FI121864B - Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteeseen - Google Patents

Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteeseen Download PDF

Info

Publication number
FI121864B
FI121864B FI20085718A FI20085718A FI121864B FI 121864 B FI121864 B FI 121864B FI 20085718 A FI20085718 A FI 20085718A FI 20085718 A FI20085718 A FI 20085718A FI 121864 B FI121864 B FI 121864B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
fuel
fuel cell
thermodynamic equilibrium
anode
values
Prior art date
Application number
FI20085718A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI20085718A (fi
FI20085718A0 (fi
Inventor
Tero Hottinen
Timo Lehtinen
Original Assignee
Waertsilae Finland Oy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Waertsilae Finland Oy filed Critical Waertsilae Finland Oy
Priority to FI20085718A priority Critical patent/FI121864B/fi
Publication of FI20085718A0 publication Critical patent/FI20085718A0/fi
Priority to EP09793989.6A priority patent/EP2311125A4/en
Priority to PCT/FI2009/050503 priority patent/WO2010004083A1/en
Priority to CN200980126468.2A priority patent/CN102089913B/zh
Priority to KR1020117003101A priority patent/KR101553429B1/ko
Priority to JP2011517183A priority patent/JP5645818B2/ja
Publication of FI20085718A publication Critical patent/FI20085718A/fi
Priority to US12/986,581 priority patent/US20110165486A1/en
Application granted granted Critical
Publication of FI121864B publication Critical patent/FI121864B/fi

