FI122202B - Polttokennolaite ja menetelmä sähkövirran syöttämiseksi sähköverkkoon - Google Patents

Description

Polttokennolaite ja menetelmä sähkövirran syöttämiseksi sähköverkkoon

Keksinnön ala 5

Polttokennolaitteet ovat yleistymässä erilaisiin sähköenergian muodostamis-tarpeisiin. Ne ovat sähkökemiallisia laitteita, joihin syötetään reaktioaineita sähköenergian muodostamista varten.

10 Tunnettu tekniikka

Polttokennolaitteet ovat sähkökemiallisia laitteita, joilla on mahdollista tuottaa sähköenergiaa korkealla hyötysuhteella ympäristöystävällisesti. Poltto-kennoteknologiaa pidetään yhtenä tulevaisuuden lupaavimmista energian 15 tuotantomuodoista.

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 20 reaktion tuloksena sähköenergiaa ja lämpöä. SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) polttokennoissa eli kiinteäoksidipolttokennoissa katodipuolelle syötettävä happi 106 vastaanottaa katodilta elektroneja eli pelkistyy negatiiviseksi hap-pi-ioniksi, joka kulkee elektrolyytissä anodille, missä se yhdistyy käytettävän r- polttoaineen 108 kanssa muodostaen vettä ja tyypillisesti hiilidioksidia. Ano- ° 25 din ja katodin välillä on ulkoinen sähköpiiri 111, jota pitkin elektroneja e- kul- o keutuu katodille. Ulkoinen sähköpiiri käsittää kuorman 110.

CM

O

| Kuviossa 2 esitetään kiinteäoksidi SOFC polttokennolaite, joka voi hyödyntää £ polttoaineenaan esimerkiksi maakaasua, biokaasua tai metanolia tai muita § 30 hiilivetyjä sisältäviä yhdisteitä. Kuvion 2 esittämä polttokennolaite käsittää o ^ levymäisiä polttokennoja, joissa kussakin polttokennossa on kuvion 1 esittä män mukaisesti anodi 100 ja katodi 102 ja polttokennot ovat kuviossa 2 2 asennettuina pinomuodostelmaan 103 (SOFC stack). Polttoainetta kierrätetään ta ka i si n ky tkety st i anodin kautta.

Kuvion 2 esittämä polttokennolaite käsittää polttoaineen lämmönvaihtimen 5 105 ja reformerin 107. Lämmönvaihtimia käytetään polttokennoprosessin lämpötaseen hallintaan, ja niitä voi olla polttokennolaitteen eri paikoissa useampia. Kierrätettävässä kaasussa oleva ylimääräinen lämpöenergia otetaan talteen lämmönvaihtimessa käytettäväksi hyväksi muualla polttokennolait-teessa tai ulkoisessa lämmöntalteenottoyksikössä. Lämpöä talteenottava 10 lämmönvaihdin voi siis sijaita eri paikassa kuin kuviossa 2 on esitetty. Reformed on laite, joka muuntaa polttoaineen kuten maakaasun polttokennoille sopivaan muotoon eli esimerkiksi kaasuseokseksi, josta on puolet vetyä ja loput metaania, hiilidioksidia ja reagoimattomia kaasuja. Reformed ei kuitenkaan ole kaikissa polttokennototeutuksissa välttämätön, vaan käsittelemätön 15 polttoaine voidaan myös syöttää suoraan polttokennoille 103.

Mittausvälineillä 115 (esimerkiksi polttoaineen virtausmittari, sähkövirran mittari ja lämpötilan mittari) suoritetaan polttokennolaitteen toiminnan kannalta välttämättömiä mittauksia anodin kautta takaisinkierrätettävästä polttoai-20 neesta. Polttokennojen 103 anodeilla 100 (kuvio 1) poltettavasta polttoaineesta vain osa kierrätetään takaisinkytketysti 109 anodien kautta ja niinpä kuviossa 2 esitetään myös kaaviomaisesti muun osan polttoaineesta poistoa 114 anodeilta 100.

