專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)急電源系統(tǒng)，尤其是指一種利用現(xiàn)有的燃料電池技 術(shù)，將質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用于變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
為了使變電站的設(shè)備在任何情況下都能連續(xù)運(yùn)行，通常會(huì)采用應(yīng)急電源 來維持設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)前，變電站的應(yīng)急電源主要由蓄電池組提供，然而蓄 電池組不能夠長時(shí)間供電、承受沖擊電流差、不能帶大功率負(fù)荷、不能移動(dòng)， 所以當(dāng)變電站長時(shí)間需要應(yīng)急電源供電特別是大功率負(fù)荷需要應(yīng)急電源時(shí)， 蓄電池組往往不能滿足我們的要求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源 系統(tǒng)，其可實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)電站的自動(dòng)化及安全操作。本發(fā)明的另一目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急 電源系統(tǒng)的方法，其可保護(hù)變電站更加可靠地長時(shí)間運(yùn)行。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為 一種質(zhì)子交換膜燃料 電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)，其包括應(yīng)急電源裝置、燃料電池輔助控制系 統(tǒng)及報(bào)警系統(tǒng)，燃料電池輔助控制系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)兩輸出端通過PC機(jī)相連， 燃料電池輔助控制系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)的輸入端與應(yīng)急電源裝置的輸入端及輸
出端相連。所述的質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)，其燃料電池輔助 控制系統(tǒng)的輸入量主要包括空氣或氧氣氣壓、空氣或氧氣流量、氫氣流量、 氫氣氣壓、燃料電池堆輸出的電壓及電流、尾氣氣壓及尾氣溫度。所述的質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)，其報(bào)警系統(tǒng)的輸 入量主要包括空氣或氧氣氣壓、空氣或氧氣流量、氫氣流量、氫氣氣壓、 燃料電池堆輸出的電壓及電流、尾氣氣壓及尾氣溫度。所述的質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)，其還包括一可檢 測氫氣泄漏的濃度傳感器，傳感器的數(shù)據(jù)輸入報(bào)警系統(tǒng)的輸入端。所述的質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)，其還包括有蓄電 池組，應(yīng)急電源裝置與進(jìn)電線間以開關(guān)相連。所述的質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)，其所述的蓄電池 組為兩組。所述的質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)，其所述的應(yīng)急電 源裝置輸出電能分成三部分，第一部分通信電源，第二部分是通過降壓硅鏈 得到不同電壓的直流電，第三部分是逆變電路。所述的燃料電池輔助控制系統(tǒng)的使用方法，其主要包括以下步驟 (2)將系統(tǒng)所有輸出執(zhí)行閥門全部置O;(2) 設(shè)置PID初始值，同時(shí)添加定時(shí)中斷，使其和PID采樣率一樣；(3) 根據(jù)負(fù)載電壓電流計(jì)算空氣/氫氣氣流量PID設(shè)定值；(4) 控制器輸出PID模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。采用上述結(jié)構(gòu)后，與習(xí)用相比，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)電站的自動(dòng) 化及安全操作的目的，可克服蓄電池不能長時(shí)間供電給變電站的缺陷，能保 證變電站更加可靠地長時(shí)間運(yùn)行。


圖1為應(yīng)用于變電中的應(yīng)急電源系統(tǒng)的實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為應(yīng)用于變電中的應(yīng)急電源系統(tǒng)的實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為應(yīng)用于變電中的應(yīng)急電源系統(tǒng)的實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為發(fā)明的外用電路結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電技術(shù)是近年來發(fā)展比較快的一種發(fā)電方式，它 具有啟動(dòng)快、工作溫度要求低、比功率大、效率高、無污染等特點(diǎn)，在航空、 潛艇、便攜式電源、汽車等領(lǐng)域都有應(yīng)用。因此，針對蓄電池組不能滿足長 時(shí)間提供電源給變電站這一問題，我們提出將質(zhì)子交換膜燃料電池用于變電 站應(yīng)急電源，結(jié)合蓄電池，保證變電站更加可靠地長時(shí)間運(yùn)行。同時(shí)，燃料 電池移動(dòng)方便，也可以作為變電站便攜式移動(dòng)電源發(fā)電站。