JP5176765B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池発電装置に係わり、詳しくは、燃料電池発電装置の誤配線時の機器保護に関するものである。
従来、この種の燃料電池発電装置は、誤配線による機器の破損を防止するため、商用交流の電圧を監視し、所定の電圧より高い場合には商用交流を遮断するものがある(例えば特許文献1参照)。
図3は、特許文献1に記載された従来の燃料電池発電装置の構成を示すものである。
図3に示すように、燃料電池発電装置1は、家庭内に設置されている分電盤2を介して商用交流3と接続されている。また、分電盤2と燃料電池発電装置1の間には、エアコン、冷蔵庫などの家庭内負荷4が接続されている。
燃料電池発電装置1は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池5と、燃料電池5の出力を直流交流変換して、商用交流3に供給するインバータ6と、燃料電池発電装置1の起動、発電、終了、停止の一連の動作を制御する制御手段7と、都市ガスなどの原料を水蒸気改質し水素を主成分とする燃料ガスを生成する改質器8と、酸化剤ガスである空気を燃料電池5に供給するための送風機9と、燃料電池5が発電する際に発生した熱を回収し、温水として蓄える貯湯槽10で構成されている。
また、改質器8や、貯湯槽10にはガスや水を、配管を通して供給/遮断するための弁や、ポンプなどの補機11が付随して備えられている。制御手段7および補機11の電源は、商用交流3を供給元とする作動用電源12より供給される。また、商用交流3の電圧検出を行うU相系統電圧検出/遮断回路13およびW相系統電圧検出/遮断回路14が備えられている。
ここで、燃料電池発電装置1の設置時において、W相とO相の配線を逆に誤接続してしまった場合動作を説明する。
本来U−O間にはAC100Vが印加されるはずであるが、W相がO相と入れ替わっているため、この時にはU−O間にAC200Vが印加されることになり、つまりは、U相配線側に接続されているU相系統電圧検出/遮断回路13の電圧監視用トランス13BにAC200[V]が印加されることとなる。
そこで、制御手段7は、U相配線側に許容電圧(例えば、AC115[V])以上の電圧が印加されていることを瞬時に検出し、リレー13Aを制御して電圧監視用トランス13Bを商用交流3から電気的に切り離す。この結果、電圧監視用トランス13Bの負荷が過大となることがないので、電圧監視用トランス13Bが破損してしまうことがない。
特開2003−333743号公報
しかしながら、上記従来の構成では、誤接続を検出した後も電圧監視用トランス13B,14B以外の部分には、商用交流3が供給されつづける。そのため、商用交流3を駆動電源とする補機に対して制御を行ってしまうと、補機動作が不安定になり、燃料電池発電装置1としての装置の保護ができないという課題を有していた。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、これによって、燃料電池発電装置が商用交流と誤接続され、異常な電圧が印加された場合に、燃料電池発電装置を安定して停止させて装置の保護を可能とするものである。
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電装置は、炭化水素系原料ガスと水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の出力直流電力を交流に変換して商用交流に連系供給するインバータと、起動、発電、終了、停止の一連の動作を制御する制御手段と、ガスや水の流路を切換える弁や前記水素生成器を昇温させるためのヒータなどのアクチュエータと、ガスや水の温度や流量を計測するセンサと、商用交流の電圧を検知する電圧検出手段と、前記商用交流の電圧が所定電圧範囲外である場合に報知する表示手段と、前記商用交流を供給元として動作する小容量電源と大容量電源の二つの独立した電源と、を備え、前記小容量電源は、AC100V未満である第一の所定電圧以上で動作し、少なくとも前記制御手段と前記電圧検出手段と前記表示手段への電源供給を行い、前記商用交流の電圧が所定電圧範囲外である場合には、前記制御手段が、前記一連の動作を停止させるものである。

これによって、燃料電池発電装置が商用交流と誤接続され、異常な電圧が印加された場合に、燃料電池発電装置を安定して停止させて装置の保護を実現することができる。
本発明の燃料電池発電装置は、商用交流との接続部の電圧を、電圧検出手段によって検出し、所定電圧範囲外の場合には燃料電池発電装置の一連の動作を停止させるので、商用交流と誤接続された場合にも、燃料電池発電装置を安定して停止させることができる。
