专利名称：使用燃料电池的应急电源系统和配电盘的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用燃料电池的应急电源系统，特别是涉及为了在通常时 对负载供给电力，与系统电源连接使用，并在系统电源一侧的停电时，能 从系统电源解除连接，对负载供给来自燃料电池的电力的应急电源系统和 这种应急电源系统中所使用的配电盘。
背景技术：
近年，在电力消耗用户即电力的需要用户的所在之处，作为分散电源 装置，配备燃料电池、组合来自供电局的配电的电力即来自系统电源的电 力与来自燃料电池的电力、供给该电力消耗用户的电力消耗的分散型的电 源系统引人瞩目。在供电局一侧，设置多个发电设备、多个变电设备、连 接这些发电设备及变电设备并且用于将电力对多个需要用户供给的配电 设备，发电设备、变电设备和变电设备作为整体保持谐调地运用，将供电 局一侧的这些设备作为整体称作系统电源。
燃料电池产生直流电，但是在电力消耗用户的住宅内，需要与来自系 统电源的交流电重叠，向负载配电，所以需要将分散电源即燃料电池与系 统电源连接。为了使 燃料电池与系统电源连接，使用将燃料电池输出的直 流电转换为交流电、并使其频率或电压适合于来自系统电源的电力的功率
调节器(PCS)。来自功率调节器的交流电的输出线一般在设置于电力消耗
用户的住宅内的配电盘中，与来自系统电源一侧的配电线连接，据此，向 位于电力消耗用户的住宅内的负载， 一起供给来自燃料电池的交流电和来 自系统电源的交流电。
图l表示用于这样将基于燃料电池的分散电源与系统电源连接的以往 的电源系统的结构。
作为分散电源，设置有包含燃料电池、并输出交流电的燃料电池系统
81，燃料电池系统81的输出与配电盘82连接。配电盘82也与系统电源连接，将来自系统电源的交流电与燃料电池系统81的交流电通过同一配 电线向负载供给。
燃料电池系统81具有燃料电池91和将由燃料电池91发电的直流电 转换为交流电并且输出的功率调节器(PCS) 92。燃料电池91虽然在图1 中未图示，但是具有将由碳化氢构成的燃料例如灯油或LPG(液化石油气) 等燃料重整并且生成氢的重整器、供给氢和氧(或空气)并且发电的燃料 电池主体。燃料电池主体作为典型的燃料电池，具有分别供给氢和氧的负 极和正极、配置在负极和正极之间并且氢离子能透过的电解质膜。
功率调节器92与通过配电盘82输入的系统电源一侧的交流电连接地 将来自燃料电池91的直流电转换为交流电。此外，为了使燃料电池即重 整器或燃料电池主体工作，需要通过加热器将它们升温到规定的温度范 围，此外，为了对重整器供给燃料，需要使泵工作。为了燃料电池系统81 的运转，需要使加热器或泵等各种辅助机械工作，用于使加热器或泵工作 的电力从功率调节器92向燃料电池供给。如果燃料电池系统81进入稳定 运转状态，作为用于加热器或泵的电力，能使用燃料电池91发电的电力 的一部分。可是，在燃料电池系统81自身的起动时，燃料电池91还未开 始发电，所以从由系统电源通过配电盘82向功率调节器92输入的交流电 取得用于使加热器或泵工作的电力。
可是，在系统电源上如上所述那样连接分散电源时，必须使由分散电 源产生的电力不对系统电源一侧带来不良影响。例如，在日本的经济产业 省能源厅总结的"系统连接方针"中表示为了不对系统电源带来不良影响 应该怎样做，特别决定在系统电源一侧发生停电事故时，应该从系统电源 解除连接分散电源。因为，如果在系统电源一侧的停电事故时，分散电源 工作，因为是在停电中，所以本来应该不充电的系统电源一侧的配电线或 配电网由分散电源充电，有可能发生停电恢复等作业中的触电事故、系统 电源恢复到正常状态时系统电源一侧的交流电的相位与配电线一侧的相 位不一致引起的故障。此外，如果从分散电源向系统电源一侧供给电力， 则系统电源内的故障发生位置的寻找就变得困难。