔵装置から電力を受け取るために前記電力貯蔵装置とに、二者択一的に電気的に結合可能な少なくとも第１の補助燃料電池システム構成要素負荷と、
を備える電源。
【請求項１１】
前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータが、スイッチ及びダイオードの少なくとも一方なしに前記燃料電池スタックに電気的に直接接続される、請求項１０に記載の電源。
【請求項１２】
前記第１の補助燃料電池システム構成要素負荷が、ファン及びドライバエレクトロニクスである、請求項１０に記載の電源。
【請求項１３】
前記電力貯蔵装置が、前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側にわたって電気的に並列結合されたバッテリ及びスーパコンデンサの少なくとも一方である、請求項１０に記載の電源。
【請求項１４】
１次側と２次側とを備える補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記１次側が、前記電力貯蔵装置及び前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側の少なくとも一方に電気的に結合される補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電力貯蔵装置から電力を受け取るために、前記補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に電気的に結合された第１の制御器であって、前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するように制御結合された第１の制御器と、
をさらに備える、請求項１０に記載の電源。
【請求項１５】
前記燃料電池スタックから電力を受け取るために前記燃料電池スタックと、前記電力貯蔵装置から電力を受け取るために前記電力貯蔵装置とに、二者択一的に前記第１の補助燃料電池システム構成要素負荷を電気的に結合するように、選択的に作動可能な少なくとも１つのスイッチをさらに備える、請求項１０に記載の電源。
【請求項１６】
１次側と２次側とを備える補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記１次側が、前記電力貯蔵装置及び前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側の少なくとも一方に電気的に結合される補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記第１の補助燃料電池システム構成要素負荷を前記補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に結合して、第１の時間に前記電力貯蔵装置から電力を受け取るように、前記第１の補助燃料電池システム構成要素負荷を前記燃料電池スタックに電気的に結合して、第２の時間に前記燃料電池スタックから電力を受け取るように、また第３の時間に前記燃料電池スタック及び前記補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの両方から前記第１の補助燃料電池システム構成要素負荷を電気的に切り離すように、選択的に作動可能な少なくとも１つのスイッチと、
をさらに備える、請求項１０に記載の電源。
【請求項１７】
前記補助燃料電池システム構成要素負荷が燃料電池スタック冷却ファン及びドライバエレクトロニクスであり、さらに、
１次側と２次側とを備える補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記１次側が、前記電力貯蔵装置及び前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側の少なくとも一方に電気的に結合される補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電力を受け取るために前記補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に電気的に結合された第１の制御器であって、前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータと少なくとも１つのスイッチとを制御するように制御結合された第１の制御器とを備え、該第１の制御器が、
始動状態で前記補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電力貯蔵装置に前記冷却ファンを電気的に結合し、かつ前記燃料電池スタックから前記冷却ファンを電気的に切り離し、また
ブースト状態で前記電力貯蔵装置から前記冷却ファンを電気的に切り離し、かつ前記冷却ファンを前記燃料電池スタックに電気的に結合するように構成される、
請求項１０に記載の電源。
【請求項１８】
前記補助燃料電池システム構成要素負荷が燃料電池スタック冷却ファンであり、さらに、
１次側と２次側とを備える補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記１次側が、前記電力貯蔵装置及び前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側の少なくとも一方に電気的に結合される補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電力を受け取るために、前記補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に電気的に結合された第１の制御器であって、前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータと少なくとも１つのスイッチとを制御するように制御結合された第１の制御器とを備え、該第１の制御器が、
始動状態で前記補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電力貯蔵装置に前記冷却ファンを電気的に結合し、かつ前記燃料電池スタックから前記冷却ファンを電気的に切り離し、
ブースト状態で前記電力貯蔵装置から前記冷却ファンを電気的に切り離し、かつ前記冷却ファンを前記燃料電池スタックに電気的に結合し、
アイドル状態で前記冷却ファンを前記燃料電池スタックに電気的に結合し、かつ前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータをディスエーブルにし、
故障状態で前記燃料電池スタックから前記冷却ファンを電気的に切り離し、前記冷却ファンを前記電力貯蔵装置に電気的に結合し、また前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータをディスエーブルにし、また
待機状態で前記電力貯蔵装置及び前記燃料電池スタックの両方から前記冷却ファンを電気的に切り離し、かつ前記補助絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを能動維持するように構成される、
請求項１０に記載の電源。
【請求項１９】