第1の発明は、炭化水素系原料ガスと水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、燃料電池の出力直流電力を交流に変換して商用交流に連系供給するインバータと、起動、発電、終了、停止の一連の動作を制御する制御手段と、ガスや水の流路を切換える弁や前記水素生成器を昇温させるためのヒータなどのアクチュエータと、ガスや水の温度や流量を計測するセンサと、商用交流の電圧を検知する電圧検出手段と、前記商用交流の電圧が所定電圧範囲外である場合に報知する表示手段と、前記商用交流を供給元として動作する小容量電源と大容量電源の二つの独立した電源と、を備え、前記小容量電源は、AC100V未満である第一の所定電圧以上で動作し、少なくとも前記制御手段と前記電圧検出手段と前記表示手段への電源供給を行い、前記商用交流の電圧が所定電圧範囲外である場合には、前記制御手段が、前記一連の動作を停止させるので、商用交流と誤接続された場合にも、燃料電池発電装置を安定して停止させて装置の保護を実現することができる。
また、設置工事者に誤接続を知らせることができ、設置時のトラブル解決を容易にすることができる。
また、商用電源が誤接続されてAC100Vが供給されている場合でも、小容量電源は電源出力できるので、制御手段と電圧検手段と表示手段が動作可能となり、確実に誤接続を検出し、燃料電池発電装置の一連の動作を停止、設置工事者への誤接続の報知を行うことができる。
の発明は、特に第の発明において、大容量電源はAC100Vより大きな第二の所定電圧以上で動作し、アクチュエータへの電源供給を行うので、商用交流が誤接続されてAC100Vが供給されている場合には、大容量電源は出力できないので、アクチュエータは動作不可能となり、確実に燃料電池発電装置を停止させることができる。
の発明は、特に第1又は2の発明において、複数の異常が発生した場合には、商用交流の電圧が所定電圧範囲外である旨を優先的に表示するので、設置工事者がトラブルの原因特定を容易に行うことができる。
の発明は、特に第1〜のいずれかの発明において、商用交流の電圧が所定電圧範囲外である場合に音声で報知する音声報知手段を設けたので、設置工事者が燃料電池発電装置から離れた所にいる場合でも、誤配線であることを容易に認識させることができる。
の発明は、特に第1〜の発明において、電圧検出手段はインバータが電力を商用交流に連系供給していない時に作動するので、燃料電池発電装置が非発電の状態である設
置直後の通電開始時に誤配線を検出することができるので、設置工事時の不具合を早期に発見することができる。
の発明は、特に第1〜の発明において、商用交流は単相3線方式であることを特徴とした。
以下、本発明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、この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の構成図である。
図1に示すように、燃料電池発電装置101は、家庭内に設置されている分電盤102を介して商用交流103と接続されている。また、分電盤102と燃料電池発電装置101の間には、エアコン、冷蔵庫などの家庭内負荷104が接続されている。
ここで、商用交流103と燃料電池発電装置101は単相3線(UOW相)で接続されており、家庭内負荷104は一般的に単相2線で接続されており、その接続はU−O間のAC100V、W−O間のAC100V、U−W間のAC200Vのいずれかである。
燃料電池発電装置101は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池105と、燃料電池105の出力直流電力を交流電力に変換するインバータ106と、燃料電池発電装置101の起動、発電、終了、停止の一連の動作を制御する制御手段107と、都市ガスなどの原料を水蒸気改質し水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器108と、酸化剤ガスである空気を燃料電池105に供給するための送風機109と、燃料電池105が発電する際に発生した熱を回収し、温水として貯湯槽110に蓄える廃熱回収手段111で構成されている。
また、水素生成器108、送風機109や廃熱回収手段111は、ガスや水の流路を切換える弁や、水素生成器の温度を昇温させるヒータなどのアクチュエータ112、ガスや水の流路の温度、流量などを計測するセンサ113から構成されている。
また、電圧検出手段114は、商用交流103より燃料電池発電装置101に供給される商用交流103の電圧を計測し、制御手段107へ伝達する。
具体的には電圧検出手段114は商用交流103の電圧を抵抗(図示しない)にて分圧して制御手段107に伝達し、制御手段107内のマイコン(図示しない)のA/Dコンバータに入力してデジタルサンプリングし、そのサンプリング値をリアルタイムで実効値演算を行うことで実現している。
表示手段115は、本実施の形態では液晶とし、制御手段107のドライブ信号により燃料電池発電装置101の状態をドットマトリクスで表示する。