在系统电源一侧的停电 事故时，为了从系统电源将分散电源解除连接，分散电源的功率调节器检 测到来自系统电源一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，通过机械的开关或断路器，将分散电源从配电线分离。 燃料电池与气象条件无关，只要继续有燃料，就工作，所以有希望作 为假定地震等灾害发生，系统电源的停电持续时的应急用电源。可是，将 分散电源与系统电源连接而使用时，如上所述，由于保安上的理由，在系 统电源一侧有停电时，分散电源必须停止，所以即使是使用燃料电池的分 散电源，也不能原封不动作为应急用电源使用。此外，将燃料电池一旦停 止后，即使要再起动该燃料电池， 一般作为燃料电池的再起动所需要的电 力，要使用从系统电源供给的电力，所以在系统电源的停电时，不能进行
燃料电池的再起动。另外，在日本专利公开特开平6-223864号公报中示
出在系统电源一侧有停电时，将来自无停电电源装置的电力对燃料电池系 统的泵或加热器等直接供给，使泵或加热器工作，使燃料电池系统再起动。 可是，在该技术中，存在着在燃料电池系统内，使泵或加热器供给电力的 部分的结构变得复杂，用于切换向泵或加热器的电力的供给目标的控制变 得繁杂的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供具有燃料电池、并且是与系统电源连 接的分散型的电源系统，即在系统电源通常工作时，作为分散电源工作， 在系统电源变为停电时，能作为应急用电源使用，并且能简单地进行用于 作为应急用电源使用的切换动作的应急电源系统。
本发明的其他目的在于，提供在这种应急电源系统中所使用的配电盘。
本发明的应急电源系统具有与系统电源连接的燃料电池系统，包括
与系统电源连接，并且向负载供给电力的配电盘；设置在系统电源和配电 盘之间的断路器；设置在燃料电池系统内，从燃料电池将直流电转换为交 流电，向配电盘供给的第一功率调节器；二次电池；和从二次电池将直流 电转换为交流电，向配电盘供给的第二功率调节器；在检测到第一功率调 节器中系统电源的停电时，第一功率调节器使燃料电池系统的动作停止， 并且对断路器发送停电检测信号，将断路器变为开放状态，断路器为开放 状态时，通过从二次电池经由第二功率调节器供给的电力，能起动燃料电池系统，起动后，从燃料电池系统向配电盘供给交流电。
本发明的应急电源系统，优选在系统电源的停电时，起动燃料电池系 统，能向负载只供给来自燃料电池系统的电力。但是，在燃料电池系统的 额定输出中具有限制，所以连接在配电盘上的负载是通常负载和应急负载 的情况下，系统电源通常工作时，对双方的负载供给电力，断路器处于开 放状态，在燃料电池系统起动后，只向应急负载供给电力。优选应急负载 的负载容量低于燃料电池系统的额定输出。
在本发明中，在断路器处于开放状态时，在系统电源己恢复的状态下， 停止燃料电池系统的运转，然后，将断路器返回到导通状态，在断路器返 回到导通状态后，再起动燃料电池系统。为了实现这样的再起动，还能设 置控制断路器的从开放状态向导通状态的返回、产生对第一和第二功率 调节器的指令的控制电路。
在本发明中，作为燃料电池系统，使用具有将碳化氢作为燃料的燃料 电池的燃料电池系统。
本发明的配电盘，使燃料电池系统和系统电源连接，并用于对负载供 给电力，包括与燃料电池系统连接的母线；设置在母线和系统电源之间， 并在燃料电池系统检测到系统电源的停电时，根据从燃料电池系统送来的 信号，成为开放状态的断路器；能将二次电池输出的直流电转换取得的交 流电对母线供给，在断路器处于开放状态时，能通过从二次电池供给的电 力，起动燃料电池系统。