° 25 Polttokennolaitteella sähköenergia muodostuu matalajännitetasoisena tasa- 9 virtana. Jännitetasoa voidaan kohottaa yhdistämällä useita polttokennoja tai

C\J

o polttokennojen kokoonpanoja sarjaan kytkentään esimerkiksi pinomaiseen | muodostelmaan. Polttokennon virta-jänniteominaisuudet riippuvat muun mu- £ assa reaktioaineiden koostumuksesta, massavirrasta, lämpötilasta ja painees- g 30 ta. Polttokennossa tapahtuvat sähkökemialliset reaktiot reagoivat nopeasti o ^ polttokennon kuorman vaihteluihin. Kuitenkin reaktioaineiden syöttöjärjes- telmän vastekapasiteetti on tyypillisesti huomattavasti hitaampi tarkoittaen 3 vasteaikoja sekunneista jopa minuutteihin. Pyrittäessä saamaan polttoken-noista enemmän tehoa ulos kuin hetkittäinen reaktioaineiden sisään syöttö sallii, aiheutetaan se, että polttokennojen jännitteet heikentyvät, ja jopa polt-tokennojen palautumaton heikentyminen on mahdollista. Lisäksi kuormavaih-5 telut aiheuttavat nopeita lämpötilan muutoksia polttokennoon, mikä erityisesti korkean lämpötilan polttokennoissa aiheuttaa haitallista termomekaanista stressiä, jonka seurauksena polttokennojen suorituskyky ja elinaika voivat merkittävästi vähentyä. Täten polttokennojärjestelmät täytyy suunnitella siten, että kunkin polttokennon kuorma pysyy mahdollisimman hyvin vakiona 10 ja kuorman suuruuden mahdollinen muutos pyritään toteuttamaan mahdollisimman kontrolloidusti.

Kun polttokennoja käytetään itsenäisten muuttuvien vaihtovirtakuormien hankkimiseksi tai tehon syöttämiseksi jakeluverkkoon, tarvitaan DC-AC 15 muunninta muuntamaan tasavirtateho vaihtovirtatehoksi. Lisäksi voidaan tarvita DC-DC muuntimia nostamaan polttokennoilta saatu tasajännite sopivalle tasolle DC-AC muunninta varten. Kuitenkin johtuen polttokennojen erittäin rajoittuneesta sopivuudesta ja kapasiteetista vastata kuormanvaihtelui-hin, tunnetun tekniikan mukaiset polttokennototeutukset, erityisesti korkean 20 lämpötilan polttokennototeutukset, soveltuvat huonosti teholähteinä itsenäisten muuttuvien vaihtovirtakuormien syöttämiseen tai vaihtuvan tehon syöttämiseen jakeluverkkoon. Tunnettu tapa yrittää korjata kyseinen ongelma on energiapuskurin käyttäminen, joka esimerkiksi koostuu lyijyhappopattereista. Energiapuskurin tarkoituksena on syöttää tai syödä tehoa nopeiden muutos-c3 25 ten olosuhteissa, jotta polttokennon kuorman vaihtelu olisi kontrolloitua. Suu- o rissa polttokennojärjestelmissä mainitun tunnetun tekniikan mukaisen toteu- C\] o tuksen haitat korostuvat johtuen sen kalleudesta, suuresta koosta ja painosta | sekä tehokkuuden rajallisuudesta. Sähköverkkoon kytketyissä sovelluksissa £ vaihtoehtoinen tunnetun tekniikan mukainen toteutus polttokennokuorman § 30 pitämiseksi vakiona on käyttää virtakontrolloitua muunnosta tehon syöttämi- o ^ sessä verkkoon. Virtakontrolloidulla muunnoksella suoritettava ohjaus ei ole kuitenkaan sopiva verkkoitsenäiseen toimintaan ja täten sitä ei voida käyttää 4 varateholähteenä polttokennojärjestelmän sisäisille tai ulkoisille kriittisille vaihtovirta kuormille.