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D7/00—Control of flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04402—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791—Concentration; Density
    • H01M8/04798—Concentration; Density of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteeseen Keksinnön ala 5 Polttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, joihin syötetään reaktioaineita sähköenergian tuottamista varten.
Tunnettu tekniikka 10 Kuviossa 1 esitetään polttokenno, joka käsittää anodipuolen 100 ja katodi-puolen 102 sekä näiden välissä olevan elektrolyytin 104. Polttokennolaitteisiin syötettävät reaktioaineet käyvät läpi prosessin, jossa syntyy eksotermisen reaktion tuloksena sähköenergiaa ja vettä. SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) polt-tokennoissa eli kiinteän oksidin polttokennoissa katodipuolelle syötettävä 15 happi vastaanottaa katodilta elektronin eli pelkistyy negatiiviseksi happi-ioniksi, joka kulkee elektrolyytissä anodille, missä se yhdistyy käytettävän polttoaineen kanssa muodostaen vettä ja hiilidioksidia. Anodin ja katodin välillä on ulkoinen sähköpiiri, jota pitkin elektroneja kulkeutuu katodille.
20 Tyypillisesti SOFC-polttokennojen polttoaineina käytetään luonnonkaasuja kuten metaania ja korkeampia hiiliyhdisteitä sisältäviä kaasuja, jotka kuitenkin pitää esikäsitellä ennen niiden syöttämistä polttokennoihin, jotta vältettäisiin hiilen muodostumista eli koksaantumista. Koksaantumisessa hiilivedyt ^ hajoavat termisesti ja muodostuu hiiltä, joka tarttuu kiinni polttokennolait-
O
^ 25 teen pintoihin ja joka adsorboituu katalyytteihin kuten nikkelipartikkeleihin.
oo 9 Koksaantumisessa muodostuva hiili peittää polttokennolaitteen aktiivista pin- taa heikentäen siten merkittävästi polttokennoprosessin reaktiivisuutta. Hiili
X
£ voi myös jopa tukkia kokonaan polttoaineen kulkureitin.
00 S 30 Koksaantumisen estäminen on täten tärkeätä, jotta polttokennot olisivat pit- o oj käikäisiä. Koksaantumisen estämisellä säästetään myös katalyyttejä eli ainei ta (nikkeli, platina ym), joita käytetään polttokennoissa kemiallisten reaktioi- 2 den nopeuttamiseksi. Kaasun esikäsittelyssä tarvitaan vettä, jota syötetään polttokennolaitteeseen. Myös anodilla tapahtuvassa happi-ionin ja polttoaineen eli kaasun yhdistymisessä syntyvää vettä voidaan käyttää kaasun esikäsittelyssä.
5
Anodilla takaisinkytketysti kierrätettävän kaasun koostumus on tunnettava riittävän tarkasti, jotta tunnetun tekniikan mukainen kaasun esikäsittely onnistuisi. Erityisesti happi-hiili(0/C)-suhdetta ja jossain määrin myös vety-hiili(H/C)-suhdetta pitää kontrolloida, jotta vältettäisiin hiilen muodostumisen 10 kannalta riskialtein reaktioympäristö.
Tunnetun tekniikan ongelmana on, että kaasun esikäsittelyä varten tarvitaan monimutkainen ja kallis jatkuvatoiminen online -mittausjärjestely kuten kaa-sukromatogrammin käyttämistä kierrätettävän kaasun ainesosien selville 15 saamiseksi, jotta saataisiin varmuutta kaasun esikäsittelyn toteutumisesta sillä tavoin kuin prosessin kannalta olisi tarkoituksenmukaista.
Keksinnön lyhyt selostus 20 Keksinnön tavoitteena on polttokennototeutus, joka on mahdollista pitää turvallisissa toimintarajoissaan ilman monimutkaista ja kallista jatkuvatoimista mittausjärjestelyä. Tämä saavutetaan polttokennolaitejärjestelyllä sähköenergian tuottamiseksi käsittäen ainakin yhden polttokennon anodin ja kato-din, elektrolyytin ionien välittämiseksi anodin ja katodin välillä ja elektrolyytis-c3 25 tä erillisen elektronien kulkureitin anodilta katodille. Polttokennolaitetta var- o ten on toteutettuna hiilen muodostumisen estämiseksi säätöjärjestely käsitit täen: laskentavälineet