JP2010123408A - 燃料電池発電装置システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池発電装置システムの発電効率を向上させる。
【解決手段】発電を行うスタック3と、アクチュエータ(または制御手段)5と、系統電源6の交流電圧を予め設定されたスタック3の最低出力電圧より低い直流電圧に変換するAC/DCコンバータ1と、アクチュエータ(または制御手段)5への給電をAC/DCコンバータ1の出力側またはスタック3の出力側のどちらかに切換える電源切換え手段4aと、スタック3と電源切換え手段4aとの接続をスタック3の発電開始によりONしスタック3の発電停止によりOFFするスタック切断手段2とを備え、電源切換え手段4aは、AC/DCコンバータ1側の入力と出力との間には入力から出力に向かう方向を順方向とするダイオードがあるがスタック切断手段2側の入力と出力との間にはダイオードがない構成となっている。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池発電装置システムに関し、詳しくはアクチュエータまたは制御手段の給電経路の切換えに関するものである。
燃料電池発電装置システムは、発電が開始するには、水素生成器により水素を主成分とする燃料ガスである水素ガスを生成し、生成した水素ガスと酸化剤ガスとをスタックにて反応させて発電を行う。このとき、実際に発電の燃料ガスとなるのに十分な水素リッチな状態のガスを生成するまでには、比較的長い時間(例えば1時間程度)を要する。
その間、燃料電池発電装置システムは、原料ガスの流路を切換える弁や、冷却水を供給するポンプや、水素生成器の温度を水素の改質が十分に行われるまで上昇させるヒータなどの制御が必要である。
そして、これらの弁やポンプやヒータなどの駆動電源は、スタックの発電が開始するまでは系統電源(商用電源)からAC/DCコンバータにより必要な電源を作り、各種弁やポンプ、基板の制御回路などに給電している。
また、スタックの発電が開始した後は、スタックまたは、スタックからDC/DCコンバータにより必要な電源を作り、各種弁やポンプ、基板の制御回路などに給電している。
このように、発電時と非発電時で、各種弁やポンプ、基板の制御回路などに給電元を系統側とスタック側で切換えることにより、発電効率を向上させることができる。
このとき、発電時と非発電時の給電元を切換える方法として、二つの電圧の出力をダイオードオアで接続し、どちらか電圧の高いほうから給電させる方法があり、この方法を用いることで、マイコンソフトや複雑な制御をすることなく、簡単に電源の給電元を切換えることが可能である。
特開2008−135200号公報
しかし上記従来の構成は、スタックで発電した電力の一部をダイオードで消費(ロス)してしまい、スタックで発電した電力を有効に活用できていないという課題があった。
そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑み、アクチュエータまたは制御手段への給電を系統電源側またはスタック側のどちらかに切換える電源切換え手段を備えた燃料電池発電装置システムにおいて、スタックが発電した電力をアクチュエータまたは制御手段に給電する際に、スタックで発電した電力の一部を電源切換え手段で消費(ロス)せず、スタックで発電した電力を有効に活用できるようにすることを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池発電装置システムは、水素ガスと酸素とを反応させて発電を行うスタックと、アクチュエータまたは制御手段と、系統電源の交流電圧を予め設定された前記スタックの最低出力電圧より低い直流電圧に変換するAC/DCコンバータと、前記アクチュエータまたは制御手段への給電を前記AC/DCコンバータの出力側または前記スタックの出力側のどちらかに切換える電源切換え手段と、前記スタックと前記電源切換え手段との接続を前記スタックの発電開始によりONし前記スタックの発電停止によりOFFするスタック切断手段とを備え、前記電源切換え手段は、前記AC/DCコンバータ側の入力と出力との間には前記入力から前記出力に向かう方向を順方向とするダイオードがあるが前記スタック切断手段側の入力と前記出力との間にはダイオードがないことを特徴とするものである。
これにより、電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間にはダイオードがないので、アクチュエータまたは制御手段の電源としてスタックで発電した電力を用いる場合、ダイオードで電力を消費(ロス)すること防止することができる。
また、スタックが発電(予め設定された最低出力電圧以上の発電)をしてから、電源の供給元が商用電源(系統電源)からスタックに切換わるので、システム動作の安定性を保つことができる。
また、電源切換え手段において、系統電源(AC/DCコンバータ)側の入力と出力との間には前記入力から前記出力に向かう方向を順方向とする逆流防止用のダイオードがあり、AC/DCコンバータは、系統電源の交流電圧をスタックの最低出力電圧より低い直流電圧に変換するものであるので、スタックが正常にスタックの最低出力電圧以上の電力で発電している場合は、系統電源とAC/DCコンバータとの接続をOFF(遮断)しなくても、スタック側から電力がアクチュエータまたは制御手段に給電されるので、スタックが正常に発電しているときには系統電源側から電力がアクチュエータまたは制御手段に給電されないようにAC/DCコンバータの入力と系統電源との接続を遮断する部品(例えば、継電器(リレー))を設けない構成とすることができ、AC/DCコンバータの入力と系統電源との接続を遮断する部品(例えば、継電器(リレー))の制御も不要となるため、燃料電池発電装置システムの制御が簡単になり、構成が簡単で部品点数が削減できるので、安価でかつ安定動作性を向上させた燃料電池発電装置システムが実現できる。
また、AC/DCコンバータの入力と系統電源との接続を遮断する部品(例えば、継電器(リレー))を省略した場合は、一時的(瞬間的に)にスタックの出力電圧が低下してAC/DCコンバータの出力電圧より低くなっても、電源切換え手段により、アクチュエータまたは制御手段への給電をスタック側から系統電源側に瞬時に自動的に切換えることができるので、燃料電池発電装置システムの安定性が向上する。
また、電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間に逆流防止用のダイオードがなくても、スタックと電源切換え手段との接続をスタックの発電開始によりONしスタックの発電停止によりOFFするスタック切断手段があるので、スタックで発電していない時に、スタックへのAC/DCコンバータ側からの電力の流入を防止することができ、これにより、スタックに逆電圧が印加されることにより、スタックの寿命が縮まったり、スタックが破壊されたりするといった故障を防止できる。
さらに、AC/DCコンバータの異常動作などが原因でAC/DCコンバータの出力電圧がスタックの出力電圧より高くなってしまったような場合に、スタック切断手段により電源切換え手段とスタックとの接続を遮断するようにすれば、スタックへの電力の流入を防止することができるので、燃料電池発電装置システムの異常動作時の故障被害の拡大を防止することができる。
また、別の本発明の燃料電池発電装置システムは、水素ガスと酸素とを反応させて発電を行うスタックと、アクチュエータまたは制御手段と、系統電源の交流電圧を予め設定された前記スタックの最低出力電圧より低い直流電圧に変換するAC/DCコンバータと、前記アクチュエータまたは制御手段への給電を前記AC/DCコンバータの出力側または前記スタックの出力側のどちらかに切換える電源切換え手段と、前記スタックと前記電源切換え手段との接続を前記スタックの発電開始によりONし前記スタックの発電停止によりOFFするスタック切断手段と、前記電源切換え手段における前記スタック切断手段側の入力と出力との間を前記スタックの発電開始により短絡し前記スタックの発電停止により短絡を解除する短絡手段とを備え、前記電源切換え手段は、前記AC/DCコンバータ側の入力と出力との間と前記スタック切断手段側の入力と前記出力との間の両方に前記出力に向かう方向を順方向とするダイオードがあることを特徴とするものである。
上記構成において、電源切換え手段は、AC/DCコンバータ側の入力と出力との間とスタック切断手段側の入力と出力との間の両方に出力に向かう方向を順方向とするダイオードがあるが、電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間をスタックの発電開始により短絡しスタックの発電停止により短絡を解除する短絡手段を備えているので、電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間が短絡されている時(スタック発電中)は、実質的に先の本発明と同様の構成となり、先の本発明と同様の作用、効果を得ることができる。
また、スタックで発電していない時は、電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間が短絡されておらず、電源切換え手段におけるスタック(スタック切断手段)側の入力と出力との間に前記出力に向かう方向が順方向となるように設けられた逆流防止用のダイオードが有効となるので、スタック切断手段がスタックと電源切換え手段との接続をONした状態のままで接続をOFFしない不具合または故障があった場合(例えば、スタック切断手段が例えばリレーのような部品であって、リレーの接点部分がショート故障してしまった場合)でも、スタックへのAC/DCコンバータ側からの電力の流入を防止することができ、これにより、スタックに逆電圧が印加されることにより、スタックの寿命が縮まったり、スタックが破壊されたりするといった故障を防止できる。
さらに、AC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧を超える異常状態の場合に、短絡手段が、電源切換え手段におけるスタック(スタック切断手段)側の入力と出力との間の短絡を解除するように構成すれば、スタック切断手段がスタックと電源切換え手段との接続をONした状態のままで接続をOFFしない不具合または故障があった場合(例えば、スタック切断手段が例えばリレーのような部品であって、リレーの接点部分がショート故障してしまった場合)でも、スタックへの異常な電力の流入を防止することができるので、燃料電池の発電効率を向上させつつ、かつシステムの異常動作時の(システムの一部品が故障したときの)故障被害の拡大を防止することができる。