前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータが高周波変圧器を備える、請求項１０に記載の電源。
【請求項２０】
電圧バスを介して負荷に電力を選択的に供給する電源であって、
燃料電池スタックと、
少なくとも１つの外部負荷を前記燃料電池スタックに電気的に結合するための電力バスであって、前記燃料電池スタックと前記負荷との間の唯一のＯＮ／ＯＦＦスイッチング装置である主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを備える電力バスと、
前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するように結合された少なくとも１つの制御器と、
を備える電源。
【請求項２１】
前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記燃料電池スタックから電力を受け取るために、前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に結合された電力貯蔵装置をさらに備える、請求項２０に記載の電源。
【請求項２２】
前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記燃料電池スタックから電力を受け取るために前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に結合された電力貯蔵装置と、
前記燃料電池スタックから電力を受け取るために前記燃料電池スタックと、前記電力貯蔵装置から電力を受け取るために前記電力貯蔵装置とに、二者択一的に電気的に結合可能な少なくとも第１の補助燃料電池システム構成要素負荷と、
をさらに備える、請求項２０に記載の電源。
【請求項２３】
燃料電池スタックから負荷に電力を選択的に供給する方法であって、
燃料電池スタックを主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に直接接続するステップと、
第１の時間に電力を前記負荷に供給するように前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを選択的に作動するステップと、
第２の時間に前記負荷への電力供給を停止するように前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの作動を選択的に停止するステップと、
を含む方法。
【請求項２４】
燃料電池スタックを主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に直接接続するステップが、前記燃料電池スタックと前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータとの間にスイッチ又はダイオードを電気的に結合することなく、前記燃料電池スタックを前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に接続することを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
第１の時間に電力を前記負荷に供給するように前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを選択的に作動するステップが、前記燃料電池スタックへの反応物流をほぼ一定に維持しつつ、前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの作動周波数でＯＮ状態のパルス幅を調整して、前記負荷に供給される電力の電圧を調整することを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
時々、前記燃料電池スタックの汚染を除去するために電流パルスを発生するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側にわたって電力貯蔵装置を電気的に並列結合するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
燃料電池スタックと、ファンと、主絶縁パワーコンバータと、補助パワーコンバータと、パワーコンバータ制御器とを備える燃料電池システムを作動する方法であって、
前記主絶縁パワーコンバータの出力側にわたって電力貯蔵装置を電気的に並列結合するステップと、
前記補助パワーコンバータを介して前記パワーコンバータ制御器に電力を供給するステップと、
第１の時間に前記補助パワーコンバータを介して電力を前記ファンに供給するステップと、
第２の時間に前記補助パワーコンバータを使用することなく前記燃料電池スタックから電力を前記ファンに直接供給するステップと、
を含む方法。
【請求項２９】
前記主絶縁パワーコンバータを介して電力貯蔵装置に前記燃料電池スタックからの電力を貯蔵するステップをさらに含み、第１の時間に前記補助パワーコンバータを介して電力を前記ファンに供給するステップが、前記電力貯蔵装置から前記補助パワーコンバータを介して電力を前記ファンに供給することを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
燃料電池スタックと、ファンと、主絶縁パワーコンバータと、補助パワーコンバータと、パワーコンバータ制御器とを備える燃料電池システムを作動する方法であって、
前記主絶縁パワーコンバータの出力側にわたって電力貯蔵装置を電気的に並列結合するステップと、
前記補助パワーコンバータを介して前記パワーコンバータ制御器に電力を供給するステップと、
第１の時間に前記補助パワーコンバータを介して電力を前記ファンに供給するステップと、
第２の時間に前記補助パワーコンバータを使用することなく前記燃料電池スタックから電力を前記ファンに直接供給するステップと、
所望の出力電圧に関係なく、ほぼ最高効率の分極曲線で前記燃料電池スタックを作動するステップと、
を含む方法。
【請求項３１】
燃料電池スタックと、ファンと、少なくとも１つの電力貯蔵装置とを備える電源を作動する方法であって、
始動状態で、
補助パワーコンバータを介して前記電力貯蔵装置から電力を前記ファンに供給するステップと、
ブースト状態で、
前記燃料電池スタックから電力を前記ファンに供給し、また主パワーコンバータをイネーブルにして、該主パワーコンバータを介して前記燃料電池スタックから電力を負荷に供給するステップと、
を含む方法。
【請求項３２】
前記主パワーコンバータが、スイッチ及びダイオードの介入なしに前記燃料電池スタックに直接接続される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
アイドル状態で、
前記燃料電池スタックから電力を前記ファンに供給し、また
前記主パワーコンバータをディスエーブルにして、前記燃料電池スタックから前記負荷への電力供給を止めるステップをさらに含む、
請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
故障状態で、
前記主パワーコンバータをディスエーブルにして、前記燃料電池スタックから前記負荷への電力供給を止め、また
前記電力貯蔵装置から前記補助パワーコンバータを介して電力を前記ファンに供給するステップをさらに含む、