kemiallisten reaktioiden termodynaamisiin tasapainoili hin perustuvan yhden tai useamman termodynaamisen tasapainomallin las- a? kemiseksi polttoaineen takaisinkytkettyä kierrätystä varten ja välineet ta- g 30 kaisinkierrätyksen toteuttamiseksi kierrättämällä takaisinkytketysti polttoai- o ^ netta polttokennon anodin kautta, mittausarvojen muodostamiseksi kierrä tyksessä ainakin sähkövirrasta ja polttoaineen virtaamasta, polttoaineen 3 koostumuksen määrittämiseksi laskennallisesti, termodynaamisen tasapai-nomallin perusteella asetettavien muutosarvojen laskemiseksi kierrätettävälle polttoaineelle mainittuja mittausarvoja ja polttoaineen koostumusta käyttäen, ja tarvittaessa kyseisen laskennan toistamiseksi, niiden muutosarvojen muo-5 dostamiseksi, joilla muutosarvoilla polttoaineen koostumuksen laskenta on todettavissa konvergoituneeksi riittävällä tarkkuudella ja joita muutosarvoja käyttäen polttokennolaitteen toiminta on asetettavissa termodynaamisen ta-sapainomallin mukaiseen turvarajoissa pysyvään toimintaan.
10 Keksinnön kohteena on myös menetelmä sähköenergian tuottamiseksi polt-tokennotekniikalla, jossa menetelmässä välitetään elektrolyytin välityksellä ioneja polttokennon anodin ja katodin välillä ja elektrolyytistä erillistä kulkureittiä pitkin elektroneja anodilta katodille. Menetelmässä suoritetaan hiilen muodostumisen estämiseksi seuraavat vaiheet: lasketaan kemiallisten reakti-15 oiden termodynaamisiin tasapainoihin perustuva yksi tai useampi termodynaaminen tasapainomalli polttoaineen takaisinkytkettyä kierrätystä varten ja suoritetaan polttoaineen kierrätys ta ka i si n ky tkety st i polttokennon anodin kautta, muodostamalla kierrätyksessä mittausarvot ainakin sähkövirrasta ja polttoaineen virtaamasta, määrittämällä laskennallisesti polttoaineen koostu-20 mus, laskemalla mittausarvoja ja polttoaineen koostumusta käyttäen termodynaamisen tasapainomalli n perusteella asetettavat muutosarvot kierrätettävälle polttoaineelle ja tarvittaessa toistamalla kyseistä laskentaa niiden muutosarvojen muodostamiseksi, joilla muutosarvoilla polttoaineen koostumuk-sen laskenta on todettavissa konvergoituneeksi riittävällä tarkkuudella ja joita c3 25 muutosarvoja käyttäen asetetaan polttokennoprosessin toiminta termody- o naamisen tasapainomalli n mukaiseen turvarajoissa pysyvään toimintaan.
c\i Keksintö perustuu siihen, että polttokennoprosessin termodynaamisen tasa- | painon ja hapen ja hiilen väliseen toivottuun suhteeseen perustuen suoriteko taan polttokennoprosessin erilaisten kemiallisten reaktioiden termodynaamis ia g 30 ten tasapainomallien laskenta, kun tunnetuiksi arvoiksi asetetaan ainakin o ^ sähkövirran ja polttoaineen virtauksen arvot. Polttoaineen koostumus määri tetään laskennallisesti. Kyseisiä tasapainomalleja hyödynnetään polttokenno- 4 prosessin takaisinkytketyssä polttoaineen takaisinkierrätyksessä, jossa muodostettaviin mittausarvoihin ainakin polttoaineen virtauksesta ja sähkövirrasta sekä laskennallisesti määritettyyn polttoaineen koostumukseen ja yhteen tai useampaan termodynaamiseen tasapainomalliin perustuen on laskennalli-5 sesti löydettävissä polttokennoprosessin toimintatila, jossa se pysyy asetetuissa turvarajoissa.
Keksinnön mukaisella toteutuksella mahdollistetaan turvallinen polttoaineen takaisinkytketty kierrätys, jossa ei tarvita erillistä vesisyöttöä ja samalla nos-10 tetaan polttoaineen käyttöastetta eli parannetaan polttokennoprosessin sähköenergian tuoton hyötysuhdetta. Keksinnön etuna on myös se, että poltto-kennolaitteen turvallinen ja koksaantumistä estävä käyttö on mahdollista toteutuksessa, jossa ei tarvita monimutkaista ja kallista jatkuvatoimista online -mittausjärjestelyä kuten esimerkiksi kaasukromatogrammin käyttämistä.
