TWI406466B - 利用燃料電池之緊急供電系統及配電盤 - Google Patents

Description

利用燃料電池之緊急供電系統及配電盤

本發明係關於一種利用燃料電池的緊急供電系統，特別是關於一種在通常時為了對負載供給電力而連接系統電源使用，而在系統電源側停電時則與系統電源解除並聯，並由燃料電池對負載供給電力的緊急供電系統，與該等緊急供電系統所使用的配電盤。

近年來，電力消費家庭，亦即電力需求家庭場所中，配備燃料電池作為分散電源裝置，並組合電力業者的配電電力，亦即系統電源的電力，與燃料電池的電力，以供應電力消費家庭之電力消費的分散型電源系統受到矚目。電力業者側設置有複數發電設備與複數變電設備，以及連接該等發電設備與變電設備並供應電力給多數電力需求家庭使用的配電設備，並確保發電設備、變電設備以及配電設備全體協調運作，電力業者側的該等設備整體被稱為系統電源。

由於燃料電池產生的直流電力必須在電力消費家庭宅內與系統電源的交流電力重疊再配電給負載，故作為分散電源的燃料電池必須與系統電源連接。為了使燃料電池與系統電源連接，則必須將燃料電池輸出的直流電力轉換成交流電力，並利用電源調節器(PCS)使其頻率或電壓與系統電源的電力相符合。電源調節器的交流電力輸出線，一般會與電力消費家庭宅內所設置之配電盤其系統電源側的配電線連接，藉此，便能一併供應燃料電池的交流電力與系統電源的交流電力給電力消費家庭宅內的負載。

圖1係表示習知電源系統的構造，其以燃料電池所構成的分散電源連接系統電源使用。

燃料電池系統81設置作為分散電源，其包含燃料電池且輸出交流電力，燃料電池系統81的輸出與配電盤82連接。配電盤82亦連接系統電源，並透過相同配電線供應系統電源的交流電力與燃料電池系統81的交流電力給負載。

燃料電池系統81，其具備燃料電池91以及將燃料電池91所產生的直流電力轉換成交流電力輸出的電源調節器(PCS)92。圖上雖未表示，惟燃料電池91應具備：重組器，其重組例如煤油或LPG(液化石油氣)等碳氫化合物所製成的燃料並生成氫；以及燃料電池本體，其利用供給之氫與氧(或是空氣)發電。典型的燃料電池其燃料電池本體具備分別供給氫與氧的負極與正極，以及配置於負極與正極間且氫離子能透過的電解質膜。

電源調節器92，將燃料電池91的直流電力轉換成交流電力，以連接經由配電盤82輸入之系統電源側的交流電力。又，為了使燃料電池亦即重組器或燃料電池本體動作，則必須以加熱器將其昇溫到既定溫度範圍，又，為了將燃料供應給重組器，則必須使泵浦動作，如是為了運轉燃料電池系統81，而必須使加熱器或泵浦等各種輔助設備動作，而使加熱器或泵浦等動作的電力，則由電源調節器92供應給燃料電池。若燃料電池系統81進入經常運轉狀態，則加熱器或泵浦所需的電力可由部份燃料電池91的發電電力供應。然而，當燃料電池系統81自身開始作動(啟動)時，因燃料電池91尚未開始發電，故以系統電源經由配電盤82輸入電源調節器92的交流電力作為使加熱器或泵浦動作的電力。

另外，當系統電源如上所述連接分散電源時，則必須使分散電源所產生的電力不會對系統電源側造成不良影響。究應如何才不會對系統電源造成不良影響，在例如日本經濟產業省資源能源聽所彙編的「系統連接指南」等文獻中揭示，當系統電源側發生停電事故時，應使分散電源與系統電源解除並聯。當系統電源側發生停電事故時分散電源動作，使停電中本來應未充電之系統電源側的配電線或配電網得以利用分散電源充電，而在停電恢復等作業之觸電事故或系統電源恢復正常狀態時，系統電源側之交流電力的相位與配電線側的相位不一致可能會造成故障。又，當由分散電源供應電力給系統電源側時，欲找出系統電源內故障發生的位置變困難。為了在系統電源側發生停電事故時將分散電源自系統電源解除並聯，分散電源的電源調節器在檢測出系統電源側之電力供給中斷時，即應迅速使該分散電源的動作停止，進而視情況需要利用機械開關或者是斷路器使分散電源與配電線切離。

