專利名稱：質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種應急電源系統，尤其是指一種利用現有的燃料電池技 術，將質子交換膜燃料電池應用于變電站應急電源系統及方法。
背景技術：
為了使變電站的設備在任何情況下都能連續運行，通常會采用應急電源 來維持設備的運轉，當前，變電站的應急電源主要由蓄電池組提供，然而蓄 電池組不能夠長時間供電、承受沖擊電流差、不能帶大功率負荷、不能移動， 所以當變電站長時間需要應急電源供電特別是大功率負荷需要應急電源時， 蓄電池組往往不能滿足我們的要求。發明內容本發明的目的在于提供一種質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源 系統，其可實現燃料電池發電站的自動化及安全操作。本發明的另一目的在于提供一種質子交換膜燃料電池作為變電站應急 電源系統的方法，其可保護變電站更加可靠地長時間運行。為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為 一種質子交換膜燃料 電池作為變電站應急電源系統，其包括應急電源裝置、燃料電池輔助控制系 統及報警系統，燃料電池輔助控制系統與報警系統兩輸出端通過PC機相連， 燃料電池輔助控制系統與報警系統的輸入端與應急電源裝置的輸入端及輸
出端相連。所述的質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源系統，其燃料電池輔助 控制系統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。所述的質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源系統，其報警系統的輸 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。所述的質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源系統，其還包括一可檢 測氫氣泄漏的濃度傳感器，傳感器的數據輸入報警系統的輸入端。所述的質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源系統，其還包括有蓄電 池組，應急電源裝置與進電線間以開關相連。所述的質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源系統，其所述的蓄電池 組為兩組。所述的質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源系統，其所述的應急電 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的使用方法，其主要包括以下步驟 (2)將系統所有輸出執行閥門全部置O;(2) 設置PID初始值，同時添加定時中斷，使其和PID采樣率一樣；(3) 根據負載電壓電流計算空氣/氫氣氣流量PID設定值；(4) 控制器輸出PID模擬量調節系統參數。采用上述結構后，與習用相比，本發明可實現燃料電池發電站的自動 化及安全操作的目的，可克服蓄電池不能長時間供電給變電站的缺陷，能保 證變電站更加可靠地長時間運行。
圖1為應用于變電中的應急電源系統的實施例一的結構示意圖； 圖2為應用于變電中的應急電源系統的實施例二的結構示意圖； 圖3為應用于變電中的應急電源系統的實施例三的結構示意圖； 圖4為發明的外用電路結構框圖。
具體實施方式
質子交換膜燃料電池發電技術是近年來發展比較快的一種發電方式，它 具有啟動快、工作溫度要求低、比功率大、效率高、無污染等特點，在航空、 潛艇、便攜式電源、汽車等領域都有應用。因此，針對蓄電池組不能滿足長 時間提供電源給變電站這一問題，我們提出將質子交換膜燃料電池用于變電 站應急電源，結合蓄電池，保證變電站更加可靠地長時間運行。同時，燃料 電池移動方便，也可以作為變電站便攜式移動電源發電站。為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和實施 方式對本發明作進一步的詳細說明。請參考圖l所示，其為本發明的一種實施例，其公開了一種質子交換膜 燃料電池作為變電站應急電源系統，其包括應急電源裝置l、燃料電池輔助 控制系統2及報警系統3，其中燃料電池輔助控制系統2與報警系統3兩輸出端通過PC機4相連，燃 料電池輔助控制系統2與報警系統3的輸入端與應急電源裝置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，所述的燃料電池輔助控制系統的使用方法，其主要包括以下步驟
(3)將系統所有輸出執行閥門全部置O;(2) 設置PID初始值，同時添加定時中斷，使其和PID采樣率一樣；(3) 根據負載電壓電流計算空氣/氫氣氣流量PID設定值；(4) 控制器輸出PID模擬量調節系統參數。通過上述步驟實現對氫氣和空氣的氣壓、流量控制，我們可以調整燃料 電池的發電功率。當負載變大的，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行檢測，從而確保冷卻系統的有效散執o 川、o所述的報警系統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，燃料電池的功率會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最高供應速率和壓力。比如一個10kW的質子交換膜 燃料電池，它的最高氫氣供應能力為100L/min，空氣為540L/min;而它們 的供應壓力都要求在0—1大氣壓內可調。所以， 一旦氫氣或空氣的功率速 率和氣體壓力超過規定范圍，我們就需要通過我們的報警系統進行報警。采用實施例一的方案，與習用相比，其可實現燃料電池發電站的自動化 及安全操作的目的。圖2為本發明的另一種實施例，其與實施例一相比，除多了一個可檢測 氫氣泄漏的濃度傳感器5外，其它都相同，濃度傳感器5的數據輸入報警系 統的輸入端。