15
Kuvioluettelo
Kuviossa 1 esitetään tunnetun tekniikan mukaisen polttokennon toteutus.
20 Kuviossa 2 esitetään keksinnön edullisen toteutusmuodon mukainen polt-tokennolaitteen toteutus.
Keksinnön yksityiskohtainen selostus c3 25 Polttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, joilla on mahdollista tuottaa säh- o köenergiaa korkealla hyötysuhteella ympäristöystävällisesti. Polttokennotek- c\i nologiaa pidetään yhtenä tulevaisuuden lupaavimmista energian tuotanto- | muodoista.
00 g 30 Keksinnön edullinen toteutusmuoto kohdistuu SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) o ^ polttokennolaitteeseen eli kiinteän oksidin polttokennolaitteeseen. Kuviossa 2 esitetään keksinnön edullisen toteutusmuodon mukainen SOFC polttokenno- 5 laite, joka voi hyödyntää polttoaineenaan esimerkiksi maakaasua, biokaasua tai metanolia tai muita hiilivetyjä sisältäviä yhdisteitä. Kuvion 2 esittämä polt-tokennolaitejärjestely käsittää levymäisiä polttokennoja, joissa kussakin polt-tokennossa on kuvion 1 esittämän mukaisesti anodi 100 ja katodi 102 ja polt-5 tokennot ovat kuviossa 2 asennettuina pinomuodostelmaan 103 (SOFC stack). Polttoainetta kierrätetään takaisinkytketysti anodin kautta. Polttoken-non anodin ja katodin välillä on elektrolyytti 104. Katodipuolelle 102 syötetään happea, joka vastaanottaa katodilta elektronin eli pelkistyy negatiiviseksi happi-ioniksi, joka kulkee elektrolyytissä anodille, missä happi-ioni yhdistyy 10 käytettävän polttoaineen kanssa muodostaen vettä ja hiilidioksidia. Anodin ja katodin välillä on erillinen kulkureitti 108 eli ulkoinen sähköpiiri, jota pitkin elektroneja eli sähkövirtaa kulkeutuu kuorman kautta katodille.
Kuvion 2 esittämä polttokennolaitejäijestely käsittää polttoaineen lämmön-15 vaihtimen 105 ja reformerin 107. Lämmönvaihtimia käytetään polttokenno-prosessin lämpötaseen hallintaan, ja niitä voi olla polttokennolaitteen eri paikoissa useampia. Kierrätettävässä kaasussa oleva ylimääräinen lämpöenergia otetaan talteen lämmönvaihtimessa käytettäväksi hyväksi muualla polttoken-nolaitteessa tai kaukolämpöverkossa. Lämpöä talteenottava lämmönvaihdin 20 voi siis sijaita eri paikassa kuin kuviossa 2 on esitetty. Reformeri on laite, joka muuntaa polttoaineen kuten maakaasun polttokennoille sopivaan muotoon eli esimerkiksi kaasuseokseksi, josta on puolet vetyä ja loput metaania, hiilidioksidia ja reagoimattomia kaasuja. Reformeri ei kuitenkaan ole kaikissa r- polttokennototeutuksissa välttämätön, vaan käsittelemätön polttoaine voi- ° 25 daan myös syöttää suoraan polttokennoille 103.
CO
o cv Polttokennojen 103 anodeilla 100 poltettavasta polttoaineesta vain osa kierii rätetään takaisinkytketysti anodien kautta ja niinpä kuviossa 2 esitetään myös kaaviomaisesti muun osan polttoaineesta poistoa 114 anodeilta 100.
10 30 oo -*υ o ^ Kuvion 2 esittämään keksinnön edullisen toteutusmuodon mukaiseen poltto kennolaitteen käyttöön on toteutettuna hiilen muodostumisen estämiseksi 6 säätöjä gestely, joka käsittää laskentavälineinä 110 tietokoneen kemiallisten reaktioiden termodynaamisiin tasapainoihin perustuvan yhden tai useamman tasapainomallin laskemiseksi anodin 100 kautta tapahtuvaa polttoaineen takaisinkytkettyä 109 kierrätystä varten. Kyseinen laskentaprosessi voidaan 5 suorittaa polttokennoprosessin yhteydessä ohjaustietokoneella 110, joka on esimerkiksi ohjelmoitava logiikka (PLC, Programmable Logic Controller) tai muu prosessoripohjainen tietokone. Laskentaprosessi voidaan myös suorittaa etukäteislaskentana tietokoneen prosessorilla, joka voi sijaita eri paikassa kuin itse polttokennolaite.
10
