CN101390268A - 使用了燃料电池的备用电源*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种备用电源***，其具有燃料电池***，并与***电源相连接，当***电源停电时从燃料电池***向负载供电，且在燃料电池***内的燃料电池与功率调节器之间的直流电力的路径上连接有二次电池。当功率调节器检测出***电源停电并停止了燃料电池时，利用储备于二次电池中的直流电力可再启动燃料电池。由再启动后的燃料电池所供给的直流电力将通过功率调节器被转换成交流电力，并在与***电源断开的状态下供给到备用负载等。

Description

使用了燃料电池的备用电源***
技术领域
本发明涉及使用了燃料电池的备用电源***，尤其涉及在通常时为了向负载供电而与***电源连接使用、并在***电源侧停电时可与***电源脱离后向负载供给来自燃料电池的电力的备用电源***。
背景技术
近年来，一种分散型的电源***正引人注目，其中，在电力消费者即电力需要者的场所配置燃料电池作为分散电源装置，并将来自供电局的配电电力即来自***电源的电力与来自燃料电池的电力进行组合后供该电力消费者的电力消费。在供电局侧，设置有多个发电设备、多个变电设备、和用于将这些发电设备及变电设备进行连接来向多个需要者供电的配电设备，发电设备、变电设备和变电设备作为一个整体保持协调地进行运转，将供电局侧的这些设备作为一个整体称为***电源。
燃料电池虽产生直流电力，但由于在电力消费者的宅内需要与来自***电源的交流电力相叠加来向负载进行配电，所以需要使分散电源即燃料电池与***电源连接。为了使燃料电池与***电源连接，使用将燃料电池所输出的直流电力转换为交流电力，并使其频率或电压适合于来自***电源的电力的功率调节器(PCS)。来自功率调节器的交流电力的输出线一般在设置于电力消费者的宅内的配电板上，与来自***电源侧的配电线相连接，由此，对位于电力消费者的宅内的负载，一并供给来自燃料电池的交流电力和来自***电源的交流电力。
图1是表示这样用于使由燃料电池构成的分散电源与***电源相连接来使用的现有的电源***的结构。
作为分散电源设置有包含燃料电池并输出交流电力的燃料电池***81，且燃料电池***81的输出连接于配电板82。配电板82还连接于***电源，并将来自***电源的交流电力和来自燃料电池***81的交流电力经由相同的配电线供给到负载。
燃料电池***81具备：燃料电池91：和功率调节器(PCS)92，其将由燃料电池91发出的直流电力转换为交流电力后输出。虽未在图1中表示，但燃料电池91具备：改性器，其将由碳氢化合物构成的燃料例如灯油或LPG(液化石油气)等燃料改性后生成氢；和燃料电池主体，被供给氢和氧(或空气)来进行发电。作为典型的燃料电池，燃料电池主体具备：负极及正极，分别被供给氢和氧；和电解质膜，配置于负极与正极之间，并可透过氢离子等。
功率调节器92按照与经由配电板82而输入的***电源侧的交流电力相连接的方式，将来自燃料电池91的直流电力转换为交流电力。此外，为了使燃料电池即改性器及燃料电池主体进行动作，需要通过加热器将它们升温到规定的温度范围，此外，为了向改性器供给燃料，需要使泵进行动作。如此，为了燃料电池***81运转，需要使加热器及泵等各种辅助设备动作，用于使加热器及泵等动作的电力是由功率调节器92向燃料电池供给的。如果燃料电池***81进入到稳定运转状态，则可以使用燃料电池91发出的电力的一部分作为用于加热器及泵的电力。但是，在燃料电池***81自身的启动(上电)时，由于燃料电池91还未开始发电，所以将由从***电源经由配电板82向功率调节器92输入的交流电力获得用于使加热器及泵动作的电力。
然而，当***电源如上所述那样与分散电源进行连接时，必须使由分散电源产生的电力不会对***电源侧产生不良的影响。针对为了不对***电源产生不良的影响的对策，例如，在日本的经济产业省资源能量厅所总结的“***连接指南”中进行了说明，尤其规定了在***电源侧发生了停电事故时应该将分散电源与***电源脱离。这是因为在***电源侧发生停电事故时，若分散电源正在动作，则因在停电中而本应处于未充电的***电源侧的配电线或配电网却被分散电源进行充电，从而有在停电恢复等的作业中发生触电事故、或在***电源恢复到正常状态时因***电源侧的交流电力的相位与配电线侧的相位不一致而发生故障的危险。此外，若从分散电源向***电源侧供给了电力，则使***电源内的故障发生位置的搜索变得困难。在***电源侧的停电事故时为了将分散电源与***电源脱离，分散电源的功率调节器构成为：当检测出来自***电源侧的电力供给中断时，迅速使该分散电源的动作停止，进而根据需要由机械式的开关或断路器将分散电源与配电线断开。