作動用電源116は、燃料電池発電装置101に入力された商用交流103を所定の直流電圧へと変換して制御手段107やアクチュエータ112に供給するように構成されている。
以上のように構成された燃料電池発電装置101において、以下その動作、作用を説明する。
燃料電池発電装置101の動作は、大きく起動、発電、終了、停止といった4つの制御状態に分けることができる。起動は燃料電池発電装置101を発電可能な状態にする工程であり、発電は燃料電池105より電力が出力されている状態である。終了は、発電不可能な状態にする工程であり、停止は燃料電池発電装置101の状態を監視しながら、次の発電指示を待っている状態である。
燃料電池発電装置101は、先に述べた4つの制御状態をあらかじめプログラムされたタイミングで遷移させながら適切に発電動作を行っている。
なお、ここで、プログラムされたタイミングが利用者の家庭内負荷104の利用状況に応じて適宜更新されるような学習機能を持っていれば、利用者が頻繁に使用する時間帯をあらかじめ予測し、その時間帯のみ発電が行われるように制御状態を遷移させるので、より効率よく発電を行うことができるので好適である。また、遷移のタイミングは利用者による操作であってもよい。
まず、起動について説明をする。発電出力可能となるためには、燃料ガスの生成などの準備動作が必要であり、例えば、都市ガスなどの原料から水素を主成分とした燃料ガスを生成するといった動作である。
具体的には、水素生成器108に付随して備えられた温度センサや流量センサの計測値を取込ながらヒータやファンなどのアクチュエータ112に対してフィードバック制御を行い、水素生成器108の温度を約600〜700度まで昇温させて都市ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する。
起動の工程が十分に進行し、燃料ガスが安定的に生成されるようになると燃料電池105による発電へと移行する。燃料電池105は電解質膜を挟んでアノード電極とカソード電極が構成されたセルが複数積層して構成されている。
このアノード電極側に燃料ガスを、カソード電極側に酸化剤である空気を供給することによって、燃料電池107にて化学反応による発電が行われる。
燃料電池105より出力された直流電力はインバータ106によって交流電力に変換され、家庭内負荷104に供給される。また、燃料電池105には廃熱回収手段111に接続された冷却水の循環経路が構成されている。廃熱回収手段111に付随して備えられたポンプなどのアクチュエータ112を制御して化学反応時に発生する熱を熱交換によって回収し、貯湯槽110に温水として蓄える。
続いて、終了について説明する。弁を閉じて都市ガスの供給を遮断し、水素生成器100での燃料ガス生成を停止する。
そして水素生成器108に備えられたファンを駆動し、都市ガスの改質が行われない温度まで水素生成器108を冷却する。また、燃料電池発電装置101の劣化を防止するために、燃料電池105、水素生成器108やガス経路等を不活性ガスでパージする。
終了の工程が十分に行われ、燃料電池発電装置101が安定的に発電不可能な状態で保たれると、アクチュエータ112の動作を停止して、次回の発電タイミングに備える。また、この停止中もガス漏れ検知センサ等で燃料電池発電装置101の安全状態を監視し、異常が発生した場合にはユーザーへの報知を行うなど所定の異常処理を行う。
また、発電を除く、起動、終了、停止の3つの状態では、燃料電池発電装置101から交流電力は出力されないので、家庭内負荷104の電力は商用交流103から供給されて動作することになる。
以上のような動作をする燃料電池発電装置101について、設置直後の詳細の動作、作用を説明する。
燃料電池発電装置101が設置されると、分電盤102を介して商用交流103が燃料電池発電装置101の作動用電源116へ入力される。すると制御手段107に電源が供給され、先に述べた4つの状態に応じて燃料電池発電装置101の動作が開始する。
ここで、W相とO相の配線を誤接続した場合について説明する。本来、U−W間にはAC200Vが、U−O間およびW−O間にはAC100Vが印加されるはずである。しかし、W相とO相が入れ替わっている場合には、U−W間にAC100Vが、U−O間にはAC200Vが誤って印加されることになる。
まず、電圧検出手段114にて、商用交流103の電圧が抵抗分圧された電気信号として制御手段107に伝達される。ここで、制御手段107にはU−W間のAC200Vの所定電圧範囲として、例えばAC190V〜AC210Vという範囲が記憶されている。
制御手段107は伝達されたAC100Vが所定電圧範囲AC190V〜AC210Vの範囲外であることから、燃料電池発電装置101と商用交流103が誤接続されていることを認識する。そして、制御手段107がアクチュエータ112を停止させる。また、制御手段107は表示手段115に所定のエラー番号を表示させる。