Etukäteen suoritettavalla laskentaprosessilla voidaan muodostaa termodynaamisina tasapainomalleina prosessin termodynaamisia tasapainokäyriä. Tällainen laskenta voi olla suhteellisen hidasta ja tarvitsee paljon tietokoneen prosessorikapasiteettia, joka voi sijaita esimerkiksi polttokennolaitteita val-15 mistavan yrityksen tuotekehitysosastolla.
Laskentaprosessi perustuu siihen, että sähköä tuottavan polttokennoprosessin laskentaan tunnetuiksi arvoiksi annetaan sähkövirta ja veden virtaama, joka on välttämätön erillisen ulkoisen vedensyötön omaavissa polttokenno-20 laitteissa. Polttokennoprosessin lämpötilan antaminen tunnetuksi arvoksi ei ole välttämätöntä johtuen keksinnön edullisen toteutusmuodon SOFC-polttokennolaitteiden korkeista toimintalämpötiloista. Tunnettuna arvona on myös polttoaineen, esimerkiksi maakaasun, virtaama; edullisesti takaisinkier-T- rätyksen kokonaisvirtaus. Erilaisille kemiallisille reaktioille on löydettävissä w 25 kussakin lämpötilassa termodynaamiseksi tasapainomalliksi termodynaami- 9 nen tasapainokäyrä. Keksinnön edullisen toteutusmuodon mukaisen poltto- c\i kennolaitteen toiminnassa keskeisiä kemiallisia reaktioita ovat esimerkiksi | hapen pelkistyminen katodilla negatiiviseksi happi-ioniksi ja happi-ionin yh- “ distyminen anodilla käytettävän polttoaineen kanssa muodostaen vettä ja g 30 hiilidioksidia. Valmiita kirjallisuusarvoja on löydettävissä osalle polttokenno- o £5 laitteen prosessin eri lämpötilojen hapen ja hiilen välisen pitoisuussuhteen optimaalisista arvoista, joilla hiilen muodostuminen minimoituu. Kirjallisuu- 7 desta ovat löydettävissä myös laskentamenetelmät, joilla hapen ja hiilen pi-toisuussuhteen optimaalisia arvoja voidaan laskea lisää erilaisille polttoaineen koostumuksille. Polttokennoprosessissa on tärkeätä pitää vesimäärän virtaama riittävän suurena, jotta varmistetaan prosessin pysyminen hiilenmuodos-5 tumisalueen ulkopuolella. Joko etukäteislaskentana tai reaaliaikaisesti poltto-kennoprosessin kanssa suoritettava laskentaprosessi suoritetaan käyttäen laskennassa mainittuja laskentaan annettavia tunnettuja arvoja termodynaamisen tasapainomallin laskemiseksi polttokennoprosessin kemiallisille reaktioille tunnetuissa lämpötiloissa. Etukäteislaskennassa voidaan muodostaa 10 tasapainokäyrät useille eri virtausarvoille kuten takaisinkierrätyksen vir-tausarvoille. Useiden tasapainokäyrien laskeminen ei ole kuitenkaan välttämätöntä keksinnön mukaisen toteutuksen onnistumisen kannalta.
Keksinnön erään toteutusmuodon mukaisessa laskentaprosessissa muodoste-15 taan etukäteislaskentana kolmiulotteinen (3D) matriisi, jossa on veden syöt-tövirtaus, polttoaineen syöttövirtaus ja sähkövirta x-, y- ja z-akseleina ja kemiallisissa reaktioissa syntyvien ainesosien massaprosentit matriisin x-, y- ja z-akselien elementteinä. Jotta vähennetään muuttujien määrää ja matriisin dimensioita, esimerkiksi polynomia voidaan sovittaa tulosdataan käytettäväk-20 si systeemilaskennassa. Näin voidaan muodostaa riittävän tarkasti keksinnön mukaisen polttokennolaitteen käyttämisessä tarvittavaa ohjausdataa ja mahdollistaa ohjaustietokoneella 110 suoritettava reaaliaikainen laskenta. Polynomin sovittaminen tulosdataan mahdollistaa myös sen, että 3D-matriisista — voidaan poistaa sähkövirta, joka on tyypillisesti hetkittäisellä vaikutuksella w 25 polttokennoprosessiin vaikuttava tekijä. Kuitenkin suoritettaessa termody-
CO
0 naamisen tasapainomallin laskentaa polttokennoprosessin reaaliajassa mai- cv nittua kolmiulotteisen matriisin muodostamista ei välttämättä tarvita.
CC
CL