在本发明中，在将燃料电池系统与系统电源连接的电源系统中，系统 电源停电时，虽然燃料电池系统也暂时停止，但是此后，使用通过配电盘 供给的来自二次电池的电力，能起动燃料电池系统，所以能将来自该燃料 电池系统的发电的电力向负载供给。因此，本发明的应急电源系统在平常 时，与系统电源连接，并且在灾害等应急时，能作为应急用电源运转，在 平常时和非常时都是有用的。
图1是表示以往的电源系统的结构的框图。
图2是表示本发明的一个实施例的应急电源系统的结构的框图。图3是表示本发明的其他实施例的应急电源系统的结构的框图。
具体实施例方式
下面，参照
本发明的优选的实施例。
图2表示本发明的一个实施例的应急电源系统。该应急电源系统与系 统电源连接，作为分散电源，具有输出交流电的燃料电池系统ll，并且具 有用于向负载供给来自系统电源的电力和来自燃料电池系统11的电力的
配电盘14。该应急电源系统还具有在系统电源一侧的停电时供给用于起 动燃料电池系统11的电力的二次电池16;将二次电池16充电，并且将从
二次电池16输出的直流电转换为交流电，向配电盘14供给的功率调节器 (PCS) 17。作为二次电池16，例如使用锂离子电池、镍氢电池或者铅蓄 电池等。
配电盘14具有燃料电池11的输出所连接的母线31;在与系统电源
连接的配电线39和母线31之间设置的断路器32;在母线31和二次电池 16 —侧的功率调节器17之间设置的开关33;和设置在母线31和负载之 间的开关34、 35。断路器32从燃料电池系统11内的后面描述的功率调节 器(PCS) 13收到停电检测信号时，断开为开放状态(即断路状态)。换 言之，断路器32自动从系统电源一侧断开母线31。
在本实施例中，作为电力消耗用户的住宅内的负载，有只在系统电源 的工作时供给电力就可以的通常负载41、不仅系统电源的工作时在系统电 源的停电时也应该供给电力的应急负载42等2种。通常负载41通过开关 34与母线31连接，应急负载42通过开关35与母线31连接。在该应急电 源系统中，来自系统电源的交流电和来自燃料电池系统11的交流电通过 配电盘14，并通过同一住宅内配电线向各负载41、 42供给。而且，在二 次电池16处于充电状态时，按照负载一侧的电力消耗状况，从二次电池 16输出，由功率调节器17从直流电转换的交流电向负载41、 42供给。燃
料电池自身难以对负载的急剧变化进行对应，所以负载急剧增加时，对负 载供给来自二次电池16的电力，负载急剧减少时，将二次电池16充电，
从而在系统电源是通常状态时，能效率良好地使该应急电源系统运转。 燃料电池系统11具有由将燃料重整而生成氢的重整器和供给氢、氧(空缺)来发电的燃料电池主体构成的燃料电池12;将由燃料电池12 充电的直流电转换为交流电来进行输出的功率调节器13。作为燃料，例如， 使用灯油或LPG (液化石油气)或天然气，因此，该燃料电池系统11具 有将碳化氢作为燃料的燃料电池。作为重整器或燃料电池主体所使用的与 图1所示的以往的电源系统的同样。
作为功率调节器13，使用与图1所示的以往的电源系统中使用的功率 调节器92同样的功率调节器，但是图2所示的应急电源系统的功率调节 器13与图1所示的功率调节器的不同点在于，具有在检测到系统电源一 侧的停电时，停止燃料电池系统11的动作，并且将检测到系统电源的停 电的意思的信号即停电检测信号向配电盘14输出的功能。另外，作为在 功率调节器13检测系统电源一侧的停电的方法，在与系统电源连接的分 散电源的功率调节器，能使用现在一般使用的方法。
下面，说明图2所示的应急电源系统的动作。
系统电源正常工作时，断路器32、各开关33 35都闭合，成为导通状 态，来自系统电源的交流电、来自燃料电池系统11的交流电、根据状况 来自二次电池16的由功率调节器17转换后的交流电通过配电盘14向负 载41、 42供给。燃料电池系统11不起动时，用于将燃料电池系统11起 动的电力从系统电源向功率调节器13供给。此外，二次电池16由功率调 节器17控制其充放电，以使为规定的充电电平以上。在本实施例中，所 谓规定的充电电平是指能从二次电池16供给燃料电池系统11的起动所需 要的电力的全部以上的充电电平。