Korkean lämpötilan polttokennojärjestelmiin tarvitaan suuri lämpöener-5 giamäärä järjestelmien lämmittämiseksi toimintalämpötiloihin. Tästä seuraa se, että käynnistysajat voivat olla jopa kymmenien tuntien pituisia. Sulkemis-ja käynnistyssekvenssissä tapahtuva suuri lämpötilavaihtelu altistaa poltto-kennot ja niihin liittyvät järjestelmäkomponentit suorastaan liialliselle termomekaaniselle stressille. Täten korkean lämpötilan polttokennojärjestelmät 10 täytyy suunnitella toimimaan yhtäjaksoisesti mahdollisimman pitkiä aikajaksoja, jopa tuhansia tunteja, ilman sulkemisia. Tämän tavoitteen saavuttaminen edellyttää järjestelmän suunnittelemista korkealle luotettavuudelle kuten myös sellaisten ulkoisten tekijöiden minimointia, jotka mahdollisesti sulkisivat järjestelmän toiminnan tai ajaisivat järjestelmän haitallisiin toimintaolosuhtei-15 siin. Virtakontrolloiduilla muuntajilla on polttokennosovelluksissa se ongelma, että ne eivät kykene suojaamaan polttokennoja äkillisiltä kuorman muutoksilta, joita aiheutuu erilaisista verkon häiriöistä kuten esimerkiksi sähkökatkoksista, jännitteen pudotuksista tai jännitepiikeistä.

20 Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on polttokennolaite ilman erillistä sähköenergian va-rastointijärjestelyä, ja jolla polttokennolaitteella syötetään laadukkaasti säh-kövirtaa sähköverkkoon ja häiriön ilmetessä sähköverkossa polttokennolaite c3 25 irrottautuu välittömästi sähköverkosta irralliseen toimintatilaan hyödynnettä- o väksi muihin tarkoituksiin. Tämä saavutetaan sähkövirtaa muodostavalla polt- C\] o tokennolaitejärjestelyllä sähkövirran syöttämiseksi sähköverkkoon, jossa jär- | jestelyssä ainakin yksi polttokennolaite on järjestetty sähköverkkoon rinnan £ kytkettäväksi käsittäen ohjattavan kuorman polttokennolaitteen tehotasapai- <g 30 non ylläpitämiseksi ja välineet polttokennolaitteen kytkemiseksi irti sähköver- o ^ kosta häiriön ilmetessä sähköverkossa. Polttokennolaite käsittää tehonmuun- timen, joka tehonmuunnin käsittää virtakontrolloidusti toimivan tehoasteen 5 sähkövirran ohjaamiseksi sähköverkkoon polttokennolaitteen ollessa sähköverkkoon rinnan kytkettynä, ja joka tehonmuunnin käsittää ohjauspiirin vai-hereferenssisignaalin muodostamiseksi, joka vaihereferenssisignaali kerrotaan amplitudireferenssisignaalilla sähkövirran ohjaamiseksi sähköverkkoon 5 säröytymättömänä polttokennolaitteen tehokkuuden optimoimiseksi, ja polt-tokennolaite käsittää mainitun tehonmuuntimen polttokennolaitteen siirtämiseksi sähköverkon häiriön ilmetessä käyttämällä vaihereferenssisignaalia sähköverkosta irralliseen toimintatilaan tehonmuuntimen toimimiseksi jännite-kontrolloidusti ja mainitun ohjattavan kuorman tehotasapainon ylläpitämisek-10 si jännitekontrolloidun tehonmuuntimen ja muun polttokennolaitteen välillä, ja häiriön poistuttua sähköverkosta mainitun tehonmuuntimen polttokennolaitteen siirtämiseksi käyttämällä vaihereferenssisignaalia sähköverkkoon kytkettyyn toimintatilaan tehonmuuntimen toimimiseksi virtakontrolloidusti.