» Keksinnön mukaisessa toteutuksessa käytetään välineinä takaisinkierrätyksen g 30 toteuttamiseksi ohjaustietokonetta 110, johon tallennetaan etukäteislasken- o ° nassa muodostetut termodynaamiset tasapainokäyrät tai jolla suoritetaan polttokennoprosessin reaaliajassa termodynaamisen tasapainomallin laske- 8 minen. Välineillä takaisinkierrätyksen toteuttamiseksi 110, 112 kierrätetään ta ka isi n ky tketysti polttoainetta, jota mitataan mittausvälineillä 112 mittausarvojen muodostamiseksi polttoaineen virtaamasta, sähkövirrasta sekä mahdollisesti myös veden virtaamasta, lämpötilasta ja muistakin tekijöistä. Tarvitta-5 va tieto polttoaineen koostumuksesta, kuten hapen ja hiilen välinen pitoi-suussuhde, määritetään ohjaustietokoneella 110 laskennallisesti. Seuraavas-sa vaiheessa lasketaan ohjaustietokoneella 110 reaaliaikaisen termodynaamisen tasapainomallin tai etukäteislaskennan tasapainokäyrän perusteella asetettavat muutosarvot kierrätettävälle polttoaineelle mainittuja mittausarvoja 10 ja laskettua happi-hiilisuhdetta käyttäen. Kyseistä laskentaa iteroiden toistetaan, kunnes saavutetaan konvergoitunut tilanne, jossa polttoaineen koostumuksen laskenta on todettavissa konvergoituneeksi riittävällä tarkkuudella eli polttokennoille takaisinkytkennässä kiertävän polttoaineen happi-hiilisuhde ei laskennassa enää muutu. Ensimmäisessä tai useammassa iterointilasken-15 nassa muodostetaan täten muutosarvot, joilla polttokennolaitteen toimiessa polttoaineen koostumus on asetettavissa konvergoituneeksi eli termodynaamisen tasapainomallin tai tasapainokäyrän mukaiseen turvarajoissa pysyvään toimintaan. Tässä toiminnassa polttoaineen happi-hiili pitoisuussuhde pysyy olennaisen tarkasti halutussa arvossaan.
20 Sähkövirran mittaaminen vastaa käytännössä happi-ionien määrän eli happi-vuon mittaamista. Keksinnön mukaisessa toteutuksessa tarvittavia mittausvälineitä 112 ovat siis hinnaltaan edulliset perusmittausteknologiaa edustavat -r- virtausmittari, sähkövirran mittari ja lämpötilan mittari, jotka polttokennolait- c3 25 teen yhteydessä tarvitaan joka tapauksessa. Polttoaineen koostumuksesta o tarvittava tieto on happi-hiilisuhde, joka konvergointivaiheessa lasketaan en- cj naita määritettyjen turvarajojen perusteella. Polttoaineen kierrätysten välise- | nä aikaerona voi olla esimerkiksi vain 20 ms kuitenkaan mitenkään siihen oo rajoittumatta.
m 30 oo o ^ Polttokennoprosessin lämpötilan muuttuessa polttokennolaitteen toiminta voidaan mukauttaa ohjaustietokonetta 110 käyttäen uudella konvergointivai- 9 heella uuden muuttuneen lämpötilan mukaiseen termodynaamiseen tasapai-nokäyrään tai tasapainomalliin. Keksinnön edullisessa toteutusmuodossa tämä ei ole kumminkaan välttämätöntä johtuen SOFC-polttokennolaitteiden korkeista toimintalämpötiloista. Paremminkin SOFC:illa uusi konvergointivaihe 5 tulee kyseeseen muutoksen tapahtuessa polttoaineen virtaamassa, sähkövirrassa sekä mahdollisessa ulkoa järjestetyssä veden virtaamassa. Tällä tavoin polttokennolaitteen toiminta pysyy turvarajojen puitteissa muutoksien tapah-tuessakin. Keksinnön mukaiset konvergointivaiheet ovat suoritettavissa niin nopeasti, että ne voidaan suorittaa polttokennolaitteen sähköenergian tuot-10 tamisprosessin yhteydessä.
Keksinnön mukainen polttokennolaite voi tuottaa sähköä esimerkiksi 750 °C asteen toimintalämpötilassa lMW:n tai pienemmällä teholla (kuitenkaan kyseisiin lämpötila- ja tehoarvoihin mitenkään rajoittumatta), ja se voidaan kyt-15 keä sekä sähkön jakeluverkkoon että kaukolämpöverkkoon, joka ottaa talteen polttokennolaitteen toiminnasta vapautuvaa lämpöenergiaa.
Vaikka keksintöä on edellä selostusosassa kuvattu viitaten kuvioihin, ei keksintö ole kuitenkaan rajoittunut selostusosaan ja kuvioihin vaan keksintöä 20 voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten määrittämissä rajoissa.
δ
CVJ
00 o cm
X
cc
CL
00
LO
00 o o
CM