假设系统电源停止即停电。通过燃料电池系统11的功率调节器13检 测到此停电，其结果，功率调节器13自动停止燃料电池系统ll的运转， 此外，根据需要，将燃料电池系统11从配电盘14电断开，并且向配电盘 14发送停电检测信号。其结果，将断路器32断开到开放一侧，将配电盘 14的母线31和与系统电源连接的配电线39断开。这时，二次电池16 — 侧的功率调节器17也检测到停电，并将二次电池16从配电盘M电断开。
这样从配电盘14的母线31断开系统电源，停止燃料电池系统11和 来自二次电池16的电力的供给，从而也停止向负载41、 42的交流电的供 给。在该状态下，为了使燃料电池系统11作为应急用电源工作，首先，开关34、 35作为开放状态，将负载41、 42从配电盘14断开，接着使二 次电池16 —侧的功率调节器17工作，将来自二次电池16的电力由功率 调节器17转换取得的交流电供给配电盘14。然后，操作燃料电池系统ll 的功率调节器13，使燃料电池系统11起动。即开始燃料电池12的各辅助 机械的运转，使燃料电池12起动。若燃料电池12起动，输出规定的直流 电，则该直流电就通过功率调节器13转换为交流电，供给配电盘14的母 线31，所以闭合与应急负载42连接的开关35，向应急负载42供给交流 电。
如上所述，进行燃料电池系统11的再起动，重新开始对应急负载42 的交流电的供给。
接着，说明系统电源从停电到恢复时的动作。在配电盘14，在比断路 器32更靠系统电源一侧的位置上，如果设置用来自系统电源一侧的电力 发光的指示灯，通过指示灯再点亮，就能知道系统电源从停电恢复了的情 况。这时，以手动使燃料电池系统ll停止，根据需要，开放幵关33后， 闭合断路器32，向配电盘14的母线31供给来自系统电源一侧的电力。然 后，使燃料电池系统ll再起动，此外，通过将开关33、 34闭合，返回到 最初说明的通常运转状态。
在以上的动作中，系统电源一侧变为停电，断路器32成为开放状态 后，系统电源恢复时，再接通断路器32，将断路器32变为导通状态，但 是在接通断路器32的时刻，燃料电池系统ll必须停止。因此，优选在配 电盘14设置燃料电池系统11工作、或者燃料电池系统11处于起动过程 时使开放状态的断路器32不再接通的联锁装置。
此外，在上述的步骤中，燃料电池系统11的起动或各开关33 35的 通断、各功率调节器13、 17的操作等由基于操作员的手动进行，但是为 了能自动进行这些过程，也可以在配电盘14设置控制电路。图3表示具 有这样的控制电路的应急电源系统。
图3所示的应急电源系统与图2所示的应急电源系统不同点在于，在 配电盘14内设置有控制电路36。控制电路36使配电盘14内的断路器32 恢复到导通状态，能控制配电盘14内的各开关33 35，并且能构成为向燃 料电池系统U内的功率调节器13、或将来自二次电池16的直流电转换为交流电的功率调节器17输出指令。为了向功率调节器13、 17传递来自控
制电路36的指令，在配电盘14与这些功率调节器13、 17之间设置了信 号线37、 38。
控制电路36例如具有用于应急运转模式转变的按钮开关即应急运转 开关、用于通常运转模式转变的按钮开关即通常运转开关。系统电源一侧 变为停电，如上所述，断路器32断开为开放状态，在来自燃料电池系统 11和二次电池16的电力的供给停止的状态下，如果操作应急运转开关， 控制电路36就将开关34、 35变为开放状态，从而使燃料电池系统11起 动，自动执行直到将开关35变为导通状态的上述的处理。此外，处于应 急运转模式下，操作通常运转开关时，控制电路36确认了系统电源的恢 复后，自动执行燃料电池系统11的停止和从断路器32的接通到燃料电池 系统的再起动、开关33、 34的接通的处理。通过设置这样的控制电路36， 能简单进行基于本发明的应急电源系统的运转操作。