本発明の燃料電池発電装置システムは、アクチュエータまたは制御手段にスタック側からの電源供給を行うときは、ダイオードを通さずに給電を行うので、スタックで発電した電力をダイオードでロスさせることなく有効利用できるので、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
また、スタックが発電(予め設定された最低出力電圧以上の発電)をしてから、電源の供給元が商用電源(系統電源)からスタックに切換わるので、システム動作の安定性を保つことができる。
また、スタックが正常にスタックの最低出力電圧以上の電力で発電している場合は、系統電源とAC/DCコンバータとの接続をOFF(遮断)しなくても、スタック側から電力がアクチュエータまたは制御手段に給電されるので、スタックが正常に発電しているときには系統電源側から電力がアクチュエータまたは制御手段に給電されないようにAC/DCコンバータの入力と系統電源との接続を遮断する部品(例えば、継電器(リレー))を設けない構成とすることができ、AC/DCコンバータの入力と系統電源との接続を遮断する部品(例えば、継電器(リレー))の制御も不要となるため、燃料電池発電装置システムの制御が簡単になり、構成が簡単で部品点数が削減できるので、安価でかつ安定動作性を向上させた燃料電池発電装置システムが実現できる。
また、AC/DCコンバータの入力と系統電源との接続を遮断する部品(例えば、継電器(リレー))を省略した場合は、一時的(瞬間的に)にスタックの出力電圧が低下してAC/DCコンバータの出力電圧より低くなっても、電源切換え手段により、アクチュエータまたは制御手段への給電をスタック側から系統電源側に瞬時に自動的に切換えることができるので、燃料電池発電装置システムの安定性が向上する。
また、電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間に逆流防止用のダイオードがなくても、スタックと電源切換え手段との接続をスタックの発電開始によりONしスタックの発電停止によりOFFするスタック切断手段があるので、スタックで発電していない時に、スタックへのAC/DCコンバータ側からの電力の流入を防止することができ、これにより、スタックに逆電圧が印加されることにより、スタックの寿命が縮まったり、スタックが破壊されたりするといった故障を防止できる。
さらに、AC/DCコンバータの異常動作などが原因でAC/DCコンバータの出力電圧がスタックの出力電圧より高くなってしまったような場合に、スタック切断手段により電源切換え手段とスタックとの接続を遮断するようにすれば、スタックへの電力の流入を防止することができるので、燃料電池発電装置システムの異常動作時の故障被害の拡大を防止することができる。
第1の発明は、水素ガスと酸素とを反応させて発電を行うスタックと、アクチュエータまたは制御手段と、系統電源の交流電圧を予め設定された前記スタックの最低出力電圧より低い直流電圧に変換するAC/DCコンバータと、前記アクチュエータまたは制御手段への給電を前記AC/DCコンバータの出力側または前記スタックの出力側のどちらかに切換える電源切換え手段と、前記スタックと前記電源切換え手段との接続を前記スタックの発電開始によりONし前記スタックの発電停止によりOFFするスタック切断手段とを備え、前記電源切換え手段は、前記AC/DCコンバータ側の入力と出力との間には前記入力から前記出力に向かう方向を順方向とするダイオードがあるが前記スタック切断手段側の入力と前記出力との間にはダイオードがないことを特徴とする。
第1の発明における電源切換え手段は、系統電源(AC/DCコンバータ)側の入力と出力との間には逆流防止用のダイオードがあるがスタック(スタック切断手段)側の入力と前記出力との間にはダイオードがないので、スタックが発電を行っていないか、または、スタックの出力電圧がAC/DCコンバータの出力電圧より低いために、系統電源側からアクチュエータまたは制御手段に電源を供給する場合は、ダイオードを介して給電することになるが、スタックの出力電圧がAC/DCコンバータの出力電圧より高くなって、スタック側からアクチュエータまたは制御手段に電源を供給する場合は、ダイオードを介さずに給電することで、スタックが発電(予め設定された最低出力電圧以上の発電)をしてから、電源の供給元を商用電源からスタックに切換えるので、システム動作の安定性を保つことができ、2つの電源供給経路からアクチュエータまたは制御手段に電源を供給する構成を保ちつつ、スタック側からアクチュエータまたは制御手段に電源を供給する場合は、ダイオードのロス分を無くすことができるので、スタックの発電電力を有効利用することができ、燃料電池発電装置システムの発電効率を向上させることができる。
また、スタックが発電(予め設定された最低出力電圧以上の発電)をしてから、電源の供給元が商用電源(系統電源)からスタックに切換わるので、システム動作の安定性を保つことができる。
また、電源切換え手段において、系統電源(AC/DCコンバータ)側の入力と出力との間には前記入力から前記出力に向かう方向を順方向とする逆流防止用のダイオードがあり、AC/DCコンバータは、系統電源の交流電圧をスタックの最低出力電圧より低い直流電圧に変換するものであるので、スタックが正常にスタックの最低出力電圧以上の電力で発電している場合は、系統電源とAC/DCコンバータとの接続をOFF(遮断)しなくても、必ずスタック側から電力がアクチュエータまたは制御手段に給電されるので、スタックが正常に発電しているときには系統電源側から電力がアクチュエータまたは制御手段に給電されないようにAC/DCコンバータの入力と系統電源との接続を遮断する部品(例えば、継電器(リレー))を設けない構成とすることができ、AC/DCコンバータの入力と系統電源との接続を遮断する部品(例えば、継電器(リレー))の制御も不要となるため、燃料電池発電装置システムの制御が簡単になり、構成が簡単で部品点数が削減できるので、安価でかつ安定動作性を向上させた燃料電池発電装置システムが実現できる。
また、AC/DCコンバータの入力と系統電源との接続を遮断する部品(例えば、継電器(リレー))を省略した場合は、一時的(瞬間的に)にスタックの出力電圧が低下してAC/DCコンバータの出力電圧より低くなっても、電源切換え手段により、アクチュエータまたは制御手段への給電をスタック側から系統電源側に瞬時に自動的に切換えることができるので、燃料電池発電装置システムの安定性が向上する。
また、電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間に逆流防止用のダイオードがなくても、スタックと電源切換え手段との接続をスタックの発電開始によりONしスタックの発電停止によりOFFするスタック切断手段があるので、スタックで発電していない時に、スタックへのAC/DCコンバータ側からの電力の流入を防止することができ、これにより、スタックに逆電圧が印加されることにより、スタックの寿命が縮まったり、スタックが破壊されたりするといった故障を防止できる。
さらに、AC/DCコンバータの異常動作などが原因でAC/DCコンバータの出力電圧がスタックの出力電圧より高くなってしまったような場合に、スタック切断手段により電源切換え手段とスタックとの接続を遮断するようにすれば、スタックへの電力の流入を防止することができるので、燃料電池発電装置システムの異常動作時の故障被害の拡大を防止することができる。
第2の発明は、水素ガスと酸素とを反応させて発電を行うスタックと、アクチュエータまたは制御手段と、系統電源の交流電圧を予め設定された前記スタックの最低出力電圧より低い直流電圧に変換するAC/DCコンバータと、前記アクチュエータまたは制御手段への給電を前記AC/DCコンバータの出力側または前記スタックの出力側のどちらかに切換える電源切換え手段と、前記スタックと前記電源切換え手段との接続を前記スタックの発電開始によりONし前記スタックの発電停止によりOFFするスタック切断手段と、前記電源切換え手段における前記スタック切断手段側の入力と出力との間を前記スタックの発電開始により短絡し前記スタックの発電停止により短絡を解除する短絡手段とを備え、前記電源切換え手段は、前記AC/DCコンバータ側の入力と出力との間と前記スタック切断手段側の入力と前記出力との間の両方に前記出力に向かう方向を順方向とするダイオードがあることを特徴とする。
第2の発明における電源切換え手段は、系統電源(AC/DCコンバータ)側の入力と出力との間と、スタック(スタック切断手段)側の入力と前記出力との間の両方に前記出力に向かう方向を順方向とする逆流防止用のダイオードがある、いわゆるダイオードオアであるが、電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間をスタックの発電開始により短絡しスタックの発電停止により短絡を解除する短絡手段を備えているので、電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間が短絡されている時(スタック発電中)は、実質的に第1の本発明と同様の構成となり、第1の本発明と同様の作用、効果を得ることができる。
また、スタックで発電していない時は、電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間が短絡されておらず、電源切換え手段におけるスタック(スタック切断手段)側の入力と出力との間に前記出力に向かう方向が順方向となるように設けられた逆流防止用のダイオードが有効となるので、スタック切断手段がスタックと電源切換え手段との接続をONした状態のままで接続をOFFしない不具合または故障があった場合(例えば、スタック切断手段が例えばリレーのような部品であって、リレーの接点部分がショート故障してしまった場合)でも、スタックへのAC/DCコンバータ側からの電力の流入を防止することができ、これにより、スタックに逆電圧が印加されることにより、スタックの寿命が縮まったり、スタックが破壊されたりするといった故障を防止できる。
さらに、AC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧を超える異常状態の場合に、短絡手段が、電源切換え手段におけるスタック(スタック切断手段)側の入力と出力との間の短絡を解除するように構成すれば、スタック切断手段がスタックと電源切換え手段との接続をONした状態のままで接続をOFFしない不具合または故障があった場合(例えば、スタック切断手段が例えばリレーのような部品であって、リレーの接点部分がショート故障してしまった場合)でも、スタックへの異常な電力の流入を防止することができるので、燃料電池の発電効率を向上させつつ、かつシステムの異常動作時の(システムの一部品が故障したときの)故障被害の拡大を防止することができる。