Claims (10)

10
1. Polttokennolaitejärjestely sähköenergian tuottamiseksi käsittäen ainakin yhden polttokennon anodin (100) ja katodin (102), elektrolyytin (104) ionien 5 välittämiseksi anodin ja katodin välillä ja elektrolyytistä erillisen elektronien kulkureitin (108) anodilta katodille, laskentavälineet (110) kemiallisten reaktioiden termodynaamisiin tasapainoihin perustuvan yhden tai useamman termodynaamisen tasapainomallin laskemiseksi, ja välineet (109, 110, 112) takaisinkierrätyksen toteuttamiseksi kierrättämällä takaisinkytketysti polttoai-10 netta polttokennon anodin (100) kautta, mittausarvojen muodostamiseksi kyseisessä kierrätyksessä ainakin sähkövirrasta ja polttoaineen virtaamasta, polttoaineen koostumuksen määrittämiseksi laskennallisesti ja termodynaamisen tasapainomallin perusteella asetettavien muutosarvojen laskemiseksi kierrätettävälle polttoaineelle mainittuja mittausarvoja ja mainittua polttoai-15 neen koostumusta käyttäen, tunnettu siitä, että polttokennolaitetta varten on toteutettuna hiilen muodostumisen estämiseksi säätöjärjestely käsittäen välineet (109,110,112) ainakin yhden olennaisen muutoksen havaitsemiseksi ainakin yhdessä mittausarvojen muodostamiskohteessa eli polttoaineen virtaamassa ja sähkövirrassa muodostamalla niistä lämpötilavaihtelujen vai-20 kutuksista itsenäisiä mittausarvoja, ja mainitun muutosarvojen laskennan toistamiseksi niiden muutosarvojen muodostamiseksi, joilla polttoaineen koostumuksen laskenta on todettavissa konvergoituneeksi riittävällä tarkkuudella, ja joita muutosarvoja käyttäen polttokennolaitteen toiminta on asetet-tavissa termodynaamisen tasapainomallin mukaiseen turvarajoissa pysyvään 25 toimintaan. cö cp cm 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokennolaitejärjestely, tunnettu sii- | tä, että säätöjärjestely käsittää laskentavälineet (110) termodynaamisen taco sapainomallin laskemiseksi etukäteislaskennalla muodostettavina termody- jg 30 naamisina tasapainokäyrinä. o o CM 11
3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokennolaitejärjestely, tunnettu siitä, että polttoaineena on hiilivetyjä sisältäviä yhdisteitä.
4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen polttokennolaitejärjestely, tunnettu sii-5 tä, että säätöjärjestely käsittää laskentavälineet (110) termodynaamisen ta- sapainokäyrän laskemiseksi perustuen hiilen muodostumisen estämisen kannalta optimaaliseen hiilen ja hapen väliseen pitoisuussuhteeseen polttoken-noprosessin yhdessä tai useammassa lämpötilassa.
5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen polttokennolaitejärjestely, tunnettu sii tä, että säätöjärjestely käsittää laskentavälineet (110) kolmiulotteisen matriisin muodostamiseksi, jossa matriisissa on veden syöttövirta us, polttoaineen syöttövirtaus ja sähkövirta x-, y- ja z-akseleina ja kemiallisissa reaktioissa syntyvien ainesosien massaprosentit x-, y- ja z-akselien elementteinä. 15
6. Menetelmä sähköenergian tuottamiseksi polttokennotekniikalla, jossa menetelmässä välitetään elektrolyytin (104) välityksellä ioneja polttokennon anodin (100) ja katodin (102) välillä ja elektrolyytistä erillistä kulkureittiä (108) pitkin elektroneja anodilta katodille, lasketaan kemiallisten reaktioiden 20 termodynaamisiin tasapainoihin perustuva yksi tai useampi termodynaaminen tasapainomalli, kierrätetään polttoainetta ta ka i si n ky tkety sti (109) polttokennon anodin (100) kautta, muodostetaan mittausarvoja kyseisessä kierrätyksessä ainakin sähkövirrasta ja polttoaineen virtaamasta, määritetään poltto-aineen koostumus laskennallisesti ja lasketaan termodynaamisen tasapainoon 25 mallin perusteella asetettavia muutosarvoja kierrätettävälle polttoaineelle o mainittuja mittausarvoja ja mainittua polttoaineen koostumusta käyttäen, cv tunnettu siitä, että menetelmässä suoritetaan hiilen muodostumisen estä- | minen havaitsemalla ainakin yksi olennainen muutos ainakin yhdessä mitta- oo usarvojen muodostamiskohteessa eli polttoaineen virtaamassa ja sähkövir- g 30 rassa muodostamalla niistä lämpötilavaihtelujen vaikutuksista itsenäisiä mit- o ^ tausarvoja, ja toistamalla mainittua muutosarvojen laskentaa niiden muutos- arvojen muodostamiseksi, joilla polttoaineen koostumuksen laskenta on to- 12 dettavissa konvergoituneeksi riittävällä tarkkuudella, ja joita muutosarvoja käyttäen polttokennolaitteen toiminta on asetettavissa termodynaamisen ta-sapainomallin mukaiseen turvarajoissa pysyvään toimintaan.
7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että laske taan termodynaaminen tasapainomalli etukäteislaskennalla muodostettavina termodynaamisina tasapainokäyrinä.
8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että poltto-10 aineena käytetään hiilivetyjä sisältäviä yhdisteitä.
9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että termodynaaminen tasapainokäyrä lasketaan perustuen hiilen muodostumisen estämisen kannalta optimaaliseen hiilen ja hapen väliseen pitoisuussuhteeseen 15 polttokennoprosessin yhdessä tai useammassa lämpötilassa.
10. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että laskennassa muodostetaan kolmiulotteisen matriisi, jossa on veden syöttövirta-us, polttoaineen syöttövirtaus ja sähkövirta x-, y- ja z-akseleina ja kemiallisis- 20 sa reaktioissa syntyvien ainesosien massa prosentit x-, y- ja z-akselien elementteinä. δ (M co o δ X en CL 00 δ m oo o o (M 13
FI20085718A 2008-07-10 2008-07-10 Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteeseen FI121864B (fi)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20085718A FI121864B (fi) 2008-07-10 2008-07-10 Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteeseen
EP09793989.6A EP2311125A4 (en) 2008-07-10 2009-06-11 METHOD AND CONTROL ARRANGEMENT FOR A FUEL CELL DEVICE
PCT/FI2009/050503 WO2010004083A1 (en) 2008-07-10 2009-06-11 A method and a control arrangement for a fuel cell device
CN200980126468.2A CN102089913B (zh) 2008-07-10 2009-06-11 用于燃料电池装置的方法和控制结构
KR1020117003101A KR101553429B1 (ko) 2008-07-10 2009-06-11 연료 전지 디바이스에 대한 방법 및 제어 장치
JP2011517183A JP5645818B2 (ja) 2008-07-10 2009-06-11 燃料電池デバイス用の方法及び制御構成
US12/986,581 US20110165486A1 (en) 2008-07-10 2011-01-07 Method and a control arrangement for a fuel cell device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20085718A FI121864B (fi) 2008-07-10 2008-07-10 Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteeseen
FI20085718 2008-07-10