為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施 方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。請參考圖l所示，其為本發(fā)明的一種實(shí)施例，其公開了一種質(zhì)子交換膜 燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)，其包括應(yīng)急電源裝置l、燃料電池輔助 控制系統(tǒng)2及報(bào)警系統(tǒng)3，其中燃料電池輔助控制系統(tǒng)2與報(bào)警系統(tǒng)3兩輸出端通過PC機(jī)4相連，燃 料電池輔助控制系統(tǒng)2與報(bào)警系統(tǒng)3的輸入端與應(yīng)急電源裝置1的輸入端及 輸出端相連。所述的燃料電池輔助控制系統(tǒng)2的輸入量主要包括空氣或氧氣氣壓 21、空氣或氧氣流量22、氫氣流量23、氫氣氣壓24、燃料電池堆輸出的電 壓25及電流26、尾氣氣壓27及尾氣溫度28。使用時(shí)，所述的燃料電池輔助控制系統(tǒng)的使用方法，其主要包括以下步驟
(3)將系統(tǒng)所有輸出執(zhí)行閥門全部置O;(2) 設(shè)置PID初始值，同時(shí)添加定時(shí)中斷，使其和PID采樣率一樣；(3) 根據(jù)負(fù)載電壓電流計(jì)算空氣/氫氣氣流量PID設(shè)定值；(4) 控制器輸出PID模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。通過上述步驟實(shí)現(xiàn)對氫氣和空氣的氣壓、流量控制，我們可以調(diào)整燃料 電池的發(fā)電功率。當(dāng)負(fù)載變大的，我們增大氫氣和空氣的輸入氣壓和流量， 反之亦然。為了防止輸出電壓、電流超過我們的度量范圍和控制范圍，我們需要對輸出電壓、電流進(jìn)行檢測；為了保證熱交換器的正常工作(工作溫度 6(TC—7(TC)，我們需要對尾氣溫度進(jìn)行檢測，從而確保冷卻系統(tǒng)的有效散執(zhí)o 川、o所述的報(bào)警系統(tǒng)3的輸入量主要包括空氣或氧氣氣壓21、空氣或氧氣流量22、氫氣流量23、氫氣氣壓24、燃料電池堆輸出的電壓25及電流26、 尾氣氣壓27及尾氣溫度28。使用時(shí)，燃料電池的功率會(huì)隨著入流氣體的流量、壓力變化，然而不同 功率的燃料電池有一個(gè)最高供應(yīng)速率和壓力。比如一個(gè)10kW的質(zhì)子交換膜 燃料電池，它的最高氫氣供應(yīng)能力為100L/min，空氣為540L/min;而它們 的供應(yīng)壓力都要求在0—1大氣壓內(nèi)可調(diào)。所以， 一旦氫氣或空氣的功率速 率和氣體壓力超過規(guī)定范圍，我們就需要通過我們的報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。采用實(shí)施例一的方案，與習(xí)用相比，其可實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)電站的自動(dòng)化 及安全操作的目的。圖2為本發(fā)明的另一種實(shí)施例，其與實(shí)施例一相比，除多了一個(gè)可檢測 氫氣泄漏的濃度傳感器5外，其它都相同，濃度傳感器5的數(shù)據(jù)輸入報(bào)警系 統(tǒng)的輸入端。通過設(shè)置氫氣濃度傳感器5，可為了防止氫氣泄漏導(dǎo)致燃燒、爆炸，報(bào) 警系統(tǒng)3設(shè)置了自動(dòng)報(bào)警器， 一旦氫氣濃度超過我們的范圍，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。 氫氣濃度要求如下 氫氣(空氣中可燃性限制(容量％) 4.0—75.0 (空氣中可爆性限制(容量％) 18.8 — 59.0最后，我們將所有的數(shù)據(jù)信息通過RS485通訊串口接入PC機(jī)4，實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)收集、監(jiān)控及操作。圖3為本發(fā)明實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖，其除具有實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)外，還 包括有蓄電池組6，應(yīng)急電源裝置1與進(jìn)電線間以開關(guān)S1、 S2相連。所述的蓄電池組6為兩組。使用時(shí)，傳統(tǒng)的變電站應(yīng)急電源主要為蓄電池供電，然而它具有供電時(shí) 間有限，承受沖擊電流差，不能帶大功率負(fù)荷、不能移動(dòng)等缺點(diǎn)。針對這些 缺點(diǎn)，我們提出將燃料電池發(fā)電站用于變電站應(yīng)急電源，確保系統(tǒng)長時(shí)間穩(wěn) 定工作。初始狀態(tài)下，開關(guān)S1，S2斷開。正常工作時(shí)1弁進(jìn)電供應(yīng)弁1母線負(fù) 荷電源并對#1蓄電池組浮充電，2#進(jìn)電供應(yīng)#2母線負(fù)荷電源并對#2蓄電池 組浮充電。當(dāng)#1進(jìn)電異常時(shí)，#1蓄電池首先不間斷提供#1母線負(fù)荷電源， 同時(shí)燃料電池發(fā)電站迅速啟動(dòng)，合開關(guān)S1，供應(yīng)#1母線負(fù)荷電源并對#1蓄 電池組浮充電。當(dāng)#2進(jìn)電異常時(shí)，#2蓄電池首先不間斷提供#2母線負(fù)荷電 源，同時(shí)合開關(guān)S2，燃料電池發(fā)電站供應(yīng)#2母線負(fù)荷電源并對弁2蓄電池組 浮充電。 一旦#1進(jìn)電、#2進(jìn)電恢復(fù)正常后，則斷開開關(guān)S1、 S2，停止燃料 電池發(fā)電站，以正常方式運(yùn)行。燃料電池具有啟動(dòng)比較快(幾秒)，比功率 大、效率高等特點(diǎn)，它和蓄電池組公用一個(gè)整流逆變電路，這就減小了成本， 這種實(shí)施方式，燃料電池發(fā)電站和蓄電池互補(bǔ)合作，確保了變電站在任何情 況下的應(yīng)急電源的長時(shí)間可靠提供。同時(shí)，參考圖4所示，我們的基于質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)急電源系統(tǒng) 已經(jīng)將DC/AC、 DC/DC等設(shè)備包含在內(nèi)，輸出可直接帶各種應(yīng)急負(fù)荷。應(yīng)急電源裝置輸出電能分成三個(gè)部分第一部分用作通信電源，根據(jù)通 信電壓需求選擇相應(yīng)的DC-DC?！姥?，假如我們的燃料電池輸出電壓100V， 通信電壓是48V,則我們選擇100V—48V的DC-DC模塊;第二部分通過降