第3の発明は、第2の発明において、短絡手段が、スタックの発電中にAC/DCコンバータの出力電圧が正常時より高く前記スタックの最低出力電圧以下の所定電圧を超える電圧になると電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間の短絡を解除することを特徴とする。
これにより、例えば、AC/DCコンバータの出力電圧を計測するAC/DC出力電圧計測手段を設けて短絡手段と接続し、スタックの発電中で、且つ、AC/DC出力電圧計測手段が計測したAC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧以下のとき(平常時)は、短絡手段が電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間を短絡しており、スタックの発電中で、且つ、AC/DC出力電圧計測手段が計測したAC/DCコンバータの出力電圧が正常時より高くスタックの最低出力電圧以下の所定電圧を超える電圧になる(異常が発生する)と、短絡手段が電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間の短絡を解除(遮断)することにより、短絡手段を適切に自動開閉動作させることができ、AC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧以下の平常時で、スタックの出力電圧がAC/DCコンバータの出力電圧より高い場合は、スタック切断手段がスタックと電源切換え手段とを接続しているので、スタック側からアクチュエータまたは制御手段に電源を供給することができ、この場合、短絡手段が短絡状態であるので、ダイオードのロス分を無くすことができ、スタックの発電中にAC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧を超える異常が発生すると、短絡手段が短絡を解除(遮断)して、スタック切断手段がスタックと電源切換え手段との接続をONした状態のままで接続をOFFしない不具合または故障があった場合(例えば、スタック切断手段が例えばリレーのような部品であって、リレーの接点部分がショート故障してしまった場合)でも、スタックへの異常な電力の流入を防止することができる。
また、AC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧を超える電圧から、所定電圧以下に戻った場合に、所定条件を満たせば(例えば、AC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧を超える異常が、一時的なもので、すぐに、AC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧以下に戻った場合や、AC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧を超えたが、超えた電圧値が比較的小さい場合)、短絡手段がスタック切断手段側の入力と出力との間を再び短絡するように構成すれば、短絡手段が元の短絡状態に戻ることにより、スタック側からアクチュエータまたは制御手段に電源を供給する時にダイオードのロス分を無くすことができる。
第4の発明は、第1から3のいずれかの発明において、スタック切断手段が、スタックの発電中にAC/DCコンバータの出力電圧が正常時より高く前記スタックの最低出力電圧以下の所定電圧を超える電圧になると前記スタックと電源切換え手段との接続をOFFすることを特徴とする。
これにより、例えば、AC/DCコンバータの出力電圧を計測するAC/DC出力電圧計測手段を設けてスタック切断手段と接続し、スタックの発電中で、且つ、AC/DC出力電圧計測手段が計測したAC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧以下のとき(平常時)に、スタック切断手段がスタックと電源切換え手段とを接続しており、スタックの発電中で、且つ、AC/DC出力電圧計測手段が計測したAC/DCコンバータの出力電圧が正常時より高くスタックの最低出力電圧以下の所定電圧を超える電圧になる(異常が発生する)と、スタック切断手段がスタックと電源切換え手段との接続を遮断(OFF)することにより、スタック切断手段を適切に自動開閉動作させることができ、AC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧以下の平常時に、スタックの出力電圧がAC/DCコンバータの出力電圧より高い場合は、スタック切断手段がスタックと電源切換え手段とを接続しているので、スタック側からアクチュエータまたは制御手段に電源を供給することができ、スタック側からアクチュエータまたは制御手段に電源を供給している最中に、異常が発生してAC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧を超えると、スタック切断手段がスタックと電源切換え手段との接続を遮断(OFF)して、AC/DCコンバータの出力電圧がスタックの出力電圧より高くなった場合でも、スタックへの異常な電力の流入を防止することができ、燃料電池発電装置システムの異常動作時の故障被害の拡大を防止することができる。
また、AC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧を超える電圧から、所定電圧以下に戻った場合に、所定条件を満たせば(例えば、AC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧を超える異常が、一時的なもので、すぐに、AC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧以下に戻った場合や、AC/DCコンバータの出力電圧が所定電圧を超えたが、超えた電圧値が比較的小さい場合)に、スタック切断手段がスタックと電源切換え手段とを再び接続するように構成すれば、再び、スタック側からアクチュエータまたは制御手段に電源を供給することができる。
第5の発明は、水素ガスと酸素とを反応させて発電を行うスタックと、アクチュエータまたは制御手段と、系統電源の交流電圧を直流電圧に変換するAC/DCコンバータと、前記アクチュエータまたは制御手段への給電を前記AC/DCコンバータの出力側または前記スタックの出力側のどちらかに切換える電源切換え手段と、前記系統電源と前記AC/DCコンバータとの接続を前記スタックが発電を開始する前にONし前記スタックが最低出力電圧以上の発電を開始するとOFFする系統切断手段と、前記AC/DCコンバータの出力電圧を計測して前記系統切断手段の状態を検知するAC/DC出力電圧計測手段と、前記スタックと前記電源切換え手段との接続を前記系統切断手段がOFFになったことを前記AC/DC出力電圧計測手段が検知するとONし前記系統切断手段がONになったことを前記AC/DC出力電圧計測手段が検知するとOFFするスタック切断手段と、前記電源切換え手段における前記スタック切断手段側の入力と出力との間を前記系統切断手段がOFFになったことを前記AC/DC出力電圧計測手段が検知すると短絡し前記系統切断手段がONになったことを前記AC/DC出力電圧計測手段が検知すると短絡を解除する短絡手段とを備え、前記電源切換え手段は、前記AC/DCコンバータ側の入力と出力との間と前記スタック切断手段側の入力と前記出力との間の両方に前記出力に向かう方向を順方向とするダイオードがあることを特徴とする。
上記構成において、スタックが発電を開始する前に系統切断手段をONすると、AC/DCコンバータが、系統電源の交流電圧を直流電圧に変換し、AC/DCコンバータの出力は電源切換え手段を経由してアクチュエータまたは制御手段に送られ、アクチュエータまたは制御手段は電源切換え手段を介してAC/DCコンバータの出力側から電力の供給を受ける。この時、AC/DCコンバータの出力電圧を基に系統切断手段がONになったことをAC/DC出力電圧計測手段が検知することにより、スタック切断手段はスタックと電源切換え手段との接続をOFFしており、短絡手段は電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間を短絡していないので、スタックへのAC/DCコンバータ側からの電力の流入を防止することができ、これにより、スタックに逆電圧が印加されることにより、スタックの寿命が縮まったり、スタックが破壊されたりするといった故障を防止できる。
この時、短絡手段に不具合または故障があって短絡状態であったとしても、スタック切断手段はスタックと電源切換え手段との接続をOFFしていれば、スタックへのAC/DCコンバータ側からの電力の流入を防止することができ、逆に、スタック切断手段に不具合または故障があってタックと電源切換え手段との接続がON状態であったとしても、短絡手段が電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間を短絡していなければ、電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間のダイオードがスタック側への逆流を防止するので、スタックへのAC/DCコンバータ側からの電力の流入を防止できる。
スタックが最低出力電圧以上の発電を開始したら、系統切断手段が系統電源とAC/DCコンバータとの接続をOFFする。系統切断手段のOFFによりAC/DCコンバータの入力を切断すると、AC/DCコンバータの出力がオフになり、AC/DCコンバータの出力電圧を基に系統切断手段がOFFになったことをAC/DC出力電圧計測手段が検知すると、スタック切断手段はスタックと電源切換え手段との接続をONし、短絡手段は電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間を短絡するので、スタックの出力は電源切換え手段(のダイオード)を経由しない代わりに短絡手段を経由してアクチュエータまたは制御手段に送られる。
このように、スタック側からアクチュエータまたは制御手段に電源を供給する場合は、ダイオードのロス分を無くすことができるので、スタックの発電電力を有効利用することができ、燃料電池発電装置システムの発電効率を向上させることができる。
また、スタック側からアクチュエータまたは制御手段に電源を供給する場合は、系統切断手段が系統電源とAC/DCコンバータとの接続をOFFしているので、発電中のスタックへのAC/DCコンバータ側からの電力の流入を防止することができる。