15 Keksinnön kohteena on myös menetelmä sähkövirran muodostamiseksi polt-tokennolaitteella, jolla syötetään sähkövirtaa sähköverkkoon, ja menetelmässä ainakin yksi polttokennolaite järjestetään sähköverkkoon rinnan kytkettäväksi, muodostetaan vaihereferenssisignaali, jota hyödynnetään sähkövirran ohjaamisessa, ja sähkövirtaa ohjataan sähköverkkoon virtakontrolloidusti 20 tehonmuuntimen käsittämän tehoasteen välityksellä polttokennolaitteen ollessa sähköverkkoon rinnan kytkettynä. Menetelmässä kerrotaan vaihereferenssisignaali amplitudireferenssisignaalilla sähkövirran ohjaamiseksi sähköverkkoon säröytymättömänä polttokennolaitteen tehokkuuden optimoimisek-si, kytketään polttokennolaite irti sähköverkosta häiriön ilmetessä sähköver-^ 25 kossa, siirretään polttokennolaite käyttämällä mainittua vaihereferenssisig- i o naalia sähköverkosta irralliseen toimintatilaan, jossa tehonmuunnin toimii C\| o jännitekontrolloidusti, ja käytetään ohjattavaa kuormaa, jolla ylläpidetään | tehotasapainoa jännitekontrolloidun tehonmuuntimen ja muun polttokenno- j laitteen välillä, ja häiriön poistuttua sähköverkosta siirretään polttokennolaite g 30 käyttämällä mainittua vaihereferenssisignaalia sähköverkkoon kytkettyyn o ^ toimintatilaan, jossa tehonmuunnin toimii virtakontrolloidusti.

6

Keksintö perustuu siihen, että hyödynnetään polttokennolaitteen toiminnassa virtakontrolloitua tehonmuuntamisen topologiaa ja vaihereferenssisignaalia sähkövirran sähköverkkoon ohjaamisessa. Häiriön ilmetessä sähköverkossa kytketään polttokennolaite välittömästi irti sähköverkosta käyttämällä välinei-5 tä irtikytkemisen suorittamiseksi ja hyödyntämällä vaihereferenssisignaalia ja ohjattavaa kuormaa siirretään polttokennolaite sähköverkosta irralliseen toimintamuotoon, jossa osa keksinnön mukaisesta polttokennolaitteesta toimii jännitekontrolloidusti, ja ohjattavalla kuormalla tasapainotetaan syntyvää tehoepätasapainoa.

10

Keksinnön etuna on, että onnistutaan toteuttamaan polttokennolaite, joka takaa polttokennoille tasaisen kuorman eri tilanteissa tarvimatta kustannuksiltaan kallista erillistä sähkönenergian varastointijärjestelyä. Keksinnön mukaisella toteutuksella vaihdetaan polttokennolaitteen toimintatila sähköverkon 15 rinnalle kytketystä toimintatilasta sähköverkosta irralliseen toimintatilaan välittömästi, kun sähköverkossa havaitaan häiriötila. Täten polttokennolaite voi jatkaa toimintaansa sähköverkon lyhytaikaisen tai pitkäaikaisenkin häiriötilan aikana. Tällöin vältetään polttokennolaitteiden pitkäaikaiset uudelleen käyn-nistysprosessit ja sähköverkon häiriötilan aikana polttokennolaitteen toimin-20 taa voidaan hyödyntää johonkin muuhun tarkoitukseen kuten varateholäh-teenä toimimiseen esimerkiksi matkapuhelinverkon tukiasemalle 132. Sähköverkon häiriötilan poistuttua polttokennolaitteen toiminta voidaan myös palauttaa välittömästi sähköverkkoon kytkettyyn toimintatilaan, jossa poltto- — kennolaite syöttää sähkövirtaa sähköverkkoon.

cv 25 i o Kuvioluettelo

(M

O

| Kuviossa 1 esitetään yksittäisen polttokennon toteutus.

oö § 30 Kuviossa 2 esitetään polttokennolaitteen toteutus.

o o

(M

7

Kuviossa 3 esitetään keksinnön edullisen toteutusmuodon mukainen lohko-kaavio.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus 5