由於燃料電池不受氣象條件等因素的影響，只要還有燃料就會繼續動作，故預期可作為緊急電源使用，以因應地震等災害發生而系統電源持續停電等情況。然而，當分散電源連接系統電源使用時，由於上述確保安全第一的理由，當系統電源側發生停電時非得停止分散電源不可，故即使是使用燃料電池的分散電源亦無法就這樣當作緊急用電源使用。又，由於燃料電池暫時停止後若欲再次啟動該燃料電池，一般係使用系統電源所供給的電力，作為燃料電池再啟動所需要的電力，故系統電源停電時即無法再次啟動燃料電池。又，日本國專利公開第特開平6－223864號公報中揭示，當系統電源側停電時，可從不斷電電源裝置直接供應電力給燃料電池系統之泵浦或加熱器等，使泵浦或加熱器動作，以再次啟動燃料電池系統。然而，該技術內容，使燃料電池系統內對泵浦或加熱器供給電力部分的構造變複雜，也使切換泵浦或加熱器之電力供給端的控制變繁雜。

於是本發明之目的在於提供一種緊急供電系統，其係一種具備燃料電池並與系統電源連接的分散型電源系統，其特徵為：可在系統電源通常運作時作為分散電源使用，且可在系統電源停電時作為緊急用電源使用，並能簡易地實行切換動作，以切換成緊急用電源使用。

本發明另一目在於提供該等緊急供電系統所使用的配電盤。

本發明之緊急供電系統，係一種連接系統電源並具有燃料電池系統的緊急供電系統，其具備：配電盤，其連接系統電源並對負載供給電力；斷路器，其設置於系統電源與配電盤之間；第1電源調節器，其設置於燃料電池系統內，用以將來自燃料電池的直流電力轉換成交流電力並供應給配電盤；二次電池；以及第2電源調節器，用以將來自二次電池的直流電力轉換成交流電力並供應給配電盤；當第1電源調節器檢測出系統電源停電時，第1電源調節器使燃料電池系統的動作停止，並同時送出停電檢測信號給斷路器，使斷路器呈斷開狀態；當斷路器呈斷開狀態時，可經由第2電源調節器利用二次電池供給電力啟動燃料電池系統，啟動後便由燃料電池系統供應交流電力給配電盤。

本發明之緊急供電系統，會在系統電源停電時啟動燃料電池系統，並僅以燃料電池系統的電力供應給負載。然而，燃料電池系統的額定輸出有其限制，故在連接配電盤的負載有通常負載也有緊急負載的情況下，宜使系統電源正常動作時供應電力給兩種負載，而在斷路器呈斷開狀態並啟動燃料電池系統後，僅供應電力給緊急負載為佳。緊急負載的負載容量宜少於燃料電池系統的額定輸出為佳。

再者，本發明在當斷路器呈斷開狀態時系統電源回復的情況下，宜先停止燃料電池系統運轉，後使斷路器回復到導通狀態，並於斷路器回復到導通狀態後再次啟動燃料電池系統為佳。為了實現這種再次啟動方式，可再設置一控制電路，控制斷路器從斷開狀態復歸於導通狀態，並對第1以及第2電源調節器產生指令。

本發明之燃料電池系統，宜使用以碳氫化合物為燃料的燃料電池為佳。

本發明之配電盤，係一種使燃料電池系統與系統電源連接，並供應電力給負載的配電盤，其特徵為具備：母線，其連接燃料電池系統；以及斷路器，其設置於母線與系統電源之間，並根據燃料電池系統在檢測出系統電源停電時所送出的信號跳成斷開狀態，該配電盤可將由二次電池所輸出的直流電力轉換而得的交流電力供應給母線，並可在斷路器處於斷開狀態時利用二次電池所供給的電力啟動燃料電池系統。

在將燃料電池系統連接系統電源的電源系統中，本發明會在系統電源停電時也暫時停止燃料電池系統，其後，由於能利用二次電池所供給的電力經由配電盤啟動燃料電池系統，故能將該燃料電池系統所發電力供應給負載。因此，本發明之緊急供電系統，平常時連接系統電源，災害等緊急時可作為緊急用電源運轉，無論在平常時或緊急時均可使用。