第6の発明は、第1から5のいずれかの発明において、電源切換え手段とアクチュエータまたは制御手段との間にスタックまたはAC/DCコンバータからの出力電圧を所定の電圧に変えて前記アクチュエータまたは制御手段に電力を給電するDC/DCコンバータを備えたことを特徴とする。
これにより、アクチュエータまたは制御手段に、スタックの出力側から電力を供給する場合と、AC/DCコンバータの出力側から電力を供給する場合とで、電源切換え手段の出力側の電圧が異なることによる不具合、または、スタックの出力側から電力を供給する場合で、スタックの出力電力が変動することにより不具合、または、AC/DCコンバータの出力側から電力を供給する場合で、AC/DCコンバータの出力電圧が変動することによる不具合を、DC/DCコンバータにより解消でき、アクチュエータまたは制御手段に安定した電圧で給電することができる。
以下、本発明の燃料電池発電装置システムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池発電装置システムの構成図の例を示すものである。
図1に示すように、本実施の形態の燃料電池発電装置システムは、水素ガスと酸素とを反応させて発電を行うスタック3と、ガスや水の流路を切換える弁やヒータなどのアクチュエータ(または制御手段)5と、系統電源(商用電源)6の交流電圧を予め設定されたスタック3の最低出力電圧より低い直流電圧に変換するAC/DCコンバータ1と、アクチュエータまたは制御手段5への給電をAC/DCコンバータ1の出力側またはスタック3の出力側のどちらかに切換える電源切換え手段4aと、スタック3と電源切換え手段4aとの接続をスタック3の発電開始によりONしスタック3の発電停止によりOFFするスタック切断手段2とを備える。
電源切換え手段4aは、AC/DCコンバータ1側の入力と出力との間には入力から出力に向かう方向を順方向とするダイオードがあるがスタック切断手段2側の入力と出力との間にはダイオードがない構成となっている。
次に、本実施の形態の燃料電池発電装置システムの動作について、説明する。
ここでは説明のためにスタック3の最低出力電圧を15V、AC/DCコンバータ1の出力電圧の設定を12Vとして説明する。
燃料電池発電装置システムは、利用者により発電ONの操作がされた場合と、燃料電池発電装置システムの学習モードにより、利用者が頻繁に燃料電池発電装置システムを利用する時間帯になった場合に、起動を開始する。
燃料電池発電装置システムのスタック3が発電していない状態では、燃料電池発電装置システム内の弁やポンプなどのアクチュエータまたは制御手段5の駆動電源は、系統電源6の交流の電圧がAC/DCコンバータ1によって直流の電圧に変換され電源切換え手段4aを介して給電される。
このとき、電源切換え手段4aはスタック発電時のダイオードの順方向電圧のロスをなくすため、AC/DCコンバータ1からの入力とアクチュエータ(または制御手段)5への出力との間にはダイオードがあるが、スタック切断手段2からの入力とアクチュエータ(または制御手段)5への出力との間にはダイオードがない構成としている。
よって、燃料電池発電装置システムの起動中に、アクチュエータ(または制御手段)5の駆動電源を、AC/DCコンバータ1によって給電しているときは、AC/DCコンバータ1の出力電圧はスタック3側に流れ込む。
このような状態では、スタック3に逆電圧が印加され、スタック3の寿命が縮まったり、スタック3が破壊されたりするといった故障の原因となる。そのため燃料電池発電装置システムが発電していない時は、スタック3への逆電圧印加を防止するために、スタック切断手段2によりスタック3を切離しておく。
そして燃料電池発電装置システムが発電可能状態になると、スタック3からの給電が可能な状態になる。燃料電池発電装置システムは、自己発電しているシステムであるので、システム内の弁やポンプといったアクチュエータ(または制御手段)5の駆動電源は、自己発電したスタック3から給電することが発電効率を高める有効な手段である。
よって発電が開始すると、スタック切断手段2によりスタック3とアクチュエータ(または制御手段)5の駆動電源供給経路を接続し、給電可能な状態とする。
スタック3と駆動電源供給経路を接続すれば、前述したように、本実施の形態の燃料電池発電装置システムは、例としてスタック3の最低出力電圧を15V、AC/DCコンバータ1の出力電圧の設定を12Vと設定しているので、発電が開始すると必ず電圧が高いスタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5の電源が供給される。
このように、アクチュエータ(または制御手段)5の駆動電源を、系統電源6の交流電圧をAC/DCコンバータ1により直流電圧に変換し供給する場合と、スタック3から供給する場合を切換えて動作させるシステムにおいて、AC/DCコンバータ1の出力電圧をスタック3の最低出力電圧より低い設定電圧にすることで、AC/DCコンバータ1の入力側に系統電源6とを切離してAC/DCコンバータ1の出力をオフするようなリレーなどの部品を用いることなく、発電時はスタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5の電源供給を行うことができるので、部品点数の削減ができ、安価な電源切換え構成を実現でき、かつ、部品点数が少なくなるため、システムの安定動作性を高めることができる。
また、系統電源6側からアクチュエータ(または制御手段)5の電源を供給する場合は、AC/DCコンバータ1の出力にダイオードを介すが、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5の電源を供給する場合は、ダイオードを介さずに給電することで、2つの電源供給経路からアクチュエータ(または制御手段)5の電源を供給する構成を保ちつつ、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5の電源を供給する場合はダイオードのロス分を無くすことができるので、スタック3の発電電力を有効利用することができ、燃料電池発電装置システムの発電効率を向上させることができる。
以上のように本実施の形態の燃料電池発電装置システムは、水素ガスと酸素とを反応させて発電を行うスタック3と、アクチュエータまたは制御手段5と、系統電源6の交流電圧を予め設定されたスタック3の最低出力電圧(15V)より低い直流電圧(12V)に変換するAC/DCコンバータ1と、アクチュエータまたは制御手段5への給電をAC/DCコンバータ1の出力側またはスタック3の出力側のどちらかに切換える電源切換え手段4aと、スタック3と電源切換え手段4aとの接続をスタック3の発電開始によりONしスタック3の発電停止によりOFFするスタック切断手段2とを備え、電源切換え手段4aは、AC/DCコンバータ1側の入力と出力との間には入力から出力に向かう方向を順方向とするダイオードがあるがスタック切断手段2側の入力と出力との間にはダイオードがない構成となっている。
本実施の形態の燃料電池発電装置システムにおける電源切換え手段4aは、系統電源6(AC/DCコンバータ1)側の入力と出力との間には逆流防止用のダイオードがあるがスタック3(スタック切断手段2)側の入力と出力との間にはダイオードがないので、スタック3が発電を行っていないか、または、スタック3の出力電圧がAC/DCコンバータ1の出力電圧(12V)より低いために、系統電源6側からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給する場合は、ダイオードを介して給電することになるが、スタック3の出力電圧がAC/DCコンバータ1の出力電圧(12V)より高い15V以上になって、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給する場合は、ダイオードを介さずに給電することで、スタック3が発電(予め設定された最低出力電圧(15V)以上の発電)をしてから、電源の供給元を系統電源(商用電源)6からスタック3に切換えるので、システム動作の安定性を保つことができ、2つの電源供給経路からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給する構成を保ちつつ、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給する場合は、ダイオードのロス分を無くすことができるので、スタック3の発電電力を有効利用することができ、燃料電池発電装置システムの発電効率を向上させることができる。
また、スタック3が発電(予め設定された最低出力電圧(15V)以上の発電)をしてから、電源の供給元が系統電源(商用電源)6からスタック3に切換わるので、システム動作の安定性を保つことができる。
また、電源切換え手段4aにおいて、系統電源6(AC/DCコンバータ1)側の入力と出力との間には入力から出力に向かう方向を順方向とする逆流防止用のダイオードがあり、AC/DCコンバータ1は、系統電源6の交流電圧をスタック3の最低出力電圧(15V)より低い直流電圧(12V)に変換するものであるので、スタック3が正常にスタック3の最低出力電圧(15V)上の電力で発電している場合は、系統電源6とAC/DCコンバータ1との接続をOFF(遮断)しなくても、必ずスタック3側から電力がアクチュエータ(または制御手段)5に給電されるので、スタック3が正常に発電しているときには系統電源6側から電力がアクチュエータ(または制御手段)5に給電されないようにAC/DCコンバータ1の入力と系統電源6との接続を遮断する部品(例えば、継電器(リレー))を設けない構成とすることができ、AC/DCコンバータ1の入力と系統電源6との接続を遮断する部品(例えば、継電器(リレー))の制御も不要となるため、燃料電池発電装置システムの制御が簡単になり、構成が簡単で部品点数が削減できるので、安価でかつ安定動作性を向上させた燃料電池発電装置システムが実現できる。
また、AC/DCコンバータ1の入力と系統電源6との接続を遮断する部品(例えば、継電器(リレー))を省略した場合は、一時的(瞬間的に)にスタック3の出力電圧が低下してAC/DCコンバータ1の出力電圧(12V)より低くなっても、電源切換え手段4aにより、アクチュエータ(または制御手段)5への給電をスタック3側から系統電源6側に瞬時に自動的に切換えることができるので、燃料電池発電装置システムの安定性が向上する。