燃料电池由于不受天气条件等影响只要继续拥有燃料就进行动作，所以作为在假定发生地震等灾害而***电源持续停电的情况下的备用电源是很有前途的。但是，当将分散电源与***电源连接使用时，由于如上所述的安全等的理由，在***电源侧停电时必须进行分散电源的停止，所以即使是使用燃料电池的分散电源，也不能这样作为备用电源来使用。此外，燃料电池一旦停止后试图再启动该燃料电池时，一般作为燃料电池的再启动所需要的电力而使用由***电源供给的电力，因而***电源停电时也无法进行燃料电池的再启动。
发明内容
在此，本发明的目的是提供一种备用电源***，其具有燃料电池并且是连接于***电源的分散型电源***，当***电源为通常运转时作为分散电源来动作，并且当***电源停电时还可以作为备用电源来使用。
本发明的备用电源***，与***电源连接，并具有包括燃料电池和功率调节器的燃料电池***，在燃料电池与功率调节器之间的直流电力的路径上能够连接二次电池，并能够利用储备于二次电池中的直流电力来启动燃料电池。
这种备用电源***，例如，是连接于***电源并具有包括燃料电池和功率调节器的燃料电池***的备用电源***，并且还具备；配电板，其与***电源连接并向负载供电；断路器，其设置在***电源与配电板之间；和二次电池，其连接在燃料电池与功率调节器之间的直流电力的路径上；在功率调节器中检测出***电源停电时，功率调节器使燃料电池的动作停止，并将停电检测信号传送到断路器使断路器处于开放状态，当断路器为开放状态时，能够从二次电池由电力来启动燃料电池，并在燃料电池启动之后从该燃料电池***向配电板供给交流电力。
上述的备用电源***，在***电源停电时启动燃料电池***，可以仅将来自燃料电池***的电力供给到负载。但是，由于对燃料电池***的额定输出有限定，所以优选在连接于所述配电板的负载为通常负载和备用负载的情况下，当***电源进行通常动作时向两方的负载供电，而在断路器处于开放状态并启动了燃料电池之后，仅向备用负载供电。备用负载的负载容量优选小于所述燃料电池***的额定输出。
而且，在本发明中，优选在断路器为开放状态时恢复了***电源的情况下，燃料电池***的运转停止，然后断路器恢复到导通状态，并在断路器恢复到导通状态之后燃料电池***重新启动。为了实现这种再启动，可以设置对断路器从开放状态向导通状态的恢复进行控制，并产生针对功率调节器的指令的控制电路。
在本发明中，作为燃料电池***优选使用具有以碳氢化合物为燃料的燃料电池。
在本发明中，在使由燃料电池和功率调节器所构成的燃料电池***连接于***电源的电源***中，当***电源停电时，虽然一时燃料电池也停电，但此后，由于可利用来自连接于燃料电池***的二次电池的电力来启动燃料电池，所以来自该燃料电池***的发电电力可供给到负载。因此，本发明的备用电源***在平常时与***电源相连接，在灾害等紧急情况下，可作为备用电源来运转，从而在平常时及紧急时都有用。
附图说明
图1是表示现有电源***的结构的框图。
图2是表示本发明的一个实施方式的备用电源***的结构的框图。
图3是表示本发明的另一个实施方式的备用电源***的结构的框图。
具体实施方式
接着，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。
图2表示本发明的一个实施方式的备用电源***。该备用电源***与***电源连接，并作为分散电源具备输出交流电力的燃料电池***11，且还具有用于将来自***电源的电力和来自燃料电池***11的电力供给到负载的配电板14、和二次电池16。
配电板14具备：连接燃料电池***11的输出的总线31；设置在与***电源连接的配电线39与总线31之间的断路器32；和设置在总线31与负载之间的开关34、35。断路器32当从燃料电池***11内的后述的功率调节器(PCS)13接收到停电检测信号时，将解扣成开放状态(即断路状态)，若换言之，则断路器32构成为使总线31自动与***电源侧断开。
在该实施方式中，作为电力消费者的宅内的负载，设为具有：只有在***电源运转时供电即可的通常负载41、和不只在***电源运转时而且在***电源停电时也应供电的备用负载42这两种负载。通常负载41经由开关34连接于总线31，而备用负载42经由开关35连接于总线31。在此备用电源***中，来自***电源的交流电力和来自燃料电池***11的交流电力，经由配电板14并经由同一宅内配电线，供给到各负载41、42。