其次，就本發明較佳實施形態，參照圖面說明之。

圖2係表示本發明一實施形態的緊急供電系統，該緊急供電系統作為分散電源連接系統電源，包含：燃料電池系統11，其輸出交流電力；以及配電盤14，其將系統電源電力與燃料電池系統11電力供應給負載。該緊急供電系統更包含：二次電池16，其在系統電源側停電時供應起動用電力給燃料電池系統11；以及電源調節器(PCS)17，其使二次電池16充電，並將二次電池16所輸出的直流電力轉換成交流電力供應給配電盤14。二次電池16可使用例如鋰離子電池、鎳氫電池、或者是鉛蓄電池等。

配電盤14具備：母線31，其連接燃料電池系統11的輸出；斷路器32，其設置於連接系統電源的配電線39與母線31之間；開關33，其設置於母線31與二次電池16該側的電源調節器17之間；以及開關34、35，其設置於母線31與負載之間。斷路器32，在收到從燃料電池系統11內之後述電源調節器(PCS)13發出的停電檢測信號時，跳脫成斷開狀態(亦即斷路狀態)，換言之，斷路器32能使母線31自動從系統電源側切離。

本實施形態中，電力消費家庭宅內的負載包括僅在系統電源作動時供給電力即可的通常負載41；以及不只系統電源作動時，連系統電源停電時也應供給電力的緊急負載42二種。通常負載41經由開關34連接母線31，緊急負載42經由開關35連接母線31。該緊急供電系統，將系統電源的交流電力與燃料電池系統11的交流電力，經由配電盤14，並透過同一宅內配電線，供應給各負載41、42。再者，當二次電池16處於充電狀態時，該緊急供電系統會因應負載側電力消費狀況，將二次電池16所輸出的直流電力，利用電源調節器17轉換成交流電力，也供應給各負載41、42。由於燃料電池本身難以對應負載的急遽變化，故當負載突然增加時則由二次電池16供應電力給負載，而當負載突然減少時則對二次電池16充電，藉此可在系統電源處於通常狀態時使該緊急供電系統運轉效率良好。

燃料電池系統11包含：燃料電池12，其係由重組燃料以產生氫的重組器與利用供給之該氫氣與氧氣(空氣)發電的燃料電池本體所構成；以及電源調節器13，其將燃料電池12所發直流電力轉換成交流電力輸出。燃料可使用例如煤油、LPG(液化石油氣體)或是天然氣體，因此該燃料電池系統11具有以碳氫化合物為燃料的燃料電池。重組器或燃料電池本體可使用如圖1所示之習知電源系統中相同的構件。

電源調節器13可以使用與圖1所示習知電源系統之電源調節器92相同的構件，在圖2所示的緊急供電系統中，電源調節器13具備在檢測出系統電源側停電時停止燃料電池系統11的動作，並將系統電源停電檢測信號輸出給配電盤14的功能，此點與圖1所示的系統不同。又，電源調節器13檢測出系統電源側停電的方法，可使用現在一般連接系統電源之分散電源的電源調節器所使用的方法。

其次，說明圖2所示緊急供電系統的動作。

當系統電源功能正常時，斷路器32、各開關33~35閉合呈導通狀態，系統電源的交流電力、燃料電池系統11的交流電力，以及二次電池16因應狀況利用電源調節器17轉換的交流電力，經由配電盤14供應給負載41、42。當燃料電池系統11未啟動時，由系統電源供應燃料電池系統11的啟動電力給電源調節器13。又，二次電池16利用電源調節器17控制其充放電，以維持一定程度以上的充電水準。本實施形態中，所謂一定的充電水準，係指燃料電池系統11啟動所需全部電力至少可由二次電池16供給的充電水準而言。

令系統電源停止，亦即停電。燃料電池系統11的電源調節器13檢測出該停電，然後，電源調節器13使燃料電池系統11的運轉自動停止，又，因應需要使燃料電池系統11自配電盤14斷電切離，並送出停電檢測信號給配電盤14。接著，斷路器32跳脫到開路側，配電盤14的母線31與系統電源所連接的配電線39切離。此時，二次電池16側的電源調節器17也檢測出停電，並使二次電池16自動從配電盤14斷電切離。