Keksinnön mukaisissa toteutuksissa polttokennotekniikkaa hyödynnetään onnistuneesti sekä sähkövirran syöttämisessä sähköverkkoon 125 ja myös tilanteissa, joissa polttokennolaite 123 irrotetaan sähköverkosta irralliseen toimintaan. Seuraavassa esitetään yksityiskohtaisesti keksinnön edullisen toteutus-10 muodon mukaista toteutusta, josta kuviossa 3 esitetään lohkokaavio. Ainakin yksi polttokennolaite järjestetään sähköverkkoon 125 rinnan kytkettäväksi polttokennolaitteen tuottaman sähkövirran syöttämiseksi sähköverkkoon. Polttokennolaitteen tehonmuunnin 122 käsittää ohjauspiirin 128 ja virtakont-rolloidun tehoasteen 124 sähkövirran ohjaamiseksi sähköverkkoon polttoken-15 nolaitteen 123 ollessa sähköverkkoon rinnan kytkettynä. Tehon muuntamis-topologiaa toteutetaan mainitun tehoasteen käsittämien virtakontrolloitujen muuttajien, kuten esimerkiksi virtakontrolloitujen DC/DC muuttajien, välityksellä. Kyseinen virtakontrolloitu toteutus mahdollistaa sen, että polttokennolaite pidetään halutuissa toimintarajoissaan, vaikka polttokennon jännite 20 vaihtelisi tai DC/AC-muuntimen välipiirin jännite vaihtelisi. Polttokennojärjes-telmissä, jotka käsittävät useita polttokennojen pinoja, voidaan käyttää erillisiä DC-DC muuttajia kullekin pinolle tai pinojen ryhmälle, jotta varmistetaan pinojen välisten kuormien jaottelun ohjattavuutta.

c3 25 Polttokennolaitteen 123 sähköverkkoon 125 kytketyssä toimintatilassa poltto- o kennolaitteen muodostamaa sähkövirtaa ohjataan sähköverkkoon esimerkiksi C\] o kolmivaiheisesti virtakontrolloidun tehoasteen 124 välityksellä. Tehonmuun- | nin 122 käsittää ohjauspiirin 128 vaihereferenssisignaalin muodostamiseksi £ sähkövirran sähköverkkoon ohjaamista varten. Vaihereferenssisignaali muo- § 30 dostetaan esimerkiksi siten, että ohjauspiirillä 128 pidetään olennaisen va- o ^ kiona ohjauspiirin sisäinen kolmivaiheinen siniaaltoreferenssisignaali vaihevir- roille. Kyseinen vaihereferenssisignaali eli siniaaltoreferenssisignaali muodos- 8 tetaan ohjauspiirillä kolmessa vaiheessa taajuuslukitusti kolmivaiheiseen verkkojännitteeseen nähden. Soveltamalla siniaaltoreferenssisignaaliin nähden offset-arvoa sähköverkkoon syötettävän sähkövirran vaihekulma voidaan tietyissä rajoissa vapaasti asettaa jäi kivi iveiseksi tai etuviiveiseksi. Ohjauspii-5 rillä 128 suoritetaan myös amplitudiohjaus siten, että vaihereferenssisignaali eli tässä esimerkissä siniaaltoreferenssisignaali kerrotaan amplitudireferens-sisignaalilla, joka derivoidaan tehoasteen 124 välipiirin jännitteestä. Tällä tavoin suoritettava amplitudiohjaus pidetään sellaisella minimitasolla, joka on riittävä sallimaan säröytymättömän virransyötön sähköverkkoon täten opti-10 moiden polttokennolaitteen tehokkuutta.

Keksinnön edullisessa toteutusmuodossa on jäljestetty välineiksi 130 polttokennolaitteen kytkemiseksi irti sähköverkosta suojareletoteutus 130 siten, että välittömästi häiriön ilmetessä sähköverkossa suojarele irrottaa poltto-15 kennolaitteen 123 sähköverkosta irralliseen toimintatilaan. Häiriö sähköverkossa havaitaan esimerkiksi sähköverkon jännitteen tai taajuuden havainnointiin perustuen. Kyseinen irrottaminen signaloidaan lähettimellä tehon-muuntimen 122 ohjauspiirille 128, jonka välityksellä ohjauspiirin sisäiseen siniaaltoreferenssisignaaliin perustuen siirretään polttokennolaitteen toiminta 20 välittömästi sähköverkosta irralliseen toimintatilaan. Sähköverkosta irrallisessa toimintatilassa polttokennolaite 123 toimii jännitekontrolloidussa toimintatilassa, jossa muodostetaan vakaa kuormasta riippumaton kolmivaiheinen jännite. Suojarele 130 voidaan konfiguroida lähetinvastaanotin toteutuksella t- kommunikoimaan polttokennolaitteen käsittämien muiden suojareleiden 131 ° 25 kanssa siten, että polttokennolaite muodostaa paikallisen eristetyn saarek- 9 keen käsittäen kuormia 132 (esimerkiksi matkapuhelinverkon tukiasema),