燃料电池***11具备：燃料电池12，其由对燃料进行改性后生成氢的改性器、和供给氢与氧(空气)来发电的燃料电池主体构成；和功率调节器13，其将由燃料电池12发出的直流电力转换成交流电力后进行输出。作为燃料，例如可使用灯油或LPG(液化石油气)或天然气，因此该燃料电池***11具有以碳氢化合物为燃料的燃料电池。作为改性器及燃料电池主体，虽使用了与图1所示的现有***相同的器件，但尤其是在该实施方式中，燃料电池的各种辅助设备(泵及加热器等)是由直流电力来进行驱动的。
作为功率调节器13，虽然使用了与图1所示的现有电源***中所使用的功率调节器92相同的器件，但图2所示的备用电源***中的功率调节器13在具备下述功能的点上与图1所示的不同，即，当检测出***电源侧停电时，使燃料电池***11的动作停止，并将表示检测到***电源停电的意思的信号即停电检测信号输出到配电板14。并且，作为在功率调节器13中对***电源侧的停电进行检测的方法，在与***电源连接的分散电源的功率调节器中可采用现在一般所使用的方法。
二次电池16与在燃料电池12和功率调节器13之间传输直流电力的导线相连接，并通过从燃料电池12或功率调节器13所供给的直流电力进行充电。由于燃料电池12自身难以对应负载的突变，所以当负载急速增加时，除了来自燃料电池12的直流电力之外，还由功率调节器13将储备于二次电池16中的直流电力转换成交流电力后供给到负载，当负载急速减少时，由来自燃料电池12的直流电力的一部分对二次电池16进行充电，在***电源为通常状态时，可以使该备用电源***高效率地运转。此外，储备于二次电池16中的直流电力也可用作启动燃料电池12时的电力。换言之，在该实施方式中，即便在没有来自***电源侧的电力供给，不能由功率调节器13启动燃料电池12的情况下，也可通过将储备于二次电池16中的电力供给到燃料电池12的各辅助设备(泵及加热器等)，使燃料电池12启动并从燃料电池12获取直流电力。
作为这样的二次电池16，例如，可使用锂离子电池、镍氢电池、或铅蓄电池等。
接着，对于该备用电池***的动作进行说明。
当***电源为正常工作时，断路器32、开关34、35都闭合成导通状态，来自***电源的交流电力与来自燃料电池***11的交流电力经由配电板14供给到负载41、42。当燃料电池***11未启动时，用于启动燃料电池***11的电力，从***电源供给到功率调节器13。此外，二次电池16被控制为充放电至规定的充电电平以上。在该实施方式中，所谓规定的充电电平是能够从二次电池16供给燃料电池12的启动所需要的全部电力以上的充电电平。
设定***电源为停止即已经停止。通过燃料电池***11的功率调节器13检测该停电，其结果，功率调节器13中止将直流电力转换成交流电力的动作，并使燃料电池12的运转自动停止，此外，根据需要将燃料电池***11与配电板14电断开，并将停电检测信号传送到配电板14。其结果，断路器32解扣到开启侧，使配电板14的总线31与连接于***电源的配电线39断开。
通过这样将***电源与配电板14的总线31断开并停止来自燃料电池***11的电力供给，也将停止向负载41、42的交流电力的供给。为了在此状态下是燃料电池***11作为备用电源发挥功能，首先，将开关34、35设为开放状态而将负载41、42与配电板断开，并对燃料电池***11的功率调节器13进行操作，由来自二次电池16的电力使燃料电池12启动。即，使燃料电池12的各辅助设备开始运转。当燃料电池12启动达到输出规定的直流电力时，功率调节器13将重新开始将直流电力向交流电力转换，其结果，来自燃料电池12的直流电力被转换成交流电力并供给到配电板14的总线。此时，将与备用负载42相连的开关35闭合，以便向备用负载42供给交流电力。
如上所述，进行燃料电池12的再启动，使对备用负载42的交流电力的供给重新开始。
接着，说明从***电源停电到恢复时的动作。若在配电板14上比断路器32更靠近***电源侧的位置上，设置有以来自***电源的电力进行发光的指示灯，则可通过指示灯的再次点亮来获知***电源已从停电得以恢复。此时，用手动来停止燃料电池***11。即，使燃料电池12停止，并使在功率调节器13中的直流-交流转换动作停止。接着，闭合断路器32，将来自***电源的电力供给到配电板14的总线31。此后，再启动燃料电池***11，此外，通过闭合开关34返回到最初所说明的通常运转状态。