U相とO相の配線を誤接続した場合については、上記のW相とU相を読み替えることによって説明される。
以上のように、本実施の形態においては、電圧検出手段114と制御手段107によって商用交流103と誤接続されていることを検出し、燃料電池発電装置101を安定的に停止させて装置の保護を実現することができる。また、表示手段115にエラー表示を行うので、設置工事者に誤配線であることを報知することができる。
また、音声報知手段を備え、誤配線検出時には音声による報知を行う用に構成すると、さらに好適である。設置直後の通電時には設置工事者は屋内の専用ブレーカーを利用して通電開始することもあり、すぐに燃料電池発電装置101の表示手段115を確認できるとは限らない。そのような場合にも音声での報知があると誤配線であることを容易に認識することができる。
なお、本実施の形態では誤配線を検出するための所定電圧範囲をU−W間にて設定したが、U−O間とW−O間の両方に設定しても同様に検出可能である。
なお、本実施の形態では、商用交流103と燃料電池発電装置101の接続を単相3線(UOW相)としたが、単相2線(UW相)の場合でも、設置工事者が屋内の分電盤102から分岐する際にU相とO相、もしくはW相とO相を間違えることは容易に考えられるので、上述のような誤配線検出後の一連の動作が有効であることは明らかである。
(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の構成図である。実施の形態1と同一構成のものについては同一符号を付し、説明を省略する。実施の形態1と異なる点は、作動用電源116を、小容量電源117と大容量電源118の独立した2つの電源で構成した点である。
まず、小容量電源117は、入力された商用交流103のU−W間AC200Vを所定の直流電圧へと変換して出力するように構成されている。ここで、小容量電源117は広入力電圧範囲に対応するため、フライバック方式のスイッチング電源やPFC(力率補正)回路を組み合わせたスイッチング電源で構成するのが好適である。
また、小容量電源117は制御手段107と表示手段115と、燃料電池発電装置101の状態監視を行うためのガス漏れ検知センサなどの数種類のセンサと電圧検出手段114を動作させるために必要な電源であり、比較的小さな電源容量で構成するのが好適である。具体的には、本実施の形態では、電源容量は10W、出力電圧DC12V、入力電圧範囲AC80V〜AC220VのAC/DCコンバータで構成している。
続いて大容量電源118の構成について説明する。小容量電源117と同様に入力された商用交流103を所定の直流電圧へと変換して出力するように構成している。
ここで、大容量電源118は燃料電池発電装置101内のアクチュエータ112やセンサ113の駆動電源であり、先の小容量電源117に比べ大きな電力供給が必要である。また、アクチュエータ112、センサ113の電源電圧としてはDC12V、DC24Vといった電圧が一般的である。
そこで、本実施の形態では、電源容量100W、出力電圧DC24V、入力電圧範囲AC180V〜AC220Vの電源とする。
燃料電池発電装置101としての動作は実施の形態1と同一であり、異なるのは作動用電源116に関する動作である。以下に、設置直後の詳細の動作、作用について相違点を中心に説明する。
燃料電池発電装置101が設置されると、分電盤102を介して商用交流103が燃料電池発電装置101の作動用電源116へ入力される。
小容量電源117は入力された商用交流103のU−W間AC200VをDC12Vへ変換して出力する。DC12Vが供給されると制御手段107が動作を開始し、先に述べた4つの状態に応じてアクチュエータ112の制御をする。
また、このとき大容量電源118も商用交流103のU−W間AC200VをDC24Vへ変換して出力するので、アクチュエータ112には駆動電力の供給が行われ動作を開始する。
ここで、W相とO相の配線を誤接続した場合について説明する。本来、U−W間にはAC200Vが印加されるはずであるが、W相がO相と入れ替わっているため、この時にはU−W間にAC100Vが印加される。
つまり、小容量電源117にAC100Vが入力される。しかしながら、小容量電源117は入力電圧がAC80V以上で動作可能な電源として構成しているので、商用交流103をDC12Vへ変換して出力可能である。そのため、制御手段107と電圧検出手段114は電源供給を受けて、正常に動作可能となる。
まず、電圧検出手段114にて、商用交流103の電圧が抵抗分圧された電気信号として制御手段107に伝達される。ここで、制御手段107にはU−W間のAC200Vに対して、例えばAC190V〜AC210Vという範囲が記憶されている。
制御手段107は伝達されたAC100Vが所定電圧範囲AC190V〜AC210Vの範囲外であることから、燃料電池発電装置101と商用交流103が誤接続されていることを認識する。そして、制御手段107がアクチュエータ112を停止させ、表示手段115に所定のエラー番号を表示させる。