請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
待機状態で、
前記補助パワーコンバータを作動し、
前記燃料電池スタックへの反応物流を停止して、前記燃料電池スタックの作動を停止し、また
前記主パワーコンバータをディスエーブルにして、前記燃料電池スタックから前記負荷への電力供給を止めるステップ
をさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
電源システムであって、
電力バスと、
第１の燃料電池スタックと、第１のファンと、電力を前記電力バスに供給するように選択的に作動可能な第１の主パワーコンバータと、前記第１の主パワーコンバータを制御するように結合された第１のパワーコンバータ制御器と、前記第１のパワーコンバータ制御器に電力を供給するようにまた前記第１のファンに電力を選択的に供給するように結合された第１の補助パワーコンバータであって、前記第１の燃料電池スタックが電力を前記第１のファンに直接供給するように選択的に結合可能である第１の補助パワーコンバータとを備える第１の電源と、
第２の燃料電池スタックと、第２のファンと、電力を前記電力バスに供給するように選択的に作動可能な第２の主パワーコンバータと、前記第２の主パワーコンバータを制御するように結合された第２のパワーコンバータ制御器と、前記第２のパワーコンバータ制御器に電力を供給するようにまた前記第２のファンに電力を選択的に供給するように結合された第２の補助電源であって、前記第２の燃料電池スタックが電力を前記第２のファンに直接供給するように選択的に結合可能である第２の補助電源とを備える第２の電源と、を備え、前記第１及び第２の電源が前記電力バスに電気的に結合される電源システム。
【請求項３７】
前記第１及び第２の電源が、前記電力バスに電気的に並列結合され、前記主パワーコンバータの各々が第１の所望の出力電圧を含む、請求項３６に記載の電源システム。
【請求項３８】
前記第１及び第２の電源が、前記電力バスに電気的に直列結合される、請求項３６に記載の電源システム。
【請求項３９】
前記第１及び第２の主パワーコンバータの各々が、ブリッジ回路と、所望の出力電圧範囲に従って選択された巻数比を有する変圧器とを備えるそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータである、請求項３６に記載の電源システム。
【請求項４０】
電源システムを形成する方法であって、
前記電源システムの所望の電圧出力を決定するステップと、
前記決定された所望の電圧出力に基づきＤＣ／ＤＣコンバータを選択するステップと、
前記電源システムの所望の電力出力を決定するステップと、
前記電源システムの所望の電力出力に基づき必要とされる電源モジュールの数を決定するステップであって、それぞれの燃料電池スタックとそれぞれのＤＣ／ＤＣコンバータとを各々が備える前記電源モジュールの数を決定するステップと、
電源モジュールの前記決定された数の各々について、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのそれぞれの１つの入力を前記それぞれの燃料電池スタックの出力に電気的に結合するステップと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの各々の出力を電力バスに電気的に結合するステップと、
を含む方法。
【請求項４１】
前記電源モジュールの各々が、前記それぞれの燃料電池スタックの出力と電気的に並列結合されたファンと電力貯蔵装置とをさらに備える、請求項４０に記載の方法。
【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、高負荷の下でより効率的である。典型的な用途では、所望の出力電圧は制御パラメータであり、反応物流はそれに応じて調整される。この結果、燃料電池スタックの作動効率は望むよりも低下する（すなわち、最適よりも低い分極曲線に沿って）。
【０００５】
大部分の用途において、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。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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様において、電力源と負荷との間に電力を選択的に供給する回路は、１次側と２次側とを有する主パワーコンバータであって、主パワーコンバータの１次側が、電力源との間にスイッチ及びダイオードの少なくとも一方なしに電力源に電気的に直接結合され、主パワーコンバータの２次側が負荷に電気的に結合可能である主パワーコンバータと、主パワーコンバータを制御するために結合された少なくとも１つの制御器とを備える。電力貯蔵装置は、主パワーコンバータの２次側にわたって電気的に並列結合して、電力をバッファすることが可能である。さらに、補助絶縁電源は、電力貯蔵装置と少なくとも１つの制御器との間に電気的に結合して、主コンバータ制御器に電力を供給し、また少なくとも１つの制御器との間に結合して、電力を主コンバータパワーステージ及びドライバに、また電源の少なくとも１つの第１の補助負荷、例えば燃料電池システムの冷却ファンのようなファンに供給することが可能である。第１の状態で補助絶縁電源を第１の補助負荷に電気的に結合するように、代わりに、第２の状態で電力源を第１の補助負荷に電気的に結合するように、１つ以上のスイッチを選択的に作動可能である。
【０００８】
他の態様において、電力を負荷に選択的に供給する電源は、燃料電池スタックと、変圧器と１次側と２次側とを備える主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータであって、主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側が燃料電池スタックに電気的に直接接続される主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータと、主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に電気的に結合されて主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータから電力を受け取る電力貯蔵装置と、燃料電池スタックから電力を受け取るために燃料電池スタックと電力貯蔵装置から電力を受け取るために電力貯蔵装置とに二者択一的に電気的に結合可能な少なくとも第１の補助燃料電池システム構成要素負荷と、を備える。
【０００９】
さらに他の態様において、電圧バスを介して負荷に電力を選択的に供給する電源は、燃料電池スタックと、少なくとも１つの外部負荷を燃料電池スタックに電気的に結合するための電力バスであって、燃料電池スタックと負荷との間の唯一のＯＮ／ＯＦＦスイッチング装置である主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを備える電力バスと、主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するように結合された少なくとも１つの制御器とを備える。