权利要求
1. 一种应急电源系统，具有与系统电源连接的燃料电池系统，包括与所述系统电源连接，并且向负载供给电力的配电盘；设置在所述系统电源和所述配电盘之间的断路器；第一功率调节器，其设置在所述燃料电池系统内，从燃料电池将直流电转换为交流电，向所述配电盘供给；二次电池；和第二功率调节器，其从所述二次电池将直流电转换为交流电，向所述配电盘供给；在检测到所述第一功率调节器中所述系统电源的停电时，所述第一功率调节器使所述燃料电池系统的动作停止，并且对所述断路器发送停电检测信号，将所述断路器变为开放状态，所述断路器为开放状态时，通过从所述二次电池经由所述第二功率调节器供给的电力，能起动所述燃料电池系统，起动后，从该燃料电池系统向所述配电盘供给交流电。
2. 根据权利要求l所述的应急电源系统，其特征在于， 连接在所述配电盘上的负载是通常负载和应急负载，所述系统电源在通常工作时，对所述通常负载和所述应急负载供给电力，.所述断路器处于 开放状态，在所述燃料电池系统起动后，只对所述应急负载供给电力。
3. 根据权利要求2所述的应急电源系统，其特征在于， 所述应急负载的负载容量低于所述燃料电池系统的额定输出。
4. 根据权利要求1~3中的任意一项所述的应急电源系统，其特征在于，在所述断路器处于开放状态时，在所述系统电源已经恢复的情况下， 停止所述燃料电池系统的运转，然后，将所述断路器返回到导通状态，在 所述断路器返回到导通状态后，再起动所述燃料电池系统。
5. 根据权利要求1~3中的任意一项所述的应急电源系统，其特征在于，还设置控制电路，其控制所述断路器的从所述开放状态向所述导通状态的恢复，并产生对所述第一和第二功率调节器的指令。
6. 根据权利要求1~5中的任意一项所述的电源系统，其特征在于， 所述燃料电池系统具有将碳化氢作为燃料的燃料电池。
7. —种配电盘，使燃料电池系统和系统电源连接，并用于对负载供给电力，包括与所述燃料电池系统连接的母线；和断路器，其设置在所述母线与所述系统电源之间，并在所述燃料电池 系统检测到所述系统电源的停电时，根据从所述燃料电池系统送来的信号，成为开放状态；能将二次电池输出的直流电转换后取得的交流电向所述母线供给，在 所述断路器处于开放状态时，能通过从所述二次电池供给的电力，起动所 述燃料电池系统。
8. 根据权利要求7所述的配电盘，其特征在于， 连接通常负载和应急负载，在所述系统电源通常工作时，向所述通常负载和所述应急负载供给电力，所述断路器处于开放状态，在所述燃料电 池系统起动后，只向所述应急负载供给电力。
9. 根据权利要求8所述的配电盘，其特征在于，还具有 设置在所述母线与所述通常负载之间的第一幵关； 设置在所述母线与所述应急负载之间的第二幵关；和控制电路，其控制所述断路器的从所述开放状态向所述导通状态的返 回，并控制所述第一和第二开关上的通断。
全文摘要
具有燃料电池系统，并且与系统电源连接，在系统电源停止时，能从燃料电池系统向负载供给电力的应急电源系统，其具有与系统电源连接的配电盘、设置在系统电源和配电盘之间的断路器、二次电池。设置在燃料电池系统内的功率调节器的输出提供给配电盘。检测到系统电源的停电时，功率调节器停止燃料电池系统的动作，并且将停电检测信号向断路器送出，将断路器变为断路状态。断路器是断路状态时，通过从二次电池经由配电盘供给的电力，使燃料电池系统起动，起动后，从燃料电池系统向配电盘供给交流电。
文档编号H02J3/38GK101421898SQ20078001367
公开日2009年4月29日 申请日期2007年2月20日 优先权日2006年2月23日
发明者井深丈, 川路幸弘, 西山拓雄 申请人:新日本石油株式会社