像這樣從配電盤14的母線31切離系統電源，並停止供給燃料電池系統11以及二次電池16的電力，使供應給負載41、42的交流電力也停止。在該狀態下，為了使燃料電池系統11具有作為緊急用電源的機能，首先，應使開關34、35呈斷開狀態，以使負載41、42自配電盤14切離，接著，使二次電池16側的電源調節器17動作，並將二次電池16的電力以電源調節器17轉換成交流電力供應給配電盤14。然後，操作燃料電池系統11的電源調節器13，以啟動燃料電池系統11，亦即，使燃料電池12的各輔助設備開始運轉，以啟動燃料電池12。當燃料電池12啟動並輸出既定直流電力時，該直流電力經由電源調節器13轉換成交流電力並供應給配電盤14的母線31，閉合連接緊急負載42的開關35以對緊急負載42供給交流電力。

如上所述，再次啟動燃料電池系統11，以再對緊急負載42供給交流電力。

其次，就系統電源恢復供電時的動作說明之。若在比配電盤14之斷路器32更靠系統電源側的位置上，設置以系統電源側電力發光的指示燈的話，則當指示燈再次點亮時，便能知道系統電源已經恢復供電。此時，以手動方式停止燃料電池系統11，因應情況需要使開關33斷開後，閉合斷路器32，以對配電盤14的母線31供給系統電源側的電力。其後，再次啟動燃料電池系統11，並閉合開關33、34以回到最初說明的通常運轉狀態。

在以上動作中，雖然系統電源側停電且斷路器32呈斷開狀態後，會在系統電源恢復時再度閉合斷路器32以使斷路器32呈導通狀態，然而當閉合斷路器32時燃料電池系統11非停止不可。是故，當燃料電池系統11動作時，或燃料電池系統11處於該啟動過程時，宜在配電盤14設置防止處於斷開狀態之斷路器32再次閉合的連鎖裝置。

又，雖然在上述操作順序中，燃料電池系統11的啟動或各開關33~35的開啟關閉，或各電源調節器13、電源調節器17的操作等，可由操作員以手動方式操作，惟亦可在配電盤14內設置控制電路，控制該等處理程序自動進行。圖3係表示具備該等控制電路的緊急供電系統。

圖3所示的緊急供電系統在配電盤14內設置了控制電路36，此點與圖2所示的緊急供電系統不同。控制電路36可使配電盤14內的斷路器32回歸導通狀態，並能控制配電盤14內的各開關33~35，同時可對燃料電池系統11內的電源調節器13，或對將二次電池16的直流電力轉換成交流電力的電源調節器17發出指令。為了對電源調節器13、17傳達控制電路36的指令，應在配電盤14與該等電源調節器13、電源調節器17之間設置信號線37、38。

控制電路36具備例如：緊急運轉開關，其係轉換到緊急運轉模式用的押式按鈕開關；以及通常運轉開關，其係轉換到通常運轉模式用的押式按鈕開關。若在系統電源側停電，且如上所述斷路器32斷開呈斷開狀態，並在燃料電池系統11以及二次電池16電力供給停止狀態下，操作緊急運轉開關的話，控制電路36會自動實行從使開關34、35呈斷開狀態到啟動燃料電池系統11並使開關35呈ON狀態的上述處理。又，若處於緊急運轉模式時操作通常運轉開關，則控制電路36會先確認系統電源是否已經恢復，然後再自動執行從燃料電池系統11停止與斷路器32閉合到燃料電池系統再次啟動、開關33、34閉合的處理。藉由設置該等控制電路36，即可簡易地執行本發明之緊急供電系統的運轉操作。

11．．．燃料電池系統

12．．．燃料電池

13．．．電源調節器

14．．．配電盤

16．．．二次電池

17．．．電源調節器

31．．．母線

32．．．斷路器

33．．．開關

34．．．開關

35．．．開關

36．．．控制電路

37．．．信號線

38．．．信號線

39．．．配電線

41．．．通常負載

42．．．緊急負載

81．．．燃料電池系統

82．．．配電盤

91．．．燃料電池

92．．．電源調節器

圖1係表示習知電源系統之構造的方塊圖。

圖2係表示本發明一實施形態之緊急供電系統其構造的方塊圖。

圖3係表示本發明另一實施形態之緊急供電源系統其構造的方塊圖。

11．．．燃料電池系統

12．．．燃料電池

13．．．電源調節器

14．．．配電盤

16．．．二次電池

17．．．電源調節器

31．．．母線

32．．．斷路器

33．．．開關

34．．．開關

35．．．開關

39．．．配電線

41．．．通常負載

42．．．緊急負載

Claims (11)