在以上的动作中，***电源侧成为停电且断路器32成为开放状态后，虽然在***电源已恢复的情况下再次接通断路器32使断路器43成为导通状态，但是在接通断路器32时燃料电池***11必须停止。在此，当燃料电池***11正动作中或燃料电池12处于其启动过程中时，优选在配电板14中设置内锁装置以使处于开放状态的断路器32不会重新接通。
此外，在上述的次序中，虽然燃料电池***11的启动或开关34、35的接通关断、各功率调节器13、17的操作等是由操作员以手动来进行的，但是也可在配电板14中设置控制电路，以便能够自动地进行这些操作。图3表示配备了这种控制电路的备用电源***。
图3所示的备用电源***与图2所示的备用电源***的不同之处在于，在配电板14内设置有控制电路36。控制电路36构成为：可以使配电板14内的断路器32恢复到导通状态、或对配电板14内的各开关34、35进行控制，并且能够对燃料电池***11内的功率调节器13发出指令。为了将来自控制电路36的指令对功率调节器13进行传达，在配电板14与功率调节器13之间设置有信号线37。
控制电路36例如具备用于转移到备用运转模式的按钮开关即备用运转开关、和用于转移到通常运转模式的按钮开关即通常运转开关。在***电源停电，如上所述断路器32解扣到开放状态，并已停止燃料电池***11及来自二次电池16的电力供给的状态下，若备用运转开关***作，则控制电路36自动地进行从将开关34、35置于开放状态开始，启动燃料电池***11，到将开关35置于接通状态为止的上述处理。此外，在处于备用运转模式时若通常运转开关***作，则控制电路36在确定了***电源已恢复的基础上，自动地进行从燃料电池***11的停止和断路器32的接通到燃料电池***11的再启动和开关34的接通为止的处理。通过设置这种控制电路36就可简单地进行基于本发明的备用电源***的运转操作。

Claims (8)

1、一种备用电源***，与***电源连接，并具有包括燃料电池和功率调节器的燃料电池***，
在所述燃料电池与所述功率调节器之间的直流电力的路径上能够连接二次电池，并能够利用储备于所述二次电池中的直流电力来启动所述燃料电池。
2、一种备用电源***，与***电源连接，并具有包括燃料电池和功率调节器的燃料电池***，
该备用电源***还具备：
配电板，其与所述***电源连接并向负载供电；
断路器，其设置在所述***电源与配电板之间；和
二次电池，其连接在所述燃料电池与所述功率调节器之间的直流电力的路径上；
在所述功率调节器中检测出所述***电源停电时，所述功率调节器使所述燃料电池的动作停止，并将停电检测信号传送到所述断路器使所述断路器处于开放状态，
当所述断路器为开放状态时，能够从所述二次电池由电力来启动所述燃料电池，并在所述燃料电池启动之后从该燃料电池***向所述配电板供给交流电力。
3、根据权利要求2所述的备用电源***，其特征在于，
连接于所述配电板的负载为通常负载和备用负载，在所述***电源进行通常动作时向所述通常负载以及所述备用负载供电，在所述断路器处于开放状态并启动了所述燃料电池之后，仅向所述备用负载供电。
4、根据权利要求3所述的备用电源***，其特征在于，
所述备用负载的负载容量小于所述燃料电池***的额定输出。
5、根据权利要求2～4中任一项所述的备用电源***，其特征在于，
在所述断路器为开放状态时恢复了所述***电源的情况下，所述燃料电池***的运转停止，然后所述断路器恢复到导通状态，并在所述断路器恢复到导通状态之后所述燃料电池***重新启动。
6、根据权利要求2～4中任一项所述的备用电源***，其特征在于，
还具备控制电路，该控制电路对所述断路器从所述开放状态向所述导通状态的恢复进行控制，并产生针对所述功率调节器的指令。
7、根据权利要求3或4所述的备用电源***，其特征在于，
还具备：
第1开关，其在所述配电板内设置于到所述通常负载的导线上；
第2开关，其在所述配电板内设置于到所述备用负载的导线上；和
控制电路，其对所述断路器从所述开放状态向所述导通状态的恢复进行控制，并对所述第1以及第2开关的接通关断进行控制，产生针对所述功率调节器的指令。
8、根据权利要求1～7中任一项所述的电源***，其特征在于，
所述燃料电池***具有以碳氢化合物为燃料的燃料电池。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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