C\J

o joille polttokennolaite voi tarvittaessa toimia varateholähteenä. Kuormien | jakaminen saarekkeen mahdollisten muiden jännitelähteiden kanssa voidaan £ toteuttaa esimerkiksi soveltamalla negatiivista takaisinkytkentää syöttötehon § 30 ja taajuuden välillä. Kuviossa 3 esitettävää suojarelettä 131 ei välttämättä o oj tarvita keksinnön mukaisessa toteutuksessa.

9 Sähköverkosta irrallisessa toimintatilassa polttokennolaitteen 123 polttoken-not 103 pidetään vakiokuormaolosuhteissa hyödyntämällä ohjattavaa kuormaa 126 tehotasapainon ylläpitämiseksi eli niin sanottua puskurikuormaa, jonka kuormitus on sovitettu kuluttamaan pois ero, joka syntyy polttokennoil-5 ta muodostuvan sähkötehon ja kulloinkin ajankohtaisen kuormien varsinaisen sähkötehon tarpeen välillä. Sähköverkosta irtauduttuaan tehonmuuntimen 122 eli tässä esitettävässä keksinnön yhdessä edullisessa toteutusmuodossa DC/AC muuntimen on toimittava jännitekontrolloidussa toimintatilassa, vaikka polttokennojen 103 kuormitus jatkuu virtakontrolloidusti. Ohjattavaa kuor-10 maa 126 käytetään tasapainottamaan mainittujen jännite- ja virtakontrolloin-tien aiheuttamaa tehojen epätasapainoa. Ohjattavan kuorman 126 sovittaminen suoritetaan tehoasteen välipiirin jännitteen kulloiseenkin arvoon perustuvalla säätöjärjestelmiä. Säätöelimenä voidaan käyttää esimerkiksi tyristo-risäädintä jonka liipaisukulmaa ohjataan. Ohjattavaan kuormaan 126 syötet-15 tävän sähkötehon määrä edustaa myös kulloinkin käytettävissä olevaa marginaalia kuormille syötettävän sähkötehon lisäämiseksi. Sähköenergian varastointia tarvitaan vain, jos polttokennolaite on tarkoitettu pitempijaksoisesti syöttämään vaihtovirtatehoa enemmän kuin sen nimellisen toimintatehon mukaisesta toiminnasta irtoaa.

20

Kyseessä oleva sähköverkon 125 häiriötila voi kestoltaan vaihdella erittäin lyhytaikaisesta (esim. jännitepiikki) pitkäaikaiseen (sähkökatkot). Havaittaessa vastaavasti myös se, että häiriötila on poistunut sähköverkosta polttoken-— nolaitteen 123 toiminta voidaan myös palauttaa välittömästi sähköverkkoon ^ 25 kytkettyyn toimintatilaan, jossa polttokennolaite syöttää sähkövirtaa sähkö- o verkkoon. Keksinnön edullista toteutusmuotoa voidaan täten nimittää myös C\] o verkkovuorovaikutteiseksi sähkötehon tasaajaksi erilaisiin sähköverkkoihin | kytkettävissä oleviin polttokennolaitesovelluksiin. Sähköverkko voi olla siis £ yksivaiheinen, kaksivaiheinen, kolmivaiheinen, jne, vaihtovirtaverkko ja ky- § 30 seeseen voivat tulla myös tasasähköverkot.