【００１０】
別の態様において、燃料電池スタックから負荷に電力を選択的に供給する方法は、燃料電池スタックを主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に直接接続するステップと、第１の時間に電力を負荷に供給するように主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを選択的に作動するステップと、第２の時間に負荷への電力供給を停止するように主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの作動を選択的に停止するステップとを含む。
【００１１】
さらに他の態様において、燃料電池スタックと、ファンと、主絶縁パワーコンバータと、パワーコンバータ制御器とを備える燃料電池システムを作動する方法は、主絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側又は出力側にわたって電力貯蔵装置を電気的に並列結合するステップと、補助電源を介してパワーコンバータ制御器に電力を供給するステップと、第１の時間に補助電源を介して電力を前記ファンに供給するステップと、第２の時間に補助電源を使用することなく燃料電池スタックから電力をファンに直接供給するステップとを含む。
【００１２】
さらに別の態様において、燃料電池スタックと、ファンと、少なくとも１つの電力貯蔵装置とを備える電源を作動する方法は、始動状態で、補助電源を介して電力貯蔵装置から電力を前記ファンに供給するステップと、ブースト状態で、燃料電池スタックから電力をファンに供給し、また主パワーコンバータをイネーブルにして、主パワーコンバータを介して燃料電池スタックから電力を負荷に供給するステップとを含む。さらに、本方法は、アイドル状態で、燃料電池スタックから電力をファンに供給し、また主パワーコンバータをディスエーブルにして、燃料電池スタックから負荷への電力供給を止めるステップを含むことが可能である。さらに、本方法は、故障状態で、主パワーコンバータをディスエーブルにして、燃料電池スタックから負荷への電力供給を止め、また電力貯蔵装置から補助電源を介して電力をファンに供給するステップを含むことが可能である。さらに、本方法は、待機状態で、補助電源を作動し、燃料スタックへの反応物流を停止して、燃料電池スタックの作動を停止し、また主パワーコンバータをディスエーブルにして、燃料電池スタックから負荷への電力供給を止めるステップを含むことも可能である。
【００１３】
さらに他の態様において、モジュール式に、多数の電源を電気的に直列及び／又は並列に、好ましくは並列に結合して、異なる電力定格で及び所望の電圧で電力を供給することが可能である。
【００１４】
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】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、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。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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
主パワーコンバータ１２は、フルブリッジ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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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ＶＦＣ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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
上記の教示は、図４と図５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。
【００４２】
図４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。
【００４３】
図５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４と図５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。
【００４４】
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。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、燃料電池スタック１６の汚染を除去するために電流パルスを発生して、それによって燃料電池スタック性能を高めることが可能である。
【００４５】
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。
【００４６】
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」）（代理人整理番号第１３０１０９．４３６号）；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）（代理人整理番号第１３０１０９．４４２号）；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）（代理人整理番号第１３０１０９．４４６号）、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（代理人整理番号第１３０１０９．４４９Ｐ１号）；及び同第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（代理人整理番号第１３０１０９．４４９Ｐ２号）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。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。
【００４７】
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】
【００４８】
【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】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５】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】
2006525629.tif 000003
【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】
2006525629.tif 000009
【国際調査報告】
2006525629.tif 000010
2006525629.tif 000011
2006525629.tif 000012
2006525629.tif 000013