通過設置氫氣濃度傳感器5，可為了防止氫氣泄漏導致燃燒、爆炸，報 警系統3設置了自動報警器， 一旦氫氣濃度超過我們的范圍，系統自動報警。 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，我們將所有的數據信息通過RS485通訊串口接入PC機4，實現 數據收集、監控及操作。圖3為本發明實施例三的結構示意圖，其除具有實施例二的結構外，還 包括有蓄電池組6，應急電源裝置1與進電線間以開關S1、 S2相連。所述的蓄電池組6為兩組。使用時，傳統的變電站應急電源主要為蓄電池供電，然而它具有供電時 間有限，承受沖擊電流差，不能帶大功率負荷、不能移動等缺點。針對這些 缺點，我們提出將燃料電池發電站用于變電站應急電源，確保系統長時間穩 定工作。初始狀態下，開關S1，S2斷開。正常工作時1弁進電供應弁1母線負 荷電源并對#1蓄電池組浮充電，2#進電供應#2母線負荷電源并對#2蓄電池 組浮充電。當#1進電異常時，#1蓄電池首先不間斷提供#1母線負荷電源， 同時燃料電池發電站迅速啟動，合開關S1，供應#1母線負荷電源并對#1蓄 電池組浮充電。當#2進電異常時，#2蓄電池首先不間斷提供#2母線負荷電 源，同時合開關S2，燃料電池發電站供應#2母線負荷電源并對弁2蓄電池組 浮充電。 一旦#1進電、#2進電恢復正常后，則斷開開關S1、 S2，停止燃料 電池發電站，以正常方式運行。燃料電池具有啟動比較快(幾秒)，比功率 大、效率高等特點，它和蓄電池組公用一個整流逆變電路，這就減小了成本， 這種實施方式，燃料電池發電站和蓄電池互補合作，確保了變電站在任何情 況下的應急電源的長時間可靠提供。同時，參考圖4所示，我們的基于質子交換膜燃料電池的應急電源系統 已經將DC/AC、 DC/DC等設備包含在內，輸出可直接帶各種應急負荷。應急電源裝置輸出電能分成三個部分第一部分用作通信電源，根據通 信電壓需求選擇相應的DC-DC模±央，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
壓硅鏈使我們得到不同電壓的直流電，滿足了不同用電的需求，如消防應急 燈、播音器、報警電源等；第三部分就是逆變電路，將直流逆變成我們需要 的交流電，可應用于如主變冷卻器、消防水泵等。與習用相比，其可克服蓄 電池不能長時間供電給變電站的缺陷，能保證變電站更加可靠地長時間運 行。雖然通過實施例描繪了本發明，本領域普通技術人員知道，本發明有許 多變形和變化而不脫離本發明的精神，希望所附的權利要求包括這些變形和 變化而不脫離本發明的精神。
權利要求
1、一種質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源系統，其特征在于其包括應急電源裝置、燃料電池輔助控制系統及報警系統，燃料電池輔助控制系統與報警系統兩輸出端通過PC機相連，燃料電池輔助控制系統與報警系統的輸入端與應急電源裝置的輸入端及輸出端相連。
2、 如權利要求1所述的質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源系統， 其特征在于燃料電池輔助控制系統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、 如權利要求1或2所述的質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源 系統，其特征在于報警系統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、 如權利要求3所述的質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源系統， 其特征在于其還包括一可檢測氫氣泄漏的濃度傳感器，傳感器的數據輸入 報警系統的輸入端。
5、 如權利要求4所述的質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源系統， 其特征在于其還包括有蓄電池組，應急電源裝置與進電線間以開關相連。
6、 如權利要求5所述的質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源系統， 其特征在于所述的蓄電池組為兩組。
7、 如權利要求6所述的質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源系統，其特征在于所述的應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、 如權利要求1中所述的燃料電池輔助控制系統的使用方法，其特征 在于其主要包括以下步驟 (1) 將系統所有輸出執行閥門全部置O;(2) 設置PID初始值，同時添加定時中斷，使其和PID采樣率一樣;(3) 根據負載電壓電流計算空氣/氫氣氣流量PID設定值；(4) 控制器輸出PID模擬量調節系統參數。
全文摘要
本發明公開一種質子交換膜燃料電池作為變電站應急電源系統及使用方法，包括應急電源裝置、燃料電池輔助控制系統及報警系統，燃料電池輔助控制系統與報警系統兩輸出端通過PC機相連，燃料電池輔助控制系統與報警系統的輸入端與應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)將系統所有輸出執行閥門全部置0；(2)設置PID初始值，同時添加定時中斷，使其和PID采樣率一樣；(3)根據負載電壓電流計算空氣/氫氣氣流量PID設定值；(4)控制器輸出PID模擬量調節系統參數；與習用相比，本發明可實現燃料電池發電站的自動化及安全操作的目的，可克服蓄電池不能長時間供電給變電站的缺陷，能保證變電站更加可靠地長時間運行。
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 優先權日2007年5月18日
發明者冷旭東, 林 金 申請人:深圳市泰昂電子技術有限公司