o o

(M

10

Polttokennolaitteille, jotka ovat ensisijaisesti tarkoitettuja sähköverkon rinnalla tapahtuvaan toimintaan, kuten esimerkiksi jaetuille polttokennojärjestelmil-le, on suurena etuna mahdollisuus toimintaan ilman järjestelyä sähköenergian varastoimiseksi. Keksinnön mukaisessa sähköverkkoon kytketyssä toimin-5 tatilassa sähköenergian varastointijärjestelyn puuttuminen tarkoittaa tehok-kuusetua, koska ei tarvitse tuottaa erikseen sähköä energiavaraston sähkö-energiamäärän pitämiseksi riittävän suurena. Keksinnön mukaisessa sähköverkosta irrallisessa toimintatilassa vastuksilla menetettävän tehon määrä on merkityksetöntä, koska kyseisessä toimintatilassa vietetyt aikajaksot ovat 10 suhteellisesti lyhyitä. Vaikka sähköenergian varastointi olisikin mukana polt-tokennolaitteessa, polttokennolaitteen on toimittava tietyllä minimikuormalla, jotta vaatimus polttokennolaitteen toiminnan lämpötilatasapainosta täyttyisi. Keksinnön mukaisella toteutuksella sallittavaa polttokennon minimikuormaa voidaan vähentää asettamalla vastuskuorma polttokennojen läheisyyteen ja 15 hyödyntämällä vastuskuormalla syntyvää lämpöenergiaa polttokennojen lämmittämiseen ja/tai polttokennolaitteen toimiessa varateholähteenä jollekin ulkoiselle kuormalle 132 kuten esimerkiksi matkapuhelinverkon tukiasemalle.

Vaikkakin edellä kuvioihin liittyen on esitetty keksinnön mukaisten toteutus-20 ten hyödyntämistä SOFC-polttokennolaitteissa, on huomattava, että keksinnön mukaiset toteutukset ovat hyödynnettävissä muunkinlaisissa polttoken-nolaitteissa. Keksinnön edullisen toteutusmuodon yhteydessä on lähinnä tarkoitettu yleistä sähköverkkoa ja polttokennolaitteen tuottaman tasasähkön syöttämistä siihen esimerkiksi kolmivaiheisen DC-AC muunnoksen kautta.

c3 25 Keksinnön mukaisissa toteutuksissa voivat tulla kyseeseen monenlaiset säh- o köverkkototeutukset eikä DC-AC muunnostakaan täten välttämättä tarvitse «m ..

0 olla.

CC

CL

£ Vaikka keksintöä on edellä selostusosassa kuvattu viitaten kuvioihin, ei kek- § 30 sintö ole kuitenkaan rajoittunut selostusosaan ja kuvioihin vaan keksintöä o ^ voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten määrittämissä rajoissa.

Claims (10)

11

1. Sähkövirtaa muodostava polttokennolaitejärjestely sähkövirran syöttämiseksi sähköverkkoon (125), jossa järjestelyssä ainakin yksi polttokennolaite 5 (123) on järjestetty sähköverkkoon (125) rinnan kytkettäväksi käsittäen: - ohjattavan kuorman (126) polttokennolaitteen tehotasapainon ylläpitämiseksi ja välineet (130) polttokennolaitteen kytkemiseksi irti sähköverkosta häiriön ilmetessä sähköverkossa, tunnettu siitä, että polttokennolaite (123) käsittää tehonmuuntimen (122), joka tehonmuunnin käsittää virtakontrol-10 loidusti toimivan tehoasteen (124) sähkövirran ohjaamiseksi sähköverkkoon (125) polttokennolaitteen ollessa sähköverkkoon rinnan kytkettynäpä joka tehonmuunnin (122) käsittää ohjauspiirin (128) vaihereferenssisignaalin muodostamiseksi, joka vaihereferenssisignaali kerrotaan amplitudireferens-sisignaalilla sähkövirran ohjaamiseksi sähköverkkoon säröytymättömänä polt-15 tokennolaitteen tehokkuuden optimoimiseksi, ja polttokennolaite käsittää mainitun tehonmuuntimen (122) polttokennolaitteen siirtämiseksi sähköverkon häiriön ilmetessä käyttämällä vaihereferenssisignaalia sähköverkosta irralliseen toimintatilaan tehonmuuntimen (122) toimimiseksi jännitekontrol-loidusti ja mainitun ohjattavan kuorman (126) tehotasapainon ylläpitämiseksi 20 jännitekontrolloidun tehonmuuntimen (122) ja muun polttokennolaitteen välillä, ja häiriön poistuttua sähköverkosta mainitun tehonmuuntimen (122) polttokennolaitteen siirtämiseksi käyttämällä vaihereferenssisignaalia sähköverkkoon kytkettyyn toimintatilaan tehonmuuntimen (122) toimimiseksi virta-kontrolloidusti. O -ΜΓ <m 25 i