壓硅鏈?zhǔn)刮覀兊玫讲煌妷旱闹绷麟?，滿足了不同用電的需求，如消防應(yīng)急 燈、播音器、報(bào)警電源等；第三部分就是逆變電路，將直流逆變成我們需要 的交流電，可應(yīng)用于如主變冷卻器、消防水泵等。與習(xí)用相比，其可克服蓄 電池不能長時(shí)間供電給變電站的缺陷，能保證變電站更加可靠地長時(shí)間運(yùn) 行。雖然通過實(shí)施例描繪了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道，本發(fā)明有許 多變形和變化而不脫離本發(fā)明的精神，希望所附的權(quán)利要求包括這些變形和 變化而不脫離本發(fā)明的精神。
權(quán)利要求
1、一種質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)，其特征在于其包括應(yīng)急電源裝置、燃料電池輔助控制系統(tǒng)及報(bào)警系統(tǒng)，燃料電池輔助控制系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)兩輸出端通過PC機(jī)相連，燃料電池輔助控制系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)的輸入端與應(yīng)急電源裝置的輸入端及輸出端相連。
2、 如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)， 其特征在于燃料電池輔助控制系統(tǒng)的輸入量主要包括空氣或氧氣氣壓、 空氣或氧氣流量、氫氣流量、氫氣氣壓、燃料電池堆輸出的電壓及電流、尾 氣氣壓及尾氣溫度。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源 系統(tǒng)，其特征在于報(bào)警系統(tǒng)的輸入量主要包括空氣或氧氣氣壓、空氣或 氧氣流量、氫氣流量、氫氣氣壓、燃料電池堆輸出的電壓及電流、尾氣氣壓 及尾氣溫度。
4、 如權(quán)利要求3所述的質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)， 其特征在于其還包括一可檢測氫氣泄漏的濃度傳感器，傳感器的數(shù)據(jù)輸入 報(bào)警系統(tǒng)的輸入端。
5、 如權(quán)利要求4所述的質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)， 其特征在于其還包括有蓄電池組，應(yīng)急電源裝置與進(jìn)電線間以開關(guān)相連。
6、 如權(quán)利要求5所述的質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)， 其特征在于所述的蓄電池組為兩組。
7、 如權(quán)利要求6所述的質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)，其特征在于所述的應(yīng)急電源裝置輸出電能分成三部分，第一部分通信電源, 第二部分是通過降壓硅鏈得到不同電壓的直流電，第三部分是逆變電路。
8、 如權(quán)利要求1中所述的燃料電池輔助控制系統(tǒng)的使用方法，其特征 在于其主要包括以下步驟 (1) 將系統(tǒng)所有輸出執(zhí)行閥門全部置O;(2) 設(shè)置PID初始值，同時(shí)添加定時(shí)中斷，使其和PID采樣率一樣;(3) 根據(jù)負(fù)載電壓電流計(jì)算空氣/氫氣氣流量PID設(shè)定值；(4) 控制器輸出PID模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種質(zhì)子交換膜燃料電池作為變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)及使用方法，包括應(yīng)急電源裝置、燃料電池輔助控制系統(tǒng)及報(bào)警系統(tǒng)，燃料電池輔助控制系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)兩輸出端通過PC機(jī)相連，燃料電池輔助控制系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)的輸入端與應(yīng)急電源裝置的輸入端及輸出端相連；其使用方法，包括以下步驟(1)將系統(tǒng)所有輸出執(zhí)行閥門全部置0；(2)設(shè)置PID初始值，同時(shí)添加定時(shí)中斷，使其和PID采樣率一樣；(3)根據(jù)負(fù)載電壓電流計(jì)算空氣/氫氣氣流量PID設(shè)定值；(4)控制器輸出PID模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)；與習(xí)用相比，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)電站的自動(dòng)化及安全操作的目的，可克服蓄電池不能長時(shí)間供電給變電站的缺陷，能保證變電站更加可靠地長時(shí)間運(yùn)行。
文檔編號H01M8/04GK101119038SQ20071007450
公開日2008年2月6日 申請日期2007年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者冷旭東, 林 金 申請人:深圳市泰昂電子技術(shù)有限公司