また、電源切換え手段4aにおけるスタック切断手段2側の入力と出力との間に逆流防止用のダイオードがなくても、スタック3と電源切換え手段4aとの接続をスタック3の発電開始によりONしスタック3の発電停止によりOFFするスタック切断手段2があるので、スタック3で発電していない時に、スタック3へのAC/DCコンバータ1側からの電力の流入を防止することができ、これにより、スタック3に逆電圧が印加されることにより、スタック3の寿命が縮まったり、スタック3が破壊されたりするといった故障を防止できる。
さらに、AC/DCコンバータ1の異常動作などが原因でAC/DCコンバータ1の出力電圧がスタック3の出力電圧(15V以上)より高くなってしまったような場合に、スタック切断手段2により電源切換え手段4aとスタック3との接続を遮断するようにすれば、スタック3への電力の流入を防止することができるので、燃料電池発電装置システムの異常動作時の故障被害の拡大を防止することができる。
(実施の形態2)
図2は、本発明の実施の形態2における燃料電池発電装置システムの構成図の例を示すものである。
本実施の形態は、実施の形態1における燃料電池発電装置システムの構成において、スタック切断手段2が、スタック3の発電中にAC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時より高くスタック3の最低出力電圧以下の所定電圧を超える電圧になると、スタック3と電源切換え手段4aとの接続をOFFするように構成したものである。
具体的には、本実施の形態は、実施の形態1における燃料電池発電装置システムの構成に、AC/DCコンバータ1の出力電圧を計測(モニタ)するAC/DC出力電圧計測手段7を設けてスタック切断手段2と接続し、スタック3の発電中で、且つ、AC/DC出力電圧計測手段7が計測したAC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時の12Vより高くスタック3の最低出力電圧(15V)以下の所定電圧(例えば15V)以下のとき(平常時)は、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4aとを接続しており、スタック3の発電中で、且つ、AC/DC出力電圧計測手段7が計測したAC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時の12Vより高くスタック3の最低出力電圧(15V)以下の所定電圧(例えば15V)を超える電圧になる(異常が発生する)と、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4aとの接続を遮断(OFF)する構成になっている。
その他の構成と動作は、実施の形態1における燃料電池発電装置システムと同様であるので、説明は省略する。
例えば、AC/DCコンバータ1の出力電圧を12V、スタック3の最低出力電圧を15Vと設定しているような場合でも、AC/DCコンバータ1内の電圧フィードバック回路の故障や不具合などにより、AC/DCコンバータ1の出力電圧がスタック電圧より高くなってしまう場合が考えられる。
このとき、本実施の形態の燃料電池発電装置システムの構成では、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5の電源を供給する場合はダイオードを介さずに給電する構成になっているため、スタック切断手段2が、スタック3と電源切換え手段4aとの接続をONした状態を維持していれば、AC/DCコンバータ1の出力電圧がスタック3側に逆流することになる。このような状態になると、スタック3に逆電圧が印加される形となり、スタック3の寿命が縮まったり、スタック3が破壊したりするといった故障の原因となる。
本実施の形態の燃料電池発電装置システムでは、スタック3の発電中にAC/DCコンバータ1の出力電圧をAC/DC出力電圧計測手段7でモニタし、出力電圧が所定の電圧、例えばスタック3の最低出力電圧(15V)と同じ電圧を超える電圧になると、スタック切断手段2によりスタック3とアクチュエータ駆動用の電源経路を切断することで逆電圧の印加を防止することができる。
本実施の形態では、スタック3の発電中にスタック切断手段2が切断動作するAC/DCコンバータ1の出力電圧を15Vとしたが、12Vを超えるが15V未満の電圧にしても構わない。
このように、スタック発電時にはダイオードを介さずにアクチュエータ(または制御手段)5に駆動用電源を給電することで発電効率を高めるシステムとしながら、スタック3の発電中にAC/DCコンバータ1の出力電圧を計測し、AC/DCコンバータ1の出力電圧に異常があれば(15Vを超える電圧になれば)、スタック切断手段2によりスタック3とアクチュエータ駆動用の電源経路を切断することで、AC/DCコンバータ1の故障時にもスタック3の寿命低下や故障といった拡大被害を防止することができるので、システムの信頼性向上を実現することができる。
以上のように本実施の形態は、実施の形態1における燃料電池発電装置システムの構成に、AC/DCコンバータ1の出力電圧を計測(モニタ)するAC/DC出力電圧計測手段7を設けてスタック切断手段2と接続し、スタック3の発電中で、且つ、AC/DC出力電圧計測手段7が計測したAC/DCコンバータ1の出力電圧が所定電圧(正常時の出力電圧の12Vより高くスタック3の最低出力電圧である15V以下の所定電圧)以下のとき(平常時)に、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4aとを接続しており、スタック3の発電中で、且つ、AC/DC出力電圧計測手段7が計測したAC/DCコンバータ1の出力電圧が所定電圧(正常時の出力電圧の12Vより高くスタック3の最低出力電圧である15V以下の所定電圧)を超える電圧になる(異常が発生する)と、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4aとの接続を遮断(OFF)するように構成したものである。
これにより、スタック3の発電中にスタック切断手段2を適切に自動開閉動作させることができ、AC/DCコンバータ1の出力電圧が所定電圧(例えば15V)以下の平常時に、スタック3の出力電圧がAC/DCコンバータ1の出力電圧より高い場合は、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4aとを接続しているので、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給することができ、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給している最中に、異常が発生してAC/DCコンバータ1の出力電圧が所定電圧(例えば15V)を超える電圧になると、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4aとの接続を遮断(OFF)して、AC/DCコンバータ1の出力電圧がスタック3の出力電圧より高くなった場合でも、スタック3への異常な電力の流入を防止することができ、燃料電池発電装置システムの異常動作時の故障被害の拡大を防止することができる。
また、AC/DCコンバータ1の出力電圧が所定電圧(例えば15V)を超える電圧から、所定電圧(例えば15V)以下に戻った場合に、所定条件を満たせば(例えば、AC/DCコンバータ1の出力電圧が所定電圧(例えば15V)を超える異常が、一時的なもので、すぐに、AC/DCコンバータ1の出力電圧が所定電圧(例えば15V)以下の12Vに戻った場合や、AC/DCコンバータ1の出力電圧が所定電圧(例えば15V)を超えたが、超えた電圧値が比較的小さい場合)に、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4aとを再び接続するように構成すれば、再び、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給することができる。
(実施の形態3)
図3は、本発明の実施の形態3における燃料電池発電装置システムの構成図の例を示すものである。
本実施の形態は、実施の形態2の燃料電池発電装置システムの構成における、電源切換え手段4aとアクチュエータ(または制御手段)5との間に、スタック3またはAC/DCコンバータ1からの出力電圧を所定の電圧(例えば24V、12V、5V)に変えてアクチュエータ(または制御手段)5に電力を給電するDC/DCコンバータ8を備えたものである。その他の構成と動作は、実施の形態2における燃料電池発電装置システムと同様であるので、説明は省略する。
本実施の形態では、アクチュエータ(または制御手段)5に、スタック3の出力側から電力を供給する場合と、AC/DCコンバータ1の出力側から電力を供給する場合とで、電源切換え手段4aの出力側の電圧が異なることによる不具合、または、スタック3の出力側から電力を供給する場合で、スタック3の出力電力が変動することにより不具合、または、AC/DCコンバータ1の出力側から電力を供給する場合で、AC/DCコンバータ1の出力電圧が変動することによる不具合を、DC/DCコンバータ8により解消でき、アクチュエータ(または制御手段)5に安定した電圧で給電することができる。
本実施の形態は、実施の形態2の燃料電池発電装置システムの構成における、電源切換え手段4aとアクチュエータ(または制御手段)5との間に、DC/DCコンバータ8を備えたものであるが、実施の形態1の燃料電池発電装置システムの構成における、電源切換え手段4aとアクチュエータ(または制御手段)5との間に、DC/DCコンバータ8を備えても構わない。
(実施の形態4)
図4は、本発明の実施の形態4における燃料電池発電装置システムの構成図の例を示すものである。
本実施の形態は、実施の形態1における燃料電池発電装置システムの構成において、電源切換え手段4aの代わりに、AC/DCコンバータ1側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間とスタック切断手段2側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間の両方に出力に向かう方向を順方向とするダイオードがあるダイオードオアの構成の電源切換え手段4bを設けると共に、電源切換え手段4bにおけるスタック切断手段2側の入力と出力との間をスタック3の発電開始により短絡しスタック3の発電停止により短絡を解除する短絡手段9を設けたものである。
その他の構成と動作は、実施の形態1における燃料電池発電装置システムと同様であるので、説明は省略する。