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokennolaite, tunnettu siitä, että C\] o polttokennolaite (123) käsittää ohjauspiirin (128) kolmivaiheisen siniaalto- | muotoisen vaihereferenssisignaalin muodostamiseksi sähkövirran sähköverk- £ koon ohjaamista varten. S 30 00. o (M 12

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokennolaite, tunnettu siitä, että virtakontrolloitu tehoaste (124) käsittää välipiirin, jonka jännitteestä derivoidaan mainittu amplitudireferenssisignaali.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokennolaite, tunnettu siitä, että polttokennolaite (123) käsittää ohjattavan kuorman (126) polttokennolaitteen toiminnan järjestämiseksi varateholähdetoiminnaksi sähköverkosta irrallisessa toimintatilassa.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokennolaite, tunnettu siitä, että polttokennolaite (123) käsittää useamman kuin yhden polttokennopinon (103) ja erillisen DC-DC muuttajan kullekin polttokennopinolle tai polttoken-nopinojen ryhmälle polttokennopinojen välisten kuormien jaottelun kontrollointia varten. 15

6. Menetelmä sähkövirran muodostamiseksi polttokennolaitteella, jolla syötetään sähkövirtaa sähköverkkoon (125), ja menetelmässä: - ainakin yksi polttokennolaite (123) järjestetään sähköverkkoon (125) rinnan kytkettäväksi, 20. muodostetaan vaihereferenssisignaali, jota hyödynnetään sähkövirran oh jaamisessa, - ja sähkövirtaa ohjataan sähköverkkoon virta kontrolloidusti tehonmuuntimen (122) käsittämän tehoasteen (124) välityksellä polttokennolaitteen ollessa sähköverkkoon rinnan kytkettynä, ^ 25 tunnettu siitä, että menetelmässä: o - kerrotaan vaihereferenssisignaali amplitudireferenssisignaalilla sähkövirran C\] o ohjaamiseksi sähköverkkoon säröytymättömänä polttokennolaitteen (123) | tehokkuuden optimoimiseksi, £ - kytketään polttokennolaite irti sähköverkosta häiriön ilmetessä sähköver- § 30 kossa, o ^ - siirretään polttokennolaite käyttämällä mainittua vaihereferenssisignaalia sähköverkosta irralliseen toimintatilaan, jossa tehonmuunnin (122) toimii 13 jännitekontrolloidusti, ja käytetään ohjattavaa kuormaa (126), jolla ylläpidetään tehotasapainoa jännitekontrolloidun tehonmuuntimen (122) ja muun polttokennolaitteen välillä, - ja häiriön poistuttua sähköverkosta siirretään polttokennolaite käyttämällä 5 mainittua vaihereferenssisignaalia sähköverkkoon kytkettyyn toimintatilaan, jossa tehonmuunnin (122) toimii virtakontrolloidusti.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetaan siniaaltomuotoinen vaihereferenssisignaali sähkövirran sähköverk- 10 koon ohjaamista varten.

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että derivoidaan amplitudireferenssisignaali tehoasteen (124) välipiirin jännitteestä.

9. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käyttä mällä ohjattavaa kuormaa (126) järjestetään polttokennolaitteen (123) toiminta varateholähdetoiminnaksi sähköverkosta irrallisessa toimintatilassa.

10. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käyt-20 tämällä polttokennopinoille (103) tai polttokennopinojen ryhmille erillisiä DC-DC muuttajia kontrolloidaan polttokennopinojen välisten kuormien jaottelua tai polttokennopinojen ryhmien välisten kuormien jaottelua. δ cv 05 O CM O X X CL δ δ oo o o CM 14