1. 一種緊急供電系統，其連接系統電源並具有燃料電池系統，其特徵為包含：配電盤，其連接該系統電源並透過母線(generating line)對負載供給電力；斷路器，其設置於該系統電源與該配電盤中的該母線之間；第1電源調節器，其設置於該燃料電池系統內，並將來自燃料電池的直流電力轉換成交流電力，供應給該配電盤；二次電池；以及第2電源調節器，其將來自該二次電池的直流電力轉換成交流電力，並供應給該配電盤；當該第1電源調節器檢測出該系統電源停電時，該第1電源調節器使該燃料電池系統的動作停止，並同時送出停電檢測信號給該斷路器，使該斷路器呈斷開狀態；當該斷路器呈斷開狀態時，可利用由該二次電池透過該第2電源調節器所供給的電力啟動該燃料電池系統，啟動後便由該燃料電池系統透過該配電盤的該母線供應交流電力給該負載。
2. 如申請專利範圍第1項之緊急供電系統，其中，與該配電盤連接的負載為通常負載與緊急負載；且該系統電源於正常運作時對該通常負載以及該緊急負載供給電力；而在該斷路器處於斷開狀態下，於啟動該燃料電池系統後，僅對該緊急負載供給電力。
3. 如申請專利範圍第2項之緊急供電系統，其中，該緊急負載的負載容量未達於該燃料電池系統的額定輸出。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之緊急供電系統，其中，當該斷路器處於斷開狀態時，於該系統電源復原的情況下，先停止該燃料電池系統的運轉，其後使該斷路器回復到導通狀態，並在該斷路器回復到導通狀態之後，再次啟動該燃料電池系統。
5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之緊急供電系統，其中，更包含一控制電路，其控制該斷路器從該斷開狀態復歸於該導通狀態，並對該第1以及第2電源調節器產生指令。
6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之緊急供電系統，其中，該燃料電池系統具有以碳氫化合物為燃料的燃料電池。
7. 如申請專利範圍第1至3項中任1項之緊急供電系統，其中，該燃料電池系統更包含重組器；在該斷路器為斷開狀態時，藉由從該二次電池透過該第2電源調節器所供給的電力，使加熱器以及泵浦動作，而可使該燃料電池系統啟動；該加熱器使該重組器升溫，該泵浦供給燃料至該重組器。
8. 一種配電盤，其使燃料電池系統與系統電源連接，並用以對負載供給電力，其特徵為包含：母線，其連接該燃料電池系統及該負載；以及斷路器，其設置於該母線與該系統電源之間，並根據該燃料電池系統在檢測出該系統電源停電時從該燃料電池系統所送出的信號跳成斷開狀態；該配電盤可將由二次電池所輸出的直流電力轉換而得的交流電力供應給該母線，並可在該斷路器處於斷開狀態時利用該二次電池所供給的電力啟動該燃料電池系統，並將由該燃料電池系統所得到的電力供給至該負載。
9. 如申請專利範圍第8項之配電盤，其中，該配電盤連接通常負載與緊急負載以做為該負載，且該系統電源在正常運作時對該通常負載以及該緊急負載供給電力；並在該斷路器處於斷開狀態下啟動該燃料電池系統後，僅對該緊急負載供給電力。
10. 如申請專利範圍第9項之配電盤，其中更包含：第1開關，其設置於該母線與該通常負載之間；第2開關，其設置於該母線與該緊急負載之間；以及 控制電路，其控制該斷路器從該段開狀態復歸於該導通狀態，並控制該第1以及第2開關開閉。
11. 如申請專利範圍第8至10項中任1項之配電盤，其中，該燃料電池系統更包含重組器；在該斷路器為斷開狀態時，藉由從該二次電池所供給的電力，使加熱器及泵浦動作，而可使該燃料電池系統啟動；該加熱器使該重組器升溫，該泵浦供給燃料至該重組器。