本実施の形態では、電源切換え手段4bを、系統電源6(またはAC/DCコンバータ1)側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間と、スタック3(またはスタック切断手段2)側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間の両方に出力に向かう方向を順方向とする逆流防止用のダイオードがある、いわゆるダイオードオアの構成としたが、電源切換え手段4bにおけるスタック切断手段2側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間をスタック3の発電開始により短絡しスタック3の発電停止により短絡を解除(遮断)する短絡手段9を備えているので、電源切換え手段4bにおけるスタック切断手段2側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間が短絡されている時(スタック発電中)は、実質的に実施の形態1と同様の構成となり、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5の電源を供給している場合に、スタック3の電力がダイオードロスの分だけ効率を低下させるような問題はなく、実施の形態1と同様の作用、効果を得ることができる。
また、スタック3で発電していない時は、電源切換え手段4bにおけるスタック切断手段2側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間が短絡されておらず、電源切換え手段4bにおけるスタック3(またはスタック切断手段2)側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間にアクチュエータ(または制御手段)5側への出力に向かう方向が順方向となるように設けられた逆流防止用のダイオードが有効となるので、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4bとの接続をONした状態のままで接続をOFFしない不具合または故障があった場合(例えば、スタック切断手段2が例えばリレーのような部品であって、リレーの接点部分がショート故障してしまった場合)でも、スタック3へのAC/DCコンバータ1側からの電力の流入を防止することができ、これにより、スタック3に逆電圧が印加されることにより、スタック3の寿命が縮まったり、スタック3が破壊されたりするといった故障を防止できる。
さらに、AC/DCコンバータ1の出力電圧が所定電圧(正常時の出力電圧の12Vより高くスタック3の最低出力電圧である15V以下の所定電圧)を超える異常状態の場合に、短絡手段9が、電源切換え手段4bにおけるスタック3(またはスタック切断手段2)側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間の短絡を解除するように構成すれば、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4bとの接続をONした状態のままで接続をOFFしない不具合または故障があった場合(例えば、スタック切断手段2が例えばリレーのような部品であって、リレーの接点部分がショート故障してしまった場合)でも、スタック3への異常な電力の流入を防止することができるので、燃料電池の発電効率を向上させつつ、かつシステムの異常動作時の(システムの一部品が故障したときの)故障被害の拡大を防止することができる。
(実施の形態5)
図5は、本発明の実施の形態5における燃料電池発電装置システムの構成図の例を示すものである。
本実施の形態は、実施の形態4における燃料電池発電装置システムの構成において、短絡手段9が、スタック3の発電中にAC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時より高くスタック3の最低出力電圧以下の所定電圧を超える電圧になると、電源切換え手段4bにおけるスタック切断手段2側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間の短絡を解除するように構成したものである。
具体的には、本実施の形態は、実施の形態4における燃料電池発電装置システムの構成に、AC/DCコンバータ1の出力電圧を計測(モニタ)するAC/DC出力電圧計測手段7を設けて短絡手段が9と接続し、スタック3の発電中で、且つ、AC/DC出力電圧計測手段7が計測したAC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時の12Vより高くスタック3の最低出力電圧(15V)以下の所定電圧(例えば15V)以下のとき(平常時)は、短絡手段9が電源切換え手段4bにおけるスタック切断手段2側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間を短絡しており、スタック3の発電中で、且つ、AC/DC出力電圧計測手段7が計測したAC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時の12Vより高くスタック3の最低出力電圧(15V)以下の所定電圧(例えば15V)を超える電圧になる(異常が発生する)と、短絡手段9が電源切換え手段4bにおけるスタック切断手段2側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間の短絡を解除(遮断)する構成になっている。
その他の構成と動作は、実施の形態4における燃料電池発電装置システムと同様であるので、説明は省略する。
上記構成により、スタック3の発電中に短絡手段9を適切に自動開閉動作させることができ、AC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時の12Vより高くスタック3の最低出力電圧(15V)以下の所定電圧(例えば15V)以下の平常時で、スタック3の出力電圧がAC/DCコンバータ1の出力電圧より高い場合は、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4bとを接続しているので、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給することができ、この場合、短絡手段9が短絡状態であるので、ダイオードのロス分を無くすことができ、スタック3の発電中にAC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時の12Vより高くスタック3の最低出力電圧(15V)以下の所定電圧(例えば15V)を超える異常が発生すると、短絡手段9が短絡を解除(遮断)して、電源切換え手段4bにおけるスタック3(またはスタック切断手段2)側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間にアクチュエータ(または制御手段)5側への出力に向かう方向が順方向となるように設けられた逆流防止用のダイオードが有効となるので、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4bとの接続をONした状態のままで接続をOFFしない不具合または故障があった場合(例えば、スタック切断手段2が例えばリレーのような部品であって、リレーの接点部分がショート故障してしまった場合)でも、スタック3への異常な電力の流入を防止することができる。
また、AC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時の12Vより高くスタック3の最低出力電圧(15V)以下の所定電圧(例えば15V)を超える電圧から、所定電圧(例えば15V)以下に戻った場合に、所定条件を満たせば(例えば、AC/DCコンバータ1の出力電圧が所定電圧を超える異常が、一時的なもので、すぐに、AC/DCコンバータ1の出力電圧が所定電圧以下に戻った場合や、AC/DCコンバータ1の出力電圧が所定電圧を超えたが、超えた電圧値が比較的小さい場合)は、短絡手段9がスタック切断手段2側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間を再び短絡するように構成すれば、短絡手段9が元の短絡状態に戻ることにより、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給する時にダイオードのロス分を無くすことができる。
(実施の形態6)
図6は、本発明の実施の形態6における燃料電池発電装置システムの構成図の例を示すものである。
本実施の形態は、実施の形態5における燃料電池発電装置システムの構成において、スタック切断手段2が、スタック3の発電中にAC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時より高くスタック3の最低出力電圧以下の所定電圧を超える電圧になると、スタック3と電源切換え手段4bとの接続をOFFするように構成したものである。
具体的には、本実施の形態は、実施の形態5の燃料電池発電装置システムの構成におけるAC/DC出力電圧計測手段7を短絡手段9とスタック切断手段2の両方に接続し、スタック3の発電中で、且つ、AC/DC出力電圧計測手段7が計測したAC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時の12Vより高くスタック3の最低出力電圧(15V)以下の所定電圧(例えば15V)以下のとき(平常時)は、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4bとを接続しており、短絡手段9が電源切換え手段4bにおけるスタック切断手段2側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間を短絡しており、スタック3の発電中で、且つ、AC/DC出力電圧計測手段7が計測したAC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時の12Vより高くスタック3の最低出力電圧(15V)以下の所定電圧(例えば15V)を超える電圧になる(異常が発生する)と、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4bとの接続を遮断(OFF)し、短絡手段9が電源切換え手段4bにおけるスタック切断手段2側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間の短絡を解除(遮断)する構成になっている。