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20085718A0 FI20085718A0 (fi) 2008-07-10
FI20085718A FI20085718A (fi) 2010-01-11
FI121864B true FI121864B (fi) 2011-05-13

Family

ID=39677599

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20085718A FI121864B (fi) 2008-07-10 2008-07-10 Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteeseen

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20110165486A1 (fi)
EP (1) EP2311125A4 (fi)
JP (1) JP5645818B2 (fi)
KR (1) KR101553429B1 (fi)
CN (1) CN102089913B (fi)
FI (1) FI121864B (fi)
WO (1) WO2010004083A1 (fi)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI122713B (fi) * 2010-06-16 2012-06-15 Waertsilae Finland Oy Polttokennojärjestelmän säätöjärjestely ja -menetelmä
DE102011087802A1 (de) 2011-12-06 2013-06-06 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb desselben
DE102011088120A1 (de) * 2011-12-09 2013-06-13 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zu dessen Betrieb
CN106910912B (zh) 2015-12-18 2020-06-30 通用电气公司 燃料电池系统及其操作方法及燃料电池发电厂
CN107464944B (zh) * 2016-05-27 2021-02-02 通用电气公司 燃料电池系统及其操作方法
CN108091907B (zh) * 2016-11-22 2020-09-25 通用电气公司 燃料电池系统及其停机方法
WO2018212214A1 (ja) * 2017-05-18 2018-11-22 株式会社デンソー 燃料電池システム
CN108649246A (zh) * 2018-05-15 2018-10-12 张凯 燃料水解气化发电装置及发电效率预测方法
DE102020116211A1 (de) 2020-06-19 2021-12-23 Audi Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem mit interpolationsbasierter Anodengaszuführung

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6682835B2 (en) 2000-12-22 2004-01-27 Utc Fuel Cells, Llc Method and apparatus for increasing the operational efficiency of a fuel cell power plant
JP3614110B2 (ja) 2001-02-21 2005-01-26 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2003288920A (ja) * 2002-03-27 2003-10-10 Toto Ltd 燃料電池システム
JP4467925B2 (ja) * 2003-08-08 2010-05-26 日本電信電話株式会社 燃料電池発電システムの制御法とその制御法を実現する制御プログラムとその制御プログラムを記録した記録媒体
JP2005149979A (ja) * 2003-11-18 2005-06-09 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 燃料電池用燃料の改質方法および燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011527496A (ja) 2011-10-27
FI20085718A (fi) 2010-01-11
EP2311125A4 (en) 2014-07-23
KR101553429B1 (ko) 2015-09-15
CN102089913B (zh) 2014-09-24
CN102089913A (zh) 2011-06-08
KR20110031228A (ko) 2011-03-24
JP5645818B2 (ja) 2014-12-24
EP2311125A1 (en) 2011-04-20
US20110165486A1 (en) 2011-07-07
FI20085718A0 (fi) 2008-07-10
WO2010004083A1 (en) 2010-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI121864B (fi) Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteeseen
Milewski et al. Modeling an alkaline electrolysis cell through reduced-order and loss-estimate approaches
Suther et al. Effects of operating and design parameters on the performance of a solid oxide fuel cell–gas turbine system
Ashraf et al. Analyzing different planar biogas-fueled SOFC stack designs and their effects on the flow uniformity
Wang et al. Dynamic modeling and parameter analysis study on reversible solid oxide cells during mode switching transient processes
Preininger et al. Performance of a ten-layer reversible Solid Oxide Cell stack (rSOC) under transient operation for autonomous application
CN101103481A (zh) 操作熔融碳酸盐燃料电池的方法和系统
Tang et al. Development and validation of a computationally efficient pseudo 3D model for planar SOFC integrated with a heating furnace
Li et al. Two-dimensional dynamic simulation of a direct internal reforming solid oxide fuel cell
Wu et al. Thermal modeling and management of solid oxide fuel cells operating with internally reformed methane
Sun et al. Multi-objective optimizations of solid oxide co-electrolysis with intermittent renewable power supply via multi-physics simulation and deep learning strategy
Lanzini et al. Experimental investigations and modeling of direct internal reforming of biogases in tubular solid oxide fuel cells
CN103299467B (zh) 用于控制燃料电池系统中的燃料供给的方法和装置
Zhang et al. Multi-perspective analysis of CO poisoning in high-temperature proton exchange membrane fuel cell stack via numerical investigation
Xing et al. Improving clean electrical power generation: A theoretical modelling analysis of a molten sodium hydroxide direct carbon fuel cell with low pollution
Tonekabonimoghadam et al. Mathematical modelling and experimental validation of an anode-supported tubular solid oxide fuel cell for heat and power generation
Pfafferodt et al. Stack modelling of a molten carbonate fuel cell (MCFC)
Sun et al. Self-adaptive heat management of solid oxide electrolyzer cell under fluctuating power supply
CN102947995B (zh) 燃料电池系统中的控制结构和方法
Pianko-Oprych et al. Numerical analysis of a serial connection of two staged SOFC stacks in a CHP system fed by methane using Aspen TECH
Lawlor et al. Scrutiny of MT-SOFC stack manifolding design using CFD
Santhanam Process systems analysis of reversible Solid Oxide Cell (rSOC) reactors for electricity storage and sector coupling
Singh et al. Analysis and Optimisation of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)
Connolly et al. Techno-Economic Analysis of Heat-Assisted Hydrogen Production from Nuclear Power
Lee et al. A system level simulation model of SOFC systems for building applications

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Ref document number: 121864

Country of ref document: FI

MM Patent lapsed