またこの時、大容量電源118は入力された商用交流103のU−W間AC100Vが入力電圧範囲AC180V〜AC220Vの範囲外であるために動作せず、駆動用の電源は供給されない。
以上のように、本実施の形態においては、小容量電源117がAC100V未満から動作するので、UOW相の誤接続が発生した場合でも正常に電圧検出手段114、制御手段107が動作可能となり、商用交流103と誤接続されていることを確実に検出して燃料電池発電装置101を安定的に停止させて装置の保護を実現することができる。
また、大容量電源118がアクチュエータ112への電源供給をできないので、制御手段107が万が一制御不能となった場合でもアクチュエータ112を動作させないようにすることができる。
また、誤配線が行われた状態では、設置直後より駆動電源が供給されないのでアクチュエータ112は制御手段107の動作指令が行われているにも関わらず停止していることも想定される。
そのため、誤配線検出が確定するまでに、その他のセンサによるエラーが確定してしまい、表示手段115に誤配線以外のエラーが表示されてしまう可能性がある。そこで、複数のエラーが同時に発生している場合には、優先的に誤配線のエラー表示を行うようにするのが好適である。
それにより、誤配線の影響で2次的に発生しているエラーに惑わされることなく、トラブルの真の原因である誤配線のエラーを設置工事者に確実に認識させることができる。
以上のように、本発明にかかる燃料電池発電装置は、商用交流との誤接続が発生した場合に、アクチュエータの動作を確実に停止させ、燃料電池発電装置を安定的に停止させると同時に、設置工事者に対して誤配線である旨を認識させるので、誤配線時の装置の保護や設置工事トラブルの原因究明を容易することができるので、設置工事者による電源工事が必要なエンジン発電装置や太陽光発電装置および電気温水器などの家庭用設置型装置全般において設置工事時の作業性向上にも適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の構成図 従来の燃料電池発電装置の構成図
符号の説明
101 燃料電池発電装置
103 商用交流
105 燃料電池
106 インバータ
107 制御手段
108 水素生成器
112 アクチュエータ
113 センサ
114 電圧検出手段
115 表示手段
116 作動用電源
117 小容量電源
118 大容量電源

Claims (6)

  1. 炭化水素系原料ガスと水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、
    燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池の出力直流電力を交流に変換して商用交流に連系供給するインバータと、
    起動、発電、終了、停止の一連の動作を制御する制御手段と、
    ガスや水の流路を切換える弁や前記水素生成器を昇温させるためのヒータなどのアクチュエータと、
    ガスや水の温度や流量を計測するセンサと、
    商用交流の電圧を検知する電圧検出手段と
    前記商用交流の電圧が所定電圧範囲外である場合に報知する表示手段と、
    前記商用交流を供給元として動作する小容量電源と大容量電源の二つの独立した電源と、
    を備え、
    前記小容量電源は、AC100V未満である第一の所定電圧以上で動作し、少なくとも前記制御手段と前記電圧検出手段と前記表示手段への電源供給を行い、
    前記商用交流の電圧が所定電圧範囲外である場合には、前記制御手段が前記一連の動作を停止させる燃料電池発電装置。
  2. 前記大容量電源はAC100Vより大きな第二の所定電圧以上で動作し、前記アクチュエータへの電源供給を行う請求項に記載の燃料電池発電装置。
  3. 複数の異常が発生した場合には、前記商用交流の電圧が所定電圧範囲外である旨を優先的に前記表示手段に表示する請求項1又は2記載の燃料電池発電装置。
  4. 前記商用交流の電圧が所定電圧範囲外である場合に音声で報知する音声報知手段を設けた請求項1〜のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
  5. 前記電圧検出手段は前記インバータが電力を前記商用交流に連系供給していない時に作動する請求項1〜のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
  6. 前記商用交流は単相3線方式である請求項1〜のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
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