その他の構成と動作は、実施の形態4または実施の形態5における燃料電池発電装置システムと同様であるので、説明は省略する。
上記構成により、スタック3の発電中に短絡手段9とスタック切断手段2の両方を適切に自動開閉動作させることができ、AC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時の12Vより高くスタック3の最低出力電圧(15V)以下の所定電圧(例えば15V)以下の平常時で、スタック3の出力電圧がAC/DCコンバータ1の出力電圧より高い場合は、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4bとを接続しているので、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給することができ、この場合、短絡手段9が短絡状態であるので、ダイオードのロス分を無くすことができる。
また、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給している最中に、AC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時の12Vより高くスタック3の最低出力電圧(15V)以下の所定電圧(例えば15V)を超える異常が発生すると、短絡手段9が短絡を解除(遮断)すると共に、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4bとの接続を遮断(OFF)するため、AC/DCコンバータ1の出力電圧がスタック3の出力電圧より高くなった場合でも、スタック3への異常な電力の流入を防止することができ、燃料電池発電装置システムの異常動作時の故障被害の拡大を防止することができる。
なお、タック3側からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給している最中に、AC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時の12Vより高くスタック3の最低出力電圧(15V)以下の所定電圧(例えば15V)を超える異常が発生した時に、短絡手段9が短絡を解除(遮断)しない不具合または故障があった場合でも、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4bとの接続を遮断(OFF)すれば、スタック3への異常な電力の流入を防止でき、逆に、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4bとの接続をONした状態のままで接続をOFFしない不具合または故障があった場合でも、短絡手段9が短絡を解除(遮断)すれば、電源切換え手段4bにおけるスタック3(またはスタック切断手段2)側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間にアクチュエータ(または制御手段)5側への出力に向かう方向が順方向となるように設けられた逆流防止用のダイオードが有効となるので、スタック3への異常な電力の流入を防止することができる。
また、AC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時の12Vより高くスタック3の最低出力電圧(15V)以下の所定電圧(例えば15V)を超える電圧から、所定電圧(例えば15V)以下に戻った場合に、所定条件を満たせば(例えば、AC/DCコンバータ1の出力電圧が所定電圧(例えば15V)を超える異常が、一時的なもので、すぐに、AC/DCコンバータ1の出力電圧が所定電圧以下の12Vに戻った場合や、AC/DCコンバータ1の出力電圧が正常時の12Vより高くスタック3の最低出力電圧(15V)以下の所定電圧(例えば15V)を超えたが、超えた電圧値が比較的小さい場合)は、短絡手段9がスタック切断手段2側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間を再び短絡し、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4bとを再び接続するように構成すれば、再び、電源切換え手段4bのダイオードのロス分を無くした状態で、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給することができる。
(実施の形態7)
図7は、本発明の実施の形態7における燃料電池発電装置システムの構成図の例を示すものである。
本実施の形態は、実施の形態6の燃料電池発電装置システムの構成における、電源切換え手段4bとアクチュエータ(または制御手段)5との間に、スタック3またはAC/DCコンバータ1からの出力電圧を所定の電圧(例えば24V、12V、5V)に変えてアクチュエータ(または制御手段)5に電力を給電するDC/DCコンバータ8を備えたものである。その他の構成と動作は、実施の形態6における燃料電池発電装置システムと同様であるので、説明は省略する。
本実施の形態では、アクチュエータ(または制御手段)5に、スタック3の出力側から電力を供給する場合と、AC/DCコンバータ1の出力側から電力を供給する場合とで、電源切換え手段4bの出力側の電圧が異なることによる不具合、または、スタック3の出力側から電力を供給する場合で、スタック3の出力電力が変動することにより不具合、または、AC/DCコンバータ1の出力側から電力を供給する場合で、AC/DCコンバータ1の出力電圧が変動することによる不具合を、DC/DCコンバータ8により解消でき、アクチュエータ(または制御手段)5に安定した電圧で給電することができる。
本実施の形態は、実施の形態6の燃料電池発電装置システムの構成における、電源切換え手段4bとアクチュエータ(または制御手段)5との間に、DC/DCコンバータ8を備えたものであるが、実施の形態4または実施の形態5の燃料電池発電装置システムの構成における、電源切換え手段4bとアクチュエータ(または制御手段)5との間に、DC/DCコンバータ8を備えても構わない。
(実施の形態8)
図8は、本発明の実施の形態8における燃料電池発電装置システムの構成図の例を示すものである。
本実施の形態は、実施の形態7の燃料電池発電装置システムの構成において、系統電源6とAC/DCコンバータ1との接続をスタック3が発電を開始する前にONしスタック3が最低出力電圧(15V)以上の発電を開始するとOFFする系統切断手段10を設け、系統切断手段10の状態をAC/DC出力電圧計測手段7がAC/DCコンバータ1の出力電圧を基に検知し、系統切断手段10がONになったことをAC/DC出力電圧計測手段7が検知すると、短絡手段9が短絡を解除(遮断)すると共に、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4bとの接続を遮断(OFF)し、系統切断手段10がOFFになったことをAC/DC出力電圧計測手段7が検知すると、短絡手段9が短絡すると共に、スタック切断手段2がスタック3と電源切換え手段4bとを接続するように構成したものである。
本実施の形態の構成では、AC/DCコンバータ1の入力側にAC/DCコンバータ1の出力のON/OFFの制御を行う系統切断手段10を備え、スタック3が最低出力電圧(15V)以上の発電を開始したら、系統切断手段10がAC/DCコンバータ1の入力を切断することで、AC/DCコンバータ1の出力をオフする。AC/DC出力電圧計測手段12がAC/DCコンバータ1の出力のオフを検出すると、短絡手段9により電源切換え手段4bにおけるスタック3(またはスタック切断手段2)側の入力とアクチュエータ(または制御手段)5側への出力との間にアクチュエータ(または制御手段)5側への出力に向かう方向が順方向となるように設けられた逆流防止用のダイオードを短絡させる。具体的には、例えば、短絡手段9をノーマルクローズタイプのリレーで構成した場合、AC/DCコンバータ1の出力をリレーのコイル駆動電圧として使用したとすると、ノーマルクローズのリレーであるので、AC/DCコンバータ1の入力が系統と接続され電圧が出力している場合はリレーがONされているので、リレーの接点部はオープンの状態、つまりダイオード有の状態となっている。
スタック3が最低出力電圧(15V)以上の発電を開始したら、系統切断手段10がAC/DCコンバータ1の入力を切断するので、AC/DCコンバータ1の出力がオフされるので、リレーの駆動電圧も供給されないことになるから、リレーの接点部はクローズの状態、つまりダイオードなしの(ダイオードを短絡させた)状態となっている。
このように、例えばシステムの起動中に、系統側から電源供給が行われている際に、AC/DCコンバータ1の出力電圧は正常であるが、スタック切断手段2が例えばリレーのような部品である時、リレーの接点部分がショート故障してしまったときのような場合でも、スタック切断手段2からの入力とアクチュエータ(または制御手段)5への出力との間にもダイオードを設けておくことで、スタック3へのAC/DCコンバータ1側からの電力の流入を防止することができ、これにより、スタック3に逆電圧が印加されることにより、スタック3の寿命が縮まったり、スタック3が破壊されたりするといった故障を防止でき、システムの一部品が故障したときの故障被害の拡大を防止することができる。
また、発電が開始した後は、AC/DCコンバータ1の入力をオフすることで、AC/DCコンバータ1の出力を停止し、かつ、スタック切断手段2からの出力とDC/DCコンバータ11への入力の間のダイオードを短絡する構成とすることで、上述したようなシステムの拡大被害を防止するような構成を保ちつつ、発電時のスタック電力のダイオードロスも防止することができるので、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
以上のように本実施の形態における燃料電池発電装置システムは、水素ガスと酸素とを反応させて発電を行うスタック3と、アクチュエータ(または制御手段)5と、系統電源6の交流電圧を直流電圧に変換するAC/DCコンバータ1と、アクチュエータ(または制御手段)5への給電をAC/DCコンバータ1の出力側またはスタック3の出力側のどちらかに切換える電源切換え手段4bと、系統電源6とAC/DCコンバータ1との接続をスタック3が発電を開始する前にONしスタック3が最低出力電圧以上の発電を開始するとOFFする系統切断手段10と、AC/DCコンバータ1の出力電圧を計測して系統切断手段10の状態を検知するAC/DC出力電圧計測手段7と、スタック3と電源切換え手段4bとの接続を系統切断手段10がOFFになったことをAC/DC出力電圧計測手段7が検知するとONし系統切断手段10がONになったことをAC/DC出力電圧計測手段7が検知するとOFFするスタック切断手段2と、電源切換え手段4bにおけるスタック切断手段2側の入力と出力との間を系統切断手段10がOFFになったことをAC/DC出力電圧計測手段7が検知すると短絡し系統切断手段10がONになったことをAC/DC出力電圧計測手段7が検知すると短絡を解除する短絡手段9とを備え、電源切換え手段4bは、AC/DCコンバータ1側の入力と出力との間とスタック切断手段2側の入力と出力との間の両方に出力に向かう方向を順方向とするダイオードがあることを特徴とする。
上記構成において、スタック3が発電を開始する前に系統切断手段10をONすると、AC/DCコンバータ1が、系統電源6の交流電圧を直流電圧に変換し、AC/DCコンバータ1の出力は電源切換え手段4bを経由してアクチュエータ(または制御手段)5に送られ、アクチュエータ(または制御手段)5は電源切換え手段4bを介してAC/DCコンバータ1の出力側から電力の供給を受ける。この時、AC/DCコンバータ1の出力電圧を基に系統切断手段10がONになったことをAC/DC出力電圧計測手段7が検知することにより、スタック切断手段2はスタック3と電源切換え手段4bとの接続をOFFしており、短絡手段9は電源切換え手段4bにおけるスタック切断手段2側の入力と出力との間を短絡していないので、スタック3へのAC/DCコンバータ1側からの電力の流入を防止することができ、これにより、スタック3に逆電圧が印加されることにより、スタック3の寿命が縮まったり、スタック3が破壊されたりするといった故障を防止できる。
この時、短絡手段9に不具合または故障があって短絡状態であったとしても、スタック切断手段2はスタック3と電源切換え手段4bとの接続をOFFしていれば、スタック3へのAC/DCコンバータ1側からの電力の流入を防止することができ、逆に、スタック切断手段2に不具合または故障があってスタック3と電源切換え手段4bとの接続がON状態であったとしても、短絡手段9が電源切換え手段4bにおけるスタック切断手段2側の入力と出力との間を短絡していなければ、電源切換え手段4bにおけるスタック切断手段2側の入力と出力との間のダイオードがスタック3側への逆流を防止するので、スタック3へのAC/DCコンバータ1側からの電力の流入を防止できる。
スタック3が最低出力電圧以上の発電を開始したら、系統切断手段10が系統電源6とAC/DCコンバータ1との接続をOFFする。系統切断手段10のOFFによりAC/DCコンバータ1の入力を切断すると、AC/DCコンバータ1の出力がオフになり、AC/DCコンバータ1の出力電圧を基に系統切断手段10がOFFになったことをAC/DC出力電圧計測手段7が検知すると、スタック切断手段2はスタック3と電源切換え手段4bとの接続をONし、短絡手段9は電源切換え手段4bにおけるスタック切断手段2側の入力と出力との間を短絡するので、スタック3の出力は電源切換え手段4b(のダイオード)を経由しない代わりに短絡手段9を経由してアクチュエータ(または制御手段)5に送られる。
このように、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給する場合は、ダイオードのロス分を無くすことができるので、スタック3の発電電力を有効利用することができ、燃料電池発電装置システムの発電効率を向上させることができる。
また、スタック3側からアクチュエータ(または制御手段)5に電源を供給する場合は、系統切断手段10が系統電源6とAC/DCコンバータ1との接続をOFFしているので、発電中のスタック3へのAC/DCコンバータ1側からの電力の流入を防止することができる。
また、電源切換え手段4bとアクチュエータ(または制御手段)5との間に、スタック3またはAC/DCコンバータ1からの出力電圧を所定の電圧(例えば24V、12V、5V)に変えてアクチュエータ(または制御手段)5に電力を給電するDC/DCコンバータ8を備えたことにより、アクチュエータ(または制御手段)5に、スタック3の出力側から電力を供給する場合と、AC/DCコンバータ1の出力側から電力を供給する場合とで、電源切換え手段4bの出力側の電圧が異なることによる不具合、または、スタック3の出力側から電力を供給する場合で、スタック3の出力電力が変動することにより不具合、または、AC/DCコンバータ1の出力側から電力を供給する場合で、AC/DCコンバータ1の出力電圧が変動することによる不具合を、DC/DCコンバータ8により解消でき、アクチュエータ(または制御手段)5に安定した電圧で給電することができる。
本発明の燃料電池発電装置システムは、アクチュエータまたは制御手段への給電を系統電源側またはスタック側のどちらかに切換える電源切換え手段を備えた燃料電池発電装置システムにおいて、スタックが発電した電力をアクチュエータまたは制御手段に給電する際に、スタックで発電した電力の一部を電源切換え手段で消費(ロス)せず、スタックで発電した電力を有効に活用でき、構成が簡単で、低コストで、信頼性が高いので、高効率で、構成が簡単で、低コストで、信頼性が高いことが求められる燃料電池発電装置システムに適している。
について、発電時の発電効率の向上に利用することができる。
本発明の実施の形態1における燃料電池発電装置システムの構成図 本発明の実施の形態2における燃料電池発電装置システムの構成図 本発明の実施の形態3における燃料電池発電装置システムの構成図 本発明の実施の形態4における燃料電池発電装置システムの構成図 本発明の実施の形態5における燃料電池発電装置システムの構成図 本発明の実施の形態6における燃料電池発電装置システムの構成図 本発明の実施の形態7における燃料電池発電装置システムの構成図 本発明の実施の形態8における燃料電池発電装置システムの構成図
符号の説明
1 AC/DCコンバータ
2 スタック切断手段
3 スタック
4a,4b 電源切換え手段
5 アクチュエータ(または制御手段)
6 系統電源
7 AC/DC出力電圧計測手段
8 DC/DCコンバータ
9 短絡手段
10 系統切断手段

Claims (6)

  1. 水素ガスと酸素とを反応させて発電を行うスタックと、アクチュエータまたは制御手段と、系統電源の交流電圧を予め設定された前記スタックの最低出力電圧より低い直流電圧に変換するAC/DCコンバータと、前記アクチュエータまたは制御手段への給電を前記AC/DCコンバータの出力側または前記スタックの出力側のどちらかに切換える電源切換え手段と、前記スタックと前記電源切換え手段との接続を前記スタックの発電開始によりONし前記スタックの発電停止によりOFFするスタック切断手段とを備え、前記電源切換え手段は、前記AC/DCコンバータ側の入力と出力との間には前記入力から前記出力に向かう方向を順方向とするダイオードがあるが前記スタック切断手段側の入力と前記出力との間にはダイオードがないことを特徴とする、燃料電池発電装置システム。
  2. 水素ガスと酸素とを反応させて発電を行うスタックと、アクチュエータまたは制御手段と、系統電源の交流電圧を予め設定された前記スタックの最低出力電圧より低い直流電圧に変換するAC/DCコンバータと、前記アクチュエータまたは制御手段への給電を前記AC/DCコンバータの出力側または前記スタックの出力側のどちらかに切換える電源切換え手段と、前記スタックと前記電源切換え手段との接続を前記スタックの発電開始によりONし前記スタックの発電停止によりOFFするスタック切断手段と、前記電源切換え手段における前記スタック切断手段側の入力と出力との間を前記スタックの発電開始により短絡し前記スタックの発電停止により短絡を解除する短絡手段とを備え、前記電源切換え手段は、前記AC/DCコンバータ側の入力と出力との間と前記スタック切断手段側の入力と前記出力との間の両方に前記出力に向かう方向を順方向とするダイオードがあることを特徴とする、燃料電池発電装置システム。
  3. 短絡手段は、スタックの発電中にAC/DCコンバータの出力電圧が正常時より高く前記スタックの最低出力電圧以下の所定電圧を超える電圧になると電源切換え手段におけるスタック切断手段側の入力と出力との間の短絡を解除することを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池発電装置システム。
  4. スタック切断手段は、スタックの発電中にAC/DCコンバータの出力電圧が正常時より高く前記スタックの最低出力電圧以下の所定電圧を超える電圧になると前記スタックと電源切換え手段との接続をOFFすることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池発電装置システム。
  5. 水素ガスと酸素とを反応させて発電を行うスタックと、アクチュエータまたは制御手段と、系統電源の交流電圧を予め設定された前記スタックの最低出力電圧より低い直流電圧に変換するAC/DCコンバータと、前記アクチュエータまたは制御手段への給電を前記AC/DCコンバータの出力側または前記スタックの出力側のどちらかに切換える電源切換え手段と、前記系統電源と前記AC/DCコンバータとの接続を前記スタックが発電を開始する前にONし前記スタックが最低出力電圧以上の発電を開始するとOFFする系統切断手段と、前記AC/DCコンバータの出力電圧を計測して前記系統切断手段の状態を検知するAC/DC出力電圧計測手段と、前記スタックと前記電源切換え手段との接続を前記系統切断手段がOFFになったことを前記AC/DC出力電圧計測手段が検知するとONし前記系統切断手段がONになったことを前記AC/DC出力電圧計測手段が検知するとOFFするスタック切断手段と、前記電源切換え手段における前記スタック切断手段側の入力と出力との間を前記系統切断手段がOFFになったことを前記AC/DC出力電圧計測手段が検知すると短絡し前記系統切断手段がONになったことを前記AC/DC出力電圧計測手段が検知すると短絡を解除する短絡手段とを備え、前記電源切換え手段は、前記AC/DCコンバータ側の入力と出力との間と前記スタック切断手段側の入力と前記出力との間の両方に前記出力に向かう方向を順方向とするダイオードがあることを特徴とする、燃料電池発電装置システム。
  6. 電源切換え手段とアクチュエータまたは制御手段との間にスタックまたはAC/DCコンバータからの出力電圧を所定の電圧に変えて前記アクチュエータまたは制御手段に電力を給電するDC/DCコンバータを備えたことを特徴とする、請求項1から5のいずれか1項に記載の燃料電